DE2124412A1

DE2124412A1 - Plasmaschmelzofen

Info

Publication number: DE2124412A1
Application number: DE19712124412
Authority: DE
Inventors: Sadaie Kuwana Mie. Sone (Japan)
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1970-05-19
Filing date: 1971-05-17
Publication date: 1971-12-02
Also published as: BE767415A; DE2124412C2; US3828107A; JPS5036407B1

Description

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Daido Seiko Kabushiki Kai alia Nagoya (Aichi, Japan)

Plasmaschmelzofen

Die Erfindung betrifft einen Plasmaschmelzen en zum Schmelzen von Metallen mit Hilfe eines als Färmequelle dienenden Plasmastrahls, wobei eine Verunreinigung der in dem Ofen befindlichen Plasmagasatmosphäre verhindert wird.

In einem Plasmaschmelzofen zum Schmelzen von Metallen mit Hilfe eines als Wärmequelle dienenden Plasmastrahls kann eine befriedigende Reinigungswirkung nur erzielt werden, wenn eine Verunreinigung der Ofenatmosphäre durch die Außenluft verhindert wird. Zu diesem Zweck wird der Ofen mit dem Plasmagas gefüllt.

Wenn der Plasmaschmelzofen mit dem Plasmagas gefüllt wird, das zum Erzeugen des Plasmastrahls dient, steigt der Druck in dem Ofen auf einen Wert, der um 5-30 Torr über dem Umgebungsdruck liegt. Wenn der Innenraum des Ofens an zwei Stellen mit der Außenluft in Verbindung steht, kann aber an diesen beiden Stellen infolge der Gasströmung ohne weiteres Umgebungsluft in den Ofen eintreten, selbst wenn in dem Ofen ein leichter Überdruck herrscht.

Das Plasmagas tritt durch einen Plasmabrenner in den Plasmaschmelzofen ein. Das aus dem verbrauchten Plasmagas bestehende Abgas tritt durch eine Austrittsöffnung aus, die den Ofenkörper oder die Ofendecke durchsetzt, oder durch einen Austrittsspalt, der den Mantel des die Ofendecke durchsetzenden Plasmabrenners umgibt. Wenn die zusätzlich zu diesen Abgasaustrittsöffnungen

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vorhandenen und den Innenraum des Ofens mit der Außenluft verbindenden Sasdurchlässe nicht abgedichtet sind, kann man eine Verunreinigung der Ofenatmosphäre nur sehr schwer verhindern, so daß der Erfolg des Plasmaschmelzverfahrens gefährdet ist.

In den üblichen Plasmaschmelzöfen hat man daher versucht, zum Abdienten des Ofens an dem Abstichloch einen O-Ring und der Ofendecke einen O-Ring bzw. Sand vorzusehen.

Dagegen nat man sich bisher praktisch nicht bemüht, einen Eintritt von Äußenluft durch den stark feuerfest ausgemauerten Ofenkörper hindurch zu verhindern, weil die feuerfeste Ausmauerung eine dichte Wand bildet oder jedenfalls nur sehr schwach luftdurchlässig ist und weil in dem Ofen ein gewisser Überdruck herrscht. Man hat sich daher nicht mit dem Problem befaßt, wie eine Verunreinigung der Ofenatmosphäre vermieden werden kann, die durch luft verursacht wird, die durch den Ofenkörper hindurch eingetreten ist.

Me feuerfeste Ausmauerung des Ofenkörpers besteht jedoch im allgemeinen aus einem porösen Material, das keine dichte Wand bildet, welche den Innenraum des Ofens von der Außenluft vollkommen isoliert, und in dem sich selbst bei einer gewissen Diehtwirkung infolge des wiederholten Aufheizens und Abkühlens des Ofens lind der damit verbundenen Ausdehnung und Schrumpfung des Materials Hisse bilden, so daß das feuerfeste Material undicht, d.h. gasdurchlässig wird.

In dem !üblichen Plasma schmelz of en ist die feuerfeste Ausmauerung des Ofenkörpers im allgemeinen mit Stahlblech ummantelt, welches die feuerfeste Ausmauerung schützt und abstützt. Diese Ummantelung aus Stahlblech ist mit mehreren Ventilationslöchern zum Trocknen der feuerfesten Ausmauerung des Ofenkörpers versehen, so daß die Abdichtung des Ofens nur von der feuerfesten Ausmauerung abhängt. In dem üblichen Plasmaschmelzofen mit einer elektrischen Induktionsheizung, v/eiche die üblichen Heizelemente aufweist, ist

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in dem Bereich, der Induktionsspule die feuerfeste Ausmauerung des Ofenkörpers dünner und wird jeder Teil der Spule oder des im Innern der Spule befindlichen, feuerfesten Materials gewöhnlich von der Spule selbst getragen, während die dichte Wand zum Isolieren des Innenraums des Ofens gegenüber der Außenluft von der feuerfesten Ausmauerung des Ofenkörpers gebildet wird.

In dem üblichen Plasmaschmelzofen kann daher selbst bei einer Abdichtung des Abstichloches und der Fuge zwischen dem Ofenkörper und der Ofendecke Gas aus der Außenluft in das Innere des Ofens zwar nicht durch die Austrittsöffnung für das Abgas, aber durch die Poren und Bisse in dem feuerfesten Material eintreten. Selbst wenn diese Luftmengen relativ klein sind, können sie die Atmosphäre im Innern des Ofens verunreinigen, die Stabilität des Plasmas beeinträchtigen und die Heizleistung des Plasmastrahls herabsetzen. Ferner wird die eingetretene luft von dem in dem Ofen befindlichen, schmelzflüssigen Metall absorbiert und mit ihm vermischt, so daß die Qualität des Metalls herabgesetzt wird.

Die Konstruktion des erfindungsgemäßen Plasmaschmelzofens beruht auf der Erkenntnis, daß die feuerfeste Ausmauerung des Ofenkörpers porös ist und sich im Betrieb des Ofens in der feuerfesten Ausmauerung zahlreiche Risse bilden. Aufgrund dieser Erkenntnis wird der Ofenkörper vollständig mit Blech, z.B. Stahlblech, ummantelt, so daß der Innenraum des Ofens bis auf die Austrittsöffnung für das Abgas gegenüber der Außenluft vollkommen abgedichtet ist und diese daher nicht durch die feuerfeste Auskleidung des Ofenkörpers eintreten kann. Dadurch wird eine Verunreinigung der Ofenatmosphäre durch eintretende Außenluft wirksam verhindert, so daß das Plasmaschmelzverfahren zuverlässig zu einer schnellen Erhitzung des schmelzflüssigen Metalls und zu einem hochwertigen Produkt führt.

Die Erfindung betrifft somit einen Plasmaschmelzen en, in dem eine den Schmelzraum begrenzende, feuerfeste Ausmauerung vollständig mit Blech ummantelt, der Schmelzraum gegenüber eier

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Außenluft abgedichtet und die Luft in dem von dem Blech umschlossenen Innenraum durch ein Inertgas ersetzt ist.

In dem erfindungsgemäßen Ofen kann man zum Ummanteln des Ofenkörpers das Stahlblech verwenden, das in dem üblichen Plasmaschmelzofen zum Abstützen und Schutz der feuerfesten Ausmauerung des Ofenkörpers dient. In diesem Fall sind in der Blechummantelung, wie vorstehend beschrieben wurde, mehrere Ventilationslöcher vorhanäm, die zum Trocken der feuerfesten Ausmauerung dienen. In dem erfindungsgemäßen Ofen werden daher nach dem genügenden Trocknen der feuerfesten Ausmauerung die Ventilationslöcher in geeigneter Weise so abgedeckt, daß die von dem Ummantelungsblech gebildete Wand vollkommen dicht ist.

In dem erfindungsgemäßen Plasmaschmelzofen kann man die Wirkung des Plasmas dadurch verbessern, daß die zwischen der Blechummantelung des Ofenkörpers und der feuerfesten Ausmauerung des Ofenkörpers vorhandene Luft durch Argon oder ein anderes geeignetes Inertgas ersetzt wird. Danach wird die Luft aus der Schmelzkammer verdrängt, diese mit dem Plasmagas gefüllt und der Plasmastrahl erzeugt. Es besteht dann keinerlei Gefahr einer Verunreinigung der Ofenatmosphäre durch eintretende Luft, so daß die Wirkung des Plasmastrahls verbessert wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt

Pig. 1 in Ansicht mit weggeschnittenen Teilen den erfindungsgemäßen Metallschmelzofen, in dem als Wärmequelle ein Plasmastrahl verwendet wird.

Fig. 2 zeigt in einer ähnlichen Darstellung eine Ausführungsform der Erfindung in Form eines Metallschmelzofens, in dem ein Plasmastrahl als Wärmequelle und eine Lnduktionseinrichtung als Wärmequelle und Rühreinrichtung verwendet werden.

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In dem in Pig. 1 gezeigten Plasmaschmelzofen gemäß der Erfindung sind die feuerfeste Ausmauerung 2, welche die Tiegelschmelzkammer

I begrenzt, und der Boden außen vollständig mit Stahlblech 3 ummantelt. Der Ofen ist oben mit einer Decke 5 geschlossen, die aus Stahlblech besteht, das eine feuerfeste Ausmauerung 4 besitzt.

In der Mitte der Ofendecke 5 sind diese und ihre feuerfeste Ausmauerung 4 von einem Loch 6 durchsetzt, in das der Plasmabrenner 8 eingesetzt ist, der von einem Ringspalt umgeben ist, der sich von dem äußeren zum inneren Rand des Loches 6 erstreckt. Die Spitze des in den Ofen eingesetzten Plasmabrenners 8 ist im oberen Teil der Schmelzkammer 1 angeordnet. Am Boden der Schmelzkammer 1 ist eine Bodenelektrode 9 vorgesehen, die durch einen die Stahlblechummantelung 3 durchsetzenden Durchführungsisolator 10 luftdicht zur Außenseite geführt ist. In der !fuge zwischen der Stahlblechummantelung 3 und der Ofendecke 5 ist eine Sanddichtung

II vorgesehen, welche die beiden Teile 3 und 5 luftdicht miteinander verbindet. Die Stahlblechummantelung 3 ist mit einer geeigneten Anzahl von Bohrungen 12 versehen, welche Ventilationslöcher bilden und durch je einen geeigneten, abnehmbaren Deckel 13 abgedichtet sind. Dieser kann im Bedarfsfall abgenommen werden, damit das Trocknen des feuerfesten Materials durch die Ventilation unterstützt wird und die zwischen der feuerfesten Ausmauerung 2 und der Stahlblechummant elung 3 vorhandene Luft durch ein geeignetes Inertgas ersetzt werden kann.

Im Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Plasmaschmelzofens wird aus dem auf dem Plasmabrenner 8 montierten Gaszuführungsrohr 14 das Plasmagas durch den Brenner 8 hindurch in die Schmelzkammer 1 eingeleitet, so daß die in der Schmelzkammer 1 befindliche Luft durch die den Brenner 8 umgebende ringspaltförmige Austrittsöffnung 7 hindurch aus dem Ofen verdrängt und die Schmelzkammer 1 mit dem Plasmagas gefüllt wird. Dann wird zwischen dem Brenner 8 und der Bodenelektrode 9 eine solche Spannung angelegt, daß ein Plasma erzeugt wird, das in Form eines Plasmastrahls auf das in der Schmelzkammer 1 befindliche Behandlungsgut 15 zur Ein^- wirkung gebracht wird. Unter der Wirkung der hohen Temperatur des Plasmastrahls wird das Behandlungsgut 15 erhitzt und geschmolzen. 109849/1248

Während des Betriebes des Ofens wird von dem Gas zuführung s rohr 14 ständig Plasmagas in den Ofen eingeleitet und tritt das verbrauchte Plasmagas aus der Schmelzkamm er 1 durch den Ringspalt aus dem Ofen aus. Die Schmelzkammer 1 ist bis auf die ringspaltförmige Austrittsöffnung 7 von der Außenluft vollständig abgedichtet. Selbst wenn die feuerfeste Ausmauerung 2 oder 4 porös oder rissig ist, besteht daher keinerlei Gefahr einer Verunreinigung der Ofenatmosphäre durch den Eintritt von luft oder eines anderen unerwünschten Gases, so daß der gewünschte Erfolg des Plasmaschmelzverfahrens sehr gut erzielt wird.

Der in Fig. 2 gezeigte Plasmaschmelzofen gemäß der Erfindung ähnelt dem Ofen gemäß Figo 1. Gleiche Elemente sind in beiden Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Gemäß Fig. 2 ist jedoch zusätzlich eine elektrische Induktionseinrichtung zum Erhitzen und Rühren des Behänd lung sgut es vorgesehen. Die beiden Öfen unterscheiden sich wie folgt: In dem Ofen gemäß Fig. 2 hat die die Schmelzkammer 1 des Ofens begrenzende, feuerfeste Ausmauerung 2 in ihrer unteren Hälfte einen kleineren Außendurchmesser und ist auf der Außenseite dieses abgesetzten Teils eine ringförmige Induktionsiaeizspule 16 angeordnet. Auf der Außenseite der Spule 16 ist der aus magnetischen Eisenblechen bestehende, ringförmige Kern 17 angeordnet, der den magnetischen Streufluß herabsetzt. Die Spule 16 und der Eisenkern 17 werden von einem geeigneten warmfesten Tragsockel 18 getragen. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß die einander benachbarten Teile der Stahlblechummantelung 3 und des aus Stahlblech bestehenden Ofendeckels 5 anstatt durch die Sanddichtung durch einen warmfesten O-Ring 19 miteinander verbunden sind. Ferner besteht ein Unterschied darin, daß zum Ersatz der in dem Raum zwischen der feuerfesten Ausmauerung 2 und der Stahlblechummantelung 3 vorhandenen Luft durch ein Inertgas, wie Argon, ein Rohrstutzen 20 vorgesehen ist, der von dem Ventilationsloch 12 zum Trocknen der feuerfesten Ausmauerung getrennt und durch einen Stöpsel 21 verschlossen ist.

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Im Betrieb des in Fig. 2 gezeigten Piasmaschmelzofens wird der durch den Plasmabrenner 8 erzeugte Plasmastrahl auf das Behandlungsgut 15 zur Einwirkung gebracht, so daß dieses erhitzt wird. Gleichzeitig wird die Ringspule 16 in der üblichen Weise von einem Wechselstrom von geeigneter Frequenz durchflossen, so daß das Behandlungsgut unter der Wirkung des darin induzierten Stroms zusätzlich erhitzt und bewegt wird. Im übrigen entspricht der Betrieb dem des in Fig. 1 gezeigten Piasmaschmelzofens.

Im Betrieb des üblichen Plasmaschmelzofens hat es sich gezeigt, daß knapp nach der Herstellung des Ofens oder nach einer Erneuerung der feuerfesten Auskleidung ein sehr guter Betriebszustand erhalten wird, während sonst kein stabiler Plasmastrahl erzeugt werden kann, und zwar die Ofendecke und das Abstichloch des Ofenkörpers durch O-Einge abgedichtet sind aber eine kleine Luftmenge in die Ofenatmosphäre eintreten kann, wenn die Außenluft einen Zutritt zu der feuerfesten Ausmauerung hat, selbst wenn in dieser nach dem Herstellen des Ofens oder der Erneuerung der feuerfesten Auskleidung fast keine Risse erkennbar sind. Wenn sich nach mehreren Ofenhitzen in der feuerfesten Ausmauerung auch nur kleine Risse gebildet haben, kann in die Of enatmosphäre Außenluft bis zu einem Gehalt von mehreren Prozent eintreten, so daß Sauerstoff in das schmelzflüssige Metall eintritt und dessen Qualität herabsetzt. In dem erfindungsgemäßen Plasmaschmelzofen verhindert die Blechummantelung des Ofenkörpers einen Eintritt von Außenluft in den Ofen im wesentlichen vollkommen, und zwar nicht nur unmittelbar nach der Herstellung des Ofens oder der Erneuerung der feuerfesten Auskleidung, sondern auch nach zahlreichen Ofenhitzen, die zur Bildung von Rissen in der feuerfesten Ausmauerung geführt haben. Ferner hat es sich gezeigt, daß in dem erfindungsgemäßen Plasmaschmelzofen der Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre unter 0,01 # beträgt.

Die Tabelle 1 zeigt die Abhängigkeit des Sauerstoffgehalts der Ofenatmosphäre und des Schmelzbades von der Art der Abdichtung der Schmelzkammer.

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2124/+1?

Tabelle

Abdichtung äer
Schmelzkammer

Og-Gehalt der

0₂-Gehalt des

Ofenatmosphäre Schmelzbades $ ppm

Der Ofen ist nicht nur an der Abgasaustrittsöffnung, sondern auch an dem Abstichloch usw. nicht abgedichtet

3-15

45-70

Es ist keine dichte Ummantelung vorhanden. In der feuerfesten Ausmauerung sind mit dem bloßen Auge keine Risse erkennbar

0,2-5

35-50

Es ist keine dichte Ummantelung vorhanden. In der feuerfesten Ausmauerung sind mit dem bloßen Auge keine Bisse erkennbar

0,05-1,0

30-40

Erfindungsgemäß ist eine vollständig abdichtende Blechummantelung vorgesehen

unter 0,01 unter

Bemerkungen

1. Das Schmelzbad bestand aus schmelzflüssigem, hochgekohltem Chromstahl (JIS:S0J2)

2. Als mit dem bloßen Auge erkennbar wurden Risse mit einer Breite von etwa 0,2-1 mm und einer Länge von 10-50 mm bezeichnet .

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Aus der vorstehenden Beschreibung erkennt man, daß die Vorteile des Plasmaschmelzverfahrens mit einem Ofen erzielt werden, der eine einfache Konstruktion hat, wobei die feuerfeste Ausmauerung des Ofenkörpers außen vollständig mit Blech ummantelt ist, so daß ein Gasdurchtritt zwischen der Außenluft und der Schmelzkammer nur durch die Abgasaustrittsöffnung möglich ist und die zwischen der feuerfesten Ausmauerung und der Blechummantelung sowie zwischen Teilen der feuerfesten Ausmauerung und/oder in Rissen vorhandene Luft durch Inertgas ersetzt ist. Dadurch kann die Wirkung und der Vorteil des Plasmaschmelzverfahrens beträchtlich verbessert werden.

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Claims

Patentansprüche:

1. Plasmaschmelzofen, in dem als Wärmequelle ein Plasmastrahl verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der die Schmelzkammer begrenzenden, feuerfesten Ausmauerung vollständig mit Blech ummantelt ist, so daß ein Gasdurchtritt zwischen der Schmelzkammer und der Außenluft nur durch die Austrittsöffnung für das verbrauchte Plasmagas möglich und die Schmelzkammer daher gegenüber der Außenluft abgedichtet ist.

2. Plasmaschmelzofen, in dem als Wannequelle ein Plasmastrahl verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die die Schmelzkammer begrenzende« feuerfeste Ausmauerung vollständig mit Blech ummantelt ist, so daß ein Gasdurchtritt zwischen der Schmelzkammer und der Außenluft nur durch die Austrittsöffnung für das verbrauchte Plasmagas möglich und die Schmelzkammer daher gegenüber der Außenluft abgedichtet ist, und daß die Luft in dem Baum zwischen der feuerfesten Ausmauerung und der Blechummantelung und zwischen Teilen der feuerfesten Ausmauerung und/oder in Bissen durch ein Inertgas ersetzt ist.

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