DE3328777C2 - - Google Patents

Description

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 Mittel 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. Ein derartiger Plasmabrenner ist aus der DE-OS 29 00 330 bekannt.

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 aufrechterhalten. 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 Elektrodle getriebenen Plasmas. Die zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode angelegte Spannung kann entweder eine Gleichstromquelle oder, wie z. B. in der DE-PS 14 40 594 vorgeschlagen, eine Wechselstromquelle 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 zwischen 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, daß 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 an 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, d. h. mit entsprechend großer Zündflamme, starten zu können.

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. Auch die nach der DE-OS 29 00 330 bekannte Vorrichtung führt nicht zu hinreichend langen Zündflammen.

Weiterhin ist aus der DE-OS 30 24 339 ein als Plasmatron bezeichneter Plasmabrenner mit zentrischer Elektrode, einer diese konzentrisch umgebenden Düse und einem beide konzentrisch umgebenden Gehäuse mit einer konisch ausgebildeten Verschlußkappe aus elektrisch isolierendem Material bekannt, wobei der Ringspalt zwischen der Düse und dem äußeren Gehäuse bzw. der isolierenden Verschlußkappe für den Transport von Wasser zur Bildung einer äußeren Wasserabschirmung um den zwischen der Elektrode und einem Gegenpol (z. B. einem Werkstück) brennenden Plasmabogen vorgesehen ist. Zur wirksamen Ausbildung dieser Abschirmung ist weiter vorgesehen, in den Ringspalt zwischen der Düse und dem äußeren Gehäuse bzw. der Verschlußkappe eine Wirbeleinrichtung vorzusehen. Die als Haupt- oder Betriebselektrode geschaltete zentrische Elektrode des bekannten Plasmatron weist eine konische Verjüngung auf. Die Winkel dieser Verjüngung und der Verjüngung des Zentralkanals liegen im Bereich zwischen 20 und 80°. Das Verhältnis a/d im Sinne des Anmeldungsgegenstandes ist erfüllt.

In der Z. "Elektrowärme International", Bd. 30, 1972, S. 147-156 ist ein Plasmabrenner offenbart, bei dem eine weitgehende Übereinstimmung der geometrischen Merkmale mit dem Anmeldungsgegenstand besteht. Dieser Brenner gehört jedoch - wie der gemäß der DE-OS 30 24 339 - einer gattungsfremden Art an.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Plasmabrenner der eingangs genannten Art anzugeben, der eine Plasmazündflamme von hinreichend großer Länge bildet, die das Zünden des Plasmabrenners auf dem Schmelzgut, insbesondere leichtem sperrigem Schrott, mechanisch kontaktlos und sicher ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch einen Plasmabrenner der eingangs beschriebenen genannten Art gelöst, der die Gesamtheit der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Merkmale aufweist.

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, magnetohydrodynamisch als Freistrahl anzusehende Strom ionisierten Gases einen zwar schmalen, 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 über 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 große 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 Zündlichtbogenplasmagas, ausgehend vom Ringspalt, über den konischen Bereich auf Höhe der Hilfselektrodenspitze bis 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 umschließende 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 dargestellten erfindungsgemäßen Geometrie und Betriebsweise 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.

Praktische Erfahrungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen, daß die im wesentlichen durch die erfindungsgemäße Geometrie bestimmte Spannungsaufnahme des Zündlichtbogens so hoch ist, daß bereits Stromstärken von 200 bis 300 A ausreichen, um die gewünscht lange Zündlichtbogenflamme 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 Zünd- bzw. 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 Hilfslichtbogenss 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 1′ hin verjüngt. Der Öffnungswinkel α dieser Verjüngung beträgt 40°. Die Düsenelektrode 2 besitzt eine zentrale Bohrung, einen Zentralkanal, in den die genannte Hilfselektrode 1 hineinragt.

Der Zentralkanal teilt sich in einen ersten zylindrischen Teil, einen konisch verjüngten Teil und einen zweiten, engeren 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, 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 β 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, 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 Lichtbögen wirksam verhindert.

Der dargestellte Plasmabrenner ist so dimensioniert, daß der Abstand a der Elektrodenspitze 1′ zu dem Übergangsbereich des Zentralkanals von dem ersten zylindrischen Teil mit der Breite B zu dem Teil mit der Verjüngung 12 zu Null gewählt ist. Die Länge l des zweiten, engeren zylindrischen Teils 5 ist so gewählt, daß l/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 führt zu einem langen 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 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 Wechselspannng, 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 Lichtbögen in geeigneter Weise betreibt, in einer einzigen Stromquelle vorzusehen.

Claims (11)

1. Plasmabrenner für Schmelzanlagen mit zwei konzentrisch angeordneten Elektroden und einer diese umgebende Düse, wobei eine erste Elektrode als Hilfselektrode zentral angeordnet ist 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 noch eine Erweiterung anschließt, besteht und der zusammen mit der Hilfselektrode einen ringförmigen Kanal bildet, gekennzeichnet durch die Gesamtheit folgender Merkmale:

• - der Durchmesser (B) des ersten zylindrischen Teils ist 1,5- bis 2mal so groß wie der Durchmesser (b) der Hilfselektrode (1),
• - die Hilfselektrode (1) weist an ihrem vorderen Ende eine konische Verjüngung auf,
• - die konische Verjüngung (12) des Zentralkanals besitzt einen Öffnungswinkel (β) und die Verjüngung der Hilfselektrode an deren Spitze (1′) einen Öffnungswinkel (α) zwischen je 20 und 80°,
• - der Durchmesser (D) der Erweiterung des Zentralkanals ist bis zu 1,5mal so groß wie der Durchmesser (d) des zweiten zylindrischen Teils (5),
• - die Hilfselektrode (1) ist so angeordnet, daß der Abstand (a) der Elektrodenspitze (1′) 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 und
• - die Plasmagaszufuhr wird durch den Zentralkanal in den Brennbereich des Hilfslichtbogens zur Erzielung einer laminaren Strömung so eingestellt, daß die Reynoldszahl zwischen 10 und 2300, vorzugsweise zwischen 10 und 100, liegt.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (l) des Zentralkanals im zweiten engeren zylindrischen Teil (5) zum Durchmesser (d) dieses Teils ein Verhältnis l/d zwischen 0,2 und 3 bildet.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis l/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) bei 1,7 liegt.

5. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode (1) einen sich an die konische Verjüngung in Richtung der Elektrodenspitze (1′) anschließenden Konus mit größerem Öffnungswinkel zwischen 40 und 180′ aufweist.

6. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (β) 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 und des zweiten engeren zylindrischen Teils D/d 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, daß der freie Querschnitt der konischen Verjüngung (12) des ringförmigen Kanals sich in Richtung auf die Stirnfläche (11) des Plasmabrenners monoton verengt.

10. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Düseninnenseite zumindest am Düsenende mit einer elektrisch isolierenden Auskleidung (10) versehen ist.

11. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Wechselstromquelle zur Aufrechterhaltung des Hilfslichtbogens, wobei der Haupt- und der Hilfslichtbogen aus einer einzigen Stromquelle gespeist werden.