DE2334449C3

DE2334449C3 - Device for stabilizing a liquid arc plasma torch

Info

Publication number: DE2334449C3
Application number: DE19732334449
Authority: DE
Inventors: Miloslav; Zverschina Karel Dipl.-Ing.; Kyntschl Gustav; Wohlrab Ivo Dipl.-Ing.; Prag Bartuschka
Original assignee: Vysoka Skola Chemicko-Technologicka, Prag
Priority date: 1972-07-13
Filing date: 1973-07-06
Publication date: 1977-12-29

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenners nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a device for stabilizing a liquid-arc plasma torch according to the preamble of claim 1.

Die Funktion eines bekannten Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenners mit einem Gleichstrom-Lichtbogen beruht auf dem Prinzip, daß zwischen zwei Elektroden, d. h. zwischen einer Anode und einer Kathode, ein Gleichstrom-Lichtbogen brennt, der durch einen Kanal einer Stabilisierungsvorrichtung hindurch geht, die zur Bildung von stabilen hydrodynamischen Verhältnissen bei der Erreichung des nötigen Verlaufs des Gradienten der elektrischen Spannung dient. Vom Gesichtspunkt der dynamischen Verhältnisse muß der Kanal der Stabiüsierungsvorrichtup.g einen Flüssigkeitswirbel bilden, in dessen Mitte der Lichtbogen brennt, wobei die ^b:> Dicke des Flüssigkeitsfilms so sein muß, daß sie einerseits genügend das eigentliche Material des Kanals vor der Wärmeeinwirkung des Lichtbogens und des entstandenen Plasmas schützt und gleichzeitig andererseits die Entstehung des Plasmas ermöglicht.The function of a known liquid arc plasma torch with a direct current arc is based on the principle that a direct current arc burns between two electrodes, ie between an anode and a cathode, which passes through a channel of a stabilization device which is used to form stable hydrodynamic conditions in achieving the necessary course of the gradient of the electrical voltage is used. From the viewpoint of the dynamic conditions of the channel of the Stabiüsierungsvorrichtup.g must form a vortex of liquid, burns in the middle of the arc, wherein the ^b:> thickness of the liquid film must be such that on the one hand enough the actual material of the channel prior to the heat action of the arc, and protects the resulting plasma and at the same time enables the formation of the plasma.

Falls bei einem Flüssigksits-l.ichtbogenplasmabrenners die Stabilisierungsvorrichtung so beschaffen ist, daS mit deren Hilfe optimale Verhältnisse sowohl in hydrodynamischer, als auch in Spannungs Verhältnis-Hinsicht entstehen, kommt es entweder zu einem ungleichmäßigen Betrieb des Plasmabrenners oder zu einer solchen Herabsetzung der Lebensdauer eines Teils der Stabilisierungsvorrichtung, daß der eigentliche Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenner nicht industriell eingesetzt werden kann. Außer dem oben angeführten Umstand hat die Stabilisierungsvorrichtung einen entscheidenden Einfluß auf die Wirksamkeit des eigentlichen Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenners als Plasma-Generator und daher auf die Höhe der erzielten Temperatur, auf die Höhe der Ausströmungsgeschwindigkeit und dadurch auf die Möglichkeit der Anwendung des Flüssigkeifs-Lichtbogenplasmabrenners auf den einzelnen technologischen Gebieten.If it is a liquid arc plasma torch the stabilization device is designed in such a way that, with its help, optimum conditions are achieved both in hydrodynamic, as well as in terms of stress ratio, it comes to either one uneven operation of the plasma torch or such a reduction in the service life of a Part of the stabilization device that the actual liquid arc plasma torch is not industrial can be used. In addition to the above circumstance, the stabilizing device has one decisive influence on the effectiveness of the actual liquid arc plasma torch as Plasma generator and therefore to the level of the temperature achieved, to the level of the outflow velocity and thereby the possibility of using the liquid arc plasma torch on the individual technological areas.

Die Stabilisierungsvorrichtungen, die gegenwärtig bei Flüs'-igkeits-Lichtbogenplasmabrennern verwendet werden, zeigen eine niedrige Lebensdauer, verursachen bedeutende Unregelmäßigkeiten des Betriebs dieser Brenner und einen niedrigen Wirkungsgrad der eigentlichen Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenner als Plasmageneratoren und ermöglichen praktisch nicht eine ausreichend wirtschaftliche Anwendung dieser Brenner in der Produktion.The stabilizers currently at Liquid arc plasma torches used have a short service life and cause significant irregularities in their operation Torch and a low efficiency of the actual liquid-arc plasma torch than Plasma generators and practically do not allow a sufficiently economical application of these Burners in production.

Im einzelnen ist es bekannt (DT-OS 20 28 193, FR-OS 20 27 085), Flüssigkeits-Lichlbogenplasmabrenner mit Bauteilen, wie Düsen und Ringen, Einlassen und zwei Auslässen, für die Stabilisierungsvorrichtung zu versehen und diese so zu unterteilen. Die elektrischen Eigenschaften der einzelnen Bauteile und deren Isolation in der gesamten Stabilisierungsvorrichtung werden jedoch nicht näher erläutert. So wird der eine bekannte Flüssigkeits-LichtbogenplasmabrennerIn detail it is known (DT-OS 20 28 193, FR-OS 20 27 085), with liquid arc plasma burner Components, such as nozzles and rings, inlets and two outlets, for the stabilization device to be provided and to subdivide them in this way. The electrical properties of the individual components and their However, isolation in the entire stabilization device is not explained in more detail. So becomes the one known liquid arc plasma torches

(DT-OS 20 28 193) im wesentlichen anhand der geometrischen Anordnung der einzelnen Bauteile beschrieben, jedoch deren elektrische Leitfähigkeit und Isolation nicht angesprochen. Der andere bekannte Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenner (FR-OS(DT-OS 20 28 193) essentially based on the geometric arrangement of the individual components described, but their electrical conductivity and insulation are not addressed. The other known Liquid arc plasma torch (FR-OS

20 27 085) dient zur Einleitung chemischer Reaktion im Plasma; er sieht aber keine besonderen Maßnahmen bezüglich der elektrischen Isolation und Leitfähigkeit der einzelnen Bauteile vor.20 27 085) is used to initiate a chemical reaction in the Plasma; but he does not see any special measures with regard to electrical insulation and conductivity of the individual components.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit erhöhter Stabilisierung des Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenners anzugeben, die neben einer verbesserten Zuverlässigkeit im Betrieb auch eine erhöhte Lebensdauer hat.It is therefore the object of the invention to provide a device of the type mentioned at the beginning with increased stabilization of the liquid arc plasma torch, in addition to improved reliability in operation also has an increased lifespan.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by what is specified in the characterizing part of claim 1 Features solved.

Bei der Erfindung sind die einzelnen Bauteile elektrisch voneinander isoliert. Dadurch wird einerseits die Stabilität des Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenners erhöht. Andererseits auch die Lebensdauer der einzelnen Bauteile vergrößert.In the invention, the individual components are electrically isolated from one another. This will on the one hand increases the stability of the liquid arc plasma torch. On the other hand, the lifespan of the individual components enlarged.

Dabei ist es zweckmäßig, daß die Stirndüse, die Mündungsdüse, der Ring, die Düse, die Sammeldüse, der abgesetzte Ring, der zylinderförmige Ring und die Spannzangenbüchse der Spannzange ganz oder teilweise aus einem elektrisch nichtleitenden Material hergestellt sind.It is useful that the front nozzle, the orifice nozzle, the ring, the nozzle, the collecting nozzle, the stepped ring, the cylindrical ring and the collet sleeve of the collet in whole or in part are made of an electrically non-conductive material.

Ferner ist es vorteilhaft, daß die Düse mit einer kreisförmigen öffnung versehen ist, die kleiner ist alsIt is also advantageous that the nozzle is provided with a circular opening which is smaller than

die Öffnungen in den ringförmigen austauschbaren Bestandteilen.the openings in the annular replaceable components.

Endlich empfiehlt es sich, daß die Mündungsdüse mit einer kreisförmigen Öffnung versehen ist, die kleiner ist als die Öffnungen in den ringfö.migen austauschbaren Bestandteilen.Finally, it is recommended that the muzzle nozzle be provided with a circular opening that is smaller than the openings in the annular replaceable components.

Die Wirkung der Stabilisierungsvorrichtung des Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenners nach der Erfindung besteht also darin, daß sie einen störungsfreien Betrieb des eigentlichen Flüssigkehs-Lichtbogenplasmabrenners sowie auch eine Erhöhung der Lebensdauer der einzelnen Teile der Vorrichtung und eine Erhöhung der Leistung und der Ausströmungsgeschwindigkeit gewährleistet. Die Stabilisierungsvorrichtung ermöglicht die Erreichung des nötigen Verlaufs des Gradienten der elektrischen Spannung, was die Erhöhung der Lebensdauer der einzelnen Teile in Abhängigkeit von der Volt-Ampere-Kennlinie der Stromquelle des Gleichstrom-Lichtbogens gestattet. Weiter ermöglicht ein passend gewähltes Verhältnis der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der ringförmigen Bestandteile eine Steigerung der Wirksamkeit des eigentlichen Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenners als Plasmagenerator. Die Anordnung, die in der Verkleinerung des Innendurchmessers der Düse oder der Büchse im Verhältnis zu den anderen kreisförmigen Öffnungen besteht, ermöglicht eine Steigerung der Ausströmungsgeschwindigkeit des Plasmas und eine Steigerung des Wirkungsgrades der Ausnutzung der Quelle des elektrischen Gleichstroms des Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenners mit einem Gleichstrom-Lichtbogen.The effect of the stabilizing device of the liquid arc plasma torch according to the invention is therefore that they ensure trouble-free operation of the actual liquid arc plasma torch as well as an increase in the service life of the individual parts of the device and an increase the performance and the outflow velocity guaranteed. The stabilization device allows the achievement of the necessary course of the gradient of the electrical voltage, which increases the Service life of the individual parts depending on the volt-ampere characteristic of the power source of the Direct current arc permitted. An appropriately chosen ratio of the inside diameter also enables and the outside diameter of the annular components increase the effectiveness of the actual Liquid arc plasma torch as a plasma generator. The arrangement made in the reduction of the Inside diameter of the nozzle or sleeve in relation to the other circular openings exists, enables an increase in the outflow velocity of the plasma and an increase in the Liquid arc plasma torch utilization efficiency of the source of direct electric current with a direct current arc.

Ein Ausführungsbeispiel der beanspruchten Vorrichtung zur Stabilisierung des Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenners mit einem Gleichstrom-Lichtbogen ist in der aus einer einzigen Figur bestehenden Zeichnung gezeigt.An embodiment of the claimed device for stabilizing the liquid-arc plasma torch with a direct current arc is shown in the single figure drawing shown.

In einem Brennerkörper 29 ist eine Stabilisierungsvorrichtung des Plasmabrenners angeordnet, die gebildet ist einerseits durch ringförmige austauschbare Metallbestandteile, nämlich durch eine Stirndüse 1, durch eine Mündungsdüse 2, durch einen Ring 3, durch eine Düse 4, durch eine Sammeldüse 5, durch einen abgesetzten Ring 7, durch einen zylinderförmigen Ring 8 und durch eine Spannzangenbüchse 9, und andererseits durch einen kreisförmigen nichtmetallischen Ring 6. Der kreisförmige nichtmetallische Ring 6 ist einerseits mit einem ersten tangentialen Einlaß 25 und mit einem zweiten tangentialen Einlaß 26 und andererseits mit einem ersten tangentialen Auslaß 27 und mit einem zweiten tangentialen Auslaß 28 versehen. Die einzelnen ringförmigen austauschbarer. Teile sind voneinander isoliert durch ringförmige Isolierungsteile, nämlich eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Isoliereiniage 18, 19,20,21 bzw. 22.In a torch body 29, a stabilization device of the plasma torch is arranged, which is formed is on the one hand by ring-shaped exchangeable metal components, namely by a front nozzle 1, through an orifice nozzle 2, through a ring 3, through a nozzle 4, through a collecting nozzle 5, through a stepped ring 7, by a cylindrical ring 8 and by a collet sleeve 9, and on the other hand by a circular non-metallic ring 6. The circular non-metallic ring 6 is on the one hand with a first tangential inlet 25 and with a second tangential inlet 26 and on the other hand with a first tangential outlet 27 and a second tangential outlet 28. The single ones annular interchangeable. Parts are isolated from each other by annular insulation parts, namely one first, second, third, fourth and fifth insulating insert 18, 19, 20, 21 and 22, respectively.

Das Wassersystem der einzelnen Teile ist durch einen ersten Dichtungsring 23 und einen zweiten Dichtungsring 24 abgetrennt. In der Siabilisierungsvorrichtung des Plasmabrenners nach der Erfindung ist weiter die Düse 4 angebracht, die einen kleineren Öffnungsdurchmesser auf der Achse haben kann als die ringförmigen austauschbaren Teile ί, 2,3,5,7,8 und 9.The water system of the individual parts is separated by a first sealing ring 23 and a second sealing ring 24. In the stabilization device of the plasma torch according to the invention, the nozzle 4 is also attached, which can have a smaller opening diameter on the axis than the ring-shaped interchangeable parts ί, 2, 3, 5, 7, 8 and 9.

Die Stabilisierungsvorrichtung ist im vorderen Teil des Körpers durch eine Stirn 17 des Brenners befestigt. Im hinteren Teil des Körpers des Brenners ist eine Spannzange 16 mit einem Leitring 11 und mit einer Wellendichtung 12 angebracht. Die Spannzange 16 wird durch einen Abstandsring 13 angedrückt, an dem über einen großen Isolationszwischenring 14 und einen kleinen Isolationszwischenring 15 eine Mutter 10 anliegt.The stabilizing device is attached in the front part of the body by a face 17 of the torch. In the rear part of the body of the burner is a collet 16 with a guide ring 11 and with a Shaft seal 12 attached. The collet 16 is pressed by a spacer ring 13 on which about a large intermediate isolation ring 14 and a small intermediate isolation ring 15 a nut 10 is applied.

In der Spannzange 16 ist eine nicht dargestellte Stangenkathode angebracht, der elektrischer Strom zugeleitet wird. Die Anode, vorteilhafterweise eine Drehanode, ist vor der Stirn des Brenners angebracht (ebenfalls nicht dargestellt).In the collet 16 a rod cathode, not shown, is attached, the electric current is forwarded. The anode, advantageously a rotating anode, is attached in front of the front of the burner (also not shown).

Die eigentliche Funktion des Plasmabrenners mit der Stabilisiemngsvorrichtung geht auf den an sich bekannten Betrieb dieser Vorrichtungen zurück. Zwischen der Kathode, die in der Spannzange 16 befestigt ist, und der Anode, die vor der Stirn 17 des Brenners angebracht ist, brennt der Gleichstrom-Lichtbogen. Dieser Lichtbogen geht durch den Kanal der Stabilisierungsvorrichtung hindurch, d. h. durch seine einzelnen Bestandteile, deren Anordnung bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Wahl elektrisch leitender und elektrisch nichtleitender Materialien dieser Bestandteile stabile hydrodynamische Verhältnisse für die Flüssigkeit gewährleistet, z. B. für Wasser, das durch die Einlasse zugeführt wird und das durch die Auslässe austritt, wodurch die richtige Funktion des Plasmas sichergestellt ist.The actual function of the plasma torch with the stabilization device is based on what is known per se Operation of these devices back. Between the cathode, which is fixed in the collet 16, and the The anode, which is attached in front of the front 17 of the torch, burns the direct current arc. That arc passes through the channel of the stabilization device, i. H. through its individual components, their Arrangement in the embodiment of the invention with the choice of electrically conductive and electrically non-conductive Materials of these components ensure stable hydrodynamic conditions for the liquid, z. B. for water that is supplied through the inlets and that exits through the outlets, making the correct one Function of the plasma is ensured.

Die Stabilisierungsvorrichtung des Flüssigkeits-Lichtbogenplasmabrenners gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann bei diesem mit einem Gleichstrom-Lichtbogen mit verschiedenen zugeführten Leistungen in den Grenzen von 10 bis 530 KVA und für technologische Anwendungen wie Plasmaspritzverfahren, chemische Synthesen, Schneiden, Schweißen, Lichtstrahlungsquelle u. dgl. verw endet werden.The stabilization device of the liquid arc plasma torch According to the described embodiment of the invention, this can be supplied with a direct current arc with different Performances in the range from 10 to 530 KVA and for technological applications such as Plasma spraying processes, chemical syntheses, cutting, welding, light radiation source and the like used will.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for stabilizing a liquid arc plasma torch, with a direct current arc, in which ring-shaped interchangeable components placed in the body of the torch, like nozzles and rings, arranged "jind, and in the spaces delimited by the body and the components Liquid flows in via inlets and out again via two outlets, characterized in that that the components, namely a front nozzle (1), an orifice nozzle (2), a ring (3), a nozzle (4), a collecting nozzle (5), a stepped ring (7), a cylindrical ring (8) and a collet sleeve (9) a collet (16) electrically isolated from one another and also electrically from the The supply line for the electrical current to the cathode, which is fastened in the collet chuck (16), is insulated, wherein in the space which is formed by the body (29) and by the ring (3), the first inlet (25) opens into the space formed by the body (29) and the cylindrical ring (8), and second inlets (26) open further into the inner space of the cylindrical ring (8), whereas the first outlet (27) starts from the space between the end (17) of the burner and the end nozzle (1) and the second outlet (28) from the space passing through the interchangeable ring (6) and through the remote Ring (7) is formed, goes out

2. Apparatus according to claim t, characterized in that the front nozzle (1), the orifice nozzle (2), the ring (3), the nozzle (4), the collecting nozzle (5), the offset ring (7), the cylindrical ring (8) and the collet sleeve (9) of the collet (16) wholly or partially made of an electrically non-conductive Material are made.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the nozzle (4) with a circular opening is provided, which is smaller than the openings in the annular interchangeable Ingredients (1,2,3,5,7,8,9).

4. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the orifice nozzle (2) is provided with a circular opening which is smaller than the openings in the annular interchangeable parts (1,3,4,5,7,8.9).