INDUKTIONSPLASMAOFEN

Abstract

 Der Plasmainduktionsofen enthält einen feuerfesten Tiegel (1) mit einem den Tiegel (1) umfassenden Induktor (2), ein an eine Stromquelle (4) angeschlossenes über dem Tiegel (1) angebrachtes Plasmatron (3) und eine Bodenelektrode (5), die im Boden des Tiegels (1) angeordnet und an die Stromquelle (4) des Plasmatrons (3) über eine Umschaltvorrichtung (6) angeschlossen ist. Der obere Teil des Tiegels (1) ist in Form eines gekühlten Metallrings (8) ausgebildet, der mit der Umschaltvorrichtung (6) elektrisch gekoppelt ist.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Es sind Induktionstiegelsohmelzöien zum Schmelzen von Metallen und Legierungen bekannt. Sie enthalten einen feuerfesten Tiegel, der von einem Induktor umgeben ist. Die für die Entstehung einer Schmelze in diesen Öfen notwendige Wärme entsteht durch die in der Metallcharge induzierten Ströme (S. A. Farbmann, I.F. Kolobnjev, "Induktionsöfen zum Schmelzen von Metallen und Legierungen", Verlag "Metallurgia", Moskau, 1968, S. 328).

[0002] Diese Öfen sind durch eine niedrige Sohmelzgesohwindigkeit der leichten Charge und eine geringe Aktivität der Schlakke gekennzeichnet, die eine relativ niedrige Temperatur hat. Die Ursache für die niedrige Temperatur der Schlacke in diesen Öfen liegt im Funktionsprinzip dieser Öfen, in denen die Leistung in der elektrisch leitenden Beschickung durch das elektromagnetische Feld des Induktors induziert wird. Da Schlakken einen elektrisch nichtleitenden Stoff darstellen, wird in ihnen keine Leistung erzeugt und sie erhitzen sich durch Wärmeleitung vom geschmolzenen Metall.

[0003] Außerdem sind Plasmainduktionsöfen bekannt, die einen feuerfesten Tiegel mit einem den Tiegel umfassenden Induktor, ein an eine Stromquelle angeschlossenes, über dem Tiegel angebrachtes Plasmatron und eine Bodenelektrode enthalten, die im Boden des Tiegels installiert und an die Stromquelle des Plasmatrons über eine Umschaltvorrichtung angeschlossen ist (JP-PS Nr. 13242/65, Nat. Kl. 10A41).

[0004] Beim Zuführen einer Speisung an die Bodenelektrode kommt es zum Zünden eines Plasmalichtbogens zwischen der Katode des Plasmatrons und der Charge, die mit der Bodenelektrode elektrisch in Kontakt steht. Die vom Lichtbogen erzeugte Leistung hängt nicht von der Dichte der Beschickung ab, wodurch der Schmelzprozeß der leichten Charge erheblich intensiviert werden kann.

[0005] Die Schlacke wird in diesem Ofen vor allem durch die vom Lichtbogen ausgehende Strahlung erhitzt, wodurch erhebliche Temperaturen der Schlacke erzielt werden können, die über der Temperatur des Metalls liegen.

[0006] Die durch den Plasmalichtbogen erhitzte Schlacke weist eine wesentlich höhere Raffinationsaktivität auf, wodurch die Qualität des Metalls verbessert wird. Dabei tritt jedoch die erhitzte Schlacke energisch mit der feuerfesten Auskleidung des Tiegels in Wechselwirkung und verkürzt deren Lebensdauer. Außerdem bewirkt die Strahlung des Plasmalichtbogens eine überhitzung des oberen Teils des Tiegels, was noch mehr die Lebensdauer der Auskleidung des Tiegels verkürzt. Diese Erscheinungen begrenzen die vom Plasmatron erzeugte Leistung.

[0007] Die Bodenelektrode steht in dem bekannten Ofen nach dem Schmelzen der Charge und dem Überhitzen der Metallschmelze unter großer Wärmebelastung. Die Erhöhung der Wärmebelastung ist dadurch verursacht, daß zu der Jouleschen Wärme, die in der Bodenelektrode durch die in ihr fließenden Ströme entsteht, die Wärme hinzukommt, die an die Bodenelektrode von der überhitzten Schmelze übertragen wird, die in der Zone der Stirnseite der Bodenelektrode durch Kräfte der elektromagnetischen Wechselwirkung des Stroms mit dem eigenen Magnetfeld zirkuliert. Diese Erscheinung verstärkt das Abschmelzen der Bodenelektrode und bewirkt deren vorzeitigen Ausfall.

Offenbarung Jer Erfindung

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Konstruktion eines Plasmainduktionsofens so zu vervollkommenen, daß es bei großer Leistung des Plasmatrons nicht zur Zerstörung der Funktionselemente des Ofens (der Auskleidung des Tiegels, der Bodenelektrode) kommt, wodurch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Ofens erhöht und seine technologischen Möglichkeiten erweitert werden.

[0009] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Plasmainduktionsofen, der einen feuerfesten Tiegel mit einem den Tiegel umfassenden Induktor, ein an eine Stromquelle angeschlossenes, über dem Tiegel angebrachtes Plasmatron und eine Bodenelektrode enthält, die im Boden des Tiegels angeordnet und an die Stromquelle des Plasmatrons über eine Umschaltvorrichtung angeschlossen ist, gemäß der Erfindung der obere Teil des Tiegels in Form eines gekühlten Metallrings ausgebildet wird.

[0010] Es ist zweckmäßig, den Metallring elektrisch mit der einen Zweiwegumschalter darstellenden Umschaltvorrichtung zu koppeln.

[0011] Ein nach der vorliegenden Erfindung hergestellter Plasmainduktionsofen ist durch eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer als Folge des Schutzes des Tiegels vor der Strahlung des Lichtbogens und der Einwirkung der aktiven heißen Schlacken mit Hilfe des gekühlten Metallrings und auch zusätzlich als Folge der Stromzuführung durch den Metallring und des Stromlosmaohens der Bodenelektrode nach dem Herunterschmelzen der Charge gekennzeichnet. Der erfindungs-. gemäße Plasmainduktionsofen hat eine hohe Leistung infolge der Erhöhung der vom Plasmatron erzeugten Leistung, weite technologische Möglichkeiten des Aggregats und eine hohe Qualität des Metalls infolge der Anwendung beliebiger reaktionsaktiver Schlacken und hoher Temperaturen des Plasmalichtbogens.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0012] Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung einer konkreten Ausführungsvariante und anhand der beigelegten Zeichnung erläutert, in der im Schnitt ein erfindungsgemäßer Plasmainduktionsofen abgebildet ist.

Beste Ausführungsvariante der Erfindung

[0013] Der Plasmainduktionsofen, enthält einen feuerfesten Tiegel 1 mit einem den Tiegel 1 umfassenden Induktor 2, ein Plasmatron 3, das über dem Tiegel 1 angeordnet und an eine Stromquelle 4 angeschlossen ist, und eine Bodenelektrode 5, die im Boden des Tiegels 1 installiert und über den Kontakt "a" einer Umscnaltvorricntung 6 an die Stromquelle 4 des Plasmatrons 3 angeschlossen ist.

[0014] Der obere Teil des Tiegels 1 ist in der Schlackenzone in Form eines gekühlten Metallrings 8 ausgebildet. Der Ring 8 ist über den Kontakt "b" der Umschaltvorrichtung 6 mit der Stromquelle 4 des Plasmatrons elektrisch gekoppelt. Als Umschaltvorrichtung 6 wird ein Zweiwegumschalter mit den Kontakten "a" und "b" verwendet. Zum Kühlen des Rings 8 benutzt man Wasser-, Verdunstungs-, Luftkühlung oder Kühlung durch ein flüssiges Metall. Der Stoff, aus dem der Ring besteht --Kupfer, Stahl oder ein anderes Metall, besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Aktivität gegenüber der Charge.

[0015] Zum Anlegen einer Spannung an den Induktor 2 ist eine Stromquelle 9 vorgesehen, die Stromquellen 4 und 9 können jedoch auch zu einer Stromquelle zusammengelegt werden. Zur Erzielung eines hermetischen Abschlusses des Arbeitsraums und zur Senkung der Wärmeverluste hat der Tiegel 1 einen Dek- _kel 10. Außerdem befindet sich in der Wand des Tiegels 1 ein Abstichloch 11.

[0016] Der erfindungsgemäße Plasmainduktionsofen funktioniert folgendermaßen.

[0017] Nach der Beschickung des Tiegels 1 mit der Charge werden die Stromquellen 4 und 9 eingeschaltet, wobei die Stromquelle 4 über den Kontakt "a" der Umschaltvorrichtung 6 mit der Bodenelektrode 5 verbunden ist. Zwischen dem Plasmatron 3 und der Charge wird ein Lichtbogen 12 gezündet, der in die Charge einen Schacht hineinbrennt und seine Wärmeleistung an das umzuschmelzende Metall überträgt. Nach dem Schmelzen der ersten Beschickung wird die Charge aufgefüllt, und der ProzeB wiederholt sich, bis der Spiegel der Schmelze 13 im Tiegel l die Höhe des Rings 8 erreicht. Der Schmelzprozeß der Charge verläuft mit einer hohen Intensität infolge der gleichzeitigen Wirkung des Plasmatrons 3 und des Induktors 2. Wenn der Ofen mit der Schmelze 13 gefüllt ist, wird ein Schlackenbad der erforderlichen Zusammensetzung gemacht und die Umschaltvorrichtung 6 so umgeschaltet, daß der Ring 8 über den Kontakt "b" mit der Stromquelle 4 verbunden ist. Der Speisestrom des Lichtbogens 12 fließt in diesem Fall durch folgende Kette: Stromquelle 4 - Kontakt "b" der Umschaltvorrichtung 6 - Metallring 8 - Metallschmelze 13 - Lichtbogen 12 -- Plasmatron 3. Dabei fließt der Strom nicht durch die Bodenelektrode 5, die Joul_Esche Erwärmung und die durch die Wechselwirkung des Stroms mit dem eigenen Magnetfeld der Schmelze 13 hervorgerufene Bewegung der Schmelze hören auf, wodurch die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer der Bodenelektrode 5 wesentlich erhöht werden. Die Dichte. des durch den Ring 8 fließenden Stroms ist infolge der großen Oberfläche des Rings 8 so gering, daß praktisch die Wärmebelastung des Rings 8 nicht erhöht wird.

[0018] Während des Betriebs des Ofens wird durch die Kühlung des Rings 8 mit Hilfe eines Kühlmittels und durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Stoffs, aus dem der Ring 8 besteht, auf der mit der Schlacke in Berührung kommenden Oberfläche des Rings 8 eine niedrige Temperatur aufrechterhalten, wodurch die Schlacke in der Zone des Rings 8 stark abgekühlt wird, was zur Bildung eines Ansatzes 14 führt, der den Ring 8 vor der Einwirkung der Schmelze 13, der Schlacke und der Strahlung des Lichtbogens 12 schützt. In den erfindungsgemä-Ben Ofen kann man beliebige aktive Schlacke einbringen und sie bis auf hohe Temperaturen mit Hilfe des Piasmalichtbogens 12 erhitzen, was die technologischen Möglichkeiten des Ofens wesentlich erweitert und die Qualität der raffinierten Schmelze 13 verbessert.

[0019] Nach Beendigung des Schmelzprozesses erfolgt der Abstich der Schmelze 13 durch das Abstichloch 11.

Industrielle Anwendbarkeit

[0020] Der Plasmainduktionsofen kann zum Schmelzen von Eisen-- und Nichteisenmetallen und Legierungen verwendet werden.

Ansprüche

1. Plasmainduktionsofen, der einen feuerfesten Tiegel (1) mit einem den Tiegel (1) umfassenden Induktor (2), ein an eine Stromquelle (4) angeschlossenes, über dem Tiegel (1) angebrachtes Plasmatron (3) und eine Bodenelektrode (5) enthält, die im Boden des Tiegels (1) angeordnet und an die Stromquelle (4) des Plasmatrons (3) über eine Umschaltvorrichtung (6) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil des Tiegels (1) in Form eines gekühlten Metallrings (8) ausgebildet ist.

2. Plasmainduktionsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring (8) mit der einen Zweiwegumschalter darstellenden Umschaltvorrichtung (6) elektrisch gekoppelt ist.

Zeichnung