DE2513098A1 - Electric arc furnace argon plasma nozzle and electrode - with short nozzle and vortex chamber immediately adjacent - Google Patents

Abstract

A plasma burner for producing a transferred argon plasma jet in an electric arc furnace comprises a hollow electrode and a vortex chamber with an argon gas ring between the hollow electrode and the coaxial jet. The length of the nozzle is so short that the voltage drop over this length for the arc burning inside the nozzle is less than the drop through the metal of the nozzle; the internal diameter of the nozzle is less than that of the hollow electrode; the jets which produce the vortex are tangential to a circle having a dia. of 0.9-1.5 times the diameter of the hollow electrode. An additional axial argon jet (Arax) may be introduced at the top, having a flow rate is not >1/10 of that of the tangential jets. The device is used for A.C furnaces, esp. for scrap or high-alloy steel and gives improved life of electrode, up to 100 hrs.

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. Plasma torch for arc furnaces The invention relates to a plasma torch for generating a transmitted argon plasma beam in an electric arc melting furnace, with a hollow electrode, a cooled outlet nozzle and a swirl chamber an argon gas ring created by azimuthal jet jets between the hollow elec ' trode and the nozzle.

Solche wirbelstabilisierten Brenner zum Schmelzen des Schmelzgutes in kontrollierter Atmosphäre sind im Handel erhältlich.Such vortex-stabilized burners for melting the material to be melted in a controlled atmosphere are commercially available.

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.To this day they are only used in direct current operation, whereby they are switched as a cathode, and the melt is switched as an anode. the Power is supplied to the melted material via bottom electrodes.

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.Large ovens with a capacity of 3000 kg, for example, should, however can be operated without a bottom electrode for technical and safety reasons. For example, such a furnace could have three connected as alternating current electrodes Plasma torches are provided, which are connected to the network in a star connection and to the Burn the load as a star point.

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.For such furnaces there is then an output of of the order of magnitude of 1 MW, which is due to the low arc voltage of an argon arc Burner currents of the order of magnitude of 6 kA are required for arc lengths of a few 100 mm.

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.It is the object of the present invention, the plasma torch of To improve the type mentioned at the beginning so that its electrode in spite of the mentioned high performance only a low burn-up or a long service life (at least 100 hours), the relatively long argon arc is bundled and directionally stable is, and the energy dissipated in the arc as completely as possible the weld pool is fed.

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.This object is achieved in that in a plasma torch the initially mentioned type according to the invention the length of the nozzle is so small that the electrical voltage drop across the length of the nozzle for the burning inside the nozzle Arch is smaller than for a corresponding over that Nozzle metal flowing electric current that the inside diameter of the nozzle is smaller than the clear diameter of the hollow electrode, and that which generates the argon gas ring azimuthal nozzle jets tangent to a circle whose diameter is between the 0.9 and 1.5 times the diameter of the hollow electrode.

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.The purpose of the nozzle is to bundle the bow and turn it in the direction stabilize. So the nozzle has always been designed to be relatively long. It however, it has now been recognized that the nozzle must be made as short as possible, because the arc emits a lot of energy through radiation, especially in the area of the nozzle, which is absorbed by the nozzle wall and uselessly transported away with the cooling will. In addition, the nozzle must therefore also be used with the high arc currents envisaged be short enough so that it is not cheaper for electricity, to flow over the nozzle metal instead of over the arch. In this case the Ignite the arc "1, that is, place it on the nozzle metal.

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.The clear diameter of the hollow electrode must be so large that the energy of the circumferential arch base is optimally transferred to the cooling system. In contrast, the inside diameter of the nozzle must always be smaller, in such a way that that the cold gas jacket enveloping the arc is not so thin that a Overfire on the nozzle metal becomes possible, and not so thick that the gas is uselessly lost goes.

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.The nozzle diameter is about if I is the burner current and K is a constant. By experimentally determining the constant K, this formula can be used to adapt the nozzles to the intended burner flows.

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.The azimuthal jets producing the argon gas ring were so far largely without taking into account the arc diameter in the vortex chamber introduced. By guiding the nozzle jets in such a way that a circle is tangent whose diameter is approximately the same as that of the hollow electrode, becomes a very large number more effective influencing of the base point movement of the arch is achieved. The arch base in the hollow electrode is set in motion much more effectively, and the Reduced surface loading of the electrode generated by the energy to be dissipated and their service life is increased considerably. A special magnetic field to move the The base of the arch is thus saved.

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.Further details and features of the invention emerge from the Embodiment explained below with reference to drawings. It shows: Fig. 1 shows a longitudinal section of a plasma torch according to the invention, and FIG. 2 shows a cross section through the swirl chamber of the plasma torch according to 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.The plasma torch shown consists of the nozzle 1, the swirl chamber 4 and the hollow electrode 2. All three parts have separate water cooling systems (H 20) on. The burner current is supplied via the current connection 7.

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.To generate a gas vortex, which the movement of the foot point of the arc 6 on the inner surface of the hollow electrode 2 and the stabilization of the arc 6 within the burner are effected into the vortex chamber 4 via channels 8 azimuthal argon nozzles 5 blown in via the gas supply Araz. This azimuthal A weak axial gas flow rate Arax is superimposed on the gas supply.

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.The Araz gas is supplied via eight nozzles with a diameter of 1 mm and 20 mm in length, which are arranged in pairs offset by 900 from one another are. The azimuthal argon flow of 15 Nm3 / h requires an inlet pressure of 5 atm. The speed. the nozzle jets 5 is of the order of magnitude of the speed of sound. The weak axial gas flow is about 0.8 Nm3 / h, so that the Total argon throughput is 15.8 Nm3 / h.

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.The nozzles jets 5 are tangent to a circle 3, the diameter of which is D3 is approximately equal to the diameter D2 of the hollow electrode 2. This diameter is D2 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.The burner was operated with 6 kA arc current. The Part of the arc in the immediate vicinity of nozzle 1 as a stable argon plasma jet of approx. 35 mm diameter. The gas velocity in the arch became about 200 m / sec, and the cold speed measured at about 40 m / sec. The temperature profile in the plasma jet is flat. In the area of the axis, the temperature is about 12500 0K. With a tension between the hollow electrode 2 and the nozzle 1 of 70 V and a current of 6 kA dissipated in the burner 420 kW. The energy dissipated from the burner is around 50% of the electrical energy fed in.

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.The consumption of the hollow electrode 2 was very low. The area of the running tracks of the base point of the arc 6 on the inner surface of the hollow electrode 2 is only just beginning at a distance of 30 mm from the lower edge of the hollow electrode 2.

Die in Fig. 1 dargestellten Dichtungsringe 9 dienen der elektrischen Isolation der Düse 1 von der Wirbelkammer 4 und der Hohlelektrode 2.The sealing rings 9 shown in Fig. 1 are used electrical Isolation of the nozzle 1 from the swirl chamber 4 and the hollow electrode 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.The plasma torch according to the invention is a great advantage in one Large three-phase alternating current electric arc furnace of the type specified above can be used, for example for melting scrap or high-alloy steel. The performance of 1000 kW per burner can easily be achieved with the conception according to the invention.

Claims (8)

PatentansprücheClaims 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.1. Plasma torch for generating a transmitted argon plasma beam in an arc melting furnace, with a hollow electrode, a cooled outlet nozzle and a vortex chamber with an argon gas generated by azimuthal jets ring between the hollow electrode and the nozzle, characterized in that the length (L) of the nozzle (1) is so small that the electrical voltage drop over the length (L) of the nozzle (1) for the arc (6) burning inside the nozzle (1) is smaller than for a corresponding electric current flowing through the nozzle metal, that the inside diameter (D1) of the nozzle (1) is smaller than the inside diameter (D2) of the hollow electrode (2), and that the azimuthal Nozzle jets (5) tangent to a circle (3) whose diameter (D3) is between the 0.9 and 1.5 times the diameter (D2) of the hollow electrode (2). 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.2. Plasma torch according to claim 1, characterized in that besides the argon gas flow Araz introduced azimuthally into the vortex chamber (4) is also an axial one supplied argon gas flow Ar is provided, the flow strength of which is at most ax 1/10 the flow strength of the azimuthal argon gas flow is Araz. 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.3. Plasma torch according to claim 1, characterized in that the Ratio of the diameter (D2) of the hollow electrode (2) to the diameter (D1) of the Nozzle (1) is larger than 1.1 and smaller than 2. 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 1,3.4. Plasma torch according to claim 1, characterized in that the Ratio of the diameter (D1) of the nozzle (1) to the diameter of the arch (6) in the nozzle is larger than 1.1 and smaller than 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.5. Plasma torch according to claims 1 to 4, characterized in that that the inside diameter (D1) of the nozzle (1) is between 35 and 45 mm, the diameter (D3) of the circle (3) of the vortex chamber (4) between 45 and 80 mm, the clear diameter (D2) of the hollow electrode (2) between 50 and 60 mm, the length (L) of the nozzle (1) between 15 and 25 mm, the burner current I between 3.5 and 7 kA, the flux strength of the axial Gas flow between 0.5 and 1.5 Nm3 / h and the flow strength of the azimuthal gas flow between 13 and 17 Nm3 / h. 6. Verwendung des Plasmabrenners nach Anspruch 1 als Hochstromelektrode eines Wechselstrom-Lichtbogen-Schmelzofens.6. Use of the plasma torch according to claim 1 as a high-current electrode an AC electric arc melting furnace. 7. Verwendung nach Anspruch 6 zum Schmelzen von Schrott.7. Use according to claim 6 for melting scrap. 8. Verwendung nach Anspruch 6 zum. Schmelzen von hochlegiertem Stahl.8. Use according to claim 6 for. Melting high-alloy steel.