EP1797747A2 - Plasmabrenner - Google Patents

Plasmabrenner

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Publication number
EP1797747A2
EP1797747A2 EP05790759A EP05790759A EP1797747A2 EP 1797747 A2 EP1797747 A2 EP 1797747A2 EP 05790759 A EP05790759 A EP 05790759A EP 05790759 A EP05790759 A EP 05790759A EP 1797747 A2 EP1797747 A2 EP 1797747A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
secondary gas
plasma torch
nozzle
plasma
nozzle cap
Prior art date
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Granted
Application number
EP05790759A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1797747B1 (de
Inventor
Volker Krink
Thomas Steudtner
Frank Laurisch
Ralf-Peter Reinke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kjellberg Finsterwalde Plasma und Maschinen GmbH
Original Assignee
Kjellberg Finsterwalde Elektroden and Maschinen GmbH
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Publication date
Family has litigation
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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
    • H—ELECTRICITY
    • 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
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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
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    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3478—Geometrical details

Definitions

  • the present invention relates to a plasma torch according to the preamble of claim 1, which serves both for dry cutting and underwater cutting of various metallic workpieces.
  • an arc In plasma cutting, an arc (pilot arc) is first ignited between a cathode (electrode) and anode (nozzle) and then transferred directly to a workpiece to produce a cut.
  • This arc creates a plasma, which is a thermally highly heated, electrically conductive gas consisting of positive and negative ions, electrons, and excited and neutral atoms and molecules.
  • gases such as argon, hydrogen, nitrogen, oxygen or air are used. These gases are ionized and dissociated by the energy of the arc. The resulting plasma jet is used to cut the workpiece
  • a modern plasma torch is made of grand components such as torch body, electrode (cathode), nozzle, one or more protective caps surrounding the nozzle, and the Connections used to supply the burner with electricity, gases and / or liquids.
  • the nozzle may consist of one or more parts.
  • the nozzle is held by a nozzle cap. Cooling water flows between the nozzle and the nozzle cap. The secondary gas flows between the nozzle and protective cap.
  • the nozzle cap can be omitted. Then the secondary gas flows between the nozzle and protective cap.
  • the electrode and the nozzle are arranged in a certain spatial relationship to one another and delimit a space - the plasma chamber in which this plasma jet is generated.
  • the plasma jet may be varied in parameters such as e.g. Diameter, temperature, energy density and flow rate of the plasma gas are strongly influenced by the design of the nozzle and electrode.
  • the electrodes and nozzles are made of different materials and in different shapes.
  • Nozzles are usually made of copper and water cooled directly or indirectly. Depending on the cutting task and electrical power of the plasma torch, nozzles are used which have different inner contours and openings with different diameters and thus provide the optimum cutting results.
  • nozzles are enclosed by protective caps. Through the gap between the nozzle and cap flows Secondary gas. This serves to create a defined atmosphere, to constrict the plasma jet and to protect against splashing during piercing.
  • the selection of the secondary gas plays an important role.
  • nitrogen is used as secondary gas.
  • the plasma jet is flowed around with the secondary gas, which is passed between the nozzle cap and protective cap through the resulting passage and exits from the annular opening in the direction of the workpiece. This ensures a substantially non-oxidizing atmosphere on the workpiece. This effect can be enhanced by adding small amounts of hydrogen (eg 1 to 20%).
  • the secondary gas passing through an annular secondary gas passage is aligned by an insulator between the nozzle cap and the protective cap.
  • the insulator has small holes which are shaped so that the secondary gas exits along the axial direction of the burner body and surrounds the plasma arc with sufficient quantity and speed.
  • the secondary current is generated as a circulating current in which the straightening channel formed in the insulator is formed spirally with respect to the central region of the burner.
  • a protective cap directs a secondary gas flow along the arcuate surface of a nozzle cap onto the arc. During cutting, the velocity of this flow is reduced so that the arc is not destabilized. This cap contains some vents that divert the excess gas away.
  • the protective cap and secondary gas flow protect the nozzle from molten metal that can splash from a workpiece onto the nozzle and cause damage or parallel arcing.
  • the plasma jet is unstable by the direct flow of the secondary gas, in particular at a secondary gas flow rate that is greater than the plasma gas flow rate.
  • the instability is especially when driving over technologically related kerfs and direction and speed changes, such. noticeable at corners and at the beginning of cutting.
  • the cutting arc stabilizes only slowly. It comes to swinging the cutting arc. This swinging forms on the resulting cut edge and thus leads to a deterioration in quality.
  • a secondary gas flows in a space between a nozzle with an elongated nozzle mouth and a protective cap.
  • the outlet opening of the protective cap is shaped so that the nozzle mouth is partially between the inlet and the outlet of the outlet opening.
  • Such an arrangement produces a substantially columnar flow of secondary gas around the plasma jet without substantially disturbing the plasma jet and is intended to protect the nozzle from spattering metal of the workpiece.
  • Disadvantage of this method is that the nozzle mouth is insufficiently protected against high-spraying metal especially when piercing the plasma jet into the workpiece.
  • the secondary gas can not be targeted in the plasma jet to achieve a good quality cut.
  • the active participation of the secondary gas in the plasma process is desired.
  • the secondary gas nitrogen not only acts as a protective gas to protect the interfaces of the oxidizing oxygen in the ambient air, but also actively participates in the plasma process. It reduces the surface tension of the melt, which becomes less viscous and better expelled from the kerf. The result is a beard-free cut. This is not possible with the arrangement described in US Pat. No. 6,207,923 Bl.
  • Even when using oxygen as the plasma gas for cutting structural steels, different effects on the quality of cut can be achieved by different composition of the secondary gas, for example different nitrogen and oxygen fractions.
  • the invention is therefore based on the object to eliminate the disadvantages of the prior art described.
  • the functions of the secondary gas such as protection against high-velocity metal, creation of a defined atmosphere around the plasma jet and the active participation of the secondary gas in the plasma process should be ensured without affecting the plasma jet in its stability.
  • the subclaims relate to advantageous developments of the invention.
  • the invention generates a homogeneous secondary gas flow.
  • This homogeneous secondary gas flow leads to a stabilization of the plasma jet.
  • the oscillation of the cutting arc in difficult to be controlled technologically caused cutting situations, such as driving over the kerf and the corner and cutting start is prevented. This results in a significant improvement in the quality of the cut and a higher cutting speed.
  • the secondary gas is passed through a secondary gas guide part in the secondary gas channel such that the secondary gas flow initially on a nearly cylindrical first surface of the nozzle or nozzle cap, which is directed parallel to the longitudinal axis of the plasma torch hits. Thereafter, the secondary gas is passed through the secondary gas channel part, which is bounded by almost conical mantle or inner surfaces of the nozzle or the nozzle cap and nozzle cap, to the front end of the plasma torch and then fed at an angle of almost 90 ° to the longitudinal axis of the plasma torch a plasma jet.
  • the particularly good homogeneity of the secondary gas ie the particularly good distribution around a plasma jet
  • the secondary gas is achieved by initially directing the secondary gas flow onto the jacket surface of the plane extending substantially at right angles to the longitudinal axis of the plasma torch Nozzle or the nozzle cap hits and that is further reset from the front end of the plasma torch and thus the secondary gas has additional time to disperse.
  • the secondary gas rotated by a suitable execution of the secondary gas guide part, for example by displacement of the passages. Then the supply of the secondary gas to the plasma jet is not radial, but tangential.
  • the plasma jet is not unstable in this arrangement due to the great homogeneity of the secondary gas flow, but also retains its stability in transition phases.
  • this effect is reinforced even if, after passing through the Sekundärgasbowungsteils the secondary gas initially not only on the almost cylindrical first lateral surface of the nozzle or the nozzle cap, but at the same time flows into a relaxation room expansion, which allows a greater relaxation of the secondary gas, before the secondary gas then over the conical shell or inner surfaces of the plasma jet is supplied radially or tangentially.
  • this area of the nozzle cap with expansion chamber extension has a smaller diameter than the beginning of the subsequent conical section.
  • the nozzle cap is often omitted. Then the nozzle takes over the space-limiting task of the nozzle cap.
  • the nozzle is geometrically formed in this case as the nozzle cap.
  • Figure 1 is a partial sectional view of the front portion of a
  • Plasma torch according to a particular embodiment of the invention; Figure 1.1 to 1.12 details of Figure 1 with variants of the design of the secondary gas duct.
  • Fig. 2.2 shows another embodiment of a secondary gas guide part in
  • FIG. 1 shows a plasma torch 1 according to a particular embodiment of the invention.
  • the plasma torch 1 has a torch body 2 with an electrode 3 and a nozzle 4 defining a longitudinal axis L of the plasma torch 1.
  • the electrode 3 and the nozzle are arranged in a particular embodiment of the invention.
  • a nozzle cap 5 is arranged coaxially with the longitudinal axis L of the plasma burner 1 and holds the nozzle 4. Between the nozzle 4 and the nozzle cap
  • the cooling water is supplied via a water feed WV and flows through a water return WR.
  • An annular secondary gas guide member 8 having a plurality of holes in the form of bores, only one of which is denoted by the reference numeral 8a, is in a formed between the nozzle cap 5 and a nozzle cap 7 secondary gas channel 9 between a secondary gas inlet 8b and the front end of the secondary gas channel 9 arranged that the flowing through the passage 8 a secondary gas SG on a nearly cylindrical first lateral surface of the nozzle cap 5, which results in a first cylindrical portion 5 a of the nozzle cap 5 hits.
  • the secondary gas SG is then passed through the secondary gas channel 9, which is bounded by a nearly conical second surface of the nozzle cap 5 in a lower portion 5 b and a corresponding conical inner surface 7 b of the nozzle cap 7, to the front end of the plasma torch 1, then at an angle of nearly 90 ° to the longitudinal axis L of the plasma torch. 1 a plasma jet (not shown) and exits through a Austrittsöfmung 7 a of the nozzle cap 7 from.
  • the rotating secondary gas SG flows around the plasma jet after it leaves a nozzle opening 4a and additionally creates a defined atmosphere around the plasma jet.
  • the passages 8 a of the Sekundärgasf ⁇ ihrungsteils 8 are arranged so that a rotating flow of the secondary gas SG is formed.
  • transitions between the first and second lateral surfaces of the nozzle cap 5 and corresponding first and second inner surfaces of the nozzle protection cap 7 can be sharp-edged (FIGS. 1.1-1.3), with bevels (FIGS. 1.4-1.6) or radii (FIGS. 1.7-1.9). There is also the possibility of combinations of radii and chamfers at the transitions.
  • Figures 1.10 -1.12 show embodiments with a relaxation space extension 10 into which the secondary gas SG flows out of the passages 8a of the secondary gas guide part 8 in order to further improve the stability of the plasma jet.
  • This relaxation space extension 10 may have, for example, a round (FIG. 1.10), a rectangular (FIG. 1.11) or a multi-faceted (FIG. 1.12) shape.
  • the features of the invention disclosed in the foregoing description, in the drawings and in the claims may be essential both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.

Abstract

Plasmabrenner mit: einem Brennerkörper, einer im Brennerkörper angeordneten Elektrode, einer Düse, die eine zentrale Düsenöfthung aufweist und so angeordnet ist, daß sie die Elektrode durch einen Plasmagaskanal getrennt abdeckt, der zwischen diesen gebildet ist, einer Düsenschutzkappe, die eine an ihrer vorderen Endseite angeordnete, der Düsenöffhung gegenüberliegende Austrittsöffhung und einen ringförmigen Sekundärgaskanal innerhalb der Düsenschutzkappe aufweist, der mit der Austrittsöffhung in Verbindung steht, wobei die Düsenschutzkappe bezüglich der Elektrode und der Düse elektrisch isoliert angeordnet ist, und einem Sekundärgasfuhrungsteil, das mindestens einen Durchlaß aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärgasfuhrungsteil im Sekundärgaskanal zwischen einem Sekundärgaseinlaß und dem vorderen Ende des Sekundärgaskanals angeordnet ist und der Sekundärgaskanal zwischen dem Sekundärgasfuhrungsteil und seinem vorderen Ende derart ausgebildet ist, daß er das Sekundärgas SG nach dem Passieren des Sekundärgasführungsteils und eines zur Längsachse L des Plasmabrenners im wesentlichen parallelen Sekundärgaskanalteils schräg zur Längsachse L des Plasmabrenners in Richtung zum vorderen Ende des Plasmabrenners führt und danach unter einem im wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse L des Plasmabrenners einem Plasmastrahl zufuhrt.

Description

"Plasmabrenner"
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Plasmabrenner gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, der sowohl zum Trockenschneiden als auch Unterwassersclineiden verschiedener metallischer Werkstücke dient.
Beim Plasmaschneiden wird zunächst ein Lichtbogen (Pilotlichtbogen) zwischen einer Kathode (Elektrode) und Anode (Düse) gezündet und danach direkt auf ein Werkstück übertragen, um damit einen Schnitt herzustellen.
Dieser Lichtbogen erzeugt ein Plasma, das ein thermisch hochaufgeheiztes, elektrisch leitfähiges Gas ist, welches aus positiven und negativen Ionen, Elektronen sowie angeregten und neutralen Atomen und Molekülen besteht.
Als Plasmagas werden Gase wie Argon, Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff oder Luft eingesetzt. Diese Gase werden durch die Energie des Lichtbogens ionisiert und dissoziiert. Der daraus entstehende Plasmastrahl wird zum Schneiden des Werkstücks eingesetzt
Ein moderner Plasmabrenner entsteht aus Grandbauteilen wie Brennerkörper, Elektrode (Kathode), Düse, eine oder mehrere Schutzkappen, welche die Düse umgeben, sowie die Verbindungen, die zur Versorgung des Brenners mit Strom, Gasen und/oder Flüssigkeiten dienen.
Die Düse kann aus einem oder mehreren Teilen bestehen. Bei direkt wassergekühlten Brennern wird die Düse von einer Düsenkappe gehalten. Zwischen der Düse und Düsenkappe strömt Kühlwasser. Das Sekundärgas strömt zwischen der Düse und Schutzkappe.
Bei gasgekühlten Brennern und indirekt wassergekühlten Brennern kann die Düsenkappe entfallen. Dann strömt das Sekundärgas zwischen der Düse und Schutzkappe.
Die Elektrode und die Düse sind zueinander in einem bestimmten räumlichen Verhältnis angeordnet und begrenzen einen Raum - die Plasmakammer, in der dieser Plasmastrahl erzeugt wird. Der Plasmastrahl kann in seinen Parametern wie z.B. Durchmesser, Temperatur, Energiedichte und Durchflußrate des Plasmagases durch die Gestaltung der Düse und Elektrode stark beeinflußt werden.
Für die unterschiedlichen Plasmagase werden die Elektroden und Düsen aus unterschiedlichen Materialen und in verschiedenen Formen hergestellt.
Düsen werden in der Regel aus Kupfer hergestellt und direkt oder indirekt wassergekühlt. Je nach Schneidaufgabe und elektrischer Leistung des Plasmabrenners werden Düsen eingesetzt, die unterschiedliche Innenkonturen und Öffnungen mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen und damit die optimalen Schneidergebnisse liefern.
Um eine Düse während des Schneidprozesses vor der Wärme und herausspritzendem geschmolzenem Metall des Werkstücks zu schützen, werden Düsen durch Schutzkappen umschlossen. Durch den Zwischenraum zwischen Düse und Schutzkappe strömt ein Sekundärgas. Dieses dient zur Schaffung einer definierten Atmosphäre, zur Einschnürung des Plasmastrahls und den Schutz vor Spritzen beim Einstechen.
In der Patentanmeldung DE 38 32 630 Al wird der Plasmastrahl beim Unterwasserschneiden durch einen Gaswirbel geschützt, der mit hoher Geschwindigkeit um den Plasmastrahl rotiert. Auf der Düsenkappe werden fünf bis zwanzig Gasleitführungen in Form eines Stabs symmetrisch angeordnet. Die durch die kegelförmige tangentiale Anordnung der Gasleitführungen und die Brennerkappe gebildeten Gasleitkanäle fließende Sekundärgas umströmt tangential den Plasmastrahl und bildet einen hyperbolischen Wirbel, was den Zutritt des Wassers zum Plasmastrahl verhindert. Dieser Brenner kann aber auch zum Trockenschneiden verwendet werden, wobei das wirbelnde Sekundärgas die Brennerspitze vor dem geschmolzenen Metall des Werkstücks insbesondere beim Einstechen wesentlich schützt.
Um die Oxidation der Schnittflächen durch eine Reaktion mit dem in der Umgebungsluft befindlichen Sauerstoff zu verhindern, spielt die Auswahl des Sekundärgases eine wichtige Rolle. In der früheren Patentanmeldung DE 101 44 516 Al der vorliegenden Anmelderin wird Stickstoff als Sekundärgas eingesetzt. Der Plasmastrahl wird mit dem Sekundärgas, das zwischen der Düsenkappe und Schutzkappe durch den daraus entstandenen Durchgang geleitet wird und aus der ringförmigen Öffnung in die Richtung des Werkstücks austritt, umströmt. Dadurch wird eine im wesentlichen nicht oxidierende Atmosphäre am Werkstück gewährleistet. Dieser Effekt kann durch das Zumischen von geringen Anteilen Wasserstoff (z. B. 1 bis 20 %) noch verstärkt werden.
Im Plasmabrenner nach dem Patent EP 0 573 653 Bl wird das durch einen ringförmigen Sekundärgaskanal hindurchtretende Sekundärgas durch einen Isolator zwischen der Düsenkappe und Schutzkappe ausgerichtet. Der Isolator hat kleine Bohrungen, die so geformt sind, daß das Sekundärgas entlang der Axialrichtung des Brennerkörpers austritt und mit ausreichender Menge und Geschwindigkeit den Plasmabogen umgibt. In einem anderen Isolator wird der Sekundärstrom als kreisender Strom erzeugt, in dem der im Isolator gebildete Richtkanal spiralförmig bezüglich des Zentralbereiches des Brenners ausgebildet ist.
Im Patent EP 0 801 882 Bl lenkt eine Schutzkappe entlang einer kegelförmigen Oberfläche einer Düsenkappe eine Sekundärgasströmung auf den Lichtbogen. Während des Schneidens wird die Geschwindigkeit dieser Strömung so reduziert, daß der Lichtbogen nicht destabilisiert wird. Diese Schutzkappe enthält einige Entlüftungsöffnungen, die das überflüssige Gas weglenken. Die Schutzkappe und Sekundärgasströmung schützen die Düse vor geschmolzenem Metall, das von einem Werkstück auf die Düse spritzen und eine Beschädigung oder eine Parallellichtbogenbildung bewirken kann.
In den oben genannten Beispielen ergibt sich der Nachteil, daß der Plasmastrahl durch das direkte Anströmen mit dem Sekundärgas, insbesondere bei einem Sekundärgasvolumenstrom, der größer als der Plasmagasvolumenstrom ist, instabil wird. Die Instabilität macht sich vor allem beim Überfahren von technologisch bedingten Schnittfugen und bei Richtungs- und Geschwindigkeitsänderungen, wie z.B. an Ecken und am Schneidbeginn bemerkbar. Beim Überfahren einer Schnittfuge stabilisiert sich der Schneidlichtbogen nur langsam. Es kommt zum Schwingen des Schneidlichtbogens. Dieses Schwingen bildet sich auf der entstehenden Schnittkante ab und führt so zu einer Qualitätsverschlechterung.
In US 6 207 923 Bl strömt ein Sekundärgas in einem Zwischenraum zwischen einer Düse mit einem verlängerten Düsenmund und einer Schutzkappe. Die Austrittsöffnung der Schutzkappe ist so geformt, daß der Düsenmund sich teilweise zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Austrittsöffnung befindet. Eine solche Anordnung erzeugt eine im wesentlichen säulenförmige Strömung des Sekundärgases um den Plasmastrahl, ohne den Plasmastrahl wesentlich zu stören, und soll die Düse vor hochspritzendem Metall des Werkstücks schützen. Nachteil dieses Verfahrens ist, daß der Düsenmund nur unzureichend vor hochspritzendem Metall insbesondere beim Einstechen des Plasmastrahls in das Werkstück geschützt ist. Weiterhin kann das Sekundärgas nicht gezielt in den Plasmastrahl gelenkt werden, um eine gute Schnittqualität zu erreichen.
Bei bestimmten Gaskombinationen ist die aktive Teilnahme des Sekundärgases am Plasmaprozess gewünscht. Dies gilt z.B. für das Schneiden von Edelstahlen mit einem ArH2- Gemisch als Plasmagas und Stickstoff als Sekundärgas. Hier wirkt das Sekundärgas Stickstoff nicht nur als Schutzgas, um die Schnittflächen von dem oxidierenden Sauerstoff in der Umgebungsluft zu schützen, sondern nimmt auch aktiv am Plasmaprozeß teil. Es verringert die Oberflächenspannung der Schmelze, diese wird dünnflüssiger und besser aus der Schnittfuge ausgetrieben. Es entsteht ein bartfreier Schnitt. Mit der in US 6 207 923 Bl beschriebenen Anordnung ist dies nicht möglich. Auch bei der Verwendung von Sauerstoff als Plasmagas für das Schneiden von Baustählen können durch unterschiedliche Zusammensetzung des Sekundärgases, beispielsweise unterschiedliche Stickstoff- und Sauerstoffanteile , unterschiedliche Effekte hinsichtlich der Schnittqualität erzielt werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Dabei sollen die Funktionen des Sekundärgases, wie Schutz vor hochspritzendem Metall, Schaffung einer definierten Atmosphäre um den Plasmastrahl und die aktive Teilnahme des Sekundärgases am Plasmaprozeß gewährleistet sein, ohne den Plasmastrahl in seiner Stabilität zu beeinflussen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem gattungsgemäßen Plasmabrenner durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichen von Patentanspruch 1 gelöst.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung. Durch die Erfindung wird ein homogener Sekundärgasstrom erzeugt. Dieser homogene Sekundärgasstrom führt zu einer Stabilisierung des Plasmastrahls. Dadurch wird das Schwingen des Schneidlichtbogens in schwer zu beherrschenden technologisch bedingten Schneidsituationen, wie z.B. Überfahren der Schnittfuge und der Ecke sowie Schneidbeginn verhindert. Dadurch entstehen eine wesentliche Verbesserung der Qualität des Schnittes sowie eine höhere Schneidgeschwindigkeit.
Untersuchungen haben nämlich ergeben, daß die beschriebenen Nachteile durch eine neue Form der Sekundärgaszuführung beseitigt werden können. Hierdurch werden die Vorteile des Sekundärgases, wie Einschürung des Plasmastrahls, Schutz der Düse vor hochspritzendem Metall beim Einstechen, Schafrang einer definierten Atmosphäre um den Plasmastrahl und die aktive Teilnahme des Sekundärgases am Plasmaprozeß weiter genutzt und gleichzeitig die Stabilität des Plasmastrahls gesichert.
In einer besonderen Ausführungsform wird das Sekundärgas über ein Sekundärgasführungsteil in den Sekundärgaskanal geführt derart, daß die Sekundärgasströmung zunächst auf eine nahezu zylindrische erste Mantelfläche der Düse beziehungsweise Düsenkappe, die parallel zur Längsachse des Plasmabrenners gerichtet ist, trifft. Danach wird das Sekundärgas über den Sekundärgaskanalteil, der durch nahezu kegelförmige Mantel- bzw. Innenflächen der Düse beziehungsweise der Düsenkappe und Düsenschutzkappe begrenzt ist, zum vorderen Ende des Plasmabrenners geführt und dann in einem Winkel von nahezu 90° zur Längsachse des Plasmabrenners einem Plasmastrahl zugeführt. Es wird angenommen, daß die besonders gute Homogenität des Sekundärgases, d.h. die besonders gute Verteilung um einen Plasmastrahl, dadurch erreicht wird, daß die Sekundärgasströmung das Sekundärgasströmung zunächst einmal in einer sich im wesentlichen im rechten Winkel zur Längsachse des Plasmabrenners erstreckenden Ebene auf die Mantelfläche der Düse beziehungsweise der Düsenkappe trifft und daß vom vorderen Ende des Plasmabrenners weiter zurückgesetzt ist und somit das Sekundärgas zusätzlich mehr Zeit hat, um sich zu verteilen. Vorteilhaft ist es auch, das Sekundärgas durch eine geeignete Ausfuhrung des Sekundärgasführungsteils, z.B. durch Versatz der Durchlässe rotieren zu lassen. Dann erfolgt die Zufuhr des Sekundärgases zum Plasmastrahl nicht radial, sondern tangential. Der Plasmastrahl wird bei dieser Anordnung durch die große Homogenität der Sekundärgasströmung nicht instabil, sondern behält auch in Übergangsphasen seine Stabilität.
Verstärkt wird dieser Effekt noch, wenn nach Passieren des Sekundärgasfuhrungsteils das Sekundärgas zunächst nicht nur auf die nahezu zylindrische erste Mantelfläche der Düse beziehungsweise der Düsenkappe trifft, sondern gleichzeitig in eine Entspannungsraumerweiterung strömt, die eine größere Entspannung des Sekundärgases zuläßt, bevor das Sekundärgas dann über die kegelförmigen Mantel- bzw. Innenflächen dem Plasmastrahl radial oder tangential zugeführt wird. In diesem Falle verfügt dieser Bereich der Düsenkappe mit Entspannungsraumerweiterung über einen geringeren Durchmesser als der Beginn des nachfolgenden kegelförmigen Abschnitts.
Wird ein gasgekühlter oder indirekt wassergekühlter Plasmabrenner verwendet, entfällt oftmals die Düsenkappe. Dann übernimmt die Düse die raumbegrenzende Aufgabe der Düsenkappe. Die Düse ist in diesem Fall geometrisch so wie die Düsenkappe ausgebildet. Damit werden die Vorteile der Erfindung auch in dieser Plasmabrennervariante garantiert.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachstehenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
Figur 1 eine Teilschnittdarstellung des vorderen Bereiches eines
Plasmabrenners gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung; Figur 1.1 bis 1.12 Details von Fig.1 mit Varianten der Gestaltung des Sekundärgaskanals;
Fig. 2.1 eine Ausfuhrungsform eines Sekundärgasführungsteils in Draufsicht von oben teilweise im Schnitt; und
Fig. 2.2 eine weitere Ausführungsform eines Sekundärgasführungsteils in
Draufsicht von oben teilweise im Schnitt.
Figur 1 zeigt einen Plasmabrenner 1 gemäß einer besonderen Ausfuhrungsform der Erfindung. Der Plasmabrenner 1 hat einen Brennerkörper 2 mit einer Elektrode 3 und einer Düse 4, der eine Längsachse L des Plasmabrenners 1 definiert. Die Elektrode 3 und die Düse
4 sind im Brennerkörper 2 koaxial angeordnet, befinden sich in einem bestimmten räumlichen Verhältnis und bilden eine Plasmakammer 6, durch die ein Plasmagas PG strömt, das über einen Plasmagaskanal 6a zugeführt wird. Eine Düsenkappe 5 ist koaxial zur Längsachse L des Plasmabrenners 1 angeordnet und hält die Düse 4. Zwischen der Düse 4 und der Düsenkappe
5 befindet sich ein Raum 11, durch den Kühlwasser strömt. Das Kühlwasser wird über einen Wasservorlauf WV zugeführt und strömt über einen Wasserrücklauf WR ab.
Ein ringförmiges Sekundärgasführungsteil 8 mit einer Vielzahl von Durchlässen in Form von Bohrungen, von denen nur einer mit dem Bezugszeichen 8a gekennzeichnet ist, ist so in einem zwischen der Düsenkappe 5 und einer Düsenschutzkappe 7 gebildeten Sekundärgaskanal 9 zwischen einem Sekundärgaseinlaß 8b und dem vorderen Ende des Sekundärgaskanals 9 angeordnet, daß das durch den Durchlaß 8a strömende Sekundärgas SG auf eine nahezu zylindrische erste Mantelfläche der Düsenkappe 5, die einen ersten zylindrischen Abschnitt 5a der Düsenkappe 5 ergibt, trifft. Das Sekundärgas SG wird danach durch den Sekundärgaskanal 9, der durch eine nahezu kegelförmige zweite Mantelfläche der Düsenkappe 5 in einem unteren Abschnitt 5b und eine entsprechende kegelförmige Innenfläche 7b der Düsenschutzkappe 7 begrenzt ist, zum vorderen Ende des Plasmabrenners 1 geführt, dann in einem Winkel von nahezu 90° zur Längsachse L des Plasmabrenners 1 einem Plasmastrahl (nicht gezeigt) zugeführt und tritt durch eine Austrittsöfmung 7a der Düsenschutzkappe 7 aus. Das rotierende Sekundärgas SG umströmt den Plasmastrahl nach seinem Austritt aus einer Düsenöffhung 4a und schafft zusätzlich eine definierte Atmosphäre um den Plasmastrahl.
Die Durchlässe 8 a des Sekundärgasfϊihrungsteils 8 sind so angeordnet, daß eine rotierende Strömung des Sekundärgases SG entsteht. Beispielsweise können die Durchlässe im Sekundärgasruhrungsteil 8a, äquidistant über den Kreisumfang des Sekundärgasführungsteils 8 und sich radial erstreckend (Figur 2.1) oder mit einem Versatz zur Radiale (Figur 2.2), d.h. auf einen jeweils gegenüber dem tatsächlichen Kreismittelpunkt versetzten Punkt ausgelichtet, angeordnet sein.
Die Neigung der nahezu zylindrischen ersten Mantelfläche der Düsenkappe 5 kann bis ±15° (Figuren 1.1, 1.2, und 1.3) gegenüber der Längsachse L des Plasmabrenners 1 betragen. Bei einer Neigung von W3= -15° (Figur 1.3) wird der Effekt der Homogenität ähnlich wie bei Raumvergrößerung durch zylindrische Flächen erreicht und eine besonders gute Homogenität erreicht.
Die Übergänge zwischen den ersten und zweiten Mantelflächen der Düsenkappe 5 und entsprechenden ersten und zweiten Innenflächen der Düsenschutzkappe 7 können scharfkantig (Figuren 1.1 - 1.3), mit Fasen (Figuren 1.4 - 1.6) oder Radien (Figuren 1.7 - 1.9) versehen sein. Dabei besteht auch die Möglichkeit der Kombinationen von Radien und Fasen bei den Übergängen.
Figuren 1.10 -1.12 zeigen Ausführungsformen mit einer Entspannungsraumerweiterung 10, in welche das Sekundärgas SG aus den Durchlässen 8a des Sekundärgasführungsteils 8 strömt, um die Stabilität des Plasmastrahls weiter zu verbessern. Diese Entspannungsraumerweiterung 10 kann beispielsweise eine runde (Figur 1.10), eine rechteckige (Figur 1.11) oder eine mehrfasige (Figur 1.12) Form haben. Die in der vorangehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

Ansprüche
1. Plasmabrenner ( 1 ) mit:
- einem Brennerkörper (2),
- einer im Brennerkörper (2) angeordneten Elektrode (3),
einer Düse (4), die eine zentrale Düsenöffhung (4a) aufweist und so angeordnet ist, daß sie die Elektrode (3) durch einen Plasmagaskanal (6a) getrennt abdeckt, der zwischen diesen gebildet ist,
- einer Düsenschutzkappe (7), die eine an ihrer vorderen Endseite angeordnete, der Düsenöffhung (4a) gegenüberliegende Austrittsöffhung (7a) und einen ringförmigen Sekundärgaskanal (9) innerhalb der Düsenschutzkappe (7) aufweist, der mit der Austrittsöffhung (7a) in Verbindung steht, wobei die Düsenschutzkappe (7) bezüglich der Elektrode (3) und der Düse (4) elektrisch isoliert angeordnet ist, und
einem Sekundärgasfuhrungsteil (8), das mindestens einen Durchlaß (8a) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
- das Sekundärgasruhrungsteil (8) im Sekundärgaskanal (9) zwischen einem Sekundärgaseinlaß (8b) und dem vorderen Ende des Sekundärgaskanals (9) angeordnet ist und der Sekundärgaskanal (9) zwischen dem Sekundärgasruhrungsteil (8) und seinem vorderen Ende derart ausgebildet ist, daß er das Sekundärgas SG nach dem Passieren des Sekundärgasfuhrungsteils (8) und eines zur Längsachse L des Plasmabrenners (1) im wesentlichen parallelen Sekundärgaskanalteils (9a) schräg zur Längsachse L des Plasmabrenners (1) in Richtung zum vorderen Ende des Plasmabrenners (1) fuhrt und danach unter einem im wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse L des Plasmabrenners (1) einem Plasmastrahl zufuhrt.
2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düsenkappe (5) vorgesehen ist, die die Düse (3) mit Ausnahme zumindest der Düsenöffhung (4a) abdeckt und innerhalb der Düsenschutzkappe (7) angeordnet und von dieser an ihrer vorderen Endseite durch den Sekundärgaskanal (9) getrennt ist.
3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenkappe (5) im Bereich des Sekundärgasführungsteils (8) eine im wesentlichen zylindrische erste Mantelfläche aufweist und sich in Richtung zum vorderen Ende des Plasmabrenners (1) eine sich in Richtung zum vorderen Ende des Plasmabrenners (1) im wesentlich kegelförmig verjüngende zweite Mantelfläche der Düse (4) beziehungsweise der Düsenkappe (5) anschließt.
4. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Mantelfläche unter einem Winkel im Bereich von 0 ± 15° zur Längsachse L des Plasmabrenners (1) geneigt ist.
5. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang zwischen den ersten und zweiten Mantelflächen abgerundet, gefast oder scharfkantig ist.
6. Plasmabrenner (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (4) oder die Düsenkappe (5) im Bereich des Sekundärgasfuhrungsteils (8) eine im wesentlichen zylindrische Mantelfläche mit einer Ausnehmung aufweist, auf die das Sekundärgas nach Passieren des Sekundärgasfuhrungsteils (8) trifft.
7. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung rund oder mehreckig ist.
8. Plasmabrenner (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärgasruhrungsteil (8) ein Ring ist, in dem über seinen Kreisumfang mindestens zwei Durchlässe (8 a) äquidistant angeordnet sind.
9. Plasmabrenner (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich der/die Durchlaß/Durchlässe (8 a) radial erstreckt/erstrecken.
10. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß (8 a) einen Versatz zur Radiale aufweist.
11. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz im Bereich von 0,5 bis 4 Millimeter liegt.
12. Plasmabrenner (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß (8a) einen Durchmesser im Bereich von 0,2 bis 1,0 Millimeter aufweist.
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