EP0555305B1 - Plasmabrenner zum schmelzen und warmhalten von in gefässen zu behandelnden materialien - Google Patents

Plasmabrenner zum schmelzen und warmhalten von in gefässen zu behandelnden materialien Download PDF

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EP0555305B1
EP0555305B1 EP91918979A EP91918979A EP0555305B1 EP 0555305 B1 EP0555305 B1 EP 0555305B1 EP 91918979 A EP91918979 A EP 91918979A EP 91918979 A EP91918979 A EP 91918979A EP 0555305 B1 EP0555305 B1 EP 0555305B1
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main
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lance
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Friedrich Greilinger
Klaus Giertz
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    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/44—Plasma torches using an arc using more than one torch

Definitions

  • the invention relates to a plasma torch.
  • Plasma torches are subjected to high thermal loads when used in vessels.
  • the main electrode is essentially thermally acted upon by heat of current, while heat is supplied to the jacket of the burner lance to a particular extent by heat radiation from the arc, from the weld pool and from the furnace wall.
  • the resulting temperature changes in the materials cause considerable changes in the length of the components.
  • the plasma torch known from this document is not only of complex construction, it also has hardly any influence on the problem of the relative displacement of the individual cooling components, since the lances are each fixed to the part of the torch facing away from the melt.
  • the individual lances can extend over their entire length, with the result that the greatest axial displacements can be found precisely in the critical area of the main electrode / nozzle.
  • a plasma torch is known in which the main nozzle and the main electrode are fixed in the area of the nozzle tip and are also connected to a common cooling water system.
  • Plasma torches of this type do not have a torch lance that is exposed to high levels of heat radiation, particularly when used in vessels, with the consequence, in particular, of the linear expansion.
  • a plasma torch which is attached to a carrying device so as to protrude into a vessel that can be filled with melt.
  • This burner has a nozzle arranged on a double-walled burner lance and a main electrode tube arranged inside the burner lance.
  • the main electrode is arranged at the end of the main electrode tube facing the melt.
  • the object of the present invention is to provide a plasma torch which, in a simple constructional design, allows reliable, low-maintenance, adjustable, constant formation of the plasma arc when used at high temperatures.
  • the inventor proposes a two-point bearing of individual components of the plasma torch.
  • the component with the greatest thermal load and thus the greatest change in length of the components acts as a load-bearing element.
  • this is the jacket of the torch lance, which is held at its foot end by the carrying device.
  • the head end of the jacket protruding into the furnace vessel forms the fixed point for the other components.
  • main electrode tube On the head end of which the main electrode is attached.
  • the head end of the main electrode tube is firmly connected to the head end of the jacket by means of insulation and forms the fixed bearing of the main lance.
  • the foot end of the main lance is designed as a floating bearing. The change in length of the components caused by thermal expansion can develop stress-free through this type of storage.
  • the sliding elements of the floating bearing of the main electrode tube are designed so that a secure transmission of the electrical current is guaranteed.
  • Contact springs which comprise the electrode tube in the form of a sleeve are particularly suitable for this purpose.
  • the water flow of the plasma lance is designed so that the fresh coolant is led from the support device to the main electrode tube and from there inside the tube to the main electrode. Inside the main electrode, it is led to the areas with the highest thermal loads and, after leaving the electrode, is led directly to the nozzle ring via overflows.
  • the cooling water is returned to the carrying device in the double jacket of the electrode lance.
  • the necessary insulation is provided between the burner components.
  • the insulation between the electrode and the nozzle ring has been included in the fixed point.
  • Plasma torches with ignition electrodes have their own storage system with fixed and floating bearings for the ignition electrode.
  • the fixed point is formed in the head area of the ignition electrode by an insulating sleeve.
  • the entire length of the ignition electrode tube is surrounded by cooling water. During operation, it is additionally cooled by gas flowing inside the ignition lance. The changes in length that occur despite the intensive cooling as a result of the current heat are absorbed by sliding elements arranged at the foot end of the ignition electrode tube.
  • a quick-release fastener is provided on the support arm, in which the media feeds are arranged.
  • the quick-release fastener is designed so that the plasma torch can be changed easily and quickly.
  • the Media feeds from the carrying device and from the burner lance are matched to one another and, after closing the quick-release fastener, ensure safe, trouble-free supply of the gaseous and liquid media and the electrical current.
  • FIG. 1 schematically shows the essential components of the plasma torch, namely the head part 11 pointing towards the melt S, a main electrode 10 and the foot part 17 which can be fastened to a (not shown) carrying device 40.
  • the head part 11 of the main electrode 10 is designed as a pot, whereby the bottom of the pot faces the melt S.
  • an insulation 21 designed as a ring is arranged at the foot end 12 of the pot.
  • the main electrode 10 is enveloped in its longitudinal extent by a burner lance 30.
  • This burner lance 30 is double-walled and has an inner tube 32 and a jacket 33.
  • the head end 31 of the burner lance 30 is attached to the insulation 21.
  • Sliding elements 51 are provided between the foot end 35 of the burner lance 30 and the foot part 17 of the main electrode 10.
  • the foot part 35 of the burner lance 31 is fastened to a quick-release part 41 of the carrying device 40.
  • the quick release part 41 is connected to the media supply 80, not shown, and has a water supply 81 and a water discharge 82, a main gas supply 84 and a power supply 85.
  • the media guidance is shown by arrows.
  • the main gas flows between a main electrode tube 18 and the inner tube 32 of the burner lance 30 and then through bores 16 provided at the foot end 12 of the pot into the collimator area 63.
  • the cooling water flows through the interior of the main electrode tube 18 to the head part 11 of the main electrode 10, where it is deflected by guide plates 14 arranged on the inner wall 13 of the main electrode tube 18, flows back in a ring in the opposite direction and over in the area of the foot end 12 of the pot at a right angle to the central axis I arranged openings 15 reaches cavities 61 of a nozzle 60.
  • the cooling water leaves the nozzle 60 via passages 34 provided at the top end 31 of the burner lance 30, in order to leave the plasma torch again in the double jacket of the burner lance 30 between the inner tube and jacket 33 at the foot end 35 of the lance through the water discharge 82.
  • the nozzle 60 can, as shown in the right part of the picture, be designed in a shape that represents a so-called shadow tube.
  • the insulation 21 is designed accordingly in the interior 61 and has passages 62 and inner tubes 23 for guiding the cooling medium.
  • FIG. 2 shows a plasma torch with main and ignition electrodes 10, 70 with sliding elements 51 between the foot end 35, the burner lance 30 and the foot part 17 of the main electrode 10 and sliding elements 52 between the main electrode tube 18 and the ignition electrode tube 71 of the ignition electrode 70.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner, der in ein Gefäß hineinragend an einer Tragvorrichtung befestigt ist und eine an einer Brennerlanze angeordnete Düse sowie ein innerhalb der Brennerlanze angeordnetes Hauptelektrodenrohr mit einer Hauptelektrode aufweist, zu der gasförmige und flüssige Medien sowie der elektrische Strom über koaxial angeordnete Rohre zugeführt werden, wobei eine ringförmige Isolierung (21) um die Hauptelektrode (10) im Bereich ihres Fußendes vorgesehen ist, die die Elektrode (10) ringförmig umfaßt, und an dieser Isolierung der Mantel (33) der von der Tragvorrichtung gehaltenen doppelwandigen Brennerlanze (30) befestigt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner.
  • Plasmabrenner werden bei ihrem Einsatz in Gefäßen thermisch hoch belastet. Dabei wird die Hauptelektrode im wesentlichen durch Stromwärme thermisch beaufschlagt, während dem Mantel der Brennerlanze in besonderem Maße durch Wärmestrahlung des Lichtbogens, vom Schmelzbad und von der Ofenwand Wärme zugeführt wird. Die hieraus resultierenden Temperaturveränderungen der Werkstoffe bedingen erhebliche Längenveränderungen der Bauteile.
  • Die unterschiedliche thermische Beaufschlagung einzelner Bauteile des Plasmabrenners bewirkt in besonderem Maße eine relative axiale Verschiebung der Hauptelektrode und der Düse. Diese Veränderungen wirken sich nachteilig auf die Ausbildung des Plasmabogens aus. Vergleichbare Längenänderungen treten bei mit Zündelektroden versehenen Plasmabrennern zwischen der Zündelektrode und der Haupteleketrode auf.
  • Aus der DE-OS 29 00 330 ist es bekannt, die einzelnen Bauteile eines Plasmabrenners, nämlich die Zündelektrode, die Hauptelektrode und die Düse, unabhängig voneinander zu kühlen.
  • Der aus dieser Schrift bekannte Plasmabrenner ist nicht nur aufwendig konstruiert, er nimmt auch kaum Einfluß auf die Problematik der Relativverschiebung der einzelnen Kühlbauteile, da die Lanzen jeweils an dem der Schmelze abgewandten Teil des Brenners fixiert sind. Die einzelnen Lanzen können sich über ihre gesamte Länge ausdehnen mit der Folge, daß gerade im kritischen Bereich Hauptelektrode /Düse die größten axialen Verschiebungen aufzufinden sind.
  • Aus der US-PS 34 63 957 ist ein Plasmabrenner bekannt, bei dem die Hauptdüse und die Hauptelektrode im Bereich der Düsenspitze fixiert und darüber hinaus an einem gemeinsamen Kühlwassersystem angeschlossen sind.
  • Der aus dieser Schrift bekannte Plasmabrenner wird zum Brennschneiden von Metall benutzt. Plasmabrenner dieses Typs besitzen keine Brennerlanze, die gerade beim Einsatz in Gefäßen einer hohen Wärmestrahlung ausgesetzt sind mit der Folge insbesondere der Längenausdehnung.
  • Aus der EP-A-0 176 604 ist schließlich noch ein Plasmabrenner bekannt, der in ein mit Schmelze füllbares Gefäß hineinragend an eine Tragvorrichtung befestigt ist. Dieser Brenner weist eine an einer doppelwandigen Brennerlanze angeordnete Düse sowie ein innerhalb der Brennerlanze angeordnetes Hauptelektrodenrohr auf. Die Hauptelektrode ist an dem der Schmelze zugewandten Ende des Hauptelektrodenrohres angeordnet.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Plasmabrenner zu schaffen, der in einfacher konstruktiver Ausgestaltung beim Hochtemperatureinsatz betriebssicher und wartungsarm eine einstellbare, konstante Ausbildung des Plasmabogens zuläßt.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Anspruch 1.
  • Ohne auf ein Vorbild zurückgreifen zu können schlägt der Erfinder eine Zweipunktlagerung einzelner Bauteile des Plasmabrenners vor. Dabei wirkt das Bauteil mit der größten thermischen Belastung und damit auch größten Längenänderung der Bauteile als tragendes Element. Bei dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner ist dies der Mantel der Brennerlanze, die mit ihrem Fußende von der Tragvorrichtung gehalten wird. Das in das Ofengefäß hineinragende Kopfende des Mantels bildet den Fixpunkt für die übrigen Bauteile.
  • Eines dieser Bauteile ist das Hauptelektrodenrohr, auf dessen Kopfende die Hauptelektrode befestigt ist. Das Kopfende des Hauptelektrodenrohres ist mittels einer Isolierung mit dem Kopfende des Mantels fest verbunden und bildet das Festlager der Hauptlanze. Das Fußende der Hauptlanze ist als Loslager ausgebildet. Die durch die Wärmedehnung hervorgerufene Längenänderung der Bauteile kann sich durch diese Lagerungsart spannungsfrei entfalten.
  • Die Gleitelemente des Loslagers des Hauptlektrodenrohres sind dabei so ausgebildet, daß eine sichere übertragung des elektrischen Stromes gewährleistet ist. In besonderer Weise eignen sich hierfür kontaktfedern, die in Form einer Büchse das Elektrodenrohr umfassen.
  • Die Wasserführung der Plasmalanze ist so ausgeführt, daß das frische Kühlmittel von der Tragvorrichtung zum Hauptelektrodenrohr und von dort im Rohrinneren zur Hauptelektrode geführt wird. Im Inneren der Hauptelektrode wird es zu den thermisch am höchsten belasteten Flächen geführt und nach Verlassen der Elektrode über überläufe direkt zum Düsenring geleitet.
  • Nach angepaßter Wasserführung in der Düse wird das Kühlwasser im Doppelmantel der Elektrodenlanze zur Tragvorrichtung zurückgeführt.
  • Es versteht sich, daß die erforderlichen Isolierungen zwischen den Brennerbauteilen vorgesehen sind. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Isolierung zwischen der Elektrode und dem Düsenring mit in den Fixpunkt einbezogen worden.
  • Plasmabrenner mit Zündelektrode weisen ein eigenes Lagerungssystem mit Fix- und Loslager für die Zündelektrode auf. Der Fixpunkt wird dabei im Kopfbereich der Zündelektrode durch eine Isolierbüchse gebildet.
  • Das Zündelektrodenrohr ist auf seiner gesamten Länge vom Kühlwasser umströmt. Während des Betriebes wird es zusätzlich noch von im Inneren der Zündlanze strömenden Gas gekühlt. Die trotz der intensiven Kühlung infolge der Stromwärme noch auftretenden Längenänderungen werden von am Fußende des Zündelektrodenrohres angeordneten Gleitelementen aufgenommen.
  • Für die Halterung des Plasmabrenners ist ein am Tragarm angeordneter Schnellverschluß vorgesehen, in dem die Medienzuführungen angeordnet sind. Der Schnellverschluß ist so ausgestaltet, daß ein einfaches und schnelles Wechseln des Plasmabrenners möglich ist. Dabei sind die Medienzuführungen von der Tragvorrichtung und von der Brennerlanze einander angepaßt und gewährleisten nach Schließen des Schnellverschlusses ein sicheres, störungsfreies Zuführen der gasförmigen und flüssigen Medien und des elektrischen Stromes.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zeigt:
    • Fig. 1
    den Schnitt durch einen Plasmabrenner ohne Zündlanze,
    Fig. 2
    einen Plasmabrenner mit Hauptelektrode und Zündelektrode und Gleitelementen zwischen Hauptelektrode, Brennerlanze und Zündlanze.
  • Die Figur 1 zeigt schematisch die wesentlichen Bauteile des Plasmabrenners, und zwar den zur Schmelze S weisenden Kopfteil 11, einer Hauptelektrode 10 und den an einer (nicht dargestellten) Tragvorrichtung 40 befestigbaren Fußteil 17. Der Kopfteil 11 der Hauptelektrode 10 ist als Topf ausgebildet, wobei der Boden des Topfes zur Schmelze S weist. Am Fußende 12 des Topfes ist eine als Ring ausgebildete Isolierung 21 angeordnet.
  • Die Hauptelektrode 10 wird in ihrer Längsausdehnung umhüllt von einer Brennerlanze 30. Diese Brennerlanze 30 ist doppelwandig ausgeführt und weist ein Innenrohr 32 und einen Mantel 33 auf. Das Kopfende 31 der Brennerlanze 30 ist an der Isolierung 21 befestigt.
  • Zwischen dem Fußende 35 der Brennerlanze 30 und dem Fußteil 17 der Hauptelektrode 10 sind Gleitelemente 51 vorgesehen.
  • Der Fußteil 35 der Brennerlanze 31 ist an einem Schnellverschtußteil 41 der Tragvorrichtung 40 befestigt. Der Schnellverschlußteil 41 steht mit der nicht weiter dargestellten Medienversorgung 80 in Verbindung und weist eine Wasserzufuhr 81 und eine Wasserabfuhr 82, eine Hauptgaszufuhr 84 sowie eine Stromzufuhr 85 auf.
  • Die Medienführung ist durch Pfeile dargestellt. Das Hauptgas strömt zwischen einem Hauptelektrodenrohr 18 sowie dem Innenrohr 32 der Brennerlanze 30 und anschließend durch am Fußende 12 des Topfes vorgesehene Bohrungen 16 in den Collimatorbereich 63.
  • Das Kühlwasser durchströmt den Innenraum des Hauptelektrodenrohres 18 bis zum Kopfteil 11 der Hauptelektrode 10, wo es durch an der Innenwand 13 des Hauptelektrodenrohres 18 angeordnete Leitbleche 14 umgelenkt wird, ringförmig in Gegenrichtung zurückströmt und über im Bereich des Fußendes 12 des Topfes im rechten Winkel zur Mittenachse I angeordneten Öffnungen 15 in Hohlräume 61 einer Düse 60 gelangt. Das Kühlwasser verläßt die Düse 60 über am Kopfende 31 der Brennerlanze 30 vorgesehenen Durchlässe 34, um im Doppelmantel der Brennerlanze 30 zwischen Innenrohr und Mantel 33 am Fußende 35 der Lanze durch die wasserabfuhr 82 den Plasmabrenner wieder zu verlassen.
  • Die Düse 60 kann dabei, wie im rechten Teil des Bildes dargestellt, in einer Form ausgebildet sein, die ein sogenanntes Schattenrohr darstellt. Die Isolierung 21 ist dabei im Innenraum 61 entsprechend gestaltet und weist Durchlässe 62 und Innenrohre 23 für die Führung des Kühlmediums auf.
  • Figur 2 zeigt einen Plasmabrenner mit Haupt- und Zündelektrode 10, 70 mit Gleitelementen 51 zwischen dem Fußende 35, der Brennerlanze 30 und dem Fußteil 17 der Hauptelektrode 10 sowie Gleitelemente 52 zwischen dem Hauptelektrodenrohr 18 und dem Zündelektrodenrohr 71 der Zündelektrode 70.

Claims (9)

  1. Plasmabrenner, der in ein mit Schmelze füllbares Gefäß hineinragend durch einen Schnellverschluß (41) an einer Tragvorrichtung (40) befestigt ist, mit
    - einer Brennerlanze, die einen Mantel (33) und ein Innenrohr (32) aufweist,
    - einem inrerhalb der Brennerlanze (30) angeordneten Hauptelektrodenrohr (18), das Teil der Hauptelektrode (10) ist und über das elektrischer Strom zuführbar ist,
    - einer an der Brennerlanze (30) angeordnete Düse (60), die am der Schmelze zugewardten Kopfende (11) des Hauptelektrodenrohres (18) angeordnet ist,
    - einer ringförmigen Isolierung (21) um die Hauptelektrode (10) im Bereich ihres Kopfendes, an der der Mantel (33), der Brennerlanze (30) befestigt ist, so daß das innerhalb der Brennerlanze (30) angeordnete Hauptelektrodenrohr (18) einenends an der Isolierung (21) befestigt ist und
    - einem Schiebeelement (51), an dem das Hauptelektrodenrohr anderenends gegenüber der Brennerlanze (30) in axialer Richtung gleitend gelagert ist,
    - in dem ein gasförmiges Medium zwischen dem Hauptelektrodenrohr (18) und dem Innenrohr (32) der Brennerlanze (30) der Düse zuführbar ist, und ein flüssiges Medium durch den Innenraum des Hauptelektrodenrohres (18) über Hohlräume (61) an der Düse (60) und zwischen dem Innenrohr (32) und dem Mantel (33) der Brennerlanze (30) führbar ist.
  2. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Schiebeelemente (51) Kontaktfedern sind.
  3. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß am Fußende (35) der Brennerlanze (30) Anschlüsse (81 bis 84) für die Kühlmedienzufuhr und -abfuhr sowie für das Gas vorgesehen sind.
  4. Plasmabrenner nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß am Fußende (35) der Brennerlanze (30) ein Schnellverschlußteil (41) der Tragvorrichtung (40) vorgesehen ist, der angepaßte Medienzuführungen (80) für Wasser (81, 82), Gas (83, 84) sowie Strom (85) aufweist.
  5. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß am Kopfende (12) an der Innenwand (13) des Hauptelektrodenrohres (34) in die Düse hineinragend ein zylindrisches Leitblech (14) zur Führung des Kühlmediums vorgesehen ist.
  6. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Innenwand (62) der zylindrischen Düse (60) an die Isolierung (21) angeschlossen ist und die Isolierung (21) als Wasser-Leitblech ausgebildet ist.
  7. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß am Fußende (12) der Brennerlanze (30) in der Innenwand (13) im rechten Winkel zur Mittenachse (I) angeordnete öffnungen (15) für den Kühlmedienaustritt vorgesehen sind.
  8. Plasmabrenner nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zwischen den öffnungen (15) koaxial zur Mittenachse angeordnete Bohrungen (16) zur Führung des Hauptgases vorgesehen sind.
  9. Plasmabrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektrode (10) am zur Schmelze weisenden Kopf als geschlossener Topf ausgebildet ist.
EP91918979A 1990-10-30 1991-10-29 Plasmabrenner zum schmelzen und warmhalten von in gefässen zu behandelnden materialien Expired - Lifetime EP0555305B1 (de)

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PCT/DE1991/000848 WO1992008335A1 (de) 1990-10-30 1991-10-29 Plasmabrenner zum schmelzen und warmhalten von in gefässen zu behandelnden materialien

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