DE3136799A1 - Plasmalichtbogenofen - Google Patents

Plasmalichtbogenofen

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DE3136799A1 DE19813136799 DE3136799A DE3136799A1 DE 3136799 A1 DE3136799 A1 DE 3136799A1 DE 19813136799 DE19813136799 DE 19813136799 DE 3136799 A DE3136799 A DE 3136799A DE 3136799 A1 DE3136799 A1 DE 3136799A1
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Al'fred Iosifovič Bukalo
Vladimir Viktorovič Gončarenko
Stanislav Stepanovič Ivančenko
Jurij Vadimovič Lataš
Gary Aleksandrovič Mel'nik
Boris Evgen'evič Paton
Anatolij Romanovič Kiev Slobodjan
Oleg Semenovič Zabarilo
Michail Kirilovič Iževsk Zakamarkin
Nikolaj Ivanovič Zamulo
Anatolij Anatol'evič Zdanovskij
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    • F27B3/08Hearth-type furnaces, e.g. of reverberatory type; Tank furnaces heated electrically, with or without any other source of heat
    • HELECTRICITY
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description

  • PLASMALICHTBOGENOFEN
  • Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die spezielle Elektrometallurgie, im besonderen auf die Plasmametallurgie, und betrifft die bauliche Gestaltung eines Plasmalichtbogenofens.
  • Mit dem höchsten Nutzeffekt kann die vorliegende Erfindung bei der Herstellung von Plasmalichtbogenöfen mit keramischer Ausfütterung, Garnisageöfen, Ofen mit wassergekühltem Kristallisator und dergleichen verwendet- werden. Sie kann ihre Verwendung in den Fällen finden, wenn das Er- und Umschmelzen von Metallen sowie die Erhitzung bzw. das Abschmelzen von Gußblöcken, Walzgut, Schmiedestücken und anderen Metallwerkstücken an der Luft und mit kontrollierter Schutzgasatmosphäre zwecks Beseitigung von Randschichtfehlern erforderlich sind.
  • Gegenwärtig werden zum Erschmelzen, Umschmelzen, zur Erhitzung sowie zum Abschmelzen von Metallen Plasmalichtbogenöfen mit Gleichstrom- oder Wechselstromplasmabrennern verwendet. Dabei haben eine weite Verbreitung Öfen mit Wechselstromplasmabrennern gefunden, weil die Verwendung von solchen Brennern im Vergleich zu Gleichstromplasmabrennern eine Reihe von Vorteilen bietet.
  • Die wichtigsten davon sind: - das Ausbleiben der magnetischen Zusammenwirkung zwischen den Plasmalichtbögen der benachbarten Brenner, welche zur Senkung des Wirkungsgrades der Ofen und zum Ausfall der Brenner führt; - billigere und einfachereSpeisequellen; - eine geringe Neigung zur doppelten Lichtbogenbildung, unter welcher hier die Verlagerung des Plasmalichtbogens auf die Brennerdüse verstanden wird, so daß der Lichtbogen nicht nur zwischen der Brennerelektrode und dem zu erhitzenden Metall, sondern auch zwischen der Elektrode und der Düse brennt, wodurch die Verkürzung der Nutzungsdauer der letzteren und die Senkung des Wirkungsgrades des Ofens verursacht wird.
  • Neben den erwähnten Vorteilen weisen die Öfen mit Wechselstromplasmabrennern, besonders mit Einphasenstrombrennern, auch Nachteile, vor allem eine niedrige Brennstabilität der Plasmalichtbögen, auf. In derartigen Öfen ist die Quelle des Einphasenwechselstromes an die Elektrode des Plasmabrenners und an die Bodenelektrode angeschlossen, welche mit dem zu erhitzenden Metall in Berührung steht. Die Brenninstabilität des Lichtbogens zwischen diesen Elektroden findet ihren Niederschlag in den Pausen beim Brennen, welche durch den mehrmaligen Wechsel der Elektrodenpolarität beim Durchfluß des Wechselstromes bedingt werden. Dadurch werden erhebliche Schwierigkeiten bei der Durchführung einer ganzen Reihe metallurgischer Vorgänge hervorgerufen, wenn eine sichere Lichtbogenerregung während der jeweiligen Stromhalbperiode bei einer wesentlichen (von etwa 1 m) Lichtbogenlänge gewährleistet werden soll.
  • Hier und weiter wird mit der Länge des Plasmalichtbogens eine Größe gemeint, welche dem Abstand zwischen der Arbeitsstirnfläche der Elektrode des Plasmabrenners und der zu bearbeitenden Oberfläche entspricht.
  • Es sind Plasmalichtbogenöfen mit Einphasenwechselstrombrennern bekannt, bei denen zur Erhöhung der Lichtbogenbrennstabilität zusätzliche Hochspannungsstromquellen verwendet werden, die elektrische Schwingungen von hoher Frequenz erzeugen, welche dem Wechselstrom der Hauptquelle zu dem Zeitpunkt, zu dem die Stromstärke annähernd gleich null ist, überlagert wird (s. A.
  • V. Donskoj, V.S. Klubnikin: Eltroplasmennyje prozessy i ustanovki v maschinostroenii. Leningrad, Maschinostroenie, Leningradskoe otdelenie, 1979, S. 99). Es liegt auf der Hand, daß durch das Vorhandensein von zusätzlichen Speisequellen die Konstruktion kompliziert und die Baukosten eines Plasmalichtbogenofens erhöht werden.
  • Ferner sind Öfen anderen Typs bekannt, bei welchen der Versuch unternommen wurde, die Brennstabilität des Einphasenwechselstromlichtbogens mittels eines durch-die Erhitzung des in den Brenner geförderten plasmabildenden Gases durch einen zusätzlichen Gleichstromlichtbogen, welcher zwischen der Elektrode und der Brennerdüse gezündet wird, gewonnenen Plasmastrahls zu erhöhen (s. z.B.
  • G.A. Farnassov, A.G. Fridman, V.N. Karinskij: Plasmennaja plavka, Moskau, Metallurgija, 1968, S. 83, Bild 41; sowie M.F. Shukov, V. Ja Smolkov, B.A. Urjukov: Elektrodugovyje nagrevateli toka (plasmotrony), Moskau, Nauka, 1973, S. 40, 41). Zur Bildung des Hilfslichtbogens wird an die Elektrode und an die Düse des Plasmabrenners eine zusätzliche Speisequelle, nämlich eine Gleichstrom-Speisequelle angeschlossen. Durch den Plasmastrahl wird die dauernde Ionisierung des Elektrodenzwischenraumes (des Abschnitts zwischen der Brennerelektrode und dem zu erhitzenden Metall) gewährleistet, was zur Erhöhung der Brennstabilität des Plasmalichtbogens beiträgt.
  • Durch das Vorhandensein einer zusätzlichen Speisequelle in solchen öfen wird aber deren Konstruktion ziemlich kompliziert. Darüber hinaus kann die Brennstabilität in den Öfen der vorstehend erwähnten Typen lediglich bei einer verhältnismäßig geringen Lichtbogenlänge (nicht über 200 mm) gesichert werden, da in den öfen vom ersten Typ für die Bildung eines Lichtbogens von gröBerer Länge komplizierte, kostspielige und im Betrieb gefährliche Hochspannungsquellen erforderlich sind, und in den öfen vom zweiten Typ die Bogenstabilisierung mittels Plasmastrahls durch den niedrigen Wirkungsgrad des letzteren praktisch unmöglich ist. Ein niedriger Wirkungsgrad ist unter anderem durch große Verluste an Wärmeenergie bedingt, welche mit dem die Brennerdüse abkühlenden Wasser abgeführt und durch Ausstrahlung sowie Konvektion an die Umgebung abgegeben wird.
  • Von höherer Effektivität ist ein Plasmalichtbogenofen mit dreipolig geschalteten Brennern (US-pS 3 147 329). Dieser Ofen weist einen Mantel und darin bezüglich seiner Vertikalachse symmetrisch angeordnete Plasmabrenner auf, von welchen jeder ein Gehäuse mit einer Düse und einem axialen Kanal zur Zuführung des plasmabildenden Gases sowie eine in diesem Kanal angeordnete Rundstabelektrode zum Anschließen'an eine Dreiphasenstromquelle aufweist. Darüber hinaus enthält dieser Ofen, wie die vorstehend erwähnten, eine G]eichstromquelle für die Zündung von Hilfslichtbögen.
  • Die dreipolige Einschaltung von Plasmabrennern gestattet es, auf die Verwendung einer Bodenelektrode zu verzichten und die Neigung der Brenner zur doppelten Lichtbogenbildung in noch höherem MaBe zu vermindern. Eine solche Einschaltung ermöglicht es auch, die dem zu erhitzenden Metall zugeführte Leistung zu vergrößern, wodurch der Wirkungsgrad erhöht und der technologische Ablauf intensiviert wird.
  • Zugleich enstehen beim Betrieb des bekannten Ofens erhebliche Schwierigkeiten. Vor allem ist hervorzuheben, daß der Hilfslichtbogen zu dem Zeitpunkt, wenn die Stromstärke des Hauptlichtbogens nahe Null ist, das plasmabildende Gas nur auf einem verhältnismäßig geringen Abschnitt des Hauptlichtbogens in der Nähe der Elektrode des Plasmabrenners ionisiert. Der größte Teil der Gassäule des Hauptlichtbogens wird jedoch im Raum zwischen der Brennerdüse und dem zu erhitzenden Metall vom Hilfslichtbogen nicht ionisiert, da die Leistung und der Wirkungsgrad des Plasmastrahls, welcher durch den Hilfslichtbogen gebildet wird, verhältnismäßig gering sind.
  • Zu dem Zeitpunkt, wenn der Strom und die Spannung des Plasma-Hauptlichtbogens (des Wechselstromlichtbogens) ihre Nullwerteerreichten, hört der Ausgleich der Energie, welche aus der Säule an die Umgebung abgegeben wird, auf, infolgedessen im Elektrodenzwischenraum dieses Lichtbogens Deionisieurungsvorgänge vor sich gehen. Da das Problem der optimalen gegenseitigen Anordnung der Brenner bei dem erwähnten Ofen nicht gelöst ist, wird dabei die Leitfähigkeit des Elektrodenzwischenraumes soweit vermindert, daß die Lichtbogenerregung in der nächsten Stromhalbperiode außerordentlich erschwert oder oar unmöglich wird.
  • Es ist auch zu erwähnen, daß beim Brennen des Hilfslichtbogens zwischen der Elektrode und der Brennerdüse eine intensive Erhitzung der kalten Gas schicht an den Wänden der Düse erfolgt, welche als Elektro- und Wärmeisolation zwischen dem Plasmafluß und den Wänden des Düsenkanals funktioniert.
  • Die Erhitzung hat eine rapide Beeinträchtigung der elektrischen Isolationseigenschaften der erwähnten Gasschicht zur Folge, wodurch die allmähliche Zerstörung der Düse bei der Verlagerung des Lichtbogens auf diese verursacht und die wärmeisolierenden Eigenschaften der Schicht beeinträchtigt werden, was infolge deren intensiver Erhitzung ebenfalls zur Zerstörung der Düse beiträgt. Dabei entsteht ein doppelter Lichtbogen, welcher auf dem einen Abschnitt, zwischen der Elektrode und der Brennerdüse, und auf dem anderen Abschnitt, zwischen der Düse und dem zu erhitzenden Metall, brennt, so daß die Düse der Einwirkung der konzentrierten Energie des Haupt- und des Hilfslichtbogens ausgesetzt ist.
  • Zuletzt ist zu erwähnen, daß durch den Bedarf an Hilfslichtbögen die Speiseschaltung des Ofens und die Schaltung der Brennersteuerung kompliziert werden sowie die Düsenkühlung bei diesen Brennern intensiviert werden muß.
  • Alle vorstehend ausgeführten Schwierigkeiten gefährden eine breite Verwendung des beschriebenen P.asmalichtboqenofens in der Praxis.
  • Der Zweck dieser Erfindung besteht darin, die angegebenen Nachteile zu beseitigen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmalichtbogenofen zu entwickeln, in welchem durch die optimale gegenseitige Anordnung der Plasmabrenner ein einheitliches thermodynamisches System der Plasmalichtbögen geschaffen wird, welches die Brennstabilität der Lichtbögen erhöht, insbesondere bei einer bedeutenden Länge der letzteren, ohne hierbei einen erhöhten Verschleiß der erwähnten Brenner zu verursachen.
  • Die gestellt Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Plasmalichtboqenofen, enthaltend einen Mantel und die darin bezüglich seiner Vertikalachse symmetrisch angeordneten Plasmabrenner, von welchen jeder ein Gehäuse mit einer Düse und einem axialen Kanal zur Zuführung des palsmabildenden Gases sowie eine in diesem Kanal angeordnete Rundstabelektrode zum Anschließen an eine Dreiphasenstromquelle aufweist, die Plasmabrenner erfindungsgemäß derart angeordnet sind, daß der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Arbeitsstirnflächen der Elektroden der benachbarten Brenner nicht mehr als 15 Elektrodendurchmesser beträgt.
  • Wie. Untersuchungen ergeben haben, bilden bei einer derartigen gegenseitigen Anordnung der Plasmabrenner die Lichtbögen der letzteren ein einheitliches thermodynamisches System aus, welches es gestattet, die Energieverluste eines Lichtbogens (bei dem Brenner, wo zu dem Zeitpunkt der Strom und die Spannung gleich Null sind) durch die Konvektions- und Ausstrahlungsenergie anderer Lichtbögen auszugleichen (in den Brennern, wo die Strom- und Spannungsvektoren in Bezug auf entsprechende Vektoren des ersten Plasmabrenners um 1200 und 240° verlagert und zu dem gegebenen Zeitpunkt nicht gleich Null sind).
  • Das Gesagte kann durch folgendes erläutert werden. Die maximale Energiequantität, welche durch die einen Lichtbogen (bezeichnet als "brennend") zu einem anderen Lichtbogen (bezeichnet als "erlöschend") übertragen werden kann, um dessen Energieverluste auszugleichen und darin die Vorgänge der Gas-Deionisierung zu dämpfen, steht in direktem Abhängigkeitsverhältnis zu der Stromstärke in diesen brennenden Lichtbögen und im reziproken Verhältnis zum Abstand zwischen diesen und dem erlöschenden Lichtbogen. Je größer also der Strom im brennenden Lichtbogen ist, kann dessen Energie über einen umso größeren Abstand zu dem erlöschenden Lichtbogen übertragen werden. Dabei wird im Elektrodenzwischenraum des Plasmabrenners, in welchem der erlöschende Lichtbogen brennt, die erforderliche Leitfähigkeit erreicht und der Strom fließt ohne Nullpausen. Anders ausgedrückt, kann mit der Vergrößerung der Lichtbogenstromstärke der Abstand zwischen den Plasmabrennern ohne Beeinträchtigung deren Betriebssicherheit vergrößert werden.
  • Da die Lichtbogenstärke dem Elektrodendurchmeser des Plasmabrenners direkt proportional ist, ist dieser Durchmesser für einen Parameter genommen worden, welcher den maximalen Abstand zwischen den Brennern (qenauer-zwischen den Mittelpunkten der Arbeitsstirnflächen deren Elektroden) bestimmt, bei welchem das stabile Brennen ihrer Lichtbögen noch gewährleistet wird.
  • Die Anordnung der Plasmabrenner unter Einhaltung des vorstehend empfohlenen Maximalabstandes zwischen deren Elektroden bildet eine notwendige Voraussetzung für das stabile Brennen sämtlicher Plasmalichtbögen, wobei diese Stabilität sogar bei einer verhältnismäßig großen Lichtbogenlänge (ca. 1 m) erreicht wird.
  • Wenn dieser Abstand mehr als 15 Elektrodendurchmesser beträgt, so erfolgt, wie Versuche erwiesen haben, in einem Lichtbogen, in welchem zum gegebenen Zeitpunkt der Strom und die Spannung gleich Null sind, eine bedeutende Ausstrahlung von Energie in die Umgebung. Bei solch einem großen Abstand zwischen dem erlöschenden und den brennenden Lichtbögen ist der Energiezufluß zu dem jeweiligen von den letzteren so gering, daß er für den Ausgleich dessen Energieverluste unzureichend erscheint. Infolgedessen treten im erwähnten Lichtbogen Deionisierungsvorgänge intensiv zum Vorschein, wodurch dessen Brennstabilität beeinträchtigt wird.
  • Der minimale Abstand zwischen den Elektroden der benachbarten Plasmabrenner ist in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung absichtlich nicht vorbehalten, da diese Brenner ohne jegliche Beeinträchtigung ihrer Betriebssicherheit bis zur Berührung ihrer Gehäuse einander angenähert werden können.
  • Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch den Vertikalschnitt eines Plasmalichtbogenofens mit senkrecht angeordneten Plasmabrennern, Fig. 2 die Draufsicht auf den Plasmalichtbogenofen der Fig. 1, Fig, 3 schematisch den Vertikalabschnitt eines Plasmalichtbogenofens mit unter einem Winkel zueinander angeordneten Plasmabrennern und Fig. 4 die Draufsicht auf den Plasmalichtbogenofen der Fig. 3.
  • Der erfindungsgemäße Plasmalichtbogenofen enthält einen Mantel 1 (Fig. 1) und darin bezüglich seiner Vertikalachse symmetrisch angeordnete Plasmabrenner 2. Die Anzahl der Brenner 2 wird als teilbar durch drei (gegebenenfalls gleich drei) genommen; die Speisung erfolgt von einer dreiphasigen Stromquelle.
  • Der jeweilige Plasmabrenner 2 enthält ein Metallgehäuse 2a mit einer Düse 2b und einem axialen Kanal 2c für die Zufuhr des plasmabildenden Gases von der entsprechenden Quelle (nicht gezeigt) in den Brenner. Im Kanal- 2c des Brenners 2 ist eine Rundstabelektrode 4 angeordnet, welche an die entsprechende Phase der vorstehend erwähnten Dreiphasenstromquelle 3 angeschlossen wird.
  • Für die Zündung der Plasmalichtbögen enthält-der Ofen drei zusätzliche (nach der Anzahl der Plasmabrenner 2) Zündvorrichtungen 5, welche im besonderen elektrische Oszillatoren darstellen, von denen jeder mit der Elektrode 4 und dem Gehäuse 2a des entsprechenden Plasmabrenners 2 verbunden ist.
  • Derartige Oszillatoren sind bekannt (DE-PS 1 011 095 und 1 095 095) und werden aus diesem Grunde hier nicht ausführlicher erläutert. Es ist zu erwähnen, daß Zündvorrichtungen 5 keine obligatorischen Elemente des erfindungsgemäßen Ofens sind, da die Zündung der Lichtbögen auch ohne diese Vorrichtungen erfolgen kann, zum Beispiel durch Annäherung der unter Spannung stehenden Plasmabrenner 2 bis zum elektrischen Durchschlag des Luftraumes zwischen diesen und bis zur Zündung der Plasmalichtbögen durch den entstehenden Funken, wonach die Brenner 2 in die Ausgangsstellung gebracht werden. Nichtsdestoweniger -ist das Vorhandensein der Zündvorrichtungen 5 sehr erwünscht, weil dadurch die Zuverlässigkeit der Anfangszündung (des Anlaufs) der Plasmalichtbögen erhöht wird.
  • Erfindungsgemäß beträgt der Abstand L zwischen den Mittelpunkten der Arbeitsstirnflächen der Elektrode 4 der benachbarten Plasmabrenner 2 (beim Einsatz von drei Brennern ist das der Abstand zwischen zwei beliebigen Elektroden) nicht mehr als 15 Durchmesser d der Elektrode 4. In Fig. 1 und 2, in welchen die senkrechte Anordnung der Plasmabrenner gezeigt ist, stimmt dieser Abstand L zwischen den Achsen -der Kanäle 2c der Plasmabrenner 2 überein. Bei der Anordnung der Brenner 2 unter einem Winkel zueinander, wie es in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, wird dieser Abstand zwischen den Mittelpunkten der unteren Stirnflächen der Elektroden 4 bzw. der Stirnflächen der Düsen 2b gemessen.
  • Konkret wird dieser Abstand L in Abhängigkeit von der Art der technologischen Bearbeitung, von der Fläche und der Form der zu bearbeitenden Metalloberfläche, von dem Fassungsvermögen und der Leistung des Ofens, von der Gaszusammensetzung und dem Gasdruck im Schmelzraum, und von sonstigen Bestimmungsgrößen eingestellt.
  • Der erfindungsgemäße Ofen arbeitet folgendermaßen: Das Metall 6, welches durch das Plasma erhitzt werden soll, wird, in den Ofen eingegeben (Fig. 1). Dann wird durch die Kanäle 2c der Plasmabrenner 2 das plasmabildende Gas, beispielsweise Argon, zugeführt, die dreiphasige Stromquelle 3 wird eingeschaltet und mittels der Zündvorrichtungen 5 werden die Lichtbögen 7 gezündet. Während des Betriebs werden die Düsen 2b der Brenner 2 mit Wasser gekühlt, welches aus einer entsprechenden Quelle (nicht gezeigt) zugeführt wird.
  • Bei dem angegebenen Abstand zwischen den Brenners 2 bilden diese ein einheitliches thermodynamisches System und der Brennvorgang der Lichtbögen 7 verläuft stabil, weil zu dem Zeitpunkt, wenn der Strom und die Spannung in einem Lichtbogen bis auf Null absinken, sich die Konvektions- und Ausstrahlungsenergien zweiter anderer Lichtbögen, deren Strom und Spannung nicht gleich Null sind, die Energieverluste des ersten Licht- bogens in dem Maße ausgleichen, daß die Deionisierungsvorgänge in diesen gebremst werden und die Leitfähigkeit seiner Säule in-der nächsten Stromhalbperiode ausreichend hoch für die Lichtbogenerregung bleibt. Ein derart stabiles Brennen wird bei sämtlichen Plasmalichtbögen erreicht, und dadurch die effektive Erhitzung und das Einschmelzen der Charge 6 gewährleistet, ohne dabei eine zusätzliche Erhöhung der Wärmebelastung der Düsen 2b der Plasmabrenner 2 zu verursachen und die Ofenkonstruktion zu komplizieren.
  • Es ist klar, daß vorstehend nur einige konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden konnten. Für den Fachmann auf diesem Gebiet der Technik dürfte es aber offenkundig sein, daß auch andere Änderungen und Ergänzungen des erfindungsgemäßen Ofens möglich sind.
  • Leerseite

Claims (1)

  1. PLASMALICHTBOGENOFEN Patentanspruch Plasmalichtbogenofen, enthaltend: a) einen Mantel und b) darin bezüglich dessen Vertikalachse symmetrisch angeordnete Plasmabrenner, von welchen jeder - ein Gehäuse mit einer Düse und einem axialen Kanal für die Zuführung des plasmabildenden Gases und - eine in diesem Kanal angeordnete Rundstabelelektrode zum Anschließen an eine Dreiphasenstromquelle aufweist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß c) die Plasmabrenner (2) derart angeordnet sind, daß der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Arbeitsstirnflächen der Elektroden (4) der benachbarten Brenner (2) nicht mehr als 15 Durchmesser der Elektrode (4) beträgt.
DE19813136799 1981-09-16 1981-09-16 Plasmalichtbogenofen Expired DE3136799C2 (de)

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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3147329A (en) * 1955-07-26 1964-09-01 Union Carbide Corp Method and apparatus for heating metal melting furnaces
DE2132352A1 (de) * 1970-11-11 1972-06-08 Vni I Projeknij I Aljuminiewoj Drehstromschmelzofen fuer die Erzeugung von Aluminium-Silizium-Legierungen

Patent Citations (2)

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