DE2544137C2 - Vorrichtung zum Erhitzen und Schmelzen von Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen und Schmelzen von Material gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs.

Wird bei einer Vorrichtung dieser Art (GB-PS 10 19 848) ein einziger Plasmastrahl verwendet, so nimmt das geschmolzene Metall in dem gekühlten Tiegel eine trichterförmige Form an, und auf diese Weise hergestellte Rohlinge zeigen inhomogene Struktur mit charakteristischen Mustern. Mit diener Inhomogenität der Rohlinge ist eine Abnahme der mechanischen Festigkeit des metallischen Materials verbunden. Enthält das zu schmelzende Metall auch nichtmetallische Komponenten, so werden bei Verwendung dieser bekannten Vorrichtung in dem Schmelzbad die nichtmetallischen Komponenten durch Kristallisationsflächcn in die inneren Bereiche des Rohlings gedrängt, was zu einer Einschnürung und Rißbildung des Rohlings führt und dessen mechanische Bearbeitung erschwert.

Diese Inhomogenität des Rohlings kann beträchtlich vermindert werden, wenn eine Vielzahl von Plasmastrahlen rund um die zentrale Achse der Vorrichtung verwendet und damit die Erwärmung der Schmelze abschnittsweise vorgenommen wird. Diese Inhomogenität kann weiterhin dadurch vermindert werden, daß die Plasmastrahlen in der Weise ausgerichtet und betrieben werden, daß die Strömungsrichtung der Vielzahl von Plasmastrahlen Komponenten in der kreisförmig umlaufenden Richtung der Vorrichtung aufweisen (DE-AS 17 58 483). Damit wird gewährleistet, daß das geschmolzene Metall durch die kinetische Energie der Plasmastrahlen in eine Drehung rund um die Achse der Vorrichtung versetzt wird. Soll jedoch die abschnittsweise Erwärmung und die Drehung des Schmelzbades durch die zahlreichen Plasmastrahlen wirksam erfolgen, so muß die Ausrichtung und Befestigung der Düsen sehr präzise durchgeführt werden, wobei auch das Strömungsbild und die Temperaturverteilung des geschmolzenen Metalls zu berücksichtigen ist. Ferner muß beachtet werden, daß die Betriebsbedingungen der Vorrichtung von den Komponenten des eingesetzten Metalls und den Anforderungen an den angestrebten Rohling abhängen, so daß die zahlreichen Düsen erneut ausgerichtet und befestigt werden müssen, um optimale Betriebsbedingungen zu gewährleisten.

Die GB-PS 10 19 848 befaßt sich mit dem Problem, bei einem Plasmabrenner, der mit Wechselstrom betrieben wird, zu verhindern, daß der Lichtbogen beim Null durchgang ausgelöscht wird Zu diesem Zweck wird ein Gleichstromlichtbogen überlagert, der gewährleistet, daß der Wechselstromlichtbogen bei jeder Halbwelle sicher gezündet wird. Die. Gleichstromquelle kaidi hier bei wesentlich kleiner als die Wechselstromquelle sein, so daß die Leistungszufuhr und damit die Erhitzung des zu schmelzenden Materials im wesentlichen durch den Wechselstrom erfolgt. Der für den wiederholten Zündprozeß verantwortliche Gleichstromlichtbogen verläuft von der Mündung einer Düse zu einem Ring innerhalb der Düse. Um eine Zündung über den gesamten Querschnitt innerhalb der Düse zu erreichen, soll der Gleichstromlichtbogen um den Ring herumlaufen, wa<· entweder durch eine geeignete Führung des Gasstromes oder durch ein magnetisches Feld bewirkt wird. Das magnetische Feld wird hierbei durch eine Spule erzeugt und durch Ausbildung der Innenseite der Düse aus unmagnetischem Material auf den Bereich des Ringes konzentriert Die Feldlinien des magnetischen Feldes schneiden hierbei den von der Düsenmündung zum Ring verlaufenden Gleichstromlichtbogen und bewirken damit dessen Urdauf um den Ring. Eine Rotation des gesamten die Düse verlassenden Plasmastrahls wird weder angestrebt noch erreicht Der Plasmastrahl trifft nach Verlassen der Düse konzentriert auf das Material auf, denn außerhalb der Düse wird der Plasmastrahl durch die Spule nicht mehr beeinflußt

Die US-PS 15 62 825 betrifft einen Lichtbogenofen. Ein mit hoher Geschwindigkeit auf die Badoberfläche gerichteter Plasmastrahl ist nicht vorgesehen. Der Schmelztiegel ist von einer Spule umgeben, durch die ein magnetisches Feld erzeugt wird, das auf den Lichtbogen einwirkt und diesen veranlaßt, eine schraubenlinienförmige Form einzunehmen un,-¹· zu rotieren. Au- ßerdem beginnt aufgrund der Einwirkung des durch die Spule erzeugten magnetischen Feldes das flüssige Metall im Tiegel zu rotieren, so daß ein Rühreffekt erzielt wird. Dieser Rühreffekt wird dadurch erhalten, daß der Strom durch das Bad hindurchgeleitet und unter der Einwirkung des Magnetfeldes der den Tiegel umgebenden Spule eine Kraftkomponente in Umfangsrichtung erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Vorrichtungen der im Gattungsbegriff des Anspruches ge- nannten Art eine verbesserte Homogenität des wärmebehandelten Objekts zu erzielen, ohne daß wiederholt Maßnahmen zur mechanischen Einstellung der optimalen Betriebsbedingungen notwendig sind. Es soll bei mehreren auf verschiedene Stellen einer Schmelzzone ausgerichteten Plasmadüsen die Schubkraftkomponente der Plasmastrahlen und damit die Rührwirkung einfach steuerbar und an die Betriebsbedingungen anpaßbar sein.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches gelöst.

Die Vorrichtung nach diesem Anspruch sieht eine Spule zum Erzeugen eines magnetischen Feldes vor, das in einer geeigneten Richtung, jedoch nicht parallel zur Richtung eines Gleichstrom führenden Plasmastrahls ausgerichtet ist. Der Gleichstrom wird durch eine negative Elektrode an die Düse herangeführt und fließt durch den Plasmastrahl, so daß es im Bereich des Plasmastrahls zu einer elektromagnetischen Wechselwir-

kung mit dem Magnetfeld kommt Der Plasmastrahl wird in der Weise abgelenkt, daß seine Strömungsrichtung eine auf einem Kreis rund um die zentrale Achse der Vorrichtung umlaufende Komponente aufweist Bei Verwendung von mehreren Plasmastrahlen ergibt diese durch das magnetische Feld bewirkte Ablenkung einen entsprechenden Effekt, wie er durch die sorgfältige Ausrichtung und Anordnung zahlreicher Düsen erreicht wird. Bei der eriindungsgemäßen Vorrichtung kann die Ablenkung oder die Ausrichtung der Plasmastrahlen auf einfachem Wege durch Steuerung des Stromes für das Magnetfeld festgelegt werden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen gemäß den F i g. 1 —4 näher erläutert; im einzelnen zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform,

Fig.3 in schematischer Darstellung einen Plasmastrahi, eine Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes und die Stromverteilung in einem Schmelzbad, und

Fig.4 von oben betrachtet die Anordnung nach Fig. 3.

Nach Fig. 1 umschließt eine Wand 11 eine gasdichte Schmelzkammer 10, und über das Ventil 12 wird geeignetes Gas in die Kammer 10 eingeführt Im unteren Bereich der Schmelzkammer 10 ist ein zylindrischer Tiegel 13 vorgesehen, der mit diesem unteren Bereich in Verbindung steht Der Tiegel 13 besteht aus einem elektrisch leitenden Bodenstück 14 und einer zweifachen Seitenwand 15, innerhalb der ein ringförmiger Zwischenraum 16 vorgesehen ist, durch den als Kühlmittel Wasser geleitet werden kann. Diese zweifache Seitenwand 15 besteht aus nicht-magnetischem Material und weist vorzugsweise schlechte elektrische Leitfähigkeit auf, wenn ein magnetisches Wechselfeld benutzt wird. Mit dem Boden 14 ist ein vertikal hin- und herbewegbarer Stab 17 verbunden, der durch bekannte (nicht dargestellte) Mittel hin- und herbewegt wird. Unterhalb des Tiegels 13 ist eine Kammer 18 für den Rohling vorgesehen. Im oberen, schulterförmig ausgestalteten Teil der Schmelzkammer 10 sind drei Düsen 19 mit gleichem Abstand auf einem Kreis rund um die zentrale Achse 20 des Tiegels 13 angeordnet wobei jede der Düsen schräg nach unten gerichtet ist Eine verlängerte gerade Linie durch jede Düse trifft in einem gedachten Kreis auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls 23, was nachstehend noch erläutert wird. Jede Düse 19 enthält eine koaxiale, negative Elektrode 21, so daß ein ringförmiger Zwischenraum 22 zwischen der Elektrode 21 und der Innenwanü der Düse 19 gebildet wird, durch den ein geeignetes, neutrales Gas hindurchgeführt wird, das durch Ionisation in ein Plasma überführt werden kann. Dieses Gas wird vorzugsweise in solchen Mengen oder unter einem solchen Druck durch den Spalt geführt, daß das Gas nach Überführung in ein Plasma beträchtliche kinetische Energie besitzt und auch nach dem Ausströmen aus der Düse 19 seine ursprüngliche Strömungsrichtung mit ausreichendem Beharrungsvermögen beibehält, solange keine äußeren Kräfte einwirken. Die Zahl der Düsen 19 ist nicht auf drei beschränkt; zusammen mit dem erforderlichen Platz zur Befestigung der Düsen, dem Winkel der Düse gegen die zentrale Achse 20 und dem Durchmesser jeder Düse hat sich diese Anzahl jedoch als zweckmäßig erwiesen, um optimale Bedingungen für düis Schmelzen von Metall unter den betrachteten Bedingungen zu gewährleisten. Im oberen Bereich des Tiegels 13 wird das geschmolzene Metall 23 gebildet das schrittweise abgekühlt wird und im unteren Bereich des Tiegels insgesamt den Rohling 24 ergibt Mit der negativen Elektrode 21 ist eine Gieichstromquelle 25 verbunden, welche den Strom zur Erzeugung des Plasmas liefert; der Boden 14 ist als positive Elektrode ausgebildet so daß ein Plasmastrahl 26 zwischen der negativen Elektrode 21 und dem geschmolzenen Metall 23 entsteht welcher seinerseits einen Teil des Leiters

ίο oder Weges für den Plasmastrom darstellt im obersten Bereich der Schmelzkammer 10 ist ein Einlaß 27 für das Rohmaterial vorgesehen, über dem ein Trichter 28 zum Einführen des Rohmaterials befestigt ist In dem Einfülltrichter 28 befindet sich das pulverförmige Metall 29, das geschmolzen werden soll. Außerhalb des Tiegels 13 ist rund um das geschmolzene Metall 23 eine Luftspule 30 befestigt Die Luftspule 30 wird aus einer Stromquelle 32 zur Erzeugung des magnetischen Feides über eine Stromsteuereinrichtung 31 gespeist Die Stromquelle kann Gleichstrom, Wechselstrom :der einen durch Oberlagerang von Gleich- und Wechselstrom erhaltenen Strom liefern.

Bei dieser Ausführungsform fällt das pulverförmige Metall 29 durch den Einlaß 27 nach unten und wird durch die Plasmastrahlen 26, welche mit geeigneter Geschwindigkeit aus den Düsen 19 austreten, im oberen Bereich des Tiegels 13 geschmolzen. Während des Schmelzens des Rohmaterials wird der Boden 14 des Tiegels 13 schrittweise mittels der hin· und herbewegbaren Stange 17 nach unten geführt. Dementsprechend befindet sich das Rohmaterial, das zuerst erschmolzen worden ist im unteren Bereich des Tiegels und wird in dieser Reihenfolge als Rohling 24 aus der Kammer 18 herausgenommen. Wird aus der das Magnetfeld erzeugenden Stromquelle 32 Gleichstrom zugeführt, so wird in der axialen Richtung der Vorrichtung ein Gleichstrom-Magnetfeld 33 aufgebaut, und auf den Plasmastrom, der innerhalb der Plasmastrahlen 26 in <ler mit dem Pfeil 34 bezeichneten Richtung fließt, wirkt als FoI-ge der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld 33 eine ablenkende elektromagnetische Kraft ein. Bezeichnet man den Vektor der magnetischen induktion mit B und den Vektor des Plasmastromes mit t so ergibt sich die ausgeübte elektromagnetische Kraft F(pro Längenein-

heit) zu /x ä, so daß auf den Strahl 26, bevor er abgelenkt wird, die Kraft P im Uhrzeigersinne einwirkt, wie das in F i g. 4 schematisch dargestellt ist; dies ist letztlich eine Folge der nach außen gerichteten radialen Komponente des Plasmastromes, bevor er abgelenkt wird, und der nach oben gerichteten axialen Komponente der magnetischen Induktion. Als Folge dieser Krafteinwirkung wird der Plasmastrahl 26 wenigstens am Anfang in Umfang·=: irhtung der Schmelze abgelenkt. Die äußerste Ablenkung des Plasmastrahls 26 ergibt sich insgesamt aus der Verteilung und Intensität des Magnetfeldes, dem Beharrungsvermögen der sich bewegenden Partikel des Plasmastrahles, den Hafteigenschaften des Ansatzpunktes des Strahls auf dem geschmolzenen Metall 23 und aus der Energie d«;s Plasmastrahls. Unter der Annahme, daß die Plasmastrahlen 26 bis zum äußersten abgelenkt werden, ergeben sich in Umfangsrichtung verlaufende Geschwindigkeitskomponenten, wie das in F i g. 4 dargestellt ist. Zur Einstellung der Ablenkung der Plasmastrahlen dient bei dieser Ausführungsform der Vorrichtung die Stromsteuev einrichtung 31. Wie in F i g. 4 dargestellt ist, bewirken die Plasmastrahlen 26 infolge ihres in Umfangsrichtung verlaufenden Bewegungsmomentes eine Rotationsbewegung des geschmolzenen Me-

tails 23 in Uhrzeigerrichtung. Diese Rotationsbewegung fördert die Homogenisierung des Metalls sowohl in den schmelzflüssigen wie in den bereits₊verfestigten Bereichen. Andererseits fließt der Strom /konvergierend auf mehrere Brennflecke unterhalb der unteren Endab; s schnitte der Plasmastrahlen 26 zu, so daß der Strom / gewöhnlich eine Komponente besitzt, die nicht parallel zum Magnetfeld 33 verläuft. Eine andere Möglichkeit, um das schmelzflüssige Metall in Bewegung zu versetzen, beruht auf der Massenträgheit und der Viskosität des geschmolzenen Metalls und folgt aus der Wechselwirkung dieser Stromkomponente mit dem Magnetfeld. Wenn das geschmolzene Metall beträchtliche elektrische Leitfähigkeit aufweist, dann wird als Folge der Metallbewegung im geschmolzenen Metall ein Wirbelstrom induziert, wobei die Wechselwirkung dieses induzierten Stromes mit dem Magnetfeld die Drehbewegung des geschmolzenen Metalls zu hemmen trachtet. Diese Wirkung wird jedoch im Sinne eines Einfrierens des Plasmas im Magnetfeld interpretiert und geht nicht über die ursprünglichen von den Plasmastrahlen 26 ausgehenden, die Bewegung des schmeizflüssigen Metalls verursachenden Momente hinaus, wie die Reibungskraft nicht die die Bewegung verursachende Kraft übersteigen kann. Wenn es sich bei dem geschmolzenen Metall um magnetisierbares Material handelt, dann steigt die Intensität der magnetischen Induktion an; zweckmäßigerweise wird jedoch keine Anziehungskraft auf das geschmolzene Metall ausgeübt.

Wird ein von einem Wechselstrom überlagerter Gleichstrom als Erreger-Strom verwendet, so erfolgt die Ablenkung des Plasmastrahles 26 oszillierend um eine mittlere abgelenkte Richtung, was wiederum bedeutet, die Steuerung der Größe der Ablenkung der Spitze des Plasmastrahles und der wirksamen Vergrößerung bzw. Erweiterung des Plasmastrahles kann gleichzeitig erfolgen. Wird ein. magnetisches Wechselfeld verwendet, so muß bedacht werden, daß innerhalb des Bereichs des magnetischen Wechselfeldes keine Bauteile aus elektrisch leitendem Material vorgesehen werden, und daß die magnetische Energie nicht zu einem wesentlichen Teil in Form von Wärme durch induktive Aufheizung aufgezehrt wird.

Mit F i g. 2 wird eine weitere Ausführungsform erläutert. Diejenigen Merkmale der F i g. 2, die im wesentlichen ähnlich zu den entsprechenden Merkmalen der F i g. 1 ausgestaltet sind, erhalten die gleiche Bezugsziffer wie in Fig. 1, jedoch mit dem Zusatz a, wobei die wiederholte Beschreibung dieser Merkmale weggelassen wurde. Ein stangenförmiges Rohmaterial 35 reicht durch den Rohmateiial-Einlaß in die Schmelzkammer 10a hinein, wobei der obere Abschnitt des Rohmaterials von der vertikal hin- und herbewegbaren Haltestange 36 festgehalten wird. Zur vertikalen Hin- und Herbewegung wird die Haltestange 36 innerhalb eines Halterahmens 37 befestigt, welcher seinerseits oberhalb des Rohmaterial-Einlasses angeordnet ist; ferner ist ein (nicht dargestellter) Absenk-Mechanismus vorgesehen, der am oberen Ende der Haltestange 36 angreift und diese bewegt Bei dieser Aasführungsform wird das stangen- go förmige Rohmaterial 35 mittels der Plasmastrahlen 26a von seinem unteren Ende aus geschmolzen, während das stangenförmige Rohmaterial abgesenkt wird

Hierzii 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zum Erhitzen von Material in einem Tiegel durch mindestens einen auf-dieses in dem Bereich einer Schmelzzone gerichteten elektrisch leitenden Plasmastrahl, der vor Auf treffen auf das Material der Einwirkung eines Magnetfeldes einer Spule ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch deren Magnetfeld (33) die unter Verwendung von einem Gleichstrom erzeugten Plasmastrahlen (26) mehrerer um den Tiegel (13) angeordneter und auf verschiedene Stellen der Schmelzzone ausgerichteter Piasmadüsen (19) zwischen den Düsen und der Schmelzzone derart ablenkbar sind, daß sie beim Auftreffen auf die Materialschmelze (23) in dieser eine Kraftkomponente (F) in Umfangsrichtung und als Folge hiervon eine Rührbewegung der Schmelze erzeugen, und daß eine Stromsteuerainrichtung (31^ :nir Speisung der Spule (30) mit Gleichstrom oder sät Gleichstrom und diesem überlagerten Wechselstrom vorgesehen ist