DE1175374B - Lichtbogenbrenner - Google Patents

Lichtbogenbrenner

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Publication number
DE1175374B
DE1175374B DEN19399A DEN0019399A DE1175374B DE 1175374 B DE1175374 B DE 1175374B DE N19399 A DEN19399 A DE N19399A DE N0019399 A DEN0019399 A DE N0019399A DE 1175374 B DE1175374 B DE 1175374B
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Germany
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arc
electrode
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arc torch
torch according
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Pending
Application number
DEN19399A
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English (en)
Inventor
Ashley Robert Moss
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National Research Development Corp UK
Original Assignee
National Research Development Corp UK
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B7/00Heating by electric discharge
    • H05B7/18Heating by arc discharge
    • H05B7/185Heating gases for arc discharge

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (6)

  1. Patentansprüche: 1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des Magnetfeldes durch eine Anzahl von koaxial zu einer Elektrode (5a bzw. 47) fest angeordneten Magnetspulen (28 bzw. 64, 65) 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.
  2. 2. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode als Stift (26) und die andere Elektrode als koaxial hierzu angeordnete, von den Magnetspulen (28) umschlossene Düse (5 a) ausgebildet ist, längs deren Innenfläche der Lichtbogenfußpunkt wandert.
  3. 3. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ringförmig ausgebildeten, koaxial einander gegenüberliegenden und von den Magnetspulen (64, 65) umgebenen Elektroden (46, 47) in einem Brennergehäuse (36) angeordnet sind, das eine koaxial zu den Elektroden liegende Düse (38) enthält.
  4. 4. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (64, 65) außerhalb des zwischen den Elektroden (46, 47) vorhandenen Ringspaltes angeordnet sind und dadurch in diesem Ringspalt ein Magnetfeld mit einer radialen Komponente erzeugen.
  5. 5. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Begrenzung (57) des Lichtbogenraumes mit Durchbrüchen (62) zum Eintritt eines Gases versehen ist, das nach radialem Durchströmen des Lichtbogenraumes als Plasma durch die Düse (38) austritt.
  6. 6. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (46, 47) und die Düse (38) mit einem Kühlkanal versehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 91601; deutsche Auslegeschrift Nr. 1093 926; Patentschrift Nr. 2198 des Amtes für Erfindungs-und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands; französische Patentschrift Nr. 1117 769; USA.-Patentschriften Nr. 1414 362, 2 256 518, 2314007.
DEN19399A 1960-01-04 1961-01-04 Lichtbogenbrenner Pending DE1175374B (de)

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