EP0134961B1 - Plasma torch and operating method - Google Patents
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Definitions
- an arc the so-called auxiliary arc
- a gas stream is brought into contact with the auxiliary arc and passed through the nozzle electrode in order to drive the plasma formed by the auxiliary arc to the third electrode.
- the direct current source not only serves to maintain the auxiliary arc between the first and second electrodes, but above all also to heat the plasma formed by the arc and driven to a third electrode.
- the current source applied between the second electrode and the third electrode can either be a direct current source or, e.g. in DE-PS 14 40 594 proposed to be an AC power source.
- the dimensioning of the annular gap between the nozzle electrode and the Auxiliary electrode Due to the conical design of the auxiliary electrode and the central channel, the cold gas used for plasma formation is optimally introduced into the conical area serving as the combustion chamber for the pilot arc through the cylindrical gap formed in the process.
- An annular channel or an annular gap 9 adjoins the nozzle electrode 2, which in turn is delimited by the burner nozzle 3.
- the nozzle 3 has in the area of the outer plasma channel boundary, i. H. in the direction of the end face 11 of the plasma torch 15 on its inside an electrically insulating layer 10, which effectively prevents the formation of parasitic arcs.
Description
Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben des genannten Plasmabrenners.The invention relates to a plasma torch according to the preamble of
Ein derartiger Plasmabrenner gehört zum bekannten Stand der Technik.Such a plasma torch belongs to the known prior art.
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 aufrecht erhalten. 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 Elektrode getriebenen Plasmas. Die zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode angelegte Stromquelle 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.In the devices known from the prior art, an arc, the so-called auxiliary arc, is generated and maintained between the first electrode and the nozzle-shaped second electrode with the aid of a direct current source. Furthermore, a gas stream is brought into contact with the auxiliary arc and passed through the nozzle electrode in order to drive the plasma formed by the auxiliary arc to the third electrode. The direct current source not only serves to maintain the auxiliary arc between the first and second electrodes, but above all also to heat the plasma formed by the arc and driven to a third electrode. The current source applied between the second electrode and the third electrode can either be a direct current source or, e.g. in
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 addition to maintaining the AC arc and preventing thermal overload of the AC electrode of a plasma torch, an auxiliary arc often also has the task of starting the plasma torch. This is done in that the plasma flame generated by the auxiliary arc and emerging from the burner mouth forms a channel of ionized gas between the burner electrode and a counter electrode or the material to be heated or melted, in which the main arc current, be it direct or alternating current, flows can begin as soon as the main arc voltage is applied between the torch and counter electrodes. For this purpose, the auxiliary arc z. B. between the burner electrode and the surrounding, the mouth of the burner material forming the burner nozzle or between two auxiliary electrodes or between auxiliary and nozzle electrode of the arrangement described above. A prerequisite for the initial ignition of the main arc is that the plasma ignition flame extends to the counter electrode or the melting material and thus represents an uninterrupted, electrically conductive path between the burner and counter electrodes. As a result, the shorter the pilot flame, the closer the plasma torch must be to the counter electrode.
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.In many applications, however, it is desirable or even technically necessary to ignite the plasma torch or torches from as far away as possible from the counterelectrode or the material to be heated or melted down, especially when it comes to bulky substances, such as Scrap, deals, the bulk of which does not form an essentially flat surface, but a jagged surface As plasma torches must not come into contact with electrically conductive material, since they would otherwise be destroyed, it is extremely important in practical operation to keep the plasma torch at a safe distance from to be able to start the surface of the material to be melted, ie with a correspondingly large pilot flame.
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.If the arc arrangement described in
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 leichtem sperrigem Schrott mechanisch kontaktlos und sicher ermöglicht.It is an object of the present invention to provide a plasma torch of the type mentioned at the outset which forms a plasma ignition flame of a sufficiently large length which enables the plasma torch to be ignited mechanically in a contactless and safe manner on light, bulky scrap.
Die Aufgabe wird durch einen Plasmabrenner der eingangs genannten Art gelöst, der die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.The object is achieved by a plasma torch of the type mentioned at the outset, which has the features of the characterizing part of
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.A solution according to the invention has thus been found in which the geometry of the auxiliary electrode and the inner contour of the nozzle electrode are matched to one another in such a way that the ionized gas stream emerging centrally from the nozzle electrode and to be viewed as a free jet is a narrow, but as long as possible a channel with a very high channel electrical conductivity and is thus able to ensure a current flow sufficient to ignite the main arc over the longest possible distance.
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.The teaching according to the invention takes into account the knowledge of making the nozzle opening cylindrical and the front-side boundary of the nozzle as sharp as possible. The tear-off edge thus formed leads to very little beam divergence. The extension or bore is therefore dimensioned with the diameter in such a way that the main arc, which is located on the end face, does not change the nozzle orifice which is decisive for the formation of the ignition arc.
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.With the formation of the longest possible pilot flame, the dimensioning of the annular gap between the nozzle electrode and the Auxiliary electrode related. Due to the conical design of the auxiliary electrode and the central channel, the cold gas used for plasma formation is optimally introduced into the conical area serving as the combustion chamber for the pilot arc through the cylindrical gap formed in the process.
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.According to a development of the invention, the length of the second, narrower cylindrical part of the central channel and the diameter of this part are chosen so that they form a ratio between 0.2 and 3, preferably between 1 and 1.5. A smaller ratio leads to insufficiently stabilized, not exactly axially burning pilot flame, a larger ratio causes an unnecessarily large cooling of the ionized gas, which would lead to a shortening of the pilot flame.
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.The free cross section of the annular gap in the central channel of the nozzle electrode for the pilot arc plasma gas is advantageously dimensioned from the annular gap over the conical area at the level of the auxiliary electrode tip to the second, narrower cylindrical part of the central channel in such a way that it decreases monotonously in the direction of flow of the gas.
Schliesslich wird der Ringkanal zwischen der Düsenelektrode und der diese umschliessenden 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.Finally, the ring channel between the nozzle electrode and the nozzle enclosing it on the inside of the nozzle is provided with an electrically insulating lining in order to prevent the formation of parasitic arcs more effectively than was possible with the pure cold gas insulation that was customary in the prior art.
Die vorbeschriebene Vorrichtung mit der dargelegten erfindungsgemässen Geometrie 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.The device described above with the geometry according to the invention has the effect that the ionized gas can be introduced in a laminar manner into the conical region and the gas flow is maintained in laminar form until it emerges from the nozzle electrode.
Neben der erfindungsgemässen Vorrichtung bringt im Hinblick auf die Erzeugung einer Zündlichtbogenflamme optimaler Länge auch ein Verfahren Vorteile, bei dem die Plasmagaszufuhr durch den Zentralkanal in den Brennbereich des Hilfslichtbogens (Zündlichtbogens) so eingestellt wird, dass die Reynoldszahl zwischen 10 und 2300, vorzugsweise zwischen 10 und 100, liegt.In addition to the device according to the invention, with regard to the generation of a pilot arc flame of optimum length, a method also has advantages in which the plasma gas supply through the central channel is set in the burning area of the auxiliary arc (pilot arc) in such a way that the Reynolds number is between 10 and 2300, preferably between 10 and 100, lies.
Praktische Erfahrungen mit der erfindungsgemässen Vorrichtung und dem Verfahren 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.Practical experiences with the device and the method according to the invention show that the voltage absorption of the pilot arc, which is essentially determined by the geometry according to the invention, is so high that current intensities of 200 to 300 A are sufficient to generate the desired long pilot arc flame.
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.Because of these low currents, there are no significant signs of wear on the nozzle or auxiliary electrode. In addition, the configurations of the auxiliary electrode, which with its cone form the inner boundary, and the nozzle electrode, which forms the outer boundary of the central channel, ensure that the pilot arc always reproducibly starts at geometrically well-defined points. This leads to a pilot arc flame that is always exactly axially directed.
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.Practical operation also shows that the ignition or auxiliary arc and the main arc are largely electrically decoupled and the main arc can thus be optimized.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Aufrechterhaltung des Hilfslichtbogen eine Wechselstromquelle verwendet, welche den Vorteil hat, dass Hilfs- und Hauptlichtbogen aus einer Stromquelle gespeist werden können.According to a further embodiment of the invention, an alternating current source is used to maintain the auxiliary arc, which has the advantage that the auxiliary and main arcs can be fed from a current source.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 einen Plasmabrenner in einem auszugsweisen schematischen Längsschnitt und
- Fig. 2 eine Hilfselektrode mit zwei konischen Verjüngungen an der Spitze.
- Fig. 1 shows a plasma torch in a schematic longitudinal section and
- Fig. 2 shows an auxiliary electrode with two conical tapers at the tip.
Der in Fig. 1 dargestellte Plasmabrenner 15 besteht im wesentlichen aus einer Hilfselektrode 1, einer Elektrode 2 und einer sie umschliessenden Düse 3. Die Hilfselektrode 1 ist eine massive, im Querschnitt kreisförmige Stabelektrode mit einem Durchmesser b. Die Hilfselektrode 1 weist eine die Elektrodenspitze 1' bildende konische Verjüngung 16 auf. Der Kegelwinkel a dieser Verjüngung 16 beträgt 40°.The
Die Düsenelektrode 2 besitzt eine zentrale Bohrung bzw. einen Zentralkanal 4, in den die genannte Hilfselektrode 1 hineinragt. Der Zentralkanal 4 weist-von innen nach aussen-einen ersten zylindrischen Teil 17, einen sich konisch verjüngenden Teil 12 und einen zweiten, engeren zylindrischen Teil 5 auf, an den sich noch eine zylindrische Erweiterung 18 mit einem Durchmesser D anschliesst.The
Der erste zylindrische Teil 17 besitzt einen Durchmesser B, so dass zwischen der Düsenelektrode 2 und der Hilfselektrode 1 ein Ringspalt 19 mit der Ringbreite (B-b) / 2 besteht. Der sich konisch verjüngende Teil 12 verbindet den zylindrischen Teil 17 mit dem Durchmesser B mit dem zylindrischen Teil 5 mit dem kleineren Durchmesser d und weist einen Kegelwinkel ß auf, der - wie der Winkel a - 40° beträgt, so dass die Mantellinien der konischen Verjüngung 16 und des sich konisch verjüngenden Teils 12 parallel verlaufen. Aufgrund der kleiner werdenden Querschnittsflächen des Zentralkanals 4 und der Hilfselektrode 1 wird mit dieser Gestaltung auf einfache Art erreicht, dass der Ringspalt 19 im Bereich des sich konisch verjüngenden Teils 12 in Richtung auf die Stirnfläche 11 des Plasmabrenners 15 gleichförmig abnimmt.The first
An die Düsenelektrode 2 schliesst sich nach aussen hin ein Ringkanal bzw. 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 15 an ihrer Innenseite eine elektrisch isolierende Schicht 10 auf, die die Ausbildung parasitärer Lichtbögen wirksam verhindert.An annular channel or an
Der in Fig. 1 dargestellte Plasmabrenner 15 ist so dimensioniert, dass der Abstand a von der Elektrodenspitze 1' bis zu dem Übergangsbereich des sich konisch verjüngenden Teils 12 zu dem zweiten zylindrischen Teil 5 zu Null gewählt ist. Die Länge I des zweiten, engeren zylindrischen Teils 5 ist so gewählt, dass das Verhältnis I/d = 1 ist. Das Verhältnis B/b beträgt 1,7 und das Verhältnis D/d 1,25. Die erfindungsgemässe Vorrichtung führt zu einem langen Zündlichtbogen 6, der ausreicht, den Hauptlichtbogen 8 über eine Strecke von mindestens 15 cm zu zünden. In Fig. 1 ist das zu erschmelzende Gut mit 7 bezeichnet.The
In Abwandlung des beschriebenen Ausführungsbeispiels weist die Hilfselektrode gemäss Fig. 2 eine konische Verjüngung 16 in Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel a = 40° und eine sich daran in Richtung auf die Elektrodenspitze 1' anschliessende Verjüngung 21 mit einem Kegelwinkel y = 90° auf.In a modification of the described exemplary embodiment, the auxiliary electrode according to FIG. 2 has a
Fig. 1 zeigtferner schematisch die Stromversorgung der Elektroden 1 und 2. So kann die Stromversorgung 14' für den Zünd- bzw. Hilfslichtbogen 6, die mit der Hilfselektrode 1 und der Düsenelektrode 2 bzw. mit deren Anschlüssen verbunden ist, eine Gleich- oder Wechselstromquelle aufweisen. Die Stromversorgung 14" für den Hauptlichtbogen 8 ist ihrerseits an der Düsenelektrode 2 und an einer Gegenelektrode 13 angeschlossen. Betreibt man sowohl die Stromversorgung 14' als auch die Stromversorgung 14" mit Wechselstrom, so kann bei Verwendung entsprechender, dem Fachmann bekannter elektrischer Bauelemente eine gemeinsame Stromversorgung 14 mit nur einer Stromart verwendet werden. Zum Betreiben der beiden Lichtbögen 6 und 8 ist es prinzipiell jedoch auch möglich, die genannten Elektroden 1 und 2 an einer einzigen, gemeinsamen Gleichstromversorgung anzuschliessen.Fig. 1 also schematically shows the power supply of the
Beim Betreiben des beschriebenen Plasmabrenners 15 wird die Plasmagaszufuhr durch den Zentralkanal 4 in den Bereich des Hilfs- bzw. Zündlichtbogens 6 so eingestellt, dass die Reynoldszahl Re zwischen 10 und 2300, vorzugsweise jedoch zwischen 10 und 100 liegt. Dabei ergibt sich die Reynoldszahl Re z.B. in dem zweiten, engeren zylindrischen Teil 5 zu Re = (v - d)/v, wobei v die Strömungsgeschwindigkeit und v die kinematische Zähigkeit des Plasmagases bedeutet.When the described
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