Schmelzen

  1. Übergang eines Stoffs vom festen in den flüssigen Zustand.
  2. Im Gießereiwesen allgemeine Bezeichnung für die Herstellung flüssiger Metalle und Legierungen.

Physikalisch betrachtet erfolgt das Schmelzen durch Zuführung von Wärmeenergie, bis der schmelzflüssige Zustand erreicht ist. Dieser Wärmebedarf hängt von der chemischen Zusammensetzung des Gusswerkstoffs und seinen physikalischen Eigenschaften ab. Er setzt sich im Einzelnen aus der Erhitzungswärme, der Schmelzwärme und der Überhitzungswärme zusammen.

Unter Erhitzungswärme versteht man jenen Anteil, der zur Aufheizung des Schmelzguts von der Raumtemperatur bis zum Erreichen der Schmelztemperatur notwendig ist; diese Erhitzungswärme ergibt sich aus der mittleren spezifischen Wärmekapazität und dem Erhitzungstemperaturintervall. Für den Übergang vom festen in den schmelzflüssigen Zustand ist ein zusätzlicher Wärmebedarf – die Schmelzwärme, auch latente Wärmemenge genannt – erforderlich. Die Größenordnung der Schmelzwärme ist ebenfalls werkstoffabhängig. Um nun die Schmelze auf Gießtemperatur zu überhitzen, ist eine weitere Wärmezufuhr notwendig. Diese Überhitzungswärme wird von der spezifischen Wärmekapazität im flüssigen Zustand bestimmt.

Hierzu ein Beispiel: Für Reinkupfer mit einem Schmelzpunkt von 1083 °C ergibt sich bei einer mittleren spezifischen Wärmekapazität von 0,42 kJ/kg · K für den festen Zustand und 0,5 kJ/kg · K für den flüssigen Zustand sowie einer Schmelzwärme von 212 kJ/kg folgende Energierechnung:

1 kg Kupfer benötigt von 20 °C bis zum Schmelzpunkt von 1083 °C, also für ein Temperaturintervall von 1063 K, eine Erhitzungswärme von 1063 · 0,42 = 446,5 kJ, ferner eine Schmelzwärme von 212 kJ und für eine Bereitstellungstemperatur von 1200 °C, das heißt für ein Temperaturintervall von 1200–1083 = 117 K eine Überhitzungswärme von 117 · 0,5 = 58,5 kJ. Insgesamt beträgt der Wärmebedarf somit 446,5 + 212 + 58,5 = 717 kJ/kg Kupfer.

Für andere Reinmetalle sind die kalorischen Werte in der Tafel angegeben. Der wirkliche Energiebedarf ist natürlich höher, weil im Schmelzofen Wärmeverluste entstehen. Es wird also die zugeführte Energie nicht zu 100 % für das Schmelzen und Überhitzen genutzt. Relativ hohen Wirkungsgrad haben Elektroöfen (65 bis 80 %) und einen sehr viel geringeren die brennstoffbeheizten Tiegel-, Wannen- und Trommelöfen (20 bis 35 %). Hierbei kommt es auch auf die Bauform, das Fassungsvermögen, die Wärmeisolierung und eine eventuelle Abwärmeverwertung an.
 

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