Schachtschmelzofen

Schmelzofen mit einem senkrechten, rohrförmigen Schacht. Beispiele dafür sind ein z. B. der Hochofen, Kupolofen und ein Aluminium-Schachtschmelzofen aber auch ein Wärmebehandlungsofen mit zylindrischem, schachtförmigen Aufbau und Luftumwälzung.

Aluminium-Schachtschmelzofen

Bei hohen Anforderungen an die Metallqualität, an die Schmelzleistung und die Wirtschaftlichkeit werden in Aluminium-Gießereien, insbesondere Druckgießereien, Schachtschmelzöfen verwendet. In Bild 1 ist der konstruktive Aufbau eines brennstoffbeheizten Schachtschmelzofens zum Schmelzen und Warmhalten von Aluminiumlegierungen schematisch dargestellt. Dank einer besonderen Schachtgeometrie und speziell angepasster Brennertechnologie werden hierbei die Prozessschritte Vorwärmen, Aufheizen und Verflüssigen in einem Schmelzschacht kombiniert. Das Schmelzgut wird oben in den Schacht in kaltem Zustand eingesetzt, sinkt im Schacht ab und erwärmt sich dabei. Den vom Schmelzprozess auf der Schmelzbrücke aufsteigenden Abgasen wird dabei Wärme entzogen, d. h. der Schachtofen arbeitet im wärmetechnisch günstigen Gegenstromprinzip.

Der Wärmeübergang erfolgt durch Konvektion, was einen Wärmeaustausch schon bei niedrigen Temperaturen gewährleistet. Auf der Schmelzbrücke am Schachtfuß ist das Material soweit durchgewärmt, dass ein schnelles Abschmelzen stattfindet. Dadurch ist die Verweilzeit des Metalls im Hochtemperaturbereich mit unmittelbarer Beaufschlagung durch die Brennergase gering, was sich günstig auf den Abbrand auswirkt. Explosionen durch feuchtes Schmelzgut sind ausgeschlossen. Das geschmolzene Metall fließt turbulenzfrei und krätzearm von der Schmelzbrücke in den wannenförmigen Warmhalteraum und wird dort exakt auf der gewählten Abstichtemperatur gehalten. Bei den größeren Anlagen erfolgt der Metallabstich in der Regel über eine hydraulische Kippeinrichtung der Ofenanlage (Bild 2), bei kleineren Einheiten dagegen über ein Abstichventil (Bild 3).

Die Anlagen weisen einen hohen Automatisierungsgrad auf. Der Beschickungszeitpunkt kann direkt durch Füllstandsüberwachung des Materials im Schacht oder indirekt durch die Auswertung der Abgastemperatur bestimmt werden. Das Beschickungsgut (Block- und Kreislaufmaterial) muss lediglich der Beschickungseinrichtung des Ofens zugeführt werden. Dies erfolgt entweder manuell in Beschickungswagen oder mittels Gabelstapler unmittelbar in das Lastaufnahmemittel. Das Chargieren startet dann automatisch auf Anforderung der Ofensteuerung.

Der Aufbau der Ofenanlage mit gesonderten Brenneranlagen für den Schmelzschacht bzw. für den Warmhalteteil gewährleistet eine kontinuierliche Metallabgabe mit einer Temperaturtoleranz von ± 5°C und ermöglicht so eine flexible Metallversorgung der Gießerei als wichtige Voraussetzung für eine gute Maschinenauslastung.

Das Konzept des Zweikammerofens mit einer Schmelzbrücke und einem separaten Warmhaltebad bewirkt eine hohe Qualität des entnommenen Metalls. Die Schmelze weist nur eine geringe Konzentration an suspendierten, unlöslichen Verunreinigungen auf, der Wasserstoffgehalt liegt unterhalb des Lösungsgleichgewichts. Typische Aluminium-Druckgusslegierungen wie VDS 226, 230, 231 und 239 können in solchen Schachtöfen mit hoher Metallausbeute und zur vollsten metallurgischen Zufriedenheit der Betreiber geschmolzen werden. Dieser Ofentyp stellt somit für viele Druckgießereien das ideale Schmelzaggregat dar. Nicht anzuraten ist dagegen das Einschmelzen extrem feinstückiger Rücklaufmaterialien wie z. B. Späne. Auch bei geringen Metallentnahmen mit Mengen unter 150 kg/h oder der Notwendigkeit zu häufigen Legierungswechseln, insbesondere zwischen kupferhaltigen und kupferfreien Gusslegierungen, können Zweikammeröfen nur bedingt wirtschaftlich eingesetzt werden. Sollten Späne rückgeschmolzen werden, so empfiehlt sich der Einsatz bzw. die Aufrüstung zu einem Späneofen.

Schachtschmelzöfen können auch mit einer oder zwei Schöpftaschen ausgeführt werden (Bild 4). Diese Anlagen werden oft an Fertigungszellen eingesetzt. Mittels Löffelsystem wird das Metall aus der Schöpftasche in die Gießkammer gebracht. Das in der Zelle anfallende Kreislaufmaterial wird dem Ofen direkt wieder zugeführt. Die erzeugte Metallqualität ist für viele Serienprodukte ohne weitere Schmelzebehandlung ausreichend. Solche Zellenlösungen zeichnen sich durch hohe Wirtschaftlichkeit aus.

Schmelzleistung und Beurteilungskriterien

Die Schmelzleistungen von Aluminium-Schachtschmelzöfen beginnen bei ca. 300 kg/h und reichen in Stufen von 500 oder 1.000 kg/h bis zu 7.000 kg/h. In Abstimmung mit der Schmelzleistung werden im gleichen Aggregat Warmhaltekapazitäten von 500 kg bis 20.000 kg vorgesehen. Grundsätzlich lassen sich Schmelz- und Warmhaltekapazität beliebig kombinieren und auf alle betrieblichen Gegebenheiten anpassen. Als Daumenregel gilt hierbei, dass die Größe des Warmhaltebades (in der Einheit Kilogramm) mindestens das ein- bis zweifache der Schmelzleistung (in der Einheit kg/h) betragen sollte.

Die wichtigsten Kriterien zur Beurteilung eines Schachtschmelzofens sind:

  • Gute Metallqualität, d.h. geringe Gasaufnahme und geringer Anteil an nichtmetallischen Verunreinigungen in der Schmelze
  • Geringer Abbrand (geringer Metallverlust durch Oxidation in der Ofenatmosphäre)
  • Hoher thermischer Wirkungsgrad und niedriger Energieverbrauch je Tonne an geschmolzenem Metall
  • Hohe Temperaturkonstanz der abstichbereiten Schmelze
  • Leichte und sichere Bedienung bei der Beschickung und der Schmelzeentnahme
  • Gute Zugänglichkeit zum Ofeninnenraum. Dies trägt zur Minimierung von Metallverlusten beim Abkrätzen der Schmelze bei und erleichtert die Reinigung des Ofens (Entfernen von Anhaftungen am Feuerfestmaterial)
  • Geringer Wartungsbedarf und hohe Standzeit des Feuerfestmaterials
  • Hoher Automatisierungsgrad der Ofenanlage, z.B. durch Installation eines automatischen Beschickungssystems, einer automatischen Brennersteuerung sowie einer Badtemperaturregelung und Temperaturüberwachung
  • Übersichtliche Visualisierung des Anlagenzustands sowie ausreichende und nachvollziehbare Protokollierung und Dokumentation
  • Erfüllung der Umwelt- und Arbeitsschutzvorschriften, betreffend Lärmimmissionen, Abgasemissionen und Schadstoffkonzentrationen am Arbeitsplatz

Schmelzequalität aus einem Aluminium-Schachtschmelzofen

Die erreichbare Schmelzereinheit ist abhängig vom Schmelz- und Warmhalteprozess und von der Qualität des Chargierguts. Die Qualität des Gussteils beginnt somit bereits im Schmelzofen. Für Aluminium-Silizium-Standardlegierungen erreicht man in Zweikammer-Schachtschmelzöfen vom üblicherweise Dichte-Index-Werte der Schmelze zwischen 4 % und 8 % (Anm.: Angaben von StrikoWestofen GmbH für den Typ StrikoMelter®). Damit ist die erzeugte Schmelze in vielen Fällen ohne aufwendige weitere Nachbehandlung für den Druckgießprozess geeignet. Durch die konsequente Trennung von Schmelz- und Warmhaltezone wird selbst bei minderwertigem Einsatzmaterial noch eine hohe Metallqualität erzeugt. Die Dimensionierung des Warmhaltebades, insbesondere die Begrenzung der Badtiefen auf weniger als 600 mm, sowie die gleichmäßige Temperierung durch geregelte Brenner sind wichtige Faktoren für die Erzielung einer hohen Metallqualität. Zudem bewirkt eine hohe Badkapazität eine ausreichende Abstehdauer für die Schmelze, was sich ebenfalls positiv auf die Schmelzereinheit auswirkt.

Das Ergebnis eines optimalen Schmelzprozesses und einer guten Temperaturführung zeigen Messungen an einem Schachtschmelzofen (Messungen an einem StrikoMelter® von und durch StrikoWestofen GmbH). Hier wurden in der Transportpfanne unmittelbar nach dem Abstich Dichte-Index-Werte zwischen 4 % und 5 % ermittelt. Die Abstichtemperatur betrug in diesem Fall 740 °C. Solch niedrige Dichte-Index-Werte sind in der Regel völlig ausreichend, um die Schmelze ohne Spülgasbehandlung bzw. Rotorentgasung sofort in den Schöpf- oder Dosierofen zu überführen.

Bei höheren Anforderungen an die Gussteile, z. B. bei der Herstellung hochbeanspruchter duktiler Gussteile aus duktilen Druckgusslegierungen, oder der Notwendigkeit geringster Wasserstoffgehalte, kann die Schmelzebehandlung mit Hilfe von Spülsteinen bereits im Warmhaltebad des Schmelzofens beginnen (Bild 5). Hauptaufgaben der Spülung mit Inertgas (Stickstoff oder Argon) sind die Vorreinigung der Schmelze durch eine im Vergleich zur Abstehbehandlung schnellere Entgasung sowie ihre thermische Homogenisierung. Letzteres vermindert auch den Energieverbrauch zum Warmhalten. Vom Spülen mit Hilfe von Spülsteinen im Boden einer Warmhaltekammer ist allerdings dann abzuraten, wenn der Ofen chargenweise betrieben wird bzw. wenn die Kammer häufig weitgehend entleert wird. Zudem kann es bei Schmelzetemperaturen von 800 °C und darüber - in Abhängigkeit von bestimmten Legierungselementen - zu einer Infiltration von Schmelze in den Spülstein kommen, was die Effektivität des Spülens verringert oder den Spülgasverbrauch erhöht.

Bild 6 zeigt den Verlauf des Dichteindex der Schmelze im Warmhaltebad eines Zweikammer-Schachtschmelzofens nach dem Start des Einblasens des Inertgases durch die Spülsteine. Nach einer Verzögerungszeit sinkt der Dichteindex kontinuierlich ab. Da mit einer niedrigen Schmelzetemperatur von 700 °C gearbeitet wurde und die Schmelze ferner sehr arm an oxidischen und anderen festen Verunreinigungen war, konnte ein hervorragender Dichte-Index--Endwert von unter 1,5 % erreicht werden.

Eine der führenden Firmen, welche Schachtschmelzöfen produzieren, ist ZPF GmbH (Film 1)

Weiterführende Stichworte:
Späneofen
Ofensteuerung
Schachtschmelzofen-Energieverbrauch
Metallausbeute

Literatur:
Bayerisches Landesamt für Umweltschutz (Hrsg.): Effiziente Energienutzung in Nicht-Eisen-Metall-Schmelzbetrieben, Augsburg 2005

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