DD234136A1 - METHOD FOR STABILIZING THE LIGHTBOW ATOMOSPHAERE IN PLASMA TASTE ARRANGEMENTS - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Lichtbogenatmosphaere in mit Plasmalichtboegen betriebenen Schmelzanordnungen, bei denen sich die einstellenden Feldstaerken stark von der Zusammensetzung der Plasmabogenatmosphaere abhaengen und infolgedessen durch auftretende Verdampfung von Schmelzgutbestandteilen beeinflusst werden. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass der Plasmalichtbogen elektrisch leistungsgeregelt betrieben und damit eine konstante Rate der Materialverdampfung erreicht wird.The invention relates to a method for stabilizing the arc atmosphere in operated with Plasmalichtboegen melt arrangements, in which the adjusting Feldstaerken strongly depend on the composition of the plasma arc atmosphere and are consequently influenced by occurring evaporation of Schmelzgutbestandteilen. According to the invention, the object is achieved in that the plasma arc is operated with electric power regulation and thus a constant rate of material evaporation is achieved.

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Verfahren zur Stabilisierung der Lichtbogenatmosphäre bei PlasmaschmelzanordnungenMethod for stabilizing the arc atmosphere in plasma melting arrangements

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Lichtbogenatmosphäre in mit Plasmalichtbögen betriebenen Schmelzanordnungen, bei denen die sich, einstellenden Feldstärken stark von der Zusammensetzung der PlasmabogenatmoSphäre abhängen und infolgedessen durch auftretende Verdampfung von Schmelzgutbestandteilen beeinflußt werden. Das Verfahren ist insbesondere bei Hochleistungs-Plasmarotationsschmelzöfen anzuwenden.The invention relates to a method for stabilizing the arc atmosphere in melt arrays operated with plasma arcs, in which the adjusting field strengths depend strongly on the composition of the plasma arcogen atmosphere and as a result are influenced by the occurrence of vaporization of constituents of the melt. The method is particularly applicable to high performance plasma rotary smelting furnaces.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Bei Lichtbogen- und PlasmaSchmelzanordnungen kommt es wegen der meist recht hohen Leistungsdichte bei der Energieübertragung vielfach zu einer partiellen Verdampfung von-Schmelzgut odor Schmelzgutbestandteilen. Die Verdampfungsprodukte gelangen durch Diffusion und Konvektion in die stromtragende Plasmasäule und verändern schon in geringen Konzentrationen deren Feldstärken beträchtlich. Das gilt insbesondere bei der Verwendung von Argon als. Bogengas, es können dabei Peldstärkeerhöhungen bis zum lOfachen Wert auftreten. Eine'Veränderung der Plasms,-säulen-Peldstärken führt bei den bekannten Plasmaschmelzan--In the case of arc and plasma melting arrangements, because of the usually quite high power density in energy transfer, partial evaporation of the melt or odor constituents of the melt often occurs. The evaporation products pass through diffusion and convection into the current-carrying plasma column and change even at low concentrations their field strengths considerably. This is especially true when using argon as. Arc gas, it can thereby Peldstärkeerhöhungen occur up to lOfachen value. A change in the plasmas, column-field strengths results in the known plasma meltdown.

Ordnungen stets zu einer gleichsinnigen Änderung der Bogenleistung. Da andererseits die Verdampfungsrate von der Bogenleistung abhängt, verstärkt sich der störende Einfluß der Materialyerdampfung erheblich» Ss ist deshalb schwierig, mit den bekannten Schmelzanordnungen einen zeitlich stabilen Lichtbogenbetrieb zu erreichen.Orders always to a same direction change in the sheet performance. On the other hand, since the evaporation rate depends on the performance of the sheet, the disturbing influence of the material evaporation greatly increases. It is therefore difficult to achieve a time stable arc operation with the known melting arrangements.

Bei bekannten technischen Lösungen wird diese Schwierigkeit so gelöst, daß durch verstärkte Zugabe von Bogengas die Verdampfungsprodukte aus dem Bereich der Bogensäule weitgehend entfernt und damit eine in ihrer Zusammensetzung relativ stabile Lichtbogenatmosphäre und entsprechend eine zeitlich nur gering schwankende Lichtbogenbrennspannung erreicht wird. Diese Verfahrensweise hat den Mangel, daß einerseits ein erhöhter Verbrauch an Plasmagas auftritt, der zu erhöhten Kosten führt und andererseits mit dem Gas auch Energie aus dem Schmelzaggregat herausgetragen wird und dadurch der Wirkungsgrad sinkt.In known technical solutions, this difficulty is solved so that the evaporation products from the area of the bow column largely removed by increased addition of arc gas and thus a relatively stable in their composition arc atmosphere and correspondingly a temporally only slightly fluctuating arc voltage is achieved. This procedure has the defect that on the one hand an increased consumption of plasma gas occurs, which leads to increased costs and on the other hand with the gas and energy is carried out of the melting unit and thereby the efficiency decreases.

Sin weiterer Effekt ist, daß infolge der erzeugten niedrigen Konzentration an Verdampfungsprodukten die Verdampfung erhöht wird, was nur in speziellen Fällen erwünscht ist.Sin another effect is that due to the low concentration of evaporation products produced, the evaporation is increased, which is desirable only in special cases.

Andererseits wird in der Patentschrift DD 73 363 vorgeschlagen, stabilen Bogenbetrieb dadurch zu erreichen, daß durch automatische, über einen Regler gesteuerte Zufuhr von zweiatomigen Zusatzgasen die Bogenspannung und damit die Bogenleistung auf einem festen, hohen Sollwert zu halten. · Diese Verfahrensweise hat den Kachteil, daß sie vergleichsweise träge ist, da zu ihrer Wirksamkeit nötig ist, daß die Änderung der Zusatzgaszufuhr in der Bogensäule wirksam wird. Daraus,ergibt sich, daß sie bei Schmelzanordnungen mit langer Plasmasäule wie beispielsweise langen Plasmarotationsschmelzöfen nicht anwendbar ist, weil es nicht gelingt, die Bogenatmosphäre bei rasch einsetzender Verdampfung längs der gesamten Bogensäule schnell genug den Erfordernissen anzupassen.On the other hand, in the patent DD 73 363 proposed to achieve stable sheet operation characterized in that to keep by automatic, controlled by a regulator supply of diatomic additional gases, the arc voltage and thus the sheet performance to a fixed, high target value. · This procedure has the Kachteil that it is relatively sluggish, since it is necessary for their effectiveness that the change in the additional gas supply in the bow column is effective. It follows that it is not applicable to long plasma column melting arrangements such as long plasma rotary melting furnaces, because it is not possible to adapt the bowing atmosphere to the requirements quickly enough along the entire arc column with rapid onset of evaporation.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, die Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden und einen stabilen Betrieb auch von solchen Plasmaschmelzanordnungen zu erreichen, bei denen die Feldstärken im Plasmabogen und damit die Bogenspannung stark von auftretender Materialverdampfung abhängen.It is the object of the invention to avoid the disadvantages of the known solutions and to achieve a stable operation of such plasma melting arrangements, in which the field strengths in the plasma arc and thus the arc voltage depend strongly on the occurrence of material evaporation.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das genannte Ziel durch die Stabilisierung der Lichtbogenatmosphäre in Plasmaschmelzanlagen zu erreichen.The invention has for its object to achieve said objective by stabilizing the arc atmosphere in plasma melting plants.

Die Ursachen für die wesentlichen Mangel der bekannten Lösungen liegen einerseits im Zwang zur Anwendung überhöhter Gasdurchsätze, die zu erhöhten Kosten und vermindertem ?/irkungsgrad führen, zum anderen in der zu großen Trägheit der Zusatzgas-Beimischung, die die Anwendbarkeit stark beschränkt.The causes of the essential deficiency of the known solutions are, on the one hand, the compulsion to use excessive gas flow rates, which lead to increased costs and reduced efficiency, and, on the other, the excessive inertia of the additional gas admixture, which severely limits the applicability.

Erfindungsgemäß werden diese Mangel beseitigt und die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Plasmalichtbogen elektrisch leistungsgeregelt betrieben und damit eine konstante Rate der Materialverdampfung erreicht wird, derart, daß die PlasmabogenatmoSphäre in ihrer Zusammensetzung räumlich und zeitlich sehr weitgehend konstant bleibt. Dabei kann die Eegelzeitkonstante hinreichend klein gewählt v/erden.According to the invention, these deficiencies are eliminated and the object is achieved in that the plasma arc operated electrically regulated and thus a constant rate of material evaporation is achieved, such that the plasma arcogen in its composition spatially and temporally very largely constant in composition. The time constant can be chosen to be sufficiently small.

Durch eine Stellung des Leistungssollwertes ist.somit auch eine gezielte Veränderung der PlasmabogenatmoSphäre möglich.By setting the desired power value, a targeted change of the plasma arcogen atmosphere is possible.

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Die Funktion des Verfahrens beruht dabei darauf, daß jeder zugeführten Leistung bei anderweitig festen Parametern eine bestimmte Verdampfungsrate zugeordnet werden kann. Gewisse auftretende Schwankungen, die beispielsweise zu einer Erhöhung der Feldstärken und Plasmabogenbrennspannung führen, werden mit der Leistungsregelung durch automatische Stromabsenkung beantwortet, derart, daß eine im zeitlichen Mittel konstante Verdampfung und damit eine stabile Bogenatmosphäre erreicht wird.The function of the method is based on the fact that each supplied power at otherwise fixed parameters can be assigned a certain evaporation rate. Certain fluctuations that lead, for example, to an increase in field strengths and plasma arc combustion voltage are answered by the power control by automatic current reduction, such that a constant average over time evaporation and thus a stable arc atmosphere is achieved.

Bin unkontrolliertes Ansteigen der Verdampfung und ihr nachteiliger Einfluß auf das Betriebsverhalten des Plasmabogens wird dadurch sicher ausgeschlossen.Uncontrolled increase in evaporation and its adverse effect on the performance of the plasma arc is thereby safely excluded.

Zugleich wird durch die Erfindung die Anlagensicherheit erhöht und eine wichtige Voraussetzung für eine Automatisierung des Schmelzprozeßablaufes entsprechend vorgegebenem Schmelzprogramm geschaffen. ·At the same time, the system security is increased by the invention and created an important prerequisite for automation of the melting process sequence according to predetermined melting program. ·

Ausführungsbeispielembodiment

In einem mit Sand gefüllten und mit Argon als Plasmagas gespülten Rotationsplasmaschmelzofen wird zwischen den axial angeordneten Elektroden ein Lichtbogen gezündet, der aus einem von einem Regler gesteuerten Gleichrichter gespeist wird. Die Ist-Spannung für den Regler wird einem Leistungsmeßglied entnommen, welches eine der Bogenleistung proportionale Spannung abgibt. Der Sollwert der Leistung wird zu Beginn der Schmelze auf einen solchen Wert gestellt, daß bei einem lichten Durchmesser der rohrförmigen Sandfüllung von 40 mm eine Leistung,von 100 kW/m umgesetzt wird. Bei diesem Leistungseintrag beginnt das körnige Schmelzgut zu schmelzen und teilweise zu verdampfen. Im Zusammenhang mit der axialen Beströmung des Plasmabogens mit Argon (Durchsatzrate etwa 1 nr/h) erhöht sich dessen mittlere Säulenfeldstärke auf 500 V/m. Durch das erfindungsgemäß angewendete Prinzip der leistungsgeregelten Stromversorgung des Plasmalichtbogens wird die Lichtbogenstromstärke durch den Regler derart reduziert, daß die Lichtbogenleistung trotz des angestiegenen Säulenfeldstärke konstant bleibt und die Materialverdampfung nicht zunimmt, sondern im Verlauf des Einschmelzprozesses wegen des Zurückweichens der Schmelzbadoberfläche geringer wird. Das erlaubt eine, stetige oder stufenförmige Erhöhung des Leistungseintrages, z. B. auf 200 kW/m nach 2 Minuten Bogenbrenndauer und analog auf 300 und. 400 kW/m nach jeweils weiteren 2 Minuten. Dabei brennt der Plasmabogen nach Abschluß der Einschmelzphase in einer völlig stabilen Atmosphäre, Die Verdampfungsrate ist bei sonst konstanten Bedingungen eindeutig vom Leistungseintrag abhängig, die Zusammensetzung derIn a rotary plasma melting furnace filled with sand and purged with argon as a plasma gas, an arc is ignited between the axially arranged electrodes and is fed from a rectifier controlled by a regulator. The actual voltage for the controller is taken from a power meter, which outputs a voltage proportional to the arc power. The setpoint of the power is set at the beginning of the melt to a value such that at a clear diameter of the tubular sand filling of 40 mm, a power of 100 kW / m is implemented. With this performance entry, the granular melting material begins to melt and partially evaporate. In connection with the axial flow of the plasma arc with argon (throughput rate about 1 nr / h) increases its average column field strength to 500 V / m. By virtue of the principle of the power-controlled power supply of the plasma arc used according to the invention, the arc current intensity is reduced by the regulator such that the arc output remains constant despite the increased column field strength and the material evaporation does not increase, but becomes smaller in the course of the melting process because of the shrinkage of the melt pool surface. This allows one, steady or stepped increase in the power input, z. B. to 200 kW / m after 2 minutes Bogenbrenndauer and analog to 300 and. 400 kW / m every 2 minutes. The plasma arc burns after completion of the melting phase in a completely stable atmosphere, the evaporation rate is at otherwise constant conditions clearly dependent on the power input, the composition of the

Plasmabogenatmosphäre ergibt sich aus dieser Verdampfungsrate und dem eingestellten Argondurchsatζ. Der "Plasmabogen brennt entsprechend stabil und störungsfrei, lach Durchfahren der gemäß dem jeweiligen Schmelzprogramm vorgeschriebenen Leistungsstufen wird er abgeschaltet.Plasma arc atmosphere results from this evaporation rate and the adjusted Argonurchsatζ. The "plasma arc burns accordingly stable and trouble-free, lach driving through the prescribed according to the particular melting program power levels, it is switched off.

Claims (2)

Erfindungsanspruch,Invention claim, 1· Verfahren zur Stabilisierung der Lichtbogenatmosphäre bei Plasmaschmelzanordnungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungszufuhr zu den Plasmabögen in der Schmelzanlage auf einen der gewünschten Verdampfungsrate entsprechenden Sollwert eingestellt und von einem elektrischen Regler auf diesen Wert konstant gehalten wird.1 method for stabilizing the arc atmosphere in plasma melting arrangements, characterized in that the power supply to the plasma arcs in the melter is set to a setpoint corresponding to the desired evaporation rate and kept constant by an electrical controller to this value. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert der Plasmabogenleistung im Verlaufe des Schmelzprozesses von Hand oder automatisch entsprechend dem vorgesehenen Schmelzprogramm verändert wird.2. The method according to item 1, characterized in that the desired value of the plasma arc power in the course of the melting process by hand or automatically according to the intended melting program is changed.