DE1790209C

DE1790209C - Gas stabilized arc torch

Info

Publication number: DE1790209C
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 7900 Ulm Hoffmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Publication date: 1972-05-10

Description

. Die Erfindung bezieht sich auf einen gasstabilisiericn Lichtbogenbrenner, in dessen Brennerkopf eine Gasdüse koaxial zu einer stiftförmigen Zentralelektrode angeordnet ist. Im sogenannten direkten Betrieb wird von der Zentra!elekirode zum Werkstück ein Lichtbogen gezogen, der durch das zwischen Zentralelektrode und Gasdüse ausströmende Arbeitsgas eingeschnürt und stabilisiert wird. Die Zentralelektrode ist in der Regel kathodisch geschaltet. Solche Brenner werden üblicherweise mit Hochfrequenz gezündet und zunächst im sogenannten indirekten Betrieb ein Lichtbogen zwischen Zentralelektrode und Gasdüse · gezogen. Zum Betrieb des Brenners wird dann die Arbeitsspannung in der Regel zwischen Zentralelektrode und Werkstück angelegt.. The invention relates to a gas stabilizer Arc torch with a gas nozzle in the torch head coaxial with a pin-shaped central electrode is arranged. In so-called direct operation, the central electrode becomes the workpiece an arc is drawn, which is constricted and stabilized by the working gas flowing out between the central electrode and the gas nozzle. The central electrode is usually connected cathodically. Such burners are usually ignited with high frequency and first in so-called indirect operation an arc between the central electrode and Gas nozzle pulled. To operate the burner, the working voltage is usually between Central electrode and workpiece applied.

Aus der USA.-Patentschrift 3 130 292 ist nun ein Plasmabrenner bekannt, dessen wandungsstabilisier- |er Lichtbogen aus einem schmalen, ringförmigen Spalt zwischen einer zentralen als Kathode dienenden Elektrode und einer koaxial dazu angeordneten Düse lustritt. Für diesen Brenner ist es wichtig, daß die Zentralelektrode gegenüber der DUsenmündung zufückgezogen ist, damit noch einr stabilisierende W irlung der Wandung auftritt, und daß außerdem der Gasstrom einen konischen Hüllstrom um den Lichtbogen bildet, damit auch noch eine einschnürende Wirkung des Gasstroms eintritt.From US Pat. No. 3,130,292 there is now a Plasma torch known whose wall-stabilizing arc consists of a narrow, ring-shaped Gap between a central electrode serving as a cathode and a nozzle arranged coaxially to it loss. For this burner it is important that the central electrode is drawn back in relation to the nozzle mouth is, so that a stabilizing curl of the wall occurs, and that also the Gas flow forms a conical envelope flow around the arc, thus also a constricting one Effect of the gas flow occurs.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, c.aß die eingangs genannten Brenne; zum Schmelzen von ■chwer schmelzbaren Stof.'en sowie allgemein zum Schmelzen metallischer WerkstOü'e in Schmelzöfen besser geeignet sind als die bekannten Plasmabrenner, bei denen der Arbeitslichtbogen in einer gasbeström-•en metallischen Düse eingeschnürt wird. Insbesondere sind die Wärmeverluste im Brennerkopf kleiner. Plasmabrenner weisen andererseits zunächst den VDrtcil auf, daß ein längerer und steiferer Lichtbogen bzw. Plasmastrahl erreicht wird. Die Erfindung beluht nun auf der wesentlichen Erkenntnis, daß sch bei einem schmalen Spalt zwischen Zentralelektrode ■nd Gasdüse der Gasdurchsatz so einstellen läßt, caß ebenfalls etwa so steife und lange Lichtbögen b;:w. Hasmasäulen wie mit Plasmabrennern erzielt werden. Von Schmelzbrennern wird weiter gefordert, caß •ic betriebssicher sind, ihre Bauteile sich leicht auswechseln lassen, die Zentralelektrode leicht einrej;uiert werden kann und daß eine gleichmäßige Kühl-Hittel- und Gasströmung erreicht wird. Bei Schmelzofen ist es weiterhin erforderlich, langsehäftige Brünier bereitzustellen, um die Anschlußleitungen außer-IaIb der heißen Arbeitszone anbringen zu können.The invention is based on the knowledge that the brands mentioned at the beginning; for melting ■ Difficult-to-melt materials as well as in general for Melting metallic materials in melting furnaces are better suited than the well-known plasma torches, in which the working arc is constricted in a gas-flow • en metallic nozzle. In particular the heat losses in the burner head are smaller. Plasma torches, on the other hand, initially have the VDrtcil on that a longer and stiffer arc or plasma jet is achieved. The invention is rewarded now on the essential knowledge that there is a narrow gap between the central electrode ■ nd gas nozzle adjusts the gas flow rate so that arcs are also roughly as stiff and long as b;: w. Hasma columns as can be achieved with plasma torches. Melt burners are also required to be safe to operate and their components to be easy to replace the central electrode can be easily adjusted and that a uniform cooling medium and gas flow is achieved. In the case of smelting furnaces, it is still necessary to have long-term burnishing provide in order to be able to attach the connection lines outside of the hot work zone.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunJe. •inen langschäftigcn Lichtbogenbrenner zu entwickeln, der die Vorteile, wie sie nach den gewonnenen Erkenntnissen möglich sind, realisiert und mit dem gleichmäßige Strömungsvcrhältnisse, die e nc Voraussetzung dafür sind, einseitige Beanspruchung und Durchbrennen tics Lichtbogenbrenners zu vermeiden, erzielt werden.The invention is therefore based on the object. • to develop a long-life arc torch, who realizes the advantages as they are possible based on the knowledge gained and with the uniform flow conditions, which are a prerequisite for one-sided loading and to avoid burning through tics of the arc torch, be achieved.

Ausgehend von den genannten Erkenntnissen ist ,:ur Lösung der gestellten Aufgabe nach der Erfindung vorgesehen, daß der Autlcnmantel der Zcntralcli.kiroilc, deren Ende mit dem inneren Rand der Gusdüsc iihschlieBt, mit dem Inncnmantcl der Gasdiise einen zylindrischen Kingspalt bildet, dessen liclitc Weite weniger als I mm beträgt. Eine Ausgestaltuig (,'■■ι I rfiudtinji besieht darin, daß koaxial angcordn:tc koiiri· einen im Verhältnis zum Brennt rcliirchmt's.er langen Brennerschaft bilden und zu zwei Systemen angeordnet sind, einem inneren zum Zu- und Ableiten von Kühlmitteln für die Zentralelektrode und dnem äußeren zum Zu- und Ableiten von Kühlmitteln zur Gasdüse, zwischen denen die Zuleitung für Arbeitsgas mündet, und daß die Rohre jedes Systems sowie die Systeme gegeneinander nur durch Halterungen im Schaftende und im Brennerkopf zentriert sind.Based on the knowledge mentioned,: ur Solution of the problem set according to the invention provided that the Autlcnmantel the Zcntralcli.kiroilc, whose end with the inner edge of the Gusdüsc Closes with the inner jacket of the gas nozzle forms a cylindrical king-size gap, the liclitc Width is less than 1 mm. An embodiment (, '■■ ι I rfiudtinji means that coaxially angcordn: tc koiiri · one in relation to the burning rcliirchmt's.er long burner shaft and are arranged in two systems, an inner one for supply and discharge of coolants for the central electrode and the outer one for supplying and discharging coolants to the Gas nozzle, between which the supply line for working gas opens, and that the pipes of each system as well the systems are centered against each other only by brackets in the shaft end and in the torch head.

Eine weitere günstige Ausgestaltung des erfin-Another favorable embodiment of the invented

dungsgemäßen Lichtbogenbrenners besteht darin, daß zentral in einem Außensystem koaxialer Rohie für Kühlmittelführung zur Gasdüse, die mit dem äußeren Rohr des Außensystems verbunden ist, ein Innensystem koaxialer Rohre für Kühlmittelführung zu deraccording to the arc torch is that centrally in an external system of coaxial Rohie for Coolant duct to the gas nozzle, which is connected to the outer pipe of the external system, an internal system coaxial tubes for coolant supply to the

mit dem äußeren Rohr des Innensystems verbundenen Zentralelektrode angeordnet ist, die zusammen einen im Verhältnis zum Brennerdurchmesser langen Brennerschaft bilden, und daß beide Systeme im Schaftende durch eine Isolierstoffbuchse und im Brennerkopf durch einen mit dem inneren Rohr des Außensystems verschraubten Kühlmittclverteilerkopf für die Gasdüse sowie zwei gekonterten, auf dem äußeren Rohr des Innensystem«; aufgeschraubten Gasführungshülsen aus Isoliermaterial, die '.umwith the outer tube of the inner system connected central electrode is arranged, which together form a long burner shaft in relation to the burner diameter, and that both systems im Shank end through an insulating material bushing and in the burner head through one with the inner tube of the Coolant distributor head screwed to the external system for the gas nozzle and two countered on the outer tube of the inner system «; unscrewed Gas guide sleeves made of insulating material, the '.um

Brennerkopf hin auf einem Anschlag am Kühlmittelverteilerkopf aufsitzen, zentriert sind und daß die Rohre des Innensystems im Schaftende von einer Führungsmuffe und im Brennerkopf durch Distanzmittel zentriert und die Rohre des Außensystems beim Schaftende mittels Überwurfmuttern sowie Basisringen und Führungsrändern verschraubt und im Brennerkopf durch den Kühlmittelverteilerkopf zentriert sind.Burner head sit on a stop on the coolant distributor head, are centered and that the The pipes of the inner system are centered in the shaft end by a guide sleeve and in the torch head by spacers and the pipes of the outer system screwed at the end of the shaft by means of union nuts as well as base rings and guide edges and in the Torch head are centered by the coolant manifold head.

Mit dem Lichtbogenbrenner nach der Erfindung wird mit einfachen und übersichtlichen Mitteln den an Schmelzbrenner zu stellenden Forderungen genügt.With the arc torch according to the invention is the with simple and clear means Requirements to be placed on the melting burner are sufficient.

Die Erfindung soll an HanJ der Zeichnung, in derThe invention is to HanJ of the drawing in which

ein Ausführungsbeispiel wiedergegeben ist, näheran embodiment is shown in more detail

erläutert werden: In der Zeichnung ist der Lichtbogenbrenner so dargestellt, wie er nach Herausbrechen eines Schaftstückes bei 1 und im Viertel aufgeschnitten, gesehen wird. In einem äußeren Rohr 2 sind koaxial dazu Rohre 3 und 4 angeordnet. Sie bilden ein Außensystem an Rohren. Das äußere Rohr 2 dieses Außensystems ist mit der Gasdüse 5 bei f> verbunden. Zentral und koaxial zum Außensystem der Rohre 2, 3 und 4 ist eine System koaxialer Rohre angeordnet, das aus den Rohren 7 und 8 gebildet wird. Mit dem äußeren Rohr 7 des Innensystems ist die Zcntraleiektrode 9 verbunden. Die Zentralclektrode, die in einem Zwischenstück K) angelötet sein kann, läßt sich aus dem Gewinde Il im Rohr 7 herausschrauben. Die Rohre des Außensystems und des Innensystems bilden einen im Verhältnis zum Brennerdurchinesscr hingen Brennerschaft.are explained: In the drawing, the arc torch is shown as it is after breaking out of a shaft piece at 1 and cut open in the quarter is seen. In an outer tube 2 are Pipes 3 and 4 are arranged coaxially thereto. They form an external system of pipes. The outer tube 2 of this The external system is connected to the gas nozzle 5 at f>. Central and coaxial to the external system of the Pipes 2, 3 and 4 a system of coaxial pipes is arranged, which is formed from the pipes 7 and 8 will. The central electrode 9 is connected to the outer tube 7 of the inner system. The central clektrode, which can be soldered in an intermediate piece K) can be unscrewed from the thread II in the tube 7. The pipes of the external system and the internal system form one in relation to the burner diameter hung distillers.

Die Rohre des Innensystems 7 und 8 sind hinsichtlich der Rohre des Außensystems 2,3 und 4 im Schaftende durch eine lsolicrstoffbuchse 12 und im Brennerkopf durch einen Kühlmittclverteilerkopf 13The pipes of the inner system 7 and 8 are with respect to of the tubes of the external system 2, 3 and 4 in the shaft end through an isolating material bushing 12 and in the Burner head through a coolant distributor head 13

sowie zwei gekonterte, auf dem äußeren Rohr 7 des Innensystems aufgeschraubte Gasfiihrungshülsen 14 und 15 zentriert. Der Kühlmitlclverteilcrkopf 13 ist mit dem inneren Rohr 4 des Aiißcnsystcms verschraubt. as well as two countered gas guiding sleeves 14 screwed onto the outer tube 7 of the inner system and 15 centered. The coolant distributor head 13 is screwed to the inner tube 4 of the outer system.

6j Die Rohre 7 und 8 des Innensystems sind im Schuftende durch eine hülmingsmuffe Ift und im Brennerkopf durch Distaii/mitlel zentriert. Als Distiin/mittel eignen sich insbesondere die beim6j The pipes 7 and 8 of the inner system are in Toiling through a hülmingsmuffe ift and im Burner head centered by distaii / middle. When Distiin / medium are particularly suitable for

Claims

Embodiment used spacer pins 17, three of which are arranged distributed over the circumference. The tubes of the external system 2, 3 and 4 are screwed at the end of the shaft by means of union nuts J 8, 19 and 20 as well as base rings 21, 22 and guide edges 23, 24 and 25 and centered in the burner head by the coolant distributor head 13. A connection nipple 26 is used to supply working gas, for example argon. A coolant such as water can be supplied to the gas nozzle 5 through a connection nipple 27 and discharged via the connection nipple 28. In the internal system, the connection nipple 27 a is used to supply the coolant for the central electrode, which is derived via the connection nipple 28 a. Sealing rings are denoted by 30. One of the connecting nipples 27 α and 28 a can serve as the electrical connection for the central electrode 9. An additional cable connection is provided at 31. One of the connecting nipples 26, 27 or 28 and also simply the outer tube 2 can be used for the electrical connection for the gas nozzle, which is usually connected to ground potential for starting. A holder for the arc torch is symbolized by 32. To premelt the working gas, the burner can work in indirect mode, in which the arc burns between the central electrode and the gas nozzle. As soon as a conductive melting zone has formed, it is possible to switch to direct operation, in which the arc is drawn between the central contact rod and the material to be melted. The central electrode can be connected cathodically or anodically to the melting material, which makes it possible to manage without a bottom electrode in the crucible. To do this, the sirom path can be closed via the melted material and the arc of a second burner - so-called duoplasma micr drive - with one central electrode serving as the cathode and the second central electrode serving as the anode. The coolant distributor head 13 rests on the shaft-rope round 33 of the gas disc S with the sealing ring 30 lying between them. This results in manufacturing advantages, and on the other hand, Würmcspanmingen are compensated. It is advantageous to provide the gas supply sleeves 14 and 15 with bores 34 on the circumference and to provide at least one of the gas supply sleeves - in the example the sleeve 14 - on the edge facing the other sleeve with a flow channel 35 in the area of the bores. This always ensures good gas distribution. It is also advantageous to design the coolant distributor head 13 essentially as a hollow cylinder with a conically angled end face and to provide axial bores 36 in the cylindrical wall area which open into a contiguous, inwardly open annular gap 37 in the angled area. This achieves intensive cooling with good coolant properties. For powers of up to about 50 kW and power consumption of up to 600 Λ, a diameter of Γ'.4 mm has proven itself for the pin-shaped central elec- tral diode 9 and an internal diameter of about 7.5 mm for the gas tube 5. With this dimensioning, it is advantageous to set the throughput of working gas to approximately 5 to 15 l / min, preferably to 10 l / min. For an output of 20OkW with a current consumption of up to 1200 A, it is advantageous to choose a diameter of 10 mm for the pin-shaped central electrode and 10.8 mm for the inner diameter of the gas nozzle. The best gas throughput is again in the range of 5 to 15 l / min. Under these operating conditions, the heat supplied to the melting material reaches a ίο pronounced maximum. This operating state is characterized by a steady, columnar burning of the arc in direct operation. In contrast, if the throughput of working gas in the annular gap between the central electrode and the gas nozzle differs from this, an unsteady or flickering arc occurs. It then also happens ν., R that the focal point wanders or jumps around on the weld pool. In the case of larger gap widths, on the other hand, the operation according to the invention cannot be classified, or in other words: then there are significantly flatter maxima of the power a'if delivered to the melt. To change the central electrode, only the union nut 20 has to be loosened and the internal system pulled out. The electrode pin can then be unscrewed. During assembly, the insulating material bushing 12 rests on a stop 38, which can be a circlip. The insulating material bushing 12 can - as can be seen - be designed to extend the creeping path on the head side. To dismantle the outer pipe system, only the nipples 26, 27 and 28 need to be unscrewed, after which the sliding ring 39 can be pulled off and the union nut 19 can be loosened. The union nut 18 can be loosened independently. The gas nozzle 5 can be replaced under operating conditions in that the union nut 18 is loosened and the tube 2 with the gas disk 5 is pulled off and replaced. With the inner pipe system removed, the axial position of the central electrode can be adjusted by loosening the gas guide sleeves 14 and 15 and locking them again at the appropriate point. The inner pipe system can be dismantled immediately by means of a bayonet connector 40. Even if the electric arc burner according to the invention has proven particularly useful as a melting burner, it should be mentioned that it can be used advantageously in other areas of application for arc burners and plasma burners. Patcntanspiüclic:

1. Gas-stabilized arc torch, in which Burner head cine gas disc is arranged coaxially to a lift-shaped central electrode, d a il u r c h g e k e η η ζ e i c Ii net that the Auikvmanlel the /.entralclcklrode (9), whose End with the inner edge of the gas nozzle (5), forms a cylindrical annular space with the inner jacket of the gas disc (5) light while less than 1 mm entrusted.

2. Arc torch according to claim I. characterized in that arranged coaxially Pipes (2, 3, 4, 7, K) form a tube length in relation to the diameter of a pipe and arranged in two systems siiul · one inner (7, H) tin / u- and deriving \ oii KuIiI

mittel für die Zentralelektrode (9) und einem äußeren (2. 3, 4) zum Zu- und Ableiten des Kühlmittels zur Gasdüse, zwischen denen die Zuleitung für Arbeitsgas mündet, und daß die Rohre jedes Systems sowie die Systeme gegeneinander nur durch Halterungen im Schaftende und im Brennerkopf zentriert sind.means for the central electrode (9) and an outer one (2. 3, 4) for supplying and discharging the coolant to the gas nozzle, between which the supply line for working gas opens, and that the tubes each system as well as the systems against each other only through brackets in the shaft end and in the Are centered.

3. Lichtbogenbrenner nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zentral in einem Außensystem koaxialer Rohre (2, 3, 4) für to Kühlmiltelzuführung zur Oasdüse (S), die mit dem äußeren Rohr (2) des Außensystems verbunden ist, ein Innensystem koaxialer Rohre (7, 8) für KUhlmittelzuführung zu der mit dem äußeren Rohr des Innensystems (7) lösbar verbundenen Zentralelektrode (9) angeordnet ist, die zusammen einen im Verhältnis zum Brennerdurchmesser langen Brennerschaft bilden, und daß beide Systeme im Schaftende durch eine Isolierstoffbuchse (J2) und im Brennerkopf durch *° einen mit dem inneren Rohr (4) des Außensystems vcrschraubten Kühlmittelverteilerkopf (13) für die Gasdüse (5) sowie zwei gekonterten, auf dem äußeren Rohr (7) des Innensystems aufgeschraubten Gasfiilirungshülscn (14. 15) aus as Isoliermaterial, die zum Brennerkopf hin auf einem Anschlag am Kiihlmittelverteilerkopf (13) aufsitzen, zentriert sind und daß die Rohre des Innensystems im Schaffende von einer Führungsmuffc(lft) und im Brennerkopf durch Distanz- 3»3. Arc torch according to claims 1 and 2, characterized in that centrally in an external system of coaxial tubes (2, 3, 4) for cooling medium supply to the Oas nozzle (S) which is connected to the outer tube (2) of the external system, a Inner system of coaxial tubes (7, 8) for coolant supply to the central electrode (9) releasably connected to the outer tube of the inner system (7) is arranged, which together form a burner shaft which is long in relation to the burner diameter, and both systems in the shaft end through an insulating material bushing (J2) and in the burner head through * ° a coolant distributor head (13) screwed to the inner tube (4) of the outer system for the gas nozzle (5) as well as two countered gas-filling sleeves (14. 15) screwed onto the outer tube (7) of the inner system made of as insulating material, which sit on a stop on the coolant distributor head (13) towards the burner head, are centered and that the pipes of the internal system in the working of a guide rungsmuffc (lft) and in the burner head through distance 3 » mittel (17) zentriert und die Rohre des Außensystems beim Schaftende mittels Überwurfmuttern (18.19. 20) sowie Basisringen (21, 22) und Führungsrändern (23, 24, 25) verschraubt und im Brennerkopf durch den Kühlmittelvcrteilerkop! (13) zentriert sind.centered (17) and the tubes of the outer system at the end of the shaft by means of union nuts (18.19. 20) and base rings (21, 22) and Guide edges (23, 24, 25) screwed and in the burner head through the coolant distributor! (13) are centered.

4. Lichtbogenbrenner nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelvertoilerkopf (13) auf dem schaftseitigeti Rand (33) der GasdUse (S) bei zwischenliegendem Dichtungsring (30) aufsitzt.4. Arc torch according to Claims 1 to 3, characterized in that the coolant distributor head (13) rests on the edge (33) of the gas nozzle (S) on the shaft side with the sealing ring (30) in between.

5. Lichtbogenbrenner nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch drei über den Umfang verteilt angeordnete Distanzstiflc (17) als Distanzmittel.5. Arc torch according to claims 1 to 3, characterized by three spacer pins (17) distributed over the circumference as Distance means.

6. Lichtbogenbrenner nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gnsführungshiilscn axial durchbohrt sind und daß mindestens eine der GasfUhrungshtilsen (14,15) an dem einander zugekehrten Rand im Bereich dei Bohrungen (34) mit einem Ringkanal (35) versehen ist.6. Arc torch according to claims 1 to 3, characterized in that the Gnsführungshiilscn are axially pierced and that at least one of the GasfUhrungshtilsen (14, 15) the edge facing one another in the area of the bores (34) is provided with an annular channel (35).

7. Lichtbogenbrenner nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühl mittelvei Querkopf (13) im wesentlichen als Hohl zylinder mit konisch abgewinkelter Stirnseite ausgebildet ist, der im zylindrischen Wandbereich axiale Bohrungen (36) aufweist, an die sich irr abgewinkelten Bereich ein nach innen offcnci Ringspalt (37) anschließt.7. Arc torch according to claims 1 to 3, characterized in that the cooling Mittelvei transverse head (13) essentially as a hollow cylinder is formed with a conically angled end face, which is in the cylindrical wall area has axial bores (36) to which an inwardly angled area extends Annular gap (37) adjoins.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings