EP0041078B1 - Mittels Gasgemischen betriebener Plasmabrenner - Google Patents

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EP0041078B1
EP0041078B1 EP80108157A EP80108157A EP0041078B1 EP 0041078 B1 EP0041078 B1 EP 0041078B1 EP 80108157 A EP80108157 A EP 80108157A EP 80108157 A EP80108157 A EP 80108157A EP 0041078 B1 EP0041078 B1 EP 0041078B1
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gas
plasma
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cathode
auxiliary
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Karl Dipl. Ing. Spiegelberg
Herbert Hoffmann
Helmfried Jeske
Alexander Kolm
Fred Dipl. Ing. Ebeling
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Cambio Ragione Sociale sachsische Edelstahlwerke G
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Edelstahlwerk 8 Mai 1945 Freital VEB
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3405—Arrangements for stabilising or constricting the arc, e.g. by an additional gas flow
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3478—Geometrical details

Definitions

  • the invention relates to the field of metallurgy, in particular to the melting of metals and alloys in plasma melting furnaces in which high power plasma torches are used.
  • the high-performance plasma melting torches previously used for melting or remelting metallic materials use technically pure argon as the working gas.
  • This working gas ensures on the one hand the protection of the highly heated tungsten cathode inside the burner against burn-off and essentially determines the composition of the furnace atmosphere above the melting material and thus the basic electrical parameters of the plasma column, such as the voltage gradient along the column, the arc voltage and the arc temperature of the plasma column. This gave rise to considerations of influencing these electrical arc parameters by adding diatomic gases, e.g. increasing the burner output at constant current through increased arc voltages or influencing the melting process by including chemical reactions between the melting material and a furnace chamber atmosphere specifically set via the working gas mixture.
  • US-A-3 534 388 relates to a plasma torch for melting metals and alloys with an output below 100 kW.
  • the cathode ends behind a relatively long nozzle bore with a very small nozzle opening.
  • the nozzle opening is surrounded by additional gas outlets which are inclined to the longitudinal axis of the plasma torch.
  • the aim of the invention is to create a plasma burner operated by means of gas mixtures, which works safely at high power.
  • the invention has for its object to develop a plasma torch which allows additional gases of different types to be supplied to the plasma arc, in order to thus determine the electrical arc characteristics and, on the other hand, the course of chemical reactions between the melting material and the composition of the furnace atmosphere in conjunction with the high plasma arc temperature To allow the furnace chamber atmosphere or the melting material, its slag covering and the furnace chamber atmosphere to run off without neglecting the necessary protection of the highly heated tungsten rod cathode against inadmissible cathode erosion.
  • the choice of the additional gas depends on the intended gas influence on the melting process. Molecular gases such as hydrogen or nitrogen are selected to increase the voltage gradient along the plasma arc column and thus to increase the performance of the plasma arc with a constant arc current without chemical reaction with the melting material. If a targeted course of chemical reaction of the additional gas with the melting material is to be achieved, oxygen or oxygen-containing gas mixtures are used as additional gas. Insert bodies can be arranged in the openings of the additional gas outlet in order to achieve a higher speed of the additional gas.
  • a ring line 1 On which the gas connecting piece 2 is located, is arranged in the area of the cooling water inlet 4. From this ring line 1, a series of gas line pipes 3 lead along the water cooling gap 5 into the interior of the plasma torch. Through the gas line pipes 3, the additional gas reaches the nozzle opening 10 of the copper nozzle 6 via the additional gas outlet 9.
  • the openings of the additional gas outlets 9 are designed to be inclined to a pitch circle of 35 to 45 ° symmetrically with respect to the longitudinal axis of the plasma torch to the nozzle opening 10.
  • the interface between the plasma arc and the additional gas is at a distance of 25.0 to 45.0 mm in front of the surface of the rod-shaped cathode 7, so that no erosion occurs.
  • the cathode 7 itself is cooled via the cathode block 8 and is protected by the argon flow, which is not influenced by the additional gas at this point.
  • the choice of the type of additional gas and the amount of gas are determined by the intended gas influence on the melting process. For the goal of increasing the voltage gradient along the plasma arc column and thus increasing the performance of the plasma mabogens with a constant arc current, molecular gases are selected that do not form any chemical compounds with the melting material, eg steel, such as hydrogen or nitrogen.
  • additional gases of suitable composition are selected. Oxygen or gas mixtures containing 0, are used to carry out the fresh process.
  • the amount of additional gas supplied to the plasma torch is determined by the intended use and adjusted via the gas pressure.
  • the cross sections of these openings can be varied by arranging insert bodies (not shown in the drawing).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Metallurgie, insbesondere auf das Schmelzen von Metallen und Legierungen in Plasmaschmelzöfen, in denen Plasmabrenner hoher Leistung verwendet werden.
  • Die bisher zum Schmelzen bzw. Umschmelzen metallischer Werkstoffe eingesetzten Plasmaschmelzbrenner hoher Leistung verwenden als Arbeitsgas technisch reines Argon. Dieses Arbeitsgas sichert einerseits den Schutz der hocherhitzten Wolframkatode innerhalb des Brenners gegen Abbrand und bestimmt im wesentlichen die Zusammensetzung der Ofenraumatmosphäre über dem Schmelzgut und somit die elektrischen Grundparameter der Plasmasäule, wie Spannungsgradient längs der Säule, Bogenspannung und Bogentemperatur der Plasmasäule. Hieraus resultierten Überlegungen, diese elektrischen Bogenparameter durch Zumischung zweiatomiger Gase zu beeinflussen, z.B. die Brennerleistung bei konstanter Stromstärke durch erhöhte Bogenspannungen zu steigern bzw. dem Schmelzverlauf über die Einbeziehung chemischer Reaktionen zwischen dem Schmelzgut und einer gezielt über das Arbeitsgasgemisch eingestellten Ofenraumatmosphäre zu beeinflussen. Voraussetzung für die Arbeitsweise mit Gasgemischen war jedoch dabei, dass die heisse Wolframkatode nicht mit oxidierenden Gasen in Berührung kommen durfte, um den sonst stark einsetzenden Katodenabbrand zu vermeiden. Oxidierende Gasgemische fielen somit von vornherein als Arbeitsgas für derartige Schmelzbrennerkonstruktionen aus. Die Verwendung anderer Katodenmaterialien, die bei O2- haltigem Arbeitsgas ohne Abbrand funktionsfähig bleiben und wie sie z.B. bei Plasmaschneidbrennern auch Verwendung finden, z.B. Zirkonoxidkatoden, konnte bisher nur bei niedrigen Stromstärken erfolgen. Eine Erhöhung der Leistung für Plasmabrenner zum Schmelzen von metallischen Werkstoffen war mit den bekannten Lösungen nicht möglich.
  • Die US-A-3 534 388 betrifft einen Plasmabrenner zum Schmelzen von Metallen und Legierungen mit einer Leistung unter 100 kW. Bei diesem Schneidbrenner endet die Kathode hinter einer relativ langen Düsenbohrung mit sehr kleiner Düsenöffnung. Die Düsenöffnung ist von Zusatzgasaustritten umgeben, die zur Plasmabrennerlängsachse geneigt sind.
  • Ziel der Erfindung ist es, einen mittels Gasgemischen betriebenen Plasmabrenner zu schaffen, der bei hoher Leistung sicher arbeitet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmabrenner zu entwickeln, der es gestattet, dem Plasmabogen Zusatzgase verschiedener Art zuzuführen, um so die elektrischen Bogenkennwerte sowie andererseits über die Zusammensetzung der Ofenraumatmosphäre in Verbindung mit der hohen Plasmabogentemperatur den Ablauf chemischer Reaktionen zwischen dem Schmelzgut und der Ofenraumatmosphäre bzw. dem Schmelzgut, seiner Schlackenbedeckung und der Ofenraumatmosphäre gezielt ablaufen zu lassen, ohne den notwendigen Schutz der hocherhitzten Wolfram-Stabkatode gegen unzulässigen Katodenabbrand zu vernachlässigen. Erfindungsgemäss wurde dies dadurch gelöst, dass die stabförmige Katode (7) des Plasmabrenners über die Stirnfläche der Düse (6) hinausragt, dass dem Plasmabrenner über eine Ringleitung (1), von der Gasleitungsrohre (3) durch das Innere des Plasmabrenners zur Stirnfläche der Düse (6) führen, das Zusatzgas eingeleitet wird, dass die Gasleitungsrohre (3) am Zusatzgasaustritt (9) gegenüber der Plasmabrennerlängsachse um einen Winkel von ca. 35 bis 45° geneigt sind, so dass zwischen dem Ende der stabförmigen Katode (7) und der Schnittstelle zwischen Plasmabogen und Zusatzgas ein Abstand von 25,0 bis 45,0 mm liegt und so das Zusatzgas dem Plasmabogen zugeführt wird, und dass parallel zur Katode (7) ein Argonstrom geführt ist.
  • Die Wahl des Zusatzgases richtet sich nach dem beabsichtigten Gaseinfluss auf den Schmelzablauf. Zur Erhöhung des Spannungsgradienten längs der Plasmabogensäule und damit zur Leistungserhöhung des Plasmabogens bei konstantem Bogenstrom ohne chemische Reaktion mit dem Schmelzgut werden Molekülgase wie Wasserstoff oder Stickstoff gewählt. Soll ein gezielter Ablauf chemischer Reaktion des Zusatzgases mit dem Schmelzgut erreicht werden, verwendet man als Zusatzgas Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gasmischungen. Zur Erzielung einer höheren Geschwindigkeit des Zusatzgases können in den Öffnungen des Zusatzgasaustrittes Einsatzkörper angeordnet werden.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt einen Teillängsschnitt des erfindungsgemässen Plasmabrenners:
  • Am anschlussseitigen Ende des einen vom Grundprinzip her bekannten Plasmabrenners ist eine Ringleitung 1, an der sich der Gasanschlussstutzen 2 befindet, im Bereich des Kühlwasserzutritts 4 angeordnet. Von dieser Ringleitung 1 führen eine Reihe von Gasleitungsrohren 3, längs des Wasserkühlspaltes 5, in das Innere des Plasmabrenners. Durch die Gasleitungsrohre 3 gelangt das Zusatzgas über den Zusatzgasaustritt 9 an die Düsenöffnung 10 der Kupferdüse 6. Die Öffnungen der Zusatzgasaustritte 9 sind gegenüber der Längsachse des Plasmabrenners symmetrisch zur Düsenöffnung 10 auf einen Teilkreis um 35 bis 45° geneigt ausgeführt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Schnittstelle zwischen Plasmabogen und Zusatzgas in einem Abstand von 25,0 bis 45,0 mm vor der Oberfläche der stabförmigen Katode 7 liegt, so dass kein Abbrand auftritt. Die Katode 7 selbst wird über den Katodenblock 8 gekühlt und ist durch den Argonstrom geschützt, der an dieser Stelle vom Zusatzgas nicht beeinflusst wird. Die Wahl der Art des Zusatzgases und die Gasmenge werden vom beabsichtigten Gaseinfluss auf den Schmelzablauf bestimmt. Für die Zielstellung einer Erhöhung des Spannungsgradienten längs der Plasmabogensäule und damit der Leistungserhöhung des Plasmabogens bei konstantem Bogenstrom werden Molekülgase gewählt, die mit dem Schmelzgut, z.B. Stahl, keine chemischen Verbindungen eingehen, wie Wasserstoff oder auch Stickstoff. Für den gezielten Ablauf chemischer Reaktionen zwischen dem Zusatzgas und dem Schmelzgut unter besonderer Berücksichtigung der im Plasmabogen herrschenden hohen Gastemperatur und dem damit verbundenen lonisationsgrad der Molekülgase, z. B. zum Frischen von Stahlschmelzen, werden Zusatzgase geeigneter Zusammensetzung gewählt. Zur Durchführung des Frischprozesses verwendet man Sauerstoff bzw. 0,-haltige Gasmischungen. Die Menge des dem Plasmabrenner zugeführten Zusatzgases wird dabei vom Verwendungszweck bestimmt und über den Gasdruck eingestellt. Zur Erzielung ausreichender Gasgeschwindigkeiten an den Zusatzgasaustritten 9 kann man die Querschnitte dieser Öffnungen durch Anordnen von in der Zeichnung nicht dargestellten Einsatzkörpern variieren.

Claims (4)

1. Plasmabrenner hoher Leistung zum Schmelzen von Metallen und Legierungen in Plasmaschmelzöfen mit einer in einer Düse angeordneten stabförmigen Katode und Mitteln zur Zuführung eines Zusatzgases, dadurch gekennzeichnet, dass die stabförmige Katode (7) des Plasmabrenners über die Stirnfläche der Düse (6) hinausragt, dass dem Plasmabrenner über eine Ringleitung (1), von der Gasleitungsrohre (3) durch das Innere des Plasmabrenners zur Stirnfläche der Düse (6) führen, das Zusatzgas zugeleitet wird, dass die Gasleitungsrohre (3) am Zusatzgasaustritt (9) gegenüber der Plasmabrennerlängsachse um einen Winkel von ca. 35 bis 45° geneigt sind, so dass zwischen dem Ende der stabförmigen Katode (7) und der Schnittstelle zwischen Plasmabogen und Zusatzgas ein Abstand von 25,0 bis 45,0 mm liegt und so das Zusatzgas dem Plasmabogen zugeführt wird, und dass parallel zur Katode (7) ein Argonstrom geführt ist.
2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung des Spannungsgradienten und damit zur Leistungserhöhung des Plasmabogens bei konstantem Bogenstrom als Zusatzgas Molekülgase verwendet werden, die keine chemische Reaktion mit dem Schmelzbad eingehen, vorzugsweise Wasserstoff oder Stickstoff.
3. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke des Ablaufs gezielter chemischer Reaktionen als Zusatzgase Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gasmischungen verwendet werden.
4. Plasmabrenner nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer höheren Geschwindigkeit der Zusatzgase in den Öffnungen der Zusatzgasaustritte (9) Einsatzkörper angeordnet sind.
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