Abdeckgas in der Sekundäraluminiumschmelze

Vorteile einer inerten Atmosphäre

Einführung

Im Bereich des sekundären Aluminiumschmelzens, -raffinierens und -recyclings ist der Einsatz von Schutzgas ein zentrales Verfahren zur Verbesserung der Prozesseffizienz und Produktqualität. Schutzgas, im Wesentlichen eine Inertgasdecke, dient dazu, geschmolzenes Aluminium vor den schädlichen Auswirkungen der Wechselwirkung mit Luftsauerstoff zu schützen und so die Oxidation und Krätzebildung zu verringern. Dieser technische Überblick soll Schmelzeaufsehern und -technikern ein umfassendes Verständnis der Schutzgasanwendungen vermitteln, das die Auswahl des Gases, das Volumen, die Durchflussraten, die Ausrüstung des Ofens sowie die damit verbundenen Vorteile und Gefahren umfasst. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf die Integration von Schutzgasfunktionen in Umwälz- und Transferpumpen gelegt, wodurch das Schutzgaszufuhrsystem vereinfacht wird.

Gasart

Die Auswahl eines geeigneten Schutzgases hängt von den spezifischen Anforderungen des Aluminiumschmelzvorgangs ab. Zu den üblicherweise verwendeten Gasen gehören Stickstoff (N2), Argon (Ar) und Mischungen davon. Während Stickstoff wirtschaftlich rentabel ist, ist Argon aufgrund seiner höheren Inertheit und Dichte(1) für die Herstellung von hochwertigem Aluminium vorzuziehen. 

Gasvolumen und Durchflussraten

Das erforderliche Volumen des Schutzgases hängt von den Abmessungen des Ofens und dem gewünschten Grad der atmosphärischen Isolierung ab. Für Stickstoff wird aufgrund seiner neutralen Dichte im Vergleich zu Luft eine Gasmenge empfohlen, die ausreicht, um einen Überdruck im Kopfraum des Ofens zu erzeugen. Aufgrund seiner höheren Dichte sinkt Argon ab und verdrängt die Luft an der Oberfläche des Schmelzbades. Die Durchflussmenge sollte so reguliert werden, dass eine gleichmäßige Gasdecke aufrechterhalten und gleichzeitig ein übermäßiger Gasverbrauch minimiert wird. 

Ausstattung des Ofens

Die Nachrüstung eines Ofens für den Betrieb mit Schutzgas erfordert die Installation eines Gaszufuhrsystems, das eine Gasquelle, Druckregler, Durchflussmesser und Verteilerlanzen umfasst. Der Ofen sollte mit einem Dichtungsmechanismus ausgestattet sein, um Gasleckagen zu verhindern und eine wirksame atmosphärische Isolierung zu gewährleisten. Da die Krätzebildungsrate in den Bereichen mit der größten Oberflächenturbulenz (und damit der größten der Atmosphäre ausgesetzten Fläche) am höchsten ist, hat die Verwendung von Schutzgas im Pumpensumpf, im Chargenschacht und in der Wirbelkammer den größten Einfluss auf die Krätzeverringerung insgesamt. 

Ofenausstattung mit integrierter Deckelgaspumpe

Während herkömmliche Schutzgasversorgungssysteme oft auf Lanzen oder andere Dispersionsmechanismen angewiesen sind, haben Fortschritte in der Pumpentechnologie dazu geführt, dass Schutzgasfunktionen direkt in Umwälz- und Transferpumpen integriert werden können. Dieser innovative Ansatz macht zusätzliche Gasverteilungsanlagen überflüssig, rationalisiert die Ofeneinrichtung und verbessert die Betriebseffizienz. High Temperature Systems bietet Schutzgasoptionen sowohl für Transfer- als auch für Umwälzpumpen(2). Diese Pumpen verwenden eine einzigartige Kombination aus Wellenhalterung und Gehäuse mit einer Inertgasabsaugung, die die Welle in einer inerten Atmosphäre hält und so die Krätzebildung an der Schnittstelle zwischen der rotierenden Welle und der Metallleitung reduziert. Die Schutzgaspumpen versorgen auch den Pumpenschacht mit Schutzgas, indem sie das Wellengehäuse unterhalb der Metallleitung entlüften.

Geschlossene Pumpe mit gekapselter Wellenlagerung

Die geschlossene Pumpe hat eine geschlossene Welle, die in einer schützenden feuerfesten Hülle untergebracht ist. Dies verhindert zwar den einfachen Zugang für Inspektion und Reinigung, aber die Pumpe ist optional mit einer Inertgaszufuhr ausgestattet. 

Vorteile der Schutzgasanwendung

• Geringere Oxidation und Krätzebildung: Der Hauptvorteil von Schutzgas liegt in seiner Fähigkeit, die Oxidation von Aluminium und die damit einhergehende Bildung von Krätze zu verringern.

• Verbesserte Schmelzesauberkeit: Durch die Minimierung der atmosphärischen Wechselwirkung trägt das Schutzgas zu einer verbesserten Schmelzesauberkeit bei, was zu hochwertigen Gussprodukten mit geringerer Porosität und besseren mechanischen Eigenschaften führt.

• Verbesserte Energieeffizienz: Die Isolierung durch die Abdeckgasdecke verringert die Wärmeverluste von der Schmelzoberfläche außerhalb des Herdes in den Pumpen- und Beschickungsschächten, was die Energieeffizienz erhöht und die Betriebskosten senkt. 

• Vereinfachte Gaszufuhr: Die Integration von Schutzgasfunktionen in Pumpen vereinfacht die Einrichtung des Ofens und reduziert die Komplexität der Ausrüstung und die Wartungsanforderungen.

Gefahren von Schutzgasanwendungen

• Erstickungsgefahr: Die Verdrängung des Sauerstoffs durch das Abdeckgas im Kopfraum des Ofens birgt die Gefahr des Erstickens. Angemessene Belüftung und der Einsatz von Sauerstoffüberwachungssystemen sind entscheidend, um diese Gefahr zu mindern. Das Umschalten des Inertgases vor der Wartung verringert dieses Risiko.

• Gaseinschlüsse: Auch wenn es unwahrscheinlich ist, kann eine unsachgemäße Gaszufuhr oder eine unzureichende Umwälzung während des Entgasungsvorgangs zu Gaseinschlüssen in der Aluminiumschmelze führen, die Gussfehler und eine beeinträchtigte Produktintegrität zur Folge haben. Eine sorgfältige Prozesskontrolle und die Einhaltung etablierter Verfahren sind unerlässlich, um solche Vorfälle zu verhindern. 

Fazit

Der Einsatz der Schutzgastechnologie in sekundären Aluminiumschmelzverfahren, insbesondere durch die Integration von Schutzgasfunktionen in Pumpen, bietet eine Vielzahl von Vorteilen, darunter eine geringere Oxidation, eine verbesserte Sauberkeit der Schmelze, eine höhere Energieeffizienz und eine vereinfachte Gaszufuhr. Durch das Verständnis der technischen Feinheiten von Schutzgasanwendungen und die Umsetzung bewährter Verfahren können Schmelzmeister und Techniker das volle Potenzial dieser Technologie nutzen, um Aluminiumschmelzprozesse zu optimieren und eine hervorragende Produktqualität zu erzielen.

Fußnoten:

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

(2) Geschlossene Pumpe - mit geschlossenem Wellenständer. Die geschlossene Pumpe hat eine geschlossene Welle, die in einer schützenden feuerfesten Hülle untergebracht ist. Dies verhindert zwar den einfachen Zugang für Inspektion und Reinigung, aber die Pumpe ist optional mit einer Inertgaszufuhr ausgestattet.