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Lichtbogenbrenner
Die Erfindung betrifft eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung eines durch eine Wand in seiner Richtung stabilisierten, sogenannten wandstabilisierten Lichtbogengasstromes, insbesondere einen lichtbogenerosionsbeständigen Lichtbogenbrenner mit in der Wand einer Düsenelektrode angeordneten schwer schmelzbaren, elektrisch leitenden Einsätzen.
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offenbart worden, bei welcher ein Hochspannungslichtbogen zwischen einer inneren Stabelektrode und einer DUsenelektrode aufrecht erhalten wird. Ein Hochspannungslichtbogen ist eine selbständige Gasentladung in dem allgemeinen Druckbereich über 1/20 at und mit einer Stromstärke im Bereich von wenigen bis tausend Ampère.
Bei der vorgenannten Vorrichtung wird ein Gasfluss durch einen einschnürende Auslasskanal einer Düse gewissermassen gleichströmend mit dem Bogen zum Austreten gebracht, wobei der Bogengasstrom in der Düse gesammelt und mindestens teilweise durch die verhältnismässig kühle Wandung des Düsenkanals wandstabilisiert wird. Der Ausfluss des Brenners hat die Form eines heissen Gasstromes, der von der Düse gesteuert und gerichtet wird.
Gewöhnlich ist der Düsenkanal in der Elektrode aussen wassergekühlt, damit die Düsenelektrode unterhalb ihres Schmelzpunktes gehalten wird. Wenn in einer solchen Vorrichtung ein reaktionsfähiges Gas, insbesondere ein diatomisches Gas, wie Wasserstoff und Stickstoff, verwendet wird, tritt im Betrieb gewöhnlich eine unregelmässige Erosion und Grübchenbildung in der meistens als Anode geschalteten Düsenelektrode ein.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen Lichtbogenbrenner mit einer nicht verbrauchbaren Stabelektrode, die in einer Düse mit verengtem Austrittskanal angeordnet ist und deren Spitze sich in der Nähe der Eintrittsöffnung des Kanals befindet, wobei die Düse eine Gegenelektrode aufweist, zwischen der und der Stabelektrode einlichtbogen erzeugt werden kann, der bei Anwesenheit einer die Düse durchlaufenden Gasströmung in den verengten Kanal eintritt. Erfindungsgemäss weist die Gegenelektrode eines oder mehrere Vorzugselektrodenelemente auf, die beim Auftreffen des Lichtbogens auf sie eine höhere Temperatur annehmen, als sie die benachbarte Düsenwand beim Auftreffen des Lichtbogens auf dieser annehmen würde.
Infolge des Vorhandenseins der Vorzugselektrode oder-elektroden besitzt die Innenwand der Düse eine stark verbesserte Beständigkeit gegenüber der Lichtbogenerosion. Die Vorzugselektroden können beispielsweise durch in der Düsenwand angeordnete Einsätze gebildet werden, die aus erosionsbeständigem, schwer schmelzbarem, elektrisch leitendem Material bestehen. Vorzugsweise wird Wolfram verwendet, doch können auch andere schwer schmelzbare Elektrodenmaterialien. wie Tantal und Molybdän, Anwen- dung finden. Der Einsatz ist teilweise wärmeisoliert oder so montiert, dass die Wärmeübertragung zwischen ihm und dem Rest der Düse gering ist, so dass er im Betrieb Temperaturen in der Nähe des Schmelzpunktes des Einsatzes annehmen kann.
Die dabei erhaltene heisse Stelle wirkt als eine die Lichtbogenerosion und Grübchenbildung herabsetzende Vorzugselektrode.
Es wird angenommen, dass die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Brenners auf folgender Theorie beruht, auf welche die Erfindung jedoch nicht eingeschränkt ist. In den vorstehend erwähnten bekannten Lichtbogenbrennern wurde die Düsenelektrode soweit gekühlt, dass eine kühle Gasschicht von manchmal kleiner, aber immer endlicher Dicke geschaffen wurde, welche den Lichtbogen umgab und ihn von der Düsenelektrode trennte. Da der Lichtbogenstrom aus einem Elektronenstrom besteht, müssen diese Elek-
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tronen diese relativ kühle Gasschicht durchbrechen. Ein elektrischer Strom sucht jedoch den Weg geringsten Widerstandes. Wenn diese Gasschicht nun an einer bestimmten Stelle von mehreren Elektroden durchbrochen worden ist, trachten andere Elektroden, derselben Bahn zu folgen, weil an dieser Stelle leicht ionisierter Metalldampf vorhanden ist.
Infolgedessen ist ein beträchtlicher Lichtbogenstromfluss an einer fast unendlich kleinen Stelle konzentriert, so dass die Düsenelektrodenfläche an dieser Stelle durch den Lichtbogen eine Grübchenbildung erfährt. Dasselbe Ergebnis wird auch erhalten, wenn die innere Düsenfläche vollständig aus Wolfram besteht und in der üblichen Weise gekühlt wird. Erfindungsgemäss kann ein gekühlter Düsenkörper verwendet werden, in dem die Lichtbogenerosion und Grübchenbildung in der Düse im wesentlichen vollständig beseitigt werden, wenn Düseneinsätze aus Wolfram vorgesehen werden, die so montiert sind, dass die Wärmeübertragung zwischen ihnen und dem Rest der Düse gering ist.
Im Betrieb der Vorrichtung werden diese Einsätze heiss, weil die Lichtbogenwärme und die Anodenwärme von den Einsätzen nicht rasch abgeführt werden. Daher wird die den Lichtbogen in der Düse umgebende Gasschicht beim Bestreichen des heissen Einsatzes nicht so stark abgekühlt. Der dadurch in unmittelbarer Nachbarschaft der Einsatzspitzen geschaffene Bereich wärmeren Gases bildet für einen Lichtbogenelektronenfluss einen Weg mit einem Widerstand, der niedriger ist als in dem kühleren Gas in der Nahe der kühlen Düsenwände, so dass der Lichtbogenstrom an diesen heissen Stellen konzentriert wird.
Erfindungsgemäss erhält man den Vorteil, dass die wirksamen Anodenflächen an den Einsätzen der Düse einen beträchtlich grösseren Querschnitt haben als die unregelmässig verteilten Punkte in den bekannten Vorrichtungen, in denen der Lichtbogen die kühle Gasschicht in der Düse durchsetzte. Da der Lichtbogenstrom durch einen grösseren Querschnitt geleitet wird, erfolgt eine Herabsetzung der Stromdichte an der Anodenoberfläche und der Leistungsintensität, so dass die Möglichkeit der Lichtbogen-Grübchenbildung herabgesetzt wird.
Da die heissen Oberflächen der Einsätze ferner als Vorzugselektroden wirken, kann die tatsächliche Länge des Lichtbogens zwischen der inneren Stabelektrode und der DUsenelektrode mit Hilfe der vorliegenden Vorrichtung genauer bestimmt werden, wenn dies erwünscht ist. Die Verwendung dieser als Vorzugselektroden dienenden Einsätze verbessert auch die Stabilität des Lichtbogens.
Der erfindungsgemässe Lichtbogenbrenner kann einen einzigen Einsatz aus schwer schmelzbarem Metall aufweisen oder zwei oder mehrere Einsätze, die in gleichmässigen Abständen voneinander am Innenumfang der Düse einander gegenüberliegend angeordnet sind. Es hat sich gezeigt, dass, wenn der Lichtbogen an einem als Vorzugselektrode wirksamen Düseneinsatz stabilisiert wird, er trachtet, auch an einer Stelle der entgegengesetzten Düsenwand zu zünden. Der Einsatz kann auch derart ausgebildet sein, dass die ganze Innenfläche der Düse aus schwer schmelzbarem Metall besteht, wobei zu beachten ist, dass dieser Einsatz so montiert sein muss, dass eine geringe Wärmeübertragung zwischen ihm und dem Rest der Düsenelektrode vorhanden ist, so dass er während des Betriebes des Lichtbogens heiss werden kann.
Bei dieser Anordnung ist die Temperatur der heissen Wolframoberfläche immer noch beträchtlich niedriger als die Lichtbogenplasmatemperatur und bildet somit eine relativ kühle Fläche, welche den Lichtbogen zu stabilisieren trachtet.
Die Verwendung von heiss werdenden, schwer schmelzbaren Duseneinsätzen hat noch einen weiteren Vorteil, besonders wenn die ganze demLichtbogen ausgesetzte Düsenfläche durch den schwer schmelzbaren Einsatz gebildet wird. Dieser Vorteil besteht in dem erhöhten Wärmewirkungsgrad, weil die Lichtbogenwärme zur Erhöhung des Wärmegehaltes des austretenden Gasstromes verwendet wird. Da erfindungsgemäss weniger Wärme von der Düse, beispielsweise durch äussere Wasserkühlung, abgeführt wird, kann eine grössere Menge der Lichtbogenwärme in der aus Lichtbogengas bestehenden, die Düse verlassenden Ausströmung verbleiben. Das heisst, dass die Temperatur des Ausflusses bei Verwendung von schwer schmelzbaren DUseneinsätzen höher ist.
Dies ist vorteilhaft, wenn der heisse Ausfluss beispielsweise dazu verwendet wird, um Kohlenwasserstoffe bei der Erzeugung von Acetylen zu spalten. Die Vorteile derartiger schwer schmelzbarer Einsätze machen sich besonders bei relativ hohen Stromstärken bemerkbar, wenn zur Verhinderung eines Schmelzens der bekannten Düsen grosse Kuhlmittelmengen erforderlich waren.
In der Zeichnung stellen Fig. 1 - 8 verschiedene Ausführungsformen der Erfindung im Längs- bzw.
Querschnitt dar.
Fig. 1 zeigt einen Brenner, der im wesentlichen aus einer Innenelektrode 10 und einem Brennerkörper 12 besteht, der eine Düse 14 mit einem Innenkanal 15 bildet. Zur Erzielung der höchsten Stabilität des Lichtbogens wird die Innenelektrode vorzugsweise konzentrisch zur DUsenachse angeordnet. Die Düse wird durch ein Kühlmittel wie Wasser gekühlt, das durch die Leitung 16 in den Ringraum 18 hinein und durch die Leitung 20 austritt. Fig. 2 zeigt die Düse 14 im Querschnitt nach der Linie 2-2. In der Bohrung 24 der Düse 14 ist ein schwer schmelzbarer Einsatz 22 lose eingesetzt, so dass zwischen dem Einsatz 22 und der Düse 14 nur eine geringe Wärmeübertragung vorhanden ist.
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Der Abstand zwischen dem Einsatz 22 und der Bohrung 24 ist der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt.
Um eine geringe Wärmeübertragung zu erhalten, könnte der Einsatz auch mit einem hochtemperaturbeständigen Wärmeisoliermaterial umgeben sein. Der elektrische Kontakt zwischen dem Einsatz 22 und der Düse 14 wird durch eine Verbindung 26 aufrechterhalten, die aus einer Löt- oder Schweissstelle bestehen kann.
Der Einsatz 22 hat die Form eines Zylinders oder einer Stange, wie dies in Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Man kann jedoch gegebenenfalls auch andere Formen anwenden. Hinsichtlich der Gestalt und Anordnung des Einsatzes ist es wichtig, dass mindestens eine Fläche zu dem Düsenelektrodenkanal hin fréiliegt und mindestens eine derartige Fläche von dem Rest der Düse teilweise wärmeisoliert ist, während
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den, indem eine Stromquelle 28 mit Hilfe der Zuleitungen 30 und 32 an die Innenelektrode 10 und die Dasenelektrode 14 angeschlossen ist. Jetzt wird durch den Ringraum zwischen der Innenelektrode 10 und dem Brennerkörper 12 eine Gasströmung eingeführt, die durch den DUsenkanal 15 austritt, und vorzugsweise in bezug auf die Innenelektrode und Düse axial gerichtet ist.
Dann wird zwischen der Stabelektrode 10 und dem Einsatz 22 ein Lichtbogen 13 gebildet, wobei der heisse gasförmige Ausfluss 17 durch den eine Wandstabilisierung bewirkenden Kanal geregelt und gerichtet wird.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 und 4 dargestellt, wobei Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 zeigt. In dieser Ausführungsform werden mindestens zwei Einsätze 22 und 22'verwendet. Ähnliche Einsätze können gemäss Fig. 5 verwendet werden.
Fig. 6 und 7 zeigen eine abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung, in welcher der Einsatz die Form einer Hülse aus schwer schmelzbarem Metall aufweist, deren ganze Innenfläche als DUsenelektrode dient. Der Einsatz 34 ist in der Bohrung 15 lose eingesetzt und darin am einen Ende durch einen elektrischenAnschluss 36 gehalten, der vorzugsweise durch eine Löt- oder Schweissstelle gebildet wird.
Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in welcher der aus schwer schmelzbarem Metall bestehende Einsatz im Betrieb aussen durch einen Schutzgasstrom vor einer atmosphärischen Oxydation geschützt wird. Wenn in dieser Ausführungsform der Einsatz seinen Schmelzpunkt erreicht, wird das Schutzgas an der Aussenfläche des heissen Einsatzes dissoziiert und trachtet dabei, den Einsatz zu kühlen und seine Zerstörung zu verhindern. Für diesen Zweck wird Wasserstoff bevorzugt, weil es eine niedrigere Dissoziationsenergie hat als andere nicht oxydierend wirkende diatomische Gase wie Stickstoff.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann mit allen Gasen verwendet werden, deren Verwendbarkeit in einem Lichtbogenbrenner bekannt ist, beispielsweise Argon, Helium, Wasserstoff, Stickstoff oder Gemische derselben. Sie ist jedoch besonders für den Betrieb mit aktiven diatomischen Gasen wie Wasserstoff und Stickstoff geeignet. Die sich hiebei ergebende heisse Gasausströmung lässt sich für die Förderung chemischer Reaktionen, wie für die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen zur Bildung von Acetylen gebrauchen. Sie kann ferner auch zur Erzeugung eines atomaren Wasserstoff enthaltenden Stromes für andere Zwecke, beispielsweise zum Schneiden und Schweissen von Metallen verwendet werden.
Das nachstehende Beispiel beschreibt eine typische Anwendungsform dieses erfindungsgemässen Licht- bogenbrenners : Beispiel l : Es wurde ein Brenner der in Fig. 3 und 4 gezeigten Art verwendet. Der Durchmesser der Stabeelektrode, der Bohrungsdurchmesser der DUsenelektrode und der Durchmesser der beiden zylindrischen Einsätze aus Wolfram betrug 3, 2 mm. Der Brenner wurde mit einem Gleichstromlichtbogen von 93 V und 149 A bei negativ gepolter Stabelektrode betrieben, während Wasserstoffgas in einer Menge von 24, 9 l/min durch die Düsenbohrung abwärtsströmte. Kühlwasser trat auch durch den ringförmigen Kúhlkanal in den Brennerkörper.
Die aus atomarem Wasserstoff bestehende heisse Gasausströmung, die auf diese Weise erhalten wurde, diente zum Cracken von Methangas zu Acetylen und Nebenprodukten. Die Lichtbogendüse erlitt keinen sichtbaren Schaden durch Erosion oder Lichtbogen-Grübchenbildung,
Eine ähnliche Vorrichtung wurde fünf Stunden lang ununterbrochen mit Wasserstoffgas betrieben, ohne dass sich Zeichen einer Erosion oder Grübchenbildung an der Düse zeigten. Eine mit Wasserstoffgas betriebene ähnliche Vorrichtung, die keine Wolframeinsätze aufwies, fiel nach etwa einer Betriebsstunde infolge starker Erosion und Grübchenbildung aus.
Die vorliegende Vorrichtung wird zweckmässig mit Gleichstrom bei negativ gepolter Stabelektrode betrieben. Man kann jedoch auch andere Stromarten, beispielsweise Gleichstrom bei positiv gepolter Stabelektrode, Wechselstrom und pulsierenden Gleichstrom verwenden, da der Lichtbogen zwischen der heissen Stabelektrode und der heissen Einsatzelektrode leicht gezündet werden kann.
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Das nachstehende Beispiel beschreibt die Funktion eines Brenners mit einem Einsatz aus schwer schmelzendem Metall, der die ganze freiliegende Anodenfläche der Düse bedeckt.
Beispiel II : Es wurde ein Brenner der in Fig. 6 und 7 gezeigten Art verwendet. Der Durchmesser der Stabelektrode und der Bohrungsdurchmesser des aus Molybdänmetall bestehenden Einsatzes betrug 3, 2 mm. Der Brenner wurde mit einem Lichtbogen mit einer Gesamtleistung von 18, 3 kW betrieben, während Wasserstoffgas in einer Menge von 28 l/min durch die Bohrung des Duseneinsatzes trat. Etwa 11, 7 kW der Gesamtleistung wurden von dem Wasserstoffstrom aufgenommen. Der ringförmige Kühlkanal des Brennerkörpers wurde von Kühlwasser durchflossen. Die auf diese Weise erhaltene, aus atomarem Wasserstoff bestehende heisse Gasausströmung wurde dann zum Cracken von Methangas zu Acetylen und Nebenprodukten verwendet.
Der Molybdäneinsatz erfuhr keine sichtbare Beschädigung durch Erosion oder Lichtbogen-Grübchenbildung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Lichtbogenbrenner mit einer nicht verbrauchbaren Stabelektrode, die in einer Düse mit einem verengtenAustrittskanal angeordnet ist und deren Spitze sich in der Nähe der Eintrittsöffnung dieses Kanals befindet, wobei die Düse eine Gegenelektrode aufweist, zwischen der und der Stabelektrode ein Lichtbogen erzeugt werden kann, der bei Anwesenheit einer die Düse durchsetzenden Gasströmung in den verengten Kanal eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode ein oder mehrere Vorzugselektrodenelemente aufweist. die beim Auftreffen des Lichtbogens auf sie eine höhere Temperatur annehmen, als sie die benachbarte Düsenwand beim Auftreffen des Lichtbogens auf dieser annehmen würde.