DE3435680A1

DE3435680A1 - Plasmabrenner

Info

Publication number: DE3435680A1
Application number: DE19843435680
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: 1984-09-28
Filing date: 1984-09-28
Publication date: 1986-04-03
Also published as: JPH0695478B2; EP0176004A2; EP0176004B1; US4645899A; NO167444B; DE3435680C2; NO167444C; ES296059Y; CA1241704A; EP0176004A3; ZA857473B; DD238500A5; ES296059U; NO853683L; ATE69133T1; JPS6188500A

Description

FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

in Essen

Plasmabrenner

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Beim Betreiben von Plasmabrennern soll sich zwischen der von der Düse umgebenden zentralen Elektrodeneinheit, die aus einer einzelnen Elektrode oder aus einer zentrischen Hilfselektrode und einer diese konzentrisch umschließenden Hauptelektrode bestehen kann, und einer Gegenelektrode, die z.B. durch eine metallische Badschmelze gegeben sein kann, eine stabile Lichtbogensäule ausbilden. Die erstrebte Stabilität dieser Lichtbogensäule und damit der Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit einer mit dem eingangs genannten Plasmabrenner betriebenen Anlage kann dabei durch parasitäre Lichtbogen erheblich beeinträchtigt werden. Solche parasitären Lichtbogen brennen parallel zum Hauptlichtbogen, wobei sie insbesondere den unteren Rand des äußeren Brennerbzw. Düsenmantels bzw. den äußeren Bereich der Düsen-Stirnseite mit in den Stromfluß einschließen.

Bei der Bildung parasitärer Bögen werden drei zusammenhängende Strompfade benutzt, wobei der erste Strampfad von einem inneren Nebenbogen gebildet wird, welcher die relativ kurze Strecke zwischen der Elektrode und der Düse elektrisch überbrückt, der zweite Strompfad ist der durch die Düse dargestellte metallische Leiter und der letzte Strompfad wird von einem Doppellichtbogen gebildet, der vom äußeren

Brenner- bzw. Düsenmantel bzw. äußeren Bereich der Düsenstirnseite zur Gegenelektrode brennt. Solche parasitären Bögen können vor allem beim Einsatz stromstarker flüssigkeitsgekühlter Plasmabrenner in heißen Öfen, z.B. beim Einschmelzen von Schrott auftreten und den vorzeitigen Ausfall eines Plasmabrenners, vorwiegend durch Durchschmelzen des vorderen Düsenmantelteils bzw. der Düsenstirnwand, jedoch auch durch starken Verschleiß der Brennerelektrode verursachen.

Um dieser Erscheinung entgegenzuwirken, ist es bekannt, die Stromstärke des Hauptlichtbogens zu reduzieren, zumindest aber sie zu begrenzen, um damit die Düse gegen Durchschmelzen zu schützen und die Elektrode vor übermäßigem Verschleiß zu bewahren (vgl. hierzu DE-AS 21 40 241, DE-PS 25 41 166, DE-OS 29 51 121 und DD-PS 97 364).

Abgesehen davon, daß in den angeführten Fällen zum Erfassen der parasitären Bögen und zum Reduzieren bzw. Begrenzen des Hauptlichtbogenstromes ein erheblicher apparativer Aufwand notwendig ist, wird die Erscheinung der parasitären Bögen und deren negative Auswirkungen lediglich gemindert, nicht aber mit Sicherheit verhindert. Außerdem erfordern die Maßnahmen zur Bekämpfung der parasitären Bögen immer auch eine drastische Leistungsdrosselung oder gar ein Abschalten des Brenners.

Weiterhin ist es bekannt, den äußeren Mantel der Düse mit einer elektrisch leitfähigen Schicht mit hohem Schmelz- oder Sublimierungspunkt zu überziehen (vgl. DE-OS 33 07 308). Diese Schicht, die z.B. aus festem Graphit bestehen kann, verschleißt unter der Wirkung parasitärer Bögen langsam und

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kontinuierlich und wirkt somit einem vorzeitigen und plötzlichen Verschleiß der eigentlichen metallischen Brennerdüse entgegen. Dieser Schutz ist aber nicht nur zeitlich begrenzt, er ist auch nicht geeignet, den durch die parasitären Bögen bedingten schlechteren Wirkungsgrad der Anlage auszugleichen. Außerdem ist mit dieser bekannten Schutzmaßnahme noch kein Schutz für die zentrische Elektrode gegeben, da diese durch den inneren Nebenbogen angegriffen wird.

Weiterhin ist es aus der US-PS 3 147 329 bekannt, die Stirnwand der Düse mit einer hitzebeständigen Verkleidung zu versehen. Hierdurch ist zwar ein gewisser örtlicher Schutz der Düse gegeben, das Entstehen von parasitären Bögen ist dadurch aber allenfalls erschwert, aber ebenfalls nicht wirksam unterbunden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmabrenner zu schaffen, von dem die durch parasitäre Lichtbogen hervorrufbaren Schaden durch einfache Mittel wirksam und nachhaltig ferngehalten werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Durch die elektrische Trennung bzw. Isolierung des an das Stirnwandteil angrenzenden bzw. dem vorderen Ende der Elektrodeneinheit benachbarten Abschnitts des Innenwandteils der Düse von dem an das Außenwandteil angrenzenden Abschnitt des Stirnwandteils ist sichergestellt, daß kein Strompfad von der Elektrodeneinheit über den vorderen Bereich des Düsen- bzw. Brennermantels oder den äußeren Bereich der Stirnwand der Düse zur Gegenelektrode vorhanden ist oder auch nur entstehen kann. Da mit den erfindungsgemäßen Merkmalen bereits die Bildung parasitärer Lichtbogen mit

Sicherheit vermieden wird, können - auch auf lange Sicht gesehen - keine dadurch hervorgerufenen Schäden an der Düse und an der Elektrodeneinheit auftreten.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. So wird nach Anspruch 2 vorgeschlagen, zwei Isolierstellen vorzusehen und die eine von ihnen im Stirnwandteil der Düse anzuordnen, wobei es darauf ankommt, daß diese Isolierstelle möglichst nahe am Innenwandteil liegt, damit der isolierte Teil des Stirnwandteils möglichst groß ist. Bei dieser Ausbildung des Brenners ergibt sich in vorteilhafter Weise, daß die Isolierstelle der Radialstrahlung des Hauptlichtbogens nicht unmittelbar ausgesetzt ist und insoweit thermisch geschont wird.

Durch die im Anspruch 3 beschriebene Maßnahme wird darüber hinaus erreicht, daß ein ggf. auf den Innenwandteil der Düse übergreifender innerer Nebenbogen nicht über die Düsen- bzw. Mantelhalterung zum Außenwandteil der Düse gelangen kann. Das gleiche gilt für die im Anspruch 4 beschriebene Maßnahme entsprechend. Für die Anordnung der zweiten Isolierstrecke nach den Ansprüchei3 und 4 kommt zudem vorteilhafter Weise hinzu, daß sie an einer "kalten" Stelle des Brenners angeordnet sind und somit aus einem weniger hitzebeständigen Isolationsmaterial gefertigt werden können.

Bei der Ausbildung des Plasmabrenners nach den An-Sprüchen 5 bis 8 stellen die Isolationsringe jeweils einen Teil der Innenfläche der Wandteile der Düse dar, so daß diese ebenfalls von der Kühlflüssigkeit gekühlt werden.

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Um das Isolationsmaterial günstig zu nutzen, ist nach Anspruch 9 vorgesehen, die im Stirnwandteil der Düse angeordnete erste Isolierstelle durch zwei Ringe zu verwirklichen. Dabei braucht der eine Ring nicht wasserundurchlässig zu sein und der andere Ring kann thermisch geschont werden.

Bei der Ausbildung des Plasmabrenners nach Anspruch wird die isolierende Wirkung der Isolationsstellen vergrößert, so daß auch ein Kühlmedium mit einer geringen Leitfähigkeit beim Betreiben des Brenners verwendet werden kann.

Es ist auch möglich, mit nur einer einzigen Isolationsstelle auszukommen, wenn man den Plasmabrenner entsprechend Anspruch 12 ausbildet,

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Plasmabrenner mit einer

zentrischen Elektrode und einer diese umgebenden Düse

in einem auszugsweisen Längsschnitt (aus Gründen der Einfachheit ist die rechte Hälfte lediglich durch strichpunktierte Linien angedeutet),

Fig. 2 bis 9 verschiedene Ausführungsformen der ersten Isolationsstelle in einem auszugsweisen Längsschnitt in einer vergrößerten Darstellung,

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Fig. 10 und 11 jeweils eine Ausführungsform der zweiten Isolationsstelle in einem auszugsweisen Längsschnitt in vergrößerter Darstellung und

Fig. 12 einen Plasmabrenner mit einem

Einsatz aus Isolationsmaterial in einem auszugsweisen Längsschnitt.

Der Plasmabrenner gemäß Fig. 1 weist eine zentrisch angeordnete, wassergekühlte Elektrode 1 auf, deren Spitze 2 mit einer konischen Mantelfläche 3 und einer ebenen Stirnfläche 4 ausgebildet ist. Die Elektrode 1 wird von einer ebenfalls wassergekühlten Brennerdüse 5 - im folgenden auch nur als Düse bezeichnet - koaxial zur Achse 1' der Elektrode 1 umgeben. Die Düse 5 weist eine im wesentlichen zylindrische Durchlaßbohrung 6 auf, die sich zur Stirnseite 7 der Düse 5 über einen Innenkonus 8 verengt. Der Innendurchmesser der Durchlaßbohrung ist jeweils größer als der Außendurchmesser der Elektrode 1, weshalb sich zwischen der Elektrode und der Düse 5 ein ringförmiger Durchlaßkanal 9 ergibt. Zur Isolierung der Düse 5 von der Elektrode sind, wie dies beispielsweise in der US-PS 3 147 näher beschrieben ist, Isolierstücke 10 angeordnet.

Die Düse 5 weist ein rotationssyiranetrisches Innenwandteil 11, ein dazu konzentrisch angeordnetes rotationssymmetrisches Außenwandteil 12 und ein beide Wandteile 11, 12 an der Stirnseite verbindendes Stirnwandteil 13 auf. Zwischen dem Innenwandteil und dem Außenwandteil 12 befindet sich außerdem noch eine den Kühlwasserweg mitbildende Trennwand

Im Stirnwandteil 13 ist ein erstes rotationssymmetrisches Isolierstück 17 angeordnet. Ein zweites rotationssymmetrisch ausgebildetes Isolierstück 18 ist - von der Stirnseite 7 der Düse 5 her gesehen in den Anfang des zylindrischen Abschnitts des Innenwandteils 11 eingesetzt.

In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform des ersten Isolierstücks 17 in einem größeren Maßstab dargestellt. Das Isolierstück bzw. der Isolierring 17 ist an seiner Innenseite mit einem Innengewinde 21 versehen/ das mit einem Außengewinde 22 am inneren Abschnitt 13¹ des Stirnwandteils 13 im Eingriff steht. An der Innenseite besitzt der Isolierring 17 ferner eine ringförmige Erweiterung 23, durch die zum Außengewinde 21 ein Absatz gebildet ist. Mit diesem Absatz wird ein Dichtring 25 gegen einen am inneren Abschnitt 13' des Stirnwandteils 13 angeordneten Flansch 26 gedrückt. Die Außenseite 27 des Isolierringes 17 ist zylindrisch ausgebildet und steht im Eingriff mit einer entsprechenden Wandung 28 des äußeren Abschnitts 13" des Stirnwandteils Zur Sicherung gegen ausfließendes Kühlwasser ist der äußere Abschnitt 13" des Stirnwandteils 13 mit einer Nut 29 versehen, in die ein Dichtring 30 eingelegt ist.

Bei einer anderen Ausführungsform gemäß Fig. 3 weist der erste Isolierring 17a eine glatte zylindrische Innenfläche 31 auf, mit der er gegen eine entsprechende zylindrische Fläche 32 des inneren Stirnwandteils 13¹ zur Anlage kommt. An seiner Außenseite weist der Isolierring 17a an der der Trennwand 14 zugewandten Stirnseite einen Flansch 33 auf, der von einer entsprechenden Ausnehmung 34 im äußeren Stirnwandteil 13" aufgenommen wird. Diese einfache Ausführungsform

stellt sicher, daß das Kühlwasser den Isolierring 17a bei innerem überdruck nicht aus der Düse 5 herausdrückt .

Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß Fig. 4 besteht der Isolierring 17b im Kern aus einem metallischen Werkstoff 36, z.B. Kupfer, der bzw. das von einer in sich geschlossenen Oberflächenschicht 37 aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Zirkonoxid, umgeben ist.

Der Isolierring 17c nach Fig. 5 ist wiederum mit einer in sich geschlossenen elektrisch isolierenden Beschichtung 37 umgeben. Im Innern ist der Isolierring 17c aus mehreren konzentrisch zusammengesetzten Schichten 38, 39 gebildet, von denen mindestens jede zweite Schicht 39 eine elektrisch nicht leitende Isolierschicht darstellt.

In Abwandlung des beschriebenen Ausführungsbeispiels ist die in sich geschlossene isolierende Beschichtung bei dem Isolierring 17d gemäß Fig. 6 weggelassen. Dieser Ring besitzt lediglich zwei metallische Schichten 38', 38", die mechanisch durch eine aus einer Vergußmasse gebildeten Isolierschicht 39' zusammengehalten werden. Der derart ausgebildete Isolierring 17d ist insgesamt gesehen kratzfester und gut gegen die Wandteile 13' und 13" der Düse 5 abzudichten.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 besitzt der innere Abschnitt 13' des Stirnwandteils 13 und der mit dem Außenwandteil verbundene Abschnitt 13" des Stirnwandteils 13 je einen flanschartigen Ansatz 40, 41, so daß ein in bezug auf die Achse 1' koaxiales Ineinanderfügen der beiden Abschnitte 13', 13" gewähr-

leistet ist. Zur gegenseitigen Isolierung der Abschnitte 13', 13" sind deren aneinander zugewandte Flächenteile jeweils mit einer Islierschicht 42 bzw. 43 versehen, die sich auch auf die daran angrenzenden parallelen Flächenteile erstrecken können, vgl. z.B. die Schicht 42' auf dem Abschnitt 13'. Durch einen zwischen den beiden Ansätzen 40,41 eingeklemmten Dichtring 44 wird die gefügte Verbindung wasserdicht gemacht. In Fig. 6 ist die Verbindung der Abschnitte 13', 13" des Innenwandteils 13 vor der Montage in ausgezogenen Linien dargestellt und nach der Montage - auf der linken Seite mit strichpunktierten Linien angedeutet.

Nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 sind die beiden Abschnitte 13', 13" durch eine isolierende Gußmasse 45 gegeneinander isoliert.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 wird das Innenwandteil 11 der Düse 5 von deren Außenwandteil 12 durch eine Isolierstelle mit zwei axial hintereinander angeordneten Isolierringen 17e, 17f gebildet. Der bündig an der Stirnseite 7 der Düse angeordnete Ring 17e besteht aus einem temperaturwechselbeständigen Isoliermaterial und der dahinterliegende Ring 17f aus einem wasserundurchlässigen Isoliermaterial.

Der zweite Isolierring 18 - vgl. auch Fig.10 - weist bei einem Ausführungsbeispiel an seiner Außenseite an jeder Stirnseite jeweils ein Außengewinde 46, auf, das jeweils in ein entsprechendes Innengewinde 48, 49 am vorderen und hinteren Abschnitt 11' bzw. 11" des Innenwandteils 11 eingreift. Zur Dichtung der Isolierverbindung sind zwei Flachdichtungen 50 vorgesehen, die zwischen einem flanschartigen Vorsprung 51 des Isolierrings und Stirnflächen entspre-

chender axialer Vorsprünge 52, 53 der beiden Abschnitte 11' bzw. 11" des Innenwandteils 11 eingeklemmt sind.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Isolierring 18a vorgesehen, der in seinem Querschnitt Z-förmig abgestuft ist. An seinem einen Ende weist der Isolierring 18a ein zur Mitte abgesetztes Außengewinde 54 auf, das im Eingriff mit einem entsprechenden Innengewinde 55 im hinteren Abschnitt 11" steht.

An demselben Ende ist weiterhin ein zurückgesetzter zylindrischer Teil 56, der in eine entsprechende Ausnehmung 57 des hinteren Abschnitts 11" eingreift. Die zylindrische Verbindung 56/57 wird durch einen O-Ring 58 gedichtet. Am gegenüberliegenden Ende des zweiten Isolierrings 18a befindet sich eine von der Innenfläche 60 ausgehende Erweiterung mit einem Innengewinde 62, das mit einem entsprechenden Außengewinde 6 3 des vorderen Abschnitts 11' des Innenwandteils 11 im Eingriff steht. Zur Abdichtung des Isolierrings 18a gegenüber dem vorderen Abschnitt 11' ist ein O-Ring 64 vorgesehen, der sich in einer im vorderen Abschnitt 11' des Innenwandteils 11 befindlichen Nut 65 abstützt und gegen eine zylindrische Ausnehmung 66 des Isolierringes 18a drückt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 weist die Düse am Ausgang der Durchlaßbohrung 6 einen rotationssymmetrischen Einsatz 67 aus elektrisch nichtleitendem Isolationsmaterial auf. Das-von der Stirnseite 7 der Düse 5 gesehen - hintere Ende 68 des Einsatzes 6 7 ist hinter der konischen Mantelfläche 3 des vorderen Teils 2 der Elektrode 1 mit dem hinteren Abschnitt 11" des Innenwandteils 11 verbunden. An seinem vorderen Ende weist der Einsatz 67 einen

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flanschartigen Kragen 69 auf, der mit dem dem Außenwandteil 12 benachbarten Abschnitt 13" des Stirnwandteils 13 verbunden ist.

Claims

Patentansprüche

Plasmabrenner mit einer Elektrodeneinheit (1) und einer Düse (5), die die Elektrodeneinheit konzentrisch umgibt und die durch einen ringförmigen Kanal (9) von dieser getrennt ist, wobei die Düse (5) als Hohlkörper ausgebildet ist und ein rotationssymmetrisches Innenwandteil (11), ein dazu konzentrisch angeordnetes rotationssymmetrisches Außenwandteil (12) und ein beide Wandteile (11, 12) verbindendes Stirnwandteil (13) aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß der an das Stirnwandteil (13) angrenzende Abschnitt (11') des Innenwandteils (11) durch mindestens eine die gesamte Querschnittsfläche des betreffenden Wandteils erfassende Isolationsstelle (17, 18; 67) von dem an das Außenwandteil (12) angrenzenden Abschnitt (13") des Stirnwandteils (13) elektrisch isoliert ist.
2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem an das Stirnwandteil (13) angrenzenden Abschnitt (11") des Innenwandteils (11) und

dem an das Außenwandteil (12) angrenzenden Abschnitt (13") des Stirnwandteils (13) zwei getrennt angeordnete elektrische Isolierstellen (17; 18) vorhanden sind, wobei eine der Isolierstellen (17) im Stirnwandteil (13) der Düse (5) angeordnet ist.
3. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Isolierstelle (18) innerhalb des Innenwandteils (11) der Düse (5), und zwar - von der Stirnseite (7) der Düse (5) gesehen - hinter dem vorderen Ende (2) der Elektrodeneinheit (1) angeordnet ist.

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4. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Isolierstelle (18) an dem dem Stirnwandteil (13) abgewandten Ende des Außenwandteils (12) der Düse (5) angeordnet ist.
5. Plasmabrenner na.cn Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstellen (17; 18) als lösbar mit den Wandteilen (11, 13) der Düse (5) verbindbare rotationssymmetrische Ringkörper aus festem homogenem Isolationsmaterial ausgebildet sind.
6. Plasmabrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolationsmaterial zumindest der ersten Isolierstelle (17) aus einem hochschmelzenden keramischen Stoff besteht.
7. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstellen (17, 18) aus einer isolierenden Vergußmasse (45) bestehen.
8. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstellen (17, 18) durch einen Verbundkörper (17c) gebildet sind, der - im Verlauf der Düsenwandteile (13', 13") gesehen - abwechselnd aus Schichten aus elektrisch leitendem und isolierendem Material (38 bzw. 39) besteht.
9. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolierstelle (17) zwei lösbar mit dem Stirnwandteil (13) verbindbaren rotationssymmetrische Ringkörper (17e, 17f) aus festem homogenem Material aufweist,

die - in Richtung der Brennerachse (T) gesehen hintereinander angeordnet sind, und von denen der an der äußeren Oberfläche (7) angeordnete Ringkörper (17e) aus einem temperaturwechselbeständigen

Isolationsmaterial und der dahinter angeordnete Ringkörper (17f) aus einem wasserundurchlässigen Isolationsmaterial besteht.
10. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstellen (17, 18) durch mindestens einen auf mindestens einer der Stirnflächen der sich gegenüberstehenden Wandteile (13", 13") aufgebrachten elektrisch isolierenden Überzug (42; 43) gebildet sind.
11. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenwandteile (13¹, 13") zumindest an ihrer Innenseite und zumindest unmittelbar neben den eigentlichen Isolierstellen (17, 18) mit einem elektrisch isolierenden Überzug (42¹) versehen sind.
12. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (5) einen rotationssymmetrischen Isolationskörper (67) aufweist, der einen Teil des an das Stirnwandteil· (13) angrenzenden Abschnitts (11') des Innenwandteiis ausmacht, und der sich - von der Stirnseite (7) der Düse (5) gesehen - von hinter dem vorderen Ende (2) der Eiektrodeneinheit (1) bis zum Stirnwandteil· (13) erstreckt.