DE19605532A1 - Vorrichtung zur weitgehenden Entfernung von flüssigem Metall aus Metallkrätzen unter gleichzeitiger Verdichtung zu Krätzeblöcken - Google Patents

Description

1. Allgemein

In der Aluminiumindustrie fällt beim Schmelzen und Behandeln von flüssigem Aluminium eine Mischung von Aluminium und nichtmetallischen Beimengungen, wie Oxiden, Carbiden, Nitriden und eventuell Salzen an.

Dieses Gemenge heißt Krätze und enthält je nach Legierung und Ofenbehandlung zwischen 35 und 70% metallisches Aluminium.

Zur möglichst wirtschaftlichen Ausnutzung oder noch besser, zur sofortigen Rückgewinnung des Metalles gibt es derzeit mehrere Verfahren.

Ein besonders effektives Verfahren ist die sogenannte PRESSE von ALTEK, International in New York. (THE PRESS)
Dabei wird die frisch abgezogene Krätze in einem runden Krätzekübel mit einem ebenfalls runden Stempel ausgepreßt. Andere Stempelformen sind je nach Ofengröße und Chargieröffnung möglich.

Bei dem einfachen und sehr wirkungsvollen Verpressen laufen innerhalb von 4-15 Minuten, folgende Prozesse ab:

• 1. Flüssiges Aluminium wird durch den Stempeldruck aus der Krätze herausgepreßt, fließt durch eine Bohrung in dem Krätzekübel in eine darunterliegende Mulde und kann nach dem Erstarren sofort wiederverwendet werden.
• 2. Der sehr massive Preßstempel aus Spezialstahlguß kühlt die Krätze unter die Zündtemperatur und unterbricht die Oxidation zu Aluminiumoxid. Auch die Verdichtung der Krätze behindert den Zutritt von Luftsauerstoff und die weitere Oxidation, bzw. Neuzündung wird unmöglich.
• 4. Das gekühlte "Krätzepaket" kann staubfrei aus dem Krätzekübel ausgeworfen und danach nahezu staubfrei verladen werden, weil die nichtmetallischen Beimengungen von erstarrten Aluminiumplatten umschlossen werden.
• 5. Durch das rasche Unterbinden der Oxidation enthält selbst die ausgepreßte Krätze meist noch ca. 50% rückgewinnbares Aluminium.
• 6. Der Krätzeanfall wird durch das gewonnene Tropfmetall und die vermiedene Gewichtsverdopplung bei der Umwandlung von Aluminium in Aluminiumoxid verringert.
• 7. Transportkosten werden gespart und außerdem ist die Ausbringung von Metall beim Einschmelzen wesentlich höher, weil bereits viele der feinstverteilten Tröpfchen zu Strähnen und Platten zusammengeflossen sind. Diese kompakten, verdichteten Krätzeblöcke sind viel einfacher zu transportieren und damit bequem in jeder Krätzeaufbereitung oder Schmelzanlage einsetzbar.

Derartige Krätzepressen werden bisher für einen Krätzeanfall von minimal 100-150 kg gebaut und sind damit nur für mittlere bis große Krätzeerzeuger wirtschaftlich einsetzbar.

Bei den meisten kleineren Gießereien mit kleinen Schmelzöfen ist der Krätzeanfall entsprechend geringer, aber auch dort stellt sich die Frage der möglichst unmittelbaren Metallrückgewinnung.

Allerdings ist bei diesen Krätzeanfallstellen der Wärmeinhalt der kleinen Krätzemengen sehr gering und der Aluminiumanteil meist sehr groß, weshalb solche Krätze rasch abkühlt und erstarrt.

Das heißt bei diesen Anfallstellen ist nur die Rückgewinnung vorrangig, Kühlung ist nicht mehr erforderlich und Verbrennen von Aluminium nicht zu befürchten.

Deshalb kann mit der herkömmlichen Krätzepresse aus solchen Anfallstellen kein Metall zurückgewonnen werden.

Da es weltweit einige Tausende solcher kleiner Gießereien gibt, die insgesamt auch sehr viel Krätze erzeugen, wurde eine modifizierte Anlage entwickelt, die in der Lage ist aus den kleinen, relativ alumiumreichen - aber kalten Krätzen, das flüssige Metall herauszuquetschen. Wegen dieser Prozedur wird diese erfindungsgemäße Anlage auch als SQUEEZER bezeichnet und im folgenden nur noch so benannt.

1. BESCHREIBUNG

Die beschriebene kalte, aluminiumreiche Krätze muß im Gegensatz zur bisher geübten Praxis nicht gekühlt, sondern im Gegenteil bis zum Schmelzpunkt erwärmt werden.

Dies geschieht erfindungsgemäß in einem Apparat, der aus einer Kombination von Elektroofen und Presse besteht.

Die Dimensionen sind wesentlich kleiner und optimal an die geringen Anfallmengen von 20-70 kg angepaßt.

Ähnlich wie bei der konventionellen Krätzepresse, darf die Krätzewanne nicht überfüllt und nicht unter 50% gefüllt sein, weil nur in diesem Bereich die günstigsten Bedingungen für das Metallaustreiben vorliegen.

Der erfindungsgemäße Durchbruch wird dadurch erreicht, daß der kleine Krätzetiegel mit einem Fassungsvermögen von 20-60 dm³ nicht aus Gußstahl, sondern aus elektrisch leitfähiger Kunstkohle hergestellt ist.

Aus dem gleichen Material ist auch der zylindrische Preßstempel hergestellt, der lediglich an der Spitze halbkügelförmig gerundet ist.

Vor dem Einsatz des Squeeezers wird der Stempel mit einem Durchmesser, der ca. 10 cm kleiner als der Krätzetiegel ist, in den Tiegel eingefahren bis zum Kontakt mit dem Tiegelmaterial.

Nun wird mittels Trafo ein stabiler Gleichstrom zwischen den beiden Polen:
Tiegel und Stempel geschalten und wie bei einem Elektroofen werden im Kurzschluß beide Pole erwärmt.

Die Dauer der Erwärmung hängt von der Ausgangstemperatur, der Stromstärke, der Leitfähigkeit der Kunstkohle und von der optimal benötigten Temperatur ab.

Eine freiprogrammierbare einfache Steuerung mit Temperaturfühlern steuert die Aufheizphase so, daß diese ideal den jeweiligen Bedingungen der Gießerei angepaßt ist.

Sobald die vorbestimmte Temperatur erreicht ist, wird automatisch die Stromstärke soweit gedrosselt, daß sich die gewünschte Temperatur bis zum Einsatz hält.

Die ganze Anlage ist relativ klein und wird deshalb bei mehreren Öfen jeweils vor dem Abkrätzen unmittelbar neben den Gieß- oder Schmelzofen gefahren.

Ist nur ein Schmelzofen vorhanden kann der Squeeezer stationär, möglichst nahe der Anfallstelle aufgestellt werden.

Zur Aufnahme der frisch abgezogenen Krätze wird jetzt der Stempel herausgefahren, und zwar entweder durch den bewährten, Hydraulikstempel oder durch den einfachen, preiswerten Spindelantrieb.

Bei diesem Spindelantrieb benötigt man nur einen relativ kleinen und robusten Getriebemotor geringer Drehzahl, außerdem ist das Ausquetschen beim drehenden und gleichzeitig absinkenden Stempel noch effizienter als bei der reinen Absenkbewegung.

Allerdings kann diese erwünschte Drehbewegung zur Verstärkung der Effizienz auch beim Hydraulikstempel wirksam werden, wenn der Außenschaft als Keilwelle ausgebildet ist und mittels Getriebemotor langsam gedreht wird.

Zum leichten Befüllen des Tiegels mit der frisch abgeschöpften Krätze, wird der gesamte Tiegel auf leichtgängigen, robusten Rollen nach vorne gefahren.

Dies hat zusätzlich den Vorteil, daß die Elektrode/Stempelvorrichtung nur eben über den Tiegel angehoben werden muß.

Wegen der kurzen Wege kann das gesamte System schneller arbeiten und außerdem ist der heiße Stempel dann weit genug entfernt, um das Befüllen ohne zusätzliche Hitzebelastung ausführen zu können.

Die Krätze wird löffelweise in den auf Temperaturen zwischen 400 und 700°C vorgeheizten Tiegel gefüllt. Dies geschieht meist von Hand mit geeigneten Schöpfkellen, weil mechanische Vorrichtungen zu aufwendig und oft zu sperrig sind.

Danach wird der gesamte Tiegel wieder in die Arbeitsposition zurück gefahren und der Preßvorgang gestartet. Das Absenken und Drehen erfolgt solange wie sich die heiße Krätze verdichten und flüssiges Metall herauspressen läßt.

Druckaufnehmer verfolgen diesen Vorgang bis zu zulässigen Drücken, dann werden erforderlichenfalls kurze Pausen eingelegt um die Krätze weiter aufzuheizen und die Verdichtung/Auspressen fortzusetzen.

Durch den sich langsam drehenden und dabei absenkenden Stempel wird die Krätze entsprechend ihrer Konsistenz verdichtet.

Je nach Restwärme der Krätze ist diese noch verformbar oder sie wird es durch die Temperatur von Tiegel und Stempel. Verstärkt werden kann diese Erwärmung, sofern erforderlich wiederum durch den Elektroofen.

Über die Metallteile in der Krätze ist diese leitfähig und ermöglicht einen Kurzschluß zwischen Stempel und elektrisch angeschlossenem Tiegel.

Durch diese lokale zusätzliche Erhitzung des Metalles in der Krätze über die Schmelztemperatur hinaus, wird das verflüssigte Aluminium zum Auslaß aus dem Tiegel an der tiefsten Stelle bewegt.

Die Absenkung wird nun über die SPS so gesteuert, daß Temperatur, Metallfluß und Verdichtung optimal eingehalten werden.

Spätestens nach Erreichen eines maximal zulässigen Enddruckes des Stempels ist der Preßvorgang abgeschlossen und möglichst viel Metall in flüssigem Zustand in die darunterliegende Mulde geflossen.

Über den Wegaufnehmer und den maximalen Druck, kann dann der Preßvorgang abgebrochen werden, weil die gewünschte Verdichtung erreicht ist.

Zurückbleibt im Tiegel eine Mischung aus nichtmetallischen Verunreinigungen und die noch verbliebenen Reste des Metalles. Der Metallgehalt ist durch das Ausquetschen auf rd. 45% abgesenkt worden, ist aber noch reich genug für eine anschließende Aufbereitung.

Der kippbare Krätzetiegel wird nach dem Herausfahren des Stempels wieder nach vorne gefahren und mit einer Hebelverlängerung um ca. 120° gekippt, dabei fällt das verdichtete Krätzepaket aus dem Tiegel und wird in einer flachen Mulde gesammelt.

Auch hierbei ist keine Verstaubung zu befürchten, da die nichtmetallischen Bestandteile zwischen soliden Metallplatten eingebettet sind.

Verkleben oder Anbacken der Krätze ist ausgeschlossen, weil sich das Material sehr leicht von der glatten Kunstkohle trennt. Das gilt für den Stempel gleichermaßen, auch hier löst sich der Stempel leicht von der ihn umgebenden Krätze.

Die Mulde, die das herausgepreßte Metall aufgenommen hat, ist ebenfalls über Rollen verfahrbar bis zur Vorderkante des Squeezers. Durch einem Anschlag begrenzt, stoppt die Bewegung und über den Kippunkt läßt sich das erstarrte Aluminium auswerfen in die darunterliegende Sammelmulde.

Genau wie bei der herkömmlichen Krätzepresse sind innerhalb kürzester Zeit zwei Fraktionen entstanden:

• - ein massiver Metallblock aus dem verflüssigten Metall und
• - ein verdichteter Krätzeblock, der staubfrei gehandhabt werden kann.

2. Wirtschaftliche Vorteile

Aus beispielsweise 40 kg Krätze, mit einem Aluminiumgehalt von 70% ist ein verdichteter Krätzeblock von 22 kg entstanden, mit einem Aluminiumgehalt von 45%!

Außerdem wurde ein massiver Aluminiumblock von 18 kg zurückgewonnen, der direkt wieder eingeschmolzen werden kann.

Das entspricht einer direkten Rückgewinnung von über 64%!

Bei solch hervorragenden Ausbeuten ist der apparative Aufwand, die Energie und die Wartung des Squeeezers leicht zu finanzieren.

Die Amortisationszeit einer Anlage von z. B. 40 000 DM liegt unter 12 Monaten, wenn dieser Squeeezer nur 4 × täglich bei 220 Tagen Betriebszeit im Einsatz ist.

3. Ausrüstung und Abmessungen

Die gesamte Anlage ist so groß wie ein Kühlschrank und variiert zwischen 0,7 m³ und 1,35 m³ Volumen bei einer maximalen Grundfläche von 1 m².

Somit ist es einfach eine solche Einheit verfahrbar zu machen und damit ambulant zu den Schmelzöfen zu fahren.

Lediglich die Energieversorgung von zwischen 30 und 80 kVA ist an den einzelnen Öfen vorzuhalten.

Die Krätzetiegel sind aus hochwertiger Kunstkohle mit glatten Innenflächen gefertigt. Die Lebensdauer ist fast unbegrenzt, sofern nicht mit massiver Gewalt auf die Tiegel eingewirkt wird.

Ähnliches gilt auch für den Stempel, der allerdings als pressende Elektrode einem gewissen Abrieb unterliegt. Der Grundstempel ist jedoch lang genug ausgeführt, um je nach Betriebsbedingungen lange Standzeiten zu erreichen.

Nach Verbrauch der Elektrode ist ein Austausch rasch und einfach durchführbar. Auch die Materialkosten bewegen sich in vertretbaren Grenzen und liegen bei maximal 5 DM/kg, bzw. zwischen 200 und 600 DM/Elektrode.

4. Anschlußleistung

Je nach Größe der Krätzemulde und der Betriebsbedingungen liegt die Anschlußleistung zwischen 30 und 80 kW. Damit lassen sich unter den oben angenommenen Bedingungen von einer Krätze mit 70% Aluminiumgehalt, innerhalb von 10-15 Minuten etwa 60% des Metallinhaltes ausschmelzen und herauspressen.

An der Außenseite ist der Schaltschrank montiert, der auch die SPS enthält.

Das einmal vorgewärmte System aus Krätzetiegel und Stempel ist so gut isoliert, daß im Stand-by nur wenig Energie zum Warmhalten benötigt wird.

5. Antrieb des Stempels bzw. der Elektrode 5.1 Konventionell mit Hydraulikstempel

Dieser Antrieb hat sich bei den bisher ausgeführten Pressen bestens bewährt und zwar sowohl als Einzelstempel wie auch als Doppel- oder Dreifachstempel.

Bei diesen kleinen Pressen kann ebenfalls ein solcher Antrieb verwendet werden, unterstützt durch die Drehbewegung mittels Getriebemotor oder Hydraulikmotor.

5.2 Spindelantrieb

Ein massives Stativ aus Profilträgern trägt die Spindelmutter, die Spindel selbst und die Drehvorrichtung sowie den Stromanschluß.

Der günstigste Antriebsmotor ist ebenfalls auf dem Stativ befestigt oder im Fall der Direktkupplung über 2 Führungsschienen gehalten.

Die Spindel ist für die Aufgabe ausreichend dimensioniert, gefertigt aus Stahl oder Messing mit einem Durchmesser von 100-150 mm und hat ein grobes Trapezgewinde mit großer Steigung für einen raschen Vorschub.

Der Antriebsmotor, ein langsamlaufender Getriebemotor

• - ist direkt auf die Spindel gekuppelt und über Führungsschienen fixiert und trotzdem so beweglich um die Fahrwege des Stempels/Elektrode mitzumachen. Im Extremfall bei der größten Presse und bei dem größtzulässigen Verschleiß der Elektrode beträgt dieser Fahrweg einen Meter.
• - oder auf dem Stativ befestigt und überträgt die Kraft mittels Zahnrad auf eine Zahnwelle, um auch hier den veränderlichen Hub auszugleichen.

6. Elektroanschluß

Die Spindel oder auch der Stempel haben am Fußende eine Aluminiumoxidkeramik für die Aufnahme der Elektrode und die Stromeinspeisung, damit ist der obere Antriebsteil und die Stützkonstruktion elektrisch getrennt von der Elektrode.

Die Stromzufuhr zur drehenden und bewegten Elektrode erfolgt über bewegliche Kabel oder Bänder, die Übertragung auf die Elektrode selbst erfolgt mittels einer selbstjustierenden Schleifzange.

6. Wärmequellen

Die direkte Beheizung im Lichtbogenofen ist sicherlich die vorteilhafteste und eleganteste Lösung, weil sie sehr rasch und gut steuerbar arbeitet.

Beheizungen mit einer Heizspirale oder induktive Beheizungen sind ebenfalls möglich, aber nicht derart günstig wie die erfindungsgemäße.

Claims (7)

1. Anlage zur Verdichtung von Krätze und zum Ausschmelzen von metallischem Aluminium in einem kleinen Lichtbogenofen, der gleichzeitig als Presse ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Tiegel und die Elektrode, die gleichzeitig Preßstempel ist, aus einem elektrisch leitfähigen, wenig Wärme leitenden Material, wie z. B. Kunstkohle hergestellt sind und nach Erwärmung auch als Presse verwendet werden, indem mittels geeignetem Antrieb der Stempel in den Tiegel eingefahren unter drehender Bewegung die Krätze verdichtet, das Aluminium verflüssigt und dann über eine oder mehrere Bohrungen im Tiegelboden in eine darunterliegende Sammelmulde ausgepreßt wird.

2. Anspruch gemäß 1, dadurch gekennzeichnet, daß das System vor dem Einsatz im Kurzschluß mittels Gleichstrom oder Wechselstrom erwärmt wird und danach der Verdichtungs- und Auspreßvorgang von verflüssigtem Aluminium stattfindet, wobei der Auskühlung und Erstarrung des Metalls durch weitere Aufheizung, während des Ausquetschens entgegengewirkt wird.

3. Anspruch nach 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Preßstempel durch einen Spindelantrieb so bewegt wird, daß die drehende Stempelbewegung den Auspreßvorgang beschleunigt und verstärkt.

4. Anspruch nach 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Spindelantriebes auch ein hydraulikbetriebener Stempel verwendet wird, der jedoch über eine Keilwelle ebenfalls drehend ausgeführt ist und somit auch fast so gute Eigenschaften wie die Spindel hat.

5. Anspruch nach 1-4 dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe von Druck- und Wegaufnehmern, sowie Thermofühlern der Preßvorgang überwacht und mittels freiprogrammierbarer Steuerung (SPS) exakt die Randbedingungen für ein ideales Auspressen eingehalten werden.

6. Anspruch nach 1-5 dadurch gekennzeichnet, daß die wichtigen Randbedingungen und Kenngrößen in die Software eingegeben werden, oder noch besser durch ein erstmaliges handbetätigtes Verpressen gelernt und dauerhaft eingelesen werden.
Das erleichtert die Inbetriebnahme, aber auch die Anpassung an unterschiedliche Krätzequalitäten und auch unterschiedliche Metalle.

7. Anspruch 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß sich durch die unter Anspruch 6 beschriebene Einlernphase des Systems auch die Krätzen der folgenden Metalle erfolgreich behandeln lassen:
Zink, Magnesium, Kupfer und Messing.
Die jeweils individuellen Anforderungen an Preßgeschwindigkeit, Druck, Temperatur, Aufheizzeit und Energiebedarf werden einmal im Testbetrieb eingelesen und sind dann unter ähnlichen Verhältnissen dauerhaft reproduzierbar.