DE69924650T2

DE69924650T2 - Hocheffizientes system zum schmelzen von aluminium

Info

Publication number: DE69924650T2
Application number: DE69924650T
Authority: DE
Inventors: C. Edward Eckert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-09-14
Filing date: 1999-09-14
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: ATE292878T1; AU6041699A; DE69924650D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Aluminium und betrifft spezieller das Erhitzen und Schmelzen von Aluminium mit sehr hohem Wirkungsgrad und mit wesentlich weniger Schmelzverlust oder Schlackeerzeugung.
Aluminium wird entweder kontinuierlich geschmolzen, d.h. im kontinuierlichen Umlauf, oder in statischen Öfen unter Verwendung von Erdgas. In mit Erdgas beheizten kontinuierlichen Schmelzflammöfen wird Aluminium unter Verwendung einer Pumpe für schmelzflüssiges Metall von dem Ofen durch eine Seitenstation oder Aluminium-Beschickungsstation zu einer Behandlungsstation für geschmolzenes Metall und anschließend zurück zu dem Ofen in den Umlauf gebracht. Das zu schmelzende Aluminiummetall wird in der Beschickungsstation getaucht. Die Schlacke oder Krätze und andere Verunreinigungen, die aus der Schmelze resultieren, werden in der Behandlungsstation für die Schmelze entfernt. Die bei der üblichen Verwendung von Erdgas erzeugte Wärme wird in dem Ofen eingesetzt.
Das Problem bei diesem Schmelzverfahren besteht darin, dass es sehr ineffektiv ist. Das bedeutet, diese Öfen werden bei 22 bis 30% ihres thermischen Wirkungsgrades betrieben, da die Wärmeübertragung zur Schmelze in dem Ofen von der Strahlung von dem oben liegenden Erdgasbrenner zu der Schmelze beeinflusst wird. Bei diesem Verfahren des Beheizens gehen große Mengen an beheizten Gasen verloren, da sie über den Schacht nach oben abgegeben werden und Umweltprobleme schaffen. Dieses Verfahren des Beheizens hat den Nachteil, dass die Oberflächentemperatur der Schmelze dramatisch ansteigt, was zu einer erheblichen Schaumerzeugung führt und zu einem Schmelzeverlust in Folge der Oxidation des geschmolzenen Aluminiums. Das Problem wird noch dadurch erschwert, dass sich eine Schicht aus Aluminiumoxid oder Krätze auf der Oberfläche der Schmelze bildet, d.h. die auf der Oberfläche erzeugte Schicht aus Aluminiumoxid wirkt als eine thermische Barriere oder Isolator für die auf die Oberfläche auftreffenden Flammen der Erdgasfeuerung. Aluminiumoxid hat eine charakteristische geringe Wärmeleitfähigkeit und hemmt daher stark den Wärmetransport in das geschmolzene Aluminium. Wie erwähnt, ist dieses Verfahren des Beheizens nicht nur thermisch ineffektiv, sondern dieses Verfahren führt außerdem zu sehr hohen Mengen an Schmelzeverlust aufgrund der hohen Oberflächentemperatur unter Umwandlung von Aluminium zu Aluminiumoxid. Der Schmelzeverlust ist daher ein bedeutendes Problem, das bei diesem Verfahren des Beheizens auftritt, und beträgt im Durchschnitt 2 bis 5%. Die beim Schmelzen erzeugten hohen Mengen an Schlacke erfordern zur Entfernung der eingeschlossenen Schlackepartikel eine intensive nachgeschaltete Behandlung des schmelzflüssigen Metalls.
Eine Alternative zu Schmelzflammöfen ist das Induktionsschmelzen, das entweder mit Rinne oder kernlos angewendet worden ist. Allerdings haben die kernlosen Induktionsöfen lediglich einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 60 bis 70% und müssen zur Kühlung des den Tiegel umgebenden Induktors Wasser verwenden und müssen eine komplizierte Energieversorgung zur Aufrechterhaltung eines Leistungsfaktors von nahezu eins zum Zwecke der Wirksamkeit verwenden. Die Stromversorgungsaggregate sind groß und umfassen eine Drosselspule und Kondensator und müssen ebenfalls eine Wasserkühlung anwenden.
Bei der Induktionsheizung besteht außerdem das Problem, dass die Schmelze gerührt oder bewegt wird. Damit werden ständig neue Oberflächen der Luft ausgesetzt, die das Metall unter Erzeugung von Aluminiumoxid oxidiert. Die Oxide zusammen mit anderen Verunreinigungen wurden in die Schmelze eingemischt, was zu schwerwiegenden Qualitätsproblemen des Metalls führt. Dieses erfordert eine intensive Metallbehandlung mit Gasen und/oder Salzen, die nachgeschaltet wird. Dieses führt zu Umweltproblemen bei der Verbringung der Salze. Außerdem lastet dieses stark auf den Kosten der Erzeugung von Metall mit hoher Qualität.
Daraus kann man entnehmen, dass es in der Aluminiumindustrie eine starke Nachfrage nach einem hoch wirksamen Schmelzsystem gibt, wo ein großer Teil der zur Anwendung gelangenden Wärme nicht verloren geht und die Erzeugung von Schlacke oder Schaum deutlich auf ein Minimum herabgesetzt wird wie auch die damit auftretenden Probleme der Entfernung und Behandlung in einer umweltschonenden Weise.
Die vorliegende Erfindung gewährt ein solches System zum Beheizen und Schmelzen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System zum Beheizen und/oder Schmelzen von Aluminium bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein hoch wirksames System zum Beheizen und/oder Schmelzen von Aluminium bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zum Beheizen und/oder Schmelzen von Aluminium bereitzustellen, das eine stark verringerte Erzeugung von Schlacke oder Krätze hat.
Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Umlaufsystems zum Beheizen und/oder Schmelzen von Aluminium, worin die Wärmenutzung aufgrund geringerer Einschlussverluste nahezu 100% beträgt.
Außerdem ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines Systems zum Beheizen und Schmelzen von Aluminium mit deutlich verringertem Schmelzeverlust, z.B. weniger als 4% und im typischen Fall weniger als 2%, der aus der Oxidation der Schmelze resultiert.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines im Wesentlichen geschlossenen Systems mit einem minimalen Zugang zu Luft, um dadurch die Oxidation von geschmolzenem Aluminium auf ein Minimum zu senken.
Eine noch weitere andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer transportablen Vorrichtung zur Wärmeerzeugung eines Turbo-Wechselstromgenerators für die Erzeugung der Elektroenergie und Nutzung der Abwärme, um die zu schmelzende feste Charge zu erhitzen oder vorzuwärmen.
Diese und andere Aufgaben werden beim Lesen der Beschreibung und der beigefügten Ansprüche offensichtlich.
Entsprechend diesen Aufgaben wird ein Verfahren und ein System zum Beheizen einer Masse von geschmolzenem Aluminium gewährt, die beispielsweise in einer Heizstation enthalten ist, wobei das Verfahren die Bereitstellung einer Masse von geschmolzenem Aluminium umfasst; eine elektrische Heizvorrichtung in die Masse des geschmolzenen Aluminiums richten; durch das Element elektrischen Strom durchschicken und der Masse des geschmolzenen Aluminiums Wärme zuführen. Die Heizvorrichtung umfasst eine Hülse, die zum Eintauchen in das geschmolzene Aluminium geeignet ist. Die Hülse kann ein geschlossenes Ende aufweisen und besteht aus einem Verbundmaterial, welches eine innere Lage aus Metall aufweist, wie beispielsweise Titan oder Titanlegierung, dessen Außenseite über eine Feuerfestbeschichtung darauf verfügt, die dem geschmolzenen Aluminium ausgesetzt ist, wobei die Feuerfestbeschichtung gegenüber Angriff durch das geschmolzene Aluminium widerstandsfähig ist. In der Hülse wird in einer Wärmeaustauschbeziehung mit ihr ein elektrisches Heizelement zum Zuführen von Wärme zu dem geschmolzenen Aluminium angeordnet.
1 ist eine schematische Ansicht eines Systems zum Beheizen und/oder Schmelzen von Aluminium gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Ansieht einer elektrischen Heizvorrichtung zur Verwendung in einer Heizstation oder einer Rinne, beispielsweise zum Zuführen von Wärme zum Beheizen und/oder Schmelzen von Aluminium gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine Querschnittansicht einer elektrischen Heizanordnung, die ein Heizdrahtelement zeigt, das durch ein Kontaktmedium von einer Schutzhülle isoliert ist.
Bezug nehmend auf 1, wird eine schematische Darstellung eines Umlaufsystems zum Beheizen und/oder Schmelzen von Metall, wie beispielsweise Aluminium, gezeigt. In diesem System ist ein Behälter 200 für schmelzflüssiges Aluminium vorgesehen und das schmelzflüssige Aluminium entlang der Linie 202 zu einer Pumpstation 204 zirkuliert, die zum Pumpen von schmelzflüssigem Metall aus Behälter 200 durch die nachfolgenden Schritte betrieben wird. Aus Behälter 200 wird entlang der Leitung 206 beispielsweise zum Gießen schmelzflüssiges Aluminium entnommen. Es kann jeder beliebige Typ einer Pumpe für schmelzflüssiges Aluminium zum Einsatz gelangen, die schmelzflüssiges Aluminium effektiv durch die nachfolgenden Behandlungsstufen in den Umlauf bringt. Derartige Pumpen oder Impeller wurden beispielsweise in den US-P-3 997 336 und 4 128 415 offenbart.
Hinter der Pumpstufe wird das schmelzflüssige Aluminium entnommen oder entlang Leitung 206 zur Heizstation oder Stufe 208 befördert. In Station 208 wird zum Zwecke des Schmelzens dem festen Aluminium Wärme zugeführt, das in einer nachfolgenden Station beaufschlagt wird. Im typischen Fall wird die Schmelze bis zu einer Temperatur im Bereich von 648,9° bis 815,6°C (1.200° bis 1.500°F) in der Heizstation 208 erhitzt. Das Beheizen der Station 208 erfolgt entweder mit Hilfe von elektrischen Tauchheizelementen oder mit Hilfe elektrischer Strahlungsheizvorrichtungen (wie nachfolgend beschrieben wird), die unmittelbar an der Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls z.B. 1,27 bis 45,7 cm (1/2 bis 18 inch) von der Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums angeordnet sind. Sofern Strahlungswärme zur Anwendung gelangt, ist die Heizstation 208 vorzugsweise mit einer isolierenden Abdeckung abgedeckt, um Strahlungswärme aufzunehmen und sie auf die Schmelze zu richten.
Nach dem Erhitzen wird das geschmolzene Aluminium sodann über die Leitung 210 zu einer Beschickungsstation 212 geleitet, wo das Aluminiummetall zum Zwecke des Schmelzens zugeführt wird. Es gilt als selbstverständlich, dass das Pumpen und Schmelzen in der gleichen Station ausgeführt werden kann. Für die Aufgaben des Schmelzens des festen Aluminiums kann die Charge unter Kraft zusammen mit den Fluxiersalzen mit Hilfe jeder beliebigen geeigneten Vorrichtung eingetaucht werden, um den Schmelzprozess zu beschleunigen, wie sie beispielsweise in den US-P-3 997 336, 4 128 415 und 4 286 985 offenbart wurden. Nach der Aufnahme des festen Aluminiums wird die Schmelze über Leitung 214 zur Metall-Behandlungsstation 216 befördert, worin das Metall zum Zwecke der Entfernung von Verunreinigungen, wie beispielsweise aus aufgelösten Gasen, z.B. Wasserstoff, Fluxiersalzen und ungelösten festen Partikeln, wie beispielsweise Metalloxiden, behandelt werden kann. Die Metallbehandlung in Station 216 kann eine Behandlung mit einem Fluxiergas zur Entfernung der Verunreinigungen von der Oberfläche der Schmelze unter einer Erzeugung einer Krätzeschicht umfassen, die entfernt werden kann. Das Fluxieren kann mit Hilfe jeder beliebigen Vorrichtung zum Fluxieren erfolgen, wie beispielsweise unter Anwendung eines einsinnigen Impellers, wobei die Ausführung jedoch unter Anwendung eines bidirektionalen Impellers mit Hilfe des Verfahrens und Apparates erfolgt, die in den US-P-5 364 450, 5 462 580, 5 462 581, 5 616 167 und 5 630 863 offenbart wurden.
Nachdem die Schmelze in der Metall-Behandlungsstation 216 behandelt worden ist, wird sie in den Umlauf zum Behälter 200 für geschmolzenes Metall zurückgeführt, von wo aus das schmelzflüssige Metall über die Leitung 206 nach Erfordernis abgezogen wird.
Die theoretische Wärmemenge, die zum Beheizen der Station 208 zugeführt werden muss, sowie deren Kosten lassen sich wie folgt berechnen:

Q .: Geschwindigkeit der Wärmezugabe in BTU/h (worin 1 BTU/h = 0,293 J/s gilt)
W: _Al Durchsatz der Aluminiumcharge in lb/h (worin 1 lb/h = 0,45 kg/h gilt)
Cp: Wärmekapazität von Aluminiumlegierung
T: ₁–T₂ Metalleingangs- und Austrittstemperaturen dT
dT: Temperatur
H: _m Schmelzwärme

Beispiel:

W

_Al 20.000 lb/h (Durchsatz von festem Aluminium), worin 1 lb = 0,45 kg gilt

T

₁ Temperatur der festen Aluminiumcharge, 100°F (37,8°C)

T

₂ Schmelztemperatur, 1.350°C (732,2°C)

Q .

20.000(0,225(1.350 – 100) + 168) = 8,99 × 10⁶ BTU/h (Aufheizgeschwindigkeit) = 2,63 × 10⁶ J/s

Hierbei handelt es sich um die nächste Aufheizgeschwindigkeit, die für die festgelegten Bedingungen benötigt wird.
Unter Verwendung von Erdgaswärme mit 26% thermischem Wirkungsgrad:
Erdgasdurchsatz = 8,99 × 10⁶ BTU/h × 1 MCF/1.050.000 BTU × 1/0,26 – 32,93 MCF Erdgas
Bei einem typischen Handelspreis für Erdgas von 4,50/MCF USD betragen die Kosten zum Schmelzen von Aluminium bei 9.000 kg/h (20.000 lb/h) 148,19 USD/h.
Bei Anwendung des elektrischen Induktionsschmelzens mit einem thermischen Wirkungsgrad von 63%:
kWh = 8,99 × 10⁶ BTU/h × 1 kWh/3.413 BTU × 1/0,63 = 4.181 kWh Elektroenergie, worin 1 kWh = 3,6 × 10⁶ J gilt.
Bei einem typischen Handelspreis für Elektrizität von 0,015/kWh USD betragen die Kosten 62,72 USD/h.
Für das Schmelzen gemäß der vorliegenden Erfindung betragen die Kosten:
62,77 × 0,63/0,95 USD = 41,63 USD/h
Dieses gilt ausschließlich Schmelzeverlust.
Bei einer typischen Blockanlage unter Verwendung einer festen Charge mit einem monatlichen Durchsatz von 45 × 10⁶ kg/Monat (100 Millionen lb/Monat) betragen die Einsparungen unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens etwa 2 Millionen/Monat USD unter Berücksichtigung des Schmelzeverlustes. Bei einigen Unternehmen können die Einsparungen bis zu 100 Millionen USD/Jahr betragen.
Obgleich das Verfahren oder das System unter Nutzung der Heizstation 208 dargestellt ist, gilt als selbstverständlich, dass Station 208 für veranschaulichende Zwecke verwendet wurde. Das bedeutet Wärme kann in-line oder Rinne 202 oder in-line oder Rinne 206 unter Nutzung der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung angewendet werden. Ferner kann Wärme auf die Schmelze unmittelbar vor dem Abziehen aus Behälter 200 bei 202A aufgebracht werden. Es ist offensichtlich, dass Wärme an jeder beliebigen Stelle im Behälter 200 aufgebracht werden kann, wobei jedoch unter Aufbringung von Wärme an der Stelle 202A ein heißeres schmelzflüssiges Metall zirkuliert werden kann. Andererseits kann Wärme an mehreren Stellen aufgebracht werden, wenn die Wärme gemäß der vorliegenden Erfindung zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass sie den Schmelzeverlust stark verringert. Der Schmelzeverlust ist diejenige Menge an geschmolzenem Aluminium, die dem Verfahren des Beheizens und/oder Schmelzens durch die Erzeugung von Aluminiumoxid und das darin eingeschlossene metallische Aluminium verloren geht. Diese Kombination wird oftmals als Schlacke oder Krätze bezeichnet und kann andere Materialien aufweisen, wie beispielsweise Fluxiersalze, die darin eingeschlossen oder mitgeschleppt werden. Die Schlacke oder Krätze erfordern eine intensive Bearbeitung zur Rückgewinnung von freiem metallischem Aluminium daraus und stellen wegen des Salzgehaltes ein ökologisches Umweltproblem dar. Der Umfang des Aluminiumverlustes an die Schlacke ist verhältnismäßig groß und ist lediglich eines der erheblichen Nachteile der konventionellen Systeme zum Schmelzen und Beheizen. Der Schmelzeverlust in Folge des konventionellen Beheizens und/oder Schmelzen kann bis zu 5% betragen. Somit gehen mit jeweils 450.000 kg (1 Millionen Pound) erhitztes oder geschmolzenes Aluminium 22.500 kg (50.000 Pound) mit der Schlacke oder Krätze verloren. Die unmittelbaren Kosten im Bezug auf den Schmelzeverlust sind außerordentlich hoch. Die indirekten Kosten treten in Form von Krätzebehandlungen aus Umweltgründen und Wiedergewinnung von eingeschlossenem Metall auf. Allerdings sind die Kosten im Zusammenhang mit einem ineffizienten Beheizen mit beispielsweise 25% Wirkungsgrad ebenfalls außerordentlich hoch, da sich das ineffiziente Heizen auf die Gesamtmasse an erhitztem oder geschmolzenem Aluminium bezieht. Aufgrund eines ineffizienten Beheizens ist die Größe der zum Einsatz gelangenden Öfen sehr groß und oftmals um das 5-fache größer, als erforderlich ist, was ebenfalls stark zu Konstruktionskosten beiträgt sowie zu Heizkosten, um die Temperatur in derartigen konventionellen Öfen aufrecht zu erhalten.
In dem Heizsystem nach der vorliegenden Erfindung werden Tauchheizelemente mit hoher Heizleistung eingesetzt, die zu Heizleistungen der Oberfläche der Heizvorrichtung von 3,9 bis 58,1 W/cm² (25 bis 375 W/in²) in der Lage sind, um Wärme in die Schmelze unterhalb der Oberfläche der Schmelze einzutragen, wo im Wesentlichen die gesamte erzeugte Wärme in die Schmelze mit lediglich minimalen Wärmeverlusten eingetragen wird. Das bedeutet, im Vergleich zum konventionellen Heizen mit einem Wirkungsgrad von 25% liefert die vorliegenden Erfindung einen Wirkungsgrad des Beheizens von mehr als 90% und im typischen Fall einen Wirkungsgrad von mehr als 95% mit lediglich minimalem Schmelzeverlust und im typischen Fall 1 bis 2%, was in gewissem Umfang von dem Heiz- und/oder Schmelzbetrieb und von der Reinheit des zu schmelzenden festen Metalls abhängt.
Bezug nehmend auf 2, wird eine schematische Darstellung einer elektrischen Heizvorrichtung 10 zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Heiz- und/oder Schmelzsystem gezeigt. Die elektrische Heizvorrichtung besteht aus einer schützenden Hülse 12 und einem elektrischen Heizelement 14. Eine Zuleitung 18 verläuft vom elektrischen Heizelement 14 und endet in einem Stecker 20, der sich in eine Stromversorgungsquelle stecken lässt. Ein geeignetes Element 14 ist bei International Heat Exchange, Inc., Yorba Linda, CA 92687 unter der Bezeichnung Maxi-Zone verfügbar oder bei Ogden Manufacturing Co., Arlington Heights, IL 60005.
Vorzugsweise besteht die Schutzhülse 12 aus einem Titanrohr 30 mit einem Ende 32, das vorzugsweise verschlossen ist. Während die Schutzhülse als ein Rohr veranschaulicht ist, gilt als selbstverständlich, dass jede beliebige Konfiguration, die das elektrische Heizelement 14 beschützen oder umgeben kann, zum Einsatz gelangen kann. Unter Bezugnahme auf das Rohr oder die Hülse sind hierin derartige Konfigurationen als einbezogen zu verstehen. Eingesetzt ist eine Feuerfestbeschichtung 34, die dem Angriff aus der Umgebung widersteht, in der die elektrische Heizanordnung verwendet wird. Zwischen der Feuerfestbeschichtung 34 und dem Titanrohr 30 kann eine Bindeschicht eingesetzt werden. Das elektrische Heizelement 14 wird mit Hilfe beliebiger einfacher Mittel in das Rohr 30 eingesetzt oder befestigt. Beispielsweise lassen sich Spannmuttern und Kappen einsetzen oder das Ende des Rohres kann zugedrückt oder zugepresst sein, um einen sicheren Sitz zwischen dem elektrischen Heizelement und Rohr 30 zu gewähren. Alternativ kann ein Schweißen zu Anwendung gelangen. In der Erfindung kann jede beliebige dieser Methoden zum Halten des elektrischen Heizelementes in Rohr 30 zum Einsatz gelangen. Es gilt als selbstverständlich, dass das Rohr 30 nicht immer verschlossen werden muss. In einer der Ausführungsformen ist das elektrische Heizelement 14 in ein Metallrohr 15 eingeschlossen, z.B. ein Stahlrohr oder ein Rohr aus Inconel, welches dann in Rohr 30 eingesetzt wird, um einen Presssitz oder Passsitz zu gewähren. Wenn das elektrische Heizelement 14 mit einem Metallrohr 15 genutzt wird, befindet sich die Außenseite des Rohres 15 vorzugsweise in Kontakt mit der Innenseite des Rohres 30, um die Wärmeübertragung durch das Rohr 30 in das schmelzflüssige Metall zu fördern. Daher sollten Luftzwischenräume zwischen der Oberfläche des Metallrohrs 15 des elektrischen Heizelementes 14 und der Innenseite von Rohr 30 auf ein Minimum gehalten werden.
Wenn das elektrische Heizelement in Rohr 14 mit einem Passsitz eingesetzt wird, wird die Passung unter Wärme dichter, da das elektrische Heizelement 14 sich stärker als Rohr 30 ausdehnt und insbesondere dann, wenn Rohr 30 aus Titan erzeugt ist.
Während Rohr 30 vorzugsweise aus einer Legierung auf Titanbasis gefertigt ist, kann Rohr 10 aus jedem beliebigen Metall oder nichtmetallischem Material gefertigt sein, das für die Berührung mit dem schmelzflüssigen Metall geeignet ist und welches Metall gegenüber einer Auflösung widerstandsfähig ist oder eine kontrollierte Auflösung oder Erosion durch das schmelzflüssige Metall hat. Andere Materialien, die zur Fertigung von Rohr 30 verwendet werden können, schließen Niob ein, Chrom, Molybdän, Kombinationen von NiFe (364 NiFe) und NiTiC (40 Ni 60 TiC) und speziell dann, wenn diese Materialien eine geringe Wärmeausdehnung haben, die hierin insgesamt als Metalle bezeichnet sind. Andere für Rohr 30 geeignete Metalle schließen ein: rostfreier Stahl der Reihen 400, einschließlich rostfreier Stahl 410, 416 und 422, "Greek-Ascoloy; ausscheidungsgehärtete rostfreie Stähle, z.B. 15-7 PH, 174-PH und AM350; Inconel, Legierungen auf Nickelbasis, z.B. Unitemp 1753; Kovar, Invar, Super Nivar, Elinvar, Fernico, Fernichrome; Metall mit der Zusammensetzung: 30% bis 68 Gew.-% Ni, 0,02% bis 0,2 Gew.-% Si, 0,01% bis 0,4 Gew.-% Mn, 48% bis 60 Gew.-% Co, 9% bis 10 Gew.-% Cr, Rest Fe. Aus Schutzgründen ist das Metall oder das nichtmetallische Material vorzugsweise mit einem Material überzogen, wie beispielsweise einem hochschmelzenden, gegenüber Angriff durch schmelzflüssiges Metall beständigem Material, das zur Verwendung als eine Schutzhülse geeignet ist. Alternativ können Gusseisenrohre eingesetzt werden, wie beispielsweise für schmelzflüssiges Aluminium ohne eine schützende Feuerfestbeschichtung. Allerdings haben Gusseisenrohre eine Auflösungsgeschwindigkeit in schmelzflüssigem Aluminium im Bereich von 0,0033 bis 0,167 m² Flächenverlust/m² ursprüngliche Fläche/h (0,033 bis 0,167 in² Flächenverlust/in² ursprüngliche Fläche/h).
Ferner kann das Material oder Metall zur Konstruktion des Rohres 30 eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 51,9 W/m°C (30 BTU/ft.h°F) bzw. weniger als 25,9 W/m°C (15 BTU/ft.h°F) haben wobei Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 17,3 W/m°C (10 BTU/ft.h°F) verwendbar ist. Ein anderes bedeutendes Merkmal für ein wünschenswertes Material für Rohr 30 ist die Wärmeausdehnung. In diesem Zusammenhang müsste ein geeignetes Material einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 6,86 × 10^–5 mm/mm/°C (15 × 10^–6 in/in/°F) haben, wobei ein Wärmeausdehnungskoeffizient von weniger als 4,57 × 10^–5 mm/mm/°C (10 × 10^–6 in/in/°F) bevorzugt ist und ein solcher von weniger als 3,43 × 10^–5 mm/mm/°C (7,5 × 10^–6 in/in/°F) am meisten bevorzugt ist und im typischen Fall weniger als 2,28 × 10^–5 mm/mm/°C (5 × 10^–6 in/in/°F) beträgt. Das in der vorliegenden Erfindung verwendbare Material oder Metall kann über eine Kühlleistung verfügen, die sich kontrollieren läßt. Die Kühlleistung ist als das Produkt von Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Dichte festgelegt. Damit kann das erfindungsgemäße Metall eine Kühlleistung von weniger als 28.391,3 W/m²°C (5.000 BTU/ft.²h°F) und bevorzugt weniger als 11.356,5 W/m²°C (2.000 BTU/ft.²h°F) und im typischen Fall eine solche im Bereich von 567,8 bis 4.258,7 W/m²°C (100 bis 750 BTU/ft.²h°F) haben.
Wie bereits erwähnt, ist das bevorzugte Material zur Verarbeitung zu Rohren 30 ein Material oder eine Legierung auf Titanbasis mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 51,9 W/m°C (30 BTU/ft.h°F), vorzugsweise weniger als 25,9 W/m°C (15 BTU/ft.h°F) und im typischen Fall weniger als 17,3 W/m°C (10 BTU/ft.h°F) und mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als 6,86 × 10^–5 mm/mm/°C (15 × 10^–6 in/in/°F) und bevorzugt kleiner als 4,57 × 10^–5 mm/mm/°C (10 × 10^–6 in/in/°F) und im typischen Fall kleiner als 2,28 × 10^–5 mm/mm/°C (5 × 10^–6 in/in/°F). Das Material oder die Legierung aus Titan sollten eine Kühlleistung haben, wie sie angegeben wurde, wobei die Kühlleistung bei Titan kleiner sein kann als 2.839,1 (500) und bevorzugt kleiner als 2.271,3 (400) und im typischen Fall im Bereich von 567,8 bis 1.703,5 W/m²°C (100 bis 300 BTU/ft²h) liegt.
Wenn die elektrische Heizanordnung in geschmolzenem Metall, wie beispielsweise Blei, zur Anwendung gelangt, braucht die Legierung auf Titanbasis beispielsweise nicht beschichtet zu sein, um sie vor der Auflösung zu schützen. Bei anderen Metallen, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Stahl, Zink und Magnesium sind zum Schutz gegen Auflösung des Metall- oder Nichtmetallrohres durch das schmelzflüssige Metall Beschichtungen vom Feuerfest-Typ vorzusehen. Unter "Verwendung von Titan" sind hierin einschließlich Titan und Titanlegierungen zu verstehen.
Für die meisten schmelzflüssigen Metalle ist die Titanlegierung, die zur Anwendung gelangt, eine solche, die vorzugsweise die Anforderungen an Wärmeleitfähigkeit, Kühlleistung und, worauf es besonders ankommt, Wärmeausdehnungskoeffizienten genügt, wie sie hierin ausgeführt wurden. Darüber hinaus sollte die Titanlegierung im typischen Fall eine Streckgrenze bei Raumtemperatur von 2,1 × 10⁵ Pa (30 ksi) oder größer haben und vorzugsweise 4,8 × 10⁵ Pa (70 ksi) und im typischen Fall 6,9 × 10⁵ Pa (100 ksi). Die hierin einbezogenen und in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Titanlegierungen schließen Titan der Qualität CP (handelsrein) oder alpha- und beta-Titanlegierungen oder nahe-alpha-Titanlegierungen oder alpha-beta-Titanlegierungen ein. Die alpha- oder nahe-alpha-Legierungen können aufweisen: 2% bis 9 Gew.-% Al, 0% bis 12 Gew.-% Sn, 0% bis 4 Gew.-% Mo, 0% bis 6 Gew.-% Zr, 0% bis 2 Gew.-% V und 0% bis 2 Gew.-% Ta und 2,5 maximal von jedem Ni, Nb und Si und der Rest Titan und zufällige Beimengungen und Verunreinigungen.
Spezielle alpha- und nahe-alpha-Titanlegierungen enthalten in Gew.-% etwa:

(a) 5 Al, 2,5 Sn, Rest Ti und Verunreinigungen,
(b) 8 Al, 1 Mo, 1 V, Rest Ti und Verunreinigungen,
(c) 6 Al, 2 Sn, 4 Zr, 2 Mo, Rest Ti und Verunreinigungen,
(d) 6 Al, 2 Nb, 1 Ta, 0,8 Mo, Rest Ti und Verunreinigungen,
(e) 2,25 Al, 11 Sn, 5 Zr, 1 Mo, Rest Ti und Verunreinigungen,
(f) 5 Al, 5 Sn, 2 Zr, 2 Mo, Rest Ti und Verunreinigungen.

Die alpha-beta-Titanlegierungen weisen in Gew.-% auf: 2 bis 10 Al, 0 bis 5 Mo, 0 bis 5 Sn, 0 bis 5 Zr, 0 bis 11 V, 0 bis 5 Cr, 0 bis 3 Fe, mit max. 1 Cu, max. 9 Mn, max. 1 Si, Rest Titan und zufällige Elemente und Verunreinigungen.
Spezielle alpha-beta-Legierungen enthalten in Gew.-% etwa:

(a) 6 Al, 4 V, Rest Ti und Verunreinigungen,
(b) 6 Al, 6 V, 2 Sn, Rest Ti und Verunreinigungen,
(c) 8 Mn, Rest Ti und Verunreinigungen,
(d) 7 Al, 4 Mo, Rest Ti und Verunreinigungen,
(e) 6 Al, 2 Sn, 4 Zr, 6 Mo, Rest Ti und Verunreinigungen,
(f) 5 Al, 2 Sn, 2 Zr, 4 Mo, 4 Cr, Rest Ti und Verunreinigungen,
(g) 6 Al, 2 Sn, 2 Zn, 2 Mo, 2 Cr, Rest Ti und Verunreinigungen,
(h) 10 V, 2 Fe, 3 Al, Rest Ti und Verunreinigungen
(i) 3 Al, 2,5 V, Rest Ti und Verunreinigungen.

Die beta-Titanlegierungen weisen in Gew.-% auf: 0 bis 14 V, 0 bis 12 Cr, 0 bis 4 Al, 0 bis 12 Mo, 0 bis 6 Zr und 0 bis 3 Fe, Rest Titan und Verunreinigungen.
Spezielle beta-Titanlegierungen enthalten in Gew.-% etwa:

(a) 13 V, 11 Cr, 3 Al, Rest Ti und Verunreinigungen,
(b) 8 Mo, 8 V, 2 Fe, 3 Al, Rest Ti und Verunreinigungen,
(c) 3 Al, 8 V, 6 Cr, 4 Mo, 4 Zr, Rest Ti und Verunreinigungen,
(d) 11,5 Mo, 6 Zr, 4,5 Sn, Rest Ti und Verunreinigungen.

Sofern es notwendig ist, zum Schutz des Rohres 30 aus Metall oder Nichtmetall gegen Auflösung oder Angriff durch schmelzflüssiges Metall eine Beschichtung vorzusehen, wird eine Feuerfestbeschichtung 34 auf die Außenseite des Rohres 30 aufgebracht. Die Beschichtung sollte oberhalb der Höhe aufgebracht werden, mit der die elektrische Heizanordnung in das schmelzflüssige Metall eintaucht. Die Feuerfestbeschichtung kann ein Feuerfestmaterial sein, welches dem Rohr eine gegen schmelzflüssiges Metall widerstandsfähige Beschichtung vermittelt. Die Feuerfestbeschichtung kann in Abhängigkeit von dem schmelzflüssigen Metall variieren. So wird ein neuartiges Verbundmaterial geschaffen, das die Verwendung von Metallen oder Nichtmetallen erlaubt, die über die erforderliche Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung verfügen, um mit schmelzflüssigem Metall zur Anwendung zu gelangen, wie es bisher für nicht möglich gehalten wurde.
Da Titan oder eine Titanlegierung leicht Titanoxid bilden, kommt es in der vorliegenden Erfindung darauf an, die Erzeugung von Titanoxid auf der Oberfläche des Titanrohrs 30, das mit einer Feuerfestschicht beschichtet werden soll, zu vermeiden oder auf ein Minimum herabzusetzen. Das bedeutet, wenn Sauerstoff in die Feuerfestbeschichtung eindringt, kann es Titanoxid bilden und möglicherweise die Feuerfestbeschichtung zum Abplatzen bringen und ein Versagen der Heizvorrichtung hervorrufen. Um das Reagieren von Sauerstoff mit Titan auf ein Minimum herabzusetzen oder zu verhindern, wird auf der Titanoberfläche eine Schicht aus Titannitrid erzeugt. Das Titannitrid ist für Sauerstoff weitgehend undurchlässig und kann eine Dicke von weniger als etwa 1 μm haben. Die Schicht aus Titannitrid kann durch Umsetzen der Titanoberfläche mit einer Quelle für Stickstoff erzeugt werden, wie beispielsweise Ammoniak, um die Titannitrid-Schicht zu schaffen.
Wenn die elektrische Heizanordnung zum Erhitzen von schmelzflüssigem Metall zur Anwendung gelangen soll, wie beispielsweise Aluminium, Magnesium, Zink oder Kupfer, usw., kann eine Feuerfestbeschichtung mindestens eines der folgenden aufweisen: Aluminiumoxid, Zirconiumoxid, Yttrium-stabilisiertes Zirconiumoxid, Magnesiumoxid, Magnesiumtitanit oder Mullit oder eine Kombination von Aluminiumoxid und Titanoxid. Obgleich die Feuerfestbeschichtung auf dem Rohr aus Metall oder Nichtmetall verwendet werden kann, lässt sich eine Bindeschicht zwischen dem Grundmetall und der Feuerfestbeschichtung aufbringen. Die Bindeschicht kann nach Erfordernis für Anpassungen zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Grundmetalllegierung, z.B. Titan, und der Feuerfestbeschichtung sorgen. Die Bindeschicht trägt damit dazu bei, Rissbildung oder Abheben der Feuerfestbeschichtung auf ein Minimum herabzusetzen, wenn das Rohr in das schmelzflüssige Metall eingetaucht wird oder auf Betriebstemperatur gebracht wird. Wenn die elektrische Heizanordnung im periodischen Durchlauf zwischen der Temperatur des schmelzflüssigen Metalls und Raumtemperatur gefahren wird, kann die Bindeschicht beispielsweise vorteilhaft sein, eine Rissbildung zu vermeiden, was besonders dann der Fall ist, wenn es eine erhebliche Differenz zwischen der Wärmeausdehnung des Metalls oder Nichtmetalls und der Feuerfestmasse gibt.
Typische Bindeschichten weisen Cr-Ni-Al-Legierungen und Cr-Ni-Legierungen mit oder ohne Edelmetalle auf. Bindeschichten, die in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind bei Metco Inc., Cleveland, Ohio unter der Bezeichnung 460 und 1465 verfügbar. In der vorliegenden Erfindung sollte die Feuerfestbeschichtung eine Wärmeausdehnung haben, die plus oder minus das 5-fache derjenigen des Grundmetalls beträgt. Das Verhältnis des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundmaterials kann daher im Bereich von 5:1 bis 1:5 und bevorzugt 1:3 bis 1:1,5 liegen. Die Bindeschicht trägt dazu bei, Unterschiede zwischen dem Grundmaterial und der Feuerfestbeschichtung zu kompensieren.
Die Bindeschicht hat eine Stärke von 2,54 bis 127 μm (0,1 bis 5 mil) bei einer typischen Dicke von etwa 12,7 μm (0,5 mil). Die Bindeschicht kann mit Hilfe von Sputtern, Plasma- oder Flammenspritzen, chemische Dampfphasenabscheidung, Sprühen, Eintauchen oder mechanisches Aufwalzen als Beispiel aufgebracht werden.
Nachdem die Bindeschicht aufgebracht worden ist, wurde die Feuerfestbeschichtung aufgetragen. Die Feuerfestbeschichtung kann mit Hilfe jeder beliebigen Methode aufgetragen werden, die für eine gleichförmige Beschichtung über der Bindeschicht sorgt. Die Feuerfestbeschichtung kann beispielsweise mit Hilfe des Aerosolsprühens, Sputterns, Plasmaspritzens oder Flammspritzens aufgetragen werden. Vorzugsweise hat die Feuerfestbeschichtung eine Dicke im Bereich von 7,62 bis 1.066,8 μm (0,3 bis 42 mil) und bevorzugt 127 bis 381 μm (5 bis 15 mil), wobei eine Dicke von etwa 254 μm (10 mil) geeignet ist. Die Feuerfestbeschichtung kann ohne eine Bindeschicht verwendet werden.
In einem anderen Aspekt der Erfindung kann Bornitrid als eine dünne Schicht auf der Oberseite der Feuerfestbeschichtung aufgetragen werden. Das Bornitrid kann als eine Trockenbeschichtung oder als eine Dispersion von Bornitrid und Wasser erzeugt werden, wobei die Dispersion als ein Spray aufgetragen wird. Die Bornitrid-Schicht ist normalerweise nicht dicker als etwa 50,8 oder 76,2 μm (2 oder 3 mil) und im typischen Fall dünner als 50,8 μm (2 mil).
Die Heizanordnung der Erfindung kann bei Heizleistungen von 3,9 bis 38,8 W/cm² (25 bis 250 W/in²) und im typischen Fall 6,2 bis 27,1 W/cm2 (40 bis 175 W/in²) betrieben werden.
Die Heizanordnung zur Verwendung in dem Heiz- und Schmelzsystem hat den Vorteil einer Metall-Verbundstoffummantelung, um Festigkeit zu vermitteln und eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit. Die Festigkeit ist deshalb wichtig, weil sie Beständigkeit gegenüber mechanischer Abnutzung vermittelt und einen innigen Kontakt mit dem inneren Element erlaubt. Wenn ein Metallrohr 15 verwendet wird, sorgt der innige Kontakt zwischen dem Heizelement des Metallrohrs 15 und der Ummantelung-I.D. für eine weitgehende Eliminierung eines ringförmigen Luftspaltes zwischen Heizelement und Ummantelung. In Heizvorrichtungen bekannter Ausführung führte der ringförmige Luftspalt zur Übertragung von Strahlungswärme und auch zu einer Rückstrahlung zum Element von der Innenseite der Mantelwandung, womit der maximale Wärme fluss begrenzt wurde. Im Gegensatz dazu wird in der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung ein Presssitz eingesetzt, der im Wesentlichen zu einer Wärmeleitung führt.
In herkömmlichen Heizvorrichtungen befindet sich das Heizelement des Rohrs 15 nicht in einem innigen Kontakt mit dem Schutzrohr, was zu einem ringförmigen Luftraum oder Zwischenraum dazwischen führte. Das Element wird damit bei einer von dem Rohr unabhängigen Temperatur betrieben. Es wird von dem Element Wärme durch das Rohr nicht effizient entfernt oder abgezogen, wodurch der Wirkungsgrad der Heizvorrichtungen stark beschränkt ist. So muss bei konventionellen Heizvorrichtungen das Element unterhalb einer bestimmten festen Temperatur betrieben werden, um ein Überhitzen des Elementes zu vermeiden, wodurch der Wärmefluss stark beschränkt ist.
Die Heizanordnung zieht Wärme von dem Heizelement in sehr effizienter Weise ab und kann nahe der Temperatur des geschmolzenen Metalles, z.B. Aluminium betrieben werden. Die Heizanordnung kann bei Leistungsdichten von 6,2 bis 27,1 W/cm² (40 bis 175 W/in²) betrieben werden. Der geringe Wärmeausdehnungskoeffizient des Verbundstoffmantels, der kleiner ist als der des Heizelement-Rohres 15 gewährt einen innigen Kontakt des Heizelementes mit der Verbundstoffummantelung.
Zur besseren Wärmeleitung von dem Heizelement 42 (3) zu der Schutzhülse 12 kann in den Behälter des Heizelements in den Einbauten ein Kontaktmedium eingebracht werden, wie beispielsweise eine Metalllegierung mit geringem Schmelzpunkt und geringem Dampfdruck. Die niedrig schmelzende Metalllegierung kann ein Eutektikum von Blei/Bismut mit einem charakteristischen niedrigen Schmelzpunkt, niedrigem Dampfdruck und geringer Oxidation und guten Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen. Es kann auch Magnesium oder Bismut verwendet werden. Die Heizvorrichtung kann nach Erfordernis mit einer Ummantelung aus rostfreiem Stahl geschützt sein oder es kann eine mit Chrom plattierte Oberfläche verwendet werden. Nachdem ein Kontaktmedium aus geschmolzenem Metall verwendet wurde, kann in den ringförmigen Spalt pulverförmiger Kohlenstoff gegeben werden, um die Oxidation auf ein Minimum herabzusetzen.
Alternativ kann ein pulverförmiges Material 40 in die Aufnahmevorrichtung des Heizelementes eingebracht werden. Sofern das Kontaktmedium aus einem pulverförmigen Material besteht, lässt es sich auswählen aus Siliciumcarbid, Magnesiumoxid, Kohlenstoff oder Graphit. Sofern ein pulverförmiges Material verwendet wird, sollte die Partikelgröße eine mittlere Partikelgröße im Bereich von etwa 0,03 mm bis etwa 0,3 mm oder eine einer Siebgröße nach US- Standards äquivalenten Größe haben. Dieser Partikelgrößenbereich verbessert stark die Packungsdichte des Pulvers und damit die Wärmeübertragung von dem elektrischen Heizdraht 42 (3) zur Schutzhülse 12. Sofern beispielsweise ein Material mit gleicher Partikelgröße verwendet wird, führt dieses zu einem Drittel des Hohlraumanteils. Der Partikelgrößenbereich reduziert den Hohlraumanteil bis unterhalb ein Drittel erheblich und verbessert die Wärmeübertragung. Außerdem wird die Wärmeübertragung dadurch verbessert, dass dieser Partikelgrößenbereich fest gepackt wird.
Sofern Einbauten verwendet werden, bestimmt auch die Form der Öffnung, die Gradlinigkeit und die Oberflächentopographie, die in der Einbauvorrichtung vorhanden sind, den festen Sitz zwischen der Heizvorrichtung und dem Einbaumaterial. Die kommerziellen Methoden der Feuerfestbeschichtung gewährleisten nicht immer, dass die besonders wünschenswerten Bedingungen (d.h. kreisrunder Querschnitt, Gradlinigkeit und glatte Innenfläche der Öffnungen zur Gewährleistung eines passenden Durchmessers des Presssitzes) in Bezug auf die Wärmeübertragung erhalten werden.
Um diese Einschränkungen zu überwinden lassen sich als Einsätze Rohre aus bearbeitetem Graphit oder Kohlenstoff oder geeigneten Metallen verwenden, wie beispielsweise Titan, Titanlegierungen, Kovar, Invar und Nilo. Derartige Einsätze würden in die Form eingesetzt werden, die zum Gießen der Einbauvorrichtung verwendet werden, bevor das zu vergießende Feuerfestmaterial eingeführt wird. Die Rohre dienen nicht nur als Kerne zur Erzeugung der Öffnungen während des Gießens, sondern liefern außerdem eine verbesserte Wärmeübertragung, indem sie für optimale Bedingungen sorgen.
Heizelemente, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind verfügbar bei Ogden Manufacturing Co., Arlington Heights, II 60005 oder International Heat Exchange Inc., Yorba Linda, CA 92687. Diese Heizelemente sind oftmals in Stahl- oder Inconel-Rohren eingeschlossen und verwenden ICA oder Nichrome-Elemente.
In einem anderen Merkmal der Erfindung kann ein Thermoelement (nicht gezeigt) zwischen der Hülse 12 und dem Heizelement 14 oder dem Heizelement 342 eingesetzt werden. Das Thermoelement kann zum Zwecke der Regelung des Heizelementes verwendet werden, um dafür zu sorgen, dass keine Überhitzung des Elementes für den Fall auftritt, dass Wärme nicht in ausreichend schnellem Maß von der Heizanordnung abgeleitet werden kann. Darüber hinaus kann das Thermoelement zur Erfassung der Temperatur des geschmolzenen Metalles verwendet werden. Das bedeutet, dass sich die Hülse 12 bis unterhalb oder oberhalb des Endes des Heizelementes erstrecken kann, um für einen Zwischenraum zu sorgen, wobei die Messfühlerspitze des Thermoelementes in diesem Raum angeordnet sein kann.
In der vorliegenden Erfindung ist es wichtig, eine Regelung der Heizvorrichtung zu verwenden. Das bedeutet, es kommt aus Gründen der Effektivität darauf an, die Heizvorrichtungen bei höchster Heizleistung zu betreiben, ohne gleichzeitig die höchstzulässige Temperatur des Elementes zu überschreiten, wie bereits ausgeführt wurde. Das in die Heizvorrichtung eingesetzte Thermoelement erfasst die Temperatur des Heizelementes. Das Thermoelement kann an einen Regler angeschlossen sein, wie beispielsweise einen Kaskadenregler, um die Temperatur des Heizelementes in den Regelkreis zu integrieren. Derartige Kaskadenregler sind verfügbar bei Watlow Controls, Winona, Minnesota, bezeichent als "Reihe 988".
Der Draht oder das Bauteil 42 des Heizelementes besteht bei Einsatz in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise aus Titan oder einer Titanlegierung. Das Titan oder die Titanlegierung, die für das Bauteil 42 des Heizelementes verwendbar sind, lassen sich aus der vorgenannten Liste von Titanlegierungen auswählen. Titan oder eine Titanlegierung sind wegen ihres hohen Schmelzpunktes besonders geeignet, der bei hoch reinem Titan 1.725°C (3.137°F) beträgt. Das bedeutet, ein Titanelement kann im Vergleich zu konventionellen Elementen, z.B. Nichrome, bei Schmelzen mit 454°C (2.650°F) bei einer höheren Innentemperatur der Heizvorrichtung betrieben werden. Damit kann ein Element 42 auf Titanbasis höhere Leistungsdichten gewähren, ohne dass das Element schmilzt. Darüber hinaus bleiben die elektrischen Eigenschaften bei Titan bei höheren Temperaturen besser konstant. Titan oder eine Titanlegierung erzeugen eine Titanoxid-Schicht oder Titandioxid-Schicht (eine kohärente Oxidschicht), die den Heizdraht des Heizelementes schützen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Material als Oxidationsmittel hinzugefügt oder im Inneren der Hülse der Heizanordnung vorgesehen, um eine Quelle für Sauerstoff zum Zwecke der Erzeugung oder Reparatur einer kohärenten Titanoxid-Schicht zu gewähren. Das Oxidationsmittel kann jedes beliebige Material sein, welches die Schicht aus Titanoxid bildet oder repariert. Die Quelle für Sauerstoff kann Mangandioxid oder Kaliumpermanganat einschließen, die dem pulverförmigen Kontaktmedium zugesetzt werden können.
Das Oxidationsmittel, wie beispielsweise Mangandioxid oder Kaliumpermanganat, kann konventionellen Heizvorrichtungen zugegeben werden, bei denen ein pulverförmiges Kontaktmedium zum Einsatz gelangt, um eine Quelle für Sauerstoff für einen konventionellen Heizdraht bereitzustellen, wie beispielsweise bei ICA-Elementen. Dieses erlaubt, konventionelle Heizelemente zu versiegeln.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist festgestellt worden, dass ein inniger Kontakt oder Passsitz mit Hilfe eines tiefgezogenen Metallrohres 30 um oder auf dem Heizelement 14 erhalten werden kann. Es ist offensichtlich, dass das Element 14 einen kreisrunden Querschnitt hat und das Rohr 30 daher fest auf das Element 14 aufgedrückt werden kann, wodurch Luftspalte weitgehend eliminiert werden. Das Ziehpressen schließt den Verfahrensschritt des Formens und teilweise Umformens des Metallrohrs 30 ein, speziell des Innendurchmessers, das Einsetzen der Inhalte des Rohres unter Druck und des genaueren Anpassens des Außendurchmessers von Element 14, um Luftspalte zwischen Element 14 und Rohr 30 zu eliminieren. Es ist offensichtlich, dass sich Zwischenrohre zwischen das Heizelement der Heizanordnung und Rohr 30 einsetzen lassen. Darüber hinaus umfasst die Erfindung den Einsatz eines bevorzugten Heizdrahtes 42 des Heizelementes (3), der von einem elektrisch isolierenden Material umgeben ist, wie beispielsweise einem Pulver, das eine gute Wärmeleitung hat, z.B. Magnesiumoxid, das von Rohr 30 lediglich ohne jedes Zwischenrohr, wie beispielsweise Stahlrohr, aufgenommen wird.
Ein inniger Kontakt und eine dichte Füllung des MgO-Pulvers sind für einen einwandfreien Betrieb der Heizvorrichtung entscheidend, wobei eine Möglichkeit zur Schaffung einer verbesserten Fülldichte darin besteht, dass eine Aufschlämmung erzeugt wird, die ein Fluid aufweist oder ein flüssiges Vehikel, d.h. Wasser oder Alkohol, sowie das dispersoide Pulver, d.h. MgO. Sobald ein Heizrohr mit der Aufschlämmung gefüllt ist, kann die eingeschlossene Luft durch Vibration und/oder mit Hilfe von Vakuum entfernt werden.
Es kann ein chemisches Bindemittel eingesetzt werden, welches eine chemische Reaktion umfasst, um das Vehikel zu verbrauchen, oder eine progressive Verflüchtigung, die zur einwandfreien Verdampfung des Vehikels angewendet werden kann. Eine progressive Verflüchtigung ist ein Prozess, bei dem das Rohr von dem geschlossenen Ende in Richtung auf das offene Ende in progressiver Form erhitzt wird. Geeignete Maßnahmen zum Erhitzen schließen Induktion ein, Strahlung und Mikrowelle/Hochfrequenz. Die Heizvorrichtung wird von dem geschlossenen zum offenen Ende des Rohres bewegt, wodurch gewährleistet wird, dass das Vehikel in der Dampfphase sich frei durch die übrige flüssige Aufschlämmung bewegen kann.
Wenn Rohr 30 über das Heizelement 14 gepresst wird, wird nach dem Aufpressen die Feuerfestbeschichtung aufgetragen. Ob die Heizanordnung durch Einsetzen von Heizelement 14 in das Rohr 30 gefertigt wird oder durch Aufpressen, wie ausgeführt wurde, so kann es vorteilhaft sein, ein Kontaktmedium zur besseren Wärmeleitung zwischen Heizelement 14 und Rohr 30 zu verwenden. Das Kontaktmedium kann ein pulverförmiges Material sein, das sich zwischen dem Heizelement und dem Rohr befindet. Das pulverförmige Material kann ausgewählt sein aus Siliciumcarbid, Magnesiumoxid und Kohlenstoff oder Graphit, wenn das Heizelement in einem Zwischenrohr enthalten ist. Sofern kein Zwischenrohr verwendet wird, muss das Kontaktmedium für die elektrische Isolierung sowie für eine gute Wärmeleitung sorgen. Das pulverförmige Material sollte eine mittlere Partikelgröße im Bereich von etwa 0,03 bis 0,3 mm haben. Die Wirkung des pulverförmigen Materials besteht darin, dass etwaige Hohlräume zwischen dem Heizelement und dem Rohr ausgefüllt werden. Der Partikelgrößenbereich für das pulverförmige Material verbessert die Wärmeleitung, indem der Hohlraumanteil auf ein Minimum herabgesetzt wird. Das Aufpressen bei dem pulverförmigen Material ist deshalb sehr vorteilhaft; weil das Aufpressen das Pulver für eine verbesserte Wärmeleitung effektiv fester presst.
Die Innenseite von Rohr 30 kann so behandelt sein, dass ein aufrauhender Effekt oder eine kontrollierte RMS gewährt werden, um das Pulver besser gegen die Innenwandung von Rohr 30 zu drücken. Das bedeutet, wenn man einen Partikelgrößenbereich und eine aufgerauhte Innenwandung hat, wird ein höheres Maß von Kontakt durch das pulverförmige Kontaktmedium gewährt und damit eine größere Wärmeeinleitung in die Wand. Die Ausstattung des Elementes mit einer aufgerauhten Oberfläche verbessert darüber hinaus die Wärmeleitung zu dem pulverförmigen Kontaktmedium. Wenn ein zwischengeschaltetes Metallrohr, z.B. ein Stahlrohr, verwendet wird, ist es ebenfalls für die Wärmeübertragung wichtig, für eine aufgerauhte Oberfläche zu sorgen.
Ein anderes Kontaktmedium, das zur Anwendung kommen kann, schließt Hochtemperaturpasten ein, wie beispielsweise Gleitmittelverbindungen auf Nickel- oder Kupferbasis.
Es ist offensichtlich, dass ein Beheizen und/oder Schmelzen entsprechend den Verfahrensschritten der vorliegenden Erfindung den Schmelzeverlust stark herabsetzt oder die Menge der erzeugten Krätze stark verringert. Um die Krätze noch weiter herabzusetzen, kann der Behälter für geschmolzenes Aluminium mit einer Inertgasatmosphäre (inert gegenüber Aluminium) versorgt werden. Alternativ kann die Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums, das der Atmosphäre ausgesetzt ist, durch eine Konstruktion von Deckel oder Oberteil des Behälters für geschmolzenes Metall auf ein Minimum herabgesetzt werden, da jetzt keine Notwendigkeit mehr für eine große Oberfläche besteht, die mit den auftreffenden Flammen der Gasfeuerung in Kontakt kommen muss. Das bedeutet, dass der Behälter für das schmelzflüssige Metall auf Volumenbasis bemessen werden kann anstatt auf der Oberfläche, die von den oben liegenden Brennern beheizt wird.
Aufgrund des Wirkungsgrades des Beheizens in dem System zum Beheizen und/oder Schmelzen gemäß der vorliegenden Erfindung lassen sich neuartige Vorrichtungen zur Erzeugung von Elektroenergie verwenden, einschließlich Turbinenmotoren gekoppelt mit einem Elektrogenerator. Es können wirtschaftliche Kraftstoffquellen ausgewählt werden für die Turbine zur Stromerzeugung und für den zu schmelzenden Schrott, z.B. Schrott von Getränkedosen, die entlackt und vorgewärmt werden können, indem Abgase von der Turbine verwendet werden, die Temperaturen im Bereich von 426,7° bis 537,8°C (800° bis 1.000°F) haben können. In ähnlicher Weise lassen sich Ölmühlenschnitzel mit Turbinenabgasen zur Entfernung von Verunreinigungen vor dem Schmelzen vorwärmen. Der Turbinengenerator ist eine Energiequelle, die transportabel ist. Das bedeutet, dass aufgrund des hohen Wirkungsgrades dieses Schmelzsystems kleinere Behälter für schmelzflüssiges Metall eingesetzt werden können, womit Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zum Beheizen und/oder Schmelzen stark verbessert werden.

Claims

Verfahren zum Erhitzen oder Schmelzen von festem Aluminium, dadurch gekennzeichnet, dass es die Schritte umfasst: (a) Zirkulieren von geschmolzenem Aluminium aus einem Sammelgefäß durch eine Pumpstation, eine Heizstation und eine Aluminium-Beschickungsstation zu dem Sammelgefäß; sowie (b) Erhitzen des geschmolzenen Aluminiums in der Heizstation mit einer elektrischen Heizvorrichtung, wobei die Heizvorrichtung mit einer Heizleistung im Bereich von 3,9 bis 58,1 W/cm² (25 bis 375 W/in²) betrieben wird und wobei die Heizvorrichtung aufweist: (i) eine Hülse, die zum Eintauchen in das schmelzflüssige Aluminium geeignet ist, wobei die Hülse aus einem Metall oder Verbundmaterial besteht, das eine innere Lage aus Metall mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 4,57 × 10^–5 mm/mm/°C (10 × 10^–6 in/in/°F) aufweist und eine Außenseite mit einer Feuerfestbeschichtung darauf hat, die dem schmelzflüssigen Aluminium ausgesetzt ist, wobei die Feuerfestbeschichtung gegenüber Angriff durch das schmelzflüssige Aluminium beständig ist und einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 4,57 × 10^–5 mm/mm/°C (10 × 10^–6 in/in/°F) hat; sowie (ii) ein elektrisches Heizelement, das sich in der Hülse in einer Wärmeaustauschbeziehung mit ihr befindet, um dem schmelzflüssigen Aluminium Wärme zuzuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die elektrische Heizvorrichtung bei einer Heizleistung von 3,9 bis 54,3 W/cm² (25 bis 350 W/in²) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die elektrische Heizvorrichtung bei einer Heizleistung von 7,8 bis 38,8 W/cm² (50 bis 250 W/in²) betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Heizvorrichtung bei einer Heizleistung von 7,8 bis 31,0 W/cm² (50 bis 200 W/in²) betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Heizvorrichtung bei einer Heizleistung von 11,6 bis 23,25 W/cm² (75 bis 150 W/in²) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Heizvorrichtung bei einer Heizleistung von 3,9 bis 38,8 W/cm² (25 bis 250 W/in²) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Heizvorrichtung bei einer Heizleistung von 4,7 bis 31,0 W/cm² (30 bis 200 W/in²) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Heizvorrichtung bei einer Heizleistung von 4,7 bis 31,0 W/cm² (30 bis 200 W/in²) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem die Heizvorrichtung bei einer Heizleistung von 6,2 bis 23,3 W/cm² (40 bis 150 W/in²) betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, umfassend eine Behandlungsstation für geschmolzenes Aluminium, die sich hinter der Aluminium-Beschickungsstation befindet, worin das geschmolzene Aluminium behandelt wird, um Verunreinigungen daraus zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem das geschmolzene Aluminium in der Behandlung für die Aufgabe der Entfernung der Verunreinigungen fluxiert wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem das geschmolzene Aluminium in der Heizstation bis zu einer Temperatur im Bereich von 551,7° bis 1.010,0°C (1.025° bis 1.850°F) erhitzt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die innere Lage des Metalls Titan ist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem das Metall eine Legierung auf Titanbasis ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus alpha-, beta-, nahe-alpha- und alpha-beta-Titanlegierungen.
Verfahren nach Anspruch 14, bei welchem das Metall eine Legierung auf Titanbasis ist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus 6242, 1100 und CP.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem die innere Lage aus Metall ausgewählt ist aus nicht austenitischen rostfreien Stählen "Invar" und "Kovar".
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Feuerfestbeschichtung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem der Al₂O₃, ZrO₂, Y₂O₃-stabilisiertem ZrO₂ und Al₂O₃-TiO₂.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem die Feuerfestbeschichtung eine Lage aus Bornitrid darauf aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem eine Bindeschicht zwischen der Metall-Lage und der Feuerfestbeschichtung vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 19, bei welchem die Bindeschicht eine Legierung aufweist, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einer Cr-Ni-Al-Legierung und einer Cr-Ni-Legierung.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei welchem sowohl die innere Lage als auch die Feuerfestschicht Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 2,28 × 10^–5 mm/mm/°C (5 × 10^–6 in/in/°F) haben.