OTTO JUNKER: Anlage für Schmelzeraffination von Leichtmetall

OTTO JUNKER wurde die Aufgabe gestellt, einen Tiegelofen zu konzipieren, in dem eine Schmelzeraffination mittels einer Plasmabehandlung durchgeführt werden sollte. Bei Nennfüllgrad des Ofens sollte die Schmelzeoberfläche mit einem Aktivgasplasma beaufschlagt werden, die Oberflächenbadbewegung und damit der Stoffaustausch sollten so intensiv wie möglich sein, ohne jedoch Schmelze auszuwerfen. Gleichzeitig sollte die Temperatur über einen mehrstündigen Behandlungszeitraum möglichst konstant bleiben, wobei der Wärmeeintrag durch den Plasmabrenner berücksichtigt werden musste.

Basierend auf dieser Aufgabenstellung wurde eine Ofenanlage mit einem mTiegelfassungsvermögen von ca. 100 l konzipiert, gebaut und in Betrieb genommen, die neben einem konventionellen Schmelzmodus (230 Hz, 300 kW) einen Rührmodus bei verringerter Leistung aufweist, bei dem Frequenz und Leistung unabhängig voneinander stufenlos einstellbar sind. Der Frequenzbereich beträgt 33 Hz - 100 Hz, die unterste Frequenz ist somit niedriger als die Netzfrequenz. Gleichzeitig besteht bei dieser Ofenanlage die Möglichkeit, im Rührmodus die bei diesem Ofen vorhandenen nzwei Teilspulen mit unterschiedlicher Phasenlage zu betreiben, wie dies beispielsweise von einem Linearmotor bekannt ist. Diese Anlage ermöglicht eine bisher nicht bekannte Flexibilität hinsichtlich einer unabhängigen Einstellung von thermischem Leistungseintrag nund der Strömungscharakteristik.

Die Bilder 1 - 4 verdeutlichen dies, hier im Falle einer Aluminiumschmelze: Bild 1 zeigt die Situation im Schmelzmodus bei einer Leistung von 120 kW und einer Betriebsfrequenz von 230 Hz. Die Bilder 3 - 4 zeigen die Situation bei 28 kW, 24 Hz und bei einem Phasenwinkel von 0°, +90° und -90°. Ein Vergleich zwischen Bild 1 und den Bildern 2 - 4 zeigt eindrucksvoll den Einfluss der Betriebsfrequenz: Bei einer Frequenz von 34 Hz genügt eine Leistung von 28 kW, um annährend die gleiche maximale Strömungsgeschwindigkeit im Bad zu erzielen wie bei 230 Hz und 120 kW. Ferner dokumentieren die Bilder 3 - 4 den deutlichen Einfluss der Phasenlage auf den Habitus der Badströmung.

Die Anlage erfüllt den geplanten Einsatzzweck zur vollen Zufriedenheit, die hier eingesetzte Technologie eröffnet jedoch viel umfangreichere Perspektiven. Zum einen ermöglicht der niederfrequente Betrieb in Verbindung mit der Phasenverschiebung die Konzeption hochturbulenter induktiver Mischer, die ideale Bedingungen für Metall-Schlacke-Reaktionen bieten. Gleichzeitig kann aufgrund der höheren magnetischen Eindringtiefe bei niedriger Frequenz eine im Vergleich zu konventionellen Tiegelöfen deutlich dickere Tiegelwandstärke gewählt werden,was für derartige metallurgische Aufgaben unabdingbar ist.

Einsatzgebiete sind zum Beispiel sekundärmetallurgische Anwendungen in Stahlwerken oder die Raffination von Kupfer in Halbzeugwerken.

Auch für das Recycling von Feinstoffen kann diese Technologie nur Vorteile bieten.

Bild 1-4: Einfluss von Leistung, Betriebsfrequenz und Phasenlage der Ströme in den Teilspulen auf die Intensität und den Habitus der Badbewegung

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	Bild 3: 28 kW, 34 Hz, phi=+90°		Bild 4: 28 kW, 34 Hz, phi=-90°