DE2513098A1 - Plasmabrenner fuer lichtbogenofen - Google Patents

Description

• Plasmabrenner für Lichtbogenofen Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner zur Erzeugung eines übertragenen Argon-Plasmastrahles in einem Lichtbogen-Schmelzofen, mit einer Hohlelektrode, einer gekühlten Austrittsdüse und einer Wirbelkammer mit einem durch azimutale Düsenstrahlen erzeugten Argon-Gasring zwischen der Hohlelek' trode und der Düse.
• Solche wirbelstabilisierten Brenner zum Schmelzen des Schmelzgutes in kontrollierter Atmosphäre sind im Handel erhältlich.
• Sie werden bis heute nur im Gleichstrombetrieb eingesetzt, wobei sie als Kathode geschaltet werden, und das Schmelzgut als Anode geschaltet wird. Die Stromzufuhr zum Schmelzgut erfolgt über Bodenelektroden.
• Grossöfen mit einem Inhalt von beispielsweise 3000 kg sollten jedoch aus technischen und Sicherheitsgründen ohne Bodenelektrode betrieben werden können. Beispielsweise könnte ein solcher Ofen mit drei als Wechselstrom-Elektroden geschalteten Plasmabrennern versehen werden, die in Sternschaltung am Netz liegen und auf das Einsatzgut als Sternpunkt brennen.
• Für solche Oefen ergibt sich dann pro Lichtbogen eine Leistung von der Grössenordnung 1 MW, was wegen der geringen Bogenspannung eines Argon-Lichtbogens bei Bogenlängen von einigen 100 mm Brennerströme der Grössenordnung 6 kA erfordert.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Plasmabrenner der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass seine Elektrode trotz der genannten hohen Leistungen nur einen geringen Abbrand bzw. eine hohe Standzeit (wenigstens 100 Stunden) aufweist, der relativ lange Argon- Lichtbogen gebündelt und richtungsstabil ist, und die im Bogen dissipierte Energie so vollständig wie möglich dem Schmelzbad zugeführt wird.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Plasmabrenner der eingangs genannten Art erfindungsgemäss die Länge der Düse so klein ist, dass der elektrische Spannungsabfall über die Länge der Düse für den innerhalb der Düse brennenden Bogen kleiner ist als für einen entsprechenden über das Düsenmetall fliessenden elektrischen Strom, dass der lichte Durchmesser der Düse kleiner ist als der lichte Durchmesser der Hohlelektrode, und dass die den Argon-Gasring erzeugenden azimutalen Düsenstrahlen einen Kreis tangieren, dessen Durchmesser zwischen dem 0,9- und dem 1,5-Fachen des Durchmessers der Hohlelektrode liegt.
• Die Düse hat den Zweck, den Bogen zu bündeln und in der Richtung zu stabilisieren. Man hat deshalb bisher die Düse immer relativ lang gestaltet. Es wurde nun jedoch erkannt, dass die Düse möglichst kurz ausgebildet werden muss, weil der Bogen besonders im Bereich der Düse sehr viel Energie durch Strahlung abgibt, die von der Düsenwandung absorbiert und mit der Kühlung nutzlos abtransportiert wird. Im weiteren muss bei den vorgesehenen hohen Bogenströmen die Düse auch deshalb hinreichend kurz sein, damit es für den elektrischen Strom nicht günstiger ist, über das Düsenmetall statt über den Bogen zu fliessen. In diesem Falle würde der Bogen durchzünden"1 das heisst, am Düsenmetall ansetzen.
• Der lichte Durchmesser der Hohlelektrode muss so gross sein, dass die Energie des umlaufenden Bogenfusspunktes optimal an die Kühlung abgegeben wird. Demgegenüber muss der lichte Durchmesser der Düse immer kleiner sein, und zwar derart, dass der den Bogen einhüllende Kaltgasmantel nicht so dünn ist, dass ein Ueberzünden auf das Düsenmetall möglich wird, und nicht so dick, das3 flrcnncrgaß nutzlos verloren geht.
• Der Düsendurchmesser ist etwa wenn I der Brnnerstrom und K eine Konstante ist. Durch experimentelle Bestimmung der Konstanten K kann man mit dieser Formel die Düsen den vorgesehenen Brennerströmen anpassen.
• Die den Argon-Gasring erzeugenden azimutalen Düsenstrahlen wurden bisher weitgehend ohne Berücksichtigung des Bogendurchmessers in die Wirbelkammer eingeführt. Durch die Führung der Düsenstrahlen derart, dass ein Kreis tangiert wird, dessen Durchmesser etwa gleich dem der Hohlelektrode ist, wird eine sehr viel wirksamere Beeinflussung der Fusspunktsbewegung des Bogens erreicht. Der Bogenfusspunkt in der Hohlelektrode wird sehr viel wirkungsvoller in Bewegung gesetzt, und die durch die ab zu führende Energie erzeugte Flächenbelastung der EleX-trode vermindert und ihre Standzeit beträchtlich erhöht. Ein besonderes Magnetfeld zur Bewegung des Bogenfusspunktes wird damit eingespart.
• Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachstehend anhand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiel. Dabei zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt eines Plasmabrenners nach der Erfindung, und Fig. 2 einen Querschnitt durch die Wirbelkammer des Plasmabrenners nach Fig. 1.
• Der dargestellte Plasmabrenner besteht aus der Düse 1, der Wirbelkammer 4 und der Hohlelektrode 2. Alle drei Teile weisen separate Wasserkühlungen (H 20) auf. Der Brennerstrom wird über den Stromanschluss 7 zugeführt.
• Zur Erzeugung eines Gaswirbels, welcher die Bewegung des Fusspunktes des Lichtbogens 6 auf der Innenfläche der Hohlelektrode 2 sowie die Stabilisierung des Bogens 6 innerhalb des Brenners bewirkt, werden in die Wirbelkammer 4 über Kanäle 8 azimutale Argon-Düsenstrahlen 5 über die Gaszufuhr Araz eingeblasen. Dieser azimutalen Gaszufuhr ist ein schwacher axialer Gasdurchsatz Arax überlagert.
• Die Gaszufuhr Araz geschieht über acht Düsen mit 1 mm Durchmesser und 20 mm Länge, welche jeweils paarweise um 900 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Der azimutale Argonstrom von 15 Nm3/h erfordert einen Einlassdruck von 5 atü. Die Geschwindigkeit. der Düsenstrahlen 5 liegt in der Grössenordnung der Schallgeschwindigkeit. Der schwache axiale Gasstrom beträgt etwa 0,8 Nm3/h, so dass der Gesamt-Argon-Durchsatz 15,8 Nm3/h beträgt.
• Die Düsen strahlen 5 tangieren einen Kreis 3, dessen Durchmesser D3 etwa gleich dem Durchmesser D2 der Hohlelektrode 2 ist. Dieser Durchmesser D2 beträgt 55 mm.
• Der Brenner wurde mit 6 kA Bogenstrom betrieben. Dabei erscheint der Bogenteil in unmittelbarer Nähe der Düse 1 als stabiler Argon-Plasmastrahl von ca. 35 mm Durchmesser. Die Gasgeschwindigkeit im Bogen wurde zu etwa 200 m/sec, und die Kaltgeschwindigkeit zu etwa 40 m/sec gemessen. Das Temperaturprofil im Plasmastrahl ist flach. Im Achsenbereich beträgt die Temperatur etwa 12500 0K. Bei einer Spannung zwischen der Hohlelektrode 2 und der Düse 1 von 70 V und einem Strom von 6 kA werden im Brenner 420 kW dissipiert. Die aus dem Brenner abgeführte Energie beträgt rund 50 % der eingespeisten elektrischen Energie.
• Der Abbrand der Hohlelektrode 2 war sehr gering. Der Bereich der Laufspuren des Fusspunktes des Bogens 6 auf der Innenfläche der Hohlelektrode 2 beginnt erst im Abstand von 30 mm von der Unterkante der Hohlelektrode 2.
• Die in Fig. 1 dargestellten Dichtungsringe 9 dienen der elektrischen Isolation der Düse 1 von der Wirbelkammer 4 und der Hohlelektrode 2.
• Der Plasmabrenner nach der Erfindung ist mit grossem Vorteil in einem Dreiphasen-Wechselstrom-Lichtbogen-Grossofen der eingangs angegebenen Art einsetzbar, beispielsweise zum Schmelzen von Schrott oder hochlegiertem Stahl. Die Leistung von 1000 kW je Brenner ist mit der Konzeption nach der Erfindung ohne weiteres erreichbar.

Claims (8)

Patentansprüche

1. Plasmabrenner zur Erzeugung eines übertragenen Argon-Plasmastrahles in einem Lichtbogen-Schmelzofen, mit einer Hohlelektrode, einer gekühlten Austrittsdüse und einer Wirbelkammer mit einem durch azimutale Düsenstrahlen erzeugten Argon-Gas ring zwischen der Hohlelektrode und der Düse, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (L) der Düse (1) so klein ist, dass der elektrische Spannungsabfall über die Länge (L) der Düse (1) für den innerhalb der Düse (1) brennenden Bogen (6) kleiner ist als für einen entsprechenden über das Düsenmetall fliessenden elektrischen Strom, dass der lichte Durchmesser (D1) der Düse (1) kleiner ist als der lichte Durchmesser (D2) der Hohlelektrode (2), und dass die den Argon-Gasring erzeugenden azimutalen Düsenstrahlen (5) einen Kreis (3) tangieren, dessen Durchmesser (D3) zwischen dem 0,9- und dem 1,5-fachen des Durchmessers (D2) der Hohlelektrode (2) liegt.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ausser dem azimutal in die Wirbelkammer (4) eingeführten Argon-Gasstrom Araz noch ein axial zugeführter Argon-Gasstrom Ar vorgesehen ist, dessen Flusstärke höchstens ax 1/10 der Flussstärke des azimutalen Argon-Gasstromes Araz beträgt.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Durchmessers (D2) der Hohlelektrode (2) zum Durchmesser (D1) der Düse (1) grösser als 1,1 und kleiner als 2 ist.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Durchmessers (D1) der Düse (1) zum Durchmesser des Bogens (6) in der Düse grösser ist als 1,1 und kleiner als 1,3.

5. Plasmabrenner nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der lichte Durchmesser (D1) der Düse (1) zwischen 35 und 45 mm liegt, der Durchmesser (D3) des Kreises (3) der Wirbelkammer (4) zwischen 45 und 80 mm, der lichte Durchmesser (D2) der Hohlelektrode (2) zwischen 50 und 60 mm, die Länge (L) der Düse (1) zwischen 15 und 25 mm, der Brennerstrom I zwischen 3,5 und 7 kA, die Flussstärke des axialen Gasstromes zwischen 0,5 und 1,5 Nm3/h und die Flussstärke des azimutalen Gasstromes zwischen 13 und 17 Nm3/h.

6. Verwendung des Plasmabrenners nach Anspruch 1 als Hochstromelektrode eines Wechselstrom-Lichtbogen-Schmelzofens.

7. Verwendung nach Anspruch 6 zum Schmelzen von Schrott.

8. Verwendung nach Anspruch 6 zum. Schmelzen von hochlegiertem Stahl.