DE3328777A1

DE3328777A1 - Plasmabrenner und verfahren zu dessen betreiben

Info

Publication number: DE3328777A1
Application number: DE3328777A
Authority: DE
Inventors: Hans Josef Dr.rer.nat. 4330 Mülheim Bebber; Heinrich-Otto Dipl.-Ing. Roßner; Gebhard Dipl.-Ing. 4300 Essen Tomalla
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1983-08-10
Filing date: 1983-08-10
Publication date: 1985-02-28
Also published as: EP0134961A2; DE3328777C2; FI843034A; FI843034A0; EP0134961A3; FI82350C; ZA846165B; JPS6065500A; FI82350B; EP0134961B1; US4580031A

Description

FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

in Essen

Plasmabrenner und Verfahren zu dessen Betreiben

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner, der mit zwei konzentrisch angeordneten Elektroden und einer diese umgebenden Düse ausgestattet ist. Die erste der Elektroden, die sogenannte Hilfselektrode, weist am vorderen Ende eine Verjüngung auf. Die zweite Elektrode besitzt einen Zentralkanal, in dessen Mitte die Hilfselektrode ragt und der aus einem ersten zylindrischen Teil, einer konischen Verjüngung und einem zweiten, engeren zylindrischen Teil besteht und an den sich ggf. noch eine Erweiterung anschließt. Die zweite Elektrode und die Hilfselektrode bilden einen ringförmigen Kanal. Die Anmeldung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben des genannten Plasmabrenners.

Bei den nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wird zwischen der ersten Elektrode und der düsenförmigen zweiten Elektrode mit Hilfe einer Gleichstromquelle ein Lichtbogen, der sogenannte Hilfslichtbogen, erzeugt und aufrecht erhalten. Ferner wird ein Gasstrom mit dem Hilfslichtbogen in Berührung gebracht und durch die Düsenelektrode geleitet, um das durch den Hilfslichtbogen gebildete Plasma zu der dritten Elektrode zu treiben. Die Gleichstromquelle dient dabei nicht nur zur Aufrechterhaltung des Hilfslichtbogens zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, sondern vor allem auch zur Aufheizung des durch den Lichtbogen gebildeten und zu einer dritten Elektrode getriebenen Plasmas. Die zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode angelegte Spannung kann entweder eine

Gleichstromquelle oder, wie ζ, B. in der DE-PS 14 40 594 Vorgeschlagen,· eine Wechselstromguelle sein. Wird eine Wechselstromquelle- verwendet, hat der zwischen der Hilfselektrode und der zweiten Elektrode brennende Gleichstromhilfslichtbogen die Aufgabe, einen kontinuierlichen Strom ionisierten Plasmas zu erzeugen und in den Bereich des mit Wechselstrom gespeisten Hauptlichtbogens zu bringen. Damit soll in erster Linie das Wiederzünden des Hauptlichtbogens nach jedem Nulldurchgang des Wechselstroms ermöglicht und daneben auch eine thermische Überlastung der Düsenelektrode durch den an dieser Elektrode befindlichen Wechselstrombrennfleck verhindert werden.

Neben der Aufrechterhaltung des Wechselstrombogens und der Verhinderung thermischer überlastung der Wechselstromelektrode eines Plasmabrenners hat ein Hilfslichtbogen oft auch die Aufgabe, den Plasmabrenner zu starten. Dies geschieht, indem die vom Hilfslichtbogen erzeugte, aus der Brennermündung austretende Plasmaflamme einen Kanal aus ionisiertem Gas zwischen der Brennerelektrode und einer Gegenelektrode bzw. dem aufzuheizenden oder zu schmelzenden Gut bildet, in dem der Hauptlichtbogenstrom, sei es nun Gleich- oder Wechselstrom, zu fließen beginnen kann, sobald die Hauptlichtbogenspannung zwisehen Brenner- und Gegenelektrode angelegt wird. Dazu kann der Hilfslichtbogen z. B. zwischen der Brennerelektrode und der diese umgebenden, die Mündung des Brennermaterials bildenden Brennerdüse oder zwischen zwei Hilfselektroden oder auch zwischen Hilfs- und Düsenelektrode der vorstehend beschriebenen Anordnung erzeugt werden.

Voraussetzung für die Initialzündung des Hauptlichtbogens ist, da.J5 die Plasmazündflamme bis zur Gegenelektrode bzw. dem Schmelzgut reicht und so eine ununterbrochene elektrisch leitende Strecke zwischen Brenner- und Gegenelektrode darstellt. Infolgedessen muß der Plasmabrenner um

so näher a,n die Gegenelektrode herangefahren werden, je kürzer seine Zündflamme ist.

In vielen Anwendungsfällen ist es aber wünschenswert oder sogar technisch erforderlich/ den oder die Plasmabrenner aus möglichst großer Entfernung von der Gegenelektrode bzw. dem zu erwärmenden oder einzuschmelzenden Gut zu zünden, insbesondere wenn es sich um sperrige Stoffe, wie z. B. Schrott, handelt, deren Schüttung keine im wesentlichen ebene, sondern eine zerklüftete Oberfläche bildet. Da Plasmabrenner nicht mit elektrisch leitendem Material in Berührung kommen dürfen, da sie ansonsten zerstört werden, ist es im praktischen Betrieb äußerst wichtig, die Plasmabrenner in einem sicheren Abstand von der Oberfläche des zu schmelzenden Gutes,

•j 5 d. h. mit entsprechend großer Zündflamme, starten zu körinen.

Verwendet man die in der DE-PS 14 40 594 beschriebene Lichtbogenanordnung, so werden auch nach Optimierung der Hauptlichtbogenstromstärke und des Plasmagasdurchsatzes nur Zündflammenlängen von 6 bis 8 cm erreicht. Aut-.h die nach der DE-OS 29 00 330 bekannte Vorrichtung fü'turl:. nicht zu hinreichend langen Zündf lammen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Plasmabrenner der eingangs genannten Art anzugeben, der eine Pla.smazündflamme von hinreichend großer Länge bildet, die das Zünden des Plasmabrenners auf leichtem sperrigoui Schrott mechanisch kontaktlos und sicher ermögliche:.

Die Aufgabe wird durch einen Plasmabrenner der eingangs gemannten Art gelöst, der folgende Merkmale aufweist. Der Durchmesser des ersten zylindrischen Teils ist

1,2 bis 2,5mal 30 groß, bevorzugt 1,5 bis 2mal so groß Vie der Durchmesser der Hilfselektrode, Die konische Verjüngung des Zentralkanals besitzt einen Öffnungs-Winkel zwischen 20 und 80°, vorteilhafterweise zwischen 30 und 60°. Die Verjüngung der Hilfselektrode weist einen Öffnungswinkel zwischen 20 und 80 auf, wobei sich an die Verjüngung der Hilfselektrode zur Elektrodenspitze hin ggf. ein weiterer Konus mit einem größeren Öffnungswinkel zwischen 4O und 180 anschließen kann. Alternativ kann der Spitzenbereich der Hilfselektrode auch als Kalotte ausgebildet werden. Der Durchmesser der Erweiterung (D) des Zentralkanals ist bis zu 3mal größer als der zweite zylindrische Teil mit einem Durchmesser (d), vorzugsweise liegt das Verhältnis D/d zwischen 1 und 1/5. Die Hilfselektrode wird so angeordnet, daß deren Elektrodenspitze etwa in der Höhe des Übergangs des konischen Teils des Zentralkanals zum zweiten, engeren zylindrischen Teil angeordnet ist. Benennt man den Abstand der Elektrodenspitze von dieser Übergangsfläche mit (a), wobei (a) ein negatives Vorzeichen besitzt, sofern die Hilfselektrodenspitze in den zweiten, engeren zylindrischen Teil des Zentralkanals hineinragt, so wird das Verhältnis (a) zum Durchmesser des zweiten, engeren zylindrischen Teils (d) zwischen -1 und +2, bevorzugt zwischen 0 und 1 gewählt.

Damit ist eine erfindungsgemäße Lösung gefunden, bei der die Geometrie der Hilfselektrode sowie die Innenkontur der Düsenelektrode so aufeinander abgestimmt sind, daß der zentral aus der Düsenelektrode austretende, ma.gnetohydrQdyna.mis.ch als Freistrahl anzusehende Strom ionisierten Gases einen zwar schma.len_f dafür aber möglichst langen Kanal mit sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit ausbildet und so in der Lage ist, einen

für.das Zünden des Hauptlichtbogens ausreichenden Stromfluß ü.ber eine möglichst lange Strecke sicherzustellen.

Die erfindungsgemäße Lehre berücksichtigt die Erkenntnis, die Düsenöffnung zylindrisch und die stirnseitige Begrenzung der Düse möglichst scharfkantig zu gestalten. Die dadurch gebildete Abreißkante führt zu einer sehr geringen Strahldivergenz. Daher ist die Erweiterung bzw. Bohrung mit dem Durchmesser so dimensioniert, daß der stirnseitig ansetzende Hauptlichtbogen die für die Zündlichtbogenausbildung maßgebliche Düsenmündung nicht verändert.

Mit der Ausbildung der möglichst langen Zündflamme steht auch die Dimensionierung des Ringspaltes zwischen der Düsenelektrode und der Hilfselektrode in Zusammenhang. Durch die jeweils konische Ausgestaltung der Hilfselektrode und des Zentralkanals wird das kalte, zur Plasmabildung benutzte Gas durch den dabei gebildeten zylindrischen Spalt optimal in den als Brennkammer für den Zündlichtbogen dienenden konischen Bereich eingeleitet.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die Länge des zweiten, engeren zylindrischen Teils des Zentralkanals und der Durchmesser dieses Teils so gewählt, daß sie ein Verhältnis zwischen 0,2 und 3, bevorzugt zwischen . 1 und 1,5 bilden. Ein kleineres Verhältnis führt zu ungenügend stabilisierter, nicht exakt axial brennender Zündflamme, ein größeres Verhältnis verursacht eine unnötig gj?oße Kühlung des ionisierten Gases, was zu einer Verkürzung der Zündflamme führen würde.

Vorteilhafterweise wird der freie Querschnitt des Ringspaltes im Zentralkanal der Düsenelektrode für das Zünd-

— y —

lichtbogenpla.sjnaga.s ausgehend yam Ringspalt über den koni.3ch.en Bereich auf Höhe der Hilfselektrodenspitze big zum zweiten, engeren zylindrischen Teil des Zentralkanals so dimensioniert, daß er sich, in Fließrichtung des Gases monoton verkleinert.

Schließlich wird der Ringkanal zwischen der Düsenelektrode und der diese umschließenden Düse an der Düseninnenseite mit einer elektrisch isolierenden Auskleidung versehen, um die Ausbildung parasitärer Bögen wirksamer zu verhindern, als dies die bisher nach dem Stand der Technik üblichen reinen Kaltgasisolationen ermöglichten ,

Die vorbeschriebene Vorrichtung mit der dargelegten erfindungsgemäßen Geometrie bewirkt, daß das ionisierte Gas laminar in den konischen Bereich eingeleitet werden kann und die Gasströmung bis zum Austritt aus der Düsenelektrode laminar erhalten bleibt.

Neben der erfindungsgemäßen Vorrichtung bringt im Hinblick auf die Erzeugung einer Zundlichtbogenflamme optimaler Länge auch ein Verfahren Vorteile, bei dem die Plasmagaszufuhr durch den Zentralkanal in den Brennbereich des Hilfslichtbogens (Zündlichtbogens) so eingestellt wird, daß die Reynoldszahl zwischen 10 und 2300, vorzugsweise zwischen 10 und 100, liegt.

Praktische Erfahrungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und,dem Verfahren zeigen, da.ß die im wesentlichen durch die erfindungsgem.äJ3e Geometrie bestimmte Spannungsa.uf nähme des Zündlichtbogens· so hoch ist, daß bereits Stromstärken von 200 hip 300 A, ausreichen, um die gewünscht lange Zündlichtbogenflainme zu erzeugen.

Wegen dieser niedrigen Stromstärken treten weder an der Düsen- noch an der Hilfselektrode nennenswerte Verschleißerscheinungen auf. Im übrigen garantieren die Ausgestaltungen der Hilfselektrode, die mit ihrem Konus die innere Begrenzung, und der Düsenelektrode, die die äußere Begrenzung des Zentralkanals bildet, daß der Zündlichtbogen immer an geometrisch wohl definierten Stellen reproduzierbar sicher ansetzt. Dies führt zu einer ständig genau axial gerichteten Zündlichtbogenflamme.

Ferner zeigt sich im praktischen Betrieb, daß der Zündbzw. Hilfslichtbogen und der Hauptlichtbogen weitgehend elektrisch entkoppelt sind und so die Hauptlichtbogenzündung optimiert durchgeführt werden kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Aufrechterhaltung des Hilfslichtbogen eine Wechselstromquelle verwendet, welche den Vorteil hat, daß Hilfs- und Hauptlichtbogen aus einer Stromquelle gespeist werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, die einen schematischen Querschnitt durch einen Plasmabrenner zeigt.

Der dargestellte Plasmabrenner besteht im wesentlichen aus einer Hilfselektrode 1, einer Düsenelektrode 2 und einer sie umschließenden Düse 3. Die Hilfselektrode 1

ist eine massive, im Querschnitt kreisförmige Stabelektrode eines Durchmessers b, die sich zur Elektrodenspitze I¹ hin yerjüngt. Der öffnungswinkel <* dieser. Verjüngung beträgt 40°, Die DüseneleJctrode 2 besitzt eine zentrale Bohrung, einen Zentralkanal, in den die genannte Hilfselektrode 1 hineinragt.

Der Zentra.lka.na.1 teilt sich in einen ersten zylindrischer Te^l, einen ko.nis.ch verengten Teil und einen zweiten, enger-en zylindrischen Teil 5 auf , an den sich noch eine Erweiterung mit einem Durchmesser D anschließt. Der erste zylindrische Teil der Düsenelektrode 2 besitzt einen Durchmesser B_f so daß zwischen der Düsenelektrode 2 und der Hilfselektrode 1 ein Ringspalt 4 gebildet wird. Die konische Verjüngung des Zentralkanals vom Durchmesser B · auf einen kleineren Durchmesser d weist einen öffnungswinkel ft von 40° auf, so daß die Verjüngung der Hilfselektrode zu ihrer Spitze hin und die des Zentralkanals parallel laufen. Aufgrund der kleiner werdenden Querschnittsflächen des Zentralkanals und der Hilfselektrode wird mit dieser Gestaltung auf einfache Art erreicht, daß der Ringspalt im Teil der Verjüngung 12 in Richtung auf die Stirnfläche 11 des Plasmabrenners streng monoton abnimmt.

An die Düsenelektrode 2 schließt sich nach außen hin ein Ringspalt 9 an_f der seinerseits wieder durch die Brennerdüse 3 begrenzt wird. Die Düse 3 weist im Bereich der äußeren Plasmakanalbegrenzung, d. h. in Richtung der Stirnfläche 11 des Plasmabrenners an ihrer Innenseite eine elektrisch isolierende Schicht 10 auf, die die Ausbildung parasitärer Lichtbogen wirksam verhindert.

Der dargestellte Plasmabrenner ist so dimensioniert, daß der Abstand a der Elektrodenspitze 1' zu dem Übergangsbereich des Zentralkana.ls von dem ersten zylindrischen Teil mit der Breite B zu dem Teil mit der Verjüngung. 12 zu Null gewählt ist. Die Länge 1 des zweiten, engeren.zylindrischen Teils 5 ist so gewSh.lt, dajä 1/d =. 1 ist ( d ist der Durchmesser des zylindrischen Teils 5). Das Verhältnis B/b. beträgt

1,7, das. Verhältnis D/d 1,25» Die erfindungsgemäße Vorrichtung f.ühj?t zu einem längen Hilfslichtbogen 6, der . ausreicht, den Hauptlichtbogen 8 über eine Strecke von mindestens 15 cm zu zünden. Ferner ist noch das zu erschmelzende Gut 7 dargestellt.

Die Abbildung zeigt ferner schematisch die Stromversorgung. So kann die Zündlichtbogenversorgung, deren Anschlüsse an der Hilfselektrode 1 und der Düsenelektrode 2 liegen, eine Gleich- oder Wechselstromquelle

1Q sein. Die Hauptlichtbogenversorgung ist ihrerseits an Düsenelektrode 2 und Gegenelektrode 13 angeschlossen. Wählt man sowohl für die Spannungsversorgung zwischen der Hilfselektrode 1 und der Düsenelektrode 2 als auch der Düsenelektrode 2 und der Gegenelektrode 13 eine Wechselspannung, so kann bei Verwendung entsprechender, dem Fachmann bekannter elektrischer Bauelemente eine gemeinsame Spannungsquelle 14 mit nur einer Stromart verwendet werden. Es ist prinzipiell jedoch auch möglich, für die genannten Elektroden eine Gleichstromversorgung, die beide Lichtbogen in geeigneter Weise betreibt, in einer einzigen Stromquelle vorzusehen.

Claims

An.spräche

Π.jPlasmabrenner zur Erzielung möglichst langer Initialzündbögen mit zwei konzentrisch angeordneten Elektroden und einer diese umgebenden Düse, wobei eine erste Elektrode als Hilfselektrode zentral angeordnet ist und eine Verjüngung am vorderen Ende aufweist, und eine sie umhüllende zweite Elektrode als Düsenelektrode einen Zentralkanal besitzt, der aus einem ersten zylindrischen Teil, einer konischen Verjüngung und einem zweiten, engeren zylindrischen.Teil, an den sich ggf.

noch eine Erweiterung anschließt, besteht und der zusammen mit der Hilfselektrode einen ringförmigen Kanal bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (B) des ersten zylindrischen Teils 1,2 bis 2,5mal so groß ist wie der Durchmesser (b) der Hilfselektrode (1), daß die konische Verjüngung (12)

des Zentralkanals einen Öffnungswinkel (|3) und die Verjüngung der Hilfselektrode an deren Spitze (1¹) einen Öffnungswinkel («C) zwischen 20 und 80 besitzen, daß der Durchmesser (D) der Erweiterung des Zentralkanals bis zu 3mal größer ist als der Durchmesser (d) des

zweiten zylindrischen Teils (5) und daß die Hilfselektrode (1) so angeordnet ist, daß der Abstand (a) der Elektrodenspitze (1¹) vom Übergang der konischen Verjüngung (12) zum zweiten engeren zylindrischen Teil (5) des Zentralkanals und der Durchmesser (d) des letztgenannten Teils (5) ein Verhältnis a/d von -1 bis 2 bilden.
2. Plasmabrenner na,ch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Läjige (1) des Zentralkanals im zweiten engeren zylindrischen Teil (5) zum Durchmesser (d) dieses

Teils ein Verhältnis 1/d zwischen 0,2 und 3 bildet.

EV 44/83

^VO/B COPY
3. Plasmabrenner nach Ansprüchen 1 und 2, dadruch gekennzeichnet, daß das Verhältnis 1/d zwischen 1 und 1,5 liegt.
4. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers (B) des ersten zylindrischen Teils zum Durchmesser (b) der Hilfselektrode (1) zwischen 1,5 und 2, bevorzugt bei 1,7 liegt.
5. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (1) einen Konus (bzw. eine Verjüngung) mit kleinerem öffnungswinkel K) und einen sich daran in Richtung der Elektrodenspitze (1¹) anschließenden Konus mit größerem öffnungswinkel zwischen 40 und 180° aufweist.
6. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der öffnungswinkel (ß) der konischen Verjüngung des Zentralkanals zwischen 30 und 60° liegt, vorzugsweise bei 40°.
7. Plasmabrenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Verhältnis der Durchmesser der Erweiterung bzw. des zweiten engeren zylindrischen Teils D/d zwischen 1 und 1,5, vorzugsweise von 1,25.
8. Plasmabrenner nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Verhältnis a/d von 0 bis 1.
9. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da.ß der- freie Querschnitt des Ringspaltes (4) im Zenr tralkanal sich in Richtung aiif die Stirnfläche (11) des Plasmabrenners monoton verengt.

\ COPY A'
10. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenringkanal (9) zwischen der Düsenelektrode (2) und der sie umgebenden Düse (3) an der Düseninnenseite zumindest am Düsenende mit einer elektrisch isolierenden Auskleidung (10) versehen ist.
11. Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmagaszufuhr durch den Zentralkanal in den Brennbereich des Hilfslichtbogens so eingestellt wird, daß die Reynoldszahl zwischen 10 und 2300, vorzugsweise zwischen 10 und 100 liegt.
12. Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners nach Ansprüchen 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Wechselstromquelle zur Aufrechterhaltung des Hilfslichtbogens, wobei der Haupt- und der Hilfslichtbogen aus einer einzigen Stromquelle gespeist werden.