Die anwendungs- und umwelttechnischen Vorteile der elektrothermischen Prozesstechnik im Vergleich zur direkten Nutzung fossiler Brennstoffe sind unumstritten und haben in den letzten zehn Jahren zu einem um etwa 4 % höheren Anteil der Elektrowärme an der industriellen Prozesswärme geführt. Beispiele dafür sind die Elektrostahlerzeugung, deren Anteil an der Gesamtstahlerzeugung in den EU-Ländern in den letzten 20 Jahren von etwa 30 auf über 40 % gestiegen ist sowie das induktive Schmelzen in Eisengießereien, das bei der Gusseisenerzeugung mit etwa 40 % weltweit einen ähnlichen Anteil als Alternative zum koksbeheizten Kupolofen erreicht hat.

Dieser Trend erfährt einen zusätzlichen Auftrieb durch den wachsenden Anteil der regenerativen Stromproduktion, der als Prognose in Europa für 2020 im Vergleich zu 2007 in Bild 1 dargestellt ist. Aus Bild 2 lässt sich die daraus abzuleitende CO2-Reduktion für das induktive Schmelzen von einer Tonne Gusseisen entnehmen: Bereits in 2007 war die die Stromerzeugung einschließende spezifische CO2-Emission des Mittelfrequenz-Tiegelofens mit ca. 300 kg/t deutlich geringer als die des Kupolofens mit fast 500 kg/t. Mit dem für 2020 in Deutschland prognostizierten Regenerativ-Stromanteil liegt dann die spezifische CO2-Emission mit ca. 200 kg/t bei ca. 40 % der CO2-Emission des Kupolofens. Somit erfüllt das induktive Schmelzen die klimatechnische Forderung nach konsequenter Umstellung auf „saubere“ Energieträger in energieintensiven Industriebetrieben. bekanntlich wird diese Forderung vom Handel mit CO2-Emissionsrechten begleitet, was derzeit den Betrieb von Industrieöfen noch nicht betrifft, in Zukunft aber nicht auszuschließen ist.
 

Auch beim Einsatz „grüner“ Energie ist natürlich im Sinne der Ressourcenschonung in erster Priorität die effiziente Nutzung der Elektroenergie gefordert. Dabei haben die Anlagen- und die Prozesstechnik gleiche Bedeutung.

Bei der modernen Anlagentechnik besteht inzwischen für alle Anwendungen des Induktionsverfahrens die Stromversorgung aus einer Frequenzumrichtereinheit, die die Induktionsspule fürdie geforderte Leistung mit Strom einer an die Schmelzbedingungen angepassten Frequenz versorgt. In Bild 3 ist als Beispiel das Schema der Induktionstiegelofenanlage dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus dem Tiegelofen selbst, schematisch dargestellt in Bild 4, dem elektrischen Teil mit Transformator, Umrichter und Kondensatorbatterie sowie der Peripherie mit der Chargiereinrichtung und dem Wasserkühlsystem für Elektrik und Ofenspule. Für die Energiebilanz einer solchen Anlage sind beispielhaft für das Schmelzen von Gusseisen folgende Werte relevant: Die elektrischen Verluste im Transformator (1,5 %), im Umrichter (3 %) in Kondensator und Leitungen (2,5 %) sowie als Hauptanteil in der Spule ca. 15 %; dazu kommen ca. 3 % thermische Verluste, so dass bei einer spezifischen Enthalpie von 390 kWh/t für das Schmelzen und Überhitzen von Gusseisen auf 1500 °C der Energiebedarf am Netz bei 520 kWh/t liegt. Somit wird ein Gesamtwirkungsgrad von 75 % erreicht.
 

Marginale Verbesserungspotentiale für eine noch höhere Energieeffizienz liegen im Spulenaufbau, wo sich vor allem durch Optimierung der mittleren Spulentemperatur und des Spulenprofils sowie der Kühlspule die Verluste um 1 bis 3 Prozentpunkte senken lassen. Beim Umrichter liegen vergleichbare Möglichkeitenv vor  durch Einsatz neuer Leistungselektronikkomponenten wie IGBT oder IGLT. Moderne IGBT-Umrichter stehen inzwischen zu wirtschaftlichen Kosten mit Leistungen bis 6000 kW zur Verfügung. Die derzeit maximale Ausgangsleistung eines Umrichters auf Thyristorbasis liegt bei 18 000 kW. Das größte Potential zu verbesserter Energieeffizienz beim Induktionstiegelofen liegt in der Nutzung der Abwärme, die mit bis zu 20 % der Ofenleistung greifbar im Kühlwasser der Spule vorliegt, allerdings auf einem Temperaturniveau von bisher maximal 80 °C. Unter dieser Voraussetzung gibt es Erfahrungen mit den beiden folgenden Systemen:

• Nutzung der warmen Luft, wie sie beim Autokühlerprinzip anfällt, zur Schrotttrocknung oder zur Hallenheizung. Bei der Schrotttrocknung müssen für einen effektiven Wärmeübergang in der Schrottschüttung große Luftmengen mit Druck bewegt werden; dazu wird Energieaufwand benötigt, der die Energiebilanz verschlechtert. Bei der Hallenheizung wirken sich die großen bewegten Luftmengen als Zugluft aus, was zusätzliche Maßnahmen notwendig macht. Demnach ist die Abwärmenutzung in Form von warmer Luft noch wenig effektiv und verbesserungsfähig.
• Nutzung von warmem Wasser zum Duschen oder Heizen. Diese Art der Abwärmenutzung ist energetisch effizient, erfordert aber einen hohen Investitions- und Regelaufwand, da Heiz- und Kühlsystem im Verbund, aber auch unabhängig voneinander funktionieren müssen.

Derzeit wird an weiteren  Nutzungsmöglichkeiten gearbeitet, indem beispielsweise durch Einkopplung anderer Gießereiabwärmen die Temperatur des austretenden Ofenkühlwassers erhöht wird.

Es ist zu erwarten, dass diese laufenden Entwicklungen zu brauchbaren Ergebnissen führen.

Dem genannten optimalen Energiebedarf von 520 kWh/t stehen im gut geführten praktischen Schmelzbetrieb Werte von 560 bis 650 kWh/t gegenüber. Einflussgrößen für diesen zusätzlichen Energiebedarf bis zum Eingießen der Schmelze in die Form sind die Ofenfahrweise und die Integration der Schmelzanlage in den Gesamtprozess, worauf anschließend eingegangen wird.

Bild 5 zeigt den spezifischen Energiebedarf des MF-Tiegelofens im Vergleich zu dem des Kupolofens. Aufgrund des hohen Anlagenwirkungsgrades ergibt sich ein deutlich niedrigerer Energieverbrauch des Induktionsofens vor Ort, was sich aber bei Betrachtung des Primärenergiebedarfs aufgrund des Kraftwerkswirkungsgrads zu Gunsten des Kupolofens umkehrt.

Für die Herstellung von Eisenguss sind Induktionsöfen als Schmelz-, Speicher- und Gießaggregate unverzichtbar geworden; besonders der Mittelfrequenztiegelofen wurde zum Standardschmelzaggregat. Seine Vorteile gegenüber dem Kupolofen liegen in der Flexibilität für die Herstellung unterschiedlicher Legierungen, der besonderen Eignung für das Erschmelzen von Basiseisen für duktile Werkstoff e, dem hohen Ausbringen der Einsatzstoff e und nicht zuletzt in der geringen CO2-Emission.
 

Solche modernen Anlagen wie in Bild 7 im Modell beispielhaft dargestellt, arbeiten mit

• stufenloser Leistungsaufteilung eines Umrichters auf zwei Öfen im Tandembetrieb zur kontinuierlichen Versorgung von Form anlagen ohne zusätzlichen Puffer;
• fahrbaren Beschickungseinrichtungen, meist mit Vibrationsförderung, die in der Gattierhalle mit Magnetkran anforderungsgerecht beladen werden;
• Absaughauben, die an die Chargiereinrichtung andocken (Bild 8) und die Rauchgase bei allen Arbeitsgängen wirkungsvoll absaugen, auch beim Abstich mit Magnesiumbehandlung in der Pfanne (Bild 9);
• rückkippbaren Öfen zum zügigen Abschlacken (Bild 10) als Alternative zum Einsatz von Schlackebaggern;
• hydraulischer Vorrichtung zum Ausdrücken des verschlissenen Feuerfesttiegels;
• Prozessoren zur Steuerung des Gattier-, Chargier- und Schmelzablaufs.

Auf die Energieeffi zienz haben alle Einzelschritte des gesamten Schmelzprozesses Einfl uss: Es beginnt mit der Chargenvorbereitung, wo der richtige Mix von grobem und kleinerem Stückgut zum mehr oder weniger guten Ankoppeln des elektromagnetischen Feldes an das Schmelzgut führt. Bei ungünstiger Schüttdichte mit wesentlich mehr Luftvolumen als Metall- im Spulenbereich des Tiegels würde die Schmelzzeit entsprechend verlängert und damit die Energieeffizienz verschlechtert. Bei Bedarf ist hier der Einsatz eines Kreislauf- und Schrottbrechers sinnvoll. Ein zweites energierelevantes Kriterium der Einsatzstoffbeschaffenheit ist der Sandanteil des Kreislaufmaterials. Der Energiebedarf für das Schmelzen des anhaftenden Sandes zu Schlacke liegt mit ca. 500 kWh/t in der gleichen Größenordnung wie der für das Schmelzen des Eisens. Für das Herstellen einer 10 t-Gusseisenschmelze aus 50 % Kreislauf mit 10 % Sandanteil werden somit 250 kWh zusätzlich für das Sandschmelzen benötigt. Dazu kommt der Aufwand für das Abschlacken der großen Schlackenmengen. Für ein effizientes induktives Schmelzen ist es daher sinnvoll, das Kreislaufmaterial sandzustrahlen oder zumindest durch Rütteln zu reinigen.

Das leistungs- und damit energieoptimierte Chargieren erfolgt mit Hilfe des Schmelzprozessors: Er ermöglicht die Prozesskontrolle so, dass einerseits keine Unterbrechungen des Schmelzprozesses entstehen, drei bis fünf Minuten Unterbrechung bedeuten 25 bis 50 kWh/t zusätzlichen Energieverbrauch, und dass andererseits das Schmelzgut rechtzeitig nachchargiert wird, so dass es nicht in den flüssigen Sumpf eintauchen kann. Demnach sollte der Schmelzer den Anweisungen des Prozessors folgen und den Ofen ständig mit der vollen verfügbaren Leistung fahren. Dazu steht am Bedienpult ein Terminal mit Bildschirm zur Verfügung, wie in Bild 11 anhand einer Maske für ein Tiegelofentandem dargestellt.
 

Die für die Herstellung der meisten Gusseisensorten zu empfehlende Chargierreihenfolge lässt sich aus Bild 12 ablesen. Demnach sollten in den leeren heißen Tiegel zunächst leichter Stahlschrott oder Späne in der Menge chargiert werden, dass der Boden bedeckt ist und somit der Tiegel gegen mechanischen Verschleiß geschützt wird. Dann erfolgt die Zugabe von 50 % bis 75 % der Kohlenstoffmenge, die für die Endzusammensetzung der Schmelze berechnet wurde sowie die Zugabe von Stahlschrott, gegebenenfalls gemischt mit Spänen und/oder Roheisen bis zur Oberkante der Aktivspule. Anschließend werden Stahlschrott plus Kreislauf/Gussbruch auf Knopfdruck so nachchargiert, dass die Aktivspule gefüllt, der Ofen aber nicht überfüllt wird. Nach der Eingabe von etwa der Hälfte der Gesamtcharge sollten Silicium in Form von SiC und/oder FeSi sowie die restliche Kohle und eventuell andere Legierungsstoffe eingegeben werden. Nach Erreichen der vollen Ofenfüllung und der theoretischen Soll-Temperatur erfolgen Temperaturmessung und Probenahme sowie das Abschlacken.
 

Für den Energieaufwand bei der weiteren Verarbeitung der Schmelze haben Auslegung und Konzept der Schmelz- und Gießanlage wichtige Bedeutung. Beispielsweise führt beim kontinuierlichen Flüssigeisenbedarf einer automatisierten Formanlage die Tandemanordnung der Schmelzanlage zu hoher Energieeffizienz bei gleichzeitig niedrigem Leistungsmaximum. Bei einem solchen Tandem speist ein Umrichter mit stufenloser elektronischer Leistungsaufteilung zwei Tiegelöfen so, dass der eine Ofen im Schmelz-, der andere im Warmhalte-/Gießbetrieb arbeitet (Bild 13). Damit ist die kontinuierliche Schmelzeversorgung ohne zusätzlichen Puff er sichergestellt. Gegenüber der herkömmlichen Lösung mit einem Speicherofen spart man das Umfüllen der Schmelze in diesen Puffer und damit neben dem Handling die dafür benötigte Energie; das sind bei einem Temperaturabfall von 30 bis 50 K pro Umfüllvorgang 15 bis 20 kWh/t.
 

Ein weiteres Potential zur Energieeinsparung auf dem Weg zur kontinuierlich zu versorgenden Formanlage bietet der Gießofen.  In Bild 14 sind zwei alternative Anlagenkonzepte dargestellt: a) Das Versorgen einer unbeheizten Gießeinrichtung mit relativ kleinen Schmelzeportionen in Taktzeiten von 10 bis 15 Minuten; b) die Beschickung eines Gießofens mit vergleichsweise großen Portionen in großem Zeitabstand. Im Fall der unbeheizten Gießeinrichtung muss die Schmelze im Schmelzofen um 50 bis 70 K überhitzt werden, um die Wärmeverluste während des Transports und des Gießvorgangs zu kompensieren. Der entsprechende Energiebedarf beträgt 50 bis 70 kWh/t. Beim Einsatz des Gießofens werden nur ca. 20 K für die Überhitzung im Schmelzofen benötigt. Die Transportverluste sind in größerer Pfanne geringer, und die Wärmeverluste während des Gießens werden im Gießofen mit besserem Wirkungsgrad gedeckt. Darüber hinaus führt das beim Gießofenkonzept mögliche schnellere Entleeren des Schmelzofens zur optimalen Leistungsnutzung des Tandems mit nahezu 100 %.

Wegen des um 15 bis 20 Prozentpunkte höheren elektrischen Wirkungsgrades und des daraus folgenden geringeren Energieverbrauches wird für das induktive Schmelzen von NE-Metallen der Rinnenofen bevorzugt. Allerdings bietet der Tiegelofen die Vorteile der stärkeren Badbewegung und des problemlosen Anfahrens mit festen Einsatzstoffen. Dementsprechend wird er trotz des höheren Energieverbrauches immer dann eingesetzt, wenn unter Nutzung der Rührwirkung kleinstückige Teile wie Blechabfälle oder Späne mit gutem Ausbringen zu schmelzen sind oder wo häufiger Legierungswechsel der herzustellenden Schmelze gefordert ist.

Letzteres ist häufig bei der Aluminium-Formgussherstellung der Fall, so dass in Al-Gießereien meist der Induktionstiegelofen das geeignete Schmelzaggregat darstellt. In Standardausführung lassen sich die MF-Tiegelöfen analog zur Eisengießerei betreiben, beispielsweise in Tandemanordnung.

In Aluminium-Halbzeugwerken steht der Induktionsrinnenofen in starker technologischer Konkurrenz zum gasbeheizten Schmelzofen. Den Ausschlag für die höhere Wirtschaftlichkeit des Elektro- oder des Brennstoffverfahrens geben im Einzelfall letztendlich die lokalen Energiekosten und die Effizienz der Induktoren, die in Doppelkanalform mit zwei Spulen ausgeführt sind. Die Schmelzleistung beträgt bei Anschlussleistungen bis 1500 kW bis über 3 t/h pro Induktor mit Feuerfesthaltbarkeiten von durchschnittlich neun Monaten. Der Ofenkessel mit Fassungsvermögen bis 55 t bei 45 t Nutzfassung ist meist in Wannenform ausgeführt und am Ofenboden mit bis zu vier Induktoren bestückt. Bild 15 zeigt schematisch einen solchen Ofen mit vier Hochleistungsinduktoren.