[0001] Die Erfindung betrifft ein Giessverfahren für Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen
gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Giessanlage zum Durchführen des
Verfahrens.
[0002] Es sind Giessverfahren sowie Giessanlagen für Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen
bekannt, bei denen festes oder flüssiges Aluminium in einem Schmelzofen geschmolzen
und anschliessend in einem Wärmehalteofen gehalten wird, aus welchem die Schmelze
über eine lange Rinne zu einer Giesstation fliesst und dabei unterschiedlicher Behandlung
ausgesetzt wird. So werden der die Rinne durchfliessenden Schmelze Legierungszusätze
zugegeben und ein inertes Reinigungsgas (Argon) eingeblasen, bevor die Schmelze über
einen Filter zu der Giesstation gelangt, in der sie zu Halbprodukten vergossen wird
(vgl. Fig. 1, in der eine herkömmliche Giessanlage für Aluminium schematisch dargestellt
ist). Eine Homogenisierung der Schmelze ist nur begrenzt möglich. Die Behandlungszeiten
sind an den Giessprozess gebunden und somit vorbestimmt und zeitlich begrenzt.
[0003] Die einzelnen Behandlungsstationen müssen perfekt aufeinander abgestimmt sein. Funktioniert
eine der Stufen dieser In-line-Anlage nicht, so muss die ganze Giessanlage ausser
Betrieb gesetzt werden. Die lange Rinne, die die Schmelze durchfliesst, bedeutet einen
Temperaturverlust, so dass das Material in dem Wärmehalteofen überhitzt werden muss,
damit an der Giessstation eine genügende Temperatur beim Anfahren erreicht werden
kann. Extensive Giesszeiten bedeuten, dass der Schmelz- und Wärmehalteofen für die
ganze Giesszeit zur Verfügung stehen muss, bevor nächste Schmelzrate zum Einsatz kommt.
Der Energieverbrauch der Ofen ist entsprechend gross. Es werden in der Regel Flammenofen
(
reverberatory furnaces) mit Kohlenwasserstoff als Brennstoff verwendet, wodurch der Nachteil einer rapiden
Absorption von Wasserstoff aus der Brennerflamme entsteht. Zudem entstehen Treibhausgase
und andere die Atmosphäre belastende Verunreinigungen. Die lange, offene Rinne für
den Durchfluss der Schmelze bedeutet aber auch, dass das Metall den Wasserstoff von
der Atmosphäre aufnimmt und die Bildung von Schlacke verursacht.
[0004] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftlicheres und
flexibleres Giessverfahren für Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen vorzuschlagen sowie
eine Giessanlage zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen, die einen optimalen Zeitablauf
für das Behandeln und das Vergiessen der Aluminiumschmelze ermöglichen und mit denen
eine verbesserte Qualität der zu erzeugenden Halbprodukte erreicht werden kann.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Giessverfahren mit den Merkmalen des
Anspruches 1 sowie durch eine Giessanlage mit den Merkmalen des Anspruches 13 gelöst.
[0006] Bevorzugte Weitergestaltungen des erfindungsgemässen Giessverfahrens sowie der erfindungsgemässen
Giessanlage bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0007] Durch die erfindungsgemässe Verwendung von Pfannen für das Behandeln und Zuführen
von Aluschmelze in steuerbaren Sequenzen zu vorzugsweise mehreren Giessstationen wird
diese Verfahrensphase von dem eigentlichen Giessvorgang zeitlich abgekoppelt. Die
einzelnen Behandlungen sind nicht mehr fix festgelegt und zeitlich begrenzt, sondern
sie können nach Bedarf angepasst werden, bis die gewünschte Qualität der zu vergiessenden
Schmelze in der jeweiligen Pfanne erreicht wird.
[0008] Das erfindungsgemässe Verfahren ist wesentlich effizienter als das In-line-Verfahren,
da die Notwendigkeit von grossen Wärmehalteofen entfällt. Wenn überhaupt, werden die
Ofen zum Schmelzen und Aufheizen gebraucht, jedoch nicht zum Wärmehalten über längere
Zeitabschnitte. Diese können als energetisch effiziente und ökologisch vorteilhafte
Induktionsofen ausgebildet sein.
[0009] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- schematisch ein Ausführungsbeispiel einer dem Stand der Technik entsprechenden Giessanlage
für Aluminium; und
- Fig. 2
- schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Giessanlage für Aluminium.
[0010] Fig.1 zeigt eine dem Stand der Technik entsprechende Giessanlage 1 für Aluminium
bzw. Aluminiumlegierungen. Als Ausgangsmaterial wird flüssiges oder festes Aluminium
in eine erste Stufe bzw. Station 2 eingebracht, die einen Schmelzofen 3 sowie einen
an diesen angeschlossenen Wärmehalteofen 4 umfasst. Beispielsweise kann das Aluminium
aus einem Füllraum mittels einer Transportpfanne 5 oder als eine Schrottladung geliefert
werden. Bei den Ofen 3, 4 handelt es sich in der Regel um grosse Flammenofen mit Kohlenwasserstoff
als Brennstoff. Die im Schmelzofen 3 erzeugte Schmelze wird im Wärmehalteofen 4 auf
die notwendige Temperatur erhitzt und teilweise durch Rühren homogenisiert.
[0011] Nachdem die Aluminiumschmelze die erforderliche Temperatur erreicht hat, wird sie
aus dem Wärmehalteofen 4 über eine lange Rinne 6 (Kanal) zu einer Giessstation 7 geleitet,
wobei sie verschiedene Behandlungsstationen 11, 12 durchfliesst, die zusammen mit
einem der Giessstation 7 vorgeschalteten Filter 13 eine zweite Stufe 10 der Giessanlage
1 allgemein bekannt als Rinnenbehandlung bilden. In der Behandlungsstation 11 werden
der Aluschmelze diverse Legierungszusätze zugefügt. In der Behandlungsstation 12 findet
eine Gasreinigung statt.
[0012] Die Giessstation 7, in der die Aluminiumschmelze zu Halbprodukten vergossen wird,
kann in einer an sich bekannten und daher nicht näher beschriebenen Weise kontinuierlich
oder halbkontinuierlich betrieben werden.
[0013] Die Behandlungszeiten in der Rinnen-Stufe 10 sind an den in der Giessstation 7 durchzuführenden
Giessprozess gebunden und somit vorbestimmt und begrenzt. Die einzelnen Behandlungsstationen
11, 12, 13 müssen in ihrer Funktion zeitlich perfekt aufeinander abgestimmt sein.
Funktioniert eine der Stufen dieser In-line-Anlage nicht, so muss die ganze Giessanlage
1 ausser Betrieb gesetzt werden. Der lange Kanal bzw. Rinne 6, durch die die Schmelze
fliesst, bedeutet einen Temperaturverlust, so dass das Material in dem Wärmehalteofen
4 überhitzt werden muss (z.B. auf 730°C), damit an der Giessstation 7 eine genügende
Temperatur beim Anfahren (z.B. 700°C) erreicht werden kann. Extensive Giesszeiten
bedeuten, dass der Schmelz- und Wärmehalteofen 4 für die ganze Giesszeit zur Verfügung
stehen muss, bevor nächste Schmelzrate zum Einsatz kommt. Der Energieverbrauch der
Ofen 3, 4 ist entsprechend gross.
[0014] Bei den Flammenofen mit Kohlenwasserstoff als Brennstoff entsteht der Nachteil einer
rapiden Absorption von Wasserstoff aus der Brennerflamme. Zudem entstehen Treibhausgase
und andere die Atmosphäre belastende Verunreinigungen. Die lange, offene Rinne 6 (Kanal)
für den Durchfluss der Aluschmelze bedeutet aber auch, dass das Metall den Wasserstoff
von der Atmosphäre aufnimmt und die Bildung von Schlacke verursacht.
[0015] In Fig. 2 ist eine erfindungsgemässe Giessanlage 1 für Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen
schematisch dargestellt. Die erste Stufe des erfindungsgemässen Giessverfahrens erfolgt
in einer Füllstation 21, in welcher heisse Aluschmelze in eine Anzahl von Pfannen
25 gefüllt wird. Die Pfannen können beispielsweise ein Fassungsvermögen von 15 t aufweisen.
Es kann entweder flüssiges, heisses (Temperatur ca. 900°C) Aluminium aus einem Füllraum
mittels Transportpfannen direkt in die Pfannen 25 eingefüllt werden, oder es ist mindestens
ein, vorzugsweise mehrere Ofen 22, 23, 24 der Füllstation 21 zugeordnet und für die
Lieferung der Aluschmelze zuständig, wobei neben flüssigem Aluminium auch Aluminiumschrott
oder zum Umschmelzen vorgesehene Blöcke als Ausgangsmaterial dienen können. Die Schmelze
kann z.B. in halbstündigen Intervallen jeweils in eine der Pfannen 25 eingefüllt werden.
Mit Vorteil kann aus den einzelnen Öfen Aluschmelze unterschiedlicher Qualität (mit
unterschiedlichem Aluminium-Reinheitsgrad) in die Pfannen 25 eingefüllt werden, wobei
das Füllen der Pfannen 25 mit Aluschmelze allenfalls auch mit gemischtem Material
aus verschiedenen Ofen 22, 23, 24 computergesteuert verlaufen kann.
[0016] Als Ofen 22, 23, 24 können vorzugsweise elektrische Induktionsofen eingesetzt werden,
die energetisch wesentlich effizienter sind als Flammenofen. Es kann sich dabei beispielsweise
um Induktionsofen mit einem Fassungsvermögen von 20 t handeln, aus denen jeweils die
15 t Aluminiumschmelze in eine der Pfannen 25 gefüllt und die restlichen 5t beim Schmelzen
einer weiteren Ladung behilflich sind.
[0017] Die erfindungsgemässe Giessanlage 1 verfügt über eine Reinigungs- und Vorbereitungsstation
30, aus welcher gereinigte und vorerhitzte Pfannen 25a zum Einfüllen zu der Füllstation
21 transportiert werden (sich auf einer Transportstrecke befindenden Pfannen 25 sind
in Fig. 2 generell mit dem Buchstaben T bezeichnet). Durch die Vorheizung der Pfannen
25a auf beispielsweise 900°C kann die aus den mit einer Temperatur von ca. 800°C betriebenen
Ofen 22, 23, 24 eingefüllte Aluschmelze länger in den Pfannen 25 verbleiben, bis sie
auf die typische Giesstemperatur von 700°C absinkt, als es ohne Vorheizung der Fall
wäre.
[0018] Nach dem Einfüllen der jeweilige Pfanne 25 wird von der Schmelzbadoberfläche die
Schlacke abgeschöpft, indem die Pfanne 25 in eine Schrägstellung gebracht wird.
[0019] Die in der Füllstation 21 gefüllten Pfannen 25 werden zu einer Behandlungsstation
32 transportiert, in welcher die zweite Stufe des Giessverfahrens verläuft. Dabei
werden zuerst Legierungszusätze in die Aluschmelze eingebracht (vgl. die mit 25b bezeichnete
Pfannen in Fig. 2). (Allerdings kann auch zumindest ein Teil der Legierungszusätze
bereits in die gereinigten Pfannen 25a vor dem Einfüllen der Schmelze eingebracht
werden.) Danach wird die Aluschmelze homogenisiert und gereinigt (vgl. Pfannen 25c).
Zu diesem Zweck werden die Pfannen unterhalb eines in die jeweilige Pfanne 25c eintauchbaren
Gebläserades zum Einblasen von einem Inertgas, z.B. Argon oder Stickstoff, platziert
, wobei eine kombinierte Wasserstoffentfernung, Homogenisierung und/oder Wärmeregulierung
der Aluschmelze erfolgen kann. Mit dem Einblasen von Argon wird die Absorption von
Wasserstoff von der in der Atmosphäre vorhandenen Feuchtigkeit eliminiert und die
Schlackenbildung reduziert. Zur Beseitigung von alkalischen Spurverunreinigungen können
zusätzlich kleine Mengen von Chlorin dem Reinigungsgas beigemischt werden.
[0020] Nach der Behandlung der Aluminiumschmelze können die Pfannen 25 in dafür vorgesehenen
Lagerstationen (in Fig. 2 sind generell solche Lagerstationen mit dem Buchstaben S
bezeichnet) gehalten werden, bis eine Giessstation 33 bzw. 34 verfügbar ist. Die Giessanlage
20 verfügt vorzugsweise über mehrere solche Giessstationen (in Fig. 2 zwei dargestellt),
zu welchen die Pfannen 25 von der Behandlungs- oder Lagerstation transportiert werden
können, und in welchen die Schmelze zu Halbprodukten vergossen wird.
[0021] Zum Aufrechterhalten der Aluschmelze-Temperatur können mit Vorteil die Pfannen 25
mit einem Deckel abgedeckt werden.
[0022] Während des Verweilens in der Lagerstation S kann die Temperatur in der Pfanne 25
durch Einblasen von Argon durch einen porösen Stöpsel im Pfannenboden hindurch herabgesetzt
oder mittels eines in den Pfannendeckel eingebauten, kleinen Brenners aufrechterhalten
oder erhöht werden.
[0023] Die Entleerung der Pfannen 25d an der jeweiligen Giessstation 33, 34 erfolgt durch
den Pfannenboden unter steuerbarer Öffnung eines Schiebeverschlusses, wobei die ausfliessende
Aluschmelze in einen Sammelkanal vorzugsweise unter Ummantelung durch ein Inertgas
geleitet wird. Auch während dieser Phase kann durch den porösen Stöpsel im Pfannenboden
Argon eingeblasen werden, wodurch die Schmelze gerührt und gereinigt wird. Durch Abdecken
der Pfanne 25d kann in ihrem oberen Bereich inerte Atmosphäre geschaffen werden, die
die Oxidation und Absorption von Wasserstoff herabsetzt.
[0024] Die Giessstationen 33, 34 sind jeweils in einer an sich bekannten Weise mit einem
Filtersystem ausgerüstet und werden kontinuierlich oder halbkontinuierlich betrieben.
[0025] Nach dem Entleeren der Pfannen 25d werden diese zu der bereits erwähnten Reinigungs-
und Vorbereitungsstation 30 transportiert und in dieser gereinigt (vgl. Pfanne 25e)
und für die Wiederverwendung vorbereitet, insbesondere vorerhitzt (vgl. Pfanne 25a).
Die entleerten Pfannen können auch bis zum Wiedergebrauch in dafür vorgesehenen Lagerstationen
S aufbewahrt werden.
[0026] Für den Transport der Pfannen 25 von einer Station zu der nächsten oder zu den Lagerstationen
S sind mehrfache Wege vorgesehen, wobei die Pfannen 25 auf Schienen oder mittels obliegender
Kräne transportiert werden können.
[0027] Die erfindungsgemässe Giessanlage ist mit einem Steuersystem ausgestattet, mit dem
die aus einzelnen Ofen 22, 23, 24 in die einzelnen Pfannen 25 einzufüllenden Chargen,
die Legierungszusätze, Heizung, Kühlung, Gaszufuhr und Behandlungszeiten gesteuert
werden, damit die Aluschmelze in gewünschter Qualität, mit gewünschter Temperatur
und voll homogenisiert zu den Giessstationen 33, 34 gelangt.
[0028] Durch die erfindungsgemässe Verwendung von Pfannen 25 für das Behandeln und Zuführen
von Aluschmelze in steuerbaren Sequenzen zu vorzugsweise mehreren Giessstationen 33,
34 wird diese Verfahrensphase von dem eigentlichen Giessvorgang zeitlich abgekoppelt.
Die einzelnen Behandlungen sind nicht mehr fix festgelegt und zeitlich begrenzt, sondern
sie können nach Bedarf angepasst werden, bis die gewünschte Qualität der zu vergiessenden
Aluschmelze in der jeweiligen Pfanne erreicht wird. Wird z.B. ein niedriger Wasserstoffgehalt
verlangt, kann die Gasreinigungszeit (
degassing) verlängert werden. Diese Möglichkeit bestand bei dem traditionellen In-line-Verfahren
nach Fig. 1 nicht. Die Produktionsleistung der Giessanlage hängt vom eigentlichen
Giessprozess an den Giesstationen alleine ab, der fortgesetzt werden kann, bis die
Zuführung der behandelten Aluschmelze zu den Giessstationen in gewollter Weise unterbrochen
wird.
[0029] Das erfindungsgemässe Verfahren ist wesentlich effizienter als das In-line-Verfahren,
da die Notwendigkeit von grossen Wärmehalteofen entfällt. Wenn überhaupt, werden die
Ofen zum Schmelzen und Aufheizen gebraucht, jedoch nicht zum Wärmehalten über längere
Zeitabschnitte. Diese können als energetisch effiziente und ökologisch vorteilhafte
Induktionsofen ausgebildet sein. Durch Vorheizen der Pfannen kann die in den Öfen
erreichbare Temperatur der Schmelze eine tieferen Wert betragen.
1. Giessverfahren für Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen, bei dem ein Behandeln und
Zuführen von Aluminiumschmelze zu mindestens einer Giessstation (33, 34) erfolgt,
in welcher die Schmelze zu Halbprodukten oder dergleichen vergossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass für das Behandeln und Zuführen der Aluminiumschmelze zu der jeweiligen Giessstation
(33, 34) eine Anzahl von Pfannen (25) verwendet wird, in welche die Schmelze eingefüllt,
zu mindestens einer weiteren Stufe (32) transportiert und dort behandelt wird, und
anschliessend zu der Giessstation (33, 34) geliefert wird, in welcher die Pfannen
(25) entleert werden.
2. Giessverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer weiteren Stufe (30) die entleerten Pfannen (25) gereinigt und für die Wiederverwendung
vorbereitet, insbesondere vorerhitzt werden.
3. Giessverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Stufe (21) die Schmelze aus einem oder wahlweise aus mehreren Öfen
(22, 23, 24) in die Pfannen (25) eingefüllt wird, wobei beim Vorhandensein von mehreren
Öfen (22, 23, 24) Aluminiumschmelze unterschiedlicher Qualität aus den einzelnen Öfen
(22, 23, 24) in die Pfannen (25) eingefüllt werden kann.
4. Giessverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Stufe (21) Induktionsofen verwendet werden.
5. Giessverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einfüllen der jeweiligen Pfanne (25) die Schlacke von der Schmelzbadoberfläche
abgeschöpft wird, wozu die Pfanne in eine Schrägstellung gebracht wird.
6. Giessverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe (32) die Zugabe von Legierungszusätzen in die Schmelze, deren
Reinigung und Homogenisierung sowie allenfalls jeweils eine Temperaturregulierung
durchgeführt wird.
7. Giessverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Behandlungsstufe (32) die Pfannen (25) unterhalb eines in die jeweilige
Pfanne (25) eintauchbaren Gebläserades zum Einblasen von Argon oder Stickstoff platzierbar
sind zur kombinierten Wasserstoffentfernung, Homogenisierung und allenfalls Wärmeregulierung,
wobei zur Beseitigung von alkalischen Spurverunreinigungen zusätzlich kleine Mengen
von Chlorin dem Reinigungsgas beigemischt werden können.
8. Giessverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Legierungszusätze bereits in die entleerten und gereinigten
Pfannen (25) vor dem Einfüllen der Aluminiumschmelze eingebracht wird.
9. Giessverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfannen (25) auf Schienen oder mittels obliegender Kräne die einzelnen Stationen
bzw. Stufen durchlaufen, wobei mehrfache Wege zu vorzugsweise mehreren Giessstationen
(33, 34) und zu zusätzlichen Lagerstationen (S) zum Abstellen von mit Aluminiumschmelze
gefüllten und/oder leeren Pfannen (25) bis zum Gebrauch führen.
10. Giessverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Entleerung der Pfannen (25) an der jeweiligen Giessstation (33, 34) durch den
Boden der Pfannen unter steuerbarer Öffnung eines Schiebeverschlusses erfolgt, wobei
die ausfliessende Aluminiumschmelze in einen Sammelkanal vorzugsweise unter Ummantelung
durch ein Inertgas geleitet wird.
11. Giessverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllen der Pfannen (25) mit Aluminiumschmelze allenfalls mit gemischtem Material
aus verschiedenen Ofen (22, 23, 24), die Zugabe der Legierungszusätze, die Homogenisierung,
die Wärmeregulierung und der zeitliche Ablauf der Behandlung und Zuführung der Schmelze
zu der gewählten Giessstation (33, 34) computergesteuert verläuft.
12. Giessverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Giessstation (33, 34) kontinuierlich oder halbkontinuierlich betrieben
wird und mit einem Filtersystem ausgerüstet ist.
13. Giessanlage zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit mindestens einer Giessstation
(33, 34) und mit Mitteln zum Behandeln und Zuführen von Aluminiumschmelze zu der Giessstation
(33, 34), dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Behandeln und Zuführen von Aluschmelze eine Anzahl von in einer ersten
Füllstation (21) mit der Schmelze füllbaren Pfannen (25) umfassen, die zu einer zweiten
Behandlungsstation (32) und von dort zu der jeweiligen Giessstation (33, 34) transportierbar
sind, wobei für den Transport mehrfache Wege vorgesehen sind, und die Pfannen (25)
jeweils mit einem Schiebeverschluss oder dergleichen ausgestattet sind, durch dessen
Öffnen sie entleerbar sind.
14. Giessanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Reinigungs- und Vorbereitungsstation (30) für die entleerten Pfannen
(25) vorgesehen ist, von der die Pfannen (25) zu der Füllstation (21) transportierbar
sind.
15. Giessanlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Lagerstationen (S) zum Abstellen von mit Aluminiumschmelze gefüllten
und/oder entleerten Pfannen (25) bis zum Gebrauch vorhanden sind.
16. Giessanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstation (21) eine Anzahl von mit Ausgangsmaterial belieferbaren Ofen (22,
23, 24), vorzugsweise Induktionsofen, versehen ist, wobei die einzelnen Ofen (22,
23, 24) allenfalls mit Alumaterial unterschiedlicher Qualität belieferbar sind.
17. Giessanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfannen (25) mit einem Deckel abdeckbar sind, in welchen ein Brenner einbaubar
ist zum Aufrechterhalten oder Erhöhen der Schmelzetemperatur.
18. Giessanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfannen mit einem porösen Stöpsel zum Einblasen von einem Inertgas ausgestattet
sind.
19. Giessanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für den Transport der Pfannen (25) von einer Station zu der nächsten und zu den Lagerstationen
(S) Schienen oder Kräne vorhanden sind.