DE2519966C3 - Plasmaofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmaofen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein derartiger Plasmaofen ist aus der DE-PS 07 048 bekannt

Wird bei einem derartigen Plasmaofen der umlaufende Plasmabrenner mit nur geringer Geschwindigkeit bewegt, so entsteht eine fadenartige, radial nicht ausgedehnte PlasmasSule. Wird jedoch die Umlaufgeschwindigkeit des Plasmabrenners so weit gesteigert, daß die an einer bestimmten Stelle seiner Umlaufbahn im Augenblick seines Durchlaafs erzeugte elektrische Ladungsmenge bis zum Auftreten des nächsten Plasmabrennerdurchlaufs durch diese Stelle nach einem vollständigen Plasmabrennerumlauf noch nicht vollständig abgeflossen ist, so entsteht eine radial ausgedehnte rotierende Plasmasäuk: kegeliger Form, die den größten Teil des Raumes zwischen der Umlaufbahn des Plasmabrenners und der Ringelektrode einnimmt Eine derartige radial ausgedehnte Plasmasäule ermöglicht das Einbringen verhältnismäßig großer Mengen von Beschickungsmaterial, das mittels der in der Plasmasäule herrschenden konzentrierten Energie einer chemischen oder physikalischen Veränderung unterzogen werden soll, ohne daß die Stabilität der Plasmasäule gestört wird.

■S Bei dem bekannten Plasmaofen ist der Plasmabrenner mittig innerhalb eines; Rotorkörpers derart gelagert, daß seine Mündung schräg abwärts und auswärts zu einem Punkt der Ringelektrode hin gerichtet ist, deren Durchmesser größer ah; der Umlaufbahndurchmesser der Mündung des Plasmabrenners ist Der Beschikkungskanal mündet bei dem bekannten Plasmaofen kranzartig konzentrisch zur Mündungsumlaufbahn des Plasmabrenners und radial außerhalb derselben in die Plasmasäule.

*5 Es ist klar, daß der umlaufende Plasmabrenner auch längsbweglich sein muß, um seine Mündung zum Zünden eines Lichtbogeins beim Anfahren des Plasmaofens der feststehenden Ringelektrode annähern zu können. Dies bedingt aufgrund des Abstands zwischen der Ringelektrode und der Mündung des Plasmabrenners bei dessen normaler' Betriebsstellung und aufgrund des dadurch erforderlichen möglichen Verschiebeweges eine beträchtliche Baulänge des Plasmabrenners, so daß dessen von der Ringelektrode abgewandtes Ende im noi malen Betrieb des !Plasmaofens die vertikale Achse der Plasmabrennerumlaufbahn schneidet und ein beträchtliches Stück bis jenseits dieser Achse hinausragt, so daß der Beschiclcungskanal nicht innerhalb der von der Mündung des Plasmabrenners beschriebenen Umlaufbahn, sondern nur in der genannten Weise kranzartig außerhalb dieser Umlaufbahn angeordnet werden kann. Der Eintrag des Beschickungsmaterials erfolgt deshalb in Form eines etwa zylindrischen Materialvorhangs, was zur Folge hat, daß der mittlere Bereich der Plasmasäule nicht oder kaum ausgenützt wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Plasmaofen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs so auszubilden, daß auch der Mittelbereich der Plasmasäule zur Behandlung des Beschickungsmaterials wirksam ausgenützt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Plasmabrenner derart gegenüber der vertikalen Achse geneigt ist, daß seine Mündung, auf die

SS Umlaufbahn des Plasmabrenners bezogen, nach innen zeigt und daß der Besehickungskanal mittig innerhalb der Umlaufbahn der Mündung des Plasmabrenners angeordnet ist

Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung das von

<* der Ringelektrode abgewandte Ende mit Bezug auf die vertikale Achse radial nach außen zeigt, wird ein Materialeintrag in die Plasmazone von oben her nicht durch den umlaufenden Plasmabrenner behindert. Der Materialeintrag durch den mittig innerhalb der Umlauf bahn der Mündung de« Plasmabrenners angeordneten Beschickungskanal ist wesentlich einfacher und ergibt eine wirksamere Behandlung des Beschickungsmaterials als bei dem bekannten MaterialeintraR in Form

eines zylindrischen Materialvorhangs.

Die Unteransprüche beziehen sich auf bevorzugte Ausgestaltung und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

In einfachster Bauart des Plasmaofen^ nach der Erfindung kann die Ringelektrode einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als der Umlaufbuhndurchmesser der Mündung des Plasmabrenner ist, so daß sich eine Plasmasäule in Form eines kopfstehenden Kegelstumpfes ergibt Dabei befindet sich der Bereich maximaler Energiekons jntration der Plasmasäule in der Nähe der Ebene der Ringelektrode.

Gemäß der im Anspruch 2 gekennzeichneten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mündung des Plasmabrenners zu einem jenseits der vertikalen Achse gelegenen Punkt der Ringelektrode hin gerichtet, wodurch man eine eingeschnürte Plasmasäule erhält, welche die Form zweier ineinander übergehender Kegelstümpfe hat. Hierbei liegt der Bereich der stärksten Energiekonzentration in der Plasmasäule in der Ebene der Einschnürung.

Dabei bietet sich die Möglichkeit, gemäß Anspruch 3 im Bereich der Einschnürung der Plasmasäule koaxial mit Bezug auf die vertikale Achse eine Hochfrequenz-RingspuIe anzuordnen, um zusätzlich Energie in die Plasmasäule einzukoppeln.

Die Anordnung r.uhrerer mit gleichen Umfangsabständen angeordneter umlaufender Plasmab -enner gemäß Anspruch 4 bringt den Vorteil, daß die Menge der in den Plasmaofen eingebrachten Energie wesentlich erhöht werden kann. Außerdem ist die Verwendung mehrerer Plasmabrenner dann von Vorteil, wenn die Plasmabrenner, beispielsweise zur Veränderung der in der Plasmasäule herrschenden Bedingungen während des Betriebs, längs ihrer eigenen Längsachsen verschoben werden sollen. Die durch die Plasmabrenner und den umlaufenden Brennerträger gebildete umlaufende Konstruktion bleibt dann stets fliehkraftmäßig im Gleichgewicht.

Das Merkmal des Anspruchs 5, gemäß welchem der Ringelektrodendurchmesser größer als der Mündungsumlaufbahndurchmeser des oder der Plasmabrenner ist, bringt den Vorteil, daß bei der Plasmabewegung von oben aus der Zone größter Energiekonzentration heraus nach unten eine sehr schnelle Expansion unter quasi-adiabatischen Bedingungen stattfindet, was zur Folge hat, daß der die Plasmazone verlassende Materialaustrag eine weit unterhalb der weiter oben in der Plasmazone herrschenden Maximaltemperatur liegende Temperatur aufweist. Dies gestattet insbesondere, wenn gemäß Anspruch 6 unterhalb der Ringelektrode eine weitere, gegebenenfalls durch den im Ofenunterteil gebildeten Sammeltiegel gebildete feststehende Elektrode vorgesehen ist, deren Potential vom Ringelektrodenpotential verschieden ist, daß beispielsweise Produkte hoch endotherm verlaufender Metallerz-Reduktionsvorgänge voneinander getrennt werden, bevor merkliche Rückwärtsreaktionen eintreten können. In diese Reaktionskategorie fallen auch Reaktionen, die zwar nicht zu einer raschen Reaktionsumkehr neigen, bei welchen jedoch die entstehenden Reaktionsprodukte ihrerseits hoch reaktiv oder instabil sind und zu weiteren unerwünschten chemischen Veränderungen neigen.

Sollen bei der Ausführung bestimmter Behandlungsverfahren die Reaktionskomponenten erst dann in der Plasmasäule zusammenkommen, wenn mindestens eine der Reaktionskomponenten bereits über eine bestimmte kritische Temperatur hinaus erhitzt worden ist oder eine vorhergehende Reaktions- oder Aufbereitungsphase in der Plasmasäule durchlaufen hat, oder wenn die verschiedenen Reaktionskomponenten sich während unterschiedlicher Verweilzeiten innerhalb der Plasmasäule befinden sollen, so kann gemäß Anspruch 7 eine zusätzliche Beschickungseinrichtung zum Materialeintrag in den Umfangsbereich der Plasmasäule vorgesehen sein. Eine geeignete Stelle für die Einbringung

ίο weiterer Reaktionskomponenten oder von Katalysatoren oder anderer die Reaktion fördernder Zusätze ist der Einschnürungsbereich der Plasmasäule. Diese zusätzliche Beschickungseinrichtung weist vorzugsweise mehrere mit gleichen Winkelabständen um die vertikale Achse der Plasmasäule herum angeordnete Vorrichtungen zur Einleitung des zusätzlichen Beschikkungsmaterials auf.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Plasmaofens wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch den Plasmaofen, und

F i g. 2 eine die Ofengeometrie erläuternde Darstellung.

Der in F i g. 1 gezeigte Plasmaofen weist einen Ofenmantel 1 auf, in dessen unterem Bereich eine Ringelektrode 2 angeordnet ist, die gegebenenfalls aus einer Anzahl einzelner Ringsegmente bestehen kann und die durch Hindurchleiten eines Kühlmittels gekühlt wird. Oberhalb der Ringelektrode 2 ist in einem nicht dargestellten drehbaren Träger ein umlaufender Plasmabrenner 3 angeordnet, der um eine vertikale, von der Ringelektrode 2 koaxial umgebene Achse umläuft und mit Bezug auf diese derart geneigt ist, daß seine Mündung schräg abwärts und, auf die Umlaufbahn des Plasmabrenners bezogen, einwärts gerichtet ist. Bei dem Plasmabrenner 3 handelt es sich normalerweise um eine Plasmakanone mit Lichtbogeneinschnürung, jedoch kann der Plasmabrenner auch durch eine sich nicht verbrauchende Elektrode, beispielsweise eine torierte Wolframelektrode gebildet sein, die in einen Strom plasmabildenden Gases eingehüllt ist.

Der Plasmabrenner 3 ist längs seiner eigenen Längsachse verschiebbar angeordnet, um ihn für Zünd- und Steuerzwecke zur Ringelektrode 2 hin oder von dieser wegbewegen zu können. Zweckmäßigerweise ist der Plasmabrenner 3 dazu mit einer Steuerungsautomatik verbunden, welche die Plasmabrennereinstellung durch entsprechende Längsverschiebung jeweils in Abhängigkeit von Änderungen der Plasmasäulenparameter korrigiert. Der rotierende Plasmabrennerträger schließt die Ofenoberseite dicht ab und weist lediglich eine Mittelöffnung auf, welche einen Beschickungskanal zum Eintrag von Beschickungsmaterial in das Ofeninnere bildet

An den unteren Teil des Ofenmantels schließt sich ein Sammeltiegel 4 an, der in üblicher Weise mit einer oder mehreren Abstichöffnungen versehen ist. Das untere Ende des Ofenmantels weist einen oder mehrere Gasabzugskanäle 5 auf.

Der nach innen geneigte umlaufende Plasmabrenner 3 läuft mit so großer Winkelgeschwindigkeit um die vertikale Achse der Ringelektrode 2 um, daß sich eine radia¹ ausgedehnte Plasmasäule 6 aufbaut Die Drehzahl des Plasmabrennerumlaufs liegt normalerweise über 250 U/min. Das obere Ende der Plasmasäule 6 weist eine etwa schalenförmige plasmafreie Zone 7 auf, in welche das Beschickungsmaterial in Richtung des Pfeils

8 eingebracht werden kann. Die Plasmasäule 6 weist eine Zone größter Einschnürung und maximaler Energiekonzentration auf, die in Höhe des Scheitels der gestrichelt angedeuteten, die Form der Plasmasäule bestimmenden Doppelkegels liegt.

Um zusätzliches Beschickungsmaterial in die Plasmazone einzutragen, welches erst dann mit dem Hauptmaterialeintrag in Berührung kommt, wenn dieser die eingeschnürte Mittelzone der Plasmasäule erreicht und eine entsprechende Vorerhitzung erfahren hat, können mit gleichmäßigem Winkelabstand am Ofenmantelumfang zusätzliche Beschickungskanäle 9 angeordnet sein. Diese Kanäle 9 können nach Bedarf auch zum Abzug von Gasen aus dem Ofeninneren Anwendung finden. Zum Zwecke der Einkopplung zusätzlicher Energie in die Plasmasäule kann im Einschnürungsbereich der Plasmasäule eine Hochfrequenz-Ringspule !0 angeordnet sein.

Für bestimmte Zwecke kann der Sammeltiegel 4 mit einer weiteren feststehenden Elektrode versehen oder selbst als solche ausgebildet sein, die beispielsweise als Anode auf höherem Potential als die Ringelektrode 2 liegen kann. Diese weitere festehende Elektrode kanr jedoch auch auf gegenüber der Ringelektrode "i negatives Potential geschaltet sein, was insbesondere dann zweckmäßig ist, wenn das Produkt die Plasmazone in Form positiv geladener Ionen oder kleiner Teilcher verläßt, die dann von dieser Elektrode angezoger werden.

Fig. 2 zeigt, daß bei Verwendung mehrerer Plasma brenner 3 die Längsverschiebbarkeit der Plasmabrennei

ίο zu keiner gegenseitigen Behinderung führt, wenn dei Punkt P, auf welchen die Längsachse eines Plasmabren ners 3 gerichtet ist, der auf dem Umfang des größerer Ringelektrodensegments, das durch eine durch die Tangente Γ zur Umlaufbahn Odes Plasmabrenners 3 verlaufende Schnittebene bestimmt ist, liegt und die Verbindungslinie zwischen dem Plasmabrenner 3 unc dem Punkt Pdie vertikale Achse A nicht schneidet. Eine größtmögliche Energiekonzentration ergibt sich jedoch wenn der oder die Plasmabrenner 3 jeweils auf einer bezüglich der vertikalen Achse A genau diametra gegenüberliegenden Punkt P' der Ringelektrode 2 gerichtet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Plasmaofen mit einer im unteren Ofenbereich angeordneten, sich in einer im wesentlichen horizontalen Ebene erstreckenden, eine vertikale Achse koaxial umgebenden feststehenden Ringelektrode und mindestens einem oberhalb derselben angeordneten länglichen, um die vertikale Achse und gegenüber dieser geneigt umlaufenden Plasmabrenner, dessen Mündung jeweils zu einem Punkt der Ringelektrode hin gerichtet ist und mit so großer Geschwindigkeit umläuft, daß zwischen der Umlaufbahn der der Ringelektrode zugewandten Mündung und der Ringelektrode eine zur vertikalen Achse im wesentlichen symmetrische Plasmasäule kegeliger Form aufrechterhalten wird, und mit einem von oben in die Plasmasäule mündenden Beschick'ingskanal, dadurch gekennzeichnet daß der Plasmabrenner (3) derart gegenüber der vertikalen Achse (A) geneigt ist, daß seine Mündung, auf die Umlaufbahn des Plasmabrenners bezogen, nach innen zeigt und daß der Beschickungskanal mittig innerhalb der Umlaufbahn der Mündung des Plasmabrenners angeordnet ist.

2. Plasmaofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung des Plasmabrenners (3) zu einem jenseits der vertikalen Achse (A) gelegenen Punkt (P, P') der Ringelektrode (2) hin gerichtet ist

3. Plasmaofen nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine im Bereich der stärksten Einschnürung der Plasmasäule (6) koaxial mit Bezug auf die vertikale Achse (A) angeordnete Hochfrequenz-Ringspule(lO).

4. Plasmaofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mehrere, mit gleichen Umfangsabständen angeordnete umlaufende Plasmabrenner (3).

5. Plasmaofen nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringelektrodendurchmesser größer als der Mündungsumlaufbahndurchmesser des oder der Plasmabrenner (3) ist.

6. Plasmaofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein unterhalb der Ringelektrode (2) im Ofenunterteil gebildeter Sammeltiegel (4) mit einer weiteren feststehenden Elektrode versehen oder selbst als solche ausgebildet ist, die auf einem vom Ringelektrodenpotential verschiedenen Potential gehalten wird.

7. Plasmaofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Beschikkungseinrichtung (9) zum Eintrag von Material in den Umfangsbereich der Plasmasäule (6).