Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen und Warmbehandeln von Feststoffen in einem Schmelzofen oder einer Schmelzwanne. Dabei kann eine Warmbehandlung oder ein Schmelzen jeweils allein aber auch beides gleichzeitig durchgeführt werden.

Bisher ist es üblich zum Schmelzen dieser Feststoffe in unterschiedlich konfigurierten Schmelzöfen Öl- oder Gasbrenner einzusetzen mit deren heißer Flamme das jeweilige Material in die flüssige Phase überführt werden kann. Bei der Verbrennung der jeweiligen Kohlenwasserstoffverbindung, welche aus fossilen Quellen stammen, wird durch chemische Oxidation gebildetes CO2 in relativ großen Mengen mit dem Rauchgas in die Erdatmosphäre abgegeben, was unter dem Klimawandelaspekt und dem Verbrauch natürlicher fossiler Ressourcen besonders nachteilig ist.

Des Weiteren ist es auch bekannt, eine induktive Erwärmung von leitfähigen Feststoffen, insbesondere Metall, als Schmelzgut durchzuführen. Infolge der dabei auftretenden elektrischen Wechselfelder tritt aber eine starke Rührwirkung der gebildeten Schmelze auf. Diese führt in hohem Maß zu Oxideinschlüssen im Metall, so dass die Qualität der mit der so erhaltenen Schmelze hergestellten Bauteile stark nachteilig beeinflusst wird. Induktiv beheizte Schmelzöfen sind weiterhin in der Regel infolge ungünstiger Ankopplungsbedingungen schlecht geeignet zum Einschmelzen von grobstückigem Kreislaufmaterial oder Gussbruch.

Auch bekannt sind elektrisch widerstandsbeheizte Öfen. Diese weisen meist nur eine geringe Leistung auf und eignen sich daher in der Regel nur zum Warmhalten bereits flüssigen Metalls durch Unterdrückung der Wärmeverluste.

In jüngerer Vergangenheit sind jedoch technische Möglichkeiten entwickelt worden, bei denen die Erwärmung des Schmelzguts durch Nutzung elektrischer Energie über ein damit ausgebildetes Plasma, mit dem ein Heißgasstrom auf das jeweilige Schmelzgut zu dessen Aufschmelzen gerichtet wird. Dies ist in WO 2021/170652 Al beschrieben.

Dabei ist es aber nachteilig, dass die Erwärmung des Schmelzgutes ausschließlich mit der Wärmeenergie des Heißgas Stromes sowie mit der elektromagnetischen Strahlung erreicht werden kann. Dabei spielt auch das Wellenlängenspektrum der elektromagnetischen Strahlung eine Rolle, da bekanntermaßen unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich von einem entsprechend bestrahlten Werkstoff absorbiert und dabei unterschiedlich stark zu dessen Erwärmung beitragen. So wird von einem Plasma und einem Heißgasstrom kurzwellige elektromagnetische Strahlung emittiert, die beispielsweise zum Schmelzen auf das jeweilige Schmelzgut oder einer Schmelzwanne auftrifft. Diese Strahlung, die überwiegend diskrete (blaue oder grüne) Strahlung santeile beinhaltet, wird mit einem relativ geringen Wirkungsgrad von den zu schmelzenden oder warm zu behandelnden Feststoffen (Metallen, Gläsern) oder einer Schmelzwanne absorbiert, so dass der Gesamtwirkungsgrad entsprechend reduziert ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, bei denen der Wirkungsgrad beim Aufschmelzen oder einer Warmbehandlung von metallischen Schmelzgut oder Glas einfach erhöht werden kann, wenn man zur Erwärmung ein Plasma einer Plasmaquelle nutzt.

Nur der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass der Begriff „Warmbehandlung“ dem technischen Sprachgebrauch entsprechend verwendet wird. Dieser Begriff umfasst daher beispielsweise nicht das Aufbringen einer Beschichtung auf ein Substrat im Plasma an sich, also Verfahren bei denen ausschließlich Beschichtungen hergestellt werden. Eine Warmbehandlung ist beispielsweise das Rekristallisierungsglühen, das Auslagem bei erhöhter Temperatur, eine Phasenumwandlung in einem oder eines Materials, die Härtung eines Materials, etc.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

Bei der Erfindung wird zur Erwärmung des Feststoffs (z.B. Schmelzguts) eine Einrichtung zur Ausbildung eines Plasmas genutzt, die an einem Schmelzofen angeordnet ist. Die Einrichtung ist an eine elektrische Spannungsversorgung und an die Einrichtung mindestens eine erste Zuführung für ein Plasmagas, mit dem das Plasma ausgebildet wird, angeschlossen. Die Einrichtung ist dabei so ausgebildet, dimensioniert, angeordnet und/oder ausgerichtet, dass das ausgebildete Plasma in einem Abstand zum Feststoff (Metall oder Glas) oder einer Schmelzwanne angeordnet ist, und dabei mit dem Plasma ein Heißgasstrom ausgebildet wird, der in Richtung des Feststoffs, insbesondere eines Schmelzguts, oder in einem Abstand entlang der Oberfläche des Feststoffs oder in Richtung oder entlang der Oberfläche einer Schmelzwanne ausgerichtet ist, so dass die Erwärmung des Feststoffs oder einer Schmelzwanne ausschließlich mittels Wärmeenergie des Heißgasstroms und durch emittierte elektromagnetische Strahlung erreicht wird. Das ausgebildete Plasma sollte dabei ausschließlich als Wärmequelle zur Erwärmung des Heißgas Stromes und ggf. als Energiequelle zur chemischen Aufspaltung von Kohlenwasserstoffverbindungen oder Salzen durch chemische Reaktion(en) fungieren. Bevorzugt sollte der Heißgasstrom in einem Winkel im Bereich 0° bis 20 ⁰ in Bezug zur Oberfläche des Feststoffs oder der Schmelzwanne ausgerichtet sein.

Erfindungsgemäß wird/werden in das Plasma und/oder den Heißgasstrom und/oder in die Behandlung skammer (insbesondere den Ofenraum), in der (dem) der Feststoff zur Behandlung angeordnet ist, mindestens ein chemisches Element und/oder mindestens eine chemische Verbindung eingeführt und von dem chemischen Element bzw. der chemischen Verbindung werden Ionen mit der Wärme des Plasmas und/oder des Heißgas Stromes in einen angeregten Zustand überführt. In Kombination mit der Überführung in einen angeregten Zustand werden Photonen freigesetzt. Allein oder zusätzlich zur Anregung der Ionen kann mindestens eine exotherme chemische Reaktion initiiert werden, deren Energie den Heißgasstrom zusätzlich erwärmen kann.

In jedem Fall wird dadurch der Anteil der elektromagnetischen Strahlung, die auf das Schmelzgut gerichtet wird, mit Wellenlängen von > 575 nm um mindestens 10 %, bevorzugt um mindestens 30 % des gesamten Spektrums der elektromagnetischen Strahlung erhöht, wobei bevorzugt ein Übergang von einem diskreten in ein kontinuierliches Strahlungs Spektrum angestrebt wird. Der Übergang in ein kontinuierliches Spektrum ermöglicht ein Eindringen des vor allem langwelligen Anteils der elektromagnetischen Strahlung in die Schmelze hinein, wodurch ein hocheffizienter Wärmeeintrag möglich ist. Bei kurzwelliger, diskreter elektromagnetischer Strahlung hingegen dominiert die Reflexion an der Oberfläche des jeweiligen Feststoffs, so dass ein Großteil der Strahlungsenergie die Ofenwandungen erwärmt und mittels Konvektion mit den strömenden Gasen abgeführt wird. Durch die Einbringung des zumindest einen chemischen Elements bzw. der zumindest einen chemischen Verbindung wird also der Anteil an Strahlung mit Wellenlängen > 575 nm um mindestens 10 % erhöht (bezogen auf den Anteil an Strahlung mit Wellenlängen > 575 nm vor der die Einbringung des zumindest einen chemischen Elements bzw. der zumindest einen chemischen Verbindung), wobei bevorzugt die restlichen Bedingungen bzw. Parameter aber zumindest annähernd unverändert bleiben. Durch die Erhöhung dieses Anteils and Strahlungsenergie wird insbesondere die Temperatur des Plasmas an sich zumindest annähend nicht verändert. Die Änderung der Temperatur des Plasmas kann dabei insbesondere kleiner 10 %, vorzugsweise kleiner 5 %, bezogen auf die Temperatur des Plasmas ohne die Zugabe des zumindest einen chemischen Elements bzw. der zumindest einen chemischen Verbindung, betragen. Diese Angaben beziehen sich dabei auf die durchschnittliche Kemtemperatur des Plasmas.

Ein so mit Plasma und/oder dem Heißgasstrom geschmolzener Feststoff kann dann in eine Schmelzwanne oder einen Tiegel im Schmelzofen überführt werden. In einer Schmelzwanne geschmolzener Feststoff (Metall oder Glas) kann daraus abgeführt oder daraus entnommen werden.

Als chemisches Element kann man Na, Ca, Sr, Li, Rb oder Mg oder als chemische Verbindung kann man mindestens eine chemische Verbindung einsetzen, in der mindestens eines dieser chemischen Elemente enthalten ist. Von den Alkalimetallen kann man insbesondere deren Salze als z.B. wässrige Salzlösungen einsetzen. So führt der Einsatz von Natrium oder einer Natriumverbindung zu einer Verfärbung in gelbe elektromagnetische Strahlung, bei Ca oder Calziumverbindung zu orange-rot, Sr oder einer Strontiumverbindung zu rot, Li oder einer Lithiumverbindung zu rot und Rb bzw. einer Rubidiumverbindung ebenfalls zu rot infolge des bekannten Effekts der Flammfärbung. Der Einsatz von kohlenstoffhaltigen Verbindungen führt zu einem kontinuierlichen Spektrum mit Maximum im gelben Strahlungsbereich.

Es kann auch eine Kohlenstoffverbindung eingesetzt werden. Es sollte aber kein Metall, das ausgewählt ist aus Eisen, Kupfer und Aluminium und kein reiner Kohlenstoff als chemisches Element eingesetzt werden.

Das mindestens eine chemische Element und/oder die mindestens eine chemische Verbindung sollte mit einem Anteil größer 0 bis 15 Vol.-%, bevorzugt größer 0,2 Vol.-%, oder größer 0,5 Vol.-%, bis maximal 10 Vol.-% in Bezug zum zugeführten Plasmagas und Heißgasstrom zugeführt werden.

Die Zuführung kann im festen oder gasförmigen oder flüssigen Aggregatzustand erfolgen. Es besteht auch die besonders bevorzugte Möglichkeit, ein chemisches Element oder eine chemische Verbindung in einem Lösungsmittel also in gelöster Form, insbesondere als Salzlösung zuzuführen.

Das mindestens eine chemische Element oder die mindestens eine chemische Verbindung sollte, wenn es/sie nicht bereits in das Plasma eingeführt worden ist, in einen Bereich des Heißgas Stromes und/oder die Behandlungskammer zugeführt werden, in dem eine Mindesttemperatur von 750 °C eingehalten wird. Dies ist dabei von besonderer Bedeutung, wenn der Anteil langwelliger elektromagnetischer Strahlung ab Wellenlängen von 575 nm und größer durch Zuführung eines entsprechenden chemischen Elements und/oder einer von chemischen Verbindungen erreicht werden soll, die dazu chemisch reagieren müssen. Dies ist insbesondere bei der Zuführung von Kohlenwasserstoffverbindungen vorteilhaft.

Neben Ölen können beispielsweise auch kohlenwasserstoffhaltige Prozessgase wie Pyrolysegase (z.B. von lackiertem Schrott), Vergasungsgase oder Fackelgase oder andere gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Butan oder Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid oder Ammoniak bzw. andere homologe Stickstoff-Wasserstoffverbindungen oder Wasserdampf oder Stickstoff oder Mischungen aus zumindest zwei der genannten Gase, wie beispielsweise eine Mischung aus Stockstoff und einem gasförmigen Kohlenwasserstoff, etc., zur vorteilhaften Beeinflussung des Spektrums der zum Schmelzen genutzten elektromagnetischen Strahlung eingesetzt werden. Es sind auch Mischungen aus zumindest einem Gas und zumindest einem Feststoff einsetzbar.

Als Feststoff kann auch partikuläres A12O3, Kalk, Ruß, Steinkohlestaub, Eisen zugesetzt werden, wobei Ruß, Steinkohlestaub, Eisen nicht bevorzugt werden.

Werden insbesondere kontaminierte oder toxische Kohlenwasserstoffverbindungen zugeführt, so sollten sie so in den Einflussbereich des Plasmas, des Heißgasstromes eingeführt werden, dass aufgrund der vorliegenden Temperaturen und Gaszusammensetzung diese chemischen Verbindungen aufgebrochen werden. Kontaminierte oder toxische Kohlenwasserstoffverbindungen können beispielsweise Öle sein, die in Transformatoren zur Kühlung genutzt worden sind. Dies können auch verbrauchte Thermoöle zur Beheizung oder Kühlung von Hochtemperaturprozessen, Öl- bzw. Teerkondensate aus Pyrolyseprozessen (biogener Reststoffe), Lösemittelabfälle, biogene oder mineralische - oder Abfallöle sein.

So kann man das erfindungsgemäße Verfahren auch für eine gefahrlose Entsorgung nutzen, da die gefährlichen Komponenten chemisch in nicht oder erheblich weniger gefährliche Komponenten umgewandelt werden können und gleichzeitig zur Erhöhung des Wirkungsrades beim Schmelzen genutzt werden können.

Insbesondere Kohlenwasserstoffverbindungen können direkt in ein ausgebildetes Plasma eingeführt werden, so dass für eine Dekomposition durch chemische Reaktion(en) ausreichend hohe Temperaturen zur Verfügung stehen.

Im Plasmagas kommt es somit zur vollständigen Zersetzung und Oxidation der Kohlenwasserstoffe. Zum Beispiel Aromaten wie Toluol, Benzol, Phenol, Xylol oder Furan

(Bsp. Toluol: C ₇ H ₈ + 9O ₂ -+ 4H ₂ O + 7CO ₂ ) sowie polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe wie Naphthalin, Fluoren oder Pyren

(Bsp. Naphthalin: C ₁₀ H ₈ + 120 ₂ 4H ₂ 0 + 10CO ₂ ) können unschädlich gemacht werden.

Chemische Elemente und chemische Verbindungen, die erfindungsgemäß zugeführt werden, können aber auch unmittelbar oder in einem Abstand von bevorzugt maximal 50 mm nach dem Austritt des Heißgas Stromes aus einer Einrichtung mit der ein Plasma ausgebildet werden kann zugeführt werden.

Eine Einrichtung zur Ausbildung eines Plasmas kann mit einem Mikrowellengenerator und daran angeschlossenem Resonator mit mindestens einer Reflexionsplatte für generierte Mikrowellen, der als Hohlleiter ausgebildet ist, ausgebildet sein. Außerdem kann eine elektrische Zündeinrichtung mit einer gegenüber einem Gehäuse elektrisch isolierten Zündelektrode Bestandteil der Einrichtung sein. Die Zündeinrichtung dient dabei ausschließlich dem Zünden eines Plasmas und kann angeschaltet werden, wenn ein Plasma nach mit generierten Mikrowellen erfolgter Ausbildung freier Ladungsträger des eingesetzten Plasmagases in ausreichend großer Menge ausgebildet worden ist.

Das Plasma sollte dabei im Bereich stehender Mikrowellen innerhalb des Resonators vor der mindestens einen Reflexionsplatte mit dort strömendem Plasmagas ausgebildet sein. Eine translatorische Bewegung des ausgebildeten Plasmas kann weitestgehend vermieden werden, so dass es eine stationäre Wärmequelle zur Ausbildung eines Heißgasstromes bilden kann.

Das Plasma sollte in einem Gehäuse der Einrichtung ausgebildet sein, wobei der Heißgasstrom über mindestens ein Strömungsführungselement in Richtung zu behandelnden Stoff bzw. Schmelzgut oder Schmelzwanne in das Innere des Schmelzofens gerichtet werden sollte. Als Strömungsführungselement(e) kann man rohr- oder kanalförmige Elemente einsetzen, durch die das heiße Gas in Richtung Schmelzgut oder Schmelzwanne strömen kann. Strömungsführungselemente können aus einem Glas, einer Glaskeramik oder reinem keramischen Werkstoff gebildet sein. Es können auch mindestens zwei Strömungsführungselemente vorhanden sein. Dabei kann ein Strömungsführungselement zumindest in einem Bereich innerhalb eines Strömungsführungselements mit größerem Innendurchmesser oder größerer freier Querschnittsfläche angeordnet sein und dort eine Abschirmung gegen Wärme bilden. Strömungsführungselemente sollten sich nicht direkt berühren.

In einer weiteren Alternative kann die Einrichtung mit zwei in einem Abstand zueinander angeordneten Elektroden, zwischen denen ein Plasmagas in Richtung Schmelzgut oder Schmelzwanne strömt und eine elektrische Bogenentladung abläuft, gebildet sein. Dabei kann die Einrichtung analog zu einem an sich bekannten Plasmabrenner, wie er zum Schneiden und Schweißen von Werkstoffen eingesetzt wird, ausgebildet sein. Dabei ist eine Elektrode in der Regel aus Graphit, Kupfer, Wolfram, Hafnium oder einer Legierung davon gebildet. Die Gegenelektrode kann ein Gehäuse bilden, durch das Plasmagas strömt. Lediglich die Dimensionierung und die Betriebsparameter sollte man an die Applikation zum Schmelzen von Metall oder Glas anpassen. Aber auch in diesem Fall sollte das gebildete Plasma nicht mit dem Schmelzgut in direkten Kontakt gelangen und lediglich als Wärmequelle zum Erhitzen eines Gases dienen, das als Heißgasstrom oder einer freien Gasfackel zum Schmelzen genutzt werden kann.

Als Plasmagas kann man Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf, Rauchgas, Inertgas, Wasserstoff, Methan, Kohlenmonoxid oder ein Gemisch dieser Gase einsetzen.

Eine solche Einrichtung ist in WO 2021/170652 Al beschrieben, auf deren Offenbarung vollumfänglich verwiesen wird.

Mit einer solchen Einrichtung konnten bei Versuchen, bei denen ein Plasma mit einem Mikrowellengenerator bei einer elektrischen Leistung von 6 kW und einer Zufuhr von 501/min Luft als Plasmagas ohne eine Zuführung eines chemischen Elements oder einer chemischen Verbindung im Vergleich zu einer Versuchsdurchführung, bei der Butan mit 5 1/min in den Heißgasstrom unmittelbar nach dem Austritt aus der Einrichtung in einer Entfernung von 100 mm vom Ausritt aus der Einrichtung eine um ca. 200 °C erhöhte Temperatur, in einer Entfernung von 150 mm vom Austritt um ca. 165 °C und in einer Entfernung von 200 mm eine um ca. 125 °C erhöhte Temperatur des Heißgasstromes ermittelt werden, wodurch der erfindungsgemäß gewünschte Effekt sicher eingetreten ist.