DE3241476C2 - - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft einen Plasmabrenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Plasmabrenner dieses Typs ist aus der US-PS 33 47 766 bekannt, bei dem der Kegelwinkel des kegel­ stumpfförmigen Teils der Elektrode im beanspruchten Bereich liegt. Bei ihrem Betrieb ist die Haltbarkeit der Elektroden und Düsen besonders wichtig. Die damit verbundenen Pro­ bleme treten vor allem dort in den Vordergrund, wo mit größeren Lichtbogenlängen von teilweise weit mehr als 200 mm gearbeitet werden muß und wo die den Brenner um­ gebende Atmosphäre Gase enthält, die die Elektroden chemisch, z. B. durch Oxidation, angreifen können. Derartig erschwerende Verhältnisse treten beispiels­ weise beim Betrieb von Metallschmelzöfen mit Plasma­ brennern sehr häufig auf. Hier besteht oft die For­ derung, daß die Lichtbögen auch bei sehr großen Längen, z. B. bis 700 mm und mehr, sicher, d. h. ohne die Ge­ fahr des Bogenabrisses, brennen.

Hierzu, wie auch im Hinblick auf die Düsenhaltbarkeit, muß eine hohe Stabilität des Plasmalichtbogens sicher­ gestellt werden. Je instabiler nämlich der Lichtbogen ausgebildet ist, je weniger straff und scharf be­ grenzt er ist, um so größer ist die Gefahr der Aus­ bildung von Nebenlichtbögen, die auf den Außenmantel der Düse springen und zum Schmelzgut oder zum Haupt­ lichtbogen brennen. Durch solche Nebenlichtbögen aber wird die Düse meist augenblicklich zerstört.

Der hauptsächliche Verschleißmechanismus für gut ge­ kühlte Elektroden, die aus hochschmelzenden Metallen wie Molybdän, Tantal oder Wolfram mit kleinen Beträgen von Emissionsmaterial, wie Thoriumoxid oder Zirkonoxid, hergestellt sind, besteht, soweit die Brenner nicht in einer den Elektroden gegenüber inerten Umgebung arbeiten, in der chemischen Zerstörung der Elektroden.

Da beim Erschmelzen von Metallen meist oxidische Gase freigesetzt werden und sich im Ofenraum noch Restluft befindet, handelt es sich hierbei in der Regel um Oxidation. Diese wird allerdings durch das aus der Düse ausströmende, die Elektrode umgebende inerte Plasmagas mehr oder weniger gemindert.

In besonderem Maße nehmen die anderen Verschleißfaktoren, wie Schmelzen, Verdampfen, Sputtern, mit steigender Temperatur zu. Daher ist vor allem bei sehr hohen Strom­ stärken für eine intensive Elektrodenkühlung zu sorgen.

Zum Zwecke der Elektrodenkühlung ist bereits in der DE-PS 14 40 628 bzw. in der US-PS 31 47 329 vorgeschlagen worden, durch eine zen­ trale Bohrung in der Elektrodenspitze dem Lichtbogen einen Anteil des ionisierbaren Gases zuzuleiten. Die Elektrode ist im wesentlichen zylindrisch und an ihrem vorderen Ende mit einer Spitze versehen. Durch die zu­ sätzliche Kühlung infolge des zentralen Gasstromes wird zwar die Elektrodenerosion durch hohe Stromstärken er­ niedrigt. Jedoch ist bei einer solchen Anordnung die Elektrode gegen chemische Erosion unzureichend ge­ schützt. Mit Wechselstrom können solche Brenner nur begrenzt eingesetzt werden.

Aus der EP 00 30 679 A1 ist noch ein Plasmabrenner mit einer verengten Düse offenbart, die einen Düseneinsatz aus hitzebeständigem Material aufweist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Plasmabrenner der gattungsgemäßen Art zu schaffen, der die vorerwähnten Nachteile nicht be­ sitzt und auch unter den erschwerten Bedingungen beim Betrieb in Schrottschmelzöfen mit Lichtbogenlängen über 200 mm und vornehmlich auch beim Betrieb mit Drehstrom hohe Düsen- und Elektrodenstandzeiten aufweist.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspuchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

In dem die Elektrodenvorderseite zur Lichtbogenseite hin überragenden Teil der Düse kann der Innenmantel der Düse in eine Zylinderform übergehen. Durch die geschilderte Gestalt der Düse und der Elektrode er­ hält das durch den Ringkanal ausströmende Gas eine Richtung, die letztlich eine entscheidende Verbesserung sowohl der Bogenstabilität als auch des Elektroden­ schutzes vor Oxidation bewirkt.

Der Kegelwinkel des Innenmantels der Düse beträgt nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung 12 bis 80°. Vorzugsweise werden jedoch sowohl für den Elektrodenmantel als auch für den Innenmantel der Düse jeweils Kegelwinkel von 24° gewählt.

Vorteilhafterweise weist das ansonsten plangestaltete oder konkave lichtbogenseitige Ende der Elektrode eine Fase auf. Je nach Größe des Plasmabrenners bzw. der Lichtbogen­ stärke kann die Elektrode zusätzlich ein oder mehrere Kanäle zum Durchströmen mit einem Teil des ionisier­ baren Gases aufweisen.

Für den Innenmantel der Düse wird bevorzugt ein hoch­ schmelzendes Metall wie beispielsweise Molybdän, Tantal oder Wolfram verwendet. Der Düsenvorderteil kann aus einem Einsatz bestehen, der durch Eingießen, Schweißen, Löten, Preßpassung oder als herausnehmbares Teil durch Verschraubung mit dem Plasmabrenner bzw. der gesamten Düse verbunden ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1, 2 jeweils eine Querschnittsansicht einer Düse mit mittig angeordneter Elektrode.

Der in Fig. 1 dargestellte Plasmabrenner besteht im wesentlichen aus einer Elektrode 2, die an einem flüssigkeitsgekühlten Elektrodenhalter 1 befestigt ist. Die Elektrode 2 hat im vorderen Bereich die Form eines Kegelstumpfes mit zum lichtbogenseitigen Ende abnehmendem Radius. Das lichtbogenseitige Ende der Elektrode, das im wesentlichen eben gestaltet ist, weist eine umlaufende Fase 3 auf. In diesem Bereich kann die Elektrode auch konkav geformt sein. Da bekannt ist, daß sich spitz zulaufende Enden nach längerem Gebrauch abrunden, sollte allerdings auf ecken- und kantenförmige Ausbildungen verzichtet werden. Die Länge der Elektrode 2 beträgt zwischen 10 und 20 mm. Kürzere Elektroden haben den Nachteil, daß sie trotz eines etwas langsameren Rückbrandes früher ausgetauscht werden müssen, zu lange Elektroden dagegen werden an der Lichtbogenseite zu heiß und verschleißen daher schneller. Der Kegelwinkel α der Elektrode 2 be­ trägt, ebenso wie der Kegelwinkel β, den der Innenmantel der Düse 9 bildet, 24°. Der Mantel 8 der Elektrode 2 wird von dem Innenmantel 4 der Düse 9 umhüllt, so daß sich dazwischen ein Ringkanal 10 bildet, dessen Be­ grenzungsflächen im Bereich der Elektrodenspitze parallel zueinander verlaufen oder in Richtung auf den Lichtbogen aufeinander zulaufen. Der Ringkanal 10 ist so bemessen, daß die radiale Austrittsgeschwindigkeit des durch­ strömenden ionisierbaren Gases im kalten Zustand zwischen 3 und 17 m/s beträgt. Der vor der Elektrode 2 befindliche Auslauf 5 des Düsenkanals ist im Ausführungsbeispiel zylindrisch, kann aber auch konisch ausgebildet sein.

Durch diese erfindungsgemäße Ausführung von Düse 9 und Elektrode 2 erhält das durch den Ringspalt ausströmende Gas eine Richtung, die, wie zahlreiche Versuche zeigten, eine entscheidende Verbesserung sowohl der Bogenstabi­ lität als auch des Elektrodenschutzes vor Oxidation bewirkt. So wurden beim Betrieb mit Wechselstrom bis zu 700 mm lange, stabil brennende Lichtbögen erzeugt. Hierbei zeigten Elektroden mit einem stirnseitigen Durchmesser bis zu 19 mm auch nach einigen Stunden Betriebszeit keinerlei Oxidationsspuren.

Bei Verwendung von Elektroden größeren Durchmessers bzw. Querschnittes, z. B. zum Zwecke einer Erhöhung der Stromstärke, kann es zweckmäßig sein, einen An­ teil des ionisierbaren Gases durch eine oder mehrere Bohrungen 6 in der Elektrode zuzuführen. Es hat sich zwar herausgestellt, daß die alleinige Zuführung eines Anteils an ionisierbarem Gas durch Bohrungen in der Elektrode nicht ausreicht, um die erfindungsgemäße Aufgabe zu lösen, jedoch bewirkt die erfindungsgemäße Gaszuführung, kombiniert mit der zusätzlichen Zuführung durch eine oder mehrere Bohrungen in der Elektrode, einen vorteilhaften Schutz für die Elektrode.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung ohne zentrale Gaszufuhr soll die Elektrode um etwa ¹/₄ bis ¹/₃ ihres kleinsten Durchmessers hinter dem vorderen Ende des Düsenkanals zurückstehen. Dies entspricht z. B. bei 20 mm Durchmesser einem Betrag von 5 bis 6,5 mm. Wesentlich größer als 6,5 mm sollte dieser Betrag allerdings nicht sein, da dann die Kühlver­ luste durch den im Kanal verlaufenden Teil des Licht­ bogens zu hoch werden und vor allem auch die Gefahr besteht, daß der Bogen zur Düse springt und sich Nebenbögen bilden. Durch die genannte Kombination der Gaszufuhr durch den Ringkanal und durch Bohrungen in der Elektrode kann aber das Verhältnis der freien Kanallänge zum Elektrodendurchmesser auf Werte von ¹/₆ bis ¹/₈ bei etwa gleich gutem Elektrodenschutz vermindert werden, so daß sich auch bei Elektroden­ durchmessern von mehr als 40 mm die angestrebten Vor­ teile erzielen lassen.

Um auch bei längerer Betriebszeit die Form des Ring­ kanals weitgehend bestehen zu lassen, erhalten die Düsen einen Einsatz aus einem hochschmelzenden Metall, vorzugsweise Wolfram. Dieser den Innenmantel der Düse bildende Einsatz kann durch Eingießen, Schweißen, Löten, Einpressen oder als herausnehmbares Teil durch Verschraubung mit dem Plasma­ brenner verbunden werden.

Ein Ausführungsbeispiel einer Düse mit geschraubtem Einsatz 7 aus Wolfram ist beispielsweise in Fig. 2 dargestellt. Diese Vorrichtung hat insbesondere den Vorteil, daß ein verschlissener Düseneinsatz inner­ halb kurzer Zeit gewechselt werden kann und somit der Ersatz der gesamten Düse nicht erforderlich wird.

Claims (5)

1. Wechselstrombetriebener Plasmabrenner für Schmelzanlagen mit einer Elektrode mit einem sich zur Lichtbogenseite hin konisch verjüngenden kegel­ stumpfförmigen Teil und mit einer die Elektrode konzentrisch umgebenden Düse mit verengtem Ausgang mit zu­ mindest teilweise konisch verlaufendem Innen­ mantel, wobei die Elektrode einerseits in den verengten Ausgang hineinragt und andererseits hinter dem vorderen Ende des Düsenkanals zurücksteht und wobei der Mantel des kegelstumpfförmigen Teils der Elektrode und der konische Teil des Innenmantels der Düse einen Ringkanal zur Einleitung von ionisierbarem Gas in das Plasma eines übertragenen Lichtbogens bilden, dadurch gekennzeichnet,
daß der kegelstumpfförmige Teil der Elektrode (2) eine angefaste, im wesentlichen ebene, konvexe oder konkave Endfläche auf­ weist,
daß der Kegelwinkel (α) des kegelstumpfförmigen Teils zwischen 12° und 60° liegt
und daß der Abstand zwischen der Endfläche der Elektrode (2) und dem vorderen Ende des Düsen­ kanals (5) ¹/₃ bis ¹/₄ des Durchmessers der Endfläche des kegelstumpfförmigen Teils bzw. ¹/₆ bis ¹/₈ beim vorhanden­ sein eines oder mehrerer Kanäle (6) in der Elektrode (2) für einen Teil des ionisierbaren Gases beträgt.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich der Ringkanal (10) zur Licht­ bogenseite hin verjüngt.

3. Plasmabrenner nach den Ansprüchen 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der durch den Innen­ mantel (4) der Düse (9) gebildete Kegelwinkel (β) zwischen 12° und 80°, vorzugsweise bei 24° liegt.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innenmantel (4) der Düse (9) aus einem hochschmelzenden Metall besteht.

5. Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Düse im Bereich der Austrittsöffnung einen Einsatz (7) enthält, der durch Eingießen, Schweißen, Löten, Preßpassung oder als herausnehmbares Teil durch Verschraubung mit der Düse (9) verbunden ist.