DE19707453C2 - Verfahren zur Verstärkung der Metallbewegung beim Schmelzen, Legieren und Behandeln von Aluminium aus Schrotten - Google Patents

Description

In der Metallindustrie werden Festmetalle oder Schrotte eingeschmolzen, um daraus durch die verschiedensten Gießtechniken Halbzeuge oder Fertigprodukte herzustellen.

Dies gilt für NE-Metalle wie Aluminium und Magnesium aber auch für Schwermetalle wie Blei, Zink, Kupfer und Messing. Sogenannte Umschmelzwerke erzeugen flüssiges Aluminium durch Einschmelzen von Festmetallen aller Art und Schrotten aller Art sowie aus Aluminiumkrätzen, alleine durch Aufheizen über den Schmelzpunkt.

Größere Preßwerke und Walzwerke schmelzen oftmals den internen Produktionsschrott und erzeugen daraus wieder Rundbarren bzw. Walzbarren. Aber auch Primäraluminiumhütten, die bereits flüssiges Aluminium aus Aluminiumoxid mittels Gleichstrom, in sogenannten Elektrolysezellen erzeugen, schmelzen immer die eigenen festen Produktionsschrotte und oft auch zugekaufte Schrotte ein.

Die dafür angewandte Ofentechnik unterscheidet sich sehr deutlich, und hängt von der Qualität und der Oberfläche der eingesetzten aluminiumhaltigen Rohstoffe (Schrotte) und der Schmelzleistung ab.

Metallarme Schrotte und Krätzen mit Metallgehalten < 60% werden in rotierenden Salztrommelöfen unter einer Salzschicht eingeschmolzen.

Gute Schrotte mit Metallgehalten < 95% werden in Herdöfen, oft in zylindrischer oder rechteckiger Form, in Größen von 3 t Fassungsvermögen bis zu über 100 t eingeschmolzen. Diese Öfen unterscheiden sich grundsätzlich durch die Art, wie das Metall aus dem Ofen entfernt wird:

• - Statische, bzw. feststehende Öfen, werden "abgestochen", d. h. das Metall fließt nach dem Öffnen eines Stopfens in einen tiefer liegenden Gießofen.
• - Hydraulisch kippbare Öfen erlauben das Entleeren des Metalles durch einfaches Anheben des gesamten Ofens und dann fließt das Metall in einen tiefer liegenden Gießofen.

Aus der Erkenntnis, daß durch Metallbewegung die Schmelzleistung verbessert wird, werden neuerdings zusätzlich zu der hydraulischen Kippvorrichtung, Metallpumpen oder Elektromagnetische Rührer eingesetzt.

Beschrieben wurde dieser Sachverhalt von W. Ruff in seinem Vortrag bei den 8. Duisburger Recyclingtagen 1998, veröffentlicht in der Informationsschrift 53 von Prof. Agst. Darin wird auch die Schmelztheorie von Fa. ABB erwähnt, die den sog. Beschleunigungsfaktor als kennzeichnendes Kriterium einführt, Siehe: Eidem, Talbäck, Hanley, ABB, Industrial Systems, Side mounted EMS for Aluminium Scrap Melters, TMS, Anaheim 1996.

Durch die Metallbewegung lassen sich zwei wesentliche Effekte nutzen:

• - Die Relativgeschwindigkeit zwischen dem flüssigen Metall und dem noch zu schmelzenden Festmetalle erhöht die Schmelzrate.
• - Der Temperaturausgleich zwischen den am Ofenboden liegenden kalten Schichten und den an der Grenzschicht liegenden heißen Schichten, erlaubt ebenfalls eine höhere Schmelzrate.

Solche Schmelzöfen werden überwiegend mit Gas- oder Ölbrennern mit teilweise vorgewärmter Umgebungsluft beheizt oder besitzen Brenner, die mit reinem Sauerstoff die unterschiedlichsten Brennstoffe verbrennen und damit die benötigte Energie in den Ofen einbringen um das Metall zu schmelzen.

Die fest installierten Magnetrührer, werden z. B. von ABB hergestellt und wurden in verschiedenen Veröffentlichungen beschrieben. Das Umpumpen mit Metallpumpen wird in den Zweikammeröfen von z. B. Schmitz & Appelt LOI verwendet, aber auch von den Pumpenherstellern Metaullics und EMP beschrieben.

Die erzwungene Metallbewegung erleichtert auch das Legieren und die Metallbehandlung im schmelzflüssigen Zustand, denn die Metallbewegung erleichtert auch das Auflösen der Legierungsmetalle und deren homogene Verteilung in der gesamten Schmelze, genauso wie die gleichmäßige Verteilung und effizientere Umsetzung der chemischen Zusätze für die Schmelzereinigung. Die beschriebenen Möglichkeiten zur Metallbewegung sind aber alle sehr teuer und meist schwer nachzurüsten, oder aber im Fall der primitiven Lanzenbegasung nicht ausreichend.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren anzugeben mit dem sich der Schmelzvorgang, das Legieren und die Metallbehandlung durch Verstärkung der Metallbewegung mit einfachen Mitteln drastisch beschleunigen und verbessern läßt.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Die vorhandene hydraulische Kippvorrichtung, die bislang nur einmal pro Charge zum kontrollierten Entleeren des Ofens und zum Zurückfahren in die Ausgangsposition genutzt wird, wird nun verwendet zum Bewegen des Metalles währendes Schmelzens, Legierens und während der Metallbehandlung.

Meist sind alle erforderlichen Vorrichtungen wie Hydraulikventile, freiprogrammierbare Steuerung oder ein Fuzzy-Logic-Regler bereits vorhanden und das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt dann die vollautomatisch kontrollierte und sehr präzise Auf- und Ab-Bewegung des Ofens, gemäß einer idealen vorher ermittelten und einprogrammierten Kurve.

Durch kontrolliertes, langsames Senken und Heben des gesamten Ofens mittels Kipphydraulik um den Drehpunkt an der Gießschnauze, wird nicht der Ofen um seine Mittelachse gedreht, sondern das Fließen des Metalles zum tiefsten Punkt erzeugt. An der Ofenwand wird aber die Fließrichtung umgelenkt und taktweise durch Anheben verstärkt bis zur schwallenden Bewegung des gesamten Metallsumpfes. Mit relativ geringfügige Auslenkungen, bzw. Auf- und Abbewegungen, läßt sich das Schwallen in der gewünschten Stärke aufrechterhalten.

Das Bild zeigt schematisch den Bewegungsablauf des Metalles, hervorgerufen durch das Heben und Senken des Ofens um den Drehpunkt.

Die stetig verstellbaren Wegeventile wandeln ein veränderliches Eingangssignal in ein proportionales hydraulisches Ausgangssignal um, das über die Zylinder den Ofen bewegt. Dies geschieht mittels eines Proportionalverstärkers, der den Strom für den Proportionalmagneten verstärkt, der sich dadurch auszeichnet, daß er im Arbeitsbereich eine fast waagerechte Kraft-Hubkennlinie aufweist. Die erforderlichen Kräfte werden durch die Übertragung der Druckenergie des Druckmediums auf den Kolbenzylinder in eine geradlinige Antriebsbewegung umgesetzt, die den Ofen hebt, Entlastung führt zum Absenken.

Diese Technik erlaubt ein sehr feinfühliges Anheben und Senken der tonnenschweren Lasten, gemäß einem in einer freiprogrammierbaren Steuerung oder einem Fuzzy-Logic-Regler vorprogrammierten Bewegungsablaufes. Dieses Programm berücksichtigt natürlich die Ofengeometrie, den maximal zulässigen Füllstand die Prozeßparameter und ermöglicht allein durch das kontrollierte Heben und Senken des Ofens eine ausreichende Schaukelbewegung des Metalls. Sobald die Schaukelbewegung des Metalles aufgebaut ist, genügen geringe Amplituden als Unterstützung und zum dauerhaften Aufrechterhalten dieser Bewegung. Geringfügige Zylinderbewegungen, können die gleichmäßig schwallenden Metallbewegungen so lange aufrechterhalten, bis alle festen Metallbestandteile in den flüssigen Zustand überführt wurden und eine homogene Metalltemperatur von 700-740°C erreicht ist.

Eine weitere Variante ist die intermittierende Betriebsweise, bei der lediglich die schwallende Metallbewegung erzeugt wird und dann in einer Mittelstellung alleine weiterläuft bis zur vollständigen Beruhigung.

Nach einer eingestellten Wartepause wird dieser Vorgang so oft wiederholt bis das vorher genannte Ziel erreicht ist.

Das Bewegen des Ofens über seine Kippvorrichtung, sollte jedoch erst einsetzen, wenn bereits ein minimaler Metallsumpf entweder schon vorhanden ist, oder bereits durch Aufschmelzen von Festmetall entstanden ist.

Das Bewegen der Metallschmelze in dieser schwallenden Weise, beschleunigt das Abschmelzen des Festmetalles einmal durch das starke mechanische Umspülen des Festmetalles, aber auch durch direktes Umschichten, wenn die abschmelzenden festen Unterlagen den darüber geschichteten Festmetallen keinen Halt mehr bieten.

Die festen Schrotte aller Art, aber auch Walzbarren- und Rundbarrenabschnitte, ebenso wie ganze Coils, die auf die leichteren Schrotte gestapelt wurden, werden beim Aufschmelzen oberflächlich stark oxidiert, wenn noch Restsauerstoffmengen in der Ofenatmosphäre vorhanden sind.

Deshalb ist es um so günstiger, je schneller dieses Festmetall in die Schmelze eintauchen kann, weil die Oxidationsverluste in der Metallschmelze geringer sind. Stärkere Veränderungen des Metallvolumens, z. B. beim Verrutschen und Eintauchen von Festmetall, werden durch eine Änderung der Kräfte bzw. des Druckes im Hydrauliksystem erkannt und dann ausgeglichen.

Das kontrollierte Aufschaukeln des Metallsumpfes, führt zu der gewünschten Relativgeschwindigkeit zwischen dem festen und dem flüssigen Metall beim Schmelzen, Legieren und Metallbehandeln, sowie zur

• - Durch- und Vermischung der Metallschichten mit unterschiedlicher Temperatur und damit zu einer drastischen
• - Beschleunigung des Schmelzvorganges, und zu einer
• - homogenen Verteilung aller Legierungskomponenten im Metall.

Die sonst bekannten Nachteile werden vermieden und alle Vorteile genutzt, die ansonsten nur mit den sehr aufwendigen Vorrichtungen wie Pumpe oder Rührer erreicht werden:

• - Weniger Metallverluste,
• - Bessere Metallqualität,
• - Höhere Kapazität, sowohl volumenmäßig als auch zeitlich,
• - Weniger Krätzeerzeugung,
• - Geringerer Energieverbrauch,
• - Weniger Inkrustierungen der Ofenwandungen,
• - Teilweiser Eintrag der Schmelzenergie auch über die Ofenseitenwände.
• - Raschere und gleichmäßigere Verteilung der Legierungsmetalle und der Zusätze.

Unerwünschtes Überlaufen wird verhindert, durch frühzeitiges Erkennen mittels Sensoren und mit dicht schließenden Auslaufschnauzen und Türen. Diese Sensoren sind im einfachsten Fall als Gabel ausgebildet, die bei Metallberührung einen Stromkreis schließen und dadurch ein Verlangsamen der Hub- bzw. Absenkgeschwindigkeit auslösen.

Die Temperaturkurve des Flüssigmetalles zeigt nun den wirklichen Verlauf, fast ohne zeitliche Verzögerung exakt an und verbleibt solange in diesem Bereich der Schmelztemperatur der Legierung, bis alles Festmetall aufgeschmolzen ist. Erst dann beginnt die Überhitzung des Metalles bis zur gewünschten Temperatur, bei der dann die nachfolgenden Behandlungsschritte durchgeführt werden können.

Die Beendigung des Schmelzvorganges ist gekennzeichnet durch das Erreichen der gewünschten Behandlungstemperatur von z. B. 730°C.

Dann ist absolut sichergestellt, daß alle festen Aluminiumteile in die flüssige Phase überführt wurden und eine homogene Temperaturverteilung vorliegt.

Ist dieser Zustand erreicht, dann wird das Bewegen des Ofens, durch Verlangsamen, bzw. Ändern des Kippvorganges, z. B. der Frequenz, so sanft gebremst, daß das Schwingen des Metallsumpfes abgebremst wird, bis zum völligen Stillstand aller Bewegungen.

Die gesamte Hydraulik inklusive der Stempel, Pumpen, Abdichtungen, Ventile ect. ist stabil genug, um diese zusätzlichen andauernden Bewegungen langzeitig ausführen zu können.

Beim Legieren und Metallbehandeln wird die Metallbewegung aufrechterhalten und beschleunigt und verbessert auch diese wichtigen Prozeßschritte.

Die Abgase der Öfen, werden je nach Ofenbauart über feste oder bewegliche Leitungen dem Kamin zugeführt und zwar entweder so, daß diese Verbindung bei allen Kippzuständen gewährleistet ist, oder daß die Verbindung beim Kippen, bzw. Bewegen in einen bewegten Teil und in ein festes Verbindungsteil getrennt wird. Liegt die letzt genannte Variante vor, dann muß auch diese Abgasleitung so geändert werden, daß während der Bewegungen beim Schmelzen eine Ableitung der Abgase gewährleistet ist.

Diese Forderung läßt sich auf viele Arten lösen und ist im einfachsten Fall mit einer gleitenden Rohrverbindung der beiden Rohre ineinander möglich. Dabei kann der ganze Hubweg berücksichtigt werden oder aber bevorzugt nur die Distanz, die für die Schaukelbewegung erforderlich ist.

Beim Entleeren, wenn die längsten Wege auftreten ist der Anschluß auch nicht erforderlich, weil dann keine Beheizung stattfindet.

Claims (5)

1. Verfahren zur Verstärkung der Metallbewegung beim Schmelzen von Metallen, z. B. Aluminium, beim Legieren und bei der Metallbehandlung in Schmelzöfen mit hydraulischer Kippvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß während dieser Prozeßschritte eine kontrollierte Auf- und Abbewegung des Ofens erfolgt, die so lange aufrechterhalten wird, bis eine homogene Metallschmelze mit der gewünschten Gießtemperatur und homogener Verteilung der Legierungselemente erreicht ist.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Heben und Senken eine Beschleunigung des Metalles hervorgerufen und so aufrechterhalten wird, daß eine Relativgeschwindigkeit zwischen Festmetall und Flüssigmetall erzeugt wird, die den Schmelzvorgang drastisch beschleunigt und gleichzeitig durch Vermischung den stabilen Aufbau von Metallschichten unterschiedlicher Temperatur verhindert oder aufhebt und somit die gewünschte gleichmäßige Temperatur des Flüssigmetalles und die homogene Verteilung der Legierungselemente und Zusätze erzeugt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die einmal als geeignet erkannte Metallbewegung, mittels Einprogrammieren (teach in) in einer freiprogrammierbaren Steuerung oder einem Fuzzy-Logic-Reglers, ideal an die Ofengeometrie und an die veränderlichen Schrottqualitäten, sowie an die Legierungen angepaßt ist, und mittels Druckmessung im Hydrauliksystem, sowie durch Füllstandsmessungen im Ofen kontrolliert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallbewegung intermittierend durchgeführt wird, d. h. die kontrollierte Auf- und Abbewegung des Ofens führt zu der gewünschten schwallenden Metallbewegung, die dann ohne weitere Unterstützung in einer Mittelstellung langsam wieder abebbt, um nach einer vorgewählten Pause wieder neu erzeugt zu werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bewegungs- und Haltephasen so wechseln, daß mit geringsten Auslenkungen noch die gewünschten Effekte erzielt werden.