DE102009014683A1

DE102009014683A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Flüssighalten von Schmelzen, insbesondere von metallischen Schmelzen und von Schlackeschmelzen

Info

Publication number: DE102009014683A1
Application number: DE200910014683
Authority: DE
Inventors: Christos Prof. Aneziris; Patrick Gehre; Gernot Wawrschinek; Uwe Dr. Leidenroth
Original assignee: SERAM AG; Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: SERAM AG; Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Flüssighalten von Schmelzen, insbesondere von metallischen Schmelzen und von Schlackeschmelzen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem eine alternative Technologie zur Einleitung von Energie in das System Anwendung findet, ohne Öl, Gas, Induktion oder Heizelemente einzusetzen. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens soll platzsparend sein und einen Transport der Schmelzen über größere Entfernungen und Zeiträume zulassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in die konventionell erzeugten Schmelzen Mikrowellenstrahlung, die eine Frequenz von 300 MHz bis 300 GHz aufweist, eingebracht wird. Die metallischen bzw. schlackehaltigen Schmelzen koppeln an die Mikrowellen an, wobei die Schmelzen nun ihre Temperatur halten oder sich sogar noch weiter erwärmen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem feuerfesten, nichtmetallischen oder metallischen Behälter und einer Mikrowelleneinrichtung.

Description

Mit der vorliegenden Erfindung können metallische Schmelzen oder Schlackeschmelzen bei Temperaturen größer gleich ihrem Schmelzpunkt als Funktion der Zeit erhalten werden bzw. kann deren Temperatur erhöht werden. Damit ist es möglich, Schmelzen über größere Entfernungen zu transportieren und bei langwierigen Gießprozessen im flüssigen Aggregatzustand zu erhalten. Die Schmelzen können nichtmetallisch, eisenmetallisch oder nichteisenmetallisch sein, wobei eisenmetallische Schmelzen zum Beispiel aus Stahl und Eisen und nichteisenmetallische Schmelzen zum Beispiel aus Aluminium, Kupfer, Blei, Zinn, Magnesium und deren Legierungen bestehen können.
In Schmelz- und Warmhalteaggregaten der Hüttenindustrie werden große Rohstoffmengen mittels Gasbeheizung, Heizelementen oder Induktion erschmolzen und warm gehalten. Diese Aggregate weisen oft Fassungsvermögen von 30 Tonnen und mehr auf. Es gibt allerdings auch kleinere Transportpfannen und -behälter mit einem Fassungsvermögen von weniger als 10 Tonnen, bei denen sich die aufwendige Installation einer Gasbeheizung und deren Versorgungseinrichtung nicht rentiert. Eine alternative Beheizungsart zeigt das Patent EP 1 410 861 A1 , welches einen offenen und geschlossenen Metallbehälter zum Warmhalten und Schmelzen von Metallen sowie deren Flüssigmetalltransport mit Heizelementen oder induktiver Beheizung beschreibt. Die Integration solcher Heizelemente in den Behälter wirkt sich allerdings sehr nachteilig auf die Lebensdauer der Feuerfest- und Wärmedämmmaterialien aus.
Aus dem Patent EP 0 410 175 A2 ist ein Mikrowellen-Haushaltsgerät bekannt, welches Mikrowellenenergie zur Zubereitung von organischem Gargut verwendet, die von einem Magnetron erzeugt und direkt in den Garraum eingekoppelt wird. Das Patent EP 1 921 898 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen von Probenmaterial mit Mikrowellen, wobei die Proben durch Absorption erwärmbar sein sollen und Bohrungen aufweisen um auf einem Mikrotiter platziert werden zu können. Aus dem Patent EP 0 329 338 A2 ist eine Prozess und Apparat bekannt, welcher einen Behälter unter hohem Druck durch Mikrowellen auf hohe Temperaturen erwärmt, wobei der Behälter von einem Pulver umgeben ist, welches mikrowellenempfänglich ist und sich folglich aufwärmt. Aus dem Patent EP 0 610 061 B1 ist ein Heizgerät unter Nutzung von Mikrowellen bekannt, wobei mit einem wabenförmigen Heizelement, welches Kohlenstoffpulver und/oder Aluminiumpulver und/oder Siliciumcarbidpulver enthält, mikrowellenempfängliche Materialien auf Temperaturen von über 2000°C erhitzt werden können. Das Patent EP 1 897 677 A2 beschreibt eine Vorrichtung zum mikrowellengeführten Verschweißen von thermoplastischen Formteilen.
Aus den oben angeführten Patenten geht hervor, dass derzeit keine metallischen Materialien mit Mikrowellen beaufschlagt werden. Dies liegt darin begründet, dass feste metallische Materialien Mikrowellen im Allgemeinen sehr stark reflektieren und kaum ankoppeln. Aluminium zum Beispiel reflektiert bei 20°C nahezu 100% der Mikrowellenstrahlung, wobei die Eindringtiefe bei 1,2 μm liegt. Aus diesem Grund ist es derzeit nicht möglich Metalle mittels Mikrowellenstrahlung zu erschmelzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem eine alternative Technologie zur Rückführung von Energie in das System Anwendung findet, ohne Öl, Gas, Induktion oder Heizelemente einzusetzen. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens soll platzsparend sein und einen Transport der Schmelzen über größere Entfernungen zulassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in die konventionell erzeugten Schmelzen Mikrowellenstrahlung, die eine Frequenz von 300 MHz bis 300 GHz aufweist, eingebracht wird. Die metallischen bzw. schlackehaltigen Schmelzen koppeln an die Mikrowellen an, wobei die Schmelzen nun ihre Temperatur halten oder sich sogar noch weiter erwärmen.
Dieser Effekt konnte mit eigenen Messungen nachgewiesen werden, in dem Aluminium in einem Tiegel auf 800°C aufgeheizt und in eine Mikrowelle gestellt wurde. Die Temperaturänderungen wurden mit Hilfe einer Wärmebildkamera erfasst und dokumentiert. Zu Vergleichszwecken erfolgte die Beobachtung der Temperaturänderungen zum einen bei ausgeschalteter und zum anderen bei eingeschalteter Mikrowelle. 1 zeigt die Temperaturverläufe beider Versuche. Es ist in 1 zu erkennen, dass die maximale Temperatur des Aluminiums im Tiegel bei eingeschalteter Mikrowelle (MW) im Vergleich zu ausgeschalteter Mikrowellenstrahlung deutlich weniger sinkt und sogar teilweise zunimmt. Weiterhin konnte ein Hot Spot erkannt werden, wenn Mikrowellenstrahlung in eine Metallschmelze eingebracht wird. In diesem Hot Spot steigt die Temperatur von 600°C auf über 1100°C an. Diesen Hot Spot zeigt die Aufnahme der Wärmebildkamera in 2.
Natürlich ist es auch möglich, dass die Mikrowellenenergiezuführung mit einer konventionellen Energiezuführung kombiniert wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, die Schmelze in Gießvorrichtungen, z. B. in Gießrinnen, in Gießpfannen, in Transportpfannen und in Verteilern, flüssig zu halten. Dabei kann die Mikrowellenenergiezuführung mit konventionellen Energiezuführungsverfahren kombiniert sein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem feuerfesten, nichtmetallischen oder metallischen Behälter, einem Mikrowellengenerator und einem Magneton. Vorzugsweise ist der Behälter mit feuerfesten und wärmedämmenden Stoffen ausgekleidet. Als Feuerfest- und Wärmedämmstoffe kommen vorzugsweise Glas- und Glasfasermaterialien oder keramische und faserkeramische Materialien zum Einsatz. Das Behältermaterial und die eingesetzten Feuerfest- und Wärmedämmmaterialien müssen überwiegend mikrowellentransparent sein. Des Weiteren dürfen sie zur Vermeidung von Korrosionserscheinungen nicht mit der Mikrowellenstrahlung wechselwirken, dass heißt sie dürfen selber nicht an die Mikrowellen ankoppeln und sich folglich erwärmen. Weisen die Auskleidungsmaterialien allerdings eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit auf, so können diese ebenfalls mit Mikrowellen beaufschlagt werden, um eine zusätzliche Energiezufuhr durch die Strahlung der Auskleidung zu generieren. Der Mikrowellengenerator und das Magnetron werden vorzugsweise am Behälter angebracht. Die Behälter, welche die Schmelzen beinhalten, können stationär und/oder mobil sein, dass heißt, sie können auch für den Flüssigtransport über kurze Strecken im Hüttenwerk oder über weite Strecken und lange Zeiträume im Straßenverkehr zum Einsatz kommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1410861 A1 [0002]
- EP 0410175 A2 [0003]
- EP 1921898 A1 [0003]
- EP 0329338 A2 [0003]
- EP 0610061 B1 [0003]
- EP 1897677 A2 [0003]

Claims

Verfahren zum Flüssighalten von Schmelzen, insbesondere von metallischen Schmelzen und von Schlackeschmelzen, wobei den Schmelzen Energie zugeführt wird, gekennzeichnet dadurch, dass in die konventionell erzeugten Schmelzen Mikrowellenstrahlung, die eine Frequenz von 300 MHz bis 300 GHz aufweist, eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass konventionell erzeugte Schlackeschmelzen oder metallische Schmelzen eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet, dass als metallische Schmelzen Schmelzen aus Stahl, Eisen, Aluminium, Blei, Zinn, Kupfer und allen anderen Nicht-Eisenmetallen und/oder deren Legierungen eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Mikrowellenstrahlung in Schmelzen eingebracht wird, die sich in Transportbehältern, Gießvorrichtungen wie Gießpfannen, Gießtiegeln, Gießrinnen bzw. Gießverteilern befinden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenenergiezuführung mit konventionellen Energiezuführungsverfahren kombiniert wird.
Vorrichtung zum Flüssighalten von Schmelzen, insbesondere von metallischen Schmelzen und von Schlackeschmelzen, bestehend aus einem die Schmelze aufnehmenden metallischen oder nichtmetallischen Behälter, der stationär und/oder mit Hilfe von Fahrzeugen mobil ausgeführt sein kann, wobei der metallische Behälter mit Feuerfest- und Wärmedämmstoffen ausgekleidet sein kann, und Baueinheiten, die der Energiezuführung dienen, gekennzeichnet dadurch, dass der die Schmelze aufnehmende Behälter mikrowellentransparent ausgeführt ist und die der Energiezuführung dienenden Baueinheiten Mikrowelleneinrichtungen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass der die Schmelze aufnehmende Behälter mit Feuerfest- und Wärmedämmstoffen ausgekleidet ist, die mikrowellentransparent sind und/oder nicht mit Mikrowellenstrahlen Wechselwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass der die Schmelze aufnehmende Behälter mit Feuerfest- und Wärmedämmstoffen ausgekleidet ist, die bei ausreichender Korrosionsbeständigkeit mit den Mikrowellen auch zusätzlich ankoppeln und eine zusätzliche Energiezufuhr durch die Auskleidung ermöglichen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass die Mikrowelleneinrichtungen am Behälter und/oder an den Transporteinrichtungen angeordnet sind.