Aluminium-Reinigungsverfahren

Die Produktion von hochreinem Aluminium basiert auf einem dreistufigen Ansatz: Rotationsentgasung zum Entfernen von Wasserstoff, Flussmitteleinspritzung zur Abtrennung von Alkalimetallen und Oxiden sowie keramische Schaumfiltration zur physikalischen Abscheidung fester Einschlüsse.

Um ein fehlerfreies Gießen zu erreichen, müssen diese Schritte in der Gießerei strikt eingehalten werden. Ohne wirksame Reinigung leidet die Schmelze unter Porosität und schwachen mechanischen Eigenschaften. Der Industriestandard sieht vor, dass zwischen dem Warmhalteofen und dem Gießtisch eine Inline-Entgasungseinheit installiert wird. In diese Anlage werden Inertgase wie Stickstoff oder Argon eingeleitet, die sich mit Wasserstoff verbinden. Gleichzeitig fangen Schaumkeramikfilter (CFF) mit Tiefbettfiltrationsmechanismen nichtmetallische Partikel im Mikrometerbereich ab. Der Einsatz dieses integrierten Systems garantiert die Einhaltung der ASTM-Qualitätsnormen und senkt die Ausschussrate in der nachgeschalteten Verarbeitung erheblich.

Die kritische Notwendigkeit der Reinigung in der modernen Metallurgie

Rohaluminium, das die Schmelze oder den Recycling-Ofen verlässt, ist selten sauber genug für hochwertige Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilbau oder Folienherstellung. Die Schmelze enthält Feinde, die die strukturelle Integrität beeinträchtigen.

Die Betreiber sind mit drei Hauptkontaminanten konfrontiert:

1. Wasserstoffgas: Das einzige Gas, das in flüssigem Aluminium löslich ist. Es verursacht beim Erstarren Porosität (Nadellöcher).

2. Oxidschichten (Krätze): Aluminium reagiert sofort mit Sauerstoff und bildet Filme, die die Kontinuität des Metalls schwächen.

3. Alkalimetalle: Elemente wie Natrium (Na), Lithium (Li) und Kalzium (Ca), die die Duktilität verringern.

ADtech konzentriert sich auf technische Lösungen, die auf diese spezifischen Verunreinigungen ausgerichtet sind. Wenn Sie die Reinigung auslassen, riskieren Sie Produktausfälle. Ein einziger Oxideinschluss kann einen Riss in einer dünnen Folie oder einen Riss in einem Leichtmetallrad verursachen.

Mechanismus der Wasserstoff-Absorption

Feuchtigkeit ist die Hauptquelle für Wasserstoff. Sie stammt aus feuchter Luft, feuchten Werkzeugen oder unvollständig getrockneten feuerfesten Materialien. Wenn Wasserdampf (H2O) berührt geschmolzenes Aluminium (Al), kommt es zu einer Reaktion:

Der atomare Wasserstoff diffundiert in die Schmelze. Wenn das Metall abkühlt, sinkt die Löslichkeit des Wasserstoffs drastisch, so dass das Gas aus der Lösung verdrängt wird und Blasen bildet. Wir müssen dieses Gas entfernen, bevor das Metall gefriert.

Primäre Reinigungstechnologien

Die Raffination von geschmolzenem Aluminium ist kein einzelner Schritt. Es ist eine Abfolge von Vorgängen. Wir werden die wichtigsten Technologien untersuchen, die weltweit und bei ADtech eingesetzt werden, um die Reinheit der Schmelze zu gewährleisten.

1. Rotationsentgasungssysteme

Die effizienteste Methode zur Entfernung von Wasserstoff ist die Rotationsentgasung. Bei diesem Verfahren werden ein sich drehender Rotor und eine in die Schmelze eingetauchte Welle verwendet. Das System injiziert ein Inertgas (Argon oder Stickstoff) durch die Welle.

Der sich drehende Rotor zerschneidet die großen Gasblasen in Millionen winziger Mikrobläschen. Dadurch wird die Oberfläche erheblich vergrößert.

Wie es funktioniert:

• Diffusion: Die Wasserstoffatome in der Schmelze werden zu dem niedrigen Partialdruck im Inneren der Inertgasblasen gezogen.

• Flotation: Die Blasen steigen an die Oberfläche und tragen den Wasserstoff hinaus.

• Entfernung der Einschlüsse: Die Blasen haften auch an den Oxidpartikeln und treiben sie zur Krätze, um sie abzuschöpfen.

ADtech-Entgasungsanlagen verwenden optimierte Rotordesigns, um Wirbel zu verhindern. Ein Wirbel kann Oberflächenkrätze zurück in die Schmelze saugen, was den Zweck verfehlt.

2. Flussmittelinjektion (Fluxen)

Beim Fluxen werden der Schmelze chemische Salze zugesetzt. Während die Zugabe in der Vergangenheit häufig manuell erfolgte, werden in modernen Anlagen automatische Injektionsmaschinen eingesetzt. Diese Maschinen injizieren eine präzise Mischung aus granuliertem Flussmittel und Inertgas tief in das Schmelzbad.

Funktionen von Flux:

• Benetzungsmittel: Sie verändert die Oberflächenspannung, so dass das in der Krätze eingeschlossene Aluminium in das Bad zurückfließen kann.

• Chemische Reinigung: Bestimmte Flussmittel reagieren mit Kalzium oder Natrium und entfernen diese.

• Reinigung der Wände: Exotherme Flussmittel tragen dazu bei, die Ofenwände frei von Korundablagerungen zu halten.

3. Keramische Schaumstoff-Filtration (CFF)

Die Filtration ist der letzte Pförtner. Der Filterkasten befindet sich unmittelbar vor dem Gießtisch und beherbergt den Ceramic Foam Filter. ADtech ist auf die Herstellung von Schaumkeramikfiltern spezialisiert und verwendet phosphatgebundene Materialien mit hohem Aluminiumoxid- oder Siliziumkarbidanteil.

Der Filter funktioniert über zwei Mechanismen:

• Kuchenfiltration: Große Partikel werden an der Oberfläche des Filters blockiert.

• Tiefbettfiltration: Kleinere Partikel werden aufgrund von Schwerkraft, Reibung und chemischer Affinität in den verschlungenen Bahnen der inneren Struktur des Filters gefangen.

Auswahl der richtigen Filtrationsparameter

Die Wahl des richtigen Filters ist eine Frage der Technik, nicht des Ratens. Die verwendete Metrik ist PPI (Pores Per Inch). Ein höherer PPI bedeutet eine feinere Filtration, erfordert aber einen höheren Metallkopfdruck, um den Durchfluss zu starten.

Filterauswahl-Matrix

Die folgende Tabelle enthält Angaben zur Filterauswahl je nach Anwendung.

Art der Anwendung	Empfohlener PPI	Filtermaterial	Hauptziel
Standard-Strangpressbarren	30 - 40 PPI	Tonerde / SiC	Entfernen Sie große Oxide, verhindern Sie Stanzlinien.
Automobilguß (Räder)	40 - 50 PPI	Siliziumkarbid	Beseitigen Sie Einschlüsse, die Risse verursachen.
Legierungen für die Luft- und Raumfahrt	50 - 60 PPI	Hohe Tonerde	Höchste Reinheit für Ermüdungsfestigkeit.
Can Body Stock	50 PPI	Tonerde	Verhindert das Reißen beim Rollen.
Folienwalzen (Dünnspur)	60+ PPI	Hohe Tonerde	Keine Nadellöcher erforderlich.

Hinweis: Die ADtech-Ingenieure empfehlen, den Filterkasten vorzuheizen, um einen Temperaturschock zu vermeiden, der zu Rissen in der Keramik führen kann.

Das Zusammenspiel von Entgasung und Filtration

Die Betreiber fragen oft, ob sie nur einen dieser Schritte durchführen können. Die Antwort ist nein. Sie funktionieren im Tandem.

Wenn Sie filtern, ohne zu entgasen, wird das Metall immer noch Wasserstoffporosität aufweisen. Wenn Sie entgasen, ohne zu filtern, werden Einschlüsse durchgelassen. Bei der Entgasung werden nämlich oft kleine Einschlüsse zu größeren Klumpen zusammengeballt. Der nachgeschaltete Filter fängt diese Klumpen dann leicht auf.

Platzierungsstrategie:

Die Standardanordnung für eine Wurfleine ist:

1. Ofen.

2. Wäsche.

3. ADtech-Entgasungseinheit.

4. ADtech Filter Box (CFF).

5. Gießtisch.

Diese Reihenfolge ist entscheidend. Die Entgasung erzeugt Turbulenzen. Sie wollen, dass diese Turbulenzen entstehen vor den Filter, so dass der Strom laminar (glatt) ist, wenn er in die Form eintritt.

Optimierung des Prozesses: Durchflussraten und Rotordrehzahlen

Der Erfolg liegt in den Details. Eine Entgasungsanlage mit maximaler Geschwindigkeit zu betreiben, ist nicht immer besser. Eine zu hohe Geschwindigkeit führt zu Oberflächenturbulenzen, wodurch das frische Metall dem Luftsauerstoff ausgesetzt wird.

Empfohlene Betriebsparameter

Parameter	Standard Bereich	Auswirkungen der Abweichung
Rotordrehzahl (RPM)	350 - 550 UMDREHUNGEN PRO MINUTE	Ein zu hoher Wert führt zu Schlackenbildung, ein zu niedriger Wert verringert die Blasenstreuung.
Gasdurchsatz (L/min)	15 - 25 L/min	Ein zu hoher Wert führt zum “Sieden”, ein zu niedriger Wert führt nicht zur Entfernung von H2.
Metall Temperatur	700°C - 750°C	Niedrige Temperaturen verstopfen die Filter, hohe Temperaturen erhöhen die H2-Absorption.
Filter Vorheizen	15 - 20 Minuten	Mangelnde Vorwärmung führt zu gefrorenem Metall, das den Filter verstopft.

Die Bediener müssen diese Einstellungen je nach Legierungstyp kalibrieren. 5000er-Legierungen (hoher Magnesiumanteil) verhalten sich anders als 6000er-Legierungen (Magnesium-Silizium).

Fallstudie: Ertragsverbesserung in Michigan, USA

Standort: Automobil-Druckgießerei, Michigan

Zeit: Februar 2023

Herausforderung für den Kunden:

Ein Tier-1-Zulieferer für Batterieschalen für Elektrofahrzeuge sah sich mit einer Ausschussrate von 8,5% konfrontiert. Die Mängel wurden als Oxideinschlüsse und Wasserstoffporosität identifiziert. Die Teile bestanden die Druckdichtigkeitsprüfungen nicht. Die Anlage verwendete nur einfache Siebfilter und manuelle Flussmittel.

Die ADtech-Lösung:

Wir haben ein ganzheitliches Reinigungskonzept entwickelt.

1. Einbau: Die Rinnensektion wurde ersetzt, um eine ADtech Online-Entgasungseinheit (kompakte Doppelrotor-Konstruktion) unterzubringen.

2. Filtrierung: Installation eines zweistufigen Filterkastens mit 40 PPI- und 50 PPI-Keramikschaumfiltern.

3. Prozess ändern: Umstellung von manuellem Fluxen auf automatische Injektion in der Entgasungskammer.

Die Ergebnisse:

Nach einem 30-tägigen Testzeitraum zeigten die Daten eine deutliche Verbesserung.

• Reduzierung von Schrott: Die Ablehnungsquote sank von 8,5% auf 1,2%.

• Dichte-Index: Verbesserung von 8% auf unter 1,5% (was auf geringen Wasserstoffgehalt hinweist).

• ROI: Durch die Senkung der Umschmelzkosten wurde die Aufrüstung der Ausrüstung innerhalb von vier Monaten bezahlt.

Fortschrittliche Flussmittelchemie

Flussmittel ist nicht einfach nur Salz. Es ist ein hochentwickeltes chemisches Werkzeug.

1. Abdeckendes Flussmittel:

Wird im Schmelzofen verwendet. Es schwimmt auf der Schmelze und bildet eine Barriere gegen Luft. Dies verhindert die Oxidation.

2. Abkrätzendes Flussmittel:

Wird vor dem Abschöpfen zugegeben. Es erzeugt eine exotherme Reaktion (Hitze), die das wertvolle Aluminium von der Oxidhaut (Krätze) trennt. Dadurch wird sichergestellt, dass Sie nur Abfall und kein gutes Metall wegwerfen.

3. Reinigung Flussmittel:

Wird in die Schmelze gespritzt. Es hilft, Einschlüsse an die Oberfläche zu heben. Für Legierungen, bei denen Natrium eine Verunreinigung darstellt (wie z. B. bei hochmagnesiumhaltigen Legierungen), bietet ADtech granulierte Flussmittel an, die frei von Natrium sind.

Flussmitteleinspritzung vs. manuelle Zugabe

Die manuelle Zugabe ist uneinheitlich. Ein Operator könnte zu viel, ein anderer zu wenig hinzufügen. Die Injektion garantiert eine homogene Verteilung. Das Trägergas (Stickstoff) trägt dazu bei, das Flussmittel in der gesamten Badetiefe zu verteilen.

Wartung und Langlebigkeit von Reinigungsgeräten

Ohne Pflege lässt die Leistung der Geräte nach. Der Rotor einer Entgasungsanlage ist ein Verschleißteil. Er besteht normalerweise aus Graphit oder Siliziumnitrid.

Allgemeine Wartungsarbeiten:

• Erosion des Rotors: Graphit oxidiert mit der Zeit. Ein erodierter Rotorkopf verliert seine Geometrie und kann die Luftblasen nicht mehr effektiv abscheren. Prüfen Sie die Abmessungen wöchentlich.

• Heizelemente: Im Filterkasten halten elektrische Heizelemente die Temperatur. Wenn eine ausfällt, kann das Metall einfrieren.

• Integrität des Siegels: Die Dichtungen um die Filterplatte müssen dicht sein. Wenn die Dichtung versagt, umgeht das Metall den Filter und macht den Prozess unbrauchbar.

Tabelle zur Lebenserwartung

Komponente	Material	Geschätzte Lebenserwartung
Entgasungsrotor	Siliziumnitrid	6 - 12 Monate
Entgasungsrotor	Graphit	3 - 6 Wochen
Heizungsschutzrohr	SiC	6 - 12 Monate
Keramischer Schaumstofffilter	Tonerde	Einmalgebrauch (Disposable)
Wäscherinnen/Linings	Feuerfest	1 - 2 Jahre

Hinweis: Siliziumnitrid ist in der Anschaffung teurer, bietet aber im Vergleich zu Graphit eine höhere Langlebigkeit.

Die Rolle der Getreideraffinerien

Während die Reinigung schlechte Dinge entfernt, fügt die Kornfeinung gute Dinge hinzu. Kornfeinungsmittel (in der Regel Titan-Bor-Stäbe), die oft direkt nach der Entgasungseinheit hinzugefügt werden, bestimmen die Mikrostruktur des Aluminiums.

Eine feine, gleichachsige Kornstruktur lässt den Guss besser fließen und widersteht Rissen. ADtech Beschickungssysteme können die Zugabe von AlTiB-Draht automatisieren, um eine gleichmäßige Korngröße im gesamten Gussstück zu gewährleisten.

Umweltaspekte bei der Klärung

Die moderne Aluminiumreinigung muss umweltfreundlich sein. Die alten Methoden, bei denen Chlorgas zur Entgasung verwendet wird, sind gefährlich und in vielen Ländern illegal.

Der ADtech-Ansatz zur Nachhaltigkeit:

• Chlorfrei: Wir verwenden Stickstoff oder Argon, die sicher und reichlich vorhanden sind.

• Reduzierte Schlacke: Durch effizientes Fluxen wird die Menge an Aluminium, die als Schlacke auf der Deponie landet, reduziert.

• Energie-Effizienz: Unsere Filterkästen verfügen über eine hocheffiziente Isolierung, die den Energiebedarf für die Warmhaltung des Metalls reduziert.

Die Reduzierung von Schrott ist der größte Beitrag zum Umweltschutz. Jede Tonne Schrott, die umgeschmolzen werden muss, verbraucht große Mengen an Erdgas und Strom. Es beim ersten Mal richtig zu machen, ist die ultimative grüne Strategie.

Technische Nuancen

Um wirklich zu verstehen, was die Aluminium-Reinigungsverfahren, muss man sich die spezifischen Mängel ansehen.

Einschlüsse: Dies sind nichtmetallische Partikel. Sie können Oxide (Filme), Karbide oder Boride sein. Harte Einschlüsse beschädigen die Bearbeitungswerkzeuge im späteren Verlauf des Prozesses.

Alkali-Entfernung: Die Entfernung von Kalzium ist für die Folienherstellung unerlässlich. Selbst Spuren davon führen dazu, dass die Folie beim Walzen bricht.

Metallurgische Qualität: Dies bezieht sich auf die allgemeine Sauberkeit. Werkzeuge wie der PoDFA (Porous Disc Filtration Apparatus) oder Prefil-Messungen ermöglichen es Ingenieuren, die Reinheit zu quantifizieren. Die Geräte von ADtech helfen den Anlagen, hervorragende Prefil-Kurven zu erzielen.

Bei der Suche nach Gießerei-Lösungen, Manager sollten modularen Systemen den Vorzug geben. Eine modulare Entgasungsanlage kann ohne größere Bauarbeiten in bestehende Anlagen nachgerüstet werden.

Fehlersuche bei allgemeinen Reinigungsproblemen

Auch mit der besten Ausrüstung kann etwas schief gehen. Hier ist eine Fehlersuchmatrix für Gießereibetreiber.

Problem: Hohe Wasserstoffwerte nach Entgasung

• Die Ursache: Ein Tag mit hoher Luftfeuchtigkeit?

• Die Ursache: Rotordrehzahl zu niedrig?

• Die Ursache: Leckage des Trägergases?

• Reparieren: Gasdurchfluss leicht erhöhen, Gasleitungen auf Lecks prüfen, sicherstellen, dass der Rotor nicht abgenutzt ist.

Problem: Filterverstopfung (Einfrieren)

• Die Ursache: Metalltemperatur zu niedrig.

• Die Ursache: Unzureichende Vorwärmung des Filterkastens.

• Reparieren: Ofentemperatur prüfen. Vergewissern Sie sich, dass 30 Minuten vor dem Gießen die Heizungen des Filterkastens aktiv sind.

Problem: Einschlüsse im Endprodukt gefunden

• Die Ursache: Filterumgehung (schlechte Dichtung).

• Die Ursache: Schmutzige Wäsche nach dem Filter.

• Reparieren: Prüfen Sie die Dehnungsdichtung an der CFF. Rinnen sorgfältig reinigen.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Hier sind die wichtigsten Fragen, die von Gießereileitern und Metallurgen zum Reinigungsprozess gestellt werden.

1. Welches ist die effektivste Methode zur Entfernung von Wasserstoff in Aluminium?

Die Rotationsentgasung unter Verwendung eines Inertgases wie Argon oder Stickstoff ist der Industriestandard. Dabei wird der Wasserstoff durch Blasenflotation physikalisch aus der Schmelze entfernt.

2. Warum wird das Flussmittel eingespritzt und nicht aufgeschüttet?

Die Injektion stellt sicher, dass das Flussmittel mit dem gesamten Metallvolumen in Kontakt kommt, nicht nur mit der Oberfläche. Dies verbessert die Reaktionseffizienz und reduziert die benötigte Flussmittelmenge.

3. Wie oft sollte ich den Keramikschaumfilter wechseln?

CFFs sind Einwegartikel. Sie müssen nach jedem Wurf gewechselt werden oder immer dann, wenn der Druckabfall zu hoch wird, was auf eine Verstopfung hinweist.

4. Kann ich Stickstoff anstelle von Argon zur Entgasung verwenden?

Ja, Stickstoff ist billiger und wird häufig verwendet. Für bestimmte High-Tech-Legierungen oder bei der Verwendung von Lithium ist jedoch Argon erforderlich, da Stickstoff zu Nitriden reagieren kann.

5. Was ist der Unterschied zwischen PPI und Maschenweite?

PPI steht für Pores Per Inch (Poren pro Zoll) in einem Schaumstofffilter. Mesh bezieht sich auf Drahtsiebe. 30 PPI ist eine Standard-Grobkörnigkeit, 60 PPI ist fein. Ein höherer PPI-Wert fängt kleinere Partikel ein.

6. Wie stellt ADtech sicher, dass der Filterkasten das Metall nicht abkühlt?

ADtech-Filterkästen sind mit modernen feuerfesten Materialien ausgekleidet und oft mit Deckelheizungen ausgestattet, um das thermische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.

7. Wodurch entsteht Schlacke im Schmelzofen?

Krätze entsteht, wenn Aluminium mit dem Sauerstoff der Luft reagiert. Turbulenzen und hohe Temperaturen beschleunigen diese Reaktion.

8. Wird Chlorgas noch zur Reinigung verwendet?

Aufgrund der Toxizität und der Umweltvorschriften ist es selten. Einige Einrichtungen verwenden eine Mischung aus 90% Stickstoff / 10% Chlor, aber aus Sicherheitsgründen werden reine Inertgase bevorzugt.

9. Was passiert, wenn die Rotordrehzahl zu hoch ist?

Es entsteht ein Wirbel, der Oberflächenkrätze und Luft in die Schmelze saugt, wodurch sich die Qualität sogar verschlechtert. Außerdem wird der Rotor schneller abgenutzt.

10. Kann durch Reinigung Eisen aus Aluminium entfernt werden?

Nein. Eisen ist chemisch im Aluminium gelöst. Filtration und Entgasung können gelöste Elemente wie Eisen oder Mangan nicht entfernen; sie entfernen nur Feststoffe und Gase.

Abschließende Überlegungen zur Schmelzqualität

Die Aluminium-Reinigungsverfahren bestimmt den Wert Ihres Endprodukts. Ganz gleich, ob Sie Knüppel, Brammen oder Barren gießen, das Vorhandensein von Wasserstoff und Einschlüssen ist nicht verhandelbar - sie müssen verschwinden.

ADtech bietet die Hardware und das Know-how, um diese Qualität zu sichern. Durch die Kombination von effizienter Rotationsentgasung mit präziser Flussmitteleinspritzung und keramischer Tiefbettfiltration helfen wir Gießereien, globale Standards zu erreichen. Die Kosten für die Reinigung betragen nur einen Bruchteil der Kosten für eine zurückgewiesene Lieferung.

Die Investition in ADtech-Technologien stellt sicher, dass Ihr Metall sauber ist, Ihre Kunden zufrieden sind und Ihre Schrotttonnen leer bleiben.