EP0446238B1 - Flüssigkeitsgekühlter plasmabrenner mit übertragenem lichtbogen - Google Patents

Flüssigkeitsgekühlter plasmabrenner mit übertragenem lichtbogen Download PDF

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EP0446238B1
EP0446238B1 EP89912979A EP89912979A EP0446238B1 EP 0446238 B1 EP0446238 B1 EP 0446238B1 EP 89912979 A EP89912979 A EP 89912979A EP 89912979 A EP89912979 A EP 89912979A EP 0446238 B1 EP0446238 B1 EP 0446238B1
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EP
European Patent Office
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ignition
plasma burner
burner according
main electrode
electrode
Prior art date
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EP89912979A
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English (en)
French (fr)
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EP0446238A1 (de
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Hans-Josef Bebber
Heinrich-Otto Rossner
Gebhard Tomalla
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Vodafone GmbH
Original Assignee
Mannesmann AG
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Publication date
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    • H05H1/3478—Geometrical details

Definitions

  • the invention relates to a liquid-cooled plasma torch with a transmitted arc, the cooling liquid, electricity and gas are led to the ignition and main electrodes via ignition and main electrode lances consisting of coaxial tubes.
  • Plasma torches of this type are e.g. Known from DE-A 29 00 330 and consist essentially of the main components burner jacket with nozzle, main electrode lance with main electrode and ignition electrode lance with ignition electrode.
  • both the ignition electrode lance and the main electrode lance are each liquid-cooled; each lance consists of tubes which are arranged coaxially to each other.
  • the outer tube of the ignition electrode lance is closed on the end toward the ignition electrode and receives the ignition electrode.
  • the inner tube of the ignition electrode lance leaves a gap to the end wall of the outer tube or the ignition electrode, through which the connection for the cooling liquid between the central bore of the inner tube and the annular channel between the inner tube and the outer tube will be produced.
  • the current is conducted through the outer tube of the ignition electrode.
  • the outer tube of the ignition electrode is guided via electrically insulating spacers or sleeves in the inner tube of the main electrode lance.
  • the ignition plasma gas is conducted to the ignition electrode and the nozzle-shaped central bore of the main electrode which surrounds it between the outer tube and the ignition electrode lance and the inner tube of the main electrode lance.
  • a main electrode lance consisting of three coaxially arranged tubes is used for cooling the main electrode. This creates a flow and return ring channel for the coolant diverted to the inner end wall of the main electrode.
  • the main electrode can be supplied with current via the inner and / or outer tube of the main electrode lance.
  • the electrical insulation between the outer tube of the main electrode lance and the inner tube of the burner jacket and the nozzle is carried out by means of spacers in the manner as described above with respect to the end electrode lance.
  • the main plasma gas is also conducted into the area between the main electrode and the nozzle.
  • the plasma burners known from the prior art are structurally very complex and have relatively high heat losses along their lateral surfaces.
  • the present invention has for its object to develop the plasma torch described first such that its structure is simplified, previously occurring heat losses are reduced and a better efficiency can be achieved.
  • a common cooling circuit for the ignition and main electrode lance which consist of three coaxially arranged tubes, the cooling liquid being guided in the interconnected ring channels between the outer tube and the middle tube on the one hand and between the middle tube and the inner tube on the other.
  • this not only saves costs for pipes and seals, but also significantly simplifies the entire cooling water supply for the plasma torch.
  • the diameter of the plasma torch shaft can be kept significantly smaller, which corresponds to a direct reduction in the external surface area of the burner, ie the heat losses of the jacket decrease and the efficiency of the burner is improved.
  • a smaller torch diameter also allows more universality with regard to the use and installation options of plasma torches in vessels of different types and sizes, such as. B. in a melting furnace, a pan, a tundish or in a vacuum system.
  • the main electrode and ignition electrode lance consist of a total of only three coaxially disordered tubes, the coolant being guided in the interconnected ring channels between the outer tube and the central tube on the one hand and between the central tube and the inner tube on the other hand, the fact that the The main electrode is the component that needs the greatest cooling.
  • the main electrode current is conducted through the outer tube and the ignition electrode current through the inner tube.
  • the ignition electrode lance is sealed off from the coolant channels and is electrically insulated from the main electrode lance or main electrode, the ignition gas can be conducted directly in the ignition electrode lance, which is simultaneously cooled from the outside.
  • a correspondingly thin-walled insulation hose is selected, which, however, should preferably be highly elastic and resistant to high temperatures.
  • One or more sleeves are used to center the ignition electrode lance.
  • the center tube continues in the area of the main electrode through a substantially ring-shaped deflecting part, which at the end leaves open a connection between the coolant ring channels lying on both sides thereof.
  • the center tube, the mentioned deflecting part and the sleeve for centering the ignition electrode lance are made of non-conductive material, preferably plastic.
  • the ignition electrode and the gas nozzle into which the cylindrical interior of the ignition electrode lance merges, are electrically conductive.
  • the nozzle effect of the gas nozzle is favored in that the corresponding pilot gas guide channels conically are guided outside, preferably in the form of several individual bores which are brought together again in the area of the main electrode or the outlet.
  • the gas nozzle and the main electrode are connected to one another via an annular insulating sleeve, which sleeve can consist of a high-temperature-resistant plastic, a hydraulic fluid-tight ceramic or a composite material made of a plastic, a metal and a ceramic.
  • the insulation hose is overlapped and sealed over the gas nozzle and part of the insulation sleeve to improve the liquid insulation.
  • the O-ring seal provided between the outer surface of the gas nozzle and the inner surface of the insulating sleeve, which lies in a corresponding groove in the gas nozzle, optimizes the tightness.
  • the main electrode itself is pot-shaped and electrically connected to the outer tube. An O-ring seal is used between these parts for tightness. Another O-ring seal is located in the overlap area of the insulating sleeve and the main electrode.
  • the ignition electrode should be made of tungsten.
  • the upper electrode of the ignition cone can be cast around with copper and the casting block in question forms the gas nozzle.
  • the inner tube is flared in the lower part and adapted to the taper of the subsequent holes.
  • the main components of the plasma torch are an ignition or auxiliary electrode 11, a main or nozzle electrode 12 and a nozzle 13, which are each electrically insulated from one another.
  • the cylindrical inner or cavity 17 of the tube 16 merges into a conical widening 18 with the cone angle ⁇ in its lower region adjoining the gas nozzle 14.
  • the gas nozzle 14 has a plurality of bores or through holes 19, for example ten evenly distributed on the circumference.
  • the axes of the bores 19 are arranged on an (imaginary) conical surface (19 ') such that the bores 19 are closer together at their end facing the tube 16 (than at their end facing the ignition electrode 11) and with their end facing the tube 16 End overall within of the hollow cross section of the conical extension 18.
  • the cone angle of the (imaginary) conical surface 19 ' is denoted by ⁇ in FIG. 2.
  • the inner tube 16 is preferably made of copper, while the ignition electrode 11 is made of tungsten. It is advisable to prefabricate the ignition electrode 11 as a semifinished product as follows: The ignition electrode 11 is prepared into a rod with a cone 11 ′ with a cone angle and then cast with copper in the dimensions required for the gas nozzle 14 using the casting process.
  • the semi-finished product thus produced is finished by manufacturing the bores 19 and connected to the tube 16.
  • the outside of the gas nozzle 14 is surrounded by one end of an electrically insulating sleeve 20.
  • the insulating sleeve 20 encloses a cylindrical flange 21 of the main electrode 12.
  • the gas nozzle 14 and the main electrode 12 are kept at a distance with their flange 21 by an annular projection 22 on the inside of the sleeve 20.
  • the insulating sleeve 20 therefore serves as a mechanical Link between the gas nozzle 14 and the main electrode 12 and causes an exact positioning of the ignition electrode 11 with respect to the main electrode 12.
  • the insulating sleeve 20 is preferably made of a high-temperature-resistant plastic and / or hydraulic fluid-tight ceramic or a composite of plastic, metal and ceramic.
  • the main electrode 12 has a central passage 23 which, over a partial length, in particular in the region of the cylindrical flange 21, forms an annular channel 24 with the outer surface of the ignition electrode 11.
  • the inside diameter of the annular projection 22 is equal to the inside diameter of the adjoining flange 21 or the passage 23 of the main electrode 12.
  • the bores 19 all lie within the area given by this diameter.
  • the tube 16 is coated on its outside by an easily mountable and removable thin-walled, high-temperature-resistant and highly elastic insulation hose 25, which still surrounds the gas nozzle 14 and part of the insulating sleeve 20 in a ring.
  • an electrically insulating coating can also be provided.
  • the main electrode 12 is connected to an outer cylindrical part 26 in a current-conducting and pressure-fluid-tight manner with a tube 28.
  • Another tube 27 is arranged between the tube 28 and the tube 16, which carries a deflection part 29 at its lower end.
  • the tubes 16, 27, 28 are also referred to below as the inner tube 16, middle tube 27 and outer tube 28.
  • the inner tube 16 with the gas nozzle 14 represents the ignition electrode lance and these form the main electrode lance together with the sleeve 20 and the central and outer tubes 27 and 28.
  • sleeves 31 made of electrically insulating material and having axially parallel passages are used, which abut on the one hand on the insulation tube 25 and on the other hand on the inside of the center tube 27.
  • the center tube 27 and the adjoining deflection part 29 as well as the centering sleeves 31 are preferably made of plastic, which in addition to the electrical insulation brings weight savings.
  • the gas flow for the ignition electrode 11 takes place via the symbolically indicated ignition gas connection 32, the cavity 17, the bores 19 and the annular channel 24.
  • the ignition electrode lance formed by the tube 16 is cooled on the inside by the cold ignition plasma gas.
  • the ignition plasma gas emerges as a plasma jet from the central bore 23 of the main electrode 12.
  • the flow of the gas for the main or power arc to be ignited between the main electrode 12 and another pole, for example a molten metal, takes place via the symbolically indicated plasma gas connection 33 and the Annular channel 34, which is formed by the outer surface of the outer tube 28 and the main electrode 12 on the one hand and the inner surface of the burner jacket and the nozzle 13 on the other.
  • annular channel 35 and 36 for the flow of a liquid coolant. Both ring channels 35, 36 are connected to one another between the deflection part 29 and the end part of the main electrode 12. The ignition electrode lance formed by the inner tube 16 is also detected by the coolant flow.
  • the ignition electrode 11 is electrically connected to a pole of a (not shown) current or voltage source via the gas nozzle 14, the inner tube 16 and the symbolically indicated current connection 37 located thereon.
  • the main electrode 12 is connected to another pole of the current or voltage source via the outer tube 28 and the current connection 39 located there, which is also symbolically indicated.
  • a liquid coolant is introduced into the ring channel 35 via the symbolically indicated coolant connection or inlet 41 and is returned under the deflection part 29 through the ring channel 36 to the symbolically indicated coolant outlet or outlet 43 .
  • the outer tube 28 carrying the current to the main electrode 12 is cooled internally by the water supply.
  • the outer tube 28 through the Main electrode 12 cooled by the main channel 34 flowing cold main plasma gas.
  • the O-rings 45 ... 47 are held in ring grooves, of which the ring groove 48 in the gas nozzle 14 for the O-ring 45 and the ring groove 49 in the sleeve 20 for the O-ring 46 are shown by way of example in FIG. 2 .
  • the inner tube 16 is also cooled by the plasma gas flowing through its cavity 17.
  • the plasma torch described is preferably operated as a three-phase plasma torch. In addition, it can also be operated with direct and / or alternating current as described in EP-A-0 134 961.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen flüssigkeitsgekühlten Plasmabrenner mit übertragenem Lichtbogen, dessen Kühlflüssigkeit, Strom und Gas über aus koaxialen Rohren bestehende Zünd- und Hauptelektrodenlanzen zur Zünd- und Hauptelektrode geführt werden.
  • Plasmabrenner dieser Art sind z.B. aus der DE-A 29 00 330 bekannt und bestehen im wesentlichen aus den Hauptkomponenten Brennermantel mit Düse, Hauptelektrodenlanze mit Hauptelektrode und Zündelektrodenlanze mit Zündelektrode.
  • Dabei sind nach dem Stand der Technik alle drei genannten Komponenten baulich für sich bestehende, voneinander elektrisch isolierte Einheiten mit eigener Wasserkühlung. Sowohl die Zündelektrodenlanze als auch die Hauptelektrodenlanze sind je für sich flüssigkeitsgekühlt; jede Lanze besteht aus Rohren, die koaxial zueinander angeordnet sind. Das Außenrohr der Zündelektrodenlanze ist zur Zündelektrode hin stirnseitig geschlossen und nimmt die Zündelektrode auf. Das Innenrohr der Zündelektrodenlanze läßt zur Stirnwand des Außenrohres bzw. der Zündelektrode einen Spalt, durch den die Verbindung für die Kühlflüssigkeit zwischen der Zentralbohrung des Innenrohres und dem Ringkanal zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr hergestellt wird. Der Strom wird über das Außenrohr der Zündelektrode geführt.
  • Das Außenrohr der Zündelektrode ist über elektrisch isolierende Abstandshalter oder Hülsen im Innenrohr der Hauptelektrodenlanze geführt. Über den sich zwischen dem Außenrohr und der Zündelektrodenlanze und dem Innenrohr der Hauptelektrodenlanze ergebenden Ringkanal wird das Zündplasmagas an die Zündelektrode und die sie umhüllende, düsenförmig ausgebildete Zentralbohrung der Hauptelektrode geleitet.
  • Für die Kühlung der Hauptelektrode wird nach dem Stand der Technik eine aus drei koaxial angeordneten Rohren bestehende Hauptelektrodenlanze verwendet. Hierdurch wird ein Vorlauf- und Rücklaufringkanal für die an der Innenstirnwand der Hauptelektrode umgeleitete Kühlflüssigkeit geschaffen. Die Stromzufuhr der Hauptelektrode kann je nach Ausführung der Verbindung zwischen der Elektrode und der Lanze über das Innen- und/oder Außenrohr der Hauptelektrodenlanze erfolgen. Die elektrische Isolierung zwischen dem Außenrohr der Hauptelektrodenlanze und dem Innenrohr des Brennermantels und der Düse wird mittels Abstandshalter in der Weise ausgeführt, wie sie oben bezüglich der Stirnelektrodenlanze beschrieben ist. In entsprechender Weise wird auch das Hauptplasmagas in den Bereich zwischen der Hauptelektrode und der Düse geleitet.
  • Nachteiligerweise sind die nach dem Stand der Technik bekannten Plasmabrenner baulich sehr aufwendig und weisen relativ hohe Wärmeverluste entlang ihrer Mantelflächen auf.
  • Aus einem ferner liegenden Stand der Technik, aus der US-A-3 569 661, ist ein flüssigkeitsgekühlter Plasmabrenner zum Brennschneiden bekannt, dessen einzige Elektrode gleichzeitig Zünd- und Hauptelektrode ist und durch eine mehrfach umgelenkte, durch Kanäle geführte Kühlflüssigkeit gekühlt wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den zuerst beschriebenen Plasmabrenner derart weiterzuentwickeln, daß dessen Aufbau vereinfacht wird, bisher auftretende Wärmeverluste reduziert und ein besserer Wirkungsgrad erzielt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch einen gemeinsamen Kühlkreislauf für die Zünd- und Hauptelektrodenlanze gelöst, die aus drei koaxial zueinander angeordneten Rohren bestehen, wobei die Kühlflüssigkeit in den miteinander verbundenen Ringkanälen zwischen den Außenrohr und dem Mittelrohr einerseits und zwischen dem Mittelrohr und dem Innenrohr andererseits geführt wird.
  • Vorteilhafterweise können hierdurch nicht nur Kosten für Rohre und Abdichtungen eingespart werden, sondern die gesamte Kühlwasserversorgung des Plasmabrenners wird entscheidend vereinfacht. Darüber hinaus kann der Durchmesser des Plasmabrennerschaftes wesentlich kleiner gehalten werden, was einer direkten Reduzierung der von außen temperaturbeaufschlagten Brennermantelfläche entspricht, d.h. die Wärmeverluste des Mantels nehmen ab und der Wirkungsgrad des Brenners wird verbessert. Auch erlaubt ein kleinerer Brennerschaftdurchmesser mehr Universalität hinsichtlich der Einsatz- und Einbaumöglichkeiten von Plasmabrennern in Gefäßen verschiedener Art und Größe, wie z. B. in einen Schmelzofen, eine Pfanne, einem Tundish oder in eine Vakuumanlage.
  • Da die Hauptelektroden- und Zündelektrodenlanze aus insgesamt nur drei koaxial zueinander ungeordneten Rohren bestehen, wobei die Kühlflüssigkeit in den miteinander verbundenen Ringkanälen zwischen dem Außenrohr und dem Mittelrohr einerseits und zwischen dem Mittelrohr und dem Innenrohr andererseits geführt wird, wird dem Umstand Rechnung getragen, daß die Hauptelektrode das Bauteil ist, das der größten Kühlung bedarf. Dabei wird der Hauptelektrodenstrom über das Außenrohr und der Zündelektrodenstrom über das Innenrohr geführt.
  • Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Dadurch, daß die Zündelektrodenlanze gegenüber den Kühlflüssigkeitskanälen abgedichtet und gegenüber der Hauptelektrodenlanze bzw. Hauptelektrode elektrisch isoliert ist, kann das Zündgas unmittelbar in der Zündelektrodenlanze geführt werden, wobei diese gleichzeitig von außen gekühlt wird.
  • Damit die Kühlung des Innenrohres trotz des Isolationsschlauches, der von außen hierüber gezogen ist, noch hinreichend ist, wird ein entsprechend dünnwandiger Isolationsschlauch gewählt, der jedoch vorzugsweise hochelastisch und hochtemperaturfest sein soll. Zur Zentrierung der Zündelektrodenlanze dienen eine oder mehrere Hülsen.
  • Das Mittelrohr setzt sich im Bereich der Hauptelektrode durch ein wesentlich ringförmiges Umlenkteil fort, das stirnseitig eine Verbindung zwischen den beidseitig hiervon liegenden Kühlflüssigkeitsringkanälen freiläßt. Dabei sind das Mittelrohr, das genannte Umlenkteil und die Hülse zur Zentrierung der Zündelektrodenlanze aus nichtleitendem Material, vorzugsweise Kunststoff.
  • Dadurch wird eine möglicherweise durch das Kühlmedium verursachte Reduzierung des Übergangswiderstandes zwischen Zünd- und Hauptelektrode verhindert. Hingegen sind die Zündelektrode und die Gasdüse, in den der zylindrische Innenraum der Zündelektrodenlanze übergeht, elektrisch leitend. Die Düsenwirkung der Gasdüse wird dadurch begünstigt, daß die entsprechenden Zündgasführungskanäle konisch nach außen geführt werden, vorzugsweise in Form von mehreren Einzelbohrungen, die im Bereich der Hauptelektrode bzw. des Auslasses wieder zusammengeführt werden.
  • Die Gasdüse und die Hauptelektrode sind über eine ringförmige Isolierhülse miteinander verbunden, wobei diese Hülse aus einem hochtemperaturfesten Kunststoff, einer druckflüssigkeitsdichten Keramik oder einem Verbundmaterial aus einem Kunststoff, einem Metall und einer Keramik bestehen kann. Der Isolationsschlauch wird überlappend und dichtend über die Gasdüse und einen Teil der Isolierhülse geführt, um die Flüssigkeitsisolierung zu verbessern. Die zwischen der Außenfläche der Gasdüse und der Innenfläche der Isolierhülse vorgesehene O-Ringdichtung, die in einer entsprechenden Nut der Gasdüse liegt, optimiert die Dichtigkeit. Die Hauptelektrode selbst ist topfartig ausgebildet und elektrisch leitend mit dem Außenrohr verbunden. Zwischen diesen Teilen wird zwecks Dichtigkeit eine O-Ringdichtung eingesetzt. Eine weitere O-Ringdichtung befindet sich im Überlappungsbereich von Isolierhülse und Hauptelektrode.
  • Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, das Innenrohr und/oder die Gasdüse aus Kupfer zu fertigen. Die Zündelektrode sollte aus Wolfram bestehen, wobei aus fertigungstechnischen Gründen die Zündelektrode in ihrem oberen konisch geformten Teil mit Kupfer umgossen werden kann und der betreffende Gußblock die Gasdüse bildet.
  • Um in den Strömungskanälen für das Zündgas eine möglichst laminare Strömung zu erzielen, ist das Innenrohr im unterem Teilbreich konisch erweitert und der Konizität der sich anschließenden Bohrungen angepaßt.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen erfindungsgemäßen Plasmabrenner in einem Längsschnitt und
    Fig. 2
    die Befestigung der Zündelektrode in einem Längsschnitt in vergrößerten Darstellung.
  • Der Plasmabrenner weist als Hauptkomponenten eine Zünd- oder Hilfselektrode 11, eine Haupt- oder Düsenelektrode 12 und eine Düse 13 auf, die jeweils elektrisch voneinander isoliert sind.
  • Die in ihrem Querschnitt kreisrunde Zündelektrode 11 ist mit ihrem oberen, konischen Ende 11' in einer Gasdüse 14 eingebettet, die wiederum an einer Zündlanze befestigt ist, die - im Unterschied zu bekannten Plasmabrennern - aus nur einem einzigen Rohr 16 besteht. Der zylindrische Innen- oder Hohlraum 17 des Rohres 16 geht in seinem an die Gasdüse 14 angrenzenden, unteren Bereich in eine konische Erweiterung 18 mit dem Kegelwinkel γ über. Die Gasdüse 14 weist mehrere, z.B. zehn am Umfang gleichmäßig verteilte Bohrungen oder Durchgangslöcher 19 auf. Die Achsen der Bohrungen 19 sind auf einer (gedachten) Kegelfläche (19') derart angeordnet, daß die Bohrungen 19 an ihrem dem Rohr 16 zugewandten Ende enger beieinander sind (als an ihrem der Zündelektrode 11 zugewandten Ende) und mit ihrem dem Rohr 16 zugewandten Ende insgesamt innerhalb des Hohlquerschnitts der konischen Erweiterung 18 liegen. Der Konuswinkel der (gedachten) Kegelfläche 19' ist in Fig. 2 mit β bezeichnet. Das Innenrohr 16 wird vorzugsweise aus Kupfer hergestellt, während die Zündelektrode 11 aus Wolfram ist. Hierbei bietet es sich an, die Zündelektrode 11 zu einem Halbzeug folgendermaßen vorzufertigen: Die Zündelektrode 11 wird zu einem Stab mit einem Konus 11' mit einem Kegelwinkel vorgearbeitet und anschließend im Gießverfahren mit Kupfer in den für die Gasdüse 14 erforderlichen Abmessungen umgossen. Das so hergestellte Halbzeug wird durch Fertigung der Bohrungen 19 endbearbeitet und mit dem Rohr 16 verbunden. Durch den Neigungswinkel (= halber Kegelwinkel β) der Bohrungen 19 in der Gasdüse 14 werden die Position des durch den Gasstrom gekühlten Bereichs und die Intensität der Kühlung bestimmt. Durch den geringen Abstand der Bohrungen 19 ist der dem Rohr zugewandte Bereich der Gasdüse stärker gekühlt als der der Zündelektrode 11 zugewandte Bereich. Demzufolge wird der Kegelwinkel α des oberen kegelförmigen Teiles 11' der Zündelektrode 11 so gewählt, daß die gesamte Strecke der Verbindung zwischen der Gasdüse 14 und der Zündelektrode 11 gleichmäßig zur Stromübertragung und Wärmeleitung genutzt wird.
  • Die Gasdüse 14 ist an ihrer Außenseite mit einem Ende einer elektrisch isolierenden Hülse 20 umgeben. Mit ihrem anderen Ende umschließt die Isolierhülse 20 einen zylindrischen Flansch 21 der Hauptelektrode 12. Durch einen ringförmigen Vorsprung 22 an der Innenseite der Hülse 20 werden die Gasdüse 14 und die Hauptelektrode 12 mit ihrem Flansch 21 auf Abstand gehalten. Die Isolierhülse 20 dient demnach als mechanisches Bindeglied zwischen der Gasdüse 14 und der Hauptelekrode 12 und bewirkt eine exakte Positionierung der Zündelektrode 11 in bezug auf die Hauptelektrode 12. Die Isolierhülse 20 besteht vorzugsweise aus einem hochtemperaturfesten Kunststoff und /oder druckflüssigkeitsdichter Keramik oder aus einem Verbund aus Kunststoff, Metall und Keramik.
  • Die Hauptelektrode 12 weist einen zentralen Durchlaß 23 auf, der über eine Teillänge insbesondere im Bereich des zylindrischen Flansches 21 mit der Außenfläche der Zündelektrode 11 einen ringförmigen Kanal 24 bildet. Der Innendurchmesser des ringförmigen Vorsprunges 22 ist gleich dem Innendurchmesser des daran anschließenden Flansches 21 bzw. des Durchlasses 23 der Hauptelektrode 12. Die Bohrungen 19 liegen mit ihrem Ausgang sämtlich innerhalb der durch diesen Durchmesser gegebenen Fläche.
  • Das Rohr 16 ist an seiner Außenseite von einem leicht montierbaren und demontierbaren dünnwandigen, hochtemperaturfesten und hochelastischen Isolationsschlauch 25 überzogen, der noch die Gasdüse 14 und einen Teil der Isolierhülse 20 ringförmig umgreift. Statt des Isolationsschlauches kann auch eine elektrisch isolierende Beschichtung vorgesehen sein.
  • Die Hauptelektrode 12 ist mit einem äußeren zylindrischen Teil 26 stromleitend und druckflüssigkeitsdicht mit einem Rohr 28 verbunden. Zwischen dem Rohr 28 und dem Rohr 16 ist ein weiteres Rohr 27 angeordnet, das an seinem unteren Ende ein Umlenkteil 29 trägt.
  • Wegen ihrer koaxialen Anordnung werden die Rohre 16, 27, 28 im folgenden auch als Innenrohr 16, Mittelrohr 27 und Außenrohr 28 bezeichnet. Dabei stellt das Innenrohr 16 mit der Gasdüse 14 die Zündelektrodenlanze dar und diese bilden zusammen mit der Hülse 20 und dem Mittel- und dem Außenrohr 27 bzw. 28 die Hauptelektrodenlanze.
  • Zur koaxialen Zentrierung des Innenrohres 16 dienen mit achsparallelen Durchlässen versehene Hülsen 31 aus elektrisch isolierendem Material, die einerseits an den Isolationsschlauch 25 und andererseits an der Innenseite des Mittelrohres 27 anliegen.
  • Das Mittelrohr 27 sowie das sich anschließende Umlenkteil 29 als auch die Zentrierhülsen 31 bestehen vorzugsweise aus Kunststoff, was außer der elektrischen Isolation Gewichtsersparnisse mit sich bringt.
  • Der Gasdurchfluß für die Zündelektrode 11 erfolgt über den symbolisch angedeuteten Zündgasanschluß 32, den Hohlraum 17, die Bohrungen 19 und den Ringkanal 24. Durch das kalte Zündplasmagas wird die durch das Rohr 16 gebildete Zündelektrodenlanze innen gekühlt. Bei gezündetem Zündlichtbogen zwischen der Zündelektrode 11 und der Hauptelektrode 12 tritt das Zündplasmagas als Plasmastrahl aus der Zentralbohrung 23 der Hauptelektrode 12 aus.
  • Der Durchfluß des Gases für den zwischen der Hauptelektrode 12 und einem anderen Pol, z.B. einer Metallschmelze, zu zündenden Haupt- oder Leistungslichtbogen erfolgt über den symbolisch angedeuteten Plasmagasanschluß 33 und den Ringkanal 34, der durch die Außenfläche des Außenrohres 28 und der Hauptelektrode 12 einerseits und die Innenfläche des Brennermantels und der Düse 13 andererseits gebildet ist.
  • Zwischen dem Innenrohr 16 und dem Mittelrohr 27 und zwischen dem Mittelrohr 27 und dem Außenrohr 28 ist jeweils ein Ringkanal 35 bzw. 36 zum Durchfluß eines flüssigen Kühlmittels vorhanden. Beide Ringkanäle 35, 36 sind zwischen dem Umlenkteil 29 und dem Stirnteil der Hauptelektrode 12 miteinander verbunden. Die durch das Innenrohr 16 gebildete Zündelektrodenlanze wird durch den Kühlmittelfluß ebenfalls erfaßt.
  • Elektrisch ist die Zündelektrode 11 über die Gasdüse 14, das Innenrohr 16 und den an diesem befindlichen, symbolisch angedeuteten Stromanschluß 37 mit einem Pol einer (nicht dargestellten) Strom- bzw. Spannungsquelle verbunden. Die Hauptelektrode 12 ist über das Außenrohr 28 und der an diesem befindlichen, ebenfalls symbolisch angedeuteten Stromanschluß 39 mit einem anderen Pol der Strom- bzw. Spannungsquelle verbunden.
  • Zur Kühlung sowohl der Zündelektrode 11 als auch der Hauptelektrode 12 wird ein flüssiges Kühlmittel über den symbolisch angedeuteten Kühlmittelanschluß bzw. -eintritt 41 in den Ringkanal 35 eingegeben und unter dem Umlenkteil 29 durch den Ringkanal 36 zu dem symbolisch angedeutetem Kühlmittelabfluß bzw. -austritt 43 zurückgeleitet. Dabei wird das den Strom zur Hauptelektrode 12 führende Außenrohr 28 durch die Wasserführung innen gekühlt. Außerdem wird das Außenrohr 28 durch das zur Hauptelektrode 12 durch den Ringkanal 34 strömende kalte Hauptplasmagas gekühlt.
  • Zur Abdichtung des Kühlmittelkreislaufes durch die Ringkanäle 35, 36 sind Dichtungen in Form von O-Ringen jeweils zwischen der Hülse 20 und der Gasdüse 14 (O-Ring 45) und dem zylindrischen Innenflansch 21 der Hauptelektrode 12 (O-Ring 46) und zwischen dem äußeren Flansch 26 der Hauptelektrode und dem Außenrohr 28 (O-Ring 47) vorgesehen. Die O-Ringe 45...47 werden in Ringnuten gehalten, von denen in Fig. 2 die Ringnut 48 in der Gasdüse 14 für den O-Ring 45 und die Ringnut 49 in der Hülse 20 für den O-Ring 46 beispielhaft dargestellt sind.
  • Außer durch das flüssige Kühlmittel wird das Innenrohr 16 noch durch das durch dessen Hohlraum 17 strömende Plasmagas gekühlt.
  • Der beschriebene Plasmabrenner ist vorzugsweise als Drehstrom-Plasmabrenner zu betreiben. Daneben kann er aber auch wie in der EP-A-0 134 961 beschrieben mit Gleich- und/oder Wechselstrom betrieben werden.

Claims (20)

  1. Flüssigkeitsgekühlter Plasmabrenner mit übertragenem Lichtbogen, dessen Kühlflüssigkeit, Strom und Gas über aus koaxialen Rohren bestehende Zünd- und Hauptelektrodenlanzen zur Zünd- und Hauptelektrode geführt werden,
    gekennzeichnet durch
    einen gemeinsamen Kühlkreislauf (41, 35, 36, 43) für die Zünd- und Hauptelektrodenlanze (14, 16, 27, 28), die aus drei koaxial zueinander angeordneten Rohren (16, 27, 28) bestehen, wobei die Kühlflüssigkeit in den miteinander verbundenen Ringkanälen (35, 36) zwischen dem Außenrohr (28) und dem Mittelrohr (27) einerseits und zwischen dem Mittelrohr (27) und dem Innenrohr (16) andererseits geführt wird.
  2. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zündelektrodenlanze (14, 16) mit der Zündelektrode (11) gegenüber den Kanälen (35, 36) des Kühlkreislaufes abgedichtet und gegenüber der Hauptelektrodenlanze (27, 28) bzw. der Hauptelektrode (12) elektrisch isoliert ist.
  3. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Stromanschluß (39) für den Hauptelektrodenstrom mit dem Außenrohr (28) und der Stromanschluß (37) für den Zündelektrodenstrom mit dem Innenrohr (16) verbunden ist.
  4. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zündelektrodenlanze aus nur einem, den Zündstrom leitenden Rohr, dem Innenrohr (16), gebildet ist, innerhalb dessen Innenraum (17) das Zündgas geführt wird, wobei das Innenrohr (16) mit einem dünnwandigen, vorzugsweise hochelastischen und hochtemperaturfesten Isolationsschlauch (25) überzogen ist.
  5. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zündelektrodenlanze (16) in radialer Richtung gegenüber der aus Mittel- und Außenrohr (27 bzw. 28) bestehenden Hauptelektrodenlanze, vorzugsweise mehrfach mit Hülsen (31) zentriert ist.
  6. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Mittelrohr (27) mit einem ringförmigen Umlenkteil (29) verbunden ist, das unter Ausbildung einer Verbindung der Flüssigkeitsringkanäle (35, 36) bis in die Hauptelektrode (12) hineinragt.
  7. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Mittelrohr (27), das Umlenkteil (29) und/oder die Hülsen (31) aus elektrisch nichtleitendem Material, vorzugsweise Kunststoff bestehen.
  8. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der zylindrische Innenraum (17) des Innenrohres (16) der Zündelektrodenlanze in einer Gasdüse (14) mündet, die mit der Zündelektrode (11) elektrisch leitend verbunden ist.
  9. Plasmabrenner nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zündelektrode (11) mit ihrem konisch ausgebildeten Oberteil (11') in die Gasdüse (14) hineinragt und die Gasdüse (14) mit radial schräg nach außen geführten Zündgasführungskanälen (19) ausgebildet ist.
  10. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Zündgasinnenraum (17) des Innenrohres (16) in mehrere, vorzugsweise 8 bis 12 symmetrisch zur Achse des Innenrohres (16) und der Zündelektrode (11) angeordnete Einzelbohrungen (19) übergeht, die im Bereich der Hauptelektrode (12) bzw. ihrem Ausgang (23) hin zusammengeführt werden.
  11. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Gasdüse (14) und die Hauptelektrode (12) über eine ringförmige Isolierhülse (20) lösbar miteinander verbunden sind.
  12. Plasmabrenner nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Isolierhülse (20) aus einem hochtemperaturfesten Kunststoff, einer druckflüssigkeitsdichten Keramik oder einem Verbundmaterial aus einem Kunststoff, einem Metall und einer Keramik besteht.
  13. Plasmabrenner nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Isolierschlauch (25) überlappend und dichtend über die Gasdüse (14) und einen Teil der Isolierhülse (20) greift.
  14. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 11 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen der Außenfläche der Gasdüse (14) und der Innenfläche der Isolierhülse (20) eine O-Ringdichtung (45) angeordnet ist, die in einer entsprechenden Nut (48) der Gasdüse (14) liegt.
  15. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Hauptelektrode (12) topfartig ausgebildet und elektrisch leitend mit dem Außenrohr (28) verbunden ist.
  16. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen der Hauptelektrode (12) und dem Außenrohr (28) sowie zwischen der Hauptelektrode (12) und der Isolierhülse (20) mindestens je eine O-Ringdichtung (47 bzw. 46) vorgesehen ist.
  17. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Innenrohr (16) und/oder die Gasdüse (14) aus Kupfer bestehen.
  18. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 17,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zündelektrode (11) aus Wolfram besteht.
  19. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zündelektrode (11) an ihrem oberen konisch geformten Teil (11') mit einem die Gasdüse (14) bildenden Kupfer-Block umgossen ist, in dem konisch auf den Innenraum (17) des Innenrohres (16) zusammenlaufende Bohrungen (19) eingebracht sind.
  20. Plasmabrenner nach Anspruch 19,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Innenrohr (16) im unteren Teilbereich (18) konisch erweitert ist.
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