Der Kupolofen: Aufbau, Betrieb und Anwendungen

Ein Kupolofen (Cupola Furnace) ist ein zylindrisches Gerät zum Erhitzen und Schmelzen von Metallen wie Eisen und Bronze. Diese Hochöfen haben typischerweise einen Durchmesser zwischen 0,5 und 4 Metern (1,5 bis 13 Fuß) und ähneln äußerlich einem Schornstein. Zum Betrieb wird der Zylinder meist mit abwechselnden Schichten aus Metall und Koks befüllt; Flussmittel wie Kalk oder Kohlenstoffzusätze können ebenfalls hinzugefügt werden. Wenn das Metall schmilzt, fließt es nach unten und kann über einen Auslauf an der Vorderseite des Ofens abgelassen werden. Nach Abschluss des Laufs können diese Öfen durch Öffnen einer Entleerungsklappe am Boden geleert und für den nächsten Einsatz vorbereitet werden, indem verbliebener Koks und andere Materialien entfernt werden.

Geschichtliche Entwicklung

Archäologische Funde deuten darauf hin, dass Kupolofen-Designs bereits im 3. Jahrhundert v. Chr. in China verwendet wurden. Frühe Beispiele dienten in der Chunqiu-Periode zum Gießen von Bronze. In Europa wurden Kupolöfen ab dem 17. Jahrhundert für Gusseisen genutzt. Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts blieb der Kupolofen die primäre Methode zum Gießen von Eisen. Die meisten Gießereien stiegen später auf Induktionsöfen um, doch Kupolöfen werden in einigen Fällen weiterhin eingesetzt.

Der Betrieb: Eine „Kampagne“

Wenn ein Kupolofen in Betrieb ist, spricht man typischerweise von einer „Kampagne“. Zu Beginn wird Koks in den Ofen gefüllt und entzündet. Öffnungen (Tuyeren) führen Luft in den brennenden Koks ein, was eine Art Hochofen erzeugt. Die Luftzufuhr lässt den Koks sehr heiß werden, woraufhin Metall in den Ofen gegeben werden kann. Weitere Koks-Schichten werden hinzugefügt, damit der Heizprozess fortgesetzt wird, und Kalk oder andere Flussmittel können zur Reduzierung der Oxidation beigemischt werden.

Schmelzprozess und Entleerung

Die Hitze aus den unteren Schichten des brennenden Koks steigt typischerweise durch den Zylinder auf, erhitzt die oberen Metallschichten und schmilzt sie. Kohlenstoff aus dem Koks kann sich mit dem flüssigen Metall verbinden, während es durch die unteren Schichten läuft und sich am Boden sammelt. In einigen Fällen können Zusätze wie Siliziumkarbid beigefügt werden, um den Kohlenstoffgehalt zu erhöhen. Nachdem sich genügend flüssiges Metall am Boden des Kupolofens gesammelt hat, kann der Bediener einen Auslaufhahn öffnen, um es in ein Auffanggefäß abzulassen. Typischerweise gibt es einen weiteren Auslauf an einer höheren Stelle an der Rückseite des Geräts, über den Schlacke abgelassen werden kann.