DE1090795B

DE1090795B - Method and burner for generating a stabilized arc jet flame of high heat intensity

Info

Publication number: DE1090795B
Application number: DEU5639A
Authority: DE
Inventors: Harold Sylvanus Morton Jun
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1957-10-10
Filing date: 1958-10-01
Publication date: 1960-10-13

Description

Verfahren und Brenner zur Erzeugung einer stabilisierten Lichtbogenstrahlflamme hoher Wärmeintensität Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Erzeugung einer stabilisierten Lichtbogen-Plasmagebläseflamme hoher Wärmeintensität, unter Verwendung einer nicht abschmelzenden Stabelektrode und einer außerhalb des Brenners befindlichen Gegenelektrode, weiterhin unter Verwendung eines konzentrisch zum Lichtbogen angeordneten und diesen einschnürenden Flüssigkeitswirbels, der durch die aus der Wirbelflüssigkeit unter Hitzeeinwirkung gebildeten, unter Druck ausströmenden Gase im Abstand von dem Lichtbogen gehalten wird.Method and torch for generating a stabilized arc jet flame high heat intensity The present invention relates first to a method for generating a stabilized arc plasma blower flame of high heat intensity, using a non-consumable rod electrode and one outside the Burner located counter electrode, still using a concentric arranged to the arc and this constricting fluid vortex, which by those formed from the eddy fluid under the action of heat, flowing out under pressure Gases are kept away from the arc.

Bei einem früheren Verfahren zum Erzeugen einer Lichtbogenstrahlflamme wurde ein zwischen einer innerhalb einer Gasdüse angeordneten Elektrode und einem elektrisch leitenden Werkstück brennender Lichtbogen zusammen mit einem Gasstrom durch eine einschnürende Düse hindurchgeführt, deren Wandungen innen wassergekühlt waren. Dieses frühere Plasmagebläseverfahren hat aber mehrere Nachteile: Gelegentliche Doppelbogenbildung, d. h. von der inneren Elektrode über die leitende Düse zum Werkstück, Beschränkungen im Ausmaß üblicherweise erreichbarer Bogenbildung, Beschränkungen mit nachteiliger Beeinflussung der Ausnutzung der Energie.In a previous method of creating an arc jet flame became a between an electrode arranged inside a gas nozzle and a electrically conductive workpiece burning arc together with a gas flow passed through a constricting nozzle, the walls of which are water-cooled on the inside was. However, this earlier plasma blowing method has several disadvantages: Occasional Double arcing, d. H. from the inner electrode via the conductive nozzle to the workpiece, Limitations on the amount of arcing usually achievable, limitations adversely affecting the use of energy.

Gemäß einem weiteren bekannten Verfahren wird der Lichtbogen durch die Mitte eines einschnürenden Wasserwirbels hindurchgeführt, bevor er durch einen einschnürenden Kanal hindurch austritt, dessen Oberfläche von einem Wasserfilm bedeckt ist. Dank der teilweisen Verdampfung des Wassers und der Dissoziation des unter Überdruck stehendenWasserdampfes in Gegenwart des Lichtbogens tritt die Plasmaflamme mit hoher Geschwindigkeit aus. Die Eigenschaften einer solchen Ausströmung sind indessen schwierig zu beherrschen. Ferner beschädigt der erodierende Effekt des Wasserdampfs und des Sauerstoffs in statu nacendi die berührten Brennerteile und erfordert häufigen Ersatz der Elektrode.According to a further known method, the arc is through passed through the center of a constricting eddy before passing through a constricting channel emerges, the surface of which is covered by a film of water is. Thanks to the partial evaporation of the water and the dissociation of the under The plasma flame enters the pressurized water vapor in the presence of the arc off at high speed. The properties of such an outflow are however difficult to control. Furthermore, the erosive effect of the Water vapor and oxygen in statu nacendi the touched parts of the burner and requires frequent electrode replacement.

Demgemäß ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und einen Brenner zu schaffen, durch welche ein Lichtbogenstrahlflammengebilde mit Hilfe eines Flüssigkeitswirbels leichter beherrscht werden kann und bei welchem die Standzeit oder Lebensdauer der Elektrode merklich verlängert sind.Accordingly, it is the object of the present invention to provide a method and to provide a torch through which an arc jet flame formation is formed The help of a fluid vortex can be controlled more easily and with which the service life or service life of the electrode is noticeably extended.

Bei dem Verfahren besteht die Erfindung darin, da.ß zwischen Lichtbogen und Flüssigkeitswirbel bzw. den aus diesem gebildeten Gasen ein an sich bekannter, den -Lichtbogen einschnürender- Inertschutzgasstrom eingeblasen wird.In the method, the invention consists in that between arcs and liquid eddies or the gases formed from them a known per se, The arc constricting inert shielding gas flow is blown in.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird der Flüssigkeitswirbel in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer Flüssigkeit erzeugt, die unter Einfluß des Lichtbogenplasmas chemisch reagiert.In one embodiment of the method, the fluid vortex generated in a manner known per se with the help of a liquid that is under the influence of the arc plasma reacts chemically.

Gemäß einer Abänderung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird an Stelle eines interten Schutzgases in an sich bekannter Weise Wasserstoff verwendet.According to a modification of the method according to the invention, instead of an inert protective gas used in a known manner hydrogen.

Die Erfindung betrifft ferner einen Brenner in einer sich in den Düsenkanal erstreckenden, nicht abschmelzenden Stabelektrode, der unterhalb einer aus einer Flüssigkeitsquelle gespeisten und mit Verteilmittel versehenen Wirbelkammer liegt, aus welcher der Flüssigkeitswirbel, vorzugsweise über ein düsenförmig gekrümmtes Übergangsstück, in den Düsenkanal eintritt und den zwischen der Stabelektrode und einer außerhalb des Brenners befindlichen Elektrode gebildeten Lichtbogen umgibt, und die Erfindung besteht darin, daß in an sich bekannter Weise ein die Elektrode koaxial umgebender Gasströmungskanal vorgesehen ist, der den Gasstrom, vorzugsweise über ein düsenförmig gekrümmtes Übergangsstück, über den Endteil der Elektrode in die Mitte des Flüssigkeitswirbels leitet.The invention also relates to a burner in a nozzle channel extending, non-consumable rod electrode, which is below one of a Fluid source fed and provided with distribution means swirl chamber, from which the fluid vortex, preferably via a nozzle-shaped curved one Transition piece that enters the nozzle channel and that between the rod electrode and surrounds an arc formed outside the torch, and the invention consists in that in a manner known per se, the electrode coaxially surrounding gas flow channel is provided, which the gas flow, preferably via a nozzle-shaped curved transition piece, via the end part of the electrode in the center of the fluid vortex directs.

Die Erfindung ist in den Darstellungen an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt Fig.1 einen schematischen Vertikalschnitt durch den erfindungsgemäßen Brenner, Fig.2 einen Horizontalschnitt in einer durch die Linie 2-2 der Fig. 1 angedeuteten Ebene, Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, die eine bevorzugte Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, Fig.4 die Bogenspannung als Funktion des Gasflusses und Fig. 5 die Bogenspannung als Funktion des Bogenstromes.The invention is shown in the illustrations on the basis of exemplary embodiments described. 1 shows a schematic vertical section through the inventive Brenner, FIG. 2 shows a horizontal section in one indicated by the line 2-2 in FIG 3 is a view similar to FIG. 1 showing a preferred embodiment illustrated according to the present invention, Fig. 4 the arc voltage as a function of the gas flow and FIG. 5 the arc voltage as a function of the arc current.

Der Lichtbogenbrenner hat einen oberen Brennerkörper, der im allgemeinen mit 10 bezeichnet ist. Innerhalb eines in diesen oberen Brennerkörper gebohrten Loches 12 ist eine Elektrode 14 axial angeordnet. Die Wandung des Loches 12 und die Elektrode 14 schaffen zwischen sich -einen ringförmigen Kanal für den Fluß eines zweckentsprechenden Gases, wie Helium, Argon, Stickstoff- oder Gemisch derselben, oder- Wasserstoff oder irgendeines anderen Gases. Ein länglicher Flüssigkeitswirbel, in der Form einer dünnen zylindrischen Schicht innerhalb eines Führungsrohres 15, ist mit der Elektrode koaxial ausgerichtet. Die andere Primärelektrode kann ein metallisches Werkstück 16 oder eine wassergekühlte Elektrode 16 sein. Ein zwischen der Elektrode 14 und dem Werkstück 16 brennender Lichtbogen durchgreift den Flüssigkeitswirbel innerhalb des Führungsrohres 15, ,wobei eine passende Stromquelle S mittels der Leitungen 18 und 20 an sie angeschlossen ist. Eine extrem heiße, elektrisch leitende Plasmagebläseflamme tritt aus dem Auslaß des Kanals innerhalb des Flüssigkeitsführungsrohres 15 aus. Ein Teil der gesamten Ausströmungen kann aus Dampf aus dem Flüssigkeitsfilm bestehen. Der Druck innerhalb des Wirbels und demgemäß der Druck, unter welchem der Lichtbogen arbeitet, kann selbstverständlich über einen weiten Bereich schwanken, in Abhängigkeit vom Druck des eingeblasenen Gases und vom Druck des sich aus dem Flüssigkeitswirbel bildenden Dampfes.The arc torch has an upper torch body that is generally is denoted by 10. Inside one drilled into this upper torch body Hole 12, an electrode 14 is arranged axially. The wall of the hole 12 and the electrode 14 create between them an annular channel for the flow of a appropriate gas, such as helium, argon, nitrogen or a mixture of the same, or- hydrogen or any other gas. An elongated vortex of fluid in the form of a thin cylindrical layer within a guide tube 15, is aligned coaxially with the electrode. The other primary electrode can be a metallic workpiece 16 or a water-cooled electrode 16. One between The arc burning between the electrode 14 and the workpiece 16 penetrates the fluid vortex within the guide tube 15, with a suitable power source S by means of the Lines 18 and 20 are connected to them. An extremely hot, electrically conductive one Plasma blower flame emerges from the outlet of the channel within the liquid guide tube 15 off. Part of the total outflow may consist of vapor from the liquid film exist. The pressure within the vortex and, accordingly, the pressure under which the arc works, can of course fluctuate over a wide range, depending on the pressure of the blown gas and the pressure of the Liquid vortex forming vapor.

Bei der in Fig. 1 und 2 veranschaulichten Ausführungsform bilden das Flüssigkeitsführungsrohr 15 und der Turbinenkörper 22 eine Baueinheit, die über ein Rohr 23 mit dem oberen Brennerkörper 10 verbunden ist. In den Körper 22 ist eine ringförmige Kammer 24 eingeformt, in welche Flüssigkeit unter Druck tangential durch Einlässe 25 und 26 eingespritzt und damit veranlaßt wird, entlang des Führungsrohres 15 abwärts zu wirbeln, wobei sie einen Flüssigkeitsfilm bildet, der das Führungsrohr verläßt und die aus diesem Rohr austretende Plasmaflamme umgibt. Die Beherrschung der Bodenbedingungen, wie Länge, Spannung und Strom, ist der mit den bisherigen Vorrichtungen erreichbaren weit überlegen.In the embodiment illustrated in FIGS. 1 and 2, the Liquid guide pipe 15 and the turbine body 22 a structural unit, which over a tube 23 is connected to the upper torch body 10. In the body 22 is an annular chamber 24 is molded into which fluid under pressure is tangential injected through inlets 25 and 26 and thereby induced along the guide tube 15 to swirl downwards, forming a liquid film that forms the guide tube leaves and surrounds the plasma flame emerging from this tube. Mastery the soil conditions, such as length, voltage and current, is the same as the previous one Devices achievable far superior.

Bei der in Fig.3 veranschaulichten Ausführungsform ist eine Gasdüse 28 vor dem Turbinenkörper 22 angeordnet und ein ähnlicher Düseneinlauf 32 im Turbinenkörper selbst vorgesehen, um die Gas- und ZYasserflüsse in Stromlinienform zu bringen und hierdurch den Betrieb zu verbessern. Nach diesen Regeln gebaute Brenner arbeiteten bei Stromstärken von hunderten von Ampere jeweils mehrere Stunden, ohne daß Einstellungen erforderlich waren.In the embodiment illustrated in Figure 3 is a gas nozzle 28 arranged in front of the turbine body 22 and a similar nozzle inlet 32 in the turbine body provided itself to streamline the gas and water flows and thereby improving the operation. Burners built according to these rules worked with currents of hundreds of amperes several hours without any adjustments were required.

Bei beiden Ausführungsformen verkörpert der Flüssigkeitsfilm eine Ausströmung mitsamt dem Strom aus Bogen-Gas-Plasma und bildet somit die ganze auch aus dem Führungsrohr 15 austretende Ausströtnung.In both embodiments, the liquid film embodies one Outflow together with the current from arc-gas-plasma and thus also forms the whole exuding from the guide tube 15.

Folgende Beispiele geben die Betriebsweise des Verfahrens mit den Flüssigkeitswirbeln stabilisiertem Lichtbogen wieder: Beispiel I Bei Verwendung des in Fig. 1 veranschaulichten Brenners tritt Wasser mit etwa 1,71/Min. tangential in die ringförmige Turbinenkammer von 5 mm Höhe und 17 mm Durchmesser ein und gelangt dann in einer schraubenförmigen Bewegung herab entlang der Wandung des Führungsrohres mit 8 mm Durchmesser und 13 mm Länge. Argongas floß mit 5661/Std. um eine 3 mm dicke thorierte Wolframelektrode und heraus durch die Mitte des Wasserwirbels. Ein Lichtbogen von 150 Ampere und 60 Volt Gleichstrom bei negativer Stabelektrode wurde zwischen der inneren Elektrode und einer wassergekühlten Anode aufrechterhalten. Der Druck war annähernd Atmosphärendruck. Beispiel II Die Brennerkonstruktion wurde dann in jene gemäß der Fig. 3 abgewandelt; um die Gase und Wasserflüsse stromlinienförmig zu gestalten und den Betrieb zu verbessern. Bei Verwendung dieses bevorzugten Brenners trat Wasser mit 1,71/Min. in die ringförmige Kammer ein. Argongas floß mit 283 I/Std. durch den Brenner hindurch, während ein Bogen mit 50 Ampere und 37 Volt Gleichstrom, mit negativer Stabelektrode, zwischen der inneren Elektrode und einer wassergekühlten Kupferanode aufrechterhalten wurde. Diese Vorrichtung konnte mehrere Stunden lang praktisch ohne Abnutzung betrieben werden.The following examples show the mode of operation of the process with the Liquid vortex stabilized arc again: Example I When using of the burner illustrated in Figure 1, water enters at about 1.71 / min. tangential enters the annular turbine chamber 5 mm high and 17 mm in diameter and arrives then in a helical movement down along the wall of the guide tube 8 mm in diameter and 13 mm in length. Argon gas flowed at 5661 / hour. by a 3 mm thick thoriated tungsten electrode and out through the center of the water vortex. An arc of 150 amps and 60 volts direct current with negative rod electrode was between the inner electrode and a water-cooled anode. The pressure was approximately atmospheric pressure. Example II The burner construction was then carried out in those modified according to FIG. 3; to streamline the gases and water flows design and improve operations. When using this preferred burner entered water at 1.71 / min. into the annular chamber. Argon gas flowed at 283 l / hr. through the torch while an arc of 50 amps, 37 volts direct current, with negative rod electrode, between the inner electrode and a water-cooled one Copper anode was maintained. This device could last for several hours can be operated with practically no wear and tear.

Eine durch Flüssigkeitswirbel stabilisierte Plasmaflamme der vorliegenden Art hat ein weites Anwendungsfeld. Chemische Reaktionen können als Folge der nahen Nachbarschaft der Flüssigkeit zum heißen Bogenplasma eingeleitet werden, wobei die Reaktion entweder innerhalb der Flüssigkeit selbst oder zwischen der Flüssigkeit und dem Schutzgas stattfindet. Wenn dieser Lichtbogen als ein chemisches Werkzeug verwendet wird, kann die Konzentration des reagierenden Dampfes in der Bogensäule (d. h. Dampf aus dem Flüssigkeitsfilm) geändert werden, indem man sowohl den Fluß des Schutzgases hinter der Brennerelektrode als auch den Strom einstellt. Dies geht aus den Fig. 4 und 5 hervor, wo Wasser als Flüssigkeit verwendet wurde; andere Flüssigkeiten lassen sich indessen ebenso gut verwenden. Es ist allgemein bekannt, daß Wasserdampfbogen charakteristischerweise bei viel höheren Spannungen arbeiten als ähnliche Bogen in Argon. Die Abnahme der Bogenspannung, in Fig.4 als Funktion des Gasflusses veranschaulicht, ist für die niedrigeren Konzentrationen des Wasserdampfes im Bogenplasma bezeichnend, wenn der Argon gasfluß vergrößert wird. Die Bedeutung dieser Kontrolle der Wasserdampfkonzentration läßt sich noch durch die Erwägung herausstellen, daß ein reagierendes Gas, wie Wasserstoff, und eine reagierende Flüssigkeit oder ein Gemisch von Flüssigkeiten, wie Kohlenwasserstoffe, bei diesem Brenner Anwendung finden können; die Kontrolle ihrer relativen Konzentrationen an den Säumen des Plasmas schafft ein Mittel der Kontrolle und Steuerung der gegebenenfalls auftretenden Reaktion.A fluid vortex stabilized plasma flame of the present invention Art has a wide field of application. Chemical reactions can occur as a result of the close Neighborhood of the liquid to the hot arc plasma are introduced, wherein the Reaction either within the liquid itself or between the liquid and the protective gas takes place. When this arc as a chemical tool is used, the concentration of the reacting vapor in the arc column (i.e. vapor from the liquid film) can be changed by changing both the flow of the protective gas behind the torch electrode as well as the current. This is possible from Figures 4 and 5, where water was used as the liquid; other liquids can be used just as well. It is well known that water vapor arcs characteristically work at much higher voltages than similar arcs in argon. The decrease in arc voltage, illustrated in Fig. 4 as a function of the gas flow, is indicative of the lower concentrations of water vapor in the arc plasma, when the argon gas flow is increased. The importance of this control of the water vapor concentration can be made out by considering that a reactive gas, such as hydrogen, and a reactive liquid or mixture of liquids, such as hydrocarbons, can be used with this burner; controlling their relative concentrations at the edges of the plasma creates a means of control and management if necessary occurring reaction.

Die schnelle Zunahme der Bogenspannung mit dem Strom (vgl. Fig. 5) zeigt, daß höhere Dampfkonzentrationen im Bogenplasma als direkte Folge des erhöhten Energietransports aus der Bogensäule zur Flüssigkeit vorhanden sind. Dies wiederum bildet eine gesonderte Kontrolle der Dampfkonzentration und demzufolge der Reaktionsbedingungen.The rapid increase in arc voltage with the current (see Fig. 5) shows that higher vapor concentrations in arc plasma are a direct result of the increased There are energy transports from the arc column to the liquid. this in turn forms a separate control of the vapor concentration and, consequently, of the reaction conditions.

Lichtbögen sind dafür bekannt, daß sie starke Ouellen ultravioletter Strahlungsenergie sind. Mit dem vorliegenden Verfahren und seiner Vorrichtung kann ein hohes Maß an UV-Strahlung an eine Flüssigkeit abgegeben werden, wobei sich die Dicke des Flüssigkeitsfilms und der Strom leicht beherrschen lassen.Arcs are known to be powerful sources of ultraviolet Are radiant energy. With the present method and its device can A high level of UV radiation is emitted into a liquid, with the Let the thickness of the liquid film and the current be easily controlled.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Method for generating a stabilized arc plasma blower flame high heat intensity, using a non-consumable stick electrode and a counter electrode located outside the burner, still in use a fluid vortex arranged concentrically to the arc and constricting it, that formed from the fluid under the influence of heat, under Pressure escaping gases is kept at a distance from the arc, characterized in that that between the arc and the fluid vortex or the gases formed from this a flow of inert shielding gas which is known per se and which constricts the arc is blown in will.

2. The method according to claim 1, characterized in that the fluid vortex is produced in an inherently known manner with the aid of a liquid which is under the influence of the arc plasma reacts chemically.

3. Modification of the method according to claim 1 and 2, characterized in that instead of an inert protective gas in per se known way hydrogen is used.

4. Burner to carry out the procedure according to claim 1 to 3, with a non-melting one extending into the nozzle channel Rod electrode, which is fed from a liquid source and with Distribution means provided vortex chamber, from which the fluid vortex, preferably via a nozzle-shaped curved transition piece into the nozzle channel and those located between the rod electrode and one outside the burner Electrode formed arcs, characterized in that in per se known Way, a gas flow channel is provided which coaxially surrounds the electrode the gas flow, preferably via a nozzle-shaped curved transition piece directs the end part of the electrode to the center of the fluid vortex. Into consideration printed publications: German Patent Specifications No. 685 455, 954 816; U.S. Patents No. 2,768,279; 2,806,124; "Zeitschrift für Physik", 1951, pp. 108 to 122.