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Plasma-Ofen
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasma-Ofen gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1. Dieser dient dazu, einen Sumpf geschmolzenen Metalls in einem Schmelztiegel
durch einen Plasmabrenner zu erwärmen.
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Die herkdmmliche Methode zum Erwärmen eines Sumpfes geschmoljenen
Metalls ist wirksam, wenn ein bestimmter Teil der Oberflache des Sumpf es örtlich
auf eine sehr hohe Temperatur erhitzt
wird. Wenn die gesamte Oberfläche
des Sumpfes im Schmelztiegel homogen erhitzt werden muß, ist eine Vielzahl von Plasmabrennern
vorgesehen, deren Plasmen die gesamte Oberfläche des Uberall zu erhitzenden Sumpfes
ausgesetzt ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Plasma-Ofen verfügbar
zu machen, in dem ein Sumpf geschmolzenen Metalls im Schmelztiegel gänzlich und
homogen erhitzt werden kann, selbst wenn die Oberfläche des Sumpfes dem Plasma ausgesetzt
ist, das von einem einzigen Plasmabrenner oder von einer kleinen Anzahl von Plasmabrennern
stammt und ein Teil der Oberfläche örtlich erhitzt wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen
und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Plasma-Ofens sind in den UnteransprAehen
gekennzeichnet.
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Durch die Erfindung wird ein Plasma-Ofen verfUgbar, in dem ein Teil
der Oberfläche des Schmelzmetallsumpfs im Schmelztiegel auf eine hohe Temperatur
erhitzt wird, indem dafür gesorgt wird, daß der auf hohe Temperatur gebrachte Teil
des örtlich erhitzten Sumpfes alleine oder zusammen mit einem dem Sumpf im Schmelztiegel
hinzugegebenen Klumpen zum Mittelteil des Schmelztiegels vordringt, um ein Hochtemperatur
-Feinen,
d.h., eine Hochtemperatur-Raffination, zu unterstützen, und indem die Temperaturverteilung
des Sumpfes im Schmelztiegel homogenisiert wird.
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Ferner ist durch die Erfindung ein Plasma-Ofen verfUgbar gemacht worden,
in dem der Teil der Oberfläche des Sumpfes, der durch das Plasma örtlich erhitzt
worden ist, bewegt und tief in den Sumpf gedrängt werden kann, um die Temperaturverteilung
des gesamten Sumpfes homogen zu machen, wobei das Bewegen des Sumpfes bewirkt wird
durch ein Wandermagnetfeld, das dazu fUhrt, daß der Sumpf teilweise in sich selbst
erstarrt, wobei der treibende Fluß an der Außenseite des Sumpfes und der ihm notwendigerweise
zugeordnete RUckkehrfluß im Mittelteil des Sumpfes naturgemäß antiparallel zueinander
gerichtet sind, und zwar als Ergebnis des auf die Außenseite des Sumpfes beschrEnkten
Wandermagnetfeldes, und folglich wird das Bewegen des Sumpfes in sanfter Weise mit
geringer elektrischer Energie durchgeführt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von AusfUhrungsformen näher
erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt eines
Plasma-Induktionsofens, der eine erfindungsgemäße Auarührungsrorm darstellt;
Fig.
2 Vektordiagramme eines Dreiphasen-Wechselstroms, der dem in Fig. 1 gezeigten Ofen
zugeführt wird; Fig. 3 einen Querschnitt einer in Fig. 1 gezeigten Induktionsspulenanordnung,
wobei auch die vor. dieser erzeugten Magnetfelder dargestellt sind; Fig. 4 eine
der Fig. 3 ähnliche Ansicht für den Fall einer herkömmlichen Einphasen-Induktionsspule;
Fig. 5 eine Darstellung von Vektoren der Bewegungskraft und von Bewegungsmustern
eines Schmelzmetallsumpfes rUr den Fall der Fig. 3; Fig. 6 eine Ansicht ähnlich
wie Fig. 5, Jedoch fUr den Fall der Fig. 4; Fig. 7 ein Blookschaltbild einer AusfUhrungsform,
mit welcher wahlweise ein niederfrequentes Wandermagnetfeld oder ein hochfrequentes
Einphasen-Magnetfeld erzeugt werden kann; und Fig. 8 eine Draufsicht zui Darstellung
der Anordnung von Plasma-Brennern.
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In Fig. 1 ist ein Plasma- und Induktionsofen allgemein mit
der
Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Er umfaßt einen zylindrischen Schmelztiegel 11.
Ein Gußloch 12 steht mit dem oberen Teil des Schmelztiegels 11 in Verbindung. Ein
Orendeckel 13 dichtet :usa-en dt einer Dichtung 14 den oberen Teil des Schmelztiegels
11 ab. Mit 15 sind wasserleitungen bezeichnet. Innerhalb des Schmelztiegels kann
ein Erhitzen, Schmelzen und Feinen des Metalls in einer Atmosphäre eines idealen
Edelgases (wie Argon) durchgeführt werden. Feuerfeste Blöcke 16 und 17 sind rund
um den oberen Umfang des Schmelztiegels bzw. unter dessen Boden angeordnet. Ein
Plasmabrenner 18 streckt sich durch den Ofendeckel 13 in den Schmelztiegel 11 und
hängt längs der Achse des Schmelztiegels 11 in einen Raum 19 innerhalb des Schmelztiegels
11 hinein. Dafür kann ein Plasma-Brenner vom Übertragungstyp verwendet werden, bei
des ein elektrischer Lichtbogen stabilisiert wird durch ein Edelgas wie Argon, das
sich rings um eine wassergekühlte, sich nicht verbrauchende Elektrode befindet.
Der Plasmabrenner kann Uber des Soheeiztiegel längs dessen Achse an, geordnet sein,
wie es Fig. 1 zeigt. Es können jedoch auch mehrere Plasma-Brenner 18a, 18b und 18c
um die Achse des Schmelztiegels 11a angeordnet sein, wie es Fig. 8 zeigt, die mehrere
Bereiche der alttleren Oberfläche des Sumpfes in Schmelztiegel erhitzen. Eine Bodenelektrode
20 ist in den Boden des Schmelztiegels 11 längs dessen Achse eingebettet und eine
(nicht gezeigte) geeignete Gleichstromenergiequelle ist zwischen den Plasmabrenner
8 8 und die Elektrode 20 geschaltet, um einen Sumpf 21 geschmolzenen Metalls zu
ertitzen.
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Außerhalb des Schmelztiegels 11 und koaxial zu diesem ist eine Induktionsspulenanordnung
22 vorgesehen. Im Fall der vorliegenden Ausftihrungsform besteht diese Induktionsspulenanordnung
aus drei Dreiphasen-Zylinderspulen 23, 24 und 25, die mit einer Dreiphasen-Energiequelle
verbunden sind, und zwar über eine Vorrichtung zum Xndern des Sinnes der Phasen.
Halter 26 fUr die Zylinderspulen werden von einem Tragstab 27 gehalten.
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Ein Joch 50, das aus geschichteten Siliciumstahlplatten hergestellt
ist, schaft magnetische Wege aus magnetisierbarem Material außerhalb der Zylinderspulen
23, 24 und 25 und zwischen deren benachbarten Endoberflächen.
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Es wird nun die Arbeitsweise des beschriebenen Aufbaus anhand eines
Vergleichs mit dem Fall eines Ofens mit einer Einphasen-Induktionsspule beschrieben.
Zunächst seien die Zylinderspulen 23, 24 und 25 in Sternschaltung verbunden, und
Jeder dieser Spulen wird ein Strom IR' IQ bzw. IT zugeftihrt, wie es in Fig. 2 (a)
gezeigt ist. Zur Erleichterung der Erläuterung ist eine Folge von Zeitpunkten gewählt,
zu denen der Strom einer der drei Phasen einen Wert I und die anderen Ströme einen
Wert -1/2 aufweisen, wobei die Zeitintervalle 8 entsprechen. In der zum Zweck des
Vergleichs beschriebenen Einphasen-Zylinderspule fließe der Strom IR. Gemäß einem
Merkmal einer Dreiphasen-Energiequelle gibt es Phasen zu einem beliebigen Zeitpunkt,
deren Ströme entgegengesetzte
Polaritäten haben. Zwei benachbarte
Zylinderspulen, die mit Strömen verschiedener Polaritäten gespeist werden (Zylinderspulen
24 und 23 in Fig. 3 (a)) erzeugen ein Magnetfeld mit Umkehrpunkt, und ein starkes
radiales Magnetfeld wird in der Wdhe der zusammentreffenden Endoberflächen der beiden
benachbarten Zylinderspulen gebildet. Zwei benachbarte Zylinderspulen, die mit Strömen
derselben Polarität gespeist werden (Zylinderspulen 24 und 25 in Fig. 3 (a)) erzeugen
ein Spiegelmagnetfeld, und es wird ein axiales Magnetfeld gebildet. In Fig. 3 zeigen
an den Magnetkraftlinien angebrachte Pfeile die Richtungen der Linien, und die Dichte
der Linien zeigt die Stärke der magnetischen Induktion. Zu dem Zeitpunkt, zu welchem
die Beziehung zwischen den Strömen in den Zylinderspulen der Darstellung in Fig.
2 (b) entspricht, ist das in Fig. 3 (a) gezeigte Muster der Magnetkrartlinien um
eine Strecke nach oben geschoben, die gleich der axialen Länge der Zylinderspule
ist, so daß sich die in Fig. 3 (b) gezeigte Feldverteilung ergibt. In dieser Fig.
3 (b) erzeugen zwei benachbarte Zylinderspulen 23 und 24 oder 24 und 25 ein Magnetfeld
mit Umkehrpunkt. In Fig. 3 (c) ist das Muster der Magnetkraftlinien weiter um die
axiale Länge einer Zylinderspule nach oben geschoben, und das Muster der Fig. 3
(a) findet sich wieder in Fig. 3 (b). Bekanntlich wird ein wanderndes Magnetfeld,
das
sich mit konstanter Geschwindigkeit längs der Achse mehrerer linear ausgerichteter
und in regelmäßigen Abständen angeordneter Spulen beeegt, erzeugt, wenn die Spulen
mit sinusförmigen Strömen gespeist werden, die regelmäßige Phasenunterschiede aufweisen.
Das in der beschriebenen Ausführungsform erzeugte Magnetfeld ist ein Wandermagnetfeld
dieser Art. Im Fall der einphasigen Zylinderspule dagegen ändert sich die Größe
und Richtung des axialen magnetischen Flusses der Zylinderspule gemäß Darstellung
in den Fig. 4 (a) bis 4 (d). Dos Muster der Magnetkraftlinien wandert Jedoch nicht
längs der Achse der Zylinderspulenanordnung, wenn die Ströme in den Zysich linderspulen
zeitlich entsprechend de Stroh In der Fig. 2 ändern.
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Wenn ein zeitlich verinderliches Magnetfeld dieser Art angelegt wird,
wird im Stumpf 21 aus elektrisch leitende geschmolzenen Metall in der Umfangsrichtung
des Schmelztiegels 11 ein Strom induziert. Dieser Induzierte Strom übt in Folge
der Wechselwirkung mit dem von der Induktionsspulenanordnung 22 erzeugten Magnetfeld
eine Lorentz-Kraft auf den Schmelzmetallsumpf 21 aus, so da. der Sumpf "gerührt"
wird, und andererseits erzeugt der induzierte Stnn Jouleische Wärme in dem elektrische
Leitfähigkeit aufweisenden Sumpf 21, um diesen zu erwärmen, was die Erwärmungswirkung
des
Plasma-Brenners 18 unterstUtzt. Wenn der Schmelzmetall sumpf 21 gerUhrt und erhitzt
wird, stellt sich ein Oleichgewicht zwischen der elektromotorischen Kraft aufgrund
des zeitlich veränderlichen Induktionsfeldes, der elektromotorischen Kraft aufgrund
der Bewegung des Sumpfes 21 und der gegenelektromotorischen Kraft aufgrund des ohmschen
Abfalls im Sumpf ein, und deshalb ergibt sich ein bestimmtes Muster bewegten geschmolzenen
Metalls und eine Verteilung der erzeugten Hitze. Obwohl ein bestimmtes Maß an Schlupf
zwischen der wirklichen Bewegung des Sumpfes 21 und der Bewegung der Magnetkraftlinien
aufgrund der endlichen elektrischen Leitfähigkeit des Sumpfes 21 besteht, kann man
es so betrachten, daß der Sumpf 21 im wesentlichen starr mit der Bewegung der Magnetkraftlinien
gekoppelt ist und zusammen mit dieser bewegt wird. Da überdies die Diffusion oder
Durchdringung des Magnetfeldes zuerst am Umrang des Sumpres 21 stattfindet, ist
die elektromagnetische Beeinflussung des Sumpres am stärksten am Umfang des Sumpfes
21. Demgem§ß wird im Fall des von der Induktionsspulenanordnung 22 erzeugten Dreiphasen-Wandermagnetfeldes
der Sumpf 21 an seinem Umfangsteil nach oben getrieben, wie es in Fig. 5 durch einen
Pfeil 28 angedeutet ist,und er fließt an seinem Mittelteil wieder nach unten, wie
es durch einen Pfeil 28' gezeigt ist. Dieser Zustand des Sumpfbewegens wird das
umgekehrte Bewegen genannt. Im Fall des umgekehrten Bewegens erhält der obere Teil
des Sumpfes eine
Form, die an dessen Umfang angehoben und an dessen
Mittelteil abgesenkt ist. Die Bewegung des Sumpfes 21 an seinem oberen Teil ist
radial von seinem Umfang zu seinem Mittelteil gerichtet. Die Bewegungsrichtung des
Sumpfes an seinem Umfang kann umgekehrt werden, d. h., en9çgengesetzt zu der durch
den Pfeil 28 gezeigten Richtung, und zwar durch Xndern des Sinnes irgendwelcher
zwei Phasen der drei Zylinderspulen 23, 24 und 25, und die Bewegung des Sumpfes
an seinem oberen Teil erhält eine Richtung von seinem Mittelteil zu seinem Umfang.
Dieser Zustand der Sumpfbewegung wird die normale Bewegung genannt. In Fig. 5 sind
ein Antriebskraftvektor und ein Bewegungsmuster durch einen Vollinienpfeil bzw.
gestrichelte Kurven gezeigt, und zwar flir den Fall der umgekehrten Bewegung. Im
Fall einer Einphasen-Induktionsspule dagegen fließt der Schmelzmetallsumpf im wesentlichen
in radialer Einwärtsrichtung in Form einer Art Induktionspinch, wenn sich die Anzahl
und Richtung der Magnetkraftlinien zeitlich ändert. Der aktive Fluß des Sumpfes
findet in der Nähe der Mitte der Achse der Induktionsspule statt, so daß Rtlcklauftlilase
am Boden und am oberen Teil des Sumpfes radial nach außen gerichtet sind. Die Richtungen
dieser Treib- und Rücklaufflüsse kann nicht durch Xndern der elektrischen Verbindung
der Einphasen-Induktionsspule umgekehrt werden.
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Es folgt nun eine Beschreibung der Fig. 7. Bei dieser AusrEhrungsrorm
kann man wählen zwischen der Erzeugung eines
Dreiphasen-Wandermagnetfeldes
mit Netzfrequenz (im folgenden Niederfrequenz genannt) und der Erzeugung eines nicht
wandernden Magnetfeldes, das hauptsächlich tür eine Einphuen-Induktionserhi tzung
verwendet wird, Jedoch ein ganzuhliges Vielfaches der Netzfrequenz aufweist (die
nachfolgend Hochfrequenz genannt wird). Eine Induktionsspulenanordnung 22a besteht
aus drei Zylinderspulen 23a, 24a und 25a, ähnlich wie in Fig. 1, in denen ein Schmelztiegel
lla Mit enthalten ist./der Bezugsziffer 29 ist ein Dreiphasen-Haupttransformator
in Dreieckschaltung als Niederfrequenz-Energiequelle bezeichnet, und ein Hilfstransformator
30 ist mit dem Haupttransformator 29 verbunden. Die Sekundärseite des Hllfstransformators
30 weist Sternschaltung auf und ist mit den in Sternschaltung aufgebauten Zylinderspulen
23a, 24a und 25a verbunden. Ein Frequenzwandler 31 benutzt einen Sättigungstransformator.
Die Primärseite des Wandlers 31 ist mit dei Haupttransformator 29 verbunden, und
auf seiner Sekundärseite kann ein Einphasen-Wechselstrom der hohen Frequenz (einer
Frequenz, die dreimal so groß wie die Netzfrequenz ist) erzeugt werden. Diese Hochfrequenz
wird vorzugsweise in eine Frequenz umgewandelt, die höher ist als im Fall der vorliegenden
Ausfhhrungsform, beispielsweise in eine Frequenz von 800 bis 1500 Hz, wenn das zu
schmelzende und in den Schmelztiegel geworfene Material kleine Abmessungen aufweist,
wie Abfallmetalle. Die Sekundärseite
des Frequenzwandlers 31 ist
so geschaltet, daß die Zylinderspulen 23a, 24a und 25a parallel liegen. Kondensatoren
32, 33, 34 und 35 dienen alle der Verbesserung des Leistungsfaktors. Ein Wechselschalter
36 enthält Dreipolschalter 37 und 38, Zweipolschalter 39 und 40 und einen Vierpolschalter
41, wobei alle diese Schalter gemeinsam betätigt werden. Der Dreipolschalter 37
ist zwischen den Haupttransformator 29 und den Hilfstransformator 30 geschaltet
und der Dreipolschalter 38 befindet sich zwischen dem Haupttransformator 29 und
dem Frequenzwandler 31. Die Zweipolschalter 39 und 40 sind zwischen den Frequenzwandler
31 und die Induktionsspulenanordnung 22a geschaltet. Der Vierpolsohalter 41 ist
mit dem Hilfstransformator 30, mit den Phasenanschlossen der Induktionsspulenanordnung
22a und mit deren neutralem Anschluß verbunden. Ein Bewegungs- oder RUhrrichtungswechselschalter
43 umfaßt zwei Zweipolschalter 44 und 45, die zwischen den Haupttransformator 29
und den Hilfstransformator 30 so geschaltet sind, daß zwei der drei Phasen gegeneinander
getauscht werden können, Es wird nun die Arbeitsweise der beschriebenen AusfUhrungsform
erläutert. Es sei angenommen, daß die elektrischen Verbindungen bei dieser AusfUhrungsform
so sind, wie sie in Fig. 7 gezeigt sind. Wie man leicht der Figur entnehmen kann,
wird die elektrische Energie vom Haupttransformator
29 zu den
in Sternschaltung befindlichen Zylinderspulen 23a, 24a und 25a Uber die geschlossenen
Schalter 37, 44 und 41 und über den Hilfstransformator 30 geliefert. Es wird ein
Magnetfeld erzeugt, das in einer bestimmten Richtung wandert, beispielsweise wie
im Fall der vorausgehenden AusfUhrungsform in Abwärtsrichtung, und somit wird der
Schmelzmetallsumpt als Ergebnis des normalen RUhrens bewegt. Wenn der Schalter 45
durch Betätigen des Rilhrrichtungswechselschalters 43 geschlossen wird, bewegt sich
das Wandermagnetfeld aufwärts, und es ergibt sich ein umgekehrtes RUhren. Wenn die
Schalter 38, 39 und 40 durch Betätigen des Wechselschalters 36 geschlossen sind,
wird die Dreiphasen-Energie des Haupttransformators 29 durch den Frequenzwandler
31 in eine hochfrequente Einphasen-Energie umgewandelt und an die in Parallelschaltung
befindlichen Zylinderspulen 23a, 24a und 25a geliefert. Daraufhin wird im Schmelztiegel
lla das nicht wandernde axiale Magnetfeld erzeugt. Die Induktionsheizung durch dieses
Magnetfeld ist stark, da seine Frequenz dreimal so groß wie die Netzfrequenz ist,
und die mit der Erwärmung durch den Plasma-Brenner 18 zusammenwirkende Induktionserwärmung
schmilzt alles, was sich im Schmelztiegel lla befindet, sei es nun heiß oder kalt,
groß oder klein.
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Das Bewegungsmuster des Sumpfes an seinem oberen Teil ist das normale
Bewegungsmuster gemäß Definition in dieser Beschreibung. Während des Betriebs des
Ofens kann selbst der3enige Oberflächenteil des Sumpfes, der vom Plasma örtlich
erhitzt wird, bewegt, und mit dem gesamten Sumpf im Schmelztiegel gemischt werden,
und zwar durch Bewegen oder Rühren des Sumpfes in normaler oder umgekehrter Richtung
und Homogenisieren der Temperaturverteilung des Sumpfes oder des Mischungsgrades
des in den Schmelztiegel gegebenen Klumpens, wodurch die Wirksamkeit des Feinens
oder der Raffination verbessert wird. Überdies wird das Erwärmen durch den Plasma-Brenner
mit der hochfrequenten Induktionserwärmung unterstützt, so daß das S¢hmelzvermdgen
des Ofens bei Bedarf erhöht wird, und folglich kann man auf ein Ausgangsblockmaterial
verzichten, wie es normalerweise während der Zeit des Schmelzens erforderlich ist.
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Wenn die Temperatur im Schmelztiegel während des Betriebs des Ofens
abfällt und es erforderlich ist, sie schnell wieder zu erhöhen, wird den Zylinderspulen
Jedesmal vorzugsweise hochfrequente Einphasen-Energie zugeführt, und zwar durch
Betätigen des Wechselschalters 36, um die Erwärmung des Sumpfes im Sohmelztiegel
zu unterstüzten.
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Gemäß vorausgehender Beschreibung wurde eine elektrische
Dreiphasen-Energie
benutzt. Die elektrische Energie ist Jedoch nicht darauf beschränkt, sondern es
ist bekanntlich auch möglich, einem Satz von n Zylinderspulen eine elektrische n-Phasen-Energie
zuzuftihren und ein Vielphasen-Wandermagnetfeld zu erzeugen.
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Zur Verwendung für die Einphasen-Heizung sind die Zylinderspulen der
Induktionsspulenanordnung parallel geschaltet.
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Sie können Jedoch auch in Serie geschaltet sein.