EP0070273A1 - Plasmaschmelzofen - Google Patents

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EP0070273A1
EP0070273A1 EP82890100A EP82890100A EP0070273A1 EP 0070273 A1 EP0070273 A1 EP 0070273A1 EP 82890100 A EP82890100 A EP 82890100A EP 82890100 A EP82890100 A EP 82890100A EP 0070273 A1 EP0070273 A1 EP 0070273A1
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EP
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plasma
cover
melting furnace
axes
plasma melting
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EP82890100A
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Walter Dipl.-Ing.Dr. Lugscheider
Ernst Ing. Riegler
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Voestalpine AG
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Voestalpine AG
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00—Heating by electric discharge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D11/00—Arrangement of elements for electric heating in or on furnaces
    • F27D11/08—Heating by electric discharge, e.g. arc discharge

Definitions

  • the invention relates to a plasma melting furnace with a furnace body, a cover, one or more electrodes penetrating the bottom of the furnace body and at least three plasma torches arranged through the furnace wall or cover and inclined towards the bottom.
  • P lasmaschmelzöfen this type are known, for example from US-PS 3,422,206, in which a furnace is described in which the plasma torches are arranged in the substantially cylindrical furnace wall.
  • the direct arc plasma formed after the voltage is applied does not radiate in the axial direction of the burner as a linear radiator.
  • the material introduced in batches from above is stored as a conical bed in the furnace; it must not lie over the burners, otherwise short circuits occur.
  • the heat transfer from the arc plasmas to the melting material takes place from above.
  • the melting capacity of such furnaces is low due to the poor heat transfer in this direction.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages and difficulties described and to create a plasma melting furnace in which small pieces of iron sponge, light scrap and similar metallic or non-metallic materials can be continuously introduced and at the same time the heat transfer to the melting material and thus the efficiency is improved.
  • the object is achieved in a plasma melting furnace of the type defined in the introduction that for the continuous melting of small pieces of material, such as light scrap and sponge iron, filler openings are provided in the cover, the vertical axes of which in one through the angular symmetry of the normal projection of the axes of two adjacent plasma torches plane and between two vertical planes, each of which is perpendicular to the normal projections of the individual torch axes, one of the two planes being placed on the melt by the impact of the direct plasma jets and the second plane being one third of the length of the projection of the direct plasma jets from the outlet of the burners to their point of contact runs parallel to it.
  • the essentially spherical sponge iron particles or the small-sized materials are passed through the metal bath the filling openings positioned according to the invention are fed so that their surfaces are exposed to the heat radiation of the direct arc plasma of two adjacent burners during the free fall. During the fall through these zones, in which the radiation fields of adjacent plasma burners overlap, the solid materials are preheated and already partially liquefied. With the high temperatures of the direct arc plasmas of around 20,000 K, the heat transfer to all free-falling particles is very intensive; This type of heat transfer is particularly effective when melting sponge iron, an iron carrier with high porosity.
  • the cover is expediently hemispherical, which causes good reflection and concentration of the heat radiation on the metal bath. Furthermore, the stone consumption for the lining is lower.
  • the cover is advantageously constructed in two parts, the upper part being detachably connected to the lower part and the plasma torches being guided through the lower part of the cover.
  • the filling openings are preferably provided in the upper part.
  • the upper part has an opening or a connector for the removal of furnace gases.
  • feed pipes that can be fed with small pieces of material are arranged above the filling openings by means of a vibration conveyor device, the axes of which are aligned with the vertical axes of the filling openings.
  • 1 shows a vertical section through a plasma melting furnace according to the invention.
  • 2 shows an enlarged schematic horizontal section through the plasma melting furnace in the region of the melt surface, with omission of various design details; the heat radiation fields from two adjacent direct arc plasmas from four plasma burners and the positions of four filling openings are shown.
  • the plasma melting furnace is generally designated 1 in FIG. 1. It has a furnace body 2 for receiving the melt 3.
  • An electrode 4 protrudes into the melt 3 through the bottom of the furnace body 2.
  • 5 is generally the cover of the furnace, which has an essentially hemispherical shape.
  • the cover 5 is made up of two parts, a lower part 6 detachably fastened to the furnace body 2 with four plasma torches 8 inclined at an acute angle to the bottom of the furnace body or to the bath surface 7, which are axially displaceably mounted on a support structure 9 , and an upper part 10 detachably connected to the lower part 6 of the hood 5, which can be lifted off by means of a lifting and swiveling device, not shown, as is customary in plasma and arc furnaces.
  • the plasma torches 8 are ignited and the material introduced is melted down. After a sufficiently large sump of liquid metal has been formed, the continuous supply of small pieces of iron sponge and / or light scrap is started.
  • the furnace gases, which arise during the melting process, are through an opening provided in the upper part 10 or through a connection piece 11 dissipated.
  • the connector 11 can be connected to a suction pipe.
  • the filling openings 12 are either lined heat-resistant, the lining on the outside of the furnace is advantageously expanded in a funnel shape, or they are penetrated by water-cooled jacket tubes of appropriate diameter, which tubes also expediently have a funnel-shaped expansion.
  • four filling openings 12 are provided in the upper part 10. They correspond to feed pipes 13, which in turn lie under openings of a vibrating conveyor trough 14, not shown. The material to be melted is conveyed through this channel, the direction of conveyance is indicated by the arrow 15.
  • the plasma melting furnace is tiltably supported on weighing beams 16 and associated raceways 17 in a known manner; it also has an opening (not shown) for pouring the melt and, if appropriate, slag.
  • the inner boundary of the cylindrical furnace body 2 of the plasma melting furnace 1 is designated by 18.
  • 19 denotes the direct arc plasmas (plasma jets) from the four plasma torches 8 arranged symmetrically with respect to the vertical axis of the plasma melting furnace.
  • a line 20 drawn in broken lines is drawn through the point of impact of one of the direct plasma jets onto the melt perpendicular to the projection of the plasma jet.
  • a length L is assigned to the projection of the plasma jet 19 from its exit from the burner 8 to its point of impact.
  • a second line 21 is drawn parallel to line 20 at a distance of L / 3. Lines 20 and 21 mark the traces of two vertical planes.
  • the point of impact mentioned can be easily determined optically.
  • the field lines 22 of the heat radiation are shown in broken lines, which illustrate the directions of propagation of the heat radiation.
  • the area chosen according to the invention for arranging the vertical axes of the filling openings lies in a plane running through the angular symmetry 24 of the normal projection of the axes of two respectively adjacent plasma torches 8 and between the two vertical planes through lines 20 and 21.
  • the material falling through the filling openings passes directly in zones of concentrated heat radiation, one of which is designated 23.
  • Favorable positions of filling openings leading through the cover 5 or the upper part 10 of a plasma melting furnace according to the invention are indicated by 12 '.
  • the direct arc plasmas are not disturbed by the materials supplied.
  • a plasma melting furnace according to the invention, continuous operation with all embodiments of burners is possible.
  • Alloy elements and / or slag formers such as lime and fluorspar can of course also be introduced continuously or discontinuously through the filler openings 12; the number of burners is variable and depends on the type of material to be melted and the capacity of the plasma melting furnace.

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Abstract

Ein solcher Plasmaschmelzofen weist einen Ofenkörper (2), eine Abdeckhaube (5) und wenigstens drei, die Ofenwand bzw. die Abdeckhaube (5) durchsetzende, zum Boden hin geneigt angeordnete Plasmabrenner (8) auf. Um kleinstückigen Eisenschwamm, welcher Wärme besonders schlecht leitet, Leichtschrott und ähnliche Materialien kontinuierlich und mit gutem Wirkungsgrad aufzuschmelzen, sind in der Abdeckhaube (5) Einfüllöffnungen (12) für solche Materialien vorgesehen, deren vertikale Achsen in einer durch die Winkelsymmetrale der Normalprojektion der Achsen zweier jeweils benachbarter Plasmabrenner (8) verlaufenden Ebene (24) sowie zwischen zwei vertikalen Ebenen (20, 21), welche jeweils senkrecht auf den Normalprojektionen der einzelnen Brennerachsen stehen und wobei eine der beiden Ebenen (20) durch die Auttreffstellen der direkten Plasmastrahlen (19) auf der Schmelze (3) gelegt ist und die zweite Ebene (21) im Abstand von einem Drittel der Länge der Projektion der direkten Plasmastrahlen (19) von deren Austritt aus den Brennern bis zu ihrer Auftreffstelle parallel dazu verläuft, liegen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Plasmaschmelzofen mit einem Ofenkörper, einer Abdeckhaube, einer oder mehreren den Boden des Ofenkörpers durchsetzenden Elektroden und wenigstens drei, die Ofenwand bzw. die Abdeckhaube durchsetzenden, zum Boden hin geneigt angeordneten Plasmabrennern.
  • Plasmaschmelzöfen dieser Art sind bekannt, beispielsweise aus der US-PS 3,422,206, in welcher ein Schmelzofen beschrieben ist, bei dem die Plasmabrenner in der im wesentlichen zylindrischen Ofenwand angeordnet sind. Das nach dem Anlegen der Spannung gebildete direkte Bogenplasma strahlt als Linearstrahler nicht in der Achsenrichtung des Brenners. Das von oben chargenweise eingebrachte Material lagert als kegelige Schüttung im Ofen; es darf nicht über den Brennern zu liegen kommen, da sonst Kurzschlüsse entstehen. Die Wärmeübertragung von den Bogenplasmen auf das Schmelzgut erfolgt von oben her. Die Einschmelzleistung solcher öfen ist aufgrund des schlechten Wärmeüberganges in dieser Richtung gering.
  • Weiters sind aus der DE-OS 29 12 843 Plasmabrenner mit ringförmiger Kathode zur Erzeugung eines rotierenden Lichtbogens bekannt, wobei beispielsweise schlackenbildende Mittel mit Hilfe eines Inertgases durch eine zentrale öffnung eines durch die Ofendecke geführten Brenners gefördert werden können. Dabei ergibt sich der Nachteil, daß durch Feststoffzusätze das Bogenplasma gestört wird.
  • Mit den bekannten Plasmaschmelzöfen ist es nicht möglich, kleinstückigen Eisenschwamm, Leichtschrott und ähnliche Materialien kontinuierlich und mit gutem Wirkungsgrad aufzuschmelzen, d.h. eine hohe Schmelzleistung bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch zu erzielen. Eisenschwamm ist im Vergleich zu kompaktem Eisen schlecht wärmeleitend und nahezu als Isolator zu betrachten; er schmilzt in einem Bad aus flüssigem Metall schwer auf, wird dabei manchmal auch mit Schlacke überzogen und überhitzt, södaß explosionsartige Siedeverzüge stattfinden können.
  • Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die geschilderten Nachteile und Schwierigkeiten zu überwinden und enen Plasmaschmelzofen zu schaffen, in welchen man kleinstückigen Eisenschwamm, Leichtschrott und ähnliche metallische oder nichtmetallische Materialien kontinuierlich einbringen kann und gleichzeitig die Wärmeübertragung auf das Schmelzgut und somit der Wirkungsgrad verbessert ist.
  • Die gestellte Aufgabe wird bei einem Plasmaschmelzofen der eingangs definierten Art dadurch gelöst, daß zum kontinuierlichen Aufschmelzen von kleinstückigem Material, wie Leichtschrott und Eisenschwamm, in der Abdeckhaube Einfüllöffnungen vorgesehen sind, deren vertikale Achsen in einer durch die Winkelsymmetrale der Normalprojektion der Achsen zweier jeweils benachbarter Plasmabrenner verlaufenden Ebene sowie zwischen zwei vertikalen Ebenen, welche jeweils senkrecht auf den Normalprojektionen der einzelnen Brennerachsen stehen und wobei eine der beiden Ebenen durch die Auftreffstellander direkten Plasmastrahlen auf der Schmelze gelegt ist und die zweite Ebene im Abstand von einem Drittel der Länge der Projektion der direkten Plasmastrahlen von deren Austritt aus den Brennern bis zu ihrer Auftreffstelle parallel dazu verläuft, liegen.
  • Die im wesentlichen kugelförmigen Eisenschwammteilchen bzw. die kleinstückigen Materialien werden dem Metallbad durch die erfindungsgemäß positionierten Einfüllöffnungen so zugeführt, daß ihre Oberflächen während des freien Falles der Wärmestrahlung des direkten Bogenplasmas zweier benachbarter Brenner ausgesetzt sind. Während der Fallzeit durch diese Zonen, in denen sich die Strahlungsfelder einander benachbarter Plasmabrenner überschneiden, erfolgt eine Vorwärmung der festen Materialien und bereits deren teilweise Verflüssigung. Bei den hohen Temperaturen der direkten Bogenplasmen von etwa 20.000 K ist die Wärmeübertragung auf alle frei fallenden Teilchen sehr intensiv; diese Art des Wärmeüberganges ist gerade beim Erschmelzen von Eisenschwamm, einem Eisenträger hoher Porosität, besonders effektiv.
  • Die Abdeckhaube ist zweckmäßig halbkugelförmig gestaltet, wodurch gute Reflexion und Konzentration der Wärmestrahlung auf das Metallbad bewirkt wird. Weiters ist der Steinverbrauch für die Auskleidung geringer.
  • Vorteilhaft ist die Abdeckhaube zweiteilig ausgebildet, wobei der Oberteil lösbar mit dem Unterteil verbunden ist und wobei die Plasmabrenner durch den Unterteil der Abdeckhaube geführt sind.
  • Die Einfüllöffnungen sind bei einer solchen Ausbildung des Plasnaschmelzofens vorzugsweise im Oberteil vorgesehen.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Oberteil eine Öffnung bzw. ein Anschlußstück für die Abfuhr von Ofengasen auf.
  • Weiters sind bei einem erfindungsgemäßen Plasmaschmelzofen besonders zweckmäßig über den Einfüllöffnungen mittels einer Vibrationsfördereinrichtung mit kleinstückigem Material beschickbare Zufuhrrohre angeordnet, deren Achsen mit den vertikalen Achsen der Einfüllöffnungen fluchten. Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung näher erläutert.
  • In Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Plasmaschmelzofen dargestellt. Fig. 2 stellt einen vergrößerten schematischen Horizontalschnitt durch den Plasmaschmelzofen im Bereich der Schmelzenoberfläche unter Weglassung verschiedener konstruktiver Details dar; die Wärmestrahlungsfelder von zwei benachbarten direkten Bogenplasmen aus vier Plasmabrennern und die Positionen von vier Einfüllöffnungen sind eingezeichnet.
  • Der Plasmaschmelzofen ist in Fig. 1 allgemein mit 1 bezeichnet. Er weist einen Ofenkörper 2 zur Aufnahme der Schmelze 3 auf. Durch den Boden des Ofenkörpers 2 ragt eine Elektrode 4 in die Schmelze 3. Mit 5 ist allgemein die Abdeckhaube des Ofens, welche im wesentlichen halbkugelförmige Gestalt aufweist, bezeichnet. Die Abdeckhaube 5 ist bei der dargestellten Ausführungsform aus zwei Teilen aufgebaut, einem lösbar auf dem Ofenkörper 2 befestigten Unterteil 6 mit vier in spitzem Winkel zum Boden des Ofenkörpers bzw. zur Badoberfläche 7 hin geneigten Plasmabrennern 8, welche auf einer Stützkonstruktion 9 axial verschiebbar gelagert sind, und einem lösbar mit dem Unterteil 6 der Haube 5 verbundenen Oberteil 10, welcher mittels einer nicht dargestellten Hub- und Schwenkvorrichtung, wie sie bei Plasma- und Lichtbogenöfen gebräuchlich ist, abhebbar ist.
  • Nach dem Chargieren werden die Plasmabrenner 8 gezündet und das eingebrachte Material eingeschmolzen. Nach Bildung eines ausreichend großen Sumpfes aus flüssigem Metall wird mit der kontinuierlichen Zufuhr von kleinstückigem Eisenschwamm und/oder Leichtschrott begonnen. Die Ofengase, welche beim Schmelzprozeß entstehen, werden durch eine im Oberteil 10 vorgesehene öffnung bzw. durch ein Anschlußstück 11 abgeführt. Das Anschlußstück 11 kann mit einem Absaugrohr verbunden sein.
  • Die Einfüllöffnungen 12 sind entweder hitzebeständig ausgekleidet, wobei die Auskleidung an der Außenseite des Ofens vorteilhaft trichterförmig erweitert ist, oder sie werden von wassergekühlten Mantelrohren entsprechenden Durchmessers, welche Rohre zweckmäßig gleichfalls eine trichterförmige Erweiterung aufweisen, durchsetzt. In der dargestellten Ausführungsform sind vier Einfüllöffnungen 12 im Oberteil 10 vorgesehen. Sie korrespondieren mit Zufuhrrohren 13, welche ihrerseits unter nicht dargestellten Öffnungen einer Vibrationsförderrinne 14 liegen. Durch diese Rinne wird das aufzuschmelzende Material gefördert, die Förderrichtung ist durch den Pfeil 15 angedeutet. Der Plasmaschmelzofen ist in bekannter Weise kippbar auf Wiegebalken 16 und zugehörigen Laufbahnen 17 gelagert; er weist ferner eine nicht dargestellte öffnung für den Abguß von Schmelze und gegebenenfalls Schlacke auf.
  • In Fig. 2 ist die Innenbegrenzung des zylindrischen Ofenkörpers 2 des Plasmaschmelzofens 1 mit 18 bezeichnet. Mit 19 sind die direkten Bogenplasmen (Plasmastrahlen) aus den vier symmetrisch in bezug auf die senkrechte Achse des Plasmaschmelzofens angeordneten Plasmabrennern 8 bezeichnet. Durch die Auftreffstelle eines der direkten Plasmastrahlen auf die Schmelze ist senkrecht zur Projektion des Plasmastrahles eine strichpunktiert gezeichnete Linie 20 gezogen. Der Projektion des Plasmastrahles 19 von dessen Austritt aus dem Brenner 8 bis zu seiner Auftreffstelle ist eine Länge L zugeordnet. Eine zweite Linie 21 ist parallel zur Linie 20 im Abstand von L/3 eingezeichnet. Die Linien 20 und 21 markieren die Spuren zweier vertikaler Ebenen.
  • Die erwähnte Auftreffstelle kann optisch leicht festgestellt werden. Für zwei der insgesamt vier direkten Bogenplasmen 19 sind strichliert die Feldlinien 22 der Wärmestrahlung eingetragen, welche die Ausbreitungsrichtungen der Wärmestrahlung veranschaulichen. Wie ersichtlich, existiert eine Zone 23, in welcher sich die Strahlungsfelder der Plasmastrahlen aus zwei benachbarten Brennern 8 überschneiden. Diese Zone ist durch Schraffur hervorgehoben. Der erfindungsgemäß gewählte Bereich zur Anordnung der vertikalen Achsen der Einfüllöffnungen liegt in einer durch die Winkelsymmetrale 24 der Normalprojektion der Achsen zweier jeweils benachbarter Plasmabrenner 8 verlaufenden Ebene und zwischen den beiden vertikalen Ebenen durch die Linien 20 und 21. Das durch die Einfüllöffnungen fallende Material gelangt direkt in Zonen konzentrierter Wärmestrahlung, deren eine mit 23 bezeichnet ist. Günstige Positionen von durch die Abdeckhaube 5 bzw. den Oberteil 10 eines erfindungsgemäßen Plasmaschmelzofens führenden Einfüllöffnungen sind mit 12' angedeutet.
  • Die direkten Bogenplasmen werden durch die zugeführten Materialien nicht gestört. Mit einem erfindungsgemäßen Plasmaschmelzofen ist ein kontinuierlicher Betrieb mit allen Ausführungsformen von Brennern möglich. Durch die Einfüllöffnungen 12 können selbstverständlich auch Legierungselemente und/oder Schlackenbildner, wie Kalk und Flußspat, kontinuierlich oder diskontiniuierlich eingebracht werden; die Anzahl der Brenner ist variabel und hängt von der Art des zu schmelzenden Materials und dem Fassungsvermögen des Plasmaschmelzofens ab.

Claims (6)

1. Plasmaschmelzofen mit einem Ofenkörper (2), einer Abdeckhaube (5), einer oder mehreren den Boden des Ofenkörpers (2) durchsetzenden Elektroden (4) und wenigstens drei, die Ofenwand bzw. die Abdeckhaube (5) durchsetzenden, zum Boden hin geneigt angeordneten Plasmabrennern (8), dadurch gekennzeichnet, daß zum kontinuierlichen Aufschmelzen von kleinstückigem Material, wie Leichtschrott und Eisenschwamm, in der Abdeckhaube (5) Einfüllöffnungen (12) vorgesehen sind, deren vertikale Achsen in einer durch die Winkelsymmetrale der Normalprojektion der Achsen zweier jeweils benachbarter Plasmabrenner (8) verlaufenden Ebene (24) sowie zwischen zwei vertikalen Ebenen (20, 21), welche jeweils senkrecht auf den Normalprojektionen der einzelnen Brennerachsen stehen und wobei eine der beiden Ebenen (20) durch die Auftreffstellender direkten Plasmastrahlen (19) auf der Schmelze (3) gelegt ist und die zweite Ebene (21) im Abstand von einem Drittel der Länge der Projektion der direkten Plasmastrahlen (19) von deren Austritt aus den Brennern bis zu ihrer Auftreffstelle parallel dazu verläuft, liegen.
2. Plasmaschmelzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckhaube (5) im wesentlichen halbkugelförmig gestaltet ist.
3. Plasmaschmelzofen nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckhaube (5) zweiteilig ausgebildet ist, wobei der Oberteil (10) lösbar mit dem Unterteil (6) verbunden ist.
4. Plasmaschmelzofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfüllöffnungen (12) im Oberteil (10) vorgesehen sind.
5. Plasmaschmelzofen nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberteil (10) eine öffnung bzw. ein Anschlußstück (11) für die Abfuhr von Ofengasen aufweist.
6. Plasmaschmelzofen nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß über den Einfüllöffnungen (12) mittels einer Vibrationsfördereinrichtung (14) mit kleinstückigem Material beschickbare Zufuhrrohre (13) angeordnet sind, deren Achsen mit den vertikalen Achsen der Einfüllöffnungen (12) fluchten.
EP82890100A 1981-07-15 1982-07-08 Plasmaschmelzofen Expired EP0070273B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT3116/81 1981-07-15
AT0311681A AT371589B (de) 1981-07-15 1981-07-15 Plasmaschmelzofen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0070273A1 true EP0070273A1 (de) 1983-01-19
EP0070273B1 EP0070273B1 (de) 1985-10-09

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EP82890100A Expired EP0070273B1 (de) 1981-07-15 1982-07-08 Plasmaschmelzofen

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EP (1) EP0070273B1 (de)
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