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Die
Erfindung betrifft einen Metallschmelz-(Dreh-)Trommelofen, insbesondere
zum Umschmelzen von Aluminium, mit einer drehbaren Ofentrommel,
deren Trommelmantel wenigstens einen Rührkörper aufweist, und mit einer
eine Metallschmelze im Innern der Ofentrommel erzeugenden Wärmequelle.
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Derartige
Metallschmelz-Drehtrommelöfen sind
aus der Praxis und beispielsweise durch die
EP 0 886 118 B1 bekannt
geworden. Verwiesen wird ergänzend
auf die
US-PS 6,395,221
B1 . In beiden Fällen
geht es primär
um das Umschmelzen von Aluminium in einem Schutzbad.
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Das
Schutzbad wird allgemein dadurch realisiert, dass die Metallschmelze
von einer Salzdecke abgedeckt wird. Die Salzdecke übernimmt
dabei im Wesentlichen drei Funktionen. Zum einen schützt sie die
Metallschmelze vor der regelmäßig eingesetzten Flamme
eines Brenners als Wärmequelle.
Zum anderen sorgt die Salzdecke dafür, dass die Metallschmelze
nicht durch im Ofen zwangsläufig
befindlichen Sauerstoff oxidiert wird. Schließlich werden Verschmutzungen
im Metall vorteilhaft im Salz gebunden. Das Salz bzw. die auf diese
Weise erzeugte Krätze
stellt jedoch Sondermüll
mit entsprechend hohen Deponiekosten dar.
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Aus
diesem Grund hat man in der Vergangenheit bereits mehrfach versucht,
den Salzverbrauch zu verringern. Im Rahmen der
EP 0 886 118 B1 haben die
dort eingesetzten Eisenrührer
den Salzverbrauch deutlich reduziert. Auch sogenannte Kipptrommelöfen entsprechend
der
US-PS 6,395,221
B1 zeichnen sich durch einen verringerten Salzbedarf aus,
weil die Fläche
der abzudeckenden Metallschmelze durch den Kippvorgang verringert werden
kann. Dafür
ist der anlagentechnische Aufwand enorm. Hier setzt die Erfindung
ein.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Metallschmelz(Dreh-)Trommelofen der
eingangs beschriebenen Ausführungsform
so weiterzuentwickeln, dass der Salzverbrauch bei geringem konstruktiven
und finanziellen Aufwand gegenüber
bisherigen Ansätzen
nochmals verringert ist.
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Zur
Lösung
dieser technischen Problemstellung schlägt die Erfindung bei einem
gattungsgemäßen Metallschmelz-Trommelofen
insbesondere Metallschmelz-Drehtrommelofen
vor, dass der oberhalb der Metallschmelze vorhandene Freiraum im
Innern der Ofentrommel mit einer Schutzgasatmosphäre ausgefüllt ist.
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Üblicherweise
handelt es sich bei der Schutzgasatmosphäre um eine Gasatmosphäre, die praktisch
keine Reaktionsgase enthält,
welche mit der Metallschmelze eine Verbindung eingehen. Im Falle
von Aluminium meint eine Schutzgasatmosphäre folglich eine solche Gasatmosphäre, deren
Sauerstoffgehalt gering oder nahezu Null ist, um Oxidationen der
Aluminiumschmelze an der Oberfläche
zu verhindern. In diesem Fall kann auf ein zusätzliches Schutzbad verzichtet
werden, wenngleich ein solches als Option natürlich unverändert möglich ist. So oder so lässt sich
der Salzverbrauch drastisch verringern und sogar ganz bis auf Null
heruntersetzen. Denn die Abwesenheit eines oder mehrerer Reaktionsgase
in der Schutzgasatmosphäre
sorgt dafür, dass
die Metallschmelze keine chemische Veränderung erfährt, sich folglich praktisch
zu 100 % für
die weitere Verarbeitung eignet.
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Denkbar
ist es beispielsweise, als Schutzgasatmosphäre im Falle des Umschmelzens
von Aluminium mit überwiegend
Stickstoff zu arbeiten, welcher keine Verbindung mit Aluminium eingeht
und folglich in diesem Zusammenhang kein Reaktionsgas darstellt.
Nach vorteilhafter Ausgestaltung kann es sich bei der Schutzgasatmosphäre aber
auch überwiegend
um Abgas handeln, welches beispielsweise von der Wärmequelle
herrührt.
Denn diese Wärmequelle
ragt in der Regel wenigstens teilweise in das Innere der Ofentrommel
hinein und verbrennt hauptsächlich
Sauerstoff.
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Sauerstoff
stellt also das Verbrennungsgas für die Wärmequelle dar und es kommt
darauf an, die Schutzgasatmosphäre
möglichst
verbrennungsgasarm respektive sogar verbrennungsgasfrei einzustellen,
weil im Falle von Aluminium als Metallschmelze und Sauerstoff als
Verbrennungsgas der Sauerstoff gleichzeitig ein Reaktionsgas ist.
Man kann insgesamt aber auch mit einem vorgegebenen Verbrennungsgasgehalt
in der Schutzgasatmosphäre
arbeiten, um den Betrieb der Wärmequelle
durch Verbrennen des Verbrennungsgasgehaltes in der Schutzgasatmosphäre aufrechtzuerhalten.
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dieses Verbrennungsgas bzw. allgemein der Sauerstoff auch von außen direkt
dem Brenner bzw. der Wärmequelle
zugeführt
werden, so dass in diesem Fall mit einer verbrennungsgas- bzw. reaktionsgasfreien
Gasatmosphäre
als Schutzgasatmosphäre gearbeitet
wird.
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Bei
der Wärmequelle
handelt es sich üblicherweise
um einen an einer Stirnseite in einer Ofentür angeordneten Erdgas- oder Öl-Luft-Brenner.
Dabei erfolgt die Wärmeübertragung
auf das Schmelzgut, regelmäßig Sekundäraluminium,
durch Strahlung und Leitung, weniger durch Konvektion. Um Aluminiumoxidation
zu vermindern, ist die Brennerflamme in flachem Winkel gegen eine
Ofenausmauerung und nicht direkt auf das Metallbad gerichtet.
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Bei
der Rotationsbewegung der Ofentrommel wird die Wärme der Wärmequelle dann von der erhitzten
Ausmauerung beim Eintauchen an das Metallbad abgegeben. Das bis
zu 950°C
heiße
Abgas verlässt
die Ofentrommel üblicherweise
auf der dem Brenner bzw. der Wärmequelle
gegenüberliegenden Seite.
Es enthält überwiegend
sauerstoffarmes bzw. reaktionsgasarmes Abgas, weshalb dieses Abgas vorteilhaft
zum Aufbau der Schutzgasatmosphäre eingesetzt
werden kann.
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Dadurch
besteht grundsätzlich
die Möglichkeit,
die Schutzgasatmosphäre
von einem externen Schutzgasspeicher aus zu speisen und/oder im Kreislauf
zu führen.
Im erstgenannten Fall wird das Schutzgas, beispielsweise Stickstoff,
permanent in die drehbare Ofentrommel eingeblasen, und zwar im Bereich
der Stirnseite, über
welche auch der Brenner bzw. die Wärmequelle in das Innere der
Ofentrommel eingeführt
wird und verlässt
zusammen mit dem Abgas das Innere der Ofentrommel auf der gegenüberliegenden
Stirnseite. Alternativ oder zusätzlich
kann das Schutzgas im Kreislauf geführt werden. Dann schleust man
entweder das zuvor beschriebene Schutzgas (Stickstoff) aus dem Abgasstrom
aus oder führt
den Abgasstrom insgesamt wieder zurück zum Einlass für das Schutzgas.
Da das Abgas verbrennungsgasarm bzw. reaktionsgasarm ist, wirkt
es vorteilhaft (mit oder ohne zusätzlichen Stickstoff) als Schutzgas.
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Von
besonderer Bedeutung ist ergänzend, dass
der Rührkörper aus
Eisen besteht und/oder einen metallischen Kern mit Feuerfestummantelung aufweist.
Denn in beiden Fällen
wird durch einen solchen Rührkörper die
Rührbewegung
in der Metallschmelze deutlich verstärkt und die Temperaturverteilung
innerhalb der Metallschmelze vergleichmäßigt. Dadurch wird nicht nur
der Einschmelzprozess beschleunigt, weil bisher ungeschmolzene (Sekundäraluminium-)Brocken
in die Schmelze hineingedrückt
werden, sondern diese Rührkörper verfügen ergänzend über eine
besonders lange Standzeit.
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Das
lässt sich
darauf zurückführen, dass durch
die Schutzgasatmosphäre
am jeweiligen Rührkörper beim
Auftauchen aus der Schmelze ggf. noch anhaftendes Metall bzw. Aluminium
nicht reagiert und folglich den jeweiligen Rührkörper auch nur geringfügig angreift.
Außerdem
begünstigt
die Schutzgasatmosphäre
das Abperlen eventueller Schmelzreste. Dieser Effekt wird dann noch
gesteigert, wenn mit einer (sehr dünnen) Salzdecke in einem Schutzbad
gearbeitet wird. Denn dann wird der jeweilige Rührkörper beim Auftauchen aus der
Schmelze und beim Wiedereintauchen mit der Schutzschicht bzw. Salzdecke überzogen
und so seine Oberfläche
beim anschließenden
Weg durch die Metallschmelze zusätzlich
vor Verschleiß geschützt.
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Um
insgesamt die Oberfläche
der Metallschmelze zu verringern, empfiehlt es sich ferner, die drehbare
Ofentrommel kippbar auszuführen
bzw. den Metallschmelz-(Dreh-)Trommelofen als Metallschmelz-Kipptrommelofen
auszugestalten. Dabei kann der Ofen beispielsweise mit Hilfe wenigstens
eines hydraulischen Kippzylinders schräggestellt werden. Dadurch wird
nicht nur die Oberfläche
der Metallschmelze verringert, sondern lässt sich der Chargiervorgang
vereinfachen. Denn nun kann mit einer stirnseitigen Ofenöffnung gearbeitet
werden, welche nahezu dem Durchmesser im Innern der Ofentrommel
entspricht.
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Die Öffnung bzw.
die mehreren Öffnungen der
drehbaren Ofentrommel lassen sich entweder hermetisch abschließen oder
verfügen über einen bekannten
und vorgegebenen Öffnungsquerschnitt. Damit
durch diesen Öffnungsquerschnitt
keine Luft bzw. Sauerstoff ins Innere der Ofentrommel gelangt, kann
man die Schutzgasatmosphäre
unter (geringen) Überdruck,
also mehr als eine Atmosphäre
(at), setzen, so dass das Schutzgas aus diesem Öffnungsquerschnitt austritt
und von außen
keine Luft eindringen kann.
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Im
Ergebnis wird ein Metallschmelz-(Dreh-)Trommelofen zur Verfügung gestellt, der
sich durch einen praktisch unveränderten
konstruktiven Aufbau gegenüber
herkömmlichen (Dreh-)Trommelöfen auszeichnet
und durch die Schutzgasatmosphäre
im obligatorischen Freiraum oberhalb der Metallschmelze. Auf diese
Weise kann der Salzverbrauch bzw. Verbrauch an Schutzbadzusätzen drastisch
verringert werden. Hierin sind die wesentlichen Vorteile zu sehen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert;
es zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Metallschmelz-Drehtrommelofen
in einer ersten Ausführungsform
und
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2 den
Gegenstand nach 1 in einer abgewandelten Ausgestaltung.
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In
den Figuren ist ein Metallschmelz-Trommelofen dargestellt, welcher
sich vorzugsweise und nicht einschränkend zum Umschmelzen von Aluminium 1 eignet.
Tatsächlich
erkennt man in der 1 eine Charge des Aluminiums 1,
bei dem es sich beispielhaft um Sekundäraluminium, also aus der Recyclingwirtschaft
stammendes Aluminium 1, handelt. Der Metallschmelz-Trommelofen nach 1 ist
als Drehtrommelofen ausgeführt,
während
der Metallschmelz-Trommelofen nach 2 einen
sogenannten Kipptrommelofen darstellt.
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In
beiden Fällen
verfügen
die jeweiligen Metallschmelz-Trommelöfen über eine drehbare Ofentrommel
2,
deren Trommelmantel
3 wenigstens einen Rührkörper
4 aufweist.
Der Rührkörper
4 ragt
gegenüber
einer Ausmauerung
5 um ein bestimmtes Maß M ins
Innere der Ofentrommel
2 vor. Bei dem Rührkörper
4 handelt es
sich nicht einschränkend
um einen solchen aus Eisen oder Grauguss, wie er in der
EP 0 886 118 B1 bereits
beschrieben wurde. Alternativ hierzu kann der Rührkörper
4 aber auch über einen
metallischen Kern mit Feuerfestummantelung verfügen, wie dies in der
EP 1 408 297 B1 beschrieben
wird. Der Rührkörper
4 sorgt
dafür,
dass die in der Charge aus Aluminium
1 zu erkennenden Brocken
in die Metallschmelze gedrückt
werden, was den Einschmelzvorgang beschleunigt. Gleichzeitig wird
die Temperaturverteilung innerhalb der in
2 angedeuteten
Metallschmelze
6 vergleichmäßigt. Üblicherweise sind mehrere über den
Umfang des Trommelmantels
3 und dessen Länge verteilt
angeordnete Rührkörper
4 realisiert.
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Um
das Aluminium 1 bzw. allgemein das eingefüllte Metall
umzuschmelzen, ist eine Wärmequelle 7 vorgesehen,
bei welcher es sich im Rahmen des Ausführungsbeispiels um einen Sauerstoffbrenner handelt.
Die Wärmequelle
bzw. der Sauerstoffbrenner 7 benötigt also als Verbrennungsgas
Sauerstoff, wobei dieses Verbrennungsgas entweder in einem Freiraum 8 oberhalb
der Schmelze vorhanden ist oder über
eine nicht dargestellte Lanze unmittelbar der angedeuteten Brennerflamme
zugeführt
wird.
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Erfindungsgemäß ist nun
der oberhalb der Metallschmelze 6 vorhandene Freiraum 8 im
Innern der Ofentrommel 2 mit einer Schutzgasatmosphäre ausgefüllt. Bei
dem Ausführungsbeispiel
kommt das von der Wärmequelle 7 bzw.
dem Sauerstoffbrenner 7 erzeugte Abgas als Schutzgas zur
Verwendung, weil es sauerstoffarm bzw. verbrennungsgasarm respektive
reaktionsgasarm ist. Selbstverständlich könnte auch
ein anderes Schutzgas eingesetzt werden, welches mit einer Lanze
in eine Stirnseite 9 der Ofentrommel 2 eingeführt wird
und zusammen mit den Abgasen die Ofentrommel 2 an der gegenüberliegenden
Stirnseite 10 durch eine Ableitung 11 verlässt.
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Im
Rahmen des Ausführungsbeispiels
wird jedoch das Abgas von der Wärmequelle
bzw. dem Sauerstoffbrenner 7 als Schutzgas eingesetzt,
wobei dieses Schutzgas bzw. die Schutzgasatmosphäre im Kreislauf geführt wird.
Dazu verlässt
das Abgas bzw. Schutzgas die drehbare Ofentrommel 2 an
der Stirnseite 10 durch die Ableitung 11 und wird über eine Zuleitung 12 der
gegenüberliegenden
Stirnseite 9 wieder zugeführt. In die Zuleitung 12 mag
ergänzend der
Ausgang eines externen Schutzgasspeichers 13 münden, welcher
den Freiraum 8 zusätzlich
oder alternativ mit einem anderen Schutzgas (beispielsweise Stickstoff)
beaufschlagt. Dann kann man ggf. auf die Verbindung von Ableitung 11 und
Zuleitung 12 im Sinne der beschriebenen Kreislaufführung verzichten.
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Die
Wärmequelle
bzw. der Sauerstoffbrenner 7 ragt wenigstens teilweise
in das Innere der Ofentrommel 2 ein und ist mit seiner
Flamme – wie einleitend
beschrieben – gegen
die Ausmauerung 5 gerichtet, um Oxidationen der Metallschmelze 6 bzw. Aluminiumschmelze
zu verhindern. Grundsätzlich könnte auch
mit einer außerhalb
der Ofentrommel 2 vorgesehenen Wärmequelle gearbeitet werden,
welche beispielsweise den Trommelmantel 3 von außen erhitzt.
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Damit
die Wärmequelle
bzw. der Sauerstoffbrenner 7 den für den Verbrennungsvorgang nötigen Sauerstoff
erhält,
wird entweder der erforderliche Sauerstoffgehalt bzw. Verbrennungsgasgehalt
in der Schutzgasatmosphäre
im Freiraum 8 eingestellt oder der Sauerstoff bzw. das
Verbrennungsgas für
die Wärmequelle 7 wird
mit einer lediglich angedeuteten Lanze L der Flamme zugeführt.
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Um
den konstruktiven Aufwand so gering wie möglich zu halten, arbeitet das
Ausführungsbeispiel mit
einem vorgegebenen Sauerstoffgehalt innerhalb des Freiraumes 8.
Dieser kann mit einem Sensor 14 in der Zuleitung 12 sowie
ggf. einem weiteren Sensor 15 in der Ableitung 11 eingestellt
und überwacht
werden. Tatsächlich
misst der Sensor 15 in der Ableitung 11 den Sauerstoffgehalt
im Abgasstrom, welches als Schutzgas fungiert. Je nach der dortigen
Konzentration an dem Sauerstoff bzw. Verbrennungsgas für die Wärmequelle 7 wird
ein Ventil 16 in der Zuleitung 12 mehr oder minder
geöffnet,
um zusätzliches
Verbrennungsgas bzw. Sauerstoff zuzuführen. Der Sensor 14 überprüft nun das
mit dem Verbrennungsgas angereicherte Schutzgas, welches über die
Zuleitung 12 und die Stirnseite 9 ins Innere der
Ofentrommel 2 gelangt.
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Die
beiden Sensoren 14, 15, das Ventil 16 und
auch die Wärmequelle 7 sowie
ggf. die Lanze L sind an eine Steueranlage 17 angeschlossen
bzw. werden von dieser beaufschlagt. Auf diese Weise kann die Steueranlage 17 je
nach dem von der Wärmequelle 7 geforderten
Bedarf an Verbrennungsgas das Ventil 16 entsprechend öffnen und
mit Hilfe der Sensoren 14, 15 die Zusammensetzung
des Schutzgases und insbesondere den Verbrennungsgasgehalt ermitteln.
Das geschieht im Zuge einer Regelung, wobei letztlich der Verbrennungsgasgehalt
die Regelgröße darstellt,
welche wiederum von dem Bedarf an Verbrennungsgas für die Wärmequelle 7 vorgegeben
wird.
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Im
Rahmen der 2 erkennt man, dass die Metallschmelze 6 bzw.
das eingeschmolzene Aluminium 1 in einem Schutzbad umgeschmolzen
wird. Dazu ist die Metallschmelze 6 mit einer Schutzschicht 18 bedeckt,
bei welcher es sich im Rahmen des Ausführungsbeispiels und nicht einschränkend um
eine Salzdecke handelt. Dadurch, dass der Freiraum 8 mit
der Schutzgasatmosphäre – wie beschrieben – ausgefüllt ist,
kann an dieser Stelle mit äußerst geringen
Salzmengen gearbeitet werden. Tatsächlich lässt sich der sogenannte Salzfaktor
auf Werte von deutlich unter 0,5, in der Regel sogar auf Werte von weniger
als 0,2 und sogar bis hinunter zu unterhalb von 0,1 verringern.
Der Salzfaktor ist ein Maß für die beim
Umschmelzen erforderliche Salzmenge. Je geringer der Salzfaktor
desto geringer die benötigte Salzmenge.