RU2821959C1

RU2821959C1 - Metal melting plant

Info

Publication number: RU2821959C1
Application number: RU2022122597A
Authority: RU
Inventors: Готтард ВОЛЬФ; Андреас КЕСЛЕР
Original assignee: Термал Просессинг Солюшенз ГмбХ
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2021-02-24
Publication date: 2024-06-28

Abstract

FIELD: furnaces; metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to an apparatus for melting metals, the melting point of which is less than 1000 °C. Device (2) for formation of plasma (8) is located on melting furnace (1). Device (2) is connected to an electrical power supply, and to device (2) is connected to at least one first plasma gas source, by means of which plasma (8) can be formed, wherein device (2) has such a design, dimensions, arrangement and/or orientation, that formed plasma (8) is located at a distance from the metal acting as melted material (9), and in this case, using plasma (8), a stream of hot gas can be formed, which is levelled in the direction of molten material (9), wherein the molten metal is heated exclusively by the heat energy of the hot gas stream and thermal radiation emitted by plasma (8), so that formed plasma (8) never comes into direct contact with the non-molten material, wherein in melting furnace (1) there is a melting tank or crucible (5) for receiving molten metal.

EFFECT: prevention of emission of CO₂during melting of metals, as well as prevention of contamination of the obtained melt with oxide inclusions.

16 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к установке для плавления металлов, в частности цветных металлов. В данном контексте термин «металлы» также следует понимать как охватьшающий соответствующие сплавы, температура плавления которых также по возможности составляет менее 1000°С. Изобретение особенно подходит для плавления алюминия и его сплавов.The invention relates to an installation for melting metals, in particular non-ferrous metals. In this context, the term "metals" should also be understood to cover corresponding alloys, the melting point of which is also, if possible, less than 1000°C. The invention is particularly suitable for melting aluminum and its alloys.

До настоящего времени обычной практикой было плавление данных металлов в плавильных печах различной конфигурации с использованием масляных или газовых горелок, с помощью горячего пламени которых соответствующий металл может быть переведен в жидкую фазу. Во время сгорания соответствующего углеводородного соединения СО₂, образующийся в результате химического окисления, выбрасывается в окружающую среду в относительно больших количествах, что крайне вредно с точки зрения изменения климата.Until now, the usual practice has been to melt these metals in melting furnaces of various configurations using oil or gas burners, with the help of a hot flame of which the metal in question can be transferred into the liquid phase. During the combustion of the corresponding hydrocarbon compound, CO ₂ formed as a result of chemical oxidation is released into the environment in relatively large quantities, which is extremely harmful from the point of view of climate change.

Кроме того, известно осуществление индуктивного нагрева металла в качестве плавящегося материала. Тем не менее, в результате возникающих переменных электрических полей происходит сильное перемешивание образованного расплава. Это приводит к высокой степени оксидных включений в металле, поэтому качество компонентов, изготовленных из полученного таким образом расплава, сильно ухудшается. Плавильные печи с индукционным нагревом также в целом плохо подходят для плавления грубого циркулирующего материала или чугунного лома из-за неблагоприятных условий сцепления.In addition, it is known to carry out inductive heating of metal as a melting material. However, as a result of the emerging alternating electric fields, strong mixing of the formed melt occurs. This leads to a high degree of oxide inclusions in the metal, so the quality of components made from the melt thus obtained is greatly deteriorated. Induction heated melting furnaces are also generally poorly suited for melting coarse circulating material or scrap iron due to unfavorable bonding conditions.

Также известны печи с электрическим резистивным нагревом. Как правило, они имеют низкую мощность и, следовательно, подходят только для поддержания в нагретом состоянии уже жидкого металла.Furnaces with electric resistance heating are also known. As a rule, they have a low power and are therefore only suitable for maintaining a heated state of already liquid metal.

Также были предприняты попытки использования плазмы для плавления металла. В этих случаях для образования плазмы была использована электрическая дуга. Для этого электрод приводился в контакт с еще не расплавленным плавящимся материалом. Тем не менее, это приводит к загрязнению соответствующего расплавляемого металла, которое не может быть предотвращено и на которое нельзя повлиять конкретным образом. Потеря контакта приводит к немедленному исчезновению дуги во время осаждения и, таким образом, должно быть предотвращено путем очень тщательного управления процессом.Attempts have also been made to use plasma to melt metal. In these cases, an electric arc was used to create the plasma. To do this, the electrode was brought into contact with an unmelted consumable material. However, this leads to contamination of the corresponding molten metal, which cannot be prevented and which cannot be specifically affected. Loss of contact results in the immediate disappearance of the arc during deposition and thus must be prevented by very careful process control.

Соответственно, целью изобретения является создание возможностей для плавления металла, при которых сложность системы может быть сохранена в пределах нормы, а выброс СО₂ на площадке, а также загрязнение получаемого расплава могут быть предотвращены в максимально возможной степени.Accordingly, it is an object of the invention to provide metal melting capabilities in which the complexity of the system can be kept within normal limits and the release of CO ₂ on site, as well as contamination of the resulting melt, can be prevented to the greatest extent possible.

Согласно изобретению, данная цель достигается с помощью установки, имеющей признаки, изложенные в пункте 1 формулы изобретения. Преимущественные варианты выполнения и дополнительные модификации изобретения могут быть выполнены с помощью признаков, изложенных в зависимых пунктах формулы изобретения.According to the invention, this goal is achieved using an installation having the features set out in paragraph 1 of the claims. Advantageous embodiments and additional modifications of the invention can be made using the features set forth in the dependent claims.

В установке согласно изобретению для плавления металлов, в частности цветных металлов, температура плавления которых предпочтительно составляет менее 1000°С, на плавильной печи расположено устройство для образования плазмы в виде факела свободного газа и передачи тепла путем излучения к расплавляемому материалу. Это может быть известная и неизменная по конфигурации плавильная печь. Предпочтительным является использование шахтных плавильных печей, подовых печей, но также подходят и тигельные печи.In an installation according to the invention for melting metals, in particular non-ferrous metals, the melting point of which is preferably less than 1000°C, a device is located on the melting furnace for generating plasma in the form of a torch of free gas and transferring heat by radiation to the material being melted. This may be a known and unchanged smelting furnace. Shaft melting furnaces and hearth furnaces are preferred, but crucible furnaces are also suitable.

Устройство присоединено к источнику электрического питания и, кроме того, к нему присоединен по меньшей мере первый источник плазменного газа, с помощью которого может быть сформирована плазма.The device is connected to an electrical power source and, in addition, connected to it is at least a first source of plasma gas with which plasma can be generated.

Устройство имеет такую конструкцию, размеры, расположение и/или ориентацию, что сформированная плазма находится на расстоянии от металлического расплавляемого материала, и в этом случае с помощью плазмы может быть сформирован поток горячего газа, который выровнен в направлении расплавляемого материала. Таким образом, образующаяся плазма никогда не вступает в прямой контакт с нерасплавленным расплавляемым материалом или расплавом. Это также может исключить использование электрода, контактирующего с расплавленным материалом или расплавом, поскольку в таком электроде нет необходимости.The device is designed, sized, positioned and/or oriented such that the generated plasma is located at a distance from the metallic material being melted, in which case the plasma can be used to generate a stream of hot gas that is aligned in the direction of the material being melted. Thus, the resulting plasma never comes into direct contact with the unmelted molten material or melt. This may also eliminate the use of an electrode in contact with the molten material or melt, since such an electrode is not necessary.

Сформированная плазма должна действовать исключительно в качестве источника тепла. В результате нагрев расплавленного металла может быть осуществлен исключительно с помощью тепловой энергии потока горячего газа и теплового излучения, излучаемого плазмой.The formed plasma must act solely as a heat source. As a result, heating of the molten metal can be carried out solely using the thermal energy of the hot gas flow and thermal radiation emitted by the plasma.

Для этого сгенерированная плазма должна быть выполнена и расположена в установке так, что по меньшей мере почти никакие свободные электрически заряженные частицы (в частности ионы, электроны) не могли вступить в прямой контакт с расплавляемым металлом. Для этого объемный расход и скорость потока по меньшей мере одного дополнительного подаваемого газа, с помощью которого по существу сформирован поток горячего газа, также может быть соответствующим образом задан или отрегулирован.To do this, the generated plasma must be designed and located in the installation in such a way that at least almost no free electrically charged particles (in particular ions, electrons) could come into direct contact with the molten metal. For this purpose, the volumetric flow rate and flow rate of at least one additional supply gas, with which the hot gas flow is essentially generated, can also be suitably set or adjusted.

Плазма также может быть смешана с другим газом (вторичным газом) так, что с ее помощью образован стабильный плазменный факел или газовый факел, который также обеспечивает излучение лучистой энергии в направлении расплавляемого материала. Расплавляемый материал может использоваться с горячим газом плазменного или газового факела и дополнительно с лучистой энергией для теплопередачи и плавления расплавляемого материала в топочной камере плавильной печи.Plasma can also be mixed with another gas (secondary gas) so that it forms a stable plasma plume or gas plume, which also provides radiation of radiant energy towards the material being melted. The melted material can be used with hot gas from a plasma or gas torch and additionally with radiant energy to transfer heat and melt the melted material in the combustion chamber of the melting furnace.

В плавильной печи расположен плавильный бак или тигель для приема расплавленного металла.A melting furnace contains a melting tank or crucible to receive molten metal.

В качестве альтернативного варианта согласно изобретению, устройство может быть выполнено с генератором микроволн и присоединенным к нему резонатором с по меньшей мере одной отражающей пластиной для генерируемых микроволн, который выполнен в виде волновода. Кроме того, устройство должно содержать электрическое запальное средство с запальным электродом, электрически изолированным от корпуса. Запальное средство используется исключительно для запала плазмы и может быть активировано при образовании плазмы в достаточно большом количестве после того, как свободные носители заряда используемого плазменного газа были сформированы с помощью сгенерированных микроволн.As an alternative according to the invention, the device can be made with a microwave generator and connected to it a resonator with at least one reflective plate for the generated microwaves, which is designed in the form of a waveguide. In addition, the device must contain an electric ignition means with an ignition electrode electrically insulated from the housing. The igniter is used solely for igniting the plasma and can be activated when plasma is formed in sufficiently large quantities after the free charge carriers of the plasma gas used have been formed by the generated microwaves.

Плазма должна быть сформирована в области стоячих микроволн внутри резонатора перед указанной по меньшей мере одной отражающей пластиной с протекающим по нему плазменным газом. Поступательное перемещение сформированной плазмы может быть в значительной степени предотвращено, так что плазма может образовывать стационарный источник тепла для формирования потока горячего газа.The plasma must be formed in the region of standing microwaves inside the resonator in front of the at least one reflective plate with plasma gas flowing through it. The forward movement of the formed plasma can be largely prevented, so that the plasma can form a stationary heat source for generating a hot gas flow.

В данном альтернативном варианте плазма должна быть сформирована в корпусе устройства с обеспечением направления потока горячего газа к расплавляемому материалу внутри плавильной печи при помощи по меньшей мере одного направляющего поток элемента. В качестве направляющих поток элементов, через которые горячий газ может проходить в направлении расплавляемого материала, могут использоваться трубчатые или желобчатые элементы. Направляющие поток элементы могут быть выполнены из стекла, стеклокерамики или чистого керамического материала. Также возможно наличие по меньшей мере двух направляющих поток элементов. В этом случае направляющий поток элемент может быть расположен по меньшей мере в области внутри направляющего поток элемента с большим внутренним диаметром или большей площадью свободного поперечного сечения и может обеспечивать в этой области защиту от тепла. Направляющие поток элементы не должны находиться в непосредственном контакте.In this alternative embodiment, the plasma must be formed in the body of the device to direct the flow of hot gas to the molten material inside the melting furnace using at least one flow directing element. Tubular or grooved elements can be used as flow guides through which the hot gas can pass towards the material to be melted. The flow directing elements can be made of glass, glass-ceramic or pure ceramic material. It is also possible to have at least two flow-directing elements. In this case, the flow directing element can be located at least in a region within the flow directing element with a larger internal diameter or a larger free cross-sectional area and can provide heat protection in this region. The flow directing elements must not be in direct contact.

В другом альтернативном варианте устройство может быть образовано двумя электродами, которые расположены на расстоянии друг от друга и между которыми в направлении расплавляемого материала проходит плазменный газ и возникает дуговой электрический разряд. Устройство может быть выполнено аналогично по существу известной плазменной горелке, такой как используемая для резки и сварки материалов. В этом случае электрод, как правило, выполнен из вольфрама, гафния или их сплава. Противоэлектрод может образовывать корпус, через который проходит плазменный газ. Для возможности применения при плавлении металла необходимо изменить только размеры и рабочие параметры. Но даже в этом случае образующаяся плазма не должна вступать в прямой контакт с расплавляемым материалом и должна служить только в качестве источника тепла для нагрева газа, который может использоваться в качестве потока горячего газа или факела свободного газа для плавления.In another alternative embodiment, the device can be formed by two electrodes, which are located at a distance from each other and between which plasma gas passes in the direction of the melted material and an electrical arc is generated. The device may be configured in a manner similar to a substantially known plasma torch, such as those used for cutting and welding materials. In this case, the electrode is usually made of tungsten, hafnium or their alloy. The counter electrode may form a housing through which the plasma gas passes. To be able to use it in metal melting, only the dimensions and operating parameters need to be changed. Even so, the resulting plasma should not come into direct contact with the material being melted and should only serve as a heat source to heat the gas, which can be used as a hot gas stream or a free gas plume for melting.

К корпусу может быть присоединен по меньшей мере один дополнительный источник плазменного или другого газа (вторичного газа). Данная дополнительная линия подачи может быть расположена на расстоянии от первой линии подачи. Предпочтительно дополнительная линия подачи может быть расположена в области сформированной плазмы или за ней в направлении потока.At least one additional source of plasma or other gas (secondary gas) may be connected to the housing. This additional supply line may be located at a distance from the first supply line. Preferably, the additional supply line may be located in the region of the formed plasma or behind it in the direction of flow.

Предпочтительно имеется возможность регулирования электрической мощности генератора микроволн в устройстве или электродугового разряда, объемного потока плазменного газа и/или объемного потока дополнительного газа. Например, регулируемый параметр может представлять собой измеренную температуру. Это может быть температура потока горячего газа, плазмы, расплавляемого материала или расплава. Определение температуры предпочтительно должно осуществляться бесконтактным образом, например, с помощью термографии или пирометра. Однако также возможно регулирование температуры. В зависимости от управления процессом это может быть сделано, например, для расплавления или поддержания расплава в нагретом состоянии.Preferably, it is possible to control the electrical power of the microwave generator in the device or the electric arc discharge, the volumetric flow of plasma gas and/or the volumetric flow of additional gas. For example, the controlled parameter may be a measured temperature. This can be the temperature of a stream of hot gas, plasma, molten material or melt. Temperature determination should preferably be carried out in a non-contact manner, for example using thermography or a pyrometer. However, temperature control is also possible. Depending on the process control, this can be done, for example, to melt or maintain the melt in a heated state.

Также возможно управление генератором микроволн с обеспечением регулирования длины газового факела, образованного плазмой, или длины образованного плазменного факела в направлении расплавляемого материала, что, в частности, дает возможность влиять на долю полезной энергии излучения.It is also possible to control the microwave generator to provide regulation of the length of the gas torch formed by the plasma, or the length of the formed plasma torch in the direction of the melted material, which, in particular, makes it possible to influence the share of useful radiation energy.

Предпочтительно обеспечена возможность прохождения плазменного газа в корпус тангенциально с завихрениями, прежде чем он попадет под воздействие микроволн. В результате может быть обеспечено увеличение времени контакта и более эффективное переведение свободных носителей заряда (ионов, электронов) на более высокий энергетический уровень, что повышает эффективность.Preferably, the plasma gas is allowed to pass into the housing tangentially with turbulence before it is exposed to the microwaves. The result can be increased contact time and more efficient transfer of free charge carriers (ions, electrons) to a higher energy level, which increases efficiency.

Тем не менее, другой газ также может тангенциально поступать в корпус самостоятельно или дополнительно. Возможно введение плазменного газа в корпус параллельно продольной оси корпуса устройства или направлению потока горячего газа. Соответственно, он может поступать в корпус устройства через впускное отверстие, которое может быть расположено непосредственно рядом с запальным средством.However, other gas may also enter tangentially into the housing independently or additionally. It is possible to introduce plasma gas into the housing parallel to the longitudinal axis of the device body or the direction of hot gas flow. Accordingly, it may enter the body of the device through an inlet, which may be located directly adjacent to the ignition means.

По окружности корпуса могут быть расположены впускные отверстия для плазменного газа, через которые плазменный газ может поступать из линии подачи в корпус.Plasma gas inlets may be located around the circumference of the housing through which plasma gas can flow from a supply line into the housing.

Предпочтительно в качестве плазменного и/или дополнительного газа может использоваться аргон, так как он абсолютно инертен по отношению к расплавляемому материалу и расплаву. Следует избегать использования азота в качестве плазмы или другого газа, особенно при плавлении алюминия или его сплавов. Кислород или воздух способствуют окислению и поэтому вредны в этом отношении.Preferably, argon can be used as plasma and/or additional gas, since it is absolutely inert with respect to the material being melted and the melt. The use of nitrogen as a plasma or other gas should be avoided, especially when melting aluminum or its alloys. Oxygen or air promotes oxidation and is therefore harmful in this regard.

Тем не менее, возможно также использование газовой смеси в качестве плазменного газа или другого газа. При данном процессе соответствующие пропорции газа в газовой смеси могут быть изменены в соответствии с конкретным расплавляемым металлом. Например, аргон может быть смешан с воздухом, но при этом содержание воздуха должно быть меньше содержания аргона.However, it is also possible to use the gas mixture as plasma gas or other gas. In this process, the appropriate proportions of gas in the gas mixture can be changed according to the specific metal being melted. For example, argon can be mixed with air, but the air content must be less than the argon content.

Также может быть предусмотрена система рециркуляции горячего газа, отводимого из плавильной печи, с помощью которой возможно обеспечение повторного использования данного газа в качестве плазменного газа и/или дополнительного газа в цикле или другое использование остаточного тепла. Работа по замкнутому циклу обеспечивает возможность уменьшения требуемого количества добавляемого плазменного или другого газа, что снижает затраты, особенно в случае аргона.A recirculation system for the hot gas removed from the melting furnace may also be provided, allowing for reuse of the gas as plasma gas and/or additional gas in the cycle or other use of residual heat. Closed-loop operation provides the ability to reduce the required amount of plasma or other gas added, which reduces costs, especially in the case of argon.

Однако остаточное тепло извлеченного горячего газа также может, в частности, использоваться, например, для поддержания расплава в нагретом состоянии или для предварительного нагрева дополнительного газа.However, the residual heat of the recovered hot gas can also in particular be used, for example, to maintain the melt in a heated state or to preheat additional gas.

В изобретении могут использоваться микроволны с частотой в диапазоне от 500 МГц до 5000 МГц при электрической мощности в диапазоне от 5 кВт до 3000 кВт.The invention can use microwaves with a frequency in the range from 500 MHz to 5000 MHz with electrical power in the range from 5 kW to 3000 kW.

Общий объемный поток плазменного газа и/или другого газа должен быть выбран по меньшей мере достаточно большим, чтобы поток горячего газа, поступающий в плавильную печь, достигал нерасплавленного расплавляемого материала или по меньшей мере приближался к нему для обеспечения расплава расплавляемого материала в результате теплового излучения.The total volumetric flow of plasma gas and/or other gas must be selected to be at least large enough so that the hot gas flow entering the melting furnace reaches or at least approaches the unmelted molten material to cause the molten material to melt by thermal radiation.

Также предпочтительным является расположение запального электрода запального средства для плазмы, сгенерированной с помощью микроволн, в ловушке излучения. Для этого указанный запальный электрод может быть расположен в трубчатом или желобчатом элементе, внутренний диаметр или внутренняя площадь свободного поперечного сечения которого меньше, чем у корпуса устройства, в котором образуется плазма. Особенно предпочтительным является конфигурация, при которой кончик данного электрода утоплен в указанном трубчатом или желобчатом элементе, т.е. расположен в ловушке излучения. Благодаря такой конфигурации возможно увеличение срока службы данного запального электрода и полное исключение загрязнения расплава материалом электрода.It is also preferred to locate the ignition electrode of the microwave-generated plasma in a radiation trap. For this purpose, said ignition electrode can be located in a tubular or grooved element, the internal diameter or internal free cross-sectional area of which is smaller than that of the body of the device in which the plasma is generated. Particularly preferred is a configuration in which the tip of the electrode is recessed into said tubular or grooved member, i.e. located in a radiation trap. Thanks to this configuration, it is possible to increase the service life of this ignition electrode and completely eliminate contamination of the melt by the electrode material.

Установка для образования плазмы предпочтительно может быть прикреплено к корпусу печи шарнирным образом так, что возможно целенаправленное и переменное направление газового факела, плазменного факела или потока горячего газа в топочной камере. Это обеспечивает возможность изменения направления газового или плазменного факела и осуществления локально направленного нагрева соответствующего расплавляемого материала в камере печи. Например, внешние края или центр расплавляемого материала в камере печи могут быть нагреты в большей или меньшей степени в зависимости от текущих требований.The plasma generation device can preferably be attached to the furnace body in a hinged manner so that a targeted and variable direction of the gas jet, plasma jet or hot gas flow in the combustion chamber is possible. This makes it possible to change the direction of the gas or plasma torch and carry out locally directed heating of the corresponding melted material in the furnace chamber. For example, the outer edges or center of the melted material in the furnace chamber may be heated to a greater or lesser extent depending on current requirements.

Согласно изобретению, корпус может охлаждаться по меньшей мере в некоторых областях. Также может быть предпочтительным закаливание направляющего поток элемента (направляющих поток элементов), в частности, для преимущественного уменьшения влияния сильных изменений температуры в этой области, особенно предпочтительно с предотвращением больших перепадов температуры, возникающих в течение короткого времени.According to the invention, the housing can be cooled in at least some areas. It may also be advantageous to harden the flow guide element(s), in particular to advantageously reduce the effect of large temperature changes in this area, particularly preferably preventing large temperature changes occurring within a short time.

Как объяснено выше, изобретение может обеспечить значительное снижение количества выделяемого СО₂. Существующие плавильные печи могут быть переоборудованы или модернизированы с весьма малыми затратами. Качество расплавленного металла как минимум не уступает тому, которое может быть получено при использовании обычных газовых или масляных горелок. Загрязнение и окисление расплавленного металла может быть предотвращено если не полностью, то по меньшей мере в максимально возможной степени.As explained above, the invention can provide a significant reduction in the amount of CO ₂ emitted. Existing smelting furnaces can be converted or modernized at very little cost. The quality of the molten metal is at least as good as that which can be obtained using conventional gas or oil burners. Contamination and oxidation of the molten metal can be prevented, if not completely, then at least to the maximum extent possible.

Ниже в качестве примера приведено более подробное описание изобретения. Признаки могут комбинироваться друг с другом независимо от конкретного примера или соответствующего изображения на чертеже. Отдельные признаки не ограничены конкретным примером или изображением.Below, by way of example, a more detailed description of the invention is given. The features can be combined with each other regardless of the specific example or the corresponding image in the drawing. The individual features are not limited to a specific example or image.

На чертежах:On the drawings:

фиг. 1 изображает схематический вид примера установки согласно изобретению, иfig. 1 is a schematic view of an example of an installation according to the invention, and

фиг. 2 изображает вид в разрезе части примера устройства для образования плазмы с помощью микроволн.fig. 2 is a sectional view of a portion of an example apparatus for generating plasma using microwaves.

На фиг. 1 схематически изображен пример установки согласно изобретению с плавильной печью 1. С одной стороны плавильной печи 1 находится дверь (не показана), через которую в печь 1 может быть загружен нерасплавленный расплавляемый материал 9. Нерасплавленный материал 9 может быть помещен на плавильную платформу 4, которая наклонена под углом - в показанном примере под углом 10°, - так что расплавленный металл может стекать с плавильной платформы 4 в тигель 5 или плавильный резервуар, который не показан.In fig. 1 schematically shows an example of an installation according to the invention with a melting furnace 1. On one side of the melting furnace 1 there is a door (not shown) through which unmelted molten material 9 can be charged into the furnace 1. Unmelted material 9 can be placed on a melting platform 4, which inclined at an angle - in the example shown at an angle of 10° - so that molten metal can flow from the melting platform 4 into a crucible 5 or melting tank, which is not shown.

Устройство 2 для формирования плазмы прикреплено фланцем к корпусу 6 плавильной печи 1, при этом через стенку корпуса плавильной печи 1 во внутреннюю часть печи 1 проходит по меньшей мере один направляющий поток элемент (здесь не показан) для потока горячего газа так, что по меньшей мере один поток горячего газа может быть направлен на нерасплавленный расплавляемый материал 9. Корпус установлен шарнирным образом, что обеспечивает возможность отслеживания газа, плазменного факела или потока горячего газа, образованного плазмой 8, во время плавления.The plasma forming device 2 is flanged to the body 6 of the melting furnace 1, wherein at least one flow guide element (not shown here) for hot gas flow passes through the wall of the body of the melting furnace 1 into the interior of the furnace 1, so that at least one stream of hot gas can be directed to the unmelted molten material 9. The housing is mounted in a hinged manner, which makes it possible to track the gas, plasma torch or stream of hot gas formed by the plasma 8 during melting.

С помощью смотрового окна, выполненного в стенке 6 корпуса плавильной печи 1, возможно наблюдение за процессом плавления снаружи или определение оттуда температуры внутри плавильной печи 1.Using an observation window made in the wall 6 of the body of the melting furnace 1, it is possible to observe the melting process from the outside or determine the temperature inside the melting furnace 1 from there.

На фиг. 1 на плавильной печи 1 также имеется выпускное отверстие 7 для горячего отработанного газа, через которое горячий отработанный газ может быть выведен из печи 1. Горячий отработанный газ может быть подвергнут рециркуляции и повторному использованию, например, в качестве плазменного газа или другого газа.In fig. 1, the melting furnace 1 also has a hot exhaust gas outlet 7 through which the hot exhaust gas can be discharged from the furnace 1. The hot exhaust gas can be recycled and reused, for example, as a plasma gas or other gas.

Извлеченный горячий отработанный газ также может использоваться для поддержания расплавленного металла в нагретом состоянии или для других задач, предполагающих использование тепловой энергии.The recovered hot waste gas can also be used to keep molten metal hot or for other applications that require the use of thermal energy.

Горячий отработанный газ также может быть направлен через теплообменник.Hot exhaust gas can also be directed through a heat exchanger.

На фиг. 2 показаны основные элементы устройства 2 для формирования плазмы. Генератор микроволн, который может быть коммерчески доступным продуктом, не показан. Он прикреплен с помощью фланца к резонатору 10.In fig. 2 shows the main elements of the device 2 for plasma formation. A microwave generator, which may be a commercially available product, is not shown. It is attached using a flange to the resonator 10.

Микроволны 11, создаваемые генератором микроволн, могут быть получены в виде стоячих волн в резонаторе 10. Для этого во фланце корпуса 13 устройства 2 напротив второго фланца 21 также расположена отражающая пластина 10.1. Генератор микроволн соединен со вторым фланцем 21.Microwaves 11 generated by the microwave generator can be obtained in the form of standing waves in the resonator 10. For this purpose, a reflective plate 10.1 is also located in the flange of the housing 13 of the device 2 opposite the second flange 21. The microwave generator is connected to the second flange 21.

Отражающая пластина 10.1 может быть выполнена из стекла. Вблизи отражающей пластины 10.1 для микроволн в корпусе 13 устройства 2 выполнена линия 17 подачи для охлаждающего газа. В дополнение к обеспечиваемому им охлаждающему эффекту, охлаждающий газ также может проходить вдоль поверхности отражающей пластины 10.1 в корпусе 13 и очищать ее или поддерживать свободной от частиц.The reflecting plate 10.1 can be made of glass. Near the microwave reflecting plate 10.1 in the housing 13 of the device 2 there is a supply line 17 for cooling gas. In addition to the cooling effect it provides, the cooling gas can also flow along the surface of the reflective plate 10.1 in the housing 13 and clean it or keep it free of particles.

На фиг. 2 слева от корпуса 13 устройство 2 можно видеть запальное средство со стержнеобразным запальным электродом 12. Запальный электрод присоединен к одному полюсу источника электрического питания (не показан). При приложении к данному запальному электроду 12 на короткое время электрического питания может быть получено дополнительное увеличение энергии подаваемого плазменного газа, что приводит к зажиганию плазмы 8 в области резонатора 10 и образующихся там стоячих микроволн 11. После зажигания плазмы 8 запальное средство может быть выключено.In fig. 2, to the left of the housing 13 of the device 2, an ignition means with a rod-shaped ignition electrode 12 can be seen. The ignition electrode is connected to one pole of an electrical power source (not shown). By applying electrical power to this ignition electrode 12 for a short time, an additional increase in the energy of the supplied plasma gas can be obtained, which leads to the ignition of the plasma 8 in the region of the resonator 10 and the standing microwaves 11 generated there. After the ignition of the plasma 8, the ignition means can be turned off.

В области запального средства корпус 13 может быть выполнен с запальным электродом 12 в качестве ловушки излучения, как объяснено в общей части описания.In the region of the ignition means, the housing 13 may be configured with an ignition electrode 12 as a radiation trap, as explained in the general description.

Плазменный газ может поступать только через ловушку излучения или только через впускные отверстия 18, распределенные по окружности корпуса 13. Однако также возможна комбинация указанного.The plasma gas may enter only through the radiation trap or only through the inlet holes 18 distributed around the circumference of the housing 13. However, a combination of the above is also possible.

Эффект завихрения может достигаться и использоваться благодаря тангенциального поступления предпочтительно через несколько впускных отверстий 18.The swirling effect can be achieved and exploited through tangential entry, preferably through multiple inlets 18.

В изображенном примере дополнительная линия подачи для другого газа отсутствует. Однако в корпус 13 устройства 2 может быть введен по меньшей мере один дополнительный газ, предпочтительно в области образованного плазменного газа 8. Дополнительный газ может использоваться по меньшей мере преимущественно для потока горячего газа.In the example shown there is no additional supply line for another gas. However, at least one additional gas can be introduced into the housing 13 of the device 2, preferably in the region of the generated plasma gas 8. The additional gas can be used at least advantageously for the hot gas flow.

Поток горячего газа выходит из устройства 2 в направлении показанной стрелки. Для этого в данном примере имеются три трубчатых направляющих поток элемента 14, 15 и 16. Трубка 14 из кварцевого стекла с наименьшим диаметром содержит образованную плазму 8. В своей области, обращенной к плавильной печи 1 и расположенной напротив запального средства, она окружена другим трубчатым направляющим поток элементом 15, который одновременно может образовывать экран от теплового излучения.A stream of hot gas exits device 2 in the direction of the arrow shown. For this purpose, in this example there are three tubular flow guide elements 14, 15 and 16. The smallest diameter quartz glass tube 14 contains the generated plasma 8. In its area facing the melting furnace 1 and located opposite the ignition means, it is surrounded by another tubular guide flow element 15, which can simultaneously form a screen from thermal radiation.

В области фланца корпуса 13, которая обращена в направлении плавильной печи 1, расположен третий трубчатый направляющий поток элемент 16 наибольшего диаметра. Третий направляющий элемент 16 может проходить по меньшей мере до стенки корпуса 6 плавильной печи 1, так что поток горячего газа может быть направлен через отверстие в стенке корпуса 6 на расплавляемый материал 9, находящийся в плавильной печи 1. Однако его длина также может быть выбрана таким образом, чтобы он проходил во внутреннюю часть плавильной печи 1.In the area of the flange of the housing 13, which faces in the direction of the melting furnace 1, there is a third tubular flow guide element 16 of the largest diameter. The third guide element 16 may extend at least as far as the wall of the housing 6 of the melting furnace 1, so that the flow of hot gas can be directed through an opening in the wall of the housing 6 onto the material to be melted 9 located in the melting furnace 1. However, its length can also be selected such so that it passes into the inside of the melting furnace 1.

Третий направляющий элемент 16 может проходить во фланце 19 корпуса 13 устройства 2 и удерживаться в нем. Направляющие элементы 14, 15 и 16 вставлены друг в друга. Тем не менее, они не должны контактировать друг с другом.The third guide element 16 can extend into the flange 19 of the housing 13 of the device 2 and be held therein. The guide elements 14, 15 and 16 are inserted into each other. However, they should not come into contact with each other.

В дополнение к источнику 17 охлаждающего газа, для охлаждения могут быть выполнены и использованы другие области корпуса 13 устройства 2. Для этого через данные области может проходить охлаждающая среда (газ или жидкость). Данные области должны быть расположены по меньшей мере вблизи сформированной плазмы 8.In addition to the cooling gas source 17, other areas of the housing 13 of the device 2 can be configured and used for cooling. For this purpose, a cooling medium (gas or liquid) can pass through these areas. These areas must be located at least close to the formed plasma 8.

В изображенном примере в части корпуса 13 устройства 2 предусмотрено охлаждение 20 по фланцу.In the illustrated example, in the housing part 13 of the device 2, a cooling 20 is provided along a flange.

Claims

1. An installation for melting metals, containing a device (2) for forming a plasma (8), located on a melting furnace (1) and connected to an electrical power source, while at least one first source of plasma gas is connected to the device (2), configured to form plasma (8),

wherein said device (2) has such a design, dimensions, location and/or orientation that the formed plasma (8) is located at a distance from the metal acting as a melting material (9), and with the help of plasma (8) can be formed a flow of hot gas, wherein said flow of hot gas is aligned in the direction of the molten material (9), and the heating of the molten metal occurs solely with the help of thermal energy of the hot gas flow and thermal radiation emitted by the plasma (8), so that the resulting plasma (8) never comes into direct contact with the unmelted molten material or melt, while a melting tank or crucible (5) is located in the melting furnace (1) to receive the molten metal.

2. Installation according to claim 1, characterized in that the device (2) is made to ensure the formation of plasma gas (8) and additional gas of a free gas torch or plasma torch in the combustion chamber of the melting furnace (1), and the possibility of using hot gases is provided and the radiant energy of said torch to transfer heat and melt the corresponding metal.

3. Installation according to claim 1, characterized in that the device (2) contains a microwave generator and a resonator (10) connected to it, made in the form of a waveguide and containing at least one reflective plate (10.1) for the generated microwaves (11).

4. Installation according to claim 3, characterized in that the device (2) contains an electric ignition means with an ignition electrode (12) electrically isolated from the housing (13), while the plasma (8) is formed in the region of standing microwaves in the resonator (10 ) in front of said at least one reflective plate (10.1) with plasma gas flowing through it, and plasma (8) is formed in the housing (13).

5. Installation according to claim 3 or 4, characterized in that the flow of hot gas is directed towards the material to be melted (9) by means of at least one flow directing element (14, 15, 16).

6. Installation according to any one of paragraphs. 3-5, characterized in that the ignition electrode (12) of the electric plasma igniter is located in a radiation trap.

7. Installation according to one of the previous paragraphs, characterized in that it provides the ability to change the power, length, temperature and/or length of the free gas torch or plasma torch using an adjustable microwave generator.

8. Installation according to one of the previous paragraphs, characterized in that the device (2) is made with two electrodes, which are located at a distance from each other and between which plasma gas passes in the direction of the melted material (9) and an arc discharge occurs.

9. Installation according to one of the previous paragraphs, characterized in that at least one additional source for plasma gas or additional gas is connected to the housing (13) of the device (2).

10. Installation according to any one of claims 3-6, characterized in that it provides the ability to regulate the electrical power of the microwave generator or the electric arc discharge of the device (2), the volumetric flow of plasma gas and/or the volumetric flow of additional gas.

11. Installation according to one of the previous paragraphs, characterized in that at least plasma gas and/or additional gas enters the housing (13) tangentially with swirling.

12. Installation according to one of the previous paragraphs, characterized in that argon is used as plasma and/or additional gas.

13. Installation according to any one of claims 3 to 10, characterized in that it uses microwaves with a frequency in the range from 500 MHz to 5000 MHz with an electrical power in the range from 5 kW to 3000 kW.

14. Installation according to one of the previous paragraphs, characterized in that a gas mixture is used as plasma gas and/or additional gas.

15. Installation according to one of the previous paragraphs, characterized in that it contains a recirculation system for the hot gas removed from the melting furnace (1), which makes it possible to reuse this gas as plasma gas and/or additional gas in the cycle.

16. Installation according to one of the previous paragraphs, characterized in that the device (2) is attached to the furnace body in a hinged manner, allowing targeted and variable direction of the gas torch, plasma torch or hot gas flow in the combustion chamber.