AT409269B - Verfahren zum salzlosen und oxidationsfreien umschmelzen von aluminium - Google Patents

Description

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   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum salzlosen oxidationsfreien Umschmelzen von Alumini- um, dessen Legierungen sowie von Aluminiumschrotten, wobei diese Schrotte Verunreinigungen durch brennbare ölige Substanzen, anhaftende brennbare oder nichtbrennbare Materialien und solche mit höherem spezifischen Gewicht haben dürfen. 



   Zum Schmelzen von Aluminium, dessen Legierung und Schrotte werden bisher Drehtrommel- öfen oder Herdöfen verwendet. Dabei wird als Energieträger meist Erdgas oder Heizöl (schwer oder leicht) verwendet. Der dazu notwendige Sauerstoff wird in Form von Luft dem Energieträger zugeführt. Aufgrund der Konstruktion des Brennersystems und des Schmelzofens befindet sich stets genug Sauerstoffüberschuss im Verbrennungsraum, sodass es zu einer raschen Oxidation des flüssigen Aluminiums kommt. In der Fachsprache der Giesser auch als "Abbrand" bekannt. 



   Um diese unerwünschten Oxidationsprozesse, speziell in Drehtrommelöfen, zu verhindern, muss die Badoberfläche des flüssigen Aluminiums mit einem eigens dafür vorgesehenen Abdeck- salz vor Oxidation geschützt werden. Bei den bis jetzt bekannten Verfahren werden zwischen 7 - 12 % des Einsatzgewichtes Abdecksalz dazugemischt. 



   Das Salz schmilzt bei den hohen Temperaturen ( > 1.000  C) auf und bildet eine Schutzschicht auf dem Aluminiumbad. In weiterer Folge reagiert das Salz mit dem Sauerstoff und wandelt sich in eine lockere, teilweise noch exotherme Schlacke um. Diese Schlacke, auch Krätze genannt, wird dann aus dem Ofen entfernt und muss auf einer eigenen Werksdeponie zwischengelagert werden. 



   Dieses Verfahren bringt den Nachteil mit sich, dass beim Ausbringen der Krätze noch Teile des Salzes exotherm reagieren und dadurch für die Umgebung ein Sicherheits- und Umweltrisiko darstellen. Weiters ist bekannt, dass durch das Ausbringen der Krätze ein hoher Anteil an flüssi- gem Aluminium eingeschlossen wird, der ohne grossen Aufwand nicht rückgewonnen werden kann. 



  Der Anteil kann, in Abhängigkeit der Ausbringung, bis zu 80 Gew% der ausgebrachten Krätze ausmachen. 



   Bei Anwendung dieses Verfahrens ist auch bekannt, dass durch die hohen Temperaturen des exotherm reagierenden Salzes der eingeschlossene Aluminiumanteil aufschmilzt und weiter oxi- diert. Dies führt zu zusätzlichen Abbrandverlusten des Aluminiums innerhalb der Krätze und da- durch zu einer weiteren Wertminderung, da der verwertbare Anteil des Aluminiums in der Krätze sinkt. Weiters ist bekannt, dass innerhalb der Entsorgungskette der anfallenden Krätze ein nicht unerheblicher Anteil von ca. 20 - 25 % nicht mehr recyclingfähig ist und daher als Sondermüll zu einer beachtlichen Umweltbelastung führt. 



   Als wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens weist sich aber der Verlust an Aluminium durch die Oxidation während des Schmelzprozesses aus. Es kann zwar die Oxidation des flüssigen Alumini- ums in den Herd- oder Trommelöfen durch die Abdeckung von Salz einigermassen hintangehalten werden, nicht kann aber der Verlust beim Schmelzvorgang selbst verhindert werden, da in diesem Fall der Sauerstoff mit dem aufschmelzenden Aluminium zur Oxidation führt. 



   Die Verluste bewegen sich, in Abhängigkeit des Einsatzmaterials, zwischen 1 - 12 Gew%, wo- bei reines Blockmaterial den niedrigsten Wert aufweist, hingegen einzuschmelzende Bleche oder Schrotte mit grossen Oberflächen die grössten Verluste ergeben. 



   Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren vorzuschlagen, durch wel- ches obige Nachteile vermieden werden. 



   Gelöst wird diese Aufgabe nach den Merkmalen des Anspruches 1. Der wesentliche Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht jedoch in zwei Effekten, einerseits wird so die Oxidation des aufschmelzenden als auch flüssigen Aluminiums verhindert, andererseits braucht dadurch kein Salz eingesetzt zu werden. 



   Dies wird dadurch erreicht, dass in der Brennkammer und somit im Ofenraum kein überschüs- siger Sauerstoff vorhanden ist, durch welchen das Aluminium oxidiert werden kann und so zu den hohen Abbrandverlusten führt. Weiters werden.die Aluminiumsverluste durch in der Krätze verblei- bende Aluminiumreste weitgehendst vermieden. 



   Eine weitere Alternative des aufgezeigten Verfahrens besteht gemäss Anspruch 2 darin, dass der Energieträger mit reinem Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund des Fehlens des inerten Stickstoffanteils Energieverluste, welche zur Erwärmung des Stickstoffes führen, vermieden werden. 



   In einer weiteren Ausbildungsvariante gemäss Anspruch 3 erweist es sich als vorteilhaft, dass durch das Steuerungssystems ein Überdruck in der Brennkammer erzeugt wird, sodass ein 

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 Einströmen von Luft in die Kammer vermieden und dadurch eine mögliche zusätzliche Oxidations- gefahr des Aluminiums ausgeschlossen wird. 



   Weiters besteht die Erfindung gemäss den Merkmalen des Anspruches 4 in einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wobei die Brennkammer als eine an sich bekannte Drehtrommel ausgeführt wird. Die Trommelgrösse steht in Abhängigkeit von Schmelzleistung und stöchiometri- schen Gleichgewicht zwischen Energieträger und Sauerstoff. Dabei ist die Anordnung von Bren- nerdüse und Einströmventil für Luft- bzw. reinem Sauerstoff massgeblich, welche in einem genau definierten Abstand von der Brennerdüse über ein halbkreisförmiges Ringventil die Zufuhr des Ver- brennungssauerstoffes in Form von Luft und/oder reinem Sauerstoff ermöglicht. 



   Die Brennkammer, als Drehtrommel ausgeführt, rotiert um eine zentrische Achse und ist in ei- nem bestimmten Winkel nach hinten in Richtung Brenner geneigt. Die Brennkammer ist so ausge- führt, dass auf der "hinteren Seite" sich das Brennersystem mit dem Luft- bzw. Sauerstoffventil und auf der "vorderen Seite" sich ein Verschlussdeckel befindet. Über diese Öffnung erfolgt auch die Chargierung des Einsatzmaterials. 



   Weitere Ausbildungsvarianten der Erfindung bestehen gemäss Anspruch 5 und 6 darin, dass die Anordnung eines Schutzschildes, welches auf dem Verschlussdeckel so montiert ist, dass einerseits die dahinterliegenden Messeinrichtungen vor der Brennerflamme geschützt sind, und andererseits eine Nachverbrennung durch die zurückschleudernden brennbaren Teilchen der beim Schmelzprozess entstehenden Abgase erfolgen kann. Dadurch wird bewirkt, dass die nachver- brannten Abgase emissionsarm sind und sich gleichzeitig ein Energiegewinn für den Verbren- nungsprozess ergibt. Durch die Stellung des Schutzschildes im konischen Bereich der Einfüllöff- nung ergibt sich ein Ringspalt in der Grösse, welcher beim vorgegebenen Betriebsdruck die anfal- lende Abgasmenge durchströmen lässt. 



   Gemäss einer Ausbildungsvariante nach Anspruch 7 ist vorgesehen, dass in der Brennkammer eine Temperaturmesssonde angeordnet ist, durch welche die Kammertemperatur gesteuert wer- den kann. 



   Gemäss einer Ausbildungsvariante nach Anspruch 8 ist am Verschlussdeckel eine Druckmess- sonde montiert, welche den in der Brennkammer vorhandenen Druck erfasst und deren Messwert einen Stellmotor in seiner Öffnungsbewegung für den Verschlussdeckel steuert. 



   Gemäss einer Ausbildungsvariante nach Anspruch 9 wird der Sauerstoffgehalt in der Brenn- kammer über eine Sonde laufend gemessen. Dadurch erfolgt über das elektronische Steuerungs- system eine genaue Dosierung des Verbrennungssauerstoffes und somit kann ein Gleichgewicht von Energieträger und Sauerstoff dermassen eingehalten werden, dass in der Brennkammer kein Sauerstoffüberschuss vorhanden ist. 



   Gemäss einer Ausbildungsvariante nach Anspruch 10 ist die Steuerung so ausgelegt, dass so- wohl das Sauerstoffgleichgewicht, als auch die Schmelzleistung überwacht wird. Ersteres wird über die vorher beschriebene Sonde durchgeführt, letztere über Einströmmenge des Energieträgers und der Ofentemperatur ermittelt. Dabei werden die Inputwerte über Sonden erfasst. Über einen Mikro- prozessor mit einem entsprechenden Steuerungsprogramm werden die Steuerungsdaten ermittelt und daraus Einströmmenge und-geschwindigkeit des Energieträgers und des Sauerstoffes festge- legt. 



   Gemäss einer Ausbildungsvariante nach Anspruch 11ist in der Zuleitung für den Energieträger eine Sonde und in der Zuleitung für den Sauerstoff eine Sonde zur Überwachung der Einström- mengen und-geschwindigkeiten des Energieträgers und des Sauerstoffes vorgesehen. Dadurch können die Betriebszustände überwacht und gegebenenfalls optimal gesteuert werden. 



   Gemäss Anspruch 12 ist es weiters vorteilhaft, dass der Verschlussdeckel in seiner Öffnungs- stellung verstellt werden kann. Damit in der Brennkammer stets ein Überdruck vorhanden ist, ist die Brennkammer bei Anlaufen des Systems luftdicht abgeschlossen und erst bei Erreichen eines entsprechenden Überdruckes in der Kammer wird der Verschlussdeckel von der Öffnung durch den Stellmotor abgehoben. Damit können die den Überdruck verursachenden Verbrennungsgase durch den entstehenden ringförmigen Spalt entweichen. Der Verschlussdeckel wird über eine Drucksonde und einen Stellmotor in seiner Öffnungsbewegung gesteuert. Das heisst, dass bei stei- gender Verbrennungsgeschwindigkeit sich der Überdruck im Ofen erhöht und zum Druckausgleich der Deckel mit Hilfe des Stellmotors weggefahren wird. 



   Gemäss einer Ausbildungsvariante nach Anspruch 13 sind am Verschlussdeckel Ventilklappen 

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 angeordnet, welche sich bei Erreichen eines festgelegten Überdruckes in der Brennkammer öff- nen. Damit wird sichergestellt, dass keine atmosphärischen Gasteile in den Ofen gelangen können. 



   Eine weitere Variante gemäss Anspruch 14 besteht darin, dass der Verschlussdeckel mit der Drehtrommel durch einen Versatz fest und dicht verbunden ist und so entsprechend der Rotations- bewegung der Drehtrommel mitbewegt wird. 



   Das Ausbringen des erschmolzenen Aluminiums erfolgt über ein Abstichventil an der "hinteren Seite" des Ofens. Verbleibende Krätze und andere nicht verbrannte Materialien, wie Eisen- und Stahlteile werden durch Kippen des Ofens an der "Vorderseite" ausgebracht. 



   Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Chargierung des Einsatzmaterials während des Verbrennungsprozesses durchgeführt werden kann. Dies erfolgt dadurch, dass der Verschlussdeckel von der Ofenöffnung weggeschwenkt wird. In diesem Moment wird die Brenner- leistung über die Steuerung auf ein Niveau reduziert, das gerade noch ein übermässiges Einströ- men von Luftsauerstoff verhindert. Nach Schliessen des Deckels wird infolge der Sauerstoffmes- sung zuerst die Zufuhr des Sauerstoffs gedrosselt bis wieder Gleichgewicht zwischen Energieträ- ger und Sauerstoff in der Brennkammer herrscht. 



   In der Zeichnung ist die Erfindung schematisch veranschaulicht. Dabei zeigen die Figur 1 einen Drehtrommelofen in Längsschnitt, die Figur 2 zeigt einen Aufriss von der Seite des Verschluss- deckels, die Figuren 3 und 4 zeigen die erfindungsgemässe Variante mit Abgasventilen 27, die sich bei Erreichung eines bestimmten Überdruckes öffnen. 



   Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist eine aus Stahl gefertigte Drehtrommel 1 auf, die um eine Achse 2 zentriert läuft und über den Winkel 3 nach hinten geneigt ist. Die gesamte Drehtrom- mel 1 ist innerhalb der Brennkammer 4 mit feuerfesten Steinen zugestellt. Die Zuführung von Verbrennungssauerstoff erfolgt über das Zufuhrventil 5, die Zuführung des Energieträgers (Erdgas oder Heizöl) erfolgt über das Zufuhrventil 6 zur Brennerdüse 32. 



   Der Verschlussdeckel 7 ist über ein Gestänge 8 derart mit dem Ofengestell 9 verbunden, dass der Verschlussdeckel 7 unabhängig von der Ofenrotation die Einfüllöffnung 10 verschliesst und einen festgelegten Spalt 11für den Austritt der Abgase freilässt. Diese Abgase werden über die Ab- gashaube 12 zur Filteranlage abgeführt. Zur Messung der Sauerstoffkonzentration ist im Ver- schlussdeckel 7 eine Sonde 13 eingelassen. Weiters ist im Verschlussdeckel 7 eine Druckmess- sonde 14 zur Messung des Überdruckes in der Brennkammer 4 sowie eine Temperaturmesssonde 33 eingebaut. Darüber hinaus wird Einströmmenge und-geschwindigkeit des Energieträgers über die Sonden 15 und Einströmmenge u.-geschwindigkeit der Luft bzw. des Sauerstoffes über die Sonde 16 gemessen. 



   Der Verschlussdeckel 7 wird über das Gestänge 8 mit Hilfe eines Stellmotors 17 horizontal in seiner Lage verstellt, so dass der für die Regulierung des Überdruckes festgelegte Spalt eingestellt werden kann. Ausserdem weist der Verschlussdeckel 7 ein in die Brennkammer 4 ragendes Schutz- schild 18 auf. 



   Am Ende des Umschmelzvorganges wird die Drehtrommel 1 über das Abstichventil 19 so ent- leert, dass das gesamte flüssige Aluminium aus dem Ofen ausgebracht und in eine Transportpfan- ne geleert werden kann. 



   Nach dem Abstichvorgang des Ofens wird die Drehtrommel 1 über die beiden Lagerböcke 20 und 21 mit Hilfe der Hydraulikzylinder 22 und 23 so gekippt, dass die im Ofen verbleibenden Ver- unreinigungen und Schlackenreste über die Einfüllöffnung 10 entleert werden können. In weiterer Folge kann dann über die Einfüllöffnung 10 das umzuschmelzende Gut neu chargiert werden. 



   Um ein Mitdrehen des Brennerkörpers 24 mit der Ofenrotation zu verhindern, ist dieser über ein Lager 25 drehbar ausgerüstet. Gleichzeitig ist dieses Lager luftdicht ausgebildet. 



   Eine weitere Variante des Verschlussdeckels 7 ist in der Figur 3 und 4 dargestellt. Dabei wird der Verschlussdeckel 7 mit der rotierenden Drehtrommel 1 über einen Versatz 26 während der Drehbewegung derart fest verschlossen, dass kein Spalt zwischen Drehtrommel 1 und Verschluss- deckel 7 vorhanden ist. Dadurch ist die Brennkammer 4 luftdicht verschlossen. Der Verschlussde- ckel 7 weist 4 Abgasventile 27 auf, die sich entsprechend dem Überdruck in der Brennkammer 4 öffnen und so die Abgase in die Abgashaube 12 leiten. Durch ein Hochtemperaturlager 28 ist der Verschlussdeckel 7 nicht mit dem Ofengestell 9 verbunden und kann daher mit der Drehbewegung der Drehtrommel 1 mitbewegt werden. 



   Eine weite Variante der Anwendung des Verschlussdeckels 7 zeigt die Figur 5. Dabei wird die 

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 Brennkammer 29 eines Schachtofens 30 luftdicht verschlossen. Der Verschlussdeckel 7 wird dabei über ein Lager 31 geschwenkt, so dass der Schacht 38 von oben befüllt bzw. gereinigt werden kann. 



   PATENTANSPRÜCHE: 
1. Verfahren zum salzlosen und oxidationsfreien Umschmelzen von Aluminium, dessen Le- gierungen sowie Aluminiumschrotten mit allfälligen Verunreinigungen, wie brennbare ölige 
Substanzen, anhaftende brennbare oder nichtbrennbare Materialien und solche mit höhe- rem spezifischen Gewicht in einer Drehtrommel mit einer Brennkammer und Zufuhrventilen für Energieträger und Sauerstoff und mit einer Brennerdüse, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise Erdgas oder Heizöl als Energieträger vorgesehen sind, und der Sauerstoff gemeinsam mit Luft über das Zufuhrventil dem Brenner zugeführt wird, wobei mit Hilfe einer elektronischen Steuerung eine derartige Menge an Luft und Sauer- stoff dosiert wird,

   dass die gesamt zugeführte Sauerstoffmenge im Wesentlichen dem stö- chiometrischen Verhältnis zur vollständigen Verbrennung des durch die Brennerdüse zu- geführten Energieträgers entspricht.

Claims (1)

1. 2. Verfahren zum salzlosen und oxidationsfreien Umschmelzen von Aluminium, dessen Le- gierungen sowie Aluminiumschrotten, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieträger mit reinem Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird.

   3. Verfahren zum salzlosen und oxidationsfreien Umschmelzen von Aluminium, dessen Le- gierungen sowie Aluminiumschrotten, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer durch den einströmenden Sauerstoff und dem Energieträger über die Zufuhrventile und der Brennerdüse in Zusammenhang mit dem Verbrennungspro- zess ein Überdruck erzeugt wird, welcher mit Hilfe der elektronischen Steuerung geregelt wird.

   4. Vorrichtung zum salzlosen und oxidationsfreien Umschmelzen von Aluminium, dessen Le- gierungen sowie Aluminiumschrotten in einer Drehtrommel (1) mit einer Einfüllöffnung (10), wobei der innere Bereich der Einfüllöffnung (10) konisch ausgebildet ist, mit einer Brenn- kammer (4), mit einem Verschlussdeckel (7) und einer Zufuhrleitung (37) mit einem Zu- fuhrventil (5) für Luft- oder reinen Sauerstoff und einer Zufuhrleitung (36) mit einem Zu- fuhrventil (6) für den Energieträger und einer Brennerdüse (32), zur Durchführung des Ver- fahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauerstoffein- leitdüse (35) vorgesehen ist welche kreisförmig oder teilkreisförmig ausgebildet ist und im Bereich der Brennerdüse (32) angeordnet ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussdeckel (7) zur Abschirmung der heissen Verbrennungsgase einen kreisrunden Schutzschild (18) aufweist 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sauerstoffsonde (13) am Verschlussdeckel (7) angeordnet ist.

   7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer (4) am Verschlussdeckel (7) eine Temperaturmesssonde (33) zur Überwa- chung der Ofentemperatur angeordnet ist.

   8 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Ver- schlussdeckel (7) eine Drucksonde (14) angeordnet ist, welche den in der Brennkammer (4) vorhandenen Druck erfasst und deren Messwert einen Stellmotor (17) in seiner Öff- nungsbewegung für den Verschlussdeckel (7) steuert.

   9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauer- stoffmesssonde (13), die Temperaturmesssonde (33) und die Druckmesssonde (14) zwi- schen dem Verschlussdeckel (7) und dem Schutzschild (18) angeordnet ist.

   10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutz- schild (18) kreisrund ausgebildet ist und mit dem konischen Teil der Einfüllöffnung (10) ei- nen Ringspalt (34) bildet, wobei die Grösse des Ringspaltes (34) durch die Stellung des Schutzschildes (18) im konischen Teil der Einfüllöffnung (10) vorgegeben ist.

   11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der <Desc/Clms Page number 5> Zufuhrleitung (36) für den Energieträger eine Sonde (15) und in der Zufuhrleitung (37) für den Sauerstoff eine Sonde (16) zur Überwachung der Einströmmengen und-geschwindig- keiten des Energieträgers und des Sauerstoffes sowie der Schmelzleistung vorgesehen ist.

   12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ver- schlussdeckels (7) mit dem Stellmotor (17) über ein Gestänge (8) zur Bewegung des Ver- schlussdeckels (7) verbunden ist, sodass zur Regelung des Überdruckes in der Brenn- kammer (4) ein ringförmiger Spalt (11) zwischen der Drehtrommel (1) und dem Ver- schlussdeckel (7) gebildet werden kann, damit die Abgase in eine Abgashaube (12) ent- weichen können.

   13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Ver- schlussdeckel (7) Ventilklappen (27) angeordnet sind, welche sich bei Erreichen eines festgelegten Überdruckes in der Brennkammer (4) öffnen.

   14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussdeckel (7) mit der Drehtrommel (1) durch einen Versatz (26) fest und dicht verbunden ist und so entsprechend der Rotationsbewegung der Drehtrommel (1) mitbe- wegt wird.

   HIEZU 4 BLATT ZEICHNUNGEN