Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen und Warmbehandeln von Feststoffen in einem Schmelzofen oder einer Schmelzwanne sowie Chargen- und Durchlauföfen.

Bisher ist es üblich zum Schmelzen und Warmbehandeln dieser Feststoffe in unterschiedlich konfigurierten Öfen Öl- oder Gasbrenner einzusetzen mit deren heißer Flamme das jeweilige Material erwärmt und 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 und induktives Schmelzen von leitfähigen Feststoffen, insbesondere Metall als Schmelz- bzw. Behandlungsgut 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 grobstückigem Kreislaufmaterials oder Gussbruchs.

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 eine Warmbehandlung und das Schmelzen von Feststoffen durch Nutzung elektrischer Energie, bei der ein heißer Prozessgasstrom durch indirekte induktive Erwärmung zum Schmelzen genutzt werden kann.

Eine solche technische Lösung, die die indirekte induktive Erwärmung eines Prozessgasstromes betrifft, ist in der DE 10 2022 207 481 Al offenbart. Auf deren Inhalt soll im Folgenden Bezug genommen werden.

Dabei ist es aber nachteilig, dass die Erwärmung des Schmelzgutes ausschließlich mit der Wärmeenergie des Prozessgasstromes 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 Prozessgasstrom, abhängig von der Art des Prozessgases, überwiegend kurzwellige elektromagnetische Strahlung emittiert, die zum Schmelzen auf das jeweilige Schmelzgut oder einer Schmelzwanne auftrifft. Diese Strahlung, die überwiegend diskrete (blaue oder grüne) Strahlungsanteile beinhaltet, wird mit einem relativ geringen Wirkungsgrad von den zu schmelzenden oder warmbehandelten 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 Warmbehandeln und/oder Schmelzen von Feststoffen wie z.B. Metallen und Gläsern einfach erhöht werden kann, wenn man zur Erzeugung der erforderlichen Prozesswärme einen heißen Prozessgasstrom, der durch indirekte induktive Erwärmung erhitzt worden ist, nutzt.

Erfindungsgemäß wird diese 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 mindestens ein heißer Prozessgasstrom, der durch induktive Erwärmung mindestens eines Körpers, durch den und/oder an dem vorbei zu erwärmendes Prozessgas in Richtung auf zu warmbehandelnden oder schmelzenden Feststoff (Metall, Glas) oder einer Schmelzwanne oder in einem Abstand zu dessen bzw. deren Oberfläche gerichtet wird und die Erwärmung des mindestens einen Körpers mit einer diesen umschließenden elektrischen Spule, die an eine elektrische Wechselspannungsquelle oder eine gepulst betriebene elektrische Gleichspannungsquelle angeschlossen ist, erreicht wird. Dabei wird ausschließlich die Wärmeenergie des Prozessgasstromes und die emittierte elektromagnetische Strahlung zur Bereitstellung von Prozesswärme genutzt.

Erfindungsgemäß wird/werden in den heißen Prozessgasstrom 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 Prozessgasstromes 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 Prozessgasstrom zusätzlich erwärmen kann. Bei einer chemischen Reaktion sollte möglichst kein H2 oder kein CO bzw. CO2 freigesetzt werden und in den Einflussbereich des warmzubehandelnden oder zu schmelzenden Feststoffs bzw. eines Schmelzguts gelangen können.

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 Strahlungsspektrum (Festköperstrahlung des Kohlenstoffs) angestrebt wird. Der Übergang in ein kontinuierliches Spektrum ermöglicht ein Eindringen des vor allem langwelligen Anteils der elektromagnetischen Strahlung in die Oberfläche des Warmbehandlungsgutes bzw. in die Schmelze hinein, wodurch ein hocheffizienter Wärmeeintrag möglich ist. Bei kurzwelliger, diskreter elektromagnetischer Strahlung hingegen dominiert die Reflexion an der Oberfläche (Feststoff bzw. Schmelze), so dass ein Großteil der Strahlungsenergie die Ofenwandungen erwärmt und mittels Konvektion ungenutzt mit den strömenden Gasen abgeführt wird.

Bevorzugt sollte der Prozessgasstrom mit einem Winkel zwischen 0° und 20 ° in Bezug zur Oberfläche des Warmbehandlungs- oder zu schmelzenden Feststoffs bzw. bereits geschmolzenen Schmelzguts oder der Schmelzwanne ausgerichtet sein. Er kann aber auch direkt auf den warmzubehandelnden oder zu schmelzenden Feststoff gerichtet sein.

Der so mit dem Prozessgasstrom geschmolzene 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, Mg oder Kohlenstoff 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 chemische Verbindung 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.

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

Wie bereits angedeutet, kann als chemisches Element auch C oder eine Kohlenwasserstoffverbindung eingesetzt werden.

Die Zuführung kann prinzipiell in jedem möglichen Aggregatzustand also fest, flüssig oder gasförmig erfolgen. Es besteht auch die Möglichkeit, ein chemisches Element oder eine chemische Verbindung in einem Lösungsmittel also in gelöster Form zuzuführen.

Das mindestens eine chemische Element oder die mindestens eine chemische Verbindung sollte in einen Bereich des Prozessgasstromes 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 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, Vergasungsgase oder Fackelgase oder andere gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Propan, oder Butan zur vorteilhaften Beeinflussung des Spektrums der zum Warmbehandeln und Schmelzen genutzten elektromagnetischen Strahlung eingesetzt werden. Es können auch weitere Gase mit ausreichend breiten Absorptionsbändern eingesetzt werden, insbesondere auch C-freie Gase (z.B. NH3) oder Gasmischungen. („Strahlung von Gasen und Dämpfen").

Werden insbesondere kontaminierte oder toxische Kohlenwasserstoffverbindungen zugeführt, so sollten sie so in den Einflussbereich des Prozessgasstro- mes 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 Warmbehandeln und Schmelzen genutzt werden können.

Insbesondere Kohlenwasserstoffverbindungen können direkt in den heißen Prozessgasstrom eingeführt werden, so dass für eine Dekomposition durch chemische Reaktion(en) ausreichend hohe Temperaturen zur Verfügung stehen. Dort 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 _S + W ₂ 4H ₂ O + 7CO ₂ ) sowie polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe wie Naphthalin, Fluoren oder Pyren

(Bsp. Naphthalin: C _W H _S + 120 ₂ — 4H ₂ O + 10CCU) können unschädlich gemacht werden.

Die bei Verwendung dieser Additive freigesetzte Konzentration an CO2 im Rauchgas ist infolge der sehr geringen Dosierung / Beimischung äußerst gering. Chemische Elemente und chemische Verbindungen, die erfindungsgemäß zugeführt werden, können aber auch unmittelbar oder in einem Abstand von bevorzugt maximal 50 mm nach Austritt des Prozessgasstromes aus der Vorrichtung zugeführt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einer Vorrichtung, wie sie in DE 10 2022 207 481 Al beschrieben ist, durchgeführt werden. Auf deren Offenbarungsgehalt soll vollinhaltlich Bezug genommen werden.

Bei dieser Vorrichtung durchströmt ein Prozessgas einen ersten innen hohlen Körper mit einem vorgebbaren Volumenstrom von einem Eintritt zu einem Austritt. Der erste innen hohle Körper ist von mindestens einer elektrischen Spule umschlossen bzw. umgeben, die an eine elektrische Spannungsquelle, mit der Wechselspannung oder eine gepulste Gleichspannung an die elektrische Spule angelegt wird, angeschlossen ist. Mit der mindestens einen elektrischen Spule ist eine Erwärmung durch elektrische Induktion des ersten innen hohlen Körpers oder mindestens eines Metallkörpers, der/die im Inneren des ersten innen hohlen Körpers angeordnet ist/sind, erreichbar. Dabei strömt das Prozessgas zu seiner Erwärmung an der Innenwand des ersten innen hohlen Körpers und/oder der Oberfläche, bevorzugt der äußeren Oberfläche des mindestens einen Metallkörpers entlang. Der erste innen hohle Körper und der mindestens eine Metallkörper sind jeweils aus einem Werkstoff gebildet, dessen Schmelztemperatur größer als die Maximaltemperatur des erwärmten Prozessgases ist.

Der erste innen hohle Körper und/oder der mindestens eine Metallkörper kann/können aus einem Stahl und/oder einem Refraktärmetall und/oder seinen Legierungen - insbesondere einer Tantal-, Wolfram-, Niob-, oder Molybdänbasislegierung - gebildet sein. In einer Basislegierung sind die genannten Metalle mit mindestens 50 Masse-% enthalten. Der erste innen hohle Körper kann aber auch aus einem Feuerfestmaterial, insbesondere Quarzglas, AI2O3, ZrÜ2 oder MgO gebildet sein, das nicht induktiv erwärmt werden kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn in seinem Inneren der mindestens eine Metallkörper angeordnet ist und dieser induktiv erwärmt wird. Mehrere Metallkörper können auch als lose Schüttung und/oder Ver- bundkörper im Inneren des innen hohlen Körpers angeordnet sein, die vom Prozessgas umströmt werden und dabei das Prozessgas entlang des Strömungswegs vom Eintritt zum Austritt erwärmt wird.

Als Prozessgas kann Luft, aber auch ein anderes Gas oder Gasgemisch eingesetzt werden, das vorteilhaft für den jeweiligen Erwärmungsprozess sein kann. Dies schließt insbesondere auch inerte Gase ein, die eine Beeinflussung der zu erwärmenden Elemente, Stoffe und Gegenstände vermeiden können.

Der Metallkörper kann in Form einer Schnecke, bei der das zu erwärmende Prozessgas durch die Windungen der Schnecke strömt, oder in Form einer Spirale ausgebildet sein. Dabei kann die vergrößerte Oberfläche des mindestens einen Metallkörpers vorteilhaft für die Wärmeübertragung auf das Prozessgas ausgenutzt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, Metallkörper mit Konturelementen (Erhebungen, Vertiefungen) zur Vergrößerung der Gesamtoberfläche des mindestens einen Metallkörpers einzusetzen.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass die mindestens eine elektrische Spule einen aus einem Metall gebildeten zweiten innen hohlen Körper, neben dem aus einem nichtmetallischen Werkstoff gebildeten ersten innen hohlen Körper und den mindestens einen Metallkörper umschließt. Dabei kann der zweite innen hohle Körper aus einem geeigneten Metall oder einer geeigneten Keramik und der erste innen hohle Körper kann aus einem nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere einem keramischen Werkstoff gebildet sein. Dabei sollen beide innen hohlen Körper eine ausreichend hohe Schmelztemperatur aufweisen.

Am Eintritt in die Vorrichtung für das Prozessgas kann ein feuerfestes Verschlusselement zur Vermeidung einer Rückströmung von dem erwärmten Prozessgas angeordnet sein. Dadurch lassen sich Energie- und insbesondere Wärmeverluste reduzieren und der Prozessgaseintritt erfolgt ausschließlich über den entsprechend dimensionierten Eintritt. Der erste innen hohle Körper und der Meta II körper sowie ein ggf. vorhandener zweiter innen hohler Körper sollten rohrförmig ausgebildet sein. Der oder die Körper könnten auch andere Geometrien ihrer inneren freien Querschnittsflächen und/oder ihrer Oberflächen aufweisen. Die Rohrform bietet aber strömungstechnisch und wegen der relativ großen Oberfläche, die zur Erwärmung des Prozessgases beitragen, Vorteile.

Der erste innen hohle Körper kann von einem zweiten und/oder einem dritten innen hohlen Körper umschlossen sein, so dass durch einen Spalt zwischen dem ersten innen hohlen Körper und dem zweiten innen hohlen Körper und/oder durch einen Spalt zwischen dem zweiten innen hohlen Körper und dem dritten innen hohlen Körper zur Erwärmung des Prozessgases im Gegenstrom oder Gleichstrom zur Prozessgasströmung Prozessgas strömt. So ist eine effektive Vorwärmung von Prozessgas und eine Nutzung von Abwärme möglich.

Bei der Erfindung kann die Temperatur des aus dem Austritt austretenden Prozessgases mit einer Anpassung des Prozessgasvolumenstroms und/oder der elektrischen Leistung, mit der die mindestens eine elektrische Spule betrieben wird, geregelt werden. Dazu kann die Temperatur des Prozessgases am Austritt bestimmt werden.

Prozessgas durchströmt die Vorrichtung, tritt am Austritt als Heißgas aus und kann als Heißgasfackel verwendet werden.

Wesentlich für den Wirkungsgrad ist dabei der gute Wärmeübergang vom/von Metallkörper(n) an das vorbeiströmende Prozessgas. Durch eine Rohr-in-Rohr-Lösung mit mehreren innen hohlen Körpern kann eine Wärmeisolation und Vorwärmung des Prozessgases erreicht werden, was den Wirkungsgrad verbessert.

Das mindestens eine chemische Element oder die mindestens eine chemische Verbindung kann in das Innere eines innen hohlen Körpers oder nach dem Austritt des heißen Prozessgasstromes aus der Vorrichtung in den heißen Pro- zessgasstrom eingeführt werden, um die erfindungsgemäß gewünschte Beeinflussung des Strahlungsspektrums der zur Erwärmung von Schmelzgut oder einer Schmelzwanne genutzten elektromagnetischen Strahlung zu erreichen.