DE1286241B

DE1286241B - Induktiver Plasmabrenner

Info

Publication number: DE1286241B
Application number: DEN31715A
Authority: DE
Inventors: Burggraaf Anthonie Jan
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1967-01-06
Filing date: 1967-11-30
Publication date: 1969-01-02
Also published as: GB1149473A; CH473472A; FR1550698A; BE708971A; US3541625A; SE342731B; NL6700212A; AT284286B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Gasstrom eine rotatorische Bewegungskomponente Plasmabrenner zum Erhitzen feinkörnigen Materials, ; aufweist. Es sei hier "bemerkt, daß die Wirbelstabilider aus einer Induktionsspule und einem von dieser sierung einer Hochfrequenzentladung an sich bereits umgebenen Zylindermantel -besteht, dessen; eine bekannt ist, so z. B.-aus der Zeitschrift »Journal Stirnseite einen Verschlußteil aufweist, in dem eine 5 of Applied Physics«, Vol. 32, 1961, Heft 5, Seiten in der Zylinderachse angeordnete ZuführungsÖff- 821 bis 824.

nung vorhanden ist, durch die ein Gemisch aus Durch die vorliegende Anordnung ergeben sich

einem Gas und dem feinkörnigen Material in axialer gegenüber bekannten Plasmabrennern die nachRichtung einströmt, sowie mindestens eine radial stehend beschriebenen Vorteile, weiter außen liegende Zuführungsöffnung für einen io Im allgemeinen verbessert sich die Stabilisierung sich in axialer Richtung, längs der Innenwand des der Gasentladung, die das Plasma verursacht, wenn Zylindermantels ausbceltenden Gasstrom, ■ f, f\ (möglichst wenig ivärme zur Wand des Mantels ab-

Ein solcher Plasmabrenner ist bekannt, so z. B. geführt wird. Es ist ein erster Vorteil des Gasstroms aus der: Zeitschrifti;> >irpurnal; of Applied Physics«, in dem vorliegenden Plasmabrenner, daß die vom Vol. 32, 1961, Heft 12,r Seiten 2534 bis 2535. 15 Gasstrom an der Wand entlang mitgeführte Wärme

Ein derartiger" Brenner wird" verwendet zum Er- in das Entladegebiet zurückgeführt wird, hitzen bzw. Schrnejzgn;^yon-.pulverformigen oder Es hat sich weiterhin herausgestellt, daß mit einem

grießigen MaterialierTmit hoher Schmelztemperatur, derartigen Brenner die je Zeiteinheit anzuführende wie feuerfesten Oxyden oder Karbiden von Kern- Gasmenge unter im übrigen gleichen Verhältnissen brennstoffen. Bei den bekannten Plasmabrennern der ²⁰ beträchtlich kleiner sein kann, als wenn die Gasobenerwähnten Art, bei denen das Gas an der abfuhr an dem von der Einfuhrseite abgewandten anderen Seite der Spule als an der, an welcher sich Ende aus dem Mantel geschieht. Diese herabgesetzte der erwähnte Abschluß befindet, abgeführt wird, Gaszufuhr ermöglichte an-sich bereits einen längeren bietet sich die Schwierigkeit, daß durch die für die Aufenthalt des feinverteilten Materials, der noch erwünschte Stabilität des Plasmas erforderliche ver- as dadurch vergrößert wird, daß in der Mitte des Manhältnismäßig große Gasmenge der Aufenthalt der tels der Gasstrom dem Teilchenstrom entgegenge-Teilchen des pulverförmigen oder grießigen Mate- setzt ist. Eine weiterVbeträchtliche Verringerung der rials im Plasma oft zu kurz ist, um eine gewünschte i: !--erforderlichen Gasmenge:;entsteht, wenn 4er Gas-Materialmenge zu verarbeiten. Eine Anzahl Faktor· strom längs der Wand nicht nur axial gerichtet ist, ren, wie die Gasgeschwindigkeit längs der Wand, 30 sondern außer einer Geschwindigkeit in Vörwärtsdie Gemischmenge je Zeiteinheit, die Zusammen- richtung eine rotatorische" Bewegungskomponente Setzung dieses Gemisehes-und die zugeführte Hoch- aufweist, wodurch das Gas eine schraubenlinienfrequenzenergie, muß aufeinander abgestimmt sein, förmige Bewegung längs der Wand bei Verlagerung um die gewünschte Stabilität des Plasmas zu-er- von einem zum anderen~Ende durchführt, reichen, und gerade dann, wenn ein längerer Auf- 35 Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Plasmaenthalt des pulverförmigen Materials im Plasma ge- brenners besteht darin, daß das am abgeschlossenen wünscht wird, ist die Einstellung äußerst kritisch. Ende des Mantels die Richtung umkehrende, längs Wenn in einem durch Hochfrequenzinduktion er- der Wand zugeführte Gas dem an dieser Stelle anhaltenen Plasma der Schmelzgang des Pulvers den gesammelten geschmolzenen Material Wärme zuErwartungen nicht entspricht, und dazu eine oder 40 führt, so daß:idas sdazu vorhandene Schmelzbad mehrere Einstellungen geändert werden müssen, ist größer sein kann, als wenn die Erhitzung ausschließimmex.wieder von·defimeniger,'gut zii beherrschen'-,._... Hch durch das sich in.Riehtun'g des Schmfelzbades den Stabilität der Entladung die Rede. Insbesondere erstreckende Plasma erfolgt.

zum Schmelzen von Quarzgrus oder -pulver ist es Bei einer bevorzugten Ausführung des Abschlus-

von Belang, emen_;!a!ijs^eiehend- langen Aufenthaltes ses am erwähnten Ende, des Mantels sind die Zuder Teilchen im Plasma zu'erhalten, damit jedes führungsöffnungen für das Gas und die Abfüh-Teilchen so stark erhitzt wird, daß auch sein Kern rungsöffnungen konzentrisch um die zentrale Zu- und nicht nur die Umhüllung sich in geschmolzenem führungsöffnung für das Gas-Material-Gemisch her-Zustand befindet, damit, pm Schmelzbad erhalten um angeordnet. Wenn das Schmelzbad groß genug wird, das vollkommen ttrikerfrei' ist. Denirsolchb 50 bemessen ist,kanrrtlieGruszufuhr über einen'größe-Lunker werden bei unvollständigem Schmelzen leicht ren Querschnitt durch eine ringförmige Öffnung mit den -Teilchen im Bad-mitgeführt und beeinflussen oder eine Anzahl Öffnungen um eine-zentrale öffbei weiterer Verarbeitung des Quarzes die Brauch- nung herum stattfinden, welch letztere in diesem barkeit des hergesidlten-Erzbügnisses nachteilig. ^sti'■■· -'^:--;' Fall für die Abfuhr-des-<}ases verwendet wird.

Die Erfindung bezweckt, einen induktiven Plasma- 55:' ,.Weitere Einzelheiten des Plasmabrenners werden brenner zu schaffen, mit dem die erwähnten Be- an· Hand der Zeichnung, näher-beschrieben, triebseinstellungen ohne allzu kritische gegenseitige , _c._r In der Figur ist ein induktiver Plasmabrenner dar-Abhängigkeit bewirkt werden können. Die Erfin- ' gestellt," der mit'Einern''von¹ "einem Mantel 2 umdung besteht darin, daß der Zylindermantel an der schlossenen Raum 1 versehen ist, in dem die elektrianderen Stirnseite durch einen eine wannenartige 60 sehe Gasentladung stattfindet. Der Mantel 2 besteht Vertiefung aufweisenden Bauteil gasdicht abge- aus Isoliermaterial, das eine hohe Schmelztemperaschlossen ist, eine oder mehrere Öffnungen zum Ab- tür aufweist und keine beträchtlichen dielektrischen führen von Gas aus dem Innenraum des Zylinder- Verluste bei Anwendung eines hochfrequenten Inmantels vorhanden sind, die sich an derselben Stirn- duktionsfeldes ergibt.

seite des Zylindermantels befinden wie die Gas- und 65 Der Mantel besteht gewöhnlich aus Quarz oder Materialzuführungsöffnungen und zwischen diesen aus einem doppelwandigen Quarzrohr, wobei durch Zuführungsöffnungen liegen, und daß der sich längs den Zwischenraum eine Kühlflüssigkeit geführt wird, der Innenwand des Zylindermantels ausbreitende Die Anwendung eines Metallmantels ist ebenfalls

möglich, wenn dafür gesorgt wird, daß in der Wand keine Kurzschlußströme entstehen. Die aus einer oder einigen um den Mantel gelegten Windungen bestehende Induktionsspule 3 ist mit einem nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator bekannter Bauart verbunden. Bei Erregung, wenn die Spule 3 ein hochfrequentes Magnetfeld in dem Raum 1 innerhalb des Mantels 2 induziert und darin eine geeignete Gasfüllung vorhanden ist, entsteht der Zustand, der zum Entstehen eines Plasmas erforderlich ist. Meistens dient Argon als Füllgas für die Zündung. Das Aufrechterhalten eines durch Zündung erhaltenen Plasmas ist mit anderen Gasen möglich, wozu beispielsweise Stickstoff verwendbar ist. Bei der Zündung verfährt man in bekannter Weise so, daß Argongas zugeführt wird, während im normalen Betrieb des Rohrs auf Stickstoff übergegangen wird.

In einem Abschluß am einen Ende des Mantels 2, der beispielsweise aus einer Querwand 4 besteht, sind Zuführungskanäle 5 vorgesehen, die in den Raum 1 innerhalb des Mantels münden, welche zum Durchlaß eines sich im wesentlichen längs der Innenwand des Mantels bewegenden Gasstroms dienen. Die Art und Weise der Verlagerung längs der Wand ist durch eine gestrichelte Linie 6 dargestellt für denjenigen Teil des Stromes, der bis zum gegenüberliegenden Ende des Mantels durchdringt, in der Nähe desselben abgelenkt und mehr zur Mitte des Mantels einen entgegengesetzten Verlauf aufweist. Für die Abfuhr des Gases sind im Abschluß der Querwand 4 Öffnungen 7 vorgesehen, die in einem geringeren Abstand von der Mitte liegen als die Zuführungs-Öffnungen 5.

Zur Zuführung des zu schmelzenden Materials befindet sich in der Mitte in demselben Abschluß ein Zuführungsrohr 10 mit einer Öffnung 11 zur axialen Durchführung eines Gasstromes, der den zu schmelzenden Grus oder das zu schmelzende Pulver mitführt.

Am gegenüberliegenden Ende ist der Mantel 2 durch eine Querwand 8 abgeschlossen, die mit einer wannenförmigen Vertiefung 9, in der das geschmolzene Material angesammelt wird und eine Schmelze bildet, versehen ist.

Der dargestellte Verlauf des wahrscheinlichen Gasstroms entsteht, wenn die durch den Abschluß 4 mündenden Zuführungskanäle 5 einigermaßen tangential schräg angeordnet sind. Es hat sich herausgestellt, daß bei einem Gasstrom einer ausreichenden Stärke zur Stabilisierung des Plasmas zugleich der sich bewegende Gasstrom eine Erweiterung des Plasmas bis zur Wand des Mantels, wodurch diese schmelzen würde, verhindert. Das bemerkenswerte Ergebnis wird dadurch erhalten, daß der Strom im wesentlichen der Wand folgt und am geschlossenen Ende umbiegt.

Bei ausschließlich axialer Gaszufuhr ist die Gasdichte an der Wand geringer, und für ausreichende Stabilisierung und Wärmeisolierung ist ein stärkerer Strom erforderlich. Sowohl bei zu großer als auch bei zu kleiner Gasgeschwindigkeit wird das Plasma instabil.

Es stellt sich heraus, daß unter Einhaltung eines stabilen Plasmas eine Einstellung der Gaszufuhr zwischen 5 und 15 l/min möglich ist, wenn der Innendurchmesser des Mantels 70 bis 95 mm beträgt. Ein derartiger Plasmabrenner ist mit 18 bis 25 kW belastbar. Beobachtungen zeigen, daß das am Boden 8 entlangstreichende Gas in beträchtlichem Maße dazu beiträgt, das aufgefangene geschmolzene Material in der wannenförmigen Vertiefung 9 auf Schmelztemperatur zu halten, und, wenn man das Schmelzbad nicht gesondert erhitzt, eine nützliche Vergrößerung des Schmelzbaddurchmessers dadurch erhalten wird, daß sich das Plasma auf der Schmelzoberfläche verbreitert.

Bekannte Plasmabrenner mit einer Gasabfuhr an den der Zufuhr gegenüberliegenden Enden benötigen ungefähr 301 Gas je Minute bei einer Belastbarkeit von 12 kW, was bedeutet, daß ein Plasmabrenner nach der Erfindung beträchtlich zweckmäßiger arbeitet. Das zurückfließende Gas ermöglicht dabei eine Regelung der zugeführten Grus- oder Pulvermenge des Materials mit hoher Schmelztemperatur innerhalb nicht allzu weiter Grenzen, dadurch, daß sowohl durch die Stärke des mitführenden Gasstromes als auch durch die Stärke des stabilisierenden Gasstromes der Aufenthalt des Materials im Plasma regelbar ist. Man gelangt zu Ergebnissen, bei denen mindestens 50 % des zu schmelzenden Materials im Schmelzbad angesammelt werden, wenn das Verhältnis der Stärken beider Gasströme zwischen 1:3 und 1:4 liegt.

Die Anordnung der Abführungsöffnungen ist nicht auf das innerhalb des Ringes der Zuführungsöffnungen bestimmte Gebiet beschränkt.

Bei Anordnung der Zuführungsöffnungen in regelmäßig am Umfang verteilten Anständen können die Abführungsöffnungen zwischen den Zuführungsöffnungen wenigstens derart vorgesehen sein, daß das Abführen des Gases die Gaszufuhr nicht stört.

Claims

Patentansprüche:

1. Induktiver Plasmabrenner zum Erhitzen feinkörnigen Materials, der aus einer Induktionsspule und einem von dieser umgebenen Zylindermantel besteht, dessen eine Stirnseite einen Verschlußteil aufweist, in dem eine in der Zylinderachse angeordnete Zuführungsöffnung vorhanden ist, durch die ein Gemisch aus einem Gas und dem feinkörnigen Material in axialer Richtung einströmt, sowie mindestens eine radial weiter außen liegende Zuführungsöffnung für einen sich in axialer Richtung längs der Innenwand des Zylindermantels ausbreitenden Gasstrom, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylindermantel (2) an der anderen Stirnseite durch einen eine wannenartige Vertiefung (9) aufweisenden Bauteil (8) gasdicht abgeschlossen ist, eine oder mehrere Öffnungen (7) zum Abführen von Gas aus dem Innenraum des Zylindermantels vorhanden sind, die sich an derselben Stirnseite (4) des Zylindermantels (2) befinden wie die Gas- und Material-Zuführungsöffnungen (5) und zwischen diesen Zuführungsöffnungen liegen, und daß der sich längs der Innenwand des Zylindermantels (2) ausbreitende Gasstrom eine rotatorische Bewegungskomponente aufweist.

2. Induktiver Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsöffnung (5) für das Gas und die Abführungsöffnungen (7) konzentrisch um die zentrale Zuführungsöffnung (10) für das Gas-Material-Gemisch herum angeordnet sind.

3. Induktiver Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhrungs-Öfföungen(5) für das Gas an der Peripherie in der Nähe der Wand des Zylindermantels (2) in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind und die Abführungsöffnungen (5) innerhalb der durch die Abstände bestimmten von der Zylinderachse her aufgespannten Winkel in einem gleichen oder größeren Abstand von der Zylinderachse liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen