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Lichtbogenbrenner Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtbogenbrenner
mit einer Gasdüse, wenigstens einer zylindrischen oder ringförmigen Elektrode, einer
Gegenelektrode sowie Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfeldes, durch das der Lichtbogen
längs wenigstens einer Elektrode bewegt wird.
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Bei Lichtbogenbrennern ist es bekannt, den Lichtbogenfußpunkt durch
Beeinflussung mittels eines Magnetfeldes zu bewegen. Bei den bekannten Brennern
wird der Lichtbogenfußpunkt längs einer einfachen, beispielsweise kreisförmigen
Bahn geführt; die vom Lichtbogenfußpunkt bestrichene Fläche ist daher verhältnismäßig
klein.
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Nun treten jedoch in manchen Anwendungsfällen (etwa in der Aerodynamik
und bei der chemischen Synthese) im Lichtbogen während längerer Zeiträume außerordentlich
hohe Temperaturen auf, was in hohem Maße die Gefahr einer Elektrodenerosion mit
sich bringt. Um dem zu begegnen, kommt es darauf an, den Lichtbogenfußpunkt über
einen möglichst großen Teil der Elektrodenoberlläche zu führen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Mittel zur Erzeugung
des Magnetfeldes durch eine Anzahl von koaxial zu einer Elektrode fest angeordneten
Magnetspulen gebildet werden, die nacheinander derart erregbar sind, daß der Lichtbogenfußpunkt
auf wenigstens einer Elektrode gleichzeitig eine Drehbewegung in Umfangsrichtung
und eine Verschiebung in Längsrichtung ausführt.
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Die Verwendung mehrerer Magnetspulen hat man bei Lichtbogenöfen bereits
zu dem Zwecke vorgeschlagen, das quer zur Lichtbogenbahn verlaufende Magnetfeld
durch Wahl einer entsprechenden Magnetspule genau auf die durch die Höhe der Schmelzoberfläche
im Schmelztiegel bestimmte Lage des Lichtbogens einstellen zu können, um auf diese
Weise eine einwandfreie horizontale Ablenkung des Lichtbogens zu erzielen. Im Unterschied
zu dieser vorgeschlagenen älteren Ausführung, bei der von den übereinander angeordneten
Magnetspulen jeweils nur eine einzige zur Erzeugung des Magnetfeldes in der betreffenden
Höhe herangezogen wird, wirken bei dem erfindungsgemäßen Lichtbogenbrenner alle
Magnetspulen durch ihre zeitlich aufeinanderfolgende Erregung zusammen, um die gewünschte
Bewegung des Lichtbogenfußpunktes in Umfangsrichtung und in Längsrichtung zu erzielen.
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Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung einiger in der
Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele hervor. Es zeigt F i g. 1 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht des erfindungsgemäßen Lichtbogenbrenners, F
i g. 2 einen Längschnitt durch eine abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß
F i g. 1 ausgebildete Elektrode, F i g. 3 eine nur zur Hälfte dargestellte Schnittansicht
eines weiteren Ausführungsbeispieles der Erfindung.
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Bei der Ausführung gemäß F i g. 1 weist der rohrförmige Brennerkörper
la in seiner Wandung einen Kühlkanal 2 auf, der mit Einlaß- und Auslaßrohren 3 bzw.
4 in Verbindung steht. Der Brennerkörper la mündet an seinem unteren Ende in eine
langgezogene Düse 5a aus, die in ihrer Wandung mit einem zweiten Kühlkanal 23 versehen
ist, der seinerseits mit Einlaß- und Auslaßrohren 24 bzw. 25 in Verbindung
steht. Im Brennerkörper la ist eine Lichtbogenkammer 7 vorgesehen, in die die axial
angeordnete Stiftelektrode 26 hineinragt. Der elektrische Anschluß der Elektrode
26 und des Brennerkörpers la erfolgt über die Anschlußleitungen 15 bzw. 17. Gas
kann in die Lichtbogenkammer durch einen ringförmigen Kanal 27 eingeleitet
werden, der die Elektrode 26 umschließt.
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Konzentrisch zur Düse 5a sind um die Düse herum drei Magnetspulen
28 angeordnet, die über Leitungen 29 mit einer elektrischen Stromquelle in Verbindung
stehen. Die Magnetspulen werden in geeigneter Weise, beispielsweise durch eine überwurfmutter
30, die auf das mit Gewinde versehene Ende der Düse 5a aufgeschraubt ist,
in ihrer Lage gehalten. Die Magnetspulen werden durch eine geeignete Schaltungsanordnung
nacheinander erregt.
Im Betrieb des Brenners bildet sich ein Lichtbogen
zwischen der Stiftelektrode 26 und dem inneren Ende der Düse 5a. Werden die Magnetspulen
28 erregt, so bewirkt das hierdurch erzeugte Magnetfeld, das die Düse
5a durchsetzt, daß der Lichtbogenfußpunkt am inneren Düsenende eine Drehbewegung
ausführt. Werden die Magnetspulen 28 nacheinander erregt, so hat dies zur Folge,
daß der Lichtbogenfußpunkt an der Düse 5a außer seiner Drehbewegung auch eine Längsbewegung
ausführt.
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F i g. 2 zeigt eine abweichende Ausgestaltung der Stiftelektrode.
Das äußere Elektrodenrohr 31 wird hier an seinem unteren Ende durch eine Wand abgeschlossen,
in der eine durch einen äußeren Rand 33 begrenzte Vertiefung 32 vorgesehen ist.
Die Elektrode ist wassergekühlt, wobei das Wasser durch ein konzentrisches inneres
Rohr 34 zufließt und durch den Ringkanal 35 abfließt. Bei einem Lichtbogenbrenner
mit einer derartigen Stiftelektrode führt der Lichtbogen nicht nur am inneren Ende
der Düse 5a
eine Drehbewegung in Umfangsrichtung und eine Verschiebung in
Längsrichtung aus, sondern bewegt sich zugleich auch mit seinem oberen Fußpunkt
längs des Randes 33.
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F i g. 3 zeigt die eine Hälfte einer symmetrischen Brenneranordnung
(Symmetrielinie C-C), die insbesondere für große Hochleistungsbrenner in Betracht
kommt. Die Ausführung enthält ein zylindrisches Brennergehäuse 36 mit einer unteren
Abschlußwand 37, in der eine axial angeordnete Düse 38 vorgesehen ist. Diese Düse
besitzt einen venturiförmigen Auslaß 39 und eine verhältnismäßig dicke Wandung,
in der ein Kühlkanal 40 vorgesehen ist. Dieser Kanal 40 steht mit Einlaß- und Auslaßleitungen
41 bzw. 42 in Verbindung.
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Das obere Ende des Brennergehäuses 36 wird durch eine Platte 43 abgeschlossen,
die über Isolierstoffbuchsen und Isolier-Zwischenscheiben 44 mit einem Flansch 45
des Gehäuses 36 verbunden ist.
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In dem Brennergehäuse sind zwei ringförmige Elektroden 46, 47 vorgesehen,
die koaxial zur Düse 38 liegen. Die untere Elektrode 47 ist als Hohlring ausgebildet
und wird von Kühlrohren 48 getragen, die eine Verbindung zwischen dem Innenraum
der Elektrode 47 und dem in der Düse 38 vorgesehenen Kühlkanal herstellen. Die obere
Elektrode 46 ist in ihrer Form ähnlich wie die Elektrode 47 aufgebaut und von dieser
in Längsrichtung durch einen ringförmigen Lichtbogenraum 49 getrennt. Die
Elektrode 46 ist an Kühlrohren 50, 51 aufgehängt, die in der oberen
Abschlußplatte 43 mit Hilfe von Isolierstoffbuchsen 52 und Überwurfmuttern 53 befestigt
sind.
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Der ringförmige Kanal im Inneren der Elektrode 46 ist durch eine zylindrische
Trennwand 54 in zwei Räume unterteilt, wobei das Einlaß- und Auslaßrohr jeweils
in einen dieser beiden Räume münden. Die Wand 54 dient somit zur Führung und Umlenkung
des Kühlmittels und gewährleistet eine einwandfreie Zirkulation der Kühlflüssigkeit.
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Auf der der Düse 38 abgewandten Seite ist eine in einem Preß- oder
Ziehvorgang hergestellte Platte 55, die mit der Elektrode 46 verbunden oder einstückig
mit ihr ausgebildet ist, nach oben gezogen und in ihrem querliegenden Bereich 56
mit Durchbrüchen versehen.
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Um die Elektroden 46, 47 ist koaxial ein ringförmiges Gehäuse 57 vorgesehen,
das durch Querwände 58, 59 in drei Kammern unterteilt ist. Die mittlere dieser
Kammern ist weiterhin durch eine zylindrische Wand 60 in zwei koaxial zueinander
liegende Kammerbereiche unterteilt. Das Einlaßrohr 61 mündet in den inneren dieser
beiden Kammerräume, der an seiner inneren Wand mit einer Anzahl von Durchbrüchen
62 versehen ist. Diese Durchbrüche 62 liegen gerade in der Höhe des Lichtbogenraumes
49
(vgl. F i g. 3).
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Die drei übrigen Kammern bzw. Kammerbereiche des Gehäuses 57 stehen
miteinander über Durchbrüche 63 in Verbindung: in der oberen und unteren Kammer
sind Magnetspulen 64 bzw. 65 angeordnet, die koaxial zu den Elektroden 46, 47 liegen.
Die Anzahl der in jeder dieser Kammern vorgesehenen Magnetspulen ist unwesentlich;
alle Magnetspulen müssen jedoch außerhalb der Längsbegrenzung des Lichtbogenraumes
(gemäß F i g. 3 somit unterhalb bzw. oberhalb des Lichtbogenraumes 49) liegen, damit
das Magnetfeld jeder Spule im Bereich des Lichtbogenraumes eine Radialkomponente
besitzt. Weiterhin müssen die in der oberen Kammer liegenden Magnetspulen 64 im
entgegengesetzten Sinne zu den unteren Magnetspulen 65 gewickelt sein bzw. erregt
werden, so daß die Radialkomponente des Magnetfeldes im Lichtbogenraum in beiden
Fällen die gleiche Richtung besitzt.
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Die Magnetspulen werden über die Anschlußleitungen 66 gespeist, die
in einem verzweigten Rohr 67 geführt sind. Das Rohr 67, der Gaseinlaß 61 und die
Kühlmitteleinlaß- und -auslaßrohre 68, 69, die mit dem Innenraum des ringförmigen
Gehäuses 57 in Verbindung stehen und das Gehäuse sowie die Magnetspulen kühlen,
sind an der Abschlußplatte 43 mit Hilfe einer mehrteiligen Isolierstoffbuchse 70
und einer Überwurfmutter 71 befestigt.
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Im Betrieb bildet sich ein Lichtbogen zwischen den ringförmigen Elektroden
46, 47, denen der Strom über die Leitungen 72 bzw. 73 und die Kühlrohre 41 bzw.
51 zugeführt wird. Das Gas wird in radialer Richtung vorzugsweise mit niedriger
Geschwindigkeit durch den Lichtbogen geblasen; es strömt durch das Rohr 61 zu und
durch die Durchbrüche 62 hindurch. Hierdurch bildet sich ein Plasmastrom, der durch
den Düsenauslaß 39 austritt.
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Werden die Magnetspulen 64, 65 zeitlich nacheinander erregt, so bewegen
sich infolge der raumzeitlichen Änderung des Magnetfeldes die Fußpunkte des Lichtbogens
in einer etwa spiralförmigen Bahn längs der Oberfläche der Elektroden
46, 47.
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Die Platte 55 verhindert hierbei, daß durch den Lichtbogen eine größere
Gasmenge aus dem Gebiet oberhalb der Elektrode 46 angesaugt wird, was eine Turbulenz
oder eine sonstige Störung des Plasmastromes hervorrufen könnte. Die Durchbrüche
im unteren Bereich 56 der Platte 55 gestatten es anderseits, daß etwas Gas langsam
in den Elektrodenraum einströmt, wodurch eine unerwünschte Absenkung des Druckes
im Raum 74 vermieden wird; eine solche Druckabsenkung könnte zur Folge haben, daß
sich der Lichtbogen vom Rand der Elektroden 46 hinweg in den Raum
74 hineinbewegt.