Ein starrer Drehtrommelofen besteht aus einer großen Stahltrommel, die sich liegend um die eigene Achse dreht. Mit zwei umspannenden Laufringen liegt die Trommel auf Rollvorrichtungen auf, über die sie mithilfe eines elektrischen Antriebs in eine Drehbewegung versetzt wird. Zur Verringerung der Oxidation und zum Auflösen bzw. zur Aufnahme organischer Anhaftungen findet das Schmelzen mithilfe von Abdecksalzen statt [2]. Damit die Funktion des Abdecksalzes gewährleistet ist, wird es vor den Vorstoffen chargiert und geschmolzen.

Der Ofenbetrieb wird durch die Einstellung der Maschinenparameter, die Chargenzusammensetzung, die Wahl der Chargierzeitpunkte, die Beachtung des Verhaltens der Vorstoffe im Ofen sowie das Ablassen der Schmelze und der Salzschlacke beeinflusst. Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau eines Drehtrommelofens.

Um bei der Herstellung einer Aluminiumlegierung aus Altschrotten eine hohe Produktivität bei effizienter Energieausnutzung und geringem Salzverbrauch gewährleisten
zu können, werden in der Literatur folgende Leitsätze angegeben [2]:

• Vorstoffe so schnell wie möglich chargieren und einschmelzen,
• möglichst schnelle Bedeckung der Vorstoffe mit Abdecksalz,
• Anpassung der Reihenfolge und Zeitpunkte der Teilchargen nach ihrer Oxidationsneigung und ihrem Einschmelzverhalten,
• Türöffnungszeiten so gering wie möglich halten und
• Vermeidung von unnötigem Überhitzen und Flüssighalten der Schmelze.

Die im Schmelzwerk verarbeiteten Vorstoffchargen setzen sich aus einer Kombination von Altschrotten mit organischen Anhaftungen sowie Neuschrotten ohne organische Anhaftungen zusammen. Für die durchgeführte Untersuchung wurde eine Mustercharge, basierend auf der am häufigsten verwendeten Chargenzusammensetzung, festgelegt. Der Gewichtsanteil der Altschrotte liegt bei 50 %. Die Altschrotte sind größtenteils Bleche mit niedriger Schüttdichte und variierendem Anteil organischer Anhaftungen. Die Neuschrotte bestehen überwiegend aus Kreislaufmaterial der angeschlossenen Gießerei. Je nach Beschaffenheit der Vorstoffe werden die Chargen in 8 bis 10 Teilchargen zu je 1,3 bis 2 t aufgeteilt.

Das Einbringen der Teilchargen erfolgt so schnell wie möglich. Nach dem Einbringen einer Teilcharge befinden sich die Vorstoffe im vorderen Bereich des Ofens (siehe Bild 2). Bevor eine weitere Teilcharge chargiert werden kann, müssen die im Ofen befindlichen Vorstoffe in den hinteren Teil der Trommel gefördert werden.

Bei allen Teilchargen ist ein unkontrolliertes Abbrennen bzw. ein zu schnelles Verbrennen unter Sauerstoffmangel der Fremdstoffe zu vermeiden. Dazu wird der Ofen bei niedriger Umdrehungsgeschwindigkeit und möglichst geringer Arbeitstemperatur, d. h. niedrigem Energieeintrag durch den Brenner, betrieben. Um eine zu hohe Konzentration von Schadgasen zu vermeiden, wird das Abgas emissionstechnisch überwacht. Das Einbringen weiterer Vorstoffe erfolgt erst, wenn alle organischen Fremdstoffe der im Ofen befindlichen Vorstoffe thermisch entfernt wurden. Dadurch wird zusätzlich ein Sauerstoffmangel im Ofeninnenraum vermieden, der durch ein zu schnelles Abbrennen großer Mengen organischer Bestandteile entsteht.

Die Kapazität des Ofens ist aufgrund der geringen Schüttdichte der Altschrotte nach dem Einbringen von ca. 5 bis 7 Teilchargen ausgelastet. Die folgenden Teilchargen können erst eingebracht werden, wenn die Vorstoffe in sich zusammengesackt sind. Dieser Punkt der Volumenreduzierung wird aufgrund von Erfahrungswerten der Mitarbeiter bzw. einer visuellen Beurteilung des Schmelzgutes bei geöffneter Arbeitstür bestimmt. Nach dem Einbringen aller Teilchargen werden die Vorstoffe auf Schmelztemperatur erhitzt, geschmolzen und für den Transport sowie die weitere Verarbeitung überhitzt. Nachdem die gewünschte Temperatur erreicht ist, werden die Schmelze in einen Tiegelofen und die Salzschlacke in einen Auffangkübel abgeführt.

Der beschriebene Prozess ist im Ausgangszustand sehr energieintensiv und kaum reproduzierbar. Bild 3 zeigt die Ofenreisedauer für 24 Chargen mit Altschrottanteilen zwischen 35 und 60 %. Die Dauer der Ofenreisen beträgt zwischen 4,1 und 7,5 h. Der Energiebedarf variiert zwischen 400 und 800 kWh/t Legierung. Neben einer
schwankenden Ausbringung ist die große Streuung der Prozesszeit auch für die Versorgung der nachgelagerten Druckgießanlagen mit Aluminiumschmelze problematisch.

Das Chargieren der Vorstoffe aufgrund von Erfahrungswerten und visueller Beurteilung hat sich in der Praxis als Methodeerwiesen, die trotz nicht vorhandener messtechnischer Überwachung in Bezug auf Prozessdauer und Schmelzertrag zu guten Ergebnissen führt. Diese Vorgehensweise setzt neben einem tiefen  Prozessverständnis ein häufiges Öffnen des Schmelzofens voraus. Durch die kontinuierliche Entlüftung kommt es bei geöffneter Arbeitstür zu einem  alschluftvolumenstrom, der den Ofen durchströmt und Wärme über das Abgas aus dem Ofen transportiert.

Weiterhin kann es aufgrund eingeschränkter messtechnischer Überwachung zu einer ineffizienten Wahl der Chargierzeitpunkte kommen. Wenn der Chargierzeitpunkt zu früh gewählt wird, ist nicht ausreichend Volumen im Ofen vorhanden, um die nächste Teilcharge aufzunehmen. Der Ofen muss geschlossen und zu einem späteren Zeitpunkt erneut geöffnet werden.

Zur Lösung dieser Problemstellung soll eine Messgröße ermittelt werden, die zur nicht-invasiven Beurteilung des Schmelzzustandes geeignet ist. Dadurch können
eine effiziente Bestimmung der Chargierzeitpunkte bei geschlossener Arbeitstür erfolgen und eine Reduzierung der Türöffnungszeit sowie der Prozessdauer erreicht
werden.

Aufgrund von Verweisen in [1, 4, 5] wurden die Parameter Abgastemperatur, Temperatur der Ofenhülle und Leistungsaufnahme des Trommelantriebs auf Eignung
zur nicht-invasiven Beurteilung geprüft. Theoretisch ist die Bestimmung der Temperatur des Aluminiums bzw. der vom Aluminium aufgenommen Energie anhand der Temperatur des Abgases oder der Ofenhülle möglich. Werden die ein- und ausgehenden Energieströme bilanziert, ergeben sich die im Ofen verbleibende Energie sowie die Temperatur des Aluminiums. Praktisch ist diese Methode jedoch aus den folgenden Gründen nur bedingt umsetzbar:

• Die genaue Zusammensetzung der Vorstoffe, insbesondere der Anteil organischer Fremdstoffe, die je nach Schrottsorte einen hohen Energiegehalt aufweisen (Farben, Lacke, Öle, Papier, Polymere, vgl. [7]), ist unbekannt.
• Die Ofenwand unterliegt durch fortlaufenden Kontakt mit Abdecksalzen und Vorstoffen einem kontinuierlichen Verschleiß, wodurch sich der Wärmedurchgang durch die Ofenwand ständig, aber nicht gleichmäßig über die gesamte Fläche des Mantels verändert [3].
• Der Ofen ist gegenüber seiner Umgebung nicht abgedichtet. Über die Ofentür und einen Ringspalt zwischen Trommel und Abgaskanal wird ein unbekannter Falschluftstrom ins System eingebracht [3].

Demnach wird die genaue Beurteilung des Schmelzzustandes aufgrund der Energiebilanz für das vorliegende System als ungeeignet bewertet.

Die Bestimmung der Aufnahme der elektrischen Leistung des Trommelantriebs ist mit geringem messtechnischem Aufwand verbunden und wird nicht direkt von den thermischen Vorgängen im Ofen beeinflusst. Die zur Bewegung der Trommel notwendige Energie ist von der Umdrehungszahl, der Vorstoffmasse und dem Zustand des Vorstoffes in der Trommel abhängig [3]. Um die Eignung für eine Bestimmung der Chargierzeitpunkte zu prüfen, wurden Untersuchungen an einem Drehtrommelofen während des Schmelzprozesses durchgeführt und alle relevanten Größen messtechnisch erfasst. Bild 4 stellt die Abhängigkeit der Leistungsaufnahme des Ofenantriebs
(graue Kurve) von der Vorstoffmasse, der Drehgeschwindigkeit (rote Kurve) und des Aggregatzustandes der Vorstoffe dar.

In Bereich A ist zunächst ersichtlich, dass beim Einbringen der Teilchargen (hellblaue Linie) die Leistungsaufnahme ohne den Einfluss anderer Mechanismen steigt. In Bereich C lässt sich der Einfluss der Drehgeschwindigkeit erkennen. Bei einer Verringerung der Drehgeschwindigkeit verringert sich die Leistungsaufnahme.

Der Einfluss des Aggregatzustandes der Vorstoffe ist u. a. in Bereich B ersichtlich. Die ungeschmolzenen Vorstoffe reiben an der Ofenwand und den Rührkörpern. Beim Übergang von der festen in die flüssige Phase sinkt der Reibungswiderstand zwischen Ofenwand und Aluminium. Bei gleicher Masse muss wenigerEnergie aufgewendet werden, um die Trommel zu bewegen. Mit steigendem Anteil flüssiger Legierung wird die Abnahme der Leistungsaufnahme geringer. Auch nach vollständigem Übergang der Vorstoffe in die flüssige Phase sinkt die Leistungsaufnahme so lange, bis die Schmelze die in Bezug auf den Energieeintrag maximal mögliche Temperatur erreicht hat. Dieser Zusammenhang beruht auf der Temperaturabhängigkeit der Viskosität der Schmelze [6]. Um eine flexible Wahl der Vorstoffzusammensetzung zu ermöglichen, berücksichtigt die entwickelte Methode den Verlauf der Leistungsaufnahme. Demnach wird zunächst ein Leistungsbereich ermittelt, der in Bezug auf den Schmelzzustand auf einen optimalen Chargierzeitpunkt hinweist. Dieser Bereich ergibt sich aufgrund der Zeitpunkte, zu denen die Mitarbeiter, basierend auf der visuellen Beurteilung der Schmelze, den Zustand der Schmelze und des Ofens als optimal zur Aufnahme der nächsten Teilcharge bewerten. Er liegt bei einer Abnahme der Leistung zwischen 30 und 50 % [3]. Dieser relativ große Leistungsbereich erleichtert die praktische Anwendung. Auf Basis dieses Leistungsbereiches wurden Pilotofenreisen durchgeführt, bei denen das Chargieren aufgrund der Abnahme der Leistung erfolgte. Bild 5 zeigt den untersuchten Drehtrommelofen und den Verlauf der Leistungsaufnahme inklusive des empfohlenen Leistungsbereiches. 

Die Leistungsaufnahme wurde im Verlauf der Ofenreise überwacht. Das Chargieren der Teilchargen 1 bis 6 erfolgte aufgrund der visuellen Beurteilung des Abgases und der Emissionsüberwachung. Der Verlauf der elektrischen Leistung in Bild 5 beginnt bei der siebten Teilcharge. Bei einer Abnahme um jeweils 35 % wurde der Mitarbeiter informiert, dass laut Leistungsaufnahme die nächste Teilcharge eingebracht werden kann (Bild 5, grüne Punkte). Die visuelle Beurteilung des Schmelzzustandes durch einen erfahrenen Ofenfahrer diente als Verifikation, ob der Zustand der Schmelze zum Einbringen weiterer Vorstoffe geeignet ist. Das Chargieren (Bild 5, blauer Punkt) erfolgte bei der vierten Teilcharge kurz nach und bei den drei folgenden innerhalb des zuvor theoretisch bestimmten optimalen Bereichs (Bild 5, der optimale Bereich liegt zwischen dem grünen und dem roten Punkt). 

Mit der praktischen Untersuchung konnte die Annahme, dass bei einer Abnahme der elektrischen Leistung zwischen 30 und 50 % das Volumen der Vorstoffe weit genug verringert ist, um eine neue Teilcharge aufzunehmen, verifiziert werden. Weiterhin wurde verdeutlicht, dass das  leistungsabhängige Chargieren eine geeignete Methode zur Wahl der Chargierzeitpunkte und analog der Reduzierung der Ofenreisedauer und Türöffnungszeiten ist.

Zur Anwendung der entwickelten Methodik wurde ein Drehtrommelofen umgerüstet. Der Verlauf der elektrischen Leistung wird über einen nachgerüsteten Leistungsanalysator aufgenommen und auf einem Monitor am Bedienfeld des Ofens ausgegeben. Je nach Abnahme der elektrischen Leistung wird dem Ofenbediener signalisiert, ob sich der Ofen im optimalen Leistungsbereich befindet. Zur Bestimmung des Potenzials in Bezug auf eine Reduzierung des Energiebedarfs und einer Produktivitätssteigerung wurden weitere Ofenreisen durchgeführt. Die Ergebnisse werden im Folgenden dargestellt.