Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen, insbe sondere Nichteisenmetallen. Dabei sollen unter den Begriff Metalle auch ent- sprechende Legierungen verstanden werden, deren Schmelztemperatur eben falls möglichst kleiner 1000 °C sein sollte. Die Erfindung ist insbesondere zum Schmelzen von Aluminium und dessen Legierungen geeignet.

Bisher ist es üblich zum Schmelzen dieser Metalle in unterschiedlich konfigu- rierten Schmelzöfen Öl- oder Gasbrenner einzusetzen mit deren heißer Flam me das jeweilige Metall in die flüssige Phase überführt werden kann. Bei der Verbrennung der jeweiligen Kohlenwasserstoffverbindung wird durch chemi sche Oxidation gebildetes CO2 in relativ großen Mengen in die Erdatmosphäre frei gesetzt, was unter dem Klimawandelaspekt extrem nachteilig ist.

Des weiteren ist es auch bekannt, eine induktive Erwärmung von 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 Ein schmelzen grobstückigem Kreislaufmaterial oder Gussbruch.

Auch bekannt sind elektrisch widerstandsbeheizte Öfen. Diese weisen meist nur eine geringe Leistung und eignen sich daher in der Regel nur zum Warm halten bereits flüssigen Metalls.

Es gab auch bereits Bestrebungen Plasma zum Schmelzen von Metall einzu setzen. Dabei wurde ein elektrischer Lichtbogen genutzt, um Plasma auszubil den. Dazu wurde eine Elektrode mit noch ungeschmolzenem Schmelzgut kon taktiert. Dies führt aber zu Kontaminationen des jeweiligen zu schmelzenden Metalls, die nicht vermeiden bzw. gezielt beeinflusst werden können. Ein Kon taktverlust führt zum sofortigen Abbruch des Lichtbogens während des Nie- derschmelzens und muss daher durch sehr aufwändige Prozessführung ver mieden werden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für das Schmelzen von Me tall anzugeben, bei denen der anlagentechnische Aufwand in Grenzen gehal ten, die Freisetzung von CO2 vor Ort sowie eine Kontamination der erhaltenen Schmelze in weitesten Grenzen vermieden werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen, insbe sondere Nichteisenmetallen, deren Schmelztemperatur bevorzugt kleiner 1000 °C ist, ist an einem Schmelzofen eine Einrichtung zur Ausbildung eines Plasmas in Form einer freien Gasfackel und Wärmeübertragung durch Strah lung auf das Schmelzgut angeordnet. Dabei kann es sich um einen ansonsten bekannten und auch unverändert konfigurierten Schmelzofen handeln. Vor- zugsweise eignen sich Schacht- Herd- aber auch Tiegelöfen.

Die Einrichtung ist an eine elektrische Spannungsversorgung und außerdem ist mindestens eine erste Zuführung für ein Plasmagas, mit dem das Plasma aus bildbar ist, angeschlossen.

Die Einrichtung ist so ausgebildet, dimensioniert, angeordnet und/oder ausge richtet, dass das ausgebildete Plasma in einem Abstand zum metallischen Schmelzgut angeordnet ist, und dabei mit dem Plasma ein Heißgasstrom aus bildbar ist, der in Richtung des Schmelzguts ausgerichtet ist. Das ausgebildete Plasma kommt somit in keinem Fall mit dem ungeschmolzenen Schmelzgut oder der Schmelze in unmittelbaren Kontakt. Es kann dadurch auch der Ein satz einer Elektrode, die Schmelzgut oder Schmelze kontaktiert vermieden werden, da keine solche Elektrode vorhanden sein sollte.

Das ausgebildete Plasma sollte dabei ausschließlich als Wärmequelle fungie ren. Dadurch kann die Erwärmung des metallischen Schmelzguts ausschließ lich mittels der Wärmeenergie des Heißgasstroms und durch vom Plasma emittierte Wärmestrahlung erreicht werden.

Das generierte Plasma sollte dazu so ausgebildet und in der Vorrichtung so angeordnet sein, dass keine zumindest nahezu keine freien elektrisch gelade nen Teilchen (insbesondere Ionen, Elektronen) mit dem aufzuschmelzenden Metall in direkten Kontakt treten können. Dazu kann auch der Volumenstrom und die Strömungsgeschwindigkeit mindestens eines weiteren zugeführten Gases, mit dem der Heißgasstrom im Wesentlichen ausgebildet wird, entspre chend eingestellt bzw. geregelt werden.

Das Plasma kann auch mit einem weiteren Gas (Sekundärgas) so vermischt werden, so mit dem Plasma eine stabile Plasmafackel oder Gasfackel ausge bildet wird, die auch Strahlungsenergie in Richtung des Schmelzgutes abgibt. Das Schmelzgut kann mit dem Heißgas der Plasma- oder Gasfackel und zusätz lich der Strahlungsenergie zur Wärmeübertragung und zum Schmelzen des Schmelzguts im Ofenraum des Schmelzofens genutzt werden.

Zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls ist eine Schmelzwanne oder ein Tiegel im Schmelzofen angeordnet.

In einer erfindungsgemäßen Alternative kann die Einrichtung mit einem Mik rowellengenerator und daran angeschlossenem Resonator mit mindestens

5 einer Reflexionsplatte für generierte Mikrowellen, der als Hohlleiter ausgebil det ist, ausgebildet sein. Außerdem sollte eine elektrische Zündeinrichtung mit einer gegenüber einem Gehäuse elektrisch isolierten Zündelektrode Be standteil der Einrichtung sein. Die Zündeinrichtung dient dabei ausschließlich dem Zünden eines Plasmas und kann angeschaltet werden, wenn ein Plasma

10 nach mit generierten Mikrowellen erfolgter Ausbildung freier Ladungsträger des eingesetzten Plasmagases in ausreichend großer Menge ausgebildet wor den ist.

Das Plasma sollte dabei im Bereich stehender Mikrowellen innerhalb des Re

15 sonators 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.

20 Das Plasma sollte bei dieser Alternative im Gehäuse der Einrichtung ausgebil det sein, wobei der Heißgasstrom über mindestens ein Strömungsführungs element in Richtung Schmelzgut in das Innere des Schmelzofens gerichtet werden sollte. Als Strömungsführungselement(e) kann man rohr- oder kanal förmige Elemente einsetzen, durch die das heiße Gas in Richtung Schmelzgut

25 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

BO größerer freier Querschnittsfläche angeordnet sein und dort eine Abschir mung gegen Wärme bilden. Strömungsführungselemente sollten sich nicht direkt berühren.

In einer weiteren Alternative kann die Einrichtung mit zwei in einem Abstand

35 zueinander angeordneten Elektroden, zwischen denen ein Plasmagas in Rich tung Schmelzgut strömt und eine elektrische Bogenentladung abläuft, gebil- det sein. Dabei kann die Einrichtung analog zu einem an sich bekannten Plas mabrenner, wie er zum Schneiden und Schweißen von Werkstoffen eingesetzt wird, ausgebildet sein. Dabei ist eine Elektrode in der Regel aus Wolfram, Haf nium oder einer Legierung davon gebildet. Die Gegenelektrode kann ein Ge häuse bilden, durch das Plasmagas strömt. Lediglich die Dimensionierung und die Betriebsparameter sollte man an die Applikation zum Schmelzen von Me tall 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 Gas fackel zum Schmelzen genutzt werden kann.

An das Gehäuse kann mindestens eine weitere Zuführung für Plasmagas oder ein weiteres Gas (Sekundärgas) angeschlossen sein. Diese weitere Zuführung kann in einem Abstand zur ersten Zuführung angeordnet sein. Bevorzugt kann die weitere Zuführung im Bereich des ausgebildeten Plasmas bzw. in Strö mungsrichtung dahinter angeordnet sein.

Vorteilhaft kann die elektrische Leistung des Mikrowellengenerators der Ein richtung oder der elektrischen Bogenentladung, der Volumenstrom des Plas magases und/oder der Volumenstrom des weiteren Gases geregelt werden. Dabei kann beispielsweise eine gemessene Temperatur die Regelgröße dar stellen. Dies kann die Temperatur des Heißgasstromes, des Plasmas, des Schmelzguts oder der Schmelze sein. Die Temperatur sollte bevorzugt berüh rungslos, beispielsweise mittels Thermografie oder einem Pyrometer be stimmt werden. Es kann aber auch die Temperatur geregelt werden. Dies kann in Abhängigkeit der Prozessführung beispielsweise zum Schmelzen bzw. Warmhalten einer Schmelze erfolgen.

Es besteht auch die Möglichkeit, den Mikrowellengenerator so zu regeln, dass die Länge der mit dem Plasma gebildeten Gasfackel oder die Länge der ausge bildeten Plasmafackel in Richtung Schmelzgut angepasst wird, so dass insbe sondere der Anteil an nutzbarer Strahlungsenergie beeinflusst werden kann.

Vorteilhaft kann man Plasmagas tangential mit einem Drall in das Gehäuse einströmen lassen, bevor es unter den Einfluss der Mikrowellen gelangt. Dadurch kann die Kontaktzeit verlängert und die freien Ladungsträger (Ionen, Elektronen) können effektiver auf ein höheres Energielevel gebracht werden, so dass der Wirkungsgrad erhöht werden kann.

Es kann aber auch allein oder zusätzlich ein weiteres Gas tangential in das Gehäuse einströmen. Dabei besteht die Möglichkeit, Plasmagas parallel zur Längsachse des Gehäuses der Einrichtung oder der Strömungsrichtung des Heißgasstromes in das Gehäuse einzuführen. Es kann dabei durch eine Ein strömöffnung, die unmittelbar neben der Zündeinrichtung angeordnet sein kann, in das Gehäuse der Einrichtung einströmen.

Einlässe für Plasmagas können über den Umfang verteilt am Gehäuse ange ordnet sein, über die Plasmagas aus der Zuführung in das Gehäuse einströmen kann.

Vorteilhaft kann man Argon als Plasmagas und/oder weiteres Gas einsetzen, da es in Bezug zum Schmelzgut und der Schmelze vollkommen inert ist. Stick stoff als Plasma oder weiteres Gas sollte man insbesondere beim Schmelzen von Aluminium oder dessen Legierungen vermeiden. Sauerstoff oder Luft för dern die Oxidation und sind daher diesbezüglich nachteilig.

Man kann aber auch ein Gasgemisch als Plasmagas oder weiteres Gas einset zen. Dabei kann man die jeweiligen Gasanteile des Gasgemisches an das je weilige zu schmelzende Metall anpassen. So kann man beispielsweise Argon mit Luft mischen, wobei der Luftanteil kleiner als der Argonanteil sein sollte.

Es kann auch eine Rückführung für aus dem Schmelzofen abgezogenes heißes Gas vorhanden sein, mit der eine erneute Nutzung dieses Gases als Plasmagas und/oder weiteres Gas im Kreislauf oder eine anderweitige Nutzung der Restwärme erreicht werden kann. Ein Kreislaufbetrieb ermöglicht es die er forderliche Menge an zuzuführendem Plasmagas oder weiterem Gas zu ver ringern, was insbesondere für Argon die Kosten reduziert.

Es kann aber auch die Restwärme des abgezogenen heißen Gases, beispiels weise für das Warmhalten der erhaltenen Schmelze oder eine Vorwärmung von insbesondere weiterem Gas ausgenutzt werden. Bei der Erfindung können Mikrowellen mit einer Frequenz im Bereich 500 MHz bis 5000 MHz, bei einer elektrischen Leistung im Bereich 5 kW bis 3000 kW eingesetzt werden.

Der Gesamtvolumenstrom an Plasmagas und/oder weiterem Gas sollte min destens so groß gewählt werden, dass der in den Schmelzofen einströmende Heißgasstrom das ungeschmolzene Schmelzgut erreicht, zumindest jedoch in seine Nähe gelangt, so dass das Schmelzgut infolge Wärmestrahlung aufge schmolzen wird.

Vorteilhaft ist es außerdem eine Zündelektrode einer Zündeinrichtung für Plasma, das mittels Mikrowellen generiert wird, in einer Strahlenfalle anzu ordnen. Dazu kann man diese Zündelektrode in einem rohr- oder kanalförmi gen Element anordnen, dessen Innendurchmesser oder dessen innere freie Querschnittsfläche kleiner ist, als der/die des Gehäuses der Einrichtung in dem das Plasma ausgebildet ist. Besonders günstig ist es dabei, wenn die Spit ze dieser Elektrode im rohr- oder kanalförmigen Element zurückgesetzt ist, d.h. dass diese Spitze im Inneren der Strahlenfalle angeordnet ist. Mittels ei ner solchen Ausführung kann die Lebensdauer dieser Zündelektrode erhöht und es können Kontaminationen der Schmelze mit dem Werkstoff dieser Elektrode vollständig vermieden werden.

Die Einrichtung zur Ausbildung eines Plasmas kann vorteilhaft in einer schwenkbaren Vorrichtung am Ofenkörper befestigt sein, so dass eine gezielte und veränderbare Führung der Gasfackel, Plasmafackel oder des Heiß gasstromes im Ofenraum ermöglicht ist. Dadurch kann die Richtung einer Gas fackel oder Plasmafackel verändert werden und eine lokal gezielte Erwärmung des jeweiligen Schmelzgutes im Ofenraum erreicht werden. Es können so bei spielsweise äußere Ränder oder das Zentrum des im Ofenraum angeordneten Schmelzgutes je nach momentanen Bedarf mehr oder weniger erwärmt wer den.

Bei der Erfindung kann man das Gehäuse zumindest bereichsweise Kühlen. Es kann auch eine Temperierung insbesondere an dem/den Strömungsführungs- element(en) vorteilhaft sein, um vorteilhaft die Wirkung starker Temperatur wechsel in diesem Bereich zu verringern, besonders vorteilhaft sollten große kurzzeitig auftretende Temperaturdifferenzen vermieden werden.

Mit der Erfindung kann, wie bereits ausgeführt, der Anteil an frei gesetztem CO2 erheblich reduziert werden. Vorhandene Schmelzöfen können mit sehr geringem Aufwand um- bzw. nachgerüstet werden. Die Qualität des er schmolzenen Metalls entspricht zumindest der, wie sie mit herkömmlichen Gas- oder Ölbrennern erreicht werden kann. Kontaminationen und Oxidation des erschmolzenen Metalls können zumindest weitestgehend, wenn nicht sogar vollständig vermieden werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei können Merkmale unabhängig vom jeweiligen Beispiel oder der entsprechen den Darstellung in einer Figur miteinander kombiniert werden. Die einzelnen Merkmale sind nicht auf das jeweilige Beispiel oder die jeweilige Darstellung beschränkt.

Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Beispiels einer erfindungsgemä ßen Vorrichtung und

Figur 2 eine Schnittdarstellung durch einen Teilbereich eines Beispiels einer Einrichtung zur Ausbildung eines Plasma mittels Mikrowellen.

In Figur 1 ist schematisch ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Schmelzofen 1 gezeigt. An einer Seite des Schmelzofens 1 ist eine Tür (nicht dargestellt vorhanden, über die eine Beschickung des Schmelz ofens 1 mit ungeschmolzenem Schmelzgut 9 möglich ist. Das ungeschmolzene Schmelzgut 9 kann dabei auf einer Schmelzbühne 4 abgesetzt sein, die in ei nem Winkel, bei dem gezeigten Beispiel einem Winkel von 10 ⁰ schräg geneigt ist, so dass geschmolzenes Metall von der Schmelzbühne 4 in den Tiegel 5 oder eine nicht dargestellte Schmelzwanne abtropfen kann.

Am Gehäuse 6 des Schmelzofens 1 ist eine Einrichtung 2 zur Ausbildung eines Plasmas angeflanscht und dabei mindestens ein hier nicht gezeigtes Strö mungsführungselement für einen Heißgasstrom durch die Gehäusewand des Schmelzofens 1 in das Innere des Schmelzofens 1 geführt, so dass mindestens ein Heißgasstrom auf das ungeschmolzene Schmelzgut 9 gerichtet werden kann. Das Gehäuse ist schwenkbar gelagert, so dass dadurch ein Nachführen der mit dem Plasma 8 ausgebildeten Gas-, Plasmafackel oder eines Heiß gasstromes während des Schmelzens ermöglicht wird.

Mittels eines in der Gehäusewand 6 des Schmelzofens 1 eingelassenen Sicht fensters kann man den Schmelzvorgang von außen beobachten oder man kann auch von dort eine Temperaturbestimmung im Inneren des Schmelz ofens 1 vornehmen.

In Figur 1 ist außerdem ein Abzug 7 für heißes Abgas am Schmelzofen 1 vor handen, durch den heißes Abgas aus dem Schmelzofen 1 abgezogen werden kann. Das heiße Abgas kann im Kreislauf geführt und beispielsweise als Plas ma- oder weiteres Gas wieder rückgeführt werden.

Man kann abgezogenes heißes Abgas auch zum Warmhalten von Schmelze oder für eine andere Nutzung einsetzen, bei der man die Wärmeenergie aus nutzen kann.

Heißes Abgas kann auch durch einen Wärmetauscher geführt werden.

In Figur 2 sind wesentliche Elemente einer Einrichtung 2 zur Ausbildung eines Plasmas gezeigt. Auf die Darstellung eines Mikrowellengenerators, der ein handelsübliches Produkt sein kann, wurde verzichtet. Er ist an den Resonator 10 angeflanscht.

Die mit dem Mikrowellengenerator generierten Mikrowellen 11 können im Resonator 10 als stehende Wellen erhalten werden. Dazu ist auch eine Refle xionsplatte 10.1 in einem Flansch des Gehäuses 13 der Einrichtung 2 einem zweiten Flansch 21 gegenüberliegend angeordnet. An den zweiten Flansch 21 ist der Mikrowellengenerator angeschlossen.

Die Reflexionsplatte 10.1 kann aus einem Glas gebildet sein. In der Nähe der Reflexionsplatte 10.1 für Mikrowellen ist eine Zuführung 17 für ein Kühlgas im Gehäuse 13 der Einrichtung 2 vorhanden. Kühlgas kann zusätzlich zur Kühlwir- kung auch entlang der Oberfläche der Reflexionsplatte 10.1 im Inneren des Gehäuses 13 strömen und dieses reinigen bzw. frei von Partikeln zu halten.

In Figur 2 ist links am Gehäuse 13 der Einrichtung 2 eine Zündeinrichtung mit einer stabförmigen Zündelektrode 12 erkennbar. Die an einen Pol einer nicht gezeigten elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist. Wird an diese Zünd elektrode 12 kurzzeitig eine elektrische Spannung angelegt kann eine zusätzli che Erhöhung der Energie von zugeführtem Plasmagas erreicht werden, die zum Zünden eines Plasmas 8 im Bereich des Resonators 10 und dort ausgebil deten stehenden Mikrowellen 11 führt. Nachdem das Plasma 8 gezündet worden ist, kann die Zündeinrichtung abgeschaltet werden.

Das Gehäuse 13 kann im Bereich der Zündeinrichtung mit der Zündelektrode 12 als Strahlfalle, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, ausge bildet sein.

Plasmagas kann allein durch die Strahlfalle oder allein durch über den Umfang des Gehäuses 13 verteilt angeordnete Einlässe 18 einströmen. Es ist aber auch eine Kombination davon möglich.

Durch ein tangentiales Einströmen durch bevorzugt mehrere Einlässe 18 kann ein Dralleffekt erreicht und ausgenutzt werden.

Bei dem gezeigten Beispiel ist auf eine weitere Zuführung für ein weiteres Gas verzichtet worden. Mindestens ein weiteres Gas kann aber in das Gehäuse 13 der Einrichtung 2 eingeführt werden, wobei dies bevorzugt im Bereich des ausgebildeten Plasmas 8 erfolgen sollte. Weiteres Gas kann dann zumindest überwiegend für den Heißgasstrom genutzt werden.

Der Heißgasstrom verlässt die Einrichtung 2 in Richtung des eingezeichneten Pfeils. Dazu sind bei diesem Beispiel drei rohrförmige Strömungsführungsele mente 14, 15 und 16 vorhanden. Das Quarzglasrohr 14 mit dem kleinsten Durchmesser umschließt dabei das ausgebildete Plasma 8. Es ist in seinem in Richtung Schmelzofen 1 weisenden Bereich, der der Zündeinrichtung gegen überliegend angeordnet ist, von einem weiteren rohrförmigen Strömungsfüh rungselement 15 umschlossen, das gleichzeitig eine Abschirmung gegen Wärmestrahlung bilden kann.

Im Bereich des Flansches des Gehäuses 13, der in Richtung Schmelzofen 1 weisend angeordnet ist, ist ein drittes rohrförmiges Strömungsführungsele- ment 16, dessen Durchmesser am größten ist, angeordnet. Das dritte Strö mungsführungselement 16 kann mindestens bis zur Wand des Gehäuses 6 des Schmelzofens 1 geführt sein, so dass der Heißgasstrom durch eine Durchbre chung in der Wand des Gehäuses 6 auf das im Schmelzofen 1 angeordnete Schmelzgut 9 gerichtet werden kann. Seine Länge kann aber auch so gewählt werden, dass es bis in das Innere des Schmelzofens 1 hinein ragt.

Das dritte rohrförmige Strömungsführungselement 16 kann in einem Flansch 19 des Gehäuses 13 der Einrichtung 2 geführt und gehalten sein. Die Strö mungsführungselemente 14, 15 und 16 sind ineinander gesteckt. Sie sollten sich jedoch nicht berühren.

Neben der Zuführung 17 für ein Kühlgas können weitere Bereiche des Gehäu ses 13 der Einrichtung 2 zur Kühlung ausgebildet sein und genutzt werden. Dazu kann ein Kühlmedium (Gas oder Flüssigkeit) durch diese Bereiche strö- men. Diese Bereiche sollten zumindest in der Nähe des ausgebildeten Plasmas

8 angeordnet sein.

Bei dem gezeigten Beispiel ist eine flanschförmige Kühlung 20 in einem Be reich des Gehäuses 13 der Einrichtung 2 vorgesehen.