Aufbau des Schmelz- und Druckgussbetriebes
Die Grundlage, um ein Simulationsmodell entwickeln oder Schwachstellen im Betriebsablauf aufdecken zu können, ist immer eine zielgerichtete und realistische Analyse des zu betrachtenden Problems. Um garantieren zu können, dass mit der Verbesserungsmaßnahme das beste Ergebnis für den Gesamtbetrieb erreicht wird und keine relevanten Kopplungen vernachlässigt werden, ist es wichtig, den Betrieb in seiner Gesamtheit zu erfassen [5].

Die wichtigsten Anlagen und Zusammenhänge in einem Schmelz- und Druckgussbetrieb werden anhand von Bild 1 beschrieben. Die Anlieferung des Aluminiums erfolgt in fester (Masseln) beziehungsweise flüssiger Form. Das angelieferte Flüssigaluminium kann direkt an die Druckgießmaschinen weiterverteilt werden. Das feste Aluminium hingegen muss vor der Weiterverarbeitung zunächst betriebsintern in Schmelzöfen aufgeschmolzen werden. Für den Aufschmelzvorgang wird das angelieferte Masselmaterial in der Regel mit sogenanntem Ausschussbzw. Rücklaufmaterial, welche Abfallprodukte des Gießprozesses bzw. der Bauteilnachbearbeitung sind, im Verhältnis 50 : 50 gemischt. Der Transport des festen bzw. flüssigen Aluminiums erfolgt mit Staplern.
 

In den Druckgießmaschinen erfolgt die Urformung der Bauteile. Die Anzahl der produzierten Teile und der Verbrauch an flüssigem Aluminium sind in besonderem Maße abhängig von Taktzeit und Schussgewicht der Anlage. Die Druckgießmaschinen sind die einzigen Aluminiumsenken und geben somit die Nachfrage an Flüssigaluminium vor. Produktionsschwankungen der Druckgießmaschinen in Kombination mit ungenauer Datenlage zum Aluminiumverbrauch und den hochkomplexen Vorgängen im Schmelzofen machen es für den Produktionsleiter der Schmelzerei nahezu unmöglich, eine intelligente und ideal an die Situation angepasste Betriebsweise der Schmelzöfen zu gewährleisten. Dies hat zur Konsequenz, dass die Schmelzöfen häufig ebenfalls nicht gleichmäßig in einem idealen Betriebspunkt, sondern fluktuierend betrieben werden. Daraus resultiert ein erhöhter spezifischer Energieverbrauch infolge von Aufheiz- und Abkühlvorgängen des Ofens und energetisch ungünstigeren Wärmeübergangssituationen bei geringeren Ofenauslastungen.

Aufbau des Schachtschmelzofens
Die Funktion des simulierten und untersuchten Schachtschmelzofens mit kurzem Schacht kann in vier Teilfunktionen unterteilt werden (Bild 2). Durch die hargiereinrichtung wird das feste Aluminium in den Schmelzschacht eingebracht (Funktion 1). Im Schmelzschacht wird das Aluminium durch die mit Erdgas befeuerten Schmelzbrenner erwärmt und geschmolzen (Funktion 2). Dabei wird durch die Brenner heißes Rauchgas erzeugt, welches das Aluminium umströmt und dabei einen Großteil seiner Energie an das Aluminium abgibt. Je mehr Energie von diesem an das Aluminium übertragen wird, desto höher ist der Wirkungsgrad des Schmelzofens. Sowohl das erzeugte Rauchgas wie auch das geschmolzene Aluminium verlassen den Schmelzschacht in Richtung Warmhaltebereich (Ofenwanne). In dieser wird das flüssige Metall überhitzt und auf einer definierten Temperatur gehalten (Funktion 3). Für diesen Vorgang wird zum einen das Rauchgas der Schmelzbrenner und zum anderen, falls dieses nicht ausreicht, das Rauchgas der Warmhaltbrenner verwendet. Die Entnahme des Aluminiums erfolgt über den Entnahmestutzen durch Kippen des Ofens (Funktion 4).
 

Betriebsweise und Energieverbrauch
des Schachtschmelzofens Eine energieeffiziente Betriebsweise des Schmelzofens erfordert eine kontinuierliche Betriebsweise in einem geeigneten Betriebspunkt und einen hohen Aluminiumfüllstand im Schmelzschacht. Für die Untersuchung des Ist-Zustandes wurden Messungen in einem Referenzbetrieb durchgeführt. Die im Folgenden beschriebenen Abbildungen und Tabellen beziehen sich alle auf eine charakteristische Messreihe.
 

In Bild 3 sind der Maximalwert und der gemessene Wert für die Aluminiummasse im Schmelzschacht dargestellt. Der reale Schachtfüllstand ist immer deutlich geringer als der maximal mögliche Schachtfüllstand und fluktuiert sehr stark zwischen einem Minimalwert von 400 kg und einem Maximalwert von 4200 kg. Mit der immer wieder auftretenden Abnahme der Aluminiummasse ist eine Abnahme der wärmetauschenden Oberfläche und der treibenden Temperaturdifferenz zwischen Rauchgas und Aluminium verbunden. Daraus resultieren eine Abnahme des Wärmestroms vom Rauchgas an das Aluminium und somit eine erhöhte Rauchgasaustrittstemperatur des Ofens. Die Abnahme des Wärmestroms an das Aluminium verringert den thermischen Wirkungsgrad und erhöht den spezifischen Energieverbrauch des Ofens. Übersteigt die Rauchgasaustrittstemperatur einen definierten Grenzwert, wird die interne Brennersteuerung aktiv und verringert die Brennerleistung. Dies führt zu einer Abkühlung der Ofenwand, welche bei steigender Auslastung wieder aufgeheizt werden muss. Daher ist zu erwarten, dass die in Bild 3 dargestellte fluktuierende Betriebsweise die Leistungskennwerte negativ beeinflusst. Die genannten negativen Auswirkungen werden durch einen Vergleich der gemessenen Leistungsdaten mit den Herstellerangaben bestätigt (Tabelle 1). So liegen der spezifische Energieverbrauch 25 % über und die Schmelzleistung mit 3,68 t/h im unteren Bereich der Herstellerangabe. Dabei muss berücksichtigt werden, dass im realen Betrieb Vorteile in Bezug auf die Wärmeübertragung aufgrund einer höheren spezifischen Oberfläche und Temperatur des eingebrachten Aluminiums gegenüber den Herstellerangaben vorliegen. Da die Herstellerangaben trotz dieser Vorteile nicht erreicht werden, müssen zusätzliche negative Einflüsse vorhanden sein. Die beschriebene diskontinuierliche Betriebsweise mit stark fluktuierendem Schachtfüllstand wird als signifikanter negativer Einfluss im Folgenden detailliert betrachtet.

Tabelle 1: Vergleich der Leistungsdaten zwischen realem Betrieb und Herstellerangabe.

Verbesserte Betriebsführung
Ziel der verbesserten Betriebsführung ist eine kontinuierliche Betriebsweise des Ofens mit maximaler Brennerleistung und gleichmäßig hoher Aluminiummasse im Schmelzschacht. Daraus sollen sich eine Verringerung des spezifischen Energieverbrauchs und eine Erhöhung der Schmelzleistung bei gleichbleibender Qualität des geschmolzenen Aluminiums ergeben. Bei einer angepassten Beschickungsstrategie (Bild 4) befindet sich die Masse immer im Bereich zwischen 3200 kg und 4800 kg. Der hohe Schachtfüllstand führt zu einer großen Wärmeübertragungsfläche und einer daraus resultierenden niedrigeren Abgastemperatur am Schachtaustritt. Kombiniert man diese Effekte mit der konstanten Brennerleistung, sind eine Annäherung der Schmelzleistung und eine Verringerung des spezifischen Energieverbrauchs an die Herstellerangaben zu erwarten.

Abgastemperaturen
Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung im Schmelzofen liegt je nach Betriebssituation zwischen 25 und 50 %. Die Austrittstemperatur des Rauchgases aus dem Ofen ist besonders gut geeignet, um eine Aussage über die Energieeffizienz zu treffen. Dies liegt daran, dass diese ein Ergebnis aller Wärmeübergangsvorgänge innerhalb des Schmelzofens ist. Pauschal kann gesagt werden, dass die Effizienz mit abnehmender Rauchgastemperatur zunimmt. In Bild 5 sind die Rauchgastemperaturen am Schachtende und Ofenaustritt eingetragen. Die Positionen dieser Messpunkte sind in Bild 2 mit A und B gekennzeichnet. Am Schachtende sind deutlich die Auswirkungen der Schwankungen des Aluminiumfüllstandes im Schmelzschacht (vgl. Bild 3) auf die Rauchgastemperatur erkennbar. So ist diese nach einem Beschickungsvorgang immer am niedrigsten und steigt mit zunehmendem zeitlichen Abstand zu diesem an. Die Rauchgastemperatur am Ofenaustritt verläuft wesentlich gleichmäßiger und bewegt sich im Korridor zwischen 850 °C und 1000 °C. Dies zeigt, dass im Rauchgas am Ofenaustritt noch ein hoher Energiegehalt vorhanden ist, welcher für eine Verbesserung des thermischen Gesamtwirkungsgrades des Ofens genutzt werden kann.

Energieeffizienzsteigerung durch externe Masselvorwärmung
Eine Möglichkeit dieses Potenzial zu nutzen, ist die Einführung einer externen Vorwärmkammer. Diese wird direkt neben dem Schmelzofen angebracht und verwendet den aus dem Ofen austretenden Abgasstrom für die Erwärmung von Masselmaterial. Dies führt zu einer weiteren Energieabgabe des Rauchgases und somit zu einer besseren Ausnutzung der durch die Brenner eingebrachten thermischen Energie. Durch die Energieübertragung werden die mit Raumtemperatur eingebrachten Aluminiummasseln auf eine definierte Temperatur erwärmt. Die Masseln mit erhöhter Temperatur werden anschließend in den Schmelzofen eingebracht. Im Schmelzschacht muss aufgrund der bereits zugeführten Energie weniger Energie übertragen werden, was zu einer höheren Schmelzleistung und einem geringeren spezifischen Energieverbrauch führt. Die externe Masselvorwärmung bietet sich bei den Schachtschmelzöfen mit kurzem Schacht aufgrund der dort auftretenden hohen Rauchgastemperaturen am Ofenaustritt besonders an.

In Tabelle 2 sind die Ergebnisse einer Überschlagsberechnung zum Einsparpotenzial durch Vorwärmung der Aluminiummasseln aufgelistet. Mit zunehmender Vorwärmtemperatur erhöht sich die Kosteneinsparung linear. Dies liegt an der idealisierten Berechnung, in der davon ausgegangen wird, dass immer alle Masseln vorgewärmt werden können. Des Weiteren werden mögliche negative Effekte der Vorwärmung, wie die daraus resultierende geringere treibende Temperaturdifferenz zwischen Rauchgas und eingebrachtem Aluminium im Schmelzschacht, vernachlässigt. Die Kosteneinsparung bezieht sich ausschließlich auf die Einsparung aufgrund des geringeren Gasverbrauches. Die anfallenden Anschaffungs- und Betriebskosten der Vorwärmkammer werden nicht betrachtet. 

Tabelle 2: Einsparpotenziale bei Integration einer Masselvorwärmung.

^{1)Annahme eines mittleren Wärmeübertragungswirkungsgrades des Ofens von 33 %; 2) als Gaspreis für Industriekunden wurden 3,46 Cent/kWh verwendet [6]; 3) für die Berechnung wurden 300 Produktionstage angesetzt}