DE69032205T2

DE69032205T2 - Plasmabrenner mit instabil betriebenem Plasmabogen

Info

Publication number: DE69032205T2
Application number: DE69032205T
Authority: DE
Inventors: Norio Nkk Corporation Ao; Kazushige Nkk Corpora Inokuchi; Yoshiyuki Nkk Corporatio Kanao; Yoshiyuki Nkk Corporati Kitano; Isamu Nkk Corporation Komine; Akio Nkk Corporation Nagamune; Hiroshi Nkk Corporation Sekine
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1990-01-04
Filing date: 1990-11-22
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2010-11-23
Also published as: CA2048654A1; WO1991010342A1; DE69032205D1; ATE164721T1; EP0461263A4; EP0461263A1; EP0461263B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmabrenner mit übertragenem Plasmabogen oder einen übertragenen Plasmabrenner, der einen Plasmabogen zu Erhitzungs- oder Schmelzzwecken erzeugt und verwendet.

Stand der Technik

Ein heißes Plasma wird vielfach als Quelle sehr hoher Temperatur und hoher Energie für solche Anwendungen verwendet, wie Erhitzen und Schmelzen, sowie für Reaktionen, Oberflächenbehandlungen oder andere Zwecke. Insbesondere hat es die Eigenschaft, daß seine hohe Energiedichte eine kompakte Ausführung der Anlage bewirkt, und daß die Leistungsaufnahme bei verbessertem Ansprechen durch die Steuerung der Atmosphäre durch ein Plasmaarbeitsgas und die Steuerung des Stromes und der Plasmalänge frei eingestellt werden kann. Es wurden kürzlich Untersuchungen durchgeführt, diese Merkmale bei Stahiherstellungsverfahren optimal auszunutzen, bei denen der geschmolzene Stahl in einer Gießpfanne oder Zwischenpfanne durch ein Plasma derart erhitzt wird, daß die Temperatur der Stahlschmelze gesteuert oder eine Läuterungsreaktion bewirkt wird.
Grundtypen von Plasmabrennern sind Brenner mit übertragenem Bogen und nichtübertragenem Bogen. Der Brenner mit übertragenem Bogen bzw. übertragene Brenner ist so ausgebildet, daß eine Spannung zwischen die Elektrode innerhalb des Plasmabrenners und einem dadurch zu erhitzenden Objekt angelegt und ein Plasma zwischen den beiden erzeugt wird, wobei im allgemeinen ein Heizwirkungsgrad von 60 bis 80% erzielt wird.
Andererseits ist der Brenner mit nichtübertragenem Bogen so ausgebildet, daß der Plasmabrenner eine negative Elektrode und eine positive Elektrode aufweist, so daß ein Plasma zwischen den Elektroden erzeugt und dabei ein Heißgas wie bei einem Brennstoffbrenner gegen ein zu erhitzendes Objekt geblasen wird, wobei der Wirkungsgrad 20 bis 40% beträgt. Wenn das zu erhitzende Objekt eine elektrische Leitfähigkeit besitzt, wie bei einem Metall, wird vom Gesichtspunkt des Wärmewirkungsgrades aus der übertragene Plasmabrenner angewendet.
Ein normaler Aufbau des bekannten übertragenen Plasmabrenners ist in Fig.1 dargestellt. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen (1) einen Plasmabrener, (2) eine Elektrode und (3) eine Düse. Allgemein wird Wolfram für die Elektrode (2) verwendet, die von einer Düse (3) umgeben ist. Es gibt viele Beispiele, bei denen die Düse (3) eine wassergekühlte Kupferdüse oder eine keramische Düse ist. Mit (4) ist ein Plasmaarbeitsgas, wie Argon oder Wasserstoff, bezeichnet, das veranlaßt wird, zwischen der Elektrode (2) und der Düse (3) zu strömen. Das Bezugszeichen (5) bezeichnet ein zu erhitzendes Objekt, (6) einen Plasmabogen, (7) isolierende Abstandshalter, (8) ein Kühlwasser und (9) elektrische Anschlüsse. Das Plasma wird zwar zwischen dem vorderen Ende der Elektrode (2) und dem zu erhitzenden Objekt erzeugt, der stabile Plasmabogen (6) mit einer streng axialen Ausrichtung wird jedoch in der Umgebung der Elektrode (2) durch das Plasmaarbeitsgas (4) gebildet, dessen Strömung durch die Düse (3) eingeschnürt wird.
Im bekannten Plasmabrenner (1) werden zur Verbesserung der Ausrichtung und Stabilität des Plasmabogens (6), wie oben erwähnt, die Form und Anordnung der Elektrode (2) und der Düse (3) sowie die Strömungsart des Plasmaarbeitsgases (4) festgelegt. Zu diesem Zweck ist das vordere Ende der Elektrode (2) zugespitzt und weist einen spitzen Winkel auf, so daß der Plasmabogen (6), der sich entlang der Axialrichtung erstreckt, durch eine magnetische Pumpwirkung gebildet wird, die durch eine Einschnürungswirkung infolge des Plasmastromes selbst im Bereich des Plasmaflecks hervorgerufen wird, wo das Plasma die Elektrode (2) berührt, oder statt dessen wird der Spalt zwischen der Düse (3) und der Elektrode (2) auf weniger als einige Millimeter verringert, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des Plasmaarbeitsgases (4) erhöht und dadurch der Plasmabogen (5) aufrechterhalten wird, der in der Axialrichtung stabil ist.
Wie oben erwähnt, berücksichtigt der bekannte übertragene Plasmabrenner nur die Ausrichtung und Stabilität des Plasmabogens (6) und beabsichtigt in keiner Weise, den Plasmabogen (6) unstabil zu machen. Wenn bei der konventionellen Bauweise der Plasmabogen (6) veranlaßt wird, unstabil zu werden, besteht auch die Gefahr, daß ein Plasma zwischen der Düse (3) und der Elektrode (2) erzeugt und ein Verbrennungsverlust der Düse (3) hervorgerufen wird, und daher wird auf die Stabilisierung großer Wert gelegt.
Der bekannte übertragene Plasmabrenner (1) ist so aufgebaut, daß er einen Plasmabogen (6) erzeugt, der stabil ist und eine strenge axiale Ausrichtung besitzt. Ein solcher stabiler Plasmabogen (6) weist natürlicherweise eine geringe Bogenausbreitung bzw. -verbreiterung auf, und daher wird das zu erhitzende Objekt (5) lokal erhitzt. Daher wird beispielsweise bei der Erhitzung von geschmolzenem Stahl ein lokalisierter Temperaturanstieg und eine Verdampfung des geschmolzenen Stahls bewirkt, wodurch solche Probleme entstehen, wie die Ungleichförmigkeit der Temperatur und die Verringerung des Heizwirkungsgrades sowie die Ausbeute. Um ferner das Eindringen von Stickstoff und Wasserstoff in den geschmolzenen Stahl zu verhindern, wird inertes Argon als Plasmaarbeitsgas (4) verwendet, und weiter gibt es Fälle, in denen eine Argonatmosphäre in der Heizkammer aufrechterhalten wird. Wie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt, hat Argon eine geringe anzulegende Spannung je Längeneinheit des Plasmas im Vergleich mit den anderen Gasen, und daher wird die Leistungsaufnahme herabgesetzt.
Beispielsweise beträgt in einer Hochtemperatur-Argonatmosphäre die an das Plasma angelegte Spannung nur zwischen 0,1 und 0,2 V/mm, und daher wird die angelegte Spannung höchstensfalls etwa 100 bis 150 V, auch wenn die Plasmalänge 500 mm beträgt. Da die Leistungsaufnahme das Produkt der Spannung und des Stromes ist, besteht der einzige Weg zur Aufnahme einer großen Leistung in der Erhöhung des Stromes oder in der Erhöhung der Anzahl der Plasmabrenner. Wenn insbesondere der Strom vergrößert wird, besteht ein Problem darin, daß nicht nur der Verbrauch der Elektrode (2) mit einer Rate erhöht wird, die etwa das Quadrat des Stromes ist, sondern auch die Anlagekosten der Spannungsquelle und der Leistungszufuhrschaltung wird erhöht. Wenn ferner die Länge des Plasmas vergrößert wird, um die Spannung zu erhöhen, wird der Heizwirkungsgrad andererseits verschlechtert und es besteht eine Grenze für die Länge des Plasmas, die auf der Einschränkung der Anlage beruht. Infolge dieser Punkte ist es erwünscht, daß die angelegte Spannung je Plasmalängeneinheit so hoch wie möglich ist. TABELLE 1
Wenn ferner in Anbetracht des Aufbaus des Plasmabrenners (1) die Elektrode (2) zur Bildung eines Bogens zugespitzt ist, so geht in dem Fall, daß die Elektrode (2) verbraucht wird, so daß die Gestalt ihres vorderen Endes verformt wird, die Ausrichtung des Plasmabogens (6) verloren und das Plasma springt zur Düse (3) über, wodurch ein Verbrennungsverlust der Düse (3) entsteht. Auch die Bauweise der Düse (3) muß so eingestellt werden, daß der Spalt zwischen der Düse (3) und der Elektrode (2) einige Millimeter wird und ihre Mittelachsen zusammenfallen. Infolge dieses komplizierten Aufbaus besteht ein Problem darin, daß Schäden an der Düse (3) infolge einer Änderung in der Form der Elektrode (2) sowie eine Ablenkung des Plasmabogens (6) durch ein äußeres Magnetfeld leicht bewirkt werden können.

Beschreibung der Erfindung

Es ist ein Ziel der Erfindung, einen übertragenen Plasmabrenner mit einer erhöhten Energiedichte zu schaffen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen übertragenen Plasmabrenner zu schaffen, der zum Erhitzen eines zu erhitzenden Objekts über die breite Fläche desselben geeignet ist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen übertragenen Plasmabrenner zu schaffen, der zur Verringerung des Verbrauchs der Elektrode geeignet ist und daher deren Lebensdauer erhöht.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen übertragenen Plasmabrenner zu schaffen, der einen hohen Grad der Kontrollierbarkeit des Plasmabogens erzielen kann.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen übertragenen Plasmabrenner zu schaffen, der eine Verringerung der Abmessungen des Plasmabrenners und eine Verringerung der Betriebskosten gewährleistet.
Diese Probleme werden mit einem Plasmabrenner gemäß den Ansprüchen 1 und 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung verwendet der übertragene Plasmabrenner eine dem Plasma innewohnende magnetische Instabilität derart, daß der Plasmabogen strömungsmäßig unstabil gemacht wird, um ihn mit hoher Geschwindigkeit zu verwirbeln.
Infolgedessen wird nicht nur die angelegte Spannung erhöht, sondern auch der Erhitzungsbereich wird im Vergleich mit dem üblichen stabilen Plasmabogen vergrößert.
Wie in Fig.2c gezeigt, wird nach dem Biegen einer Plasmasäule (P) das vom Plasmastrom erzeugte Magnetfeld auf der konkaven Seite vergrößert, jedoch auf der konvexen Seite geschwächt, so daß die Biegung der Plasmasäule (P) durch den magnetischen Druck weiter gefördert wird. Eine solche magnetische Instabilität der Plasmasäule (P) wird Knick-Instabilität genannt. Wenn ein Ende festgelegt wird und das andere Ende als freies Ende ausgebildet wird, schwingt das andere Ende durch eine elektromagnetische Kraft F, die durch das vorher erwähnte Magnetfeld erzeugt wird. Die Beschreibung wird zwar dimensionell in Verbindung mit der Figur gegeben, jedoch erzeugt in einem dreidimensionalen Raum die gleiche magnetische Instabilität eine elektromagnetische Kraft F in einer Drehrichtung (θ-Richtung) um die Elektrodenachse, und die Plasmasäule (P) beginnt eine Wirbelbewegung.
Die auf der Knick-Instabilität beruhende Verformungskraft wird durch die folgende Gleichung (1) gegeben:
Hierin stellt Fd die Verformungskraft je Längeneinheit, die Permeabilität im Vakuum, I den Strom, λ die Wellenlänge der Störung, R den Krümmungsradius der Verformung und Rc den Radius der Plasmasäule (P) dar. Um dies zu korrigieren, ist andererseits erforderlich, daß die axiale Strömungsgeschwindigkeit der Plasmasäule (P) erhöht wird, um die durch die Gleichung (2) gegebene Korrekturkraft zu erreichen:
Hierin stellt Fc die Korrekturkraft je Längeneinheit, die Dichte des Plasmas, v die Axialgeschwindigkeit des Plasmabogens und S die Querschnittsfläche der Plasmasäule (P) dar.
Der bekannte Plasmabrenner (1) erhöht die Axialgeschwindigkeit v zur Verstärkung der Korrekturkraft Fc. Im Gegensatz dazu wird erfindungsgemäß eine magnetische Instabilität (Knick-Instabilität) im Plasmabogen hervorgerufen, so daß Fd> Fc. Um ferner einen radialen Plasmabogen zu erzeugen, wird eine Kathode mit thermionischer Emission, die einen stabilen Kathodenfleck besitzt, verwendet, so daß das Ende des Plasmas auf der Plasmabrennerseite ein festes Ende wird. Wolfram und Kohlenstoff können als typische Kathodenmaterialien mit Thermionenemission bezeichnet werden. Da ferner geschmolzener Stahl oder dergleichen ein freies Ende wird, wenn er als Anode dient, kann sich der Plasmabogen mit hoher Geschwindigkeit über die Oberfläche des geschmolzenen Stahls bewegen, was zur Knick-Instabilität beiträgt.
Wie oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner beschrieben, wird eine Kathode mit Thermionenemission verwendet. Der Plasmabogen wird so gestört, daß die Axialgeschwindigkeit des Plasmaarbeitsgases verringert und dadurch eine Bewegung in der θ-Richtung hervorgerufen wird. Infolgedessen wirbelt der Plasmabogen mit hoher Geschwindigkeit in der θ-Richtung und er nimmt ferner die Form eines Konus an, der sich radial von der Kathode weg ausbreitet bzw. verbreitert.
Die Formen des üblichen stabilen Plasmabogens (6) und des unstabilen Plasmabogens (16) gemäß der Erfindung sind vergleichsweise in den Figuren 2a bzw. 2b dargestellt. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, ist die Ausbreitung des Plasmabogens (16) auf einem zu erhitzenden Objekt (15) größer als diejenige des bekannten Plasmabogens (6), und zwar um mehr als das 10-fache, wodurch eine großflächige Erhitzung sichergestellt wird. Ferner zeigt Figur 3 die Veränderungen der auf die Plasmabögen (6) bzw. (16) gegebenen Spannungen (V) in Fällen, in denen der Abstand S(L) zwischen den Plasmabrennern (1) bzw. (11) und den Objekten (5) bzw. (15) verändert werden. Es ist ersichtlich, daß die angelegte Spannung (VII) welche das 1,5- bis 2-fache der Spannung (VI) ist, die im Fall des stabilen Plasmabogens (6) angelegt wird, der gedreht und gebogen wird, wodurch der Weg wesentlich vergrößert wird, und daß die Wärmestrahlung aus dem Plasmabogen (16) infolge seiner Wirbelbewegung mit hoher Geschwindigkeit vergrößert ist und dadurch die Energieaufnahme derart erhöht wird, daß sie damit im Gleichgewicht steht. Im Vergleich mit dem bekannten Plasmabrenner wird daher eine 1,5- bis 2-fache Leistungsaufnahme (VII) sogar bei Verbesserung des Wertes (L) erhalten, und es wird sowohl eine verbesserte Energiedichte als auch ein stark erhöhtes Leistungsvermögen erreicht.
Da ferner das zu erhitzende Objekt (15) mit dem verbesserten Wirkungsgrad weiträumig und gleichförmig erhitzt wird, wird nicht nur eine wesentliche Verdampfung, die auf der üblichen lokalisierten Erhitzung beruht, verringert, sondern es wird auch die Ausbeute und der Wärmewirkungsgrad verbessert. Da ferner auch das vordere Ende der Elektrode nicht die Form eines zugespitzten Endes haben muß, auch wenn seine Form verändert wird, besteht keine Gefahr, daß der Plasmabogen zur Düse überspringt, und die Lebensdauer der Elektrode wird dadurch erhöht. Darüber hinaus ist die Regelung der Form des vorderen Endes der Elektrode und des Spaltes zwischen der Düse und der Elektrode einfach.
JP-A-2 210 799 beschreibt einen übertragenen Plasmabrenner zur Erzeugung eines Plasmabogens zwischen einer Kathode mit Elektronenemission und einem zu erhitzenden Objekt mit einer Gaszufuhreinrichtung zum Zuführen eines Plasmaarbeitsgases rings um die Kathode. Die Gaszufuhreinrichtung weist eine Düse auf, welche die Kathode umgibt, und einen Abstandshalter mit Gaszufuhrkanälen, der innerhalb der Düse derart angeordnet ist, daß das Plasmagas sich um die Achse des Plasmabrenners in Umfangsrichtung drehen kann. Auf diese Weise wird eine magnetische Instabilität des Plasmastrahls bewirkt, um einen radial verbreiterten Strahl zu erzeugen. Dadurch wird die Bogenspannung vergrößert und der Wärmewirkungsgrad ist verbessert.
Erfindungsgemäß ist der übertragene Plasmabrenner so ausgebildet, daß zwei Gasströme, d.h. ein Gasstrom, der die Kathode abdichtet, um deren Oxidationsverlust zu verringern, und ein Gasstrom, der ein Wirbeln des Plasmabogens mit hoher Geschwindigkeit hervorruft, kombiniert werden. So bewirkt der übertragene Plasmabrenner das Strömen eines Abschirmgases rings um die Elektrode in Axialrichtung, und er weist ferner eine Zufuhrdüse derart auf, daß beispielsweise das eine radiale Strömungskomponente enthaltende Plasmaarbeitsgas der Außenseite des Abschirmgases zugeführt wird.
Das Abschirmgas strömt rings um die Elektrode in Axialrichtung, und das eine radiale Strömungskomponente enthaltende Plasmaarbeitsgas wird aus der Zufuhrdüse auf die Außenseite des Abschirmgases ausgeblasen. Infolgedessen ist zwar die Elektrode durch einen Gasvorhang des Abschirmgases eingeschlossen und abgeschirmt, es wird jedoch ein Plasmabogen gebildet, der mit hoher Geschwindigkeit derart wirbelt, daß sein Wirbelradius vergrößert ist, wenn er sich von der Elektrode wegbewegt, und zwar infolge des aus der Zufuhrdüse auf die Außenseite des Abschirmgases ausgeblasenen Plasmaarbeitsgases. So kann trozt der Tatsache, daß die erzeugte Spannung hoch und der Heizbereich vergrößert ist, der Oxidationsverlust der Elektrode verringert werden.
Ferner ist gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung der übertragene - Plasmabrenner so ausgebildet&sub1; daß das Plasmaarbeitsgas veranlaßt wird, als Wirbeiströmung zwischen der Düse und der Elektrode zu strömen und dadurch die Axialgeschwindigkeit des Plasmastrahls zu verringern. Auf diese Weise wird die Größe von Fd erhöht.

Kurze Beschreibung der Figuren

Es zeigen:
Fig.1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines bekannten Plasmabrenners,
Figuren 2a,2b und 2c schematische Darstellungen zur Erläuterung des Verhaltens und der Formen von Plasmabögen,
Fig.3 eine graphische Darstellung der elektrischen Eigenschaften eines Plasmas,
Fig.4 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Brenners mit übertragenem Plasmabogen oder übertragenen Plasmabrenners gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig.5 eine schematische Darstellung des Aufbaus des isolierenden Abstandshalters im übertragenen Plasmabrenner gemäß Fig.4,
Figuren 6, 7a und 7b schematische Darstellungen, welche jeweils den Aufbau der Hauptteile des übertragenen Plasmabrenners gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigen,
Fig.8 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines weiteren Beispiels eines isolierenden Abstandshalters, und
Fig.9 eine schematische Darstellung des Aufbaus noch eines weiteren Beispiels des isolierenden Abstandshalters.

Beste Ausführungsart der Erfindung

Da die in den Figuren 4 bis 9 dargestellten Ausführungsbeispiele des übertragenen Plasmabrenners sich im Aufbau etwas von der bekannten Vorrichtung gemäß Fig.1 unterscheiden und auch unterschiedliche Funktion und Wirkung haben, ist jeder der Bestandteile mit einer zweistelligen Bezugszahl versehen&sub1; wobei die erste Stelle gemeinsam und die zweite Stelle 1 hinzugefügt ist. Jede dieser Ausführungsformen zeigt einen übertragenen Plasmabrenner (11) mit 1 kA.
Wolfram, das eine der Thermionen aussendenden Kathoden ist, wird als Material einer Elektrode (12) bei den in den Figuren 4,6,7a und 7b dargestellten Ausführungsformen verwendet. Die Elektrode (12) hat einen Durchmesser von 20 mm und ihr vorderes Ende besitzt eine Halbkugelform, und beeinträchtigt dadurch die Ausbildung eines Bogenstrahls aufgrund der magnetischen Pumpwirkung eines Plasmas.
Bei dem übertragenen Plasmabrenner der in Fig.4 gezeigten Ausführungsform sind Löcher (22a) jedes isolierenden Abstandshalters (22) parallel zur Achse des Plasmabreners (11) angeordnet, wie in Fig. 5 gezeigt, und das Plasmaarbeitsgas (4) wird nicht durch irgendein Hindernis verwirbelt oder gestört, sondern wird veranlaßt, in Axialrichtung des Plasmabrenners (11) wie beim bekannten Brenner zu strömen. Bei der Ausführungsform ist auch eine weitere Düse (24) zu Verwirbelungszwecken zusätzlich nahe dem vorderen Ende der Düse (13) befestigt. Die äußere Düse (24) besitzt eine Ringform und ihr Auslaßstrahl ist um den Umfang mit einer Neigung nach innen und unten geformt, wordurch veranlaßt wird, daß sich die Strömungen der Strahlen an einer Stelle in einem gewissen Abstand zur Elektrode (12) überkreuzen.
Bei dem in der oben beschriebenen Weise aufgebauten übertragenen Plasmabrenner (11) wird zwar ein Plasmabogen (16) zwischen dem vorderen Ende der Elektrode (12) und dem zu erhitzenden Gegenstand in dem geschlossenen Zustand der Düse (24) erzeugt, das Plasmaarbeitsgas (14) bildet jedoch einen linearen stabilen Plasmabogen mit einer strengen axialen Ausrichtung in der Umgebung der Elektrode (12) (siehe Fig.2a).
Wenn das die radialen Strömungskomponenten enthaltende Plasmaarbeitsgas (14) jedoch aus der äußeren Düse (24) ausgestoßen wird, trifft die Strömung des aus der Düse (24) ausgestoßenen wirbelnden Gases auf den Plasmabogen (16) in der Umgebung der Überkreuzungsstelle auf, wodurch dessen magnetische Instabilität gefördert wird. Infolgedessen wird nahe dieser Stelle eine wirbelnde Strömung erzeugt, die zum Drehen um die Achse des Plasmabogens (16) neigt, und es wird ein wirbelndes Plasma erzeugt. Der sich ergebende Zustand ist in Fig.2b gezeigt. Mit anderen Worten, es wird ein Plasmabogen (16) erzeugt, der in der Umgebung der Elektrode (12) zylindrisch ist und die letztere umgibt und dessen Verwirbelungsradius mit der Entfernung von der Elektrode (12) ansteigt.
Durch Strömen des Plasmaarbeitsgases (14) aus der Düse (13) wird so ein die Elektrode (12) umfassender zylindrischer Gasvorhang gebildet, und die Elektrode (12) wird gegen den wirbelnden Plasmabogen (16) abgeschirmt. Daraus folgt, auch wenn der wirbelnde Plasmabogen (16) den Sauerstoff in der Luft einfängt, wird keine Oxidation der Elektrode (12) hervorgerufen und deren Verbrauch wird verringert.
Die in Fig.6 dargestellte Ausführungsform des übertragenen Plasmabrenners weist statt der ringförmigen Düse (24) gemäß Fig.4 eine Düse (26) auf, die ein oder mehrere einfache Rohre umfaßt, deren vordere Enden radial gebogen sind, um eine Störung des Plasmas zu verursachen.
Andererseits ist bei der in den Figuren 7a und 7b dargestellten Ausführungsform des übertragenen Plasmabrenners eine zylindrische Strömungsausrichteinrichtung (28), deren Außendurchmesser zwischen dem Außendurchmesser der Elektrode (12) und dem Innendurchmesser der Düse (13) liegt, im Strömungsweg des Plasmaarbeitsgases (14) nahe der Elektrode (12) angeordnet. Sodann wird ein Teil des Plasmaarbeitsgases (14), das durch die isolierenden Abstandshalter (20) des schrägen Typs gemäß Fig.8 verwirbelt wird und aus der Düse (13) ausströmt, geradegerichtet und aus der Strömungsausrichteinrichtung (28) ausgestoßen, während es die Elektrode (12) umgibt. Dabei umfaßt die axiale Strömung des Plasmaarbeitsgases (14) , die durch die Strömungsausrichteinrichtung (28) geradegerichtet wurde, die Elektrode (12), und an einer Stelle im Abstand von der Elektrode (12) wird ein Plasmabogen (16) gebildet, der sich nach unten ausbreitet.
Da das Plasmaarbeitsgas (14) um die Achse des Plasmabrenners (11) verwirbelt wird, wie in Fig.8 gezeigt, enthält jeder der isolierenden Abstandshalter (20) Löcher (20a) zum Durchtritt des Gases, und die Löcher verlaufen schräg zur Achse des Plasmabrenners (11). Durch Schräglegen der Löcher (17a) in dieser Weise wird die Gasströmung schräg ausgerichtet und eine Wirbelbewegung wird dem Plasmaarbeitsgas (14) erteilt. Um dem Plasmaarbeitsgas (14) eine Wirbelbewegung zu erteilen, kann auch irgendeine andere Ausbildung angewendet werden, so daß, wie beispielsweise in Fig.9 gezeigt, das Plasmaarbeitsgas (14) direkt einem Verteiler (20b) jedes isolierenden Abstandshalters (20) zugeführt werden kann, um das Gas aus de Verteiler in die schrägen Löcher (20a) zu leiten.
In der oben beschriebenen Weise wird zwar die Geschwindigkeitskomponente des Plasmabogens (16) in Axialrichtung des Plasmabrenners (11) verkleinert, jedoch wird dem Plasmaarbeitsgas (14) eine Geschwindigkeitskomponente in θ-Richtung erteilt, so daß eine magnetische Instabilität des Plasmabogens (16) hervorgerufen wird und so der Plasmabogen (16) mit hoher Geschwindigkeit wirbelt. Es wird ebenfalls die Kathode mit Thermionenemission für die Elektrode (12), die die Kathode bildet, verwendet, wodurch der Kathodenfleck stabil gebildet wird und daher der Plasmabogen (16) erzeugt wird, der sich gegen ein zu erhitzendes Objekt (15) hin radial ausbreitet.
Da ferner der Spalt zwischen dem vorderen Ende der Elektrode (12) und der Düse (13) weit ist, auch wenn der Plasmabogen (16) instabil ist, besteht keine Gefahr, daß der Plasmabogen (16) zur Düse (13) überspringt.
Die Verbreiterung des durch den Plasmabrenner (11) erzeugten Plasmabogens (16) zum Objekt (15) hin hat einen Durchmesser von etwa 200 mm, wenn die Höhe des Plasmabrenners (11) 200 mm beträgt, und die angelegte Spannung wird über 300 V erhöht im Vergleich zur Spannung von nur 170 V im Fall des konventionellen stabilen Plasmabogens (6). Ferner wurde bestätigt, daß zwar der Plasmabogen (16) strömungsmäßig instabil ist, die Spannungsänderung jedoch so gering ist, daß vom praktischen Gesichtspunkt aus kein Problem besteht.
Es wird bemerkt, daß zwar bei den oben beschriebenen Ausführungsformen Wolfram für die Elektrode (12) verwendet wird, daß jedoch auch eine andere Kathodenart mit Thermionenemission, wie Kohlenstoff, verwendet werden kann.

Claims

1. Übertragener Plasmabrenner zur Erzeugung eines Plasmabogens zwischen einer Elektronen emittierenden Kathode und einem zu erhitzenden Objekt, mit einer ersten Gaszuführeinrichtung (13,22) zum Zuführen eines Plasmaarbeitsgases rings um die Elektronen emittierende Kathode (12) , dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner ferner aufweist:

eine zweite Gaszuführeinrichtung (24,26) zum Blasen des Plasmaarbeitsgases gegen einen Plasmabogen, der von der Elektronen emittierenden Kathode (12) erzeugt ist, wobei die zweite Gaszuführeinrichtung ihre Strömung konvergierend zu einem Punkt des Plasmabogens im Abstand von der Elektronen emittierenden Kathode (12) leitet, wodurch eine Instabilität gegen Knickung in den Plasmabogen eingeführt wird.

2. Übertragener Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gaszuführeinrichtung aufweist:

eine ringförmige Düse (13), die radial außerhalb der Elektronen emittierenden Kathode (12) gebildet ist, zum Zuführen von Plasmaarbeitsgas rings um die Elektronen emittierende Kathode (12), und

einen isolferenden Abstandshalter (22), der innerhalb der Düse zum Rektifizieren des Plasmaarbeitsgases vorgesehen ist, wobei der Abstandshalter eine Anzahl von Löchern zum Durchtritt von Plasmaarbeitsgas durch denselben aufweist.

3. Übertragener Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher durch den isolierenden Abstandshalter (22) parallel zur Längsachse des Brenners angeordnet sind.

4. Übertragener Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gaszuführeinrichtung als Ring außerhalb der ersten Gaszuführeinrichtung mit einer Anzahl von Düsen (24) ausgebildet ist, die auf einen Punkt im Plasmabogen gerichtet sind, der einen Abstand von der Elektronen emittierenden Kathode (12) aufweist.

5. Übertragener Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gaszuführeinrichtung ein Rohr oder eine Anzahl von Rohren (26) aufweist, die außerhalb der ersten Gaszuführeinrichtung angeordnet sind, wobei das oder jedes Rohr mit seinem Ende gegen einen Punkt im Plasmabogen gerichtet ist, der im Abstand von der Elektronen emittierenden Kathode (12) angeordnet ist.

6. Übertragener Plasmabrenner zur Erzeugung eines Plasmabogens zwischen einer Elektronen emittierenden Kathode und einem zu erhitzenden Objekt, dadurch gekennzeichnet, daß er aufweist:

eine Gaszuführeinrichtung (13,20) zum Zuführen eines Plasmaarbeitsgases rings um die Kathode (12), wobei dem Plasmaarbeitsgas eine Wirbelbewegung erteilt wird, um in dem Plasmabogen eine Instabilität gegen Knickung einzuführen, und

eine Strömungsrektifiziereinrichtung (28), die zwischen der Gaszuführeinrichtung (13,20) und der Kathode (12) angeordnet ist, zum Rektifizieren eines Teils des Plasmaarbeitsgases mit Wirbelbewegung, um die Kathode (12) mittels der rektifizierten Gasströmung abzudichten.