Metallausbeute maximieren und Kosten minimieren

So machen Sie mehr aus Ihren Materialien und erzielen wertvolle Einsparungen

Metallverlust verhindert Kosteneffizienz

Aluminiumgießereien haben mehrere Möglichkeiten, um Kosten zu senken. Die Reduzierung des Energieverbrauchs stellt sicherlich eines der größten Einsparpotentiale dar. Daher behandelt unser spezieller Leitfaden zur Energieeinsparung dieses Thema hier ausführlich.

Ein weiterer wesentlicher Kostentreiber, insbesondere angesichts der Kosten für Nichteisenmetalle und der damit verbundenen Logistik und Verarbeitung, ist der Metallverlust. Betrachtet man die gesamte Lebensdauer eines Schmelzofens, so sind diese beiden Faktoren zusammen für bis zu 95 Prozent der Gesamtkosten verantwortlich. Je nach Aluminiumlegierung kann ein Metallverlust von nur 1 % einer jährlichen Schmelzleistung von 5.000 Tonnen einem durchschnittlichen finanziellen Verlust von 70.000 EUR entsprechen.

Branchenführer sind sich einig – Metallverlust verhindert Kosteneffizienz, und die Verbesserung der Metallausbeute sollte ein wichtiges Ziel sein. Dies ist nach wie vor die größte Chance für Gießereien, den Ausschuss zu reduzieren und die Investitionsrendite zu maximieren.

Um Ihnen zu helfen, diese Gelegenheit zu nutzen, finden Sie hier einige der Hauptursachen für Metallverlust sowie Tipps und Technologien, mit denen Sie diese Herausforderungen angehen können. 

Aluminiumoxidation verhindern: der Weg zu echten Einsparungen

Metallverlust beim Schmelzen, Transfer und Dosieren ist fast immer mit der Oxidation von Aluminium verbunden. Aluminium und Aluminiumlegierungen oxidieren im Vergleich zu anderen Metallen sowohl im festen als auch im geschmolzenen Zustand relativ schnell. Die Oxidationsrate nimmt mit der Temperatur signifikant zu, was bedeutet, dass geschmolzenes Aluminium besonders anfällig ist.

Aluminiumoxide bilden sich als direkte Folge von Lufteinwirkung und können durch überschüssige Hitze beeinflusst werden. Oxide unterscheiden sich auch in ihrer Art – einige führen zu einem höheren Grad an Krätze, während andere die allgemeine Metallqualität negativ beeinflussen, was zu einem Anstieg der Ausschussrate führt.

Das Ausmaß der verursachten Oxidationen sowie die Art und Weise, wie diese sich auf die Qualität und die Gesamtausbeute auswirken, können durch den Ofenbetrieb sowie spezielle Funktionen beeinflusst werden.

Dazu gehören etwa die Zugabe von geschmolzenem Metall, das Verhältnis von Massel- und Rücklaufmaterial, die Zugabe von Reinigungssalz, die Entgasung, die Brenneranordnung sowie die Flammenstärke usw. Dies mag sich nach einem komplizierten Puzzle anhören. Doch keine Sorge, es gibt Lösungen, die speziell entwickelt wurden, um Oxidationen zu minimieren und nachfolgende Beeinträchtigungen zu begrenzen. Lösungen, damit die Oxide sich erst gar nicht in die Schmelze mischen und leicht entfernt werden können – all dies trägt zur Erhöhung der Metallausbeute bei. Aus diesem Grund ist es ein logischer Ansatzpunkt, beginnend bei der Ofenkonstruktion nach Lösungen zur Steigerung der Metallausbeute zu schauen. 

3 Schmelzofenmerkmale zur Maximierung der Metallausbeute

1) Schachtgestaltung mit mehr Kapazität und weniger Verlust

Überhitzung (auch bekannt als „Super Heating“) trägt wesentlich zur Oxidation und zum Metallverlust bei. Daher ist es sinnvoll, die Zeit zu minimieren, in der das Beschickungsmaterial unmittelbar einer hohen Temperatur ausgesetzt ist. Dies ist einer der Gründe, warum Schacht-, „Stapel-“ oder „Turmschmelzöfen“ für Aluminiumdruckgussanwendungen häufig die beste Lösung sind.

Sie bieten einen wesentlichen Vorteil: Schachtschmelzöfen kombinieren Vorwärmen, Aufheizen und Verflüssigen in einem Schmelzschacht – kaltes Material, das oben beschickt wird, wird auf seinem Weg durch den Schacht dank des Gegenstromprinzips sanft erwärmt, wodurch die Wärmeübertragung maximiert und die erforderlichen Temperaturen minimiert werden. Bei Erreichen des Schachtbodens wird das Material dann sehr schnell auf seinen Schmelzpunkt gebracht, wodurch die Zeit minimiert wird, in der das Material den Schmelzbrennern unmittelbar ausgesetzt ist. Dieser Vorgang trägt zur Optimierung der Metallqualität bei. Eine schnelle Verflüssigung im heißesten Bereich der Schmelzkammer ist in kürzerer Zeit möglich, wodurch das Risiko einer Oxidbildung erheblich verringert und somit die Ausbeute verbessert wird.

Lösung im Fokus: Die Schachthöhe des StrikoMelters und das spezielle Schachtdesign über der Schmelzkammer ermöglichen eine Vorwärmung des Beschickungsgutes, sodass die notwendige Zeit in der Schmelzkammer – wo es durch leistungsstarke Schmelzbrenner verflüssigt wird – sehr kurz ist. Weniger Zeit für Oxidation = geringer Metallverlust.

2) Bei der Metallausbeute steht Twin für Gewinn

Es wurde nachgewiesen, dass eine Doppelkammerkonstruktion (Twin Chamber Design), bestehend aus einer Schmelzkammer/-brücke und einem separaten Warmhaltebad mit getrennten Brennersystemen, die Oxid- und Krätzebildung minimiert und gleichzeitig das Risiko unlöslicher Verunreinigungen reduziert. Das führt zu einer hohen, qualitativen Metallausbeute und ist daher ein wichtiges Konstruktionsmerkmal des StrikoMelter. Darüber hinaus kann aufgrund der Trennung von Schmelz- und Warmhaltebereich eine hohe Metallqualität erzeugt werden, selbst wenn das Beschickungsmaterial von geringerer Qualität ist.

Hinweis: Stellen Sie sicher, dass das Beschickungsmaterial, insbesondere das Rücklaufmaterial, so sauber und trocken wie möglich ist. So erreichen Sie von Anfang an beste Schmelzbedingungen. Feuchtigkeit und Schmutz können Oxidation verursachen, was wiederum zu Metallverlust führen kann.

3) Metallausbeute durch Reinigen und Schachtabdecken maximieren

Eine effektive und regelmäßige Reinigung des Ofens zur Entfernung von Krätze ist eine weitere wichtige Maßnahme, um den Metallverlust erheblich zu reduzieren.

Zugriff auf alle Bereiche: Ein gute Zugänglichkeit der zu reinigenden Oberflächen ist sehr wichtig. Es muss möglich sein, die Krätze auf der Badoberfläche leicht von dem Metall zu trennen.

Es wird heiß: Tägliches „Freischmelzen“ bei voller Leistung ist ebenfalls erforderlich, um die entstande Krätze zu entfernen. Das Abdecken des Schachts während dieses Vorgangs speichert die Wärme (was ebenfalls Energieverschwendungen verhindert) und ermöglicht eine bessere Trennung von Metall und Krätze.

Schon gewusst? Die speziell entwickelten Türen des StrikoMelter und die unterschiedlichen Neigungswinkel des Schmelztisches optimieren die Reinigungsbedingungen. Der StrikoMelter verfügt außerdem über eine hitzebeständige Schachtabdeckung, die Heißgasbaffel, die während des Freischmelzprozesses geschlossen werden kann. So wird die Hitze im Schacht gespeichert, was eine Trennung von Krätze und Metall erleichtert – das flüssige Aluminium fließt in die Warmhaltekammer und die trockene Krätze kann aus der Schmelzkammer entfernt werden.

Wir haben eine Reihe von Videos und Anleitungen entwickelt, die unsere Kunden dabei unterstützen, ihre Öfen zu reinigen und in einem erstklassigen Zustand zu halten, damit eine maximale Metallausbeute erzielt werden kann. Innovationen wie die Part Load Efficiency Control (Teillast-Effizienz-Steuerung) helfen dabei, die Metallverluste zu minimieren und die Produktivität hoch zu halten, indem die Schmelzeffizienz verbessert wird.

Zeit, den Metalltransfer einmal genauer unter die Lupe zu nehmen

Der Metalltransfer vom Schmelzofen zu Warmhalte-/Dosierlösungen und Druckgussmaschinen ist ein Gießereiprozess, der anfällig für Metallverluste ist.

Offene Löffelsysteme mit Warmhalteöfen stellen die größte Gefahr für die Metallausbeute dar, nicht nur wegen eines höheren Expositionsrisikos gegenüber der Atmosphäre, sondern auch aufgrund möglicher Verschüttungen – ein eigenständiges Sicherheitsrisiko – und Schmelzturbulenzen.

Aus diesem Grund sind geschlossene, vorzugsweise hermetisch abgeschlossene Überführungsrinnen oder Transfersysteme, die Turbulenzen während des Transfer minimieren, vorzuziehen. Wichtig ist zudem, dass die ausgewählten Lösungen ausreichend isoliert sind und über eine steuerbare Heizung verfügen. So kann sichergestellt werden, dass die Schmelzetemperatur auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer möglichen Wiedererhitzung, die neben Energieverschwendungen auch zu weiteren Oxidationen und Metallverlust führen kann.

Weniger Prozesse, weniger Verlust

Jeder einzelne Prozess, der zwischen dem Schmelzen und Gießen stattfindet, stellt ein potenzielles Risiko für Metallverluste dar.

Aus diesem Grund können sich „Kombinationstechnologien“, die mehrere Funktionen und Prozesse miteinander kombinieren, als vorteilhaft erweisen, wenn der Ertrag gesteigert werden soll. Viele der Lösungen sind hochflexibel und können in Aluminiumgusszellen unterschiedlichster Größe und Anordnung integriert werden.

Mehrzweckschmelzöfen: Mehrzweckschmelzöfen sind ein hervorragendes Beispiel und können häufig so konfiguriert werden, dass sie sich in Aluminiumgusszellen unterschiedlicher Größe und Zusammensetzung integrieren lassen. 2-in-1- oder 3-in-1-Schmelzöfen sind besonders gut für Gießereien mit begrenztem Platz geeignet und bieten eine attraktive Option, um auf Prozesse zu verzichten, die sich negativ auf die Metallausbeute auswirken können. So sind beispielsweise zunehmend Zweikammerschmelz- und Warmhalteschachtöfen mit integrierter Metallbehandlungsfunktion (Impellerentgasung) und Schöpftaschen erhältlich.

Behandlung und Transfer: Falls ein Mehrzweckschmelzofen keine Option oder einfach nicht für Ihren Produktionsprozess geeignet ist – wie wäre es mit einer Lösung, die Metallbehandlung und Metalltransfer in sich vereint? Geschlossene, beheizte Transferlösungen wie etwa der Schnorkle von StrikoWestofen können verwendet werden, um die Schmelze mittels Impeller zu behandeln. Dies spart Zeit und Energie. Außerdem wird so sichergestellt, dass eine qualitativ hochwertige Schmelze an den Dosier- oder Warmhalteofen geliefert wird.

Unnötige Arbeitswege vermeiden: Denken Sie daran, Prozesse so effizient wie möglich zu gestalten, indem Sie unnötige Aktionen vermeiden – eine Aufgabe, für die digitale Lösungen ideal geeignet sind. Eine punktgenaue Versorgung von Dosieröfen ist hierfür ein gutes Beispiel. Durch die Verwendung von Füllstandssensoren zur automatischen Ermittlung des optimalen Nachfüllzeitpunkts und der entsprechenden Menge wird Folgendes sichergestellt:

  • Die richtige Schmelze wird nur bei Bedarf nachgefüllt. Dadurch wird das Oxidationsrisiko potenziell verringert, wenn offene Transportsysteme verwendet werden.
  • Optimierte Nutzung begrenzter Ressourcen – der nächste zu füllende Ofen wird basierend auf dem aktuellen Produktionsbedarf und den Daten „Zeit bis Ofen leer“ priorisiert.
  • Darüber hinaus bedeutet dies, dass Dosieröfen niemals unter- oder überfüllt werden. Beides sind Faktoren, die die Metallqualität und Krätzebildung beeinflussen und zu einer verringerten Ausbeute führen können.

Eine Dosierung, die keine Ressourcen verschwendet

Dosieröfen, das heißt, geschlossene Warmhalteöfen, die geschmolzenes Aluminium direkt an die Gießlinien liefern, sind für ihre überlegene Metallausbeute im Vergleich zu herkömmlichen, eigenständigen Warmhalteöfen bekannt. Tatsächlich zeigen Zahlen aus der Praxis, dass sie den Metallverlust um bis zu 80 % reduzieren können.

Doch auch bei Dosieröfen gibt es Besonderheiten, auf die Druckgießer achten sollten, um sicherzustellen, dass ihr Ofen die gewünschte Metallausbeute liefert.

Exakt sein: Das Wiederaufheizen von Schmelze ist eine häufige Quelle für Metallverluste, was bedeutet, dass die Wärmeverteilung und die Temperaturregelung für Dosieröfen gleichmäßig bzw. präzise sein sollten. Gießereien sollten sicherstellen können, dass ihre Schmelztemperatur innerhalb einer Toleranz von ± 2 °C gehalten wird. Metall kann ebenfalls verloren gehen, wenn die Dosiergenauigkeit abnimmt. Um das zu vermeiden und Präzision zu gewährleisten, ist es sinnvoll, Softwarelösungen einzusetzen, die die Echtzeitüberwachung von Drucksensordaten und die Korrektur von Dosiervolumina ermöglichen. Das kann beispielsweise auf Basis der Pressrestdaten der Druckgussmaschinen passieren.

Unter dem Bad: Die Badoberfläche im Dosierofen weist eine Oxidschicht auf. Einige Dosieröfen mit Pumpensystem lassen flüssiges Aluminium über eine Kante in die Pumpe fließen, um es zur Druckgussmaschine zu fördern. Obwohl das Metall unter dem Badspiegel entnommen wird, ist es der Luft ausgesetzt, wenn es über die Kante fließt. So wird die Oxidschicht, die sich auf dem Bad gebildet hat, durchbrochen. Dieses Durchbrechen kann dazu führen, dass sich Oxide in die Schmelze mischen, wodurch die nutzbare Metallausbeute verringert und die Wahrscheinlichkeit fehlerhafter Gussteile erhöht wird. Stattdessen sollten Gießereien nach Dosieröfen suchen, in denen das Metall mittels Steigrohren stets von unterhalb der Badoberfläche entnommen wird.

Halten Sie es kurz: Es ist wichtig, dass die Lösungen, für die Sie sich entscheiden, eine möglichst kurze Überführungsrinne hat. Dies begrenzt die Umwelteinwirkungen auf die Schmelze und ist eine letzte Möglichkeit zur Reduzierung des Oxidationsrisikos vor dem Gießen. Kürzere Überführungsrinnen bieten weniger Fläche für mögliche Anhaftungen und Restansammlungen.

Die richtige Behandlung: Achten Sie auf Dosieröfen mit integrierten oder optionalen Metallbehandlungssystemen, die die metallurgische Gesamtqualität der Schmelze verbessern und vor dem Gießen als finaler Reinigungsfilter dienen. Integrierte Spülsteine ermöglichen beispielsweise die Einbringung von Inertgas (typischerweise Argon oder Stickstoff) in die Schmelze mittels extrem feiner Blasen, die Wasserstoff und andere Verunreinigungen aus dem flüssigen Metall entfernen, um die Schmelzqualität zu verbessern – und das Risiko von Produktionsausschuss im weiteren Verlauf zu verringern.

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