DE2306022A1

DE2306022A1 - Plasmabrenner mit achsialzufuhr des stabilisierenden gases

Info

Publication number: DE2306022A1
Application number: DE2306022A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dipl Ing Dembovsky
Original assignee: VYSOKA SKOLA BANSKA
Current assignee: VYSOKA SKOLA BANSKA
Priority date: 1972-02-09
Filing date: 1973-02-07
Publication date: 1973-08-23
Also published as: DE2306022C3; FR2171418B1; US3858072A; GB1416783A; DD101585A1; DE2306022B2; JPS4889149A; SE378998B; CS163895B1; CH550528A; FR2171418A1; BE795236A

Description

PATENTANMELDUKa

Anmelder; Vysoka skola bänska, Ostrava, C.S.

Titel; Plasmabrenner mit Aohsialzufuhr des
stabilisierenden Gases

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner mit Lichtbogenentladung und Aohsialzufuhr des stabilisierenden Gases,
wobei das Einstellen der Mündung der Gaszufuhr gegenüber der Kathode sowie das Einstellen der Entfernung der Kathode von der Anode mit einem Mechanismus zum Starten vorgenommen wird«, Zur Kühlung der Düse strömt dabei das Gas entlang der Kathode«,

Bei den bekannten Plasmabrennern ist die Zufuhr des stabilisierenden Gases entweder achsial oder tangential vorgesehen. Eine solche Zuführungsanordnung ist zwar stabil, sie entspricht aber nur einer bestimmten Arbeitsweise des Plasmabrenners in verhältnismäßig engen Geschwindigkeits·*· grenzen des gasförmigen Mediums in den Entladungskammern,,

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Die Wahl der Entfernung der Kathode von der Anode wird "bei den bekannten Plasmabrennern ohne. Rücksicht darauf bestimmt, daß durch Änderung dieser Entfernung auch eine Änderung der Umströmung der.Kathode eintritt und dadurch auch die-optimalen Bedingungen für das Brennen des Lichtbogens im Arbeitsraum gestört werden« Die elaktrische Lichtbogenentladung bei den bekannten Plasmabrennern wird üblicherweise durch die Bildung eines Kurzschlusses der Kathode mit der Anode eingeleitet, und zwar entweder unmittelbar oder mittels eines Metall·- drahtes mit niedrigem Schmelzpunkt zwischen einer Hilfskathode und der Anode des Plasmabrenners» Es ist ebenfalls auch ein Zünden des elektrischen Lichtbogens mittels eines Hochfrequenz- oder Hochspannungsstromes bekannt, durch welchen in der Entlädungskammer eine elektrische Hochfrequenz- oder Hochspannungsentladung eingeleitet wird, die den Arbeitsraum ionisiert und so ein Zünden des elektrischen Lichtbogens ermöglicht, der durch den elektrischen Strom unterhalten wird, der' als G-leich- oder Wechselstrom zugeführt wird.

Das Verfahren, welches zum Bilden eines künstlichen elektrischen Kurzschlusses einen Draht mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet, hat den Nachteil, daß das Metall mit■ niedrigem Schmelzpunkt nicht nur den Plasmabrenner, sondern auch das Plasma und in vielen Fällen auch das ge=* schmolzene Material verunreinigt. Infolgedessen ist ■ dieses Verfahren des Startens in den Fällen, wo eine

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hohe Keinheit des Plasmas gefordert wird, nicht anwendbar. Die Anwendung einer zusätzlichen elektrischen Entladung zwischen einer Hilfskathode und der Anode bringt konstruktive Schwierigkeiten mit sich. Das Zünden des elektrischen Lichtbogens mittels einer Hochfrequenz- oder Hochspannungsquelle bedingt erhöhte Kosten der ganzen Anordnung«

Die achsiale Zufuhr des stabilisierenden Gases in die Düse wird bei den bekannten Plasmabrennern durch einen Ringraum ausgeführt, der durch eine äußere zylindrische Kathodenoberfläche und den inneren Hohlraum der Düse bestimmt ist. Eine solche Zufuhr ermöglicht jedoch nicht ein gleichförmiges Umströmen der Kathode, ein genügendes Kühlen ihrer Oberfläche durch das Arbeitsgas und löst auch nicht das Problem des zentrischen Ausströmens des Plasma aus Düsen größeren Durchmessers» An unmittelbar gekühlten Düsen bekannter Plasmabrenner erfolgt das Strömen des Kühlwassers durch Kanäle, welche die Kühlflüssigkeit nur in Kontakt mit einen Düsenteil bringt, oder es wird ein Umströmen von freien Räumen verwendet, die um die Düse herum gebildet sind. Keine dieser konstruktiven Lösungen sichert an Plasmabrennern großer Leistung eine genügend wirksame Wärmeabfuhr und eine Herabv setzung der Dicke der Grenzschicht der Flüssigkeit an der Oberfläche der gekühlten Düse·

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bekannter Plasmabrenner durch eine neue Konstruktion zu beseitigen. · . -

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß die Zufuhr des stabilisierenden Gases und die Anordnung des Startmechanismus so gestaltet sind, daß die Kathode des Brenners an ihrer Oberfläche Längsnuten aufweist und zwischen der Innenwand des* Brennermantels und der Außenwand eines mit diesem gleichaGhsigen inneren Rohr eine Umlaufeinlage vorgesehen ist, die Kühlkanäle besitzt. Der Innendurchmesser dieser Umlaufeinlage ist dmbei größer .als der Außendurohmesser des inneren Rohres des Brenners; ihr Außendurchmesser ist kleiner als der Innendurchmesser des Brennermantels, der den Kühlraum begrenzt, wobei zwischen der Stirnwand der Umlaufeinlage und der inneren Stirnwand der Düse ein Spalt für den Durchfluß des Kühlmediums belassen ist«, Im Plasmabrennerkopf ist eine gegenüber dem Plasmabrennerkopf achsial verstellbare Verteil erkammer vorgesehen, an welche ein Halter der Kathode und ein diesen Halter umgebendes Rohr aus elektrisch isolierenden Material befestigt« Dabei dient der Raum zwischen dem Halter und diesem Rohr der Zufuhr des stabilisierenden G-ases. Der Plasmabrennerkopf besteht aus einer die Düse tragenden Muffe und einem Verschlußstück, die beide durch eine Mutter verbunden sind, welche eine Einstellung ihrer achsialen Entfernung zueinander erlaubt ₉ ^L ⁵Die Verteilerkammer wird schließlich erfindungsmäßig durch die

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Kraft einer Feder gegen den Boden des Verschlußstückes gedrückt·

Durch die geeignete Wahl der gegenseitigen Einstellung der Mündung der Zufuhr des stabilisierenden G-ases und des Arbeitsendesf der Kathode kann derselbe Plasmabrenner für Arbeiten mit einer geringen oder großen Menge an Arbeitsgase und für verschiedene Düsendurchmesser verwendet werden. Durch die Beseitigung der Abhängigkeit des Einsteilens der Mündung der Zufuhr des stabilisierenden G-ases gegenüber dem Arbeitsende der Kathode mit einem Mechanismus im Brennerkopf zum Einstellen der Entfernung der Kathode von der Anode und zum Bilden einer gegenseitig sich ergänzenden Einheit nach dem Starten wird die Ausführung des Brenners und dessen Bedienung wesentlich erleichtert. Durch die Anordnung von Längsnuten an der Kathodenoberfläche wird eine gleichmäßige Verteilung des axial strömenden Gases über den Umfang erreicht und eine höhere Kühlwirkung an der Kathodenoberfläche und, falls nötig, auch ein laminarer zentrischer Austritt des Plasma aus der Düse, auch bei höheren Austrittsgeschwindigkeiten, erzielt. Durch die Ausstattung der unmittelbar gekühlten Düse des Plasmabrenners mit einer Umlaufeinlage, die mit Kanälen versehen ist, können dank der Möglichkeit kleiner Durchflußquerschnitte hohe Geschwindigkeiten der Kühlflüssigkeit an der Arbeitsoberfläche der Mse erzielt werden. Dadurch wird die Dicke der Grenzschicht der strömenden Flüssigkeit herab-

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gesetzt und.auch die Stirnseite der Düse, deren Durchmesser größer ist als der Innendurchmesser der Umlaufeinlage, wirksam gekühlt.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners ist in der Zeichnung dargestellt und wird im * folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtansieht in Achsialschnitt,

Figo 2 die Anordnung der Kathode mit Längsnuten an der Oberfläche und der Düse mit der Umlaufeinlage im Aufriß und teilweisen achsialen Schnitt und

Figo 3 ein Querschnitt entlang der Schnittlinie A-A der Fig. 2, wobei die gegenseitige Anordnung und Ausführung der Kathode, der Düse und der Umlaufeinlage gezeigt ist.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner besitzt eine Düse, die mit zwei gleichachsigen Metallrohren verbunden ist, die einen äußeren Mantel 21 und einen inneren Mantel 22 des Brenners bilden, ferner eine Kathode 3ι die auf einem elektrisch leitenden Halter 6 der Kathode befestigt ist-. Die Düse 1 des Plasmabrenners ist aus Kupfer oder einem Metall mit hohem Schmelzpunkt hergestellt und

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wird durch Wasser, das die Innenoberfläche der Düse in Richtung der gezeichneten Pfeile umspült, intensiv gekühlt. Eine genügende St rollings geschwindigkeit des Wassers an der Innenoberfläche der Düse 1 wird durch eine Umlaufeinlage 23 (Fig. 2) gesichert, die an einem Spülrohr 2 befestigt ist und zentrisch zwischen dem inneren und äußeren Brennermantel geführt wird«, Das Spülrohr 2 ist in äiner Muffe 9 verankerte Das Kühlwasser wird zur Düse 1 über die Zufuhr 7 des Kühlwassers zugeführt und über den Abfluß 8 abgezogen. Die aus hochschmelzbaren Metall ausgeführte und im Halter 6 befestigte Kathode 3 ist hohl und wird ebenfalls durch Wasser gekühlt, das zu ihrer Basis über die Zufuhr 4 des Kathoden-Kühlwassers zugeführt wird. Sein Abzug erfolgt durch den Abfluß 20 dieses Kathoden-Kühlwasser-Kreislaufes. Das verwendete Gas wird in eine Verteilerkammer 16 über die Gaszufuhr 17 geleitet, von wo es in die Entladungskammer des Brenners über ein Rohr 5 aus elektrisch isolierendem Material geführt wird, das in der Verteilerkammer 16 befestigt ist. Der durch den Halter 6 der Kathode 3 und das Rohr 5 bestimmte Raum bildet eine achsiale Gaszufuhrvorrichtung. In einem durch eine Muffe 9, eine Mutter 12 und einen Verschluß 15 gebildeten Brennerkopf ist eine Vorrichtung zum Einstellen der Zufuhr des stabilisierenden Gases und ein Mechanismus zum Starten und Einstellen der Entfernung der Kathode 3 von der Düse 1 vorgesehen.

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Das Einstellen der Entfernung der Kathode -3 von der Düse 1 wird durch Drehen der Mutter 12 ausgeführt, die an beiden- Seiten mit gegenläufigem Gewinde versehen ist. Beim Drehen der Mutter 12 wird die Entfernung zwischen dem Verschluß T5 und der. Muffe 9 geändert, wodurch gleichzeitig die Verteilerkammer 16 in Richtung der Längsachse des Brenners verstellt wird,.deren dauernder Kontakt mit dem Boden des Verschlusses 15 durch den Druck einer Feder 14 gesichert ist, die auf die Verteilerkammer 16 über eine Druckplatte 13 einwirkt, die aus elektrisch isolierendem. Material "besteht. Mit der Verteilerkammer 16 "bewegt sich'gleichzeitig das mit ihr verbundene Porzellanrohr 5, das das Gas in die Entladungskammer des Brenners zuführt und der Halt 6 mit der Kathode 3. Die, Bewegung der Vertei-lerkammer wird auf den Halter 6 der Kathode 3 durch drei Arretationsschrauben 18 übertragen«

In Fig. 2 ist die Anordnung der Kathode mit Langsnuten an der Oberfläche und der Düse mit der Umlaufeinlage , dargestellt. Die Kathode-3 besitzt Langsnuten 26, über welche das Gas C mittels des Rohres 5 aus elektrisch isolierendem Material zentrisch auch in der Düse 1 geführt wird. Die Düse 1 des Plasmabrenners hat an ihrer Austrittstelle eine ausgehöhlte Stirnwand, die am äußeren Umfang einen Gummiring 27 trägt. In die ausgehöhlte Stirnwand der Düse 1 ist die Um-

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laufeinlage 23 eingesetzt, wobei die inneren Flächen des äußeren Randes dieser Stirnwand die Umlaufeinlage 23 zentrisch führen. Um den Eintritt des Kühlwassers B an die Arbeitsfläche der Düse 1 zu ermöglichen, sind am äußeren Umfang der Umlaufeinlage 23 Kanäle 24 vorgesehen. Durch die genaue Führung der Umlaufeinlage 23 entlang der zylindrischen Innenwand des äußeren Randes der Stirnwand der Düse 1 kann ein sehr geringer Durchfluß querschnitt für das Kühlwasser B zwischen der gekühlten Wand der Düse 1 und der Innenfläche der Umlaufeinlage 23 erzielt werden. Die Durchflußbahn des Kühlwassers B ist in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet, Der Raum für die Zufuhr des Kühlwassers B zur Düse 1 ist durch die Innenwand des Mantels 21 und die äußere Wand und die Kanäle der UmIaufeinlage 23 bestimmt.

In Fig. 3 ist die Form einer möglichen Ausführung der Kanäle 24 in der Umlaufeinlage 23 in Querschnitt angedeutet, zusammen mit dem Arbeitsteil des Plasmabrenners.

Die Mutter 12 und das Verschlußstück 15 bestehen aus elektrisch isolierendem Material. Das Abdichten des Porzellanrohres 5 erfolgt durch einen Dichtungsring Ein optimales Einstellen der Mündung der Gaszufuhr und der Basis der Kathode 3 ist nach Lösen der Arretationsschrauben 18 möglich. Das Abdichten des Halters 6 der Kathode 3 erfolgt durch die Dichtung 19. Das Starten des Brenners geschieht mittels eines Ionisators oder

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durch Niederdrücken des Halters β der Kathode 3 in -Dichtung gegen die Düse 1 gegen die Kraft der Feder 14, die sich gegen eine aus elektrisch isolierendem Material, ausgeführte Stützplatte 11 stützt. Nach Kontaktbildung ' der Kathode 3 mit der -Düse 1 und nach dem Nachlassen der auf den Halter "6 der Kathode 3 wirkenden Kraft er-., folgt eine selbsttätige Rückkehr der Kathode 3 in 'ihre ursprüngliche Lage infolge der Wirkung der Kraft der Feder 14 und im/Fall, daß der Plasmabrenner an eine Stromquelle angeschlossen war,'zu einem Zünden des elektrischen Lichtbogens zwischen der Kathode 3 und der Düse 1, Der Anschluß des Plasmabrenners an die Stromquelle ist erfolgt durch Klemmen am äußeren Brennermantel und an Halter 6 der Kathode 3. Der Bereich der Anwendbarkeit und der Leistungen des Plasmabrenners kann durch Auswechseln der Größen der Düse 1, der Kathode und der UmIaufeinlage 23 geändert werden«

Der beschriebene Plasmabrenner ist zum Schneiden γόη Eisen und von Nichteisenmetallen und Legierungen, zum Stahlschweißen, Schweißen von Nichteisenmetallen wie zum.Beispiel Molybdän, ?iolfram und dergleichen geeignet. Besonders vorteilhaft ist diese Anordnung des Plasmabrenners für eine Bandraffination und zum Schmelzen · von Metallmaterial mit mittlerem und hohem Schmelzpunkt geeignet. Nach entsprechender Zurichtuisg., der Düse, kann der Brenner auch zum Aufspritzen vqa !Mail- und Oxydschichten verwendet werden«, '

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Claims

PATENTANSPEiCHE :

1. Plasmabrenner mit Achsialzufuhr des stabilisierenden Gases und einer Achsialrichtung beweglichen Kathode, dessen Düse von einem Kühlraum umgeben ist, durch welchen eine Kühlflüssigkeit fließt, dadurch gekennzeichnet , daß die Kathode (3) des Brenners an ihrer Oberfläche Längsnuten (26) aufweist und zwischen der Innenwand des Brennermantels (21) und der AußenY/and eines mit diesem gleichachsigen inneren Rohres (22) eine Umlaufeinlage (23) angeordnet ist, die Kühlkanäle (24) besitzt und der Innendurchmesser dieser Umlaufeinlage (23) größer ist als der Außendurchmesser des inneren Rohres (22) des Brenners und ihr Außendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Brennermantels (21), der den Kühlraum begrenzt, wobei zwischen der Stirnwand der Umlaufeinlage (23) und der inneren Stirnwand der Düse (1) ein Spalt für den Durchfluß des Kühlmediums belassen ist, im Plasmabrennerkopf eine gegenüber dem Plasmabrennerkopf achsial verschiebbare Verteilerkammer (16) vorgesehen ist, an welche ein Halter (6) der Kathode (3) und ein diesen Halter (6) umgebendes Rohr (5) aus elektrisch isolierendem Material befestigt ist, wobei der Raum zwischen dem Halter (6) und diesem

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Rohr (5) der Zufuhr des stabilisierenden Gases dient, der Plasmabrennerkopf aus einer die Düse (1) tragenden Muffe "(9) und einem Verschlußstück (15) besteht, die mittels einer Mutter (12) verbunden sind, welche eine Einstellung ihrer achsialen Entfernung erlaubt, und die Verteilerkammef (16) durch die Kraft einer Feder (14) gegen den Boden des Verschluß-; • stückes (15) gedrückt wird. - ·

2. Plasmabrenner- nach Anspruch 1, dadurch g.e k e η η zeichnet, daß die Lage des Halters (6) der Kathode (3) in der Verteilerkammer (16) einstellbar ' ist.

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