用于熔化金属的装置

1.本发明涉及用于熔化金属、特别是有色金属的装置。在本文中，如果可能的话，术语“金属”也应理解为包括相应的合金，这些合金的熔化温度也应低于1000℃。本发明特别适合于熔化铝及其合金。


背景技术：

2.迄今为止，通常的做法是在不同配置的熔炉中使用燃油或煤气燃烧器熔化这些金属，其中相应金属的热焰可以转换成液相。在相应的碳氢化合物的燃烧期间，通过化学氧化形成的二氧化碳(co2)相对大量地释放到地球大气中，这从气候变化的角度来看是极其有害的。
3.此外，还已知对作为待熔化材料的金属进行感应加热。然而，由于发生的交变电场，形成的熔体发生强烈的搅动效应。这导致金属中的氧化物夹杂程度很高，从而用以这种方式获得的熔体生产的部件的质量受到很大的不利影响。由于不利的耦合条件，感应加热熔炉通常也不适合熔化粗循环材料或铸铁废料。
4.还已知的是电阻加热炉。这些电阻加热炉通常只有低输出，因此通常只适合于为已是液态的金属保温。
5.还尝试使用等离子体来熔化金属。在这些情况下，使用电弧来形成等离子体。为此目的，电极与未熔化的待熔化材料接触。然而，这会导致相应要熔化的金属受到污染，这是无法避免的且无法受到特别影响。失去接触会导致电弧在沉积期间立即终止，因此必须通过非常精细的工艺控制来避免这一点。


技术实现要素：

6.因此，本发明的目的是提供用于熔化金属的可能性，其中系统复杂度可以保持在限度内，现场co2的释放以及获得的熔体的污染可以最大程度地避免。
7.根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的装置来解决。本发明的有利实施方式和进一步的改进可以通过在从属权利要求中指定的特征来实现。
8.在根据本发明的用于熔化金属(其熔化温度优选低于1000℃)、特别是有色金属的装置中，在熔炉上布置用于形成自由气炬形式并通过辐射热传递至待熔化材料的等离子体的设备。在其他方面该熔炉可以是具有相同配置的常见的熔炉。优选地，竖式炉、炉床式炉以及坩埚炉是合适的。
9.所述设备连接到电源，此外，至少连接可形成等离子体的等离子气体的第一供给部。
10.所述设备的设计、尺寸、布置和/或对准使得所形成的等离子体布置在距金属待熔化材料一定距离处，在这种情况下，可以利用等离子体形成热气流，该热气流被朝向待熔化材料引导。因此形成的等离子体决不会与未熔化的待熔化材料或熔体直接接触。这也可以避免使用与待熔化材料或熔体接触的电极，因为不应存在这样的电极。
11.形成的等离子体应仅用作热源。因此，金属待熔化材料的加热可以仅通过热气流的热能和等离子体发射的热辐射来实现。
12.为此目的，所产生的等离子体应被设计和布置在装置中，使得至少几乎没有自由带电粒子(特别是离子、电子)可以与待熔化的金属直接接触。为此目的，也可以相应地设定或控制至少一种基本上通过其形成热气流的另外供应的气体的体积流率和流速。
13.等离子体也可以与附加气体(次级气体)混合，使得与等离子体形成稳定的等离子体炬或气炬，其也朝向待熔化材料发射辐射能量。待熔化材料可以与等离子体炬或气炬的热气体以及额外的辐射能量一起使用，以在熔炉的炉腔中传递热量并熔化待熔化材料。
14.熔化槽或坩埚布置在熔炉中以接收熔融金属。
15.在根据本发明的替选方案中，所述设备可以设计有微波发生器和连接到微波发生器的谐振器，该谐振器具有至少一个用于所产生的微波的反射板，该反射板形成为波导。此外，具有与壳体电绝缘的点火电极的电点火设备应是所述设备的一部分。点火设备专门用于点燃等离子体，并且可以在已经利用所产生的微波形成所使用的等离子气体的自由电荷载流子之后当已经形成足够大量的等离子体时开启。
16.等离子体应形成在谐振器内所述至少一个反射板前面的驻留微波的区域中，等离子气体在该区域中流动。可以很大程度上避免形成的等离子体的平移运动，从而使形成的等离子体构成用于产生热气流的固定热源。
17.在该替选方案中，等离子体应形成在所述设备的壳体中，其中热气流通过至少一个导流元件被朝向熔炉内的待熔化材料引导。管状或通道状元件可用作(一个或多个)导流元件，热气体可朝向待熔化材料流过该(一个或多个)导流元件。导流元件可以由玻璃、玻璃陶瓷或纯陶瓷材料制成。也可以具有至少两个导流元件。在这种情况下，一导流元件可以至少布置在具有更大内径或更大自由横截面积并且形成抗热的屏蔽件的导流元件内部的区域中。各导流元件不应直接接触。
18.在另一个替选方案中，所述设备可以形成有两个彼此间隔开的电极，在这两个电极之间，等离子气体朝向待熔化材料流动，并发生电弧放电。所述设备可以被设计成类似于本身已知的等离子体炬，例如用于切割和焊接材料。在这种情况下，电极通常由钨、铪或其合金形成。对向电极可以形成等离子气体流过的壳体。只有尺寸和操作参数应适应熔化金属的应用。但即使在这种情况下，所形成的等离子体也不应与待熔化材料直接接触，而应仅用作用于加热气体的热源，该气体可用作用于熔化的热气流或自由气炬。
19.用于等离子气体或附加气体(次级气体)的至少一个另外的供给部可以连接到壳体。该另外的供给部可以布置在距第一供给部一定距离处。优选地，该另外的供给部可以布置在形成的等离子体的区域中或者在流动方向上在形成的等离子体之后。
20.有利地，可以控制所述设备的微波发生器的电功率或电弧放电、等离子气体的体积流量和/或附加气体的体积流量。例如，测量的温度可以表示受控变量。测量的温度可以是热气流、等离子体、待熔化材料或熔体的温度。温度应优选地以非接触方式确定，例如通过热像仪(thermography)或高温计确定。然而，也可以调节温度。这可以根据工艺控制来进行，例如，以熔化熔体或为熔体保温。
21.也可以调节微波发生器，使得可朝向待熔化材料调整由等离子体形成的气炬的长度或所形成的等离子体炬的长度，从而特别可以影响可用的辐射能量的比例。
22.有利地，可以允许等离子气体在受到微波的影响之前以涡流的方式切向地流入壳体中。因此，可以延长接触时间，并且可以更有效地使自由电荷载流子(离子、电子)具有更高的能量水平，从而可以提高效率。
23.然而，附加气体也可以单独或另外地切向流入壳体中。可以将等离子气体平行于所述设备的壳体的纵向轴线或热气流的流动方向引入壳体中。因此，等离子气体可以通过流入开口流入所述设备的壳体中，该流入开口可以布置成紧邻点火设备。
24.用于等离子气体的入口可以围绕壳体的外周布置，等离子气体可以通过这些入口从供给部流入壳体中。
25.有利地，氩气可以用作等离子气体和/或附加气体，因为它对于待熔化材料和熔体是完全惰性的。应避免使用氮气作为等离子气体或附加气体，尤其是在熔化铝或其合金时。氧气或空气会促进氧化，因此在这方面是不利的。
26.然而，也可以使用气体混合物作为等离子气体或附加气体。在这个过程中，气体混合物的各气体比例可以适应于特定的待熔化金属。例如，氩气可以与空气混合，但空气含量应小于氩气含量。
27.还可以具有用于从熔炉中抽出的热气体的再循环系统，通过该再循环系统可以实现将该气体再次作为循环中的等离子气体和/或附加气体或实现余热的其他用途。闭环操作使得可以减少需要添加的等离子气体或附加气体的量，从而降低成本，尤其是氩气的成本。
28.然而，抽出的热气体的余热也可以用于例如为所获得的熔体保温或特别是用于预热附加气体。
29.在本发明中，可以使用频率在500mhz至5000mhz范围内、电功率在5kw至3000kw范围内的微波。
30.等离子气体和/或附加气体的总体积流量应选择为至少足够大，以使进入熔炉的热气流到达未熔化的待熔化材料，或至少接近未熔化的待熔化材料，从而待熔化材料由于热辐射而被熔化。
31.将用于通过微波产生的等离子体的点火设备的点火电极布置在辐射阱中也是有利的。为此目的，该点火电极可以布置在管状或通道状元件中，该管状或通道状元件的内径或内部自由横截面积小于形成等离子体的设备的壳体的内径或内部自由横截面积。如果该点火电极的尖端凹入管状或通道状元件中、即该尖端布置在辐射阱内是特别有利的。通过这样的设计，可以增加该点火电极的使用寿命，并且可以完全避免该点火电极的材料对熔体的污染。
32.用于形成等离子体的设备可以有利地以可枢转设备的形式附接到炉体，从而可以有针对性地和可变地在炉腔中引导气炬、等离子体炬或热气流。这允许改变气炬或等离子体炬的方向并且实现对炉腔中的相应待熔化材料的局部针对性加热。例如，可以在任何给定时刻根据需要将布置在炉腔中的待熔化材料的外边缘或中心加热到更大或更小的程度。
33.在本发明中，可以冷却壳体的至少某些区域。特别是为了有利地减小导流元件区域中强烈的温度变化的影响，对(一个或多个)导流元件进行调温也可能是有利的，特别有利的是应避免短时间内出现大的温差。
34.如已经解释的，本发明可以显著减少释放的co2量。可以毫不费力地转换或改造现
有的熔炉。熔融金属的质量至少与使用传统煤气或燃油燃烧器所能达到的质量相同。至少在很大程度上可以避免熔融金属的污染和氧化(如果不能完全避免的话)。
附图说明
35.下面，将通过示例更详细地解释本发明。无论特定示例或图中的相应图示如何，特征都可以相互组合。各个特征不限于特定示例或图示。
36.示出的是：
37.图1：根据本发明的装置的示例的示意图；以及
38.图2：穿过用于使用微波形成等离子体的设备的示例的一部分的截面图。
具体实施方式
39.图1示意性地示出了根据本发明的具有熔炉1的装置的示例。在熔炉1的一侧具有门(未示出)，可以通过该门向熔炉1供给未熔化的待熔化材料9。未熔化的待熔化材料9可以沉积在以一定角度倾斜的熔化平台4上，在示出的示例中该角度为10
°
，使得熔融金属可以从熔化平台4滴落到坩埚5或未示出的熔化槽中。
40.用于形成等离子体的设备2法兰连接到熔炉1的壳体6，并且至少一个此处未示出的用于热气流的导流元件被引导通过熔炉1的壳体壁进入熔炉1的内部，从而至少一股热气流可以被引导到未熔化的待熔化材料9上。壳体枢转地安装，从而允许在熔化期间跟踪气体、由等离子8形成的等离子体炬或热气流。
41.通过在熔炉1的壳体壁6中凹入的观察窗，可以从外部观察熔化过程或者也可以从该观察窗确定熔炉1内部的温度。
42.在图1中，熔炉1上还具有用于热废气的排气管7，通过该排气管7可以从熔炉1中抽出热废气。热废气可以再循环和再利用，例如作为等离子气体或附加气体再循环和再利用。
43.抽出的热废气也可用于为熔融金属保温或用于可以利用热能的某些其他用途。
44.热废气也可以通过热交换器。
45.图2示出了用于形成等离子体的设备2的基本元件。没有示出可以是市售产品的微波发生器。微波发生器法兰连接到谐振器10。
46.可以获得由微波发生器产生的微波11作为谐振器10中的驻波。为此目的，反射板10.1也布置在设备2的壳体13的与第二法兰21相对的法兰中。微波发生器连接到第二法兰21。
47.反射板10.1可以由玻璃形成。在用于微波的反射板10.1附近，在设备2的壳体13内设有用于冷却气体的供给部17。冷却气体除了其冷却效果外，还可以在壳体13内部沿反射板10.1的表面流动并对反射板10.1的表面进行清洁或保持反射板10.1的表面无颗粒。
48.在图2中，可以在设备2的壳体13的左侧看到具有棒状点火电极12的点火设备。该点火电极连接到未示出的电压源的一个极。如果在该点火电极12上短时间施加电压，则可以实现所供应的等离子气体的能量的额外增加，这导致在谐振器10的区域中点燃等离子体8并且在该区域中形成驻留微波11。在等离子体8被点燃之后，可以关闭点火设备。
49.壳体13可以在点火设备的区域中设计成具有作为辐射阱的点火电极12，如在说明书的发明内容部分中所解释的。
50.等离子气体可以仅通过辐射阱或仅通过围绕壳体13的外周分布的入口18进入。然而，这些的组合也是可能的。
51.可以通过优选地通过多个入口18的切向流入来实现和利用涡流效应。
52.在所示示例中，已经省略了附加气体的另外的供给部。然而，可以将至少一种附加气体引入设备2的壳体13中，优选地引入形成的等离子气体8的区域中。然后可以将附加气体至少主要用于热气流。
53.热气流沿所示箭头方向离开设备2。为此目的，在该示例中存在三个管状导流元件14、15和16。具有最小直径的石英玻璃管14包围形成的等离子体8。石英玻璃管14在其面向与点火设备相对布置的熔炉1的方向的区域中被另一个管状导流元件15包围，该导流元件15可以同时形成抗热辐射的屏蔽件。
54.在壳体13的面向熔炉1的方向布置的法兰的区域中，布置有直径最大的第三管状导流元件16。第三导流元件16可以至少被引导至熔炉1的壳体6的壁那么远，使得热气流可以通过壳体6的壁中的开口被引导到布置在熔炉1中的待熔化材料9上。然而，第三导流元件16的长度也可以选择为使得其延伸到熔炉1的内部。
55.第三管状导流元件16可被引导并保持在设备2的壳体13的法兰19中。导流元件14、15和16插入到彼此中。但是，这些导流元件不应相互接触。
56.除了用于冷却气体的供给部17之外，设备2的壳体13的其他区域也可以被设计成用于冷却。为此目的，冷却介质(气体或液体)可以流过这些区域。这些区域应至少布置在所形成的等离子体8附近。
57.在所示示例中，法兰冷却装置20设置在设备2的壳体13的一部分中。