Vorteile einer Inertgasatmosphäre

Einleitung

Im Bereich des sekundären Aluminiumschmelzens, -raffinierens und -recyclings ist der Einsatz von Schutzgas eine zentrale Technik zur Steigerung der Prozesseffizienz und Produktqualität. Schutzgas, im Wesentlichen eine Inertgasdecke, schirmt geschmolzenes Aluminium vor den schädlichen Auswirkungen der atmosphärischen Sauerstoffeinwirkung ab und reduziert so die Oxidation und Schlackenbildung. Dieser technische Überblick soll Schmelzmeistern und -technikern ein umfassendes Verständnis der Schutzgasanwendungen vermitteln, einschließlich Gasauswahl, Volumen, Durchflussraten, Ofenausstattung sowie der damit verbundenen Vorteile und Gefahren. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf die Integration von Schutzgasfunktionen in Umwälz- und Transferpumpen gelegt, wodurch das Schutzgaszufuhrsystem vereinfacht wird.

Gastyp

Die Auswahl eines geeigneten Schutzgases hängt von den spezifischen Anforderungen des Aluminiumschmelzprozesses ab. Häufig verwendete Gase sind Stickstoff (N2), Argon (Ar) und Gemische davon. Während Stickstoff eine wirtschaftliche Rentabilität bietet, macht Argons überlegene Inertheit und Dichte(1) es für die hochwertige Aluminiumproduktion vorzugswürdig.

Gasvolumen und Durchflussraten

Das erforderliche Schutzgasvolumen hängt von den Ofenabmessungen und dem gewünschten Grad der atmosphärischen Isolation ab. Ein Gasvolumen, das ausreicht, um einen positiven Druck im Ofenraum zu erzeugen, wird für Stickstoff empfohlen, da seine Dichte im Verhältnis zur Luft neutral ist. Aufgrund seiner höheren Dichte sinkt Argon ab und verdrängt die Luft an der Oberfläche des flüssigen Bades. Die Durchflussraten sollten so reguliert werden, dass eine gleichmäßige Gasdecke aufrechterhalten wird, während der Gasverbrauch minimiert wird.

Ofenausstattung

Die Nachrüstung eines Ofens für den Betrieb mit Schutzgas erfordert die Installation eines Gasversorgungssystems, das eine Gasquelle, Druckregler, Durchflussmesser und Verteilungsrohre umfasst. Der Ofen sollte mit einem Dichtungsmechanismus ausgestattet sein, um Gasleckagen zu verhindern und eine wirksame atmosphärische Isolation zu gewährleisten. Da die Drossbildungsraten in Bereichen mit der größten Oberflächenverwirbelung (und damit der größten der Atmosphäre ausgesetzten Fläche) am höchsten sind, hat die Verwendung von Schutzgas im Pumpenschacht, Beschickungsschacht und Wirbelbehälter die größten Auswirkungen auf die Reduzierung der Gesamtdrossel.

Ofenausstattung mit integrierten Schutzgaspumpen

Während herkömmliche Schutzgaszuführungssysteme oft auf Lanzen oder andere Verteilungsmechanismen angewiesen sind, haben Fortschritte in der Pumpentechnologie dazu geführt, dass Schutzgasfunktionen direkt in Zirkulations- und Transferpumpen integriert werden. Dieser innovative Ansatz macht zusätzliche Gasverteilungsgeräte überflüssig, rationalisiert den Ofenaufbau und verbessert die betriebliche Effizienz. High Temperature Systems bietet Schutzgasoptionen für Transfer- und Zirkulationspumpen (2). Diese Pumpen verwenden eine einzigartige kombinierte Wellenstütze / Gehäuse mit einer Inertgasentlüftung, die die Welle in einer inerten Atmosphäre hält und die Krätzebildung an der Schnittstelle zwischen der rotierenden Welle und der Metalllinie reduziert. Die Schutzgaspumpen versorgen den Pumpenbrunnen auch mit Schutzgas, indem sie das Wellengehäuse unterhalb der Metalllinie entlüften.

**Pumpe im geschlossenen Design mit geschlossener Wellenstütze**

Die Close-Style-Pumpe hat eine geschlossene Welle, die in einer schützenden Feuerfestmanschette untergebracht ist. Dies verhindert zwar einen einfachen Zugang zur Inspektion und Reinigung, die Pumpe ist jedoch optional mit einer Inertgaszufuhr ausgestattet.

Vorteile der Schutzgas-Anwendung

Reduzierte Oxidation und Schlackenbildung: Der Hauptvorteil von Schutzgas liegt in seiner Fähigkeit, die Aluminiumoxidation und die damit verbundene Schlackenbildung zu reduzieren.
Verbesserte Schmelzereinheit: Durch die Minimierung der atmosphärischen Wechselwirkung trägt das Schutzgas zu einer verbesserten Schmelzereinheit bei, was zu besseren Gussprodukten mit reduzierter Porosität und verbesserten mechanischen Eigenschaften führt.
Erhöhte Energieeffizienz: Die Isolierung durch die Schutzgasdecke trägt dazu bei, Wärmeverluste von der Schmelzbadoberfläche außerhalb des Herdofens in den Pumpen- und Chargierschächten zu reduzieren, wodurch die Energieeffizienz gesteigert und die Betriebskosten gesenkt werden.
Vereinfachte Gaszufuhr: Die Integration von Schutzgasfunktionen in Pumpen rationalisiert den Ofenaufbau und reduziert die Komplexität der Ausrüstung sowie den Wartungsaufwand.

Gefahren bei der Anwendung von Schutzgasen

Erstickungsgefahr: Die Verdrängung von Sauerstoff durch Schutzgas im Ofenoberraum birgt die Gefahr von Erstickung. Eine ausreichende Belüftung und der Einsatz von Sauerstoffüberwachungssystemen sind entscheidend, um diese Gefahr zu mindern. Das Abschalten des Inertgases vor der Wartung reduziert dieses Risiko.
Gaseinschlüsse: Obwohl unwahrscheinlich, können unsachgemäße Gaszufuhr oder unzureichendes Rühren während des Entgasungsprozesses zu Gaseinschlüssen im geschmolzenen Aluminium führen, was zu Gussfehlern und einer Beeinträchtigung der Produktintegrität führt. Eine sorgfältige Prozesskontrolle und die Einhaltung etablierter Verfahren sind unerlässlich, um solche Vorkommnisse zu verhindern.

Fazit

Die Implementierung der Schutzgastechnologie in sekundären Aluminiumschmelzbetrieben, insbesondere mit der Integration von Schutzgasfunktionen in Pumpen, bietet eine Vielzahl von Vorteilen, darunter reduzierte Oxidation, verbesserte Schmelzreinheit, erhöhte Energieeffizienz und vereinfachte Gaszufuhr. Durch das Verständnis der technischen Nuancen von Schutzgasanwendungen und die Implementierung bewährter Verfahren können Schmelzmeister und Techniker das volle Potenzial dieser Technologie nutzen, um Aluminiumschmelzprozesse zu optimieren und eine überlegene Produktqualität zu erzielen.

Fußnoten:

(1) Das spezifische Gewicht von Argon ist bei 730 °C oder 1350 °F etwa 27 % höher als das von Luft.

(2) Pumpe im geschlossenen Stil - mit geschlossenem Wellenträger. Die Pumpe im geschlossenen Stil hat eine geschlossene Welle, die in einer schützenden, feuerfesten Hülse untergebracht ist. Dies verhindert zwar einen einfachen Zugang für Inspektion und Reinigung, die Pumpe ist aber optional mit einer Inertgaszufuhr ausgestattet.

Schutzgas beim Umschmelzen von Aluminium