DE3136799C2 - Plasmalichtbogenofen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Plasmametallurgie. Der Ofen enthält einen Mantel (1) und die darin bezüglich dessen Vertikalachse symmetrisch angeordneten Plasmabrenner (2). Insbesondere enthält der Ofen drei derartige Brenner (2), von welchen jeder ein Gehäuse (2a) mit einer Düse (2b) und einem axialen Kanal (2c) für die Zuführung des plasmabildenden Gases sowie eine in diesem Kanal (2c) angeordnete Rundstabelektrode (4), welche an eine dreiphasige Stromquelle (3) angeschlossen wird. Gemäß der Erfindung beträgt der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Arbeitsstirnflächen der Elektroden (4) benachbarter Brenner (2) nicht mehr als 15 Durchmesser der Elektrode (4). Die Erfindung kann bei der Herstellung von Öfen mit keramischer Ausfütterung, Garnisageöfen, Öfen mit wassergekühltem Kristallisator u.dgl. verwendet werden, welche für das Er- und Umschmelzen, für die Erhitzung und das Abschmelzen von Metallen bestimmt sind.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

die Plasmabrenner (2) derart angeordnet sind, daß der Abstand (L) zwischen den Mittelpunkten der Arbeitsstirnflächen der Elektroden (4) der benachbarten Brenner (2) nicht mehr als der 15-fache Durchmesser (d) der Elektrode (4) beträgt.

Die Erfindung betrifft einen Plasmalichtbogenofen der im Oberbegriff des Patentanspruchs bezeichneten, aus der US-PS 31 47 329 bekannten Art.

Beim Betrieb von Plasmalichtbogenofen zum Erhitzen und Schmelzen von Metallen mit Dreiphasen-Wechselstrom neigt der Lichtbogen der einzelnen Plasmabrenner dazu, beim Nulldurchgang der Wechselspannung zu erlöschen.

Bei dem bekannten Plasmalichtbogenofen wird deshalb zwischen der Elektrode und der Düse im Gehäuse des Plasmabrennes ein Gleichstrom-Hilfslichtbogen gezündet, der den Wechselstrom-Hauptlichtbogen zwischen der Elektrode und dem Beschickungsgut bzw. der Schmelze stabilisieren soll.

Diese Art der Stabilisierung weist einige Nachteile auf. Die Effektivität der Stabilisierung langer Hauptlichtbögen ist gering, da das plasmabildende Gas vom Hilfslichtbogen nur auf einem verhältnismäßig kleinen Abschnitt des Hauptlichtbogens in der Nähe der Elektrode des Plasmabrenners ionisiert wird.

Darüber hinaus erhitzt der Hilfslichtbogen die Gasschicht an den Wänden der Düse, die als Elektro- und Wärmeisolation zwischen dem Plasma und diesen Wänden dienen soll. Dadurch werden die Isolationseigenschaften der erwähnten Gasschicht herabgesetzt, was zu einer allmählichen Zerstörung der Düse führt sowie eine Verlagerung des Hauptlichtbogens auf diese verursacht. Dabei entsteht ein sogenannter doppelter Lichtbogen, der einerseits zw'schen der Elektrode und der Brennerdüse und andererseits zwischen der Düse und dem zu erhitzenden Metall brennt, so daß die Düse der Einwirkung der konzentrierten Energie des Haupt- und des Hilfslichtbogen ausgesetzt ist.

Schließlich ist durch den Bedarf an Hilfslichtbogen die Speiseschaltung des ofens und die Schaltung der Brennersteuerung kompliziert und es muß eine intensive Kühlung der Brennerdüse vorgesehen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmalichtbogenofen mit einer hohen Brennstabilität der Lichtbogen, insbesondere bei einer bedeutenden Länge der letzteren, durch eine optimale gegenseitige Anordnung der Plasmabrenner zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen im Kennzeichen des Patentanspruchs gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen gegenseitigen Anordnung der Plasmabrenner bilden die Lichtbogen im Raum zwischen den Elektroden und dem zu erhitzenden Metall ein einheitliches thermodynamisches System aus, wodurch die Ionisierung des Gases, d. h. das Plasma, und

ίο damit die elektrische Leitfähigkeit im Lichtbogenkanal des einen Brenners, dessen Strom und Spannung gerade durch Null gehen, durch die durch Konvektion und Ausstrahlung übertragene Energie der anderen Brenner, die mit den um 120° bzw. 240° verschobenen Phasen des Drehstroms gespeist werden, aufrechterhalten wird.

Da einerseits die Stromstärke im Lichtbogen dem Elektrodendurchmesser des Plasmabrenners direkt proportional ist und andererseits diese Stromstärke den Abstand festlegt, innerhalb dessen sich die Lichtbogen gegenseitig stabilisieren, ist der Elektrodendurchmesser als Parameter genommen worden, der den maximalen Abstand zwischen den Brennern (genauer zwischen den Mittelpunkten der Arbeitsstirnflächen deren Elektroden) bestimmt, bei welchem die Brennstabilität der Lichtbogen noch gewährleistet ist.

Diese Erennstabilität wird auch bei verhältnismäßig großen Lichtbogenlängen (ca. 1 m) aufrechterhalten.

Der minimale Abstand zwischen den Elektroden der benachbarten Plasmabrenner ist nicht festgelegt, da die Brenner ohne 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 zeigt

F i g. 1 schematisch den Vertikalschnitt eines Plasmalichtbogenofens mit senkrecht angeordneten Plasmabrennern,
F i g. 2 die Aufsicht auf den Plasmalichtbogenofen der Fig. 1,

F i g. 3 schematisch den Vertikalschnitt eines Plasmalichtbogenofens mit unter einem Winkel zueinander angeordneten Plasmabrennern und
F i g. 4 die Aufsicht auf den Plasmalichtbogenofen der Fig.3.

Der Plasmalichtbogenofen enthält einen Mantel 1 und darin bezüglich seiner Vertikalachse symmetrisch angeordnete Plasmabrenner 2. Die Anzahl der Brenner 2 ist ein ganzzahliges Vielfaches von drei (gegebenenfalls gleich drei); die Speisung erfolgt von einer dreiphasigen Wechselstromquelle 3.

Der jeweilige Plasmabrenner 2 enthält ein Metallgehäuse 2a mit einer Düse 2b und einem axialen Kanal 2c für die Zufuhr eines plasmabildenden Gases von einer entsprechenden Quelle (nicht gezeigt) in den Brenner. Im Kanal 2cdes Brenners 2 ist eine Rundstabelektrode 4 angeordnet, weiche an eine Phase der Dreiphasenstromquelle 3 angeschlossen wird.

Für die Zündung der Plasmalichtbögen enthält der Ofen drei (bzw. entsprechend der Anzahl der Plasmabrenner 2) zusätzliche Zündvorrichtungen 5, beispielsweise elektrische Oszillatoren, von denen jede mit der Elektrode 4 und dem Gehäuse 2a des entsprechenden Plasmabrenners 2 verbunden ist. Die Zündung der Lichtbogen kann auch ohne diese Zündvorrichtungen 5 erfolgen, 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 entv stehenden Funken, wonach die Brenner 2 wieder in die A Ausgangsstellung gebracht werden. Die Zündvorrich- ; tungen 5 sind jedoch zweckmäßig, weil dadurch die Zu-

& verlässigkeit der Anfangszündung eier Plasmalichtbö- |;. gen erhöht wird.

U, Der Abstand L zwischen den Mittelpunkten der Ar-

Jk beitsstirnflächen der Elektroden 4 benachbarter Plas-& mabrenne; 2 (beim Einsatz von drei Brennern ist das der ψ Abstand zwischen zwei beliebigen Elektroden) ist nicht Il größer als der 15fache Durchmesser d der Elektrode 4. ψ In den F i g. 1 und 2, in denen die senkrechte Anordnung H der Plasmabrenner gezeigt ist, stimmt dieser Abstand L mit dem Abstand der Achsen der Kanäle 2c der Plasmabrenner 2 überein. Bei der Anordnung der Brenner 2 unter einem Winkel zueinander, wie es in den F i g. 3 und 4 gezeigt ist, wird dieser Abstand zwischen den Mittelpunkten der unteren Stirnflächen der Elektroden 4 bzw. der Stirnflächen der Düsen 26 gemessen,

Darüberhinaus 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 Be-Stimmungsgrößen eingestellt

Der Plasmalichtbogenofen arbeitet folgendermaßen: Das Metall 6, das erhitzt werden soll, wird in den Ofen eingegeben. 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 die Lichtbogen 7 gezündet Während des Betriebs werden die Düsen 2b der Brenner 2 mit Wasser gekühlt, das aus einer entsprechenden Quelle (nicht gezeigt) zugeführt wird.

Bei dem angegebenen Abstand zwischen den Brennern 2 bilden diese ein einheitliches thermodynamisches System und der Brennvorgang der Lichtbogen 7 verläuft stabil, weil zu dem Zeitpunkt, wenn der Strom und die Spannung in einem der Lichtbogen auf Null absinken, sich durch Konvektion und Ausstrahlung von den anderen Lichtbogen, deren Strom und Spannung in diesem Zeitpunkt nicht gleich Null sind, die Energieverluste des ersten Lichtbogens in dem Maße ausgleichen, daß die Deionisierungsvorgänge in diesem gebremst werden und die Leitfähigkeit im Lichtbogcnkanal ausreichend hoch für die Lichtbogenerregung in der nächsten Stromhalbperiode bleibt Ein derart stabiles Brennen wird bei sämtlichen Plasmalichtbögen erreicht, und dadurch eine effektive Erhitzung und das Einschmelzen der Charge 6 erreicht, ohne dabei eine zusätzliche Erhöhung der Wärmebelastung der Düsen 2b der Plasmabrenner 2 zu verursachen und die Ofenkonstruktion zu komplizieren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. Patentanspruch:
   Plasmalichtbogenofen, enthaltend:

   a) einen Mantel und

   b) darin bezüglich dessen Vertikalachse symmetrisch angeordnete Plasmabrenner, von welcher 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,