DE2124412C2 - Plasma-Schmelzofen - Google Patents

Plasma-Schmelzofen

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Description

30
Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasma-Schmelzofen gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Ein Plasma-Schmelzofen der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 15 08 562 bekannt Hierbei wird versucht mögliche Verunreinigungen des zu erschmelzenden Metalls durch das Wolfram der Wolframelektrode eines Plasma-Schmelzofens zu verhindern. Bei diesem Plasma-Schmelzofen wird die Schmelzkammer von einem Tiegel gebildet Dieser Tiegel hat mehrere offene Hohlräume, in denen das Metall entsprechend der Ausformung der Hohlräume durch die Einwirkung des Plasmastrahls erschmolzen wird. Der Tiegel besteht aus feuerfestem Material, das die Schmelzkammer bzw. die Schmelzkammern begrenzt Dieser Tiegel ist im Innenraum eines beispielsweise aus Metallblech bestehenden Ofenmantels angeordnet und liegt auf einer Metallgrundplatte auf. Der Ofenmantel und die Metallplatte begrenzen mit ihren Innenflächen lediglich den Raum, der von dem Plasmagas ausgefüllt wird. Demnach ist bei der DE-OS 15 08562 ein gesonderter Schmelztiegel vorgesehen, und es soll ein gasdicht ausgebildeter Ofenmantel denselben umgeben, der beispielsweise aus Metallblech besteht Dieser Ofenmantel begrenzt den mit dem Plasmastrahlgas auszufüllenden Raum, für den eine Entlüftungseinrichtung vorgesehen ist, die zur anfänglichen Entlüftung des von dem Ofenmantel umschlossenen Raums dient Über weitere Einrichtungen tritt überschüssiges und verbrauchtes Plasmagas aus.
Bei anderen Bauformen von Plasma-Schmelzöfen wird eine Schmelzkammer durch die Innenseite einer feuerfesten Auskleidung begrenzt Bisher hat man angenommen, daß die feuerfeste Auskleidung nur sehr wenig luftdurchlässig ist Bei wiederholtem Erwärmen und Abkühlen ist jedoch aufgrund der starken Porosität der feuerfesten Auskleidung eine Neigung zur Rißbildung des Materials vorhanden. Diese Risse in der feuerfesten Auskleidung sind zu Beginn mit dem bloßen Auge nicht erkennbar. Solche Risse bilden aber trotzdem Diffusionswege, durch die Luft aus der Umgebungsatmosphäre des Schmelzofens in die Schmelzkammer eindringen kann. Auch ist hierbei zu berücksichtigen, daß beim Betreiben des Plasma-Schmelzofens der Innendruck in der Schmelzkammer etwa 6,65 χ 10~3 bis 39,9 χ 10~3 bar über dem Druck der Außenatmosphäre liegt Durch diese Druckverhältnisse wird die Gasdiffusion selbst durch kleine Risse in der feuerfesten Auskleidung unterstützt Wenn aber Luft aus der Außenatmosphäre aufgrund der Porosität oder von Rissen in der feuerfesten Auskleidung in die Schmelzkammer eintritt, sind Nachteile hinsichtlich der Reinheit der Schmelze unvermeidbar. Die Schmelze ist bekanntlich sehr reaktionsfreudig und reagiert sofort mit dem Sauerstoff der eingedrungenen Luft Durch diese Verunreinigungen ergibt sich eine qualitativ minderwertige Metallschmelze.
Ferner bedingen diese Umstände auch noch, daß der Plasmagasstrahl nicht mehr unter optimalen Betriebsbedingungen erzeugt wird, so daß die von dem Plasmagasstrahl abgegebene Wärmeenergie kleiner wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der feuerfesten Auskleidung bei einem Plasma-Schmelzofen zu überwinden, deren Innenseite die Schmelzkammer des Plasma-Schmelzofens begrenzt, um das Schmelzgut in möglichst reiner Form und unter optimalen Betriebsbedingungen zu erschmelzen.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil des Häuptanspruchs gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach der Erfindung ist die Außenseite der feuerfesten Auskleidung mit Ausnahme des Auslasses für das verbrauchte Plasmagas vollständig von der Außenatmosphäre isoliert, so daß auch durch Diffusion keine Luft von der Außenatmosphäre in die Schmelzkammer eindringeil kann. Diese nach der Erfindung vorgesehene Isolierung verkompliziert den Aufbau eines Plasma-Schmelzofens kaum. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erreicht man einen besseren Wärmewirkungsgrad des Plasma-Schmelzofens, da die gesamte Schmelzkammer ausschließlich von der Innenseite der feuerfesten Auskleidung umgeben ist, die eine bessere Wärmedämmung als irgendwelche metallischen Materialien ermöglicht Ferner kommt das Plasmagas außer mit dem Metall in der Schmelzkammer mit keiner weiteren metallischen Fläche in Berührung, so daß die Metallteile durch die feuerfeste Auskleidung vor der hohen Temperatur des Plasmastrahls geschützt sind. Hierdurch verbessert sich die Lebensdauer eines solchen Plasma-Schmelzofens.
Durch die nach der Erfindung vorgesehene Isolierung wird erreicht, daß keine Luft von der Außenatmosphäre durch die feuerfeste Auskleidung zu der Schmelzkammer gelangt, selbst wenn die feuerfeste Auskleidung Risse hat, die mit dem bloßen Auge noch nicht erkennbar sind.
Somit erzielt man bei dem erfindungsgemäßen Plasma-Schmelzofen einen überraschend hohen Reinheitsgrad des Schmelzgutes.
Bei den Ausbildungsformen des Plasma-Schmelz-
ofens nach den Ansprüchen 2 und 3 wird erreicht, daß mit Hilfe von Ventilationsöffnungen die feuerfesie Auskleidung beispielsweise nach der Erstellung, nach der Ausbesserung oder nach dem Ersetzen schnell getrocknet werden kann, indem beispielsweise trockene Luft in die Ventilationsöffnung eingtblasen wird Hierdurch lassen sich die Ausbesserungsarbeiten vereinfachen und die hierfür benötigte Zeit verkürzen, so daß der Schmelzofen nach der Ausbesserung schnell in Betrieb genommen werden kann. Daher werden auch durch Ausbesserungsarbeiten bedingte Stillstandszeiten so weit wie möglich verkürzt Vor der Inbetriebnahme wird die Ventilationsöffnung selbstverständlich, beispielsweise mit Hilfe eines abnehmbaren Deckels, verschlossen. Somit wird eine schnelle und zuverlässige sowie vollständige Austrocknung der feuerfesten Auskleidung gewährleistet, so daß der Reinheitsgrad der Schmelze auch nicht durch freigesetzte Gase beim Betrieb des Schmelzofens beeinflußt wird, die entstehen, wenn die feuerfeste Auskleidung nicht vollständig ausgetrocknet ist
Bei der Ausführungsform des Plasma-Schmelzofens . nach Anspruch 4 kann zusätzlich noch ein Inertgas, wie Argon, in den Raum zwischen der Innenfläche der Isolierung und der Außenfläche der feuerfesten Auskleidung und in die feuerfeste Auskleidung selbst eingeleitet werden, so daß in diesen Räumen möglicherweise eingeschlossene Luft vollständig durch das Inertgas ersetzt wird. Hierdurch wird erreicht, daß selbst bei einer ungenügenden Austrocknung der feuerfesten Auskleidung die beim Betrieb des Schmelzofens freigesetzten Gase nicht in die Schmelzkammer gelangen, sondern von dem Inertgas verdrängt werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt
F i g. 1 eine Längsschnittansicht eines Plasma-Schmelzofens mit einem Plasmastrahl als Wärmequelle, und
F i g. 2 eine F i g. 1 ähnliche Schnittansicht eines Plasma-Schmelzofens mit einem Plasmastrahl als Wärmequelle und einer Induktionseinrichtung als Wärmequelle sowie einer Agitiereinrichtung.
Bei dem in F i g. 1 gezeigten Plasma-Schmelzofen sind eine feuerfeste Auskleidung 2, deren Innenseite eine Schmelzkammer 1 begrenzt, und der Boden des Schmelzofens vollständig an ihren Außenseiten mit einem Blech 3 umgeben. Der Schmelzofen ist oben mittels eines Deckels 5 geschlossen, der aus Blech, zweckmäßiger«, eise aus Stahlblech, besteht und eine feuerfeste Auskleidung 4 enthält
In der Mitte des Ofendeckels 5 ist eine öffnung 6 vorgesehen, die den Deckel 5 und die feuerfeste Auskleidung 4 durchsetzt In diese öffnung 6 ist ein Plasmabrenner 8 eingesetzt, der von einem ringspaltförmigen Auslaß 7 umgeben ist, der sich von dem äußeren Rand zum inneren Rand der öffnung 6 erstreckt
Das Vorderteil des in den Schmelzofen eingesetzten Plasmabrenners 8 ist im oberen Teil der Schmelzkammer 1 angeordnet Am Boden der Schmelzkammer 1 ist eine Bodenelektrode 9 vorgesehen, die mittels eines das Blech i durchsetzenden Durchführungsisolators 10 luftdicht zur Außenatmosphäre geht In der Fuge zwischen dem Blech 3 und dem Ofendeckel 5 ist eine Sanddichtung 11 vorgesehen, welche das Blech 3 und den Deckel S luftdicht miteinander verbindet Das Blech 3 ilt mit einer gflkmtettn Anzahl von Ventilationsöff- Ii verstltn, welche jeweils mittels eines abnehmbaren Deckels 13 gasdicht verschließbar sind. Im Bedarfsfall wird der Deckel 13 abgenommen, um das Trocknen der feuerfesten Auskleidung 2, 4 über die Ventilationsöffnungen 12 zu fördern, und die in dem Raum zwischen der Innenseite der feuerfesten Auskleidung 2 und 4 und der Innenseite des als Isolierung dienenden Blechs 5 vorhandene Luft durch ein Inertgas zu ersetzen.
Im Betrieb des in F i g. 1 gezeigten Plasma-Schmelzofens 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 über den den Brenner 8 umgebenden ringspaltförmigen Auslaß 7 aus dem Schmelzofen ausgetrieben und die Schmelzkammer 1 mit Plasmagas gefüllt wird. Dann wird zwischen dem Brenner 8 und der Bödenelektrode 9 eine solche Spannung angelegt, daß ein Plasma erzeugt wird, das in Form eines Plasmastrahls auf das in der Schmelzkammer 1 befindliche Schmelzgut 15 einwirkt Unter der Wirkung der hohen Temperatur des Plasmastrahls wird das Schmelzgut 15 erwärmt und erschmolzen.
Während des Betriebs des Plasma-Schmelzofens wird von dem Gaszuführungsrohr 14 ständig Plasmagas in den Schmelzofen eingeleitet und tritt das verbrauchte Plasmagas aus der Schmelzkammer 1 über den ringspaltförmigen Auslaß 7 aus dem Schmelzofen aus.
Die Schmelzkammer 1 ist mit Ausnahme des ringspaltförmigen Auslasses 7 von der Außenatmosphäre vollständig isoliert. Selbst wenn die feuerfeste Auskleidung 2 oder 4 porös ist oder rissig wird, besteht daher keinerlei Gefahr einer Verunreinigung der Ofenatmosphäre durch den Eintritt von Luft oder eines anderen unerwünschten Gases, so daß das Schmelzgut ohne die Beeinflussung von schädlichem Gas erschmolzen wird.
Der in F i g. 2 gezeigte Plasma-Schmelzofen ist ähnlich wie der Plasma-Schmelzofen nach F i g. 1 ausgelegt Gleiche oder ähnliche Teile sind daher mit denselben Bezugszeichen versehen.
Gemäß F i g. 2 ist jedoch zusätzlich eine elektrische Induktionseinrichtung zum Erwärmen und Agitieren des Schmelzguts vorgesehen. Die beiden öfen unterscheiden sich durch die folgenden Einzelheiten: In dem Ofen gemäß F i g. 2 hat die die Schmelzkammer 1 des Ofens begrenzende, feuerfeste Auskleidung 2 in ihrer unteren Hälfte einen kleineren Außendurchmesser und es ist auf der Außenseite dieses abgesetzten Teils eine ringförmige Induktionsspule 16 angeordnet Auf der Außenseite der Induktionsspule 16 ist ein aus magnetischen Eisenblechen bestehender, ringförmiger Kern 17 angeordnet, der den magnetischen Streufluß herabsetzt. Die Induktionsspule 16 und der Eisenkern 17 sind auf einem aus wärmebeständigem Materia) bestehenden Tragsockel 18 getragen. Ferner sind die einander benachbarten Teile des als Isolierung dienenden Blechs 3 und des aus Blech bestehenden Ofendeckels 5 anstatt durch eine Sanddichtung durch einen aus wärmebeständigem Material bestehenden O-Ring 19 dicht schließend verbunden. Auch ist zum Ersetzen der in dem Raum zwischen der Innenseite der feuerfesten Auskleidung 2 und der Innenseite des Blechs 3 vorhandenen Luft durch ein Inertgas, wie Argon, ein Einlaß 20 vorgesehen, der gesondert von der Ventilationsöffnung 12 zum Trocknen der feuerfesten Auskleidung angeorndet ist und mittels eines Verschlußstopfens 21 verschließbar ist
Im Betrieb des in F i g. 2 gezeigten Plasma-Schmelz-
ofens wird der durch den Plasmabrenner 8 erzeugte Plasmastrahl auf das Schmelzgut IS gerichtet, so daß dieses erwärmt wird. Gleichzeitig wird die Induktionsspule 16 in der üblichen Weise von einem Wechselstrom mit entsprechender Frequenz durchflossen, so daß das -, Schmelzgut 15 unter der Wirkung des induzierten Stroms zusätzlich erwärmt und agitiert wird.
Bei üblichen Plasma-Schmelzöfen hat sich ergeben, daß unmittelbar nach ihrer Aufstellung oder nach einer Erneuerung der feuerfesten Auskleidung die Betriebs- n> bedingungen sehr gut sind, während in allen anderen Fällen kein stabiler Plasmastrahl erzeugbar ist, selbst wenn der Deckel und das Abstichloch durch O-Ringe abgedichtet sind, daß Luft in die Ofenatmosphäre gelangt, wenn die Außenatmosphäre einen Zutritt zu der feuerfesten Auskleidung hat, selbst wenn in dieser nach dem Aufstellen des Schmelzofens oder der Erneuerung der feuerfesten Auskleidung fast keine Risse erkennbar sind. Wenn sich nach mehreren Erwärmungen zum Erschmelzen von Schmelzgut in der feuerfesten Auskleidung auch nur kleine Risse bilden, tritt in die Ofenatmosphäre Luft von der Außenatmosphäre bis zu einem Gehalt von mehreren Prozenten ein, so daß Sauerstoff mit dem Schmelzgut, wie Metall, in Berührung kommt und zu einer qualitativen Verschlechterung führt.
Beim Plasma-Schmelzofen der vorstehend beschriebenen Art verhindert die Isolierung ein Eindringen von Luft aus der Außenatmosphäre in den Ofen nahezu vollständig, und zwar nicht nur unmittelbar nach der Aufstellung des Schmelzofens oder der Erneuerung der feuerfesten Auskleidung, sondern auch nach zahlreichen Erwärmungen, bei denen sich möglicherweise Risse in der feuerfesten Auskleidung gebildet haben. Ferner liegt beim Plasma-Schmelzofen der unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläuterten Art der Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre unter 0,01 %.
Die Tabelle 1 zeigt die Abhängigkeit des Sauerstoffgehalts der Ofenatmosphäre und des Schmelzbades von der Abdichtungsweise der Schmelzkammer.
Tabelle 1
Abdichtung der Schmelzkammer
O2-Gehall der
Ofenatmosphäre
O2-Gehalt des
Schmelzbades
ppm
Der Ofen ist nicht nur am Auslaß für das verbrauchte Plasmagas, sondern 3-15 45-70
auch an dem Abstichloch usw. nicht abgedichtet
Es ist keine Isolierung an der Außenseite der feuerfesten Auskleidung 0,2-5 35-50
vorhanden. In der feuerfesten Auskleidung sind mit dem bloßen Auge keine Risse erkennbar
Es ist keine Isolierung an der Außenseite der feuerfesten Auskleidung 0,05-1,0 30-40
vorhanden. In der feuerfesten Auskleidung sind mit dem bloßen Auge
keine Risse erkennbar
Die Außenseite der feuerfesten Auskleidung ist von der Außen- unter 0,01 unter 25
atmosphäre vollständig isoliert
Bemerkungen:
1. Das Schmelzgut war schmelzflüssiger, hochgekohUer Chromstahl (JlS: SOJ 2).
2. Als mit dem bloßen Auge erkennbar sind Risse mit einer Breite von etwa 0,2-1 mm und einer Länge von 10-50 mm bezeichnet
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Plasma-Schmelzöfen mit einem Plasmastrahl als Wärmequelle, einer feuerfesten Auskleidung, deren Innenseite eine Schmelzkammer begrenzt und mit einem Auslaß für das verbrauchte Plasmagas, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der feuerfesten Auskleidung (2, 4) mit Ausnahme des Auslasses (7) für das verbrauchte Plasmagas von der Außenatmosphäre vollständig isoliert ist
2. Plasma-Schmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite der feuerfesten Auskleidung (2,4) durch ein Blech (3,5) isoliert ist
3. Plasma-Schmelzofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech (3) wenigstens eine Ventilationsöffnung (12) hat, die mittels eines abnehmbaren Deckels (13) gasdicht verschließbar ist
4. Plasma-Schmelzofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Raum zwischen der Innenseite der feuerfesten Auskleidung (2,4) und der Innenseite der Isolierung (3,5) ein Einlaß (20) für Inertgas als Ersatz für eingeschlossene Luft mündet, der mittels eines Verschlußstopfens (21) verschließbar ist.
DE2124412A 1970-05-19 1971-05-17 Plasma-Schmelzofen Expired DE2124412C2 (de)

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