Physik der Aluminiumschmelze

 

Schmelzöfen für Aluminium

Jede Produktion von Aluminium-Strangpressprofilen hat normalerweise einen eigenen Standort oder eine eigene Werkstatt zum Umschmelzen ihrer eigenen technologischen Abfälle, sowie geeigneter zugekaufter Aluminiumschrott. Die resultierende Aluminiumschmelze wird dann zum Pressen in Barrensäulen gegossen (vgl. mehr Details Hier). Typische Schmelzöfen für eine solche Produktion sind z Gas-Nachhallöfen mit direkter Chargenbeladung, stationär oder geneigt (Abb. 1).

Bild 1 – Ein typischer Hallofen zum Schmelzen von Aluminium [1].

Nachfolgend sind die grundlegenden physikalischen Prinzipien aufgeführt, Muster und Phänomene, was beim Arbeiten mit solchen Öfen zu beachten ist.

Vier Wärmeübertragungsmechanismen

In Schmelzöfen mit direkter Beheizung, wie z. B. Flammöfen, die Wärmequelle ist ein oder mehrere Gasbrenner. In einem solchen Schmelzofen sind die Hauptmechanismen der Wärmeübertragung auf die Aluminiumcharge [2]:

• Wärmestrahlung der Auskleidung (Dach und Wände)
• Wärmestrahlung aus dem Volumen gasförmiger Verbrennungsprodukte über dem Metall
• Direkte Wärmestrahlung von der Flamme des Brenners auf das Metall
• Konvektive Wärmeübertragung von heißen Gasen, die entlang der Metalloberfläche verlaufen.

Bei Flammöfen wird im Allgemeinen die Strahlung von der Auskleidung als die Hauptwärmequelle zum Schmelzen der Aluminiumbeschickung angesehen.. In einigen Stadien des Schmelzzyklus kann dieser Mechanismus der Wärmeübertragung auf die Charge jedoch ziemlich unbedeutend sein [1, 2]. Der effiziente Betrieb eines Schmelzofens erfordert die maximale Nutzung aller Wärmeübertragungsmechanismen, indem sie in verschiedenen Phasen des Schmelzzyklus optimiert werden..

Wärmeleitfähigkeit von Aluminium: fest und flüssig

Im festen Zustand ist Aluminium ein sehr guter Wärmeleiter.. Aus diesem Grund können Öfen mit direkter Beschickung zu Beginn des Schmelzzyklus Wärme mit sehr hoher Rate auf das beschickte Gut übertragen..

Im flüssigen Zustand sinkt die Wärmeleitfähigkeit von Aluminium um etwa die Hälfte des Wertes im festen Zustand (Abb. 2). Diese Eigenschaft von flüssigem Aluminium kann die Effizienz des Schmelzofens beim direkten Einbringen der Charge in die Schmelze erheblich reduzieren.. Um es zu umgehen, Typische Hallöfen haben einen geneigten Eingang (vgl. Bild 1). An diesem geneigten Einlass wird die Mischung vorgetrocknet., und es kann auch bis zum Schmelzpunkt erhitzt werden.

Bild 2 – Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von Aluminium und Legierungen 6061
je nach Temperatur [2]

Wärme zum Schmelzen der Ladung

Auf dem Bild 3 die angezeigte Wärmemenge, die benötigt wird, um ein Kilogramm Aluminium zu schmelzen und auf Gießtemperatur zu bringen. 93 Prozent dieser Wärme werden vom Aluminium absorbiert, solange es fest ist. Daher hängt die Effizienz eines direkt beschickten Schmelzofens davon ab, wie viel Wärme kann die feste Charge aufnehmen, bevor ihr noch ungeschmolzener Teil unter die Schmelzoberfläche sinkt [1].

Bild 3 – Spezifische Wärme für Aluminium schmelzen und
Erhitzen auf Gießtemperatur [2]

Schmelzzyklus des Hallofens

Änderungen der Temperaturparameter und des Stromverbrauchs von Brennern in einem direkt beschickten Flammschmelzofen sind in der Abbildung dargestellt. 4.

Bild 4 – Ändern von Temperaturparametern und
Leistungsaufnahme von Brennern im Hallofen-Schmelzzyklus [1]

Zu Beginn des Schmelzzyklus wird kaltes Metall in einen heißen Ofen geladen. Dadurch wird die Temperatur der Auskleidung deutlich reduziert. hartes Metall, die in den Ofen geladen wird, nimmt sehr schnell Wärme aus dem Gasstrom von Verbrennungsprodukten auf. Der Strom heißer Gase trifft in vielen Fällen direkt auf die Aluminiumcharge (Abb 5). In diesem Stadium ist die Gesamtoberfläche der Ladung sehr groß und daher erfolgt eine effiziente Wärmeübertragung von den heißen Gasen der Verbrennungsprodukte auf die Ladung.. Aus diesem Grund haben die Rauchgase des Ofens eine relativ niedrige Temperatur (vgl. Bild 4).

Bild 5 – Durchgang des heißen Stroms von Verbrennungsprodukten des Brenners
durch die Aluminiumladung: a) vollständig; b) teilweise [2]

Wenn das Massivblech erhitzt wird, nimmt die Intensität seines Wärmeaustauschs mit den heißen Gasen der Verbrennungsprodukte ab.. Auch der Stromverbrauch der Brenner wird reduziert. Die Mischung beginnt zu schmelzen und nimmt eine flache Form an (Abb 6). In diesem Stadium des Schmelzzyklus steigt die Temperatur der den Ofen verlassenden Gase aufgrund einer Abnahme der Temperaturdifferenz zwischen den heißen Gasen und dem Metall stark an., sowie die Kontaktfläche ihrer Interaktion zu reduzieren.

Bild 6 – Die Wirkung heißer Brennergase auf eine flache Schmelze in einem Ofen [2]

Feststoffladung in der Schmelze

Aluminium im festen Zustand hat eine höhere Dichte, als in Flüssigkeit (Abb 7). Daher sinkt normalerweise eine feste Charge leicht auf den Boden des Bades aus geschmolzenem Aluminium.. Wenn die Ladungsoberfläche, z.B, Aluminiumspäne, zu groß für sein Gewicht, dann kann es aufgrund der Oberflächenspannung auf der Oberfläche der Schmelze schwimmen.

Bild 7 – Abhängigkeit der Dichte von reinem Aluminium von der Temperatur [3]:
a - massives Aluminium, b - flüssiges Aluminium

Sobald die feste Ladung in flüssiges Aluminium getaucht wird, sein Wärmeaustausch mit dem Ofen wird durch die Wärmeleitfähigkeit des Metalls begrenzt, in dem sie ist. Der Hauptmechanismus der Wärmeübertragung auf die ebene Oberfläche der Schmelze ist die Wärmeübertragung durch Strahlung von der Auskleidung, Flammen und Verbrennungsprodukte. Daher ist es wichtig, so dass in diesem Stadium des Ofens, es hatte die höchste Arbeitstemperatur.

Oxidation von flüssigem Aluminium

Es könnte scheinen, dass in diesem Stadium der effizienteste Weg, den Schmelzzyklus abzuschließen, darin besteht, die Temperatur der Schmelze zu erhöhen. Aber, leider, Aluminium im flüssigen Zustand weist eine zu hohe chemische Aktivität auf.

Auf dem Bild 8 die Auswirkung der Temperaturerhöhung der Aluminiumschmelze auf die Schlackenbildung (Al₂Ö₃). Wenn die Aluminiumtemperatur überschritten wird 760 ºS, die Schlackenbildungsgeschwindigkeit nimmt stark zu. Je mehr Schlacke gebildet wird, desto mehr Metall geht unwiederbringlich verloren.

Für die Bildung von Schlacke ist neben der hohen Temperatur die Anwesenheit von Sauerstoff in Kontakt mit dem Metall zwingend erforderlich.. Die Hauptsauerstoffquellen im Ofenvolumen sind Luft, das kommt von außen rein, und Luft, die keine Zeit hatten, im Brenner zu brennen. Ein guter Brenner sollte arbeiten, ohne dass überschüssige Luft in den Ofenraum eingeführt wird..

Bild 8 – Abhängigkeit der Oxidationsgeschwindigkeit von Aluminium von der Temperatur [2]

Einfluss der Schlackendicke

Eine dünne Schicht Schlacke ist sogar nützlich, da es die Reflexionseigenschaften der Aluminiumschmelze verringert. Dies trägt zu einer besseren Absorption der Wärmestrahlung der Auskleidung bei., Flammen und Brandgase. Wenn die Schlackenschicht zu dick wird, es wirkt als Wärmeisolator. In diesem Fall, Um Wärme in die Schmelze zu übertragen, muss die Temperatur an ihrer Oberfläche noch weiter erhöht werden.

Tiefe der Schmelze im Ofen

Die Dichte von flüssigem Aluminium mit steigender Temperatur ist nicht signifikant, aber abnimmt (vgl. Bild 7). Das heisst, wenn die Schmelze von oben erhitzt wird, seine unteren Schichten werden immer "schwerer" sein als die oberen. Die Schmelze befindet sich in einem Zustand des hydrostatischen Gleichgewichts und ohne äußere Einwirkung findet in ihr keine innere Bewegung statt.. Wärme zum Aufheizen der unteren Schichten der Schmelze kann aufgrund des Mechanismus der Wärmeleitung nur von der oberen heißen Schicht übertragen werden [1]. deshalb, desto tiefer das flüssige Aluminiumbad, in die die feste Ladung eingetaucht ist, desto schwieriger ist es, ihm die zum Schmelzen notwendige Wärmeenergie zuzuführen.

Im Allgemeinen benötigen tiefere Öfen mehr Energie für den Betrieb und haben einen höheren Burnout.. Gilt als, dass für Flammschmelzöfen für Aluminium die optimale Schmelztiefe ist 500-600 mm. Aber auch in diesem Fall ist die Temperaturdifferenz zwischen Ober- und Unterseite der Schmelze 23-25 ºS [1].

Rühren der Schmelze

Um die Aufheizgeschwindigkeit der Schmelze zu erhöhen, werden verschiedene Mischverfahren verwendet.. Dies geschieht meistens mit mechanischen Werkzeugen., wie Handschaber oder Großschaber, auf einem Gabelstapler montiert. Allerdings nur wenige Minuten nach dem Ende dieser Operation, das Schmelzbad kehrt wieder in seinen vorherigen stationären Zustand zurück [1]. Außerdem, Für ein solches Mischen müssen Sie das Ladefenster des Ofens öffnen, was zu zusätzlicher Schlackenbildung führt. Daher werden in großen Öfen und großen Industrien komplexe Schmelzmischsysteme mit verschiedenen Pumpen eingesetzt - Zentrifugalpumpen, elektromagnetisch und andere, die die Schmelze kontinuierlich rühren können.

Quellen:

1. Handbuch des Aluminiumrecyclings / h. Schmitz, 2014
2. Direkt geladene Schmelzgeräte / Donald F. Whipple – Bloomengineering, 2004
3. Handbuch Aluminium: Bd. 1 / ed. Toten@McKenzie, 2003