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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schmelz- und/oder Warmhalteofens gemäß Anspruch 1 und einen Schmelzofen gemäß Anspruch 11.
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Bei Schmelz- und/oder Verbrennungsvorgängen im industriellen Bereich eingesetzte Schmelz- bzw. Warmhalteöfen sind auf unterschiedliche Arten bereits bekannt. Werden sie zum Schmelzen von Aluminium eingesetzt, ist der Energieverbrauch trotz moderner Isolierwerkstoffe und verbesserter Energieeintragssysteme sehr groß und damit verbunden tritt eine hohe CO2-Emission auf.
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Konstruktiv sind Schmelzöfen mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen, wie Schmelzschacht und Warmhaltebereich ausgestattet oder es wird bei einigen Typen direkt im Schmelzbad geschmolzen. Warmhalteöfen sind in Bezug auf die Isolierung und Auskleidung den Schmelzöfen sehr ähnlich aufgebaut, allerdings ist die Leistung der Energieeintragssysteme bei ihnen deutlich geringer. Im industriellen Einsatz werden die Schmelz- oder Warmhalteöfen mit Hilfe vieler Messstellen überwacht, geregelt und gesteuert. Dabei werden je nach dem Einsatzgebiet der Öfen Temperaturen, Drücke, Klappenstellungen und die benötigte Energie überwacht. Bei Schmelzöfen werden aber auch Füllgewichte und Kenndaten der Peripherie wie Lüfter aufgenommen.
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Die benötigte Energie wird mit verschiedenen Systemen in den Schmelzofen eingebracht. So wird bei Induktionsöfen elektrische Energie zugeführt, um die Prozessleistung zu erzielen. Hauptsächlich kommen zum Einbringen der benötigten Energie aber unterschiedlichste Gasbrennersysteme zum Einsatz. Obwohl die Brennersysteme unterschiedlich arbeiten (z. B. Kaltluftbrenner, Warmluftbrenner, insbesondere Rekuperatorbrenner), sind sie in den Öfen fest installiert. Auf Grund der starren Wirkungsachse wird das Schmelzgut, welches nicht in dem Wirkungsbereich der Brennerflamme liegt, nur langsam abgeschmolzen. Der Wirkungsgrad des Ofensystems wird dadurch signifikant schlechter. Auch haben die Brenner einen festen Regelbereich, bei dem die Länge der Brennerflamme z. B. durch eine Steuerung geregelt werden kann.
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Aus der
DE 10 2004 045 701 A1 etwa ist ein Metallschmelzofen und ein Verfahren zum Schmelzen einer Metall-Chargierung bekannt, bei denen eine Flammenlänge eines eingesetzten Brenners einstellbar ist, um Metall effizienter schmelzen zu können.
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Alle relevanten Daten des gesamten Systems eines Schmelzofens bzw. Warmhalteofens werden aufgezeichnet und in einer Steuerung gespeichert. Die dazugehörigen Daten werden in der Regel visualisiert.
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Trotz eines hohen Automatisierungsgrades werden viele Arbeiten an einem Industrieofen noch manuell durchgeführt. Dazu gehört das Reinigen der Badoberfläche bei einem Warmhalteofen für Metall oder auch das Überwachen der Prozesszeit in einem Schmelz- und Warmhalteofen. Hier sind Erfahrungswerte als Parameter hinterlegt, die manuell korrigiert und überwacht werden.
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Ebenso erfolgt eine Kontrolle, ob das eingesetzte Schmelzgut bei einem Schmelzofen abgeschmolzen ist, bei einigen Ofensystemen auch über eine optische Kontrolle durch das Bedienpersonal. Dieses geschieht dann durch Öffnen des Systems.
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Daneben sind aber bereits mehrere Möglichkeiten der optischen Prozessüberwachung mit Bildverarbeitung bekannt, die z. T. auch schon im Industrieeinsatz stehen. So kann bei Müllverbrennungsanlagen der Füllgrad des Ofensystems durch ein Kamerasystem oder bei Aluminium-Schachtschmelzöfen der Füllstand des zu schmelzenden Materials im Schacht mittels eines Lasers ermittelt werden.
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Aus der
DE 699 22 698 T2 ist zwar zum kontinuierlichen Schmelzen von Aluminium und damit zur Einsparung von Energie bereits ein Schmelz- und Warmhalteofen vorgeschlagen worden. Bei dem Schmelz- und Warmhalteofen ist ein Vorwärmturm zum Vorwärmen von Aluminiumblöcken derart vorgesehen, dass die Aluminiumblöcke dem Schmelztiegel unterhalb des Vorwärmturms zugeführt werden und dass das Abgas des Schmelztiegelofens zum Erwärmen des Vorwärmturmes dient. Nachteilig ist hier die Sonderkonstruktion des Schmelz- und Warmhalteofens.
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Der Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Wirkungsgrad eines Schmelz- und/oder Warmhalteofens über den gesamten Schmelzprozess bzw. den gesamten Warmhaltevorgang hochzuhalten und manuelle Schritte weitestgehend zu vermeiden.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11 gelöst.
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Demgemäß sieht die Erfindung in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Schmelz- und/oder Warmhalteofens, insbesondere für Aluminium, mit den Schritten eines Zuführens von zu schmelzendem oder zu verbrennendem Material in einen Schmelz- und/oder Warmhalteofen, eines Erwärmens des Materials durch Zufuhr von Energie, einer sensorischen Überwachung des Innenraums des Schmelz- und/oder Warmhalteofens und eines Aufzeichnens, Speicherns und Analysierens der Überwachungsdaten vor. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Menge und Position von nicht geschmolzenem Material aus Messergebnissen von Sensorelementen, die während des Schmelzvorgangs zu vorgebbaren Zeitpunkten gewonnen werden, ermittelt werden.
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In einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung einen Schmelzofen mit einem Schmelzbereich zum Schmelzen von Material, insbesondere Aluminium, der über einen Überlaufkanal mit einem Warmhaltebereich zum Warmhalten eines Schmelzbades aus dem Material verbunden ist, und mit wenigstens einem zum Schmelzen und/oder zum Erwärmen von Material bestimmten Brenner vor. Dabei ist wenigstens ein Sensorelement zur Aufnahme von Überwachungsdaten aus dem Inneren des Schmelzbereichs und/oder des Warmhaltebereichs vorgesehen und der wenigstens eine Brenner ist in Abhängigkeit von den Überwachungsdaten hinsichtlich einer dem Schmelzbereich und/oder dem Warmhaltebereich zuzuführenden Energie derart steuerbar, dass während eines Schmelzprozesses eine Ausrichtung und/oder Leistung des Brenners an die Menge und Position von nicht geschmolzenem, auf einer Schmelzbrücke befindlichen Material anpassbar ist.
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In einem Warmhalteofen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren während des Warmhaltevorgangs die Schmelzoberfläche kontrolliert werden und anhand von Sensordaten sich bildende Oxide entfernt werden.
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Die Erfindung bringt bei einer üblichen Herstellung den Vorteil mit sich, dass der Betrieb eines Schmelz- bzw. Warmhalteofens hinsichtlich der Verfahrensökonomie verbessert wird. Die Menge der zugeführten Energie kann erfindungsgemäß reduziert werden. Ein weiterer erheblicher Vorteil der Erfindung besteht darin, Prozesssteuerungs- und Reinigungsvorgänge automatisiert durchführen zu können.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die sensorische Überwachung auf dreidimensionale Raumkoordinaten des Innenraums des Schmelz- und/oder Warmhalteofens gestützt werden.
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Ebenso kann eine Steuerung der Energiezufuhr in Abhängigkeit von den Überwachungsdaten erfolgen. Mit Vorteil kann die Energiezufuhr in einer Verfahrensführung in Abhängigkeit von Ortskoordinaten des Innenraums des Schmelz- und/oder Warmhalteofens eingestellt und/oder verändert werden. Bevorzugt wird die Energiezufuhr der Größe nach eingestellt und/oder verändert. Bei einer Verfahrensführung kann die Energiezufuhr hinsichtlich von Ortskoordinaten verändert werden. Wird die Energie über einen Brenner in den Schmelz- und/oder Warmhalteofen eingeführt, so kann die Positionierung des Brenners anhand der aufgenommenen Überwachungsdaten verändert werden. Bevorzugt wird der Brenner dann gedreht, geschwenkt bzw. gekippt.
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Bei einer anderen Art der Verfahrensführung werden die Überwachungsdaten bei einer Restentleerung des Schmelz- und/oder Warmhalteofens nach Beendigung des Schmelz- und/oder Warmhaltevorgangs eingesetzt. Zusätzlich können die Überwachungsdaten bei einer erneuten Materialzufuhr in den Schmelz- und/oder Warmhalteofen eingesetzt werden.
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Eine weitere Art der Führung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich durch eine zumindest teilweise Entnahme von geschmolzenem und/oder verbranntem Material aus dem Schmelz- und/oder Warmhalteofen aus, wobei die Entnahme über die Überwachungsdaten gesteuert wird.
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Erfindungsgemäß können die Überwachungsdaten bei einer Reinigung des Schmelz- und/oder Warmhalteofens eingesetzt werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Energie mit einem Gasbrenner zugeführt werden. Möglich ist aber auch eine Energiezufuhr über magnetische Induktion.
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Erfindungsgemäß wird elektromagnetische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung und/oder Röntgenstrahlung bei der sensorischen Überwachung eingesetzt. Erfindungsgemäß eingesetzte Sensorelemente können Daten aus dem Innenraum eines Schmelz- und/oder Warmhalteofens zu vorgebbaren Zeitpunkten oder periodisch oder sogar quasi-kontinuierlich bzw. kontinuierlich ermitteln und an wenigstens eine entsprechende Auswerte- und Steuerungseinheit übertragen. Die wenigstens eine Auswerte- und Steuerungseinheit wertet die Daten aus, bereitet sie auf und gibt sie an weitere Steuerungselemente aus, um Veränderungen an dem Schmelz- und/oder Warmhalteofen vorzunehmen. Neben dem Einsatz elektronischer Bauelemente kann dabei erfindungsgemäß auch Computersoftware zum Einsatz kommen.
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Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren beim Betrieb eines Schmelzofens sowohl im Schmelz- als auch im Warmhaltebereich eingesetzt werden kann. Natürlich dient das Verfahren auch dazu, einen Warmhalteofen zu betreiben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch zum Einsatz in Verbrennungsöfen, insbesondere Müllverbrennungsöfen oder Kremationsöfen bestimmt. Mit dem Begriff Schmelzofen ist erfindungsgemäß auch ein Verbrennungsofen umfasst.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei auf die in unterschiedlichen Maßstäben gehaltenen Figuren Bezug genommen wird. Es zeigen:
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1 einen Prinzipaufbau eines erfindungsgemäßen Schmelzofens,
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2 einen Schnitt durch einen Schmelzofen im Schmelzbereich in einem ersten Betriebszustand,
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3 einen Schnitt durch den Schmelzofen nach 2 in einem zweiten Betriebszustand,
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4 einen Schnitt durch eine Warmhaltekammer in einem ersten Betriebszustand und
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5 einen Schnitt durch die Warmhaltekammer nach 4 in einem zweiten Betriebszustand.
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Nach 1 weist ein Schmelzofen 1 eine über eine Zuführöffnung 2 (Chargierungstür) mit einem zu schmelzenden Material 3 beladbare Schmelzkammer 4 auf. Von einem nur schematisch vereinfacht dargestelltem Brenner 5 wird über eine Brennerflamme bzw. einen Flammenkegel 6 das Material 3 erwärmt und aufgeschmolzen, sodass es von der geneigten Schmelzbrücke 7 über einen Überlaufkanal 8 in einen Warmhaltebereich 9 fließt. In dem aus feuerfesten Materialien wie z. B. Feuerfestbeton gebildeten Warmhaltebereich 9 wird eine Schmelze 3' des auf der Schmelzbrücke 7 geschmolzenen Materials 3 warmgehalten, bis sie bei ausreichender Menge durch einen Auslass 10 zu einer Verwendung in einem Gießprozess zur Erstarrung gebracht wird.
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Die erfindungemäße Überwachung und Steuerung eines Schmelzprozesses von auf der Schmelzbrücke 7 befindlichem Material 3 wird anhand der nachfolgenden, ebenfalls stark vereinfachten 2 bis 5 näher erläutert. Die Schmelzkammer 4 eines Schmelzofens ist von einer thermischen Isolierung 12 an Seitenwandabschnitten und im Bodenbereich umgeben. Im Deckelbereich 4b weist die Isolierung 12 drei Öffnungen auf, von denen die mittlere Öffnung 14 zur Aufnahme eines Brenners 15 dient. Der Brenner 15 ist dabei mithilfe eines Schwenkrahmens 16 beweglich gelagert. Zu den Seitenwandungen 4c, 4d hin ist jeweils eine weitere Öffnung 17 vorgesehen, die mithilfe eines Schiebers 18 wie in 2 gezeigt abgeschlossen werden kann. Im Bodenbereich 4a der Schmelzkammer 4 befindet sich das zu schmelzende Material 3 wie etwa Aluminium.
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Der Bodenbereich 4a bildet eine Schmelzbrücke 7 des Schmelzofens. Das Material 3 wird von dem vorzugsweise als Gasbrenner ausgeführten Brenner 15 soweit erwärmt, dass es schmilzt. Dabei ist je nach Geometrie bzw. Leistungsstärke und Ausführung des Brenners 15 jeweils nur ein Teil des Materials 3 aufgeschmolzen. Wie in 1 schematisch dargestellt erfolgt die Einstrahlung der nur schematisch angedeuteten Brennerflamme 6 von der Seite der Schmelzkammer 4 her, die dem Überlaufkanal 8 zugewandt ist. Dadurch kann das geschmolzene Material 3 in den Überlaufkanal 8 eintreten und anschließend in den Warmhaltebereich 9 gelangen, wo es als Schmelzbad 3' im flüssigen Zustand gehalten wird.
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Erfindungsgemäß ist an den beiden, in einem Betriebszustand die Öffnungen 17 abschließenden Schiebern 18 jeweils eine Kamera 19 vorgesehen. Durch eine Betätigung der Schieber 18 wird die entsprechende Kamera 19 über die jeweilige Öffnung 17 gebracht, um eine Aufnahme des Innenraumes in der Schmelzkammer aufzunehmen. Durch den Einsatz zweier Kameras können erfindungsgemäß dreidimensionale Ortskoordinaten im Inneren der Schmelzkammer 4 aufgenommen werden. Bevorzugt werden die Aufnahmen erfindungsgemäß mithilfe der Kameras 19 während des Schmelzvorgangs periodisch durchgeführt. Eine Ermittlung der Menge des zu schmelzenden Materials 3 über den Schmelzvorgang kann numerisch erreicht werden, wenn von denn Innenraum der auf einer Betriebstemperatur befindlichen Schmelzkammer im Leerzustand eine entsprechende Referenzaufnahme mit den beiden Kameras 19 aufgenommen worden ist. Ein Volumen der auf der Schmelzbrücke 7 während des jeweiligen Messpunktes tmess verbliebenen Materials 3 kann durch eine Integration im dreidimensionalen Raum der aus den Kameraaufnahmen gewonnenen, das Material 3 repräsentierenden dreidimensionalen Bildpunkte erhalten werden. Über die Dichte des Materials 3 kann daraus die zum jeweiligen Messpunkt vorhandene Masse des Schmelzmaterials 3 bestimmt werden.
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Über eine in den 2 bis 5 schematisch dargestellte Auswerte- und Steuerungseinheit 21 kann aus den Innenraumaufnahmen über eine Leerreferenz-Aufnahme gewonnene zeitabhängige Menge des noch auf der Schmelzbrücke 7 verbliebenen Schmelzmaterials 3 und dessen Ortslokalisierung ermittelt werden. Dazu kann die Auswerte- und Steuerungseinheit 21 erfindungsgemäß Computersoftware umfassen oder auch im Wesentlichen softwaremäßig realisiert sein. Erfindungsgemäß kann so eine Ausrichtung des Brenners 15 auf das jeweils noch nicht geschmolzene Schmelzmaterial 3 erreicht werden. Über den Schwenkrahmen 16 wird der Brenner dabei auf das noch auf der Schmelzbrücke 7 verbliebene Material 3 derart ausgerichtet, dass der schematisch dargestellte Wirkbereich 23 des Brenners 15 dem noch zu schmelzenden Material 3 angepasst wird. Wie in den 2 und 3 vereinfacht dargestellt ist, erlaubt der Schwenkrahmen 16 eine Drehung bzw. Kippung des Brenners 15 in einem Winkelbereich α. Die jeweilige Endstellung des Brenners 15, die durch die Geraden 10c, 10d veranschaulicht wird, erlaubt eine Wärmeeinstrahlung bzw. Flammenrichtung an dem jeweiligen Ende der Materialanhäufung. Somit kann der gesamte mit Material 3 belegte Abschnitt der Schmelzbrücke 7 mit dem Brenner 15 erreicht werden.
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Durch eine leistungsmäßige und richtungsmäßige Optimierung des Brenners 15 kann bei einer gleichen Nennleistung die Energieeffizienz des Schmelzofens erhöht werden. Ferner kann über die periodische oder sogar quasi-kontinuierliche Messung des auf der Schmelzbrücke befindlichen Materials 3 bzw. der Beladung der Schmelzbrücke 7 eine Nachchargierung des Schmelzofens mit weiterem Schmelzmaterial 3 durch die Auswerte- und Steuerungseinheit 21 initiiert werden. Stellt die Auswerte- und Steuerungseinheit 21 anhand der Referenzauswertung der während des Schmelzvorgangs periodisch aufgenommenen Aufnahmen des Innenraums der Schmelzkammer 4 und der Aufnahme der erwärmten aber leeren Schmelzkammer 4 ein vollständiges Aufschmelzen des Materials 3 und dessen Austritt in den Überlaufkanal 8 des Schmelzofens 1 fest, so kann über die Zuführöffnung 2 eine Nachchargierung des Schmelzofens initiiert werden.
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Wird nach einer erneuten Beladung nun ein vollständiges Aufschmelzen des Schmelzmaterials 3 festgestellt, so kann eine Reinigung der Schmelzbrücke 7 von Schmelzrückständen bzw. bei dem Schmelzvorgang aufgetretenen Verunreinigungen oder Fremdbestandteilen des Schmelzmaterials 3 unter Zuhilfenahme der Kameras 19 und der Auswerte- und Steuerungseinheit 21 (3, 4) durchgeführt werden. Während des Reinigungsvorgangs und insbesondere an dessen Ende können weitere Aufnahmen des Innenraums der Schmelzkammer 4 aufgenommen werden und durch eine Referenzmessung der vor dem Schmelzvorgang aufgenommenen Innenaufnahme eine vollständige Säuberung optisch ermittelt werden. Dabei kann erfindungsgemäß auch eine durch den Schmelzvorgang erfolgte Verformung der Schmelzbrücke 7 bestimmt und als neue Referenz für ein fortgesetztes Schmelzverfahren zur Ermittlung der jeweiligen Menge des zu schmelzenden Materials 3 festgelegt werden.
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In den 4 und 5 wird das erfindungsgemäße Verfahren an einem Warmhaltebereich 9 eines Schmelzofens oder eines separaten Warmhalteofens veranschaulicht. Der von einer umlaufenden Isolierung 12' umgebene Warmhaltebereich weist an seiner Oberseite 9b drei in Öffnungen 24 der Isolierung 12' eingebrachte Brenner 26 auf, deren Wirkbereich 27 vereinfacht veranschaulicht ist. An Seiten 9c, 9d ist zur Oberseite 9b des Schmelzbereiches 9 hin jeweils eine Öffnung 29 vorgesehen, die von einem Schiebeelement 30 abdeckbar ist. Über das Schiebeelement 30 kann wie in 5 gezeigt jeweils eine Kamera 19 vor die Öffnung 29 gebracht werden, um den Innenraum des Warmhaltebereichs 9 des Schmelzofens aufzunehmen. An einer Oberfläche 31 des in dem Warmhaltebereich 9 befindlichen, eine Schmelze 32 bildenden Materials bildet sich infolge eines Vorhandenseins von Sauerstoff ein Oxid aus. Dieses Oxid kann sich an der Isolierung 12' ablagern und zu Beschädigungen der Isolierung und damit zu verschlechterten thermischen Eigenschaften des Warmhalteofens führen. Daher müssen die Oxidablagerungen entfernt werden. Eine Entfernung des Oxidmaterials wird erfindungsgemäß unter Auswertung der ebenfalls periodisch oder quasi-kontinuierlich mit den Kameras 19 aufgenommenen Bilder des Innenraums des Warmhaltebereichs 9 und einer Auswerte- und Steuerungseinrichtung 21' unter Zuhilfenahme mit entsprechenden Einrichtungen durchgeführt.
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Erfindungsgemäß wird durch eine bevorzugt automatisierte Betätigung der Schiebeelemente 30 die entsprechende Kamera 19 über die Öffnung 29 gebracht, um eine Aufnahme des Innenraums der Warmhaltekammer 9 aufzunehmen. Durch den Einsatz zweier Kameras können dreidimensionale Ortskoordinaten im Inneren der Warmhaltekammer 9 aufgenommen bzw. ermittelt werden.
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Anstelle der oder zusätzlich zu den in den Figuren gezeigten Kameras können erfindungsgemäß weitere Sensorelemente eingesetzt werden, um wie anhand der Kameras beschrieben weitere für den Schmelz- oder Warmhalteprozess wichtige Parameter wie Temperatur oder Zusammensetzung der Atmosphäre in dem Schmelzofen aufzunehmen. Dazu sind u. a. Thermographiekameras und spektroskopische Sensorelemente einsetzbar. Denkbar ist auch der Einsatz von Röntgenstrahlung zur Kontrolle der chemischen Zusammensetzung des Schmelzmaterials.
