Gasöfen zum Schmelzen von Aluminium: Auswahlkriterien

Reflektierende Gas- und Schachtöfen sind in den meisten Aluminiumgießereien weit verbreitet, wie bei der Herstellung von Formguss, d.h. Aluminiumgussteile und -produkte, und bei der Herstellung von Aluminiumbarren, die dann beim Walzen aufgebracht werden, Strangpressen oder Schmieden von Aluminium, sowie Schmelzbarren für andere Gießereien.

Базовыми типами газовых отражательных печей для плавления алюминия являются [1]:

  • Reflektierende Trockenherd-Schmelzöfen (dry hearth reverberatory furnaces), in dem das Metall vor, wie man schmilzt, подогревают на входном наклонном поде (рисунок 1).
  • Reflektierende Schmelzöfen Badezimmertyp (wet bath reverberatory furnaces), bei dem das Metall direkt in die Aluminiumschmelze geladen wird, обычно без предварительного подогрева (рисунок 2).
  • Schachtschmelzöfen (stack (shaft) furnaces) отличаются повышенной энергетической эффективностью, так как они используют тепло отходящих газов для подогрева загруженной алюминиевой шихты (рисунок 3). Schachtöfen sind eine modifizierte Version von Hallöfen

Bild 1 – Газовая отражательная плавильная печь с сухим подом [2]

Bild 2 – Газовая отражательная плавильная печь ванного типа [3]

Bild 3 – Газовая шахтная плавильная печь [4]

Eine andere Art von Gasofen ist der Tiegelofen, die für kleine Gussmengen verwendet werden, sowie für Sonderlegierungen. Diese Öfen bedürfen einer gesonderten Betrachtung..

Zusatzfunktionen von Gasöfen

Jeder dieser drei Grundtypen von Öfen kann zusätzliche Optionen haben., sowie Elemente, typisch für andere Ofentypen, z.B:

  • alle drei Ofentypen können mit externen Schächten ausgestattet sein, um zerkleinerte Charge in die Schmelze einzubringen, z.B, стружки;
  • печи с наклонным подом и шахтные печи могут иметь дополнительные загрузочные окна для загрузки шихты непосредственно в расплав;
  • Badöfen und Schachtöfen können am Ofeneingang eine breite Schwelle oder eine kurze geneigte Feuerstelle zum Vorwärmen von Barren und Massivholz haben, z.B, verpackter Schrott, а также для удобства съема шлака с поверхности расплава;
  • alle Öfen können mit einem Schmelzrührsystem ausgestattet werden, wie im Ladebrunnen, also in einem Bad aus Aluminiumschmelze.

Stationäre und Kippöfen

Каждый из трех базовых типов плавильных печей может быть выполнен в двух вариантах:

  • Стационарные печи: более дешевые и менее удобные для выдачи металла, kann eine Kapazität von bis zu haben 100 Tonnen und höhere Schmelzkapazität 10 Tonnen pro Stunde.
  • Наклоняемые печи: более дорогие и более удобные для выдачи или передачи готового расплавленного металла.

Reflektierende Trockenherd-Schmelzöfen

Bei Trockenherdöfen wird die beschickte Aluminiumcharge auf einen Schrägherd gestellt, который находится выше уровня расплавленного металла (рисунок 4). Heiße Abgase passieren die Ladung und heizen sie schnell auf. Die Beschickung schmilzt und fließt allmählich vom geneigten Herd in die Kammer zur Ansammlung von geschmolzenem Metall, die daher oft als Sparschwein bezeichnet wird.


Bild 4 - Reflektierender Trockenherd-Schmelzofen.
На входе в печь видны подогреваемые слитки [5]

Trockenherdöfen werden häufig verwendet, когда:

  • Der größte Teil der geladenen Aluminiumcharge ist das Schmelzen von Barren, einschließlich, groß, dh Shita-Elemente haben eine minimale Oberfläche.
  • Aluminiumladung enthält, z.B, Stahlelemente, sowie Reste von Gussformen, z.B, sandig. Der Aluminiumanteil der Charge wird auf dem Schrägherd geschmolzen und das Aluminium fließt den Schrägherd hinunter, und Fremdkörper bleiben auf dem Herd und werden mit Schabern aus dem Ofen entfernt.
  • Aluminiumcharge kann Wasser enthalten oder nass sein.

Преимущества печей с сухим подом:

  • Sicherheit. Die gesamte Ladung wird auf einem geneigten Herd geschmolzen, nicht unter der Oberfläche der Schmelze. Diese Erwärmung verhindert das Eindringen von Wasser in die Schmelze und die Explosionsgefahr..
  • Vermeidung von Schmelzkontamination. Ermöglicht das Entfernen von Fremdmaterialien aus der Ladung, kein Aluminium, Materialien, die auf der schiefen Feuerstelle bleiben.
  • Fähigkeit, fast kontinuierlich große Mengen an flüssigem Aluminium zu produzieren.

Недостатки печей с сухим подом:

  • Normalerweise haben diese Öfen zwei Schornsteine, einer über der schrägen Feuerstelle und der andere über dem Sparschwein. Это требует систему управления горелками для их оптимальной работы [1].
  • Высокий угар алюминия (7-12 %) при плавлении в атмосфере печи при температуре 700-760 Grad Celsius. Abfall ist der Verlust von metallischem Aluminium, die in der geladenen Ladung enthalten war, durch Oxidation und Übergang zu Schlacke.
  • Niedrige Energieeffizienz. Der Wirkungsgrad dieses Ofentyps steigt mit zunehmendem Verhältnis des Volumens der beschickten Charge zu ihrer Außenfläche.. Höchste Effizienz wird beim Schmelzen großer Aluminiumbarren erreicht, manchmal bis zu wiegen 500 кг [1].

Reflektierende Bad-Schmelzöfen

In diesen Öfen stehen die Verbrennungsprodukte in direktem Kontakt mit der Oberfläche der Schmelze und die Wärmeübertragung erfolgt durch eine Kombination von Konvektion und Strahlung.. Diese Öfen haben ein niedrigeres Dach, um die Nutzung der Strahlungswärme zu maximieren, die effizienteste Art, Wärme auf Aluminium zu übertragen. Источник тепла (горелки) могут располагаться на расстоянии 45-60 mm vom Spiegel der Aluminiumschmelze. Je näher die Wärmequelle an der Oberfläche der Schmelze ist, тем быстрее происходит передача ему тепла [1].

Bild 5 – Отражательная плавильная печь ванного типа [6]

Es werden reflektierende Schmelzöfen vom Badtyp verwendet, когда:

  • Aluminiumladung besteht hauptsächlich aus einer Legierung oder verwandten Legierungen, und der legierungswechsel ist selten.
  • Die Ladung kann eine große Oberfläche haben, und seine Komponenten haben unterschiedliche Größen, einschließlich, geringe Dicke, z.B, Schrott-Aluminium-Profile, sowie verpackter Aluminiumschrott.
  • Große Mengen an geschmolzenem Aluminium erforderlich.

Преимущества отражательных печей ванного типа:

  • Die Installationskosten solcher Öfen sind im Vergleich zu Trockenherd- und Schachtöfen am niedrigsten.
  • Alles Metall schmilzt unter der Oberfläche der Aluminiumschmelze, was einen relativ geringen Abfall an metallischem Aluminium bietet 2-5 %.
  • Допускает различные дополнения в зависимости от условий конкретных литейных производств: небольшой под или порог для предварительного подогрева слитков или пакетированного лома, загрузочный колодец для измельченного лома (рисунок 5), Rühren der Schmelze, Fenster zum einfachen Entgasen usw.. P.

Недостатки печей ванного типа:

  • Haben ein erhöhtes Verhältnis von Ofenkapazität für geschmolzenes Metall zur Schmelzrate des Ofens, was zusätzlichen Produktionsraum benötigt. Eine typische solche Beziehung ist 8 zu 1.
  • Wenn Schmelzbarren verwendet werden, dann müssen sie auf der Schwelle oder dem Herd vorgewärmt werden, bevor sie in die Schmelze geladen werden.
  • Das untere Dach des Backofens erfordert besondere Sorgfalt bei der Reinigung.

Schachtschmelzöfen

Schachtschmelzöfen haben eine höhere Energieeffizienz durch eine bessere Abdichtung des Ofens gegen das Eindringen von atmosphärischer Luft und die Verwendung von Abgasen zur Vorwärmung der Aluminiumcharge.

Die Aluminiumbeschickung läuft den Zuführschacht hinunter und erreicht allmählich die Schmelzzone, wo es unter dem Einfluss der Brenner schmilzt und ins Sparschwein fließt. Heiße Abgase strömen aus der Schmelzzone durch die Mine und erhitzen die Charge..


Bild 6 – Шахтная плавильная печь [7]

Vorteile von Schachtöfen

  • Durch die Vorwärmung der Charge mit den Abfallprodukten der Verbrennung erreicht die Energieeffizienz 40-50 %.
  • Die fertige Aluminiumschmelze zeichnet sich durch einen reduzierten Gehalt an Wasserstoff und nichtmetallischen Einschlüssen aus. Dies wird durch die Trennung von Schmelzzone und Vorwärmzone erreicht.. Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen verdunsten oder verbrennen noch in der Mine, und eine Trockencharge mit einem Minimum an Schadstoffen gelangt in die Schmelzzone.
  • Kein übermäßiger Kontakt der Schmelze mit Luftsauerstoff, что обеспечивает пониженный уровень угара металлического алюминия (0,8-1,5 %).

Nachteile von Schachtöfen

  • Zum, damit Schachtöfen einen geringen Abfall und eine hohe Energieeffizienz erreichen, sie müssen streng nach den für sie festgelegten Regeln betrieben werden, einschließlich der Verwendung einer ausreichend dichten Aluminiumladung. Bei einer leichten und dünnwandigen Beschickung können Schachtöfen einen erhöhten Aluminiumabfall und eine verringerte Energieeffizienz aufweisen..
  • Шахтные печи имеют довольно общую большую высоту (около 6 м), die nicht für alle Industrieräume geeignet ist.
  • Die feuerfeste Auskleidung am Boden des Schachtofenbeschickungsschachts ist erhöhten mechanischen Stoßbelastungen ausgesetzt, was zu häufigeren Wartungen führt.
  • Schachtöfen sind schwieriger zu bedienen, als reflektierend und erfordern daher zusätzliches Fachpersonal.

Eigentumsgesamtkosten

Для оптимального выбора печи для плавления алюминия в настоящее время применяют концепцию “Total Cost of Ownership” (TCO) [8]. Этот подход заключается в подсчете суммы всех расходов, die mit dem Erwerb verbunden sind, Einstellung, Betrieb und Wartung der betreffenden Geräte. Das Ergebnis sind die vollen Kosten für die Herstellung einer Tonne fertig geschmolzenen Aluminiums unter Berücksichtigung aller Kosten über die Lebensdauer des Ofens..

Эта полная стоимость готового расплавленного алюминия включает:

  • Kapitalkosten für den Kauf und die Installation des Ofens selbst, а также сопутствующего оборудования:
    – Backen
    – Ladesystem für Aluminiumladung
    – Aluminiumschmelze-Austragssystem
    – Instrumente und Instrumente zur Ofenkontrolle und Schmelzequalitätskontrolle

  • Операционные затраты на эксплуатацию печи и производство расплавленного алюминия:
    Энергетические ресурсы: газ, Elektrizität, flüssigen Brennstoff. Эффективность потребления энергии зависит от типа печи (с наклонным подом, Badezimmertyp, шахтная) и номинальной скорости плавления.
    Затраты на оплату рабочей силы: заработная плата рабочего и руководящего персонала, einschließlich, Wartungspersonal. Kommt darauf an, einschließlich, von der Komplexität der Ausrüstung, Häufigkeit seiner Wartung, die erforderliche Personalqualifikation.
    Материалы: стоимость материалов, die beim Betrieb des Ofens verbraucht werden, z.B, стоимость алюминиевой шихты; количество алюминия, die beim Schmelzen im Ofen durch Oxidation verloren geht, а также остается в шлаке; флюсы и т. P.

Применение такого подхода к анализу отражательных и шахтных плавильных печей привело к довольно неожиданным выводам [8]:

  • Bei der Entscheidung, einen neuen Schmelzofen zu installieren, muss nicht nur der Kaufpreis berücksichtigt werden., dann auch die vollen Kosten für das Schmelzen einer Tonne Metall unter Berücksichtigung aller Vergangenheit, настоящих и будущих расходов (ТСО).
  • Eingerichtet, dass die Kapitalkosten für den Kauf des Ofens nur die vollen Kosten einer Tonne Metall betragen können 3-5 %.
  • Gesamtkosten von Aluminium, выплавленного в шахтных и отражательных печах отличается незначительно [7].
  • Schmelztechnologie, die im Ofen verwendet wird, wirkt sich stark auf die Kosten für Material und Energieressourcen aus. Anerkannt, что шахтные печи являются в настоящее наиболее эффективным газовым плавильным оборудованием с высокой тепловой эффективностью (40-48 %) и низким угаром (1-2%).
  • Obwohl, dass Schachtöfen, wie es gilt, haben eine begrenzte technologische Flexibilität, sie sind die wichtigsten Schmelzgeräte eines mittelständischen Formgussunternehmens.
  • Andererseits, stellt sich heraus, wie hoch sind die arbeitskosten, die für den Betrieb von Schachtöfen erforderlich ist, etwa doppelt so hoch, als bei reflektierenden Öfen. Dies liegt an der höheren Komplexität von Schachtöfen., was die Einbeziehung zusätzlicher Spezialisten erfordert, um sie zu verwalten und zu warten.
  • Gleichzeitig, Materialkosten, die reflektierende Öfen verbrauchen, ist deutlich höher, als Schachtöfen, hauptsächlich durch höhere Aluminiumverluste beim Schmelzen in Hallöfen, sowie ihre geringe Energieeffizienz.

Quellen:

  1. ASM-Handbuch – Volumen 15 – Gießen – 2008.
  2. https://dynamofurnaces.com
  3. Aluminiumtechnologien / DR. YUCEL BIROL – Universität Dokuz Eylul, Truthahn – 29.09.2015
  4. https://www.strikowestofen.com
  5. https://www.bjholland-equip.com
  6. https://www.andritz.com
  7. http://www.marconiforni.com
  8. Investment and Management Decisions in Aluminium Melting: A Total Cost of Ownership Model and Practical Applications / EIN. Bacchetti, S. Bonetti, M. Perona und N. Saccani – Nachhaltigkeit 2018, 10, 3342