DE4022112A1 - Plasmabrenner fuer uebertragenen lichtbogen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner für übertragenen Lichtbogen mit einer zentrischen Elektrode, einem konzentrischen Düsenendstück, wobei zwischen der Elektrode und dem Düsenendstück ein von einem Ringkanal mit Plasmagas versorgbarer Ringspalt vorgesehen ist, und einem konzentrischen Brennermantel mit Außen-, Mittel- und Innenwand, wobei zwischen dem Düsenendstück und dem Brennermantel stirnseitig ein Ringkanal vorgesehen ist, dessen Innenwand teilweise durch eine beide Teile elektrisch trennende rohrförmige Isolieranordnung gebildet ist.

Ein wesentliches Problem beim Betreiben von Plasmabrennern insbesondere mit Wechsel- und Drehstrom ist das Auftreten von parasitären Lichtbögen, die parallel zum Hauptlichtbogen brennen, wobei sie insbesondere dem unteren Rand des unteren Düsen- bzw. Brennermantels und den äußeren Bereich der Düsen- bzw. Brennerstirnseite mit in den Stromfluß einschließen. Parasitäre Bögen beeinträchtigen nicht nur die Stabilität der Sichtbogensäule und damit den Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit eines Plasmabrenners bzw. einer mit Plasmabrennern betriebenen Anlage in erheblichem Maße, sie führen im allgemeinen sogar zur völligen Zerstörung von Plasmabrennern.

Nach der DE-PS 33 28 777 ist es bekannt, zur Verhinderung parasitärer Bögen den Ringkanal zwischen der Elektrode und der Düse an der Düseninnenseite mit einer elektrisch isolierenden Auskleidung zu versehen. Diese Maßnahme bewirkt aber nur einen teilweisen Schutz, da parasitäre Bögen einen Strompfad außerhalb der isolierenden Auskleidung finden können.

Eine weitere Maßnahme zur Bekämpfung parasitärer Bögen ist aus der DE-PS 34 35 680 bekannt. Danach ist vorgesehen, daß der an das Stirnwandteil angrenzende Abschnitt des Innenwandteils einer wassergekühlten Düse durch zwei getrennte, jeweils das betreffende Wandteil über die gesamte Querschnittsfläche durchsetzende Isolierteile von dem an das Außenwandteil angrenzenden Abschnitt des Stirnwandteils elektrisch isoliert ist, wobei eines der Isolierteile im Stirnwandteil der Düse angeordnet ist. Bei sehr heißen Ofenatmosphären ist es jedoch sehr aufwendig, einen geeigneten Isolierstoff für die Stirnwand der Düse zu finden.

In Weiterentwicklung des zuletzt genannten Gedankens ist vorgesehen worden, die in der Stirnfläche der Düse vorgesehene Isolierung in eine stirnseitige Nut zu verlegen. Ein solcher Plasmabrenner ist auch ausgeführt worden. Die stirnseitige Nut wird einerseits durch die Außenwand eines Düsenstutzens oder -endstücks und andererseits durch einen Brennermantel gebildet, wobei der Brennermantel an seiner Stirnseite einen zur Achse des Brenners weisenden Flansch aufweist, der dem zurückliegenden Isolierstück einen gewissen Hitzeschutz bietet. Wird dieser Brenner jedoch in einer Atmosphäre mit elektrisch leitenden Partikeln, z. B. Metall- oder Hüttenstäuben betrieben, so können sich die elektrisch leitenden Stäube an dem gekühlten Isolierstück niederschlagen, so daß sich eine elektrische Brücke vom Düsenstutzen zum Brennermantel bilden und parasitäre Bögen nunmehr über den äußeren stirnseitigen Rand des Brennermantels fließen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gefahr der Bildung parasitärer Bögen, insbesondere beim Betreiben mit Wechselstrom, weiter, d. h. mit größerem Erfolg einzuschränken.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen dem Ringkanal für das Plasmagas und dem stirnseitigen Ringkanal gleichmäßig über den Umfang verteilte Durchlaßkanäle bestehen. Durch diese Durchlaßkanäle wird ein Teil des Plasmagases abgezweigt und in den stirnseitigen Ringkanal geleitet. Das durch diese Durchlaßkanäle strömende Gas kühlt den Mündungs- bzw. Austrittsbereich des stirnseitigen Ringkanals. Etwa auftretende elektrisch leitende Dämpfe oder Stäube werden daran gehindert, in den Kanal einzutreten. Weiterhin werden zurückschlagende Plasmabogenlocken verhindert und Schmelze- und Schlackenspritzer, die in den Ringkanal eindringen wollen, abgewiesen und abgekühlt. Weiterhin ergibt sich durch die Kühlwirkung des durch den Ringkanal strömenden Gases für sich etwa im Mündungsbereich befindende Beschichtungen oder Überzüge eine größere Lebensdauer. Insgesamt ergibt sich eine Erhöhung der Einsatzdauer des Plasmabrenners.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Durch das Durchtreten der Durchlaßkanäle durch die rohrförmige Isolieranordnung wird das Niederschlagen von elektrisch leitenden Dämpfen oder Stäuben gerade an der entscheidenden Stelle verhindert.

Vorteilhafterweise ist die rohrförmige Isolieranordnung aus zwei Ringen gebildet, von denen der eine einem Kühlkreislauf zugewandt und von diesem erfaßt wird und einem anderen Ring aus hochtemperaturfestem Isoliermaterial (Keramik), der den erstgenannten Ring aus druckfestem Isoliermaterial vor Thermoschock, hohen Temperaturgradienten und Verschmutzung schützt.

Der Ring aus hochtemperaturbeständigem Material ist vorzugsweise mit axialem und radialem Spiel gelagert. Infolge betriebsbedingter Schwingungsanregung kann sich dieser Ring drehen und so zusätzlich die Entstehung von elektrischen Brücken als Folge der Ablagerung elektrisch leitender Stäube verhindern.

Der stirnseitige Ringkanal ist vorzugsweise mit einem sich zur Brennerachse konisch verjüngenden Mündungsteil versehen, bei dem der lichte Durchmesser des den stirnseitigen Kanal bildenden Düsen-Außenteils an der Stirnseite kleiner ist als der Außendurchmesser der rohrförmigen Isolieranordnung vor dem konischen Verlauf des Ringkanals. Durch diese vorzugsweise Ausgestaltung des Ringkanals ergibt sich ein besonderer Schutz gegen thermische Strahlung für die Isolieranordnung.

Die Innenwand des den stirnseitigen Ringkanal bildenden Düsen-Außenteils weist einen an einem Düsen-Innenteil gleitend geführten Flansch auf. Durch die bei einer Längenausdehnung des Düsen-Außenteils sich ergebende Relativbewegung zwischen dem Flansch und dem Düsen- Innenteil werden ebenfalls elektrische Brückenbildungen aus Verschmutzungen unterbunden.

Die gesamte Innen- oder Außenfläche des stirnseitigen Ringkanals kann aus Isolationsmaterial bestehen oder einen Überzug aus Isolationsmaterial aufweisen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung im Längsschnitt dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Der Plasmabrenner weist eine zentrische Elektrode, mit kegelstumpfförmiger Mantel- oder Endfläche 2 auf, um die ein Düsenstutzen oder -endstück 3 mit je einem Innenwandteil 4, einem Stirnwandteil 5 und einem Außenwandteil 6 konzentrisch angeordnet ist. Das Innenwandteil 4 weist einen schwach konischen Wandabschnitt 7 auf, dessen Mantellinien im wesentlichen parallel zu den Mantellinien der kegelstumpfförmigen Endfläche 2 der Elektrode 1 verlaufen. Zwischen dem Stirnwandteil 5 und dem Außenwandteil 6 befindet sich ein stärker konischer Übergangsabschnitt 8. Im Bereich der Mündung ist ein Verschleißschutzring 9 aus Wolfram in den Düsenstutzen 3 geschraubt. Die Stirnfläche des Stirnwandteils 5 ragt - in Richtung des Lichtbogens gesehen - über die plangestaltete Stirnfläche 10 der Elektrode 1 hinaus.

Das Innenwandteil 4 des Düsenstutzens 3 ist über ein Außengewinde mit einem Isolations-Ringkörper 11 aus verstärktem Hochleistungskunststoff lösbar befestigt. Der Ringkörper 11 ist über eine Gewindepaarung mit einem Düsen- Innenteil 12 verbunden, das wiederum über eine Gewindepaarung mit einem Brennermantel-Innenrohr 13 verschraubt ist. Die axiale Position des Düsenstutzens 3 ist somit durch den Ringkörper 11, das Düsen-Innenteil 12 und das Innenrohr 13 bestimmt.

Das Brennermantel-Innenrohr 13 ist mit seinem oberen Ende mit einem (nicht dargestellten) Rohrverbinder verbunden, von dem auch das Mittelrohr 14 und das Außenrohr 15 des Brennermantels 16 gehalten sind.

Das Innenrohr 13 und die Elektrode 1 bilden einen ringförmigen Kanal 17 für Plasmagas, der in den Ringkanalabschnitt 19 zwischen der Elektrode 1 und dem Düsenstutzen 3 übergeht. Dazu ist der Isolations-Ringkörper 11 mit parallel zur Brennerachse 20 verlaufenden Durchlässen 21 versehen.

An ihrem unteren Ende weist das Düsen-Innenteil 12 eine nach außen offene Ausnehmung auf, die einen Isolationsring 22 aus thermoschock- und hochtemperaturfestem Material (Keramik) und einen unteren Isolationsring 24 aufweist, der aus druckwasserdichtem Material (Keramik) besteht. Der hochtemperaturfeste Isolationsring 22 weist zum Kanal 17 hin eine umlaufende Ausnehmung 23 auf und ist mit Axial- und Radialspiel montiert, so daß er nicht festgehalten ist, sondern sich drehen kann. Er bildet mit einem Teil des Düsen-Innenteils 12 und der Außenwand 6 des Düsenstutzens 3 eine gemeinsame Außenfläche. Der druckwasserdichte Isolationsring 24 reicht vom Düsen-Innenteil 12 bis zur Innenseite der Außenwand 6 des Düsenstutzens 3.

Um das Düsen-Innenteil 12 ist ein metallischer Ringkörper 25 angeordnet, der eine zylindrische Außenfläche aufweist, die etwas größer ist als die gemeinsame Außenfläche des Isolationsrings 22 und des Düsenstutzens 3.

Das Mittelrohr 14 ist mit seinem unteren Ende druckdicht mit dem Düsen-Innenteil 12 verbunden und ist mit einer zylindrischen äußeren Teilfläche versehen, deren Durchmesser wiederum größer ist als der der Außenfläche des Ringkörpers 25.

An dem Außenrohr 15 ist ein Düsen-Außenteil 26 angeschraubt, das aus einem äußeren Düsenmantel 27 und einer Innenwand 28 besteht. Die Innenwand 28 ist über einen Flansch 29 an dem Ringkörper 25 druckdicht gleitend geführt. Der Flansch 29 weist einen zur Brennerachse 20 weisenden ringförmigen Vorsprung 30 auf, der an der gemeinsamen Außenfläche des Düsen-Innenteils 12 und des Isolierrings 22 gleiten kann. An dem Flansch 29 ist ferner über einen Abstandshalter 31 die Mittel- oder Umlenkwand 32 des Düsen-Außenteils 26 gehalten. Die Mittelwand 32 ist druckdicht gleitend an der unteren zylindrischen Fläche des Brennermantel-Mittelrohrs 14 geführt.

Die Außenwand 6 des Düsenstutzens 3, der hochtemperaturfeste Isolationsring 22, der Flansch 29 und die Innenwand 28 des Düsen-Außenteils 26 bilden einen zum rückwärtigen Ende geschlossenen, stirnseitig offenen Ringkanal 33. Durch den schrägen Wandabschnitt 8 des Düsenstutzens 3 und einen konisch verlaufenden Abschnitt 34 der Innenwand 28 erfährt der Ringkanal 33 zur Stirnseite hin einen konischen, auf die Achse 20 des Plasmabrenners gerichteten Verlauf.

An dem Düsen-Innenteil 12 ist schließlich noch ein Umlenkteil 35 für den Kühlmittelkreislauf befestigt.

Das Kühlmittel fließt durch den durch das Brennermantelinnenrohr 13 und das Brennermantel-Mittelrohr 14 gebildeten Ringkanal 36 zu gleichmäßig am Umfang verteilten Kanalabschnitten 37, 38, die durch das untere Teil des Brennermantel-Mittelrohrs 14 bzw. das Düsen-Innenteil 12 geführt sind. Danach fließt es weiter durch den Innenwandteil 4 des Düsenstutzens 3 und das Umlenkteil 35 gebildeten Ringkanal, wird von dem Umlenkteil 35 umgelenkt, gelangt zwischen dem Umlenkteil 35 und dem Düsen-Innenteil 12 nach oben, tritt durch Kanal-Abschnitte 39, 40, die durch das Düsen-Innenteil 12 bzw. den Ringkörper 25 geführt sind, in das Düsen-Außenteil 26. Im Düsen-Außenteil 26 fließt es zunächst zwischen der Innenwand 28 und der Umlenkwand 32, wird von letzterer umgelenkt und fließt durch den durch die Umlenkwand 32 und die Außenwand 27 gebildeten Ringkanal und weiter durch den durch das Mittelrohr 14 und das Außenrohr 15 gebildeten Ringkanal 41 zum Austritt zurück. Der Brennermantel 16 mit dem Düsen- Außenteil 26 und der Düsenstutzen 3 weisen also einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf auf.

Die Kanalabschnitte 37 bis 40 verlaufen in jeweils über den gesamten Umfang gleichmäßig verteilten radialen Schnittflächen. Durch jeweils andere, von diesen verschiedenen radialen Schnittflächen ist durch das Düsen- Innenteil 12 je ein Kanalabschnitt bzw. eine Bohrung 43 geführt, die von dem Hauptringkanal 17 zur umlaufenden Ausnehmung 23 des Isolierrings 22 führen. Weiterhin ist der hochtemperaturfeste Isolationsring 22 mit Bohrungen oder Kanalabschnitten 44 durchsetzt, die von seiner umlaufenden Ausnehmung 23 zu seiner Außenfläche und damit zu dem stirnseitigen Ringkanal 33 zu führen. Insgesamt ist somit ein Durchlaßkanal bzw. eine pneumatische Leitungsverbindung von dem Hauptgaskanal 17 zu dem stirnseitigen Ringkanal 33 vorhanden.

Claims (7)

1. Plasmabrenner für übertragenen Lichtbogen mit einer zentrischen Elektrode, einem konzentrischen Düsenendstück, wobei zwischen der Elektrode und dem Düsenendstück ein von einem Ringkanal mit Plasmagas versorgbarer Ringspalt vorhanden ist, und einem konzentrischen Brennermantel mit Außen-, Mittel- und Innenwand, wobei zwischen dem Düsenendstück und dem Brennermantel stirnseitig ein Ringkanal vorhanden ist, dessen Innenwand teilweise durch eine beide Teile elektrisch trennende rohrförmige Isolieranordnung gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ringkanal (17) für das Plasmagas und dem stirnseitigen Ringkanal (33) gleichmäßig über den Umfang verteilte Durchlaßkanäle (43, 44) bestehen.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßkanäle (43, 44) durch die rohrförmige Isolieranordnung (22, 24) in den stirnseitigen Kanal 33 treten.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Isolieranordnung (22, 24) aus einem von einem Kühlkreislauf erfaßten Ring (24) aus druckfestem Isoliermaterial und einem einen Teil der Wandung des stirnseitigen Ringkanals (33) bildenden Rings (22) aus hochtemperaturbeständigem Material besteht und die Durchlaßkanäle (43, 44) durch den hochtemperaturbeständigen Ring (22) in den stirnseitigen Kanal (33) treten.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der einen Teil der Wandung des stirnseitigen Ringkanals (33) bildende Ring (22) aus hochtemperaturbeständigem Material mit axialem und radialem Spiel gelagert ist.

5. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der stirnseitige Ringkanal (21) einen zur Brennerachse (20) hin konvergierbaren Mündungsbereich aufweist und der lichte Durchmesser des den stirnseitigen Kanal (33) bildenden Düsen-Außenteils (26, 28, 34) an der Stirnseite kleiner ist als der Außendurchmesser der rohrförmigen Isolieranordnung (22, 24).

6. Plasmabrenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (28) des den stirnseitigen Ringkanal (33) bildenden Düsen-Außenteils (26) einen an einem Düsen-Innenteil (12, 25) gleitend geführten Flansch (29) aufweist.

7. Plasmabrenner nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Innen- und/oder Außenfläche des stirnseitigen Ringkanals (33) aus Isolationsmaterial besteht oder einen Überzug aus Isolationsmaterial aufweist.