Warum sollte ich eine Umwälzpumpe verwenden?

Frühe Designs von Reverb-Ofen

Primitiver Reverb-Ofen

Der Hallofen (Reverb) ist seit dem Mittelalter in Gebrauch. Diese Abbildung zeigt einen primitiven Hallofen einer frühen Bauart. Der gesamte Ofen konnte aus natürlichen feuerfesten Materialien wie Ton gebaut werden. Diese Konstruktion hat eine Reihe von Einschränkungen, die zum modernen Reverb-Ofen geführt haben.

So schränkt die Konstruktion den Zugang zum Metallbad beim Beschicken des Herdes oder beim Schöpfen von geschmolzenem Metall ein - das Erreichen einer gleichmäßigen Erwärmung oder einer homogenen Legierung erfordert daher ein manuelles Umrühren des Schmelzbades. Da die Strahlungswärme auf die Oberseite des Herdes aufgebracht wird, ist das Metall unter den ersten paar Zentimetern deutlich kühler und kann entweder fest oder auf einer viel niedrigeren Temperatur als die Oberflächenschmelze belassen werden.

Typisches modernes Reverb-Design

Typischer Aufbau eines Reverb-Ofens

Betrachten Sie die einfache Konfiguration eines Reverb-Ofens mit einem Herd, einem Beschickungsschacht und einem Pumpenschacht, wie hier in einer Luftaufnahme gezeigt. Jede der drei Kammern ist durch eine Wand mit einem untergetauchten Torbogen getrennt. Alle Abteile und Wände sind aus Stahl gefertigt und mit feuerfesten Materialien ausgekleidet. Die Feuerstelle ist von der Pumpenwand und dem Beschickungsschacht durch eine "heiße Wand" getrennt, die die Verbrennungsgase zum Schornstein leitet. Die heiße Wand verhindert auch, dass der Bereich oberhalb des offenen Pumpenschachts und des Füllschachts durch die heißen Verbrennungsgase überhitzt wird. Große Sauen werden typischerweise durch die Herdtür eingeführt, während kleinere Chargen wie Barren, Schrott, Legierungsmetalle und Flussmittel durch den Chargenschacht eingeführt werden, ohne dass Herdgase und Wärme verloren gehen.

Die Umwälzpumpe befindet sich im Pumpenschacht und treibt geschmolzenes Metall über einen untergetauchten Torbogen in den Füllschacht. Die Pumpe senkt das Schmelzniveau im Pumpenschacht und hebt das Niveau im Füllschacht an. Dieses erhöhte Metallniveau im Beschickungsschacht drückt geschmolzenes Metall durch einen untergetauchten Bogengang in der heißen Wand in den Heizraum. Durch den hydrostatischen Druck zwischen der heißen Wand und dem Pumpenschacht wird das Metall durch einen untergetauchten Bogen in den Pumpenschacht gedrückt, wodurch der Zyklus abgeschlossen wird.

Gleichmäßigkeit der Schmelztemperatur

Metall-Temperatur-Gleichmäßigkeit

Um ein homogen legiertes Metallbad zu gewährleisten, muss das gesamte Aluminiumbad auf einer Mindesttemperatur von etwa 700˚C (1300˚F) gehalten werden. Um diese Temperatur am Boden des Bades (am weitesten von der Wärmequelle entfernt) ohne Zwangsumwälzung zu erreichen, muss der obere Teil des Bades deutlich über 700˚C (1300˚F) erhitzt werden.

• Diese Zeitleiste zeigt die obere und untere Badtemperatur sowohl mit als auch ohne Zwangsumwälzung. Ganz links zeigt das Diagramm typische Badtemperaturen für einen modernen 40.000-l-Hallofen ohne Zwangsumwälzung im Betrieb. Die Umwälzung wird bei 30 Sekunden eingeleitet und die Badtemperatur wird innerhalb von 300 Sekunden nahezu gleichmäßig.

Der offensichtlichste Vorteil der Zwangsumwälzung ist die Energieeinsparung. Während die Energiekosten radikal schwanken, ist die Energieeinsparung immer ein Vorteil für die Schmelzabteilung. Bei geringerem Energieverbrauch wird eine Reihe von Ofen- und Anlagenkomponenten weniger belastet. Am offensichtlichsten ist, dass die Abgastemperaturen um einige hundert Grad gesenkt werden können, was den Verschleiß an den Abgas- und Wäscherkomponenten reduziert. Außerdem halten die feuerfesten Auskleidungen bei niedrigeren Temperaturen länger.

Schlackenbildung

Schlackenbildung

Die Krätzebildung ist eine Funktion der Temperatur und der Verfügbarkeit von reaktiven chemischen Mitteln. Das obige Diagramm zeigt die Krätzebildungsrate als Funktion der Schmelzbadtemperaturen. Es gibt einen Wendepunkt in der Kurve bei ca. 730˚C (1350˚F), über dem die Krätzebildungsrate deutlich ansteigt. Eine Möglichkeit, die Krätzebildung zu reduzieren, besteht darin, die Schmelzetemperaturen so niedrig wie möglich zu halten, ohne den Gesamtwirkungsgrad des Ofens zu beeinträchtigen. Die typische Schmelztemperatur liegt oft zwischen 700˚C und 760˚C (~1350˚F bis 1400˚F), wobei einige Anlagen bei noch höheren Temperaturen arbeiten.

Erzwungene Zirkulation ermöglicht niedrigere Schmelztemperaturen und geringere Krätzebildung.

Auflagenhöhe

Es gibt eine anhaltende Debatte zwischen Ofenbauern und ihren Kunden über die nominale Umwälzrate für einen Hallofen und die Auswirkungen der Umwälzung auf die Energieeffizienz und die Schmelzraten. Die Umwälzrate wird typischerweise als Umsatz pro Stunde beschrieben, und die Nennzahl reicht von 3 bis 15 Umsätzen pro Stunde. In der Vergangenheit wurden Hallöfen für eine Pumpe ausgelegt, die 3 bis 6 Umwälzungen pro Stunde unterstützt. Die Anwender dieser Öfen haben durch Versuch und Irrtum herausgefunden, dass höhere Schmelzraten und eine höhere Gesamteffizienz des Ofens bei höheren Umsätzen wie 6 bis 10 erreicht werden können. Einige Anwender berichten von 30% höheren Schmelzraten bei 9 oder mehr Umdrehungen pro Stunde.

Zusammenfassung des Nutzens für die Zirkulation

Die Zirkulation von geschmolzenem Metall innerhalb eines Ofens hat eine Reihe von Vorteilen, die Folgendes beinhalten:

• Verbesserte Metallqualität - verbessert die Durchmischung und gewährleistet Homogenität

• Weniger Krätzeproduktion - durch Reduzierung der Wärmespitze bei gleichmäßiger Schmelztemperatur

• Geringere Energiekosten - durch Reduzierung der Abgasspitzentemperaturen

• Reduzierter Schmelzverlust - reduziert die Oxidation durch schnelleres Untertauchen der Ladung

• Verbesserte Lebensdauer der Ofenauskleidung - durch Unterstützung des Flussmittels bei der Reinigung von Seitenwänden und Ecken

• Erhöhter Produktionsdurchsatz - reduziert die Zykluszeiten des Ofens

In den meisten realen Anwendungen führt jeder dieser Vorteile zu Einsparungen, die die Kosten für eine Umwälzpumpe mehr als aufwiegen. Zum Beispiel kann eine richtig dimensionierte und betriebene Umwälzpumpe den Gesamtdurchsatz des Ofens um 15 % und in einigen Fällen um 30 % erhöhen, und das für einen kleinen Bruchteil der Kosten eines Ofenerweiterungsprojekts.