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Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner sowie ein Verfahren zum Betreiben eines metallurgischen Ofens.
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Zum effizienten Erhitzen von gasförmigen Medien, insbesondere für metallurgische Prozesse werden Plasmabrenner eingesetzt. Diese erzeugen einen extrem heißen Plasmastrahl, welcher hauptsächlich durch Ionisierung eines Gases entsteht. Ein elektrischer Lichtbogen wird durch ein Gas wie Argon oder Stickstoff geleitet, wodurch das Gas in einen Plasmazustand übergeht. Das Plasma kann Temperaturen bis zu 30.000 °C erreichen, was extrem heiß und energiereich ist. Dabei ist eine innerhalb des Plasmabrenners angeordnete Elektrode (Kathode) intensivem Verschleiß unterzogen, welche in regelmäßigen Abständen, meist einige hundert bis tausend Stunden, gewechselt werden muss.
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Es bestehen zwei unterschiedliche Bauweisen von Plasmabrennern:
- Plasmabrenner mit integrierter Anode, wobei ein Lichtbogen innerhalb einer am Austritt des Plasmas angeordneten Düsenspitze erzeugt, so dass ein Plasma frei aus der Düsenspitze austreten kann,
- Plasmabrenner mit einem metallischen Gegenstück als Anode, wobei sich ein Lichtbogen zwischen der als Elektrode fungierende Kathode in der Düse und dem metallischen Gegenstück bildet. Anwendungsbeispiel ist hier zum Beispiel der Plasmaschneider.
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Eine am Austritt des Plasmabrenners angeordnete Düse fokussiert den Plasmastrahl, um Energie auf einen kleinen Bereich oder Abschnitt zu konzentrieren. Diese hohe Energie kann genutzt werden, um Materialien zu schmelzen und/oder zu verdampfen, oder sie zu schneiden. Plasmabrenner finden weiterhin Anwendung in Prozessen wie dem Plasmaspritzen, bei welchem Material auf Oberflächen aufgetragen werden, oder in der Plasmachemie, bei welcher Reaktionen durch ein Plasma initiiert werden.
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Eine Steuerung eines Plasmabrenners kann über präzise Regelsysteme erfolgen, um Temperatur und Gasfluss steuern zu können. Ein Plasmabrenner ist daher ein vielseitiges Werkzeug, welches in vielen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt wird.
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Ein Plasmabrenner funktioniert durch Erzeugung eines extrem heißen Plasmastrahls, durch Ionisierung eines Gases. Dabei wird ein elektrischer Lichtbogen innerhalb einer Düse des Plasmabrenners erzeugt, wobei der Lichtbogen ein Gas, welches durch den Plasmabrenner und somit durch die Düse strömt, ionisiert. Das Gas, häufig Argon, Stickstoff oder Luft, wird dabei durch den Lichtbogen so stark erhitzt, dass es in einen Plasmazustand übergeht. Dabei werden die Atome des Gases ionisiert, wodurch ein elektrisch leitfähiges Plasma entsteht. Die Düse und auch weitere Komponenten des Plasmabrenners werden oft gekühlt, insbesondere mit Wasser, um die hohen Temperaturen zu bewältigen und eine Überhitzung zu verhindern.
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Mithin erzeugen konventionelle Plasmabrenner durch eine hohe Spannung zwischen einer Kathode und einer Anode einen Lichtbogen, welcher Gas erhitzt, und Plasma erzeugt. Diese Technologie hat den Nachteil, dass die Lebensdauer von Kathode und Anode durch die extrem hohen Temperaturen sehr begrenzt ist.
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Des Weiteren ist aus der
US 2022/0256683 A1 ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum automatischen Ersetzen von Elektroden (Kathoden) in Plasmabrennern bekannt, um einen fast kontinuierlichen Betrieb aufrecht zu halten, wobei jedoch während des Wechsels der Kathode der Plasmabrenner nicht in Betrieb ist.
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Auch bekannt als "hot-wire" ist in der Plasmaschneidtechnologie, eine Hilfsanode in Form eines externen Drahts zu realisieren, welcher vor die Düse und damit gezielt in den Plasmastrahl zugeführt wird. Ferner ist auch ein Plasmaschneidsystem mit Wassereinspritzung bekannt, wobei das Wasser so geleitet wird, dass es auf den Plasmalichtbogen trifft und ihn berührt, und zwar zwischen der einschnürenden Düsenbohrung und dem vorderen Teil der Düse. Die Kraft des Wassers begünstigt eine (weitere) Einschnürung des Plasmalichtbogens, wodurch höhere Schnittgeschwindigkeiten und eine bessere Schnittqualität umgesetzt werden können.
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Des Weiteren ist aus der
US 9 752 206 B2 der Einsatz von Plasmabrennern in metallurgischen Öfen bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen im Vergleich zum Stand der Technik thermisch geringer belasteten Plasmabrenner sowie ein Verfahren zum Betreiben eines metallurgischen Ofens mit einem entsprechenden Plasmabrenner bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird in Bezug auf einen Plasmabrenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in Bezug auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den nachgeordneten Ansprüchen aufgeführt.
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Die erste Lehre der Erfindung betrifft einen Plasmabrenner mit einer am Austritt des Plasmabrenners angeordneten Düse zum Ausleiten eines Plasmastrahls, welcher mit einem die Düse durchströmenden Plasmagases in Verbindung mit einem innerhalb der Düse erzeugten Lichtbogen erzeugbar ist, wobei der Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung zwischen einer im Inneren des Plasmabrenners angeordneten Kathode und einer im Inneren der Düse angeordneten Anode erzeugbar ist, wobei die Kathode als Hohlelektrode zum Durchleiten eines Kühlmediums ausgebildet ist.
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Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch das Vorsehen einer Hohlelektrode als Kathode, durch welche ein Kühlmedium durchleitbar ist bzw. durchgeleitet wird, eine verbesserte Kühlung bereitgestellt und dadurch die im Betrieb des Plasmabrenners zwangsläufig entstehende Wärme schneller und effektiver abgeleitet werden kann, wodurch u.a. eine thermische Ermüdung der Kathode verzögert und damit die Standzeit der Kathode erhöht werden kann.
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Als Kühlmedium kommen neben Gasen vorzugsweise Flüssigkeiten in Frage, bevorzugt Wasser.
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Als Plasmagas eignen sich zum Beispiel Stickstoff, Argon oder Luft. Es können aber auch andere Gase, wie zum Beispiel Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasserdampf, Koksgas, Gichtgas, Erdgas oder eine Mischung aus den genannten Gasen eingesetzt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann die Kathode innerhalb des Plasmabrenners nachführbar angeordnet sein. Dadurch kann neben der nachführbaren Anode auch eine nachführbare Kathode zu einem stabilen und unterbrechungsfreien Prozess führen.
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Gemäß einer Ausgestaltung können weitere Kathoden seitlich des Plasmabrenners oder von hinten auf der gegenüberliegenden Seite des Austritts in den Plasmabrenner einführbar und somit innerhalb des Plasmabrenners nachführbar sein. Weitere Kathoden können bevorzugt von hinten auf der gegenüberliegenden Seite des Austritts in den Plasmabrenner nachführbar und mit der noch in dem Plasmabrenner vorhandenen (Rest-)Kathode verbindbar angeordnet sein, bevorzugt stoffschlüssig verbindbar, so dass eine quasi Verlängerung der Kathode bewirkt werden kann und somit die Kathode quasi endlos nachsetzbar sein kann.
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Als Kathode kann ein elektrisch gut leitendes Metall, beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung, und/oder ein verschleißbeständiges Metall, beispielsweise Hafnium oder eine Hafniumlegierung, zur Anwendung kommen. insbesondere kann die Anode aus einem Verbundmaterial gefertigt sein, welches zum einen gut elektrisch leitend und zum anderen verschleißbeständig ist, vorzugsweise einen Verbund aus Kupfer oder Kupferlegierung und Hafnium oder Hafniumlegierung umfasst oder daraus besteht. Die Kathode kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 5 und 100 mm aufweisen, insbesondere mindestens 8, 10, 15 mm und insbesondere höchstens 90, 70, 60 mm, insbesondere abhängig von der Dimensionierung des Plasmabrenners. Dabei kann die Wandstärke der Kathode zwischen 1 und 10 mm betragen.
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Beispielweise ist die Anode im Bereich des Austritts des Plasmabrenners innerhalb der Düse, vorzugsweise im Bereich des engsten Querschnitts innerhalb der Düse angeordnet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Anode innerhalb der Düse in Wendelform angeordnet sein. "Wendelform" im Sinne der Erfindung bedeutet, dass vorzugsweise eine als längliche Drahtelektrode bestehende Anode in Draufsicht einem Ring entspricht. Die Wendelform kann beispielsweise eine Windungszahl zwischen mindestens 1 und n aufweisen, wobei n beispielsweise maximal 10 betragen kann. Die Windungen müssen nicht zwingend vollständig ausgeführt sein, um eine natürliche Zahl als Windungszahl zu ergeben, sondern können auch keine ganzen (positiven) Zahlen sein, wie zum Beispiel 1,4, 2,3 oder 3,7. Mithin ist somit jede Zahl inklusive jeder nicht ganzen Zahl, wobei nur eine Nachkommastelle Berücksichtigung findet, zwischen 1,0, 1,1, 1,2, ... 9,8, 9,9, 10,0 als Windungszahl denkbar und hiermit explizit offenbart.
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Als Anode kann ein elektrisch gut leitendes Metall, beispielsweise Kupfer oder eine Kupferlegierung, und/oder ein verschleißbeständiges Metall, beispielsweise Hafnium oder eine Hafniumlegierung, zur Anwendung kommen. insbesondere kann die Anode aus einem Verbundmaterial gefertigt sein, welches zum einen gut elektrisch leitend und zum anderen verschleißbeständig ist, vorzugsweise einen Verbund aus Kupfer oder Kupferlegierung und Hafnium oder Hafniumlegierung umfasst oder daraus besteht. Die Anode kann beispielsweise einen Durchmesser zwischen 0,5 und 10 mm aufweisen, insbesondere mindestens 1, 2, 5 mm und insbesondere höchstens 9, 8, 7 mm.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann die Anode als Drahtelektrode innerhalb der Düse nachführbar angeordnet sein. Vorzugsweise kann die Anode in einem Kanal nachführbar angeordnet sein. Damit ist beispielsweise eine störungsfreie Zuführung der Anode in bzw. zur Düse möglich. So können beispielsweise der Kanal außerhalb des Plasmabrenners angeordnet sein und die Anode über eine Zufuhröffnung in der Düse ins Innere der Düse einführbar und/oder nachführbar sein. Vorzugsweise kann die als Drahtelektrode fungierende Anode von einer Spule abziehbar sein. Damit kann ein quasi endloses Langprodukt bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann die Düse an ihrer Innenwandung einen Abschnitt mit einer Wendelkontur umfassen, in welchem die Anode aufnehmbar und/oder nachführbar ist. Dabei kann das Nachführen der Anode begünstigt und/oder unterstützt werden, insbesondere auch sichergestellt werden, dass, vorzugsweise bei einer gezielten Nachführung der Kathode insbesondere in eine definierte Arbeitsposition, immer ein konstanter Abstand von der Anode zur Kathode und damit ein stabiler Prozess gewährleistet werden kann. Durch die Wendelkontur kann bevorzugt eine zielgenaue und/oder definierte Positionierung der nachgeführten Anode sichergestellt werden. Die Wendelkontur kann zylindrisch oder auch konisch ausgeführt sein.
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Die zweite Lehre der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines metallurgischen Ofens, umfassend mindestens einen Plasmabrenner mit einer am Austritt des Plasmabrenners angeordneten Düse zum Ausleiten eines Plasmastrahls, welcher mit einem die Düse durchströmenden Plasmagases in Verbindung mit einem innerhalb der Düse erzeugten Lichtbogens erzeugt wird, wobei der Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung zwischen einer im Inneren des Plasmabrenners angeordneten Kathode und einer im Inneren der Düse angeordneten Anode erzeugt wird, wobei die Kathode als Hohlelektrode ausgebildet ist, durch welche ein Kühlmedium geleitet wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann das Kühlmedium kontinuierlich durch die Kathode durchgeleitet werden, so dass eine gezielte Kühlung der Kathode bewirkt und somit der Verschleiß der Kathode reduziert werden kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann Wasser als Kühlmedium oder ein Gas als Kühlmedium durchgeleitet werden. Bevorzugt wird ein Gas verwendet, welches inert sein und nicht am metallurgischen Prozess teilnehmen kann, wie zum Beispiel Argon oder Stickstoff, oder ein Gas, welches so ausgewählt wird, dass es den metallurgischen Prozess aktiv unterstützen kann, wie zum Beispiel Luft, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff, Wasserdampf, Erdgas, Koksgas, Gichtgas oder eine Mischung aus den genannten Gasen. Ist der metallurgische Ofen besonders bevorzugt ein Hochofen, ein Direktreduktionsofen oder ein Ofen in der NichtEisen (NE) Industrie, können die insbesondere aktiv unterstützenden Gase als Reduktionsmittel im metallurgischen Prozess Anwendung finden. Beispielsweise wird das Wasser beim Durchströmen der Hohlkathode erwärmt, ändert den Aggregatzustand und zersetzt sich zu Wasserstoff und Sauerstoff. Der freigesetzte Wasserstoff dient insbesondere im Hochofen oder im Direktreduktionsofen als Reduktionsmittel zum Reduzieren von Eisenerz. Der freigesetzte Sauerstoff kann mit einem Kohlenstoffträger, beispielsweise durch Einblasen von Kohlenstoff-Partikel, zu Kohlenmonoxid reagieren, welches wiederrum zur Reduktion genutzt werden kann.
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Der Einsatz mindestens eines Plasmabrenners am Hochofen oder mehrerer über den Umfang des Hochofens verteilte Plasmabrenner kann/können beispielsweise die klassische Einleitung von Heißwind zumindest zum Teil oder auch vollständig ersetzen.
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Ein Direktreduktionsofen ist im Sinne der Erfindung ein Direktreduktionsreaktor, in welchem Eisenerz (10) mittels heißen Reduktionsgasen, welche eine Temperatur zwischen 700 und 1200 °C aufweisen können, zu Eisenschwamm (DRI) reduziert werden. Dieser Standardprozess kann durch Einsatz mindestens eines Plasmabrenners und geeignetem Plasmagas, wie zum Beispiel Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid, ersetzt werden, da die erforderliche Temperatur über das Plasma erzeugt und beispielsweise zumindest ein Teil des erforderlichen Reduktionsgas insbesondere durch das Kühlmedium, vorzugsweise durch das Gas des Plasmabrenners bereitgestellt werden kann.
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Ein Ofen in der NE-Industrie ist ein Ofen, welcher eine Temperatur zwischen 700 und 1500 °C aufweisen kann und in welchem eine metallurgische Behandlung durch eine Gasphase und/oder über eine Erzeugung von Metall/Schlacke durchgeführt wird. in diesem Standardprozess kann durch Einsatz mindestens eines Plasmabrenners und geeignetem Plasmagas, wie zum Beispiel Argon, Stickstoff, Luft, Wasserstoff, Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid, ersetzt werden, da die erforderliche Temperatur über das Plasma erzeugt und beispielsweise zumindest ein Teil des erforderlichen Ofenatmosphäre insbesondere durch das Kühlmedium, vorzugsweise durch das Gas des Plasmabrenners bereitgestellt werden kann.
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Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die Ausgestaltung der ersten Lehre verwiesen. Entsprechende Merkmale der ersten Lehre sind mithin auch in der zweiten Lehre anwendbar und/oder umsetzbar und für den Fachmann somit nachvollziehbar. Somit sind auch alle Kombinationen einzelner Merkmale der ersten Lehre mit der zweiten Lehre offenbart.
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Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. Gleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen
- Figur 1
- einen schematischen Längsschnitt einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners und
- Figur 2
- einen schematischen Längsschnitt einer zweiten Ausführung eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners.
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In Figur 1 ist ein schematischer Längsschnitt eines Plasmabrenners (1) gemäß einer ersten Ausführung dargestellt. Der Plasmabrenner (1) umfasst eine an seinem Austritt angeordnete Düse (3) zum Ausleiten eines Plasmastrahls (12), welcher mit einem die Düse (3) durchströmenden Plasmagases (10) in Verbindung mit einem innerhalb der Düse (3) erzeugten Lichtbogen (13) erzeugbar ist, wobei der Lichtbogen (13) durch Anlegen einer Spannung, beispielsweise erzeugbar mittels einer Spannungsquelle (5), zwischen einer im Inneren des Plasmabrenners (1) angeordneten Kathode (4) und einer im Inneren der Düse (3) angeordneten Anode (6) erzeugbar ist. Die Kathode (4) ist als Hohlelektrode zum Durchleiten eines Kühlmediums (11) ausgebildet.
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Sowohl die Kathode (4) innerhalb des Plasmabrenners (1) als auch die Anode (6) als Drahtelektrode innerhalb der Düse (3) können nachführbar angeordnet sein. Die Nachführung der Kathode (4) ist durch den Pfeil in Verbindung mit dem Bezugszeichen (4.1) angedeutet. Die Nachführung der Anode (6) ist durch den Pfeil in Verbindung mit dem Bezugszeichen (6.1) angedeutet. Die Anode (6) kann in Wendelform (6.2) innerhalb der Düse (3) angeordnet sein. in dieser Ausführung weist die Wendelform (6.2) eine Windungszahl von mindestens 1,0 auf, insbesondere 1,5. Die Düse (3) kann an ihrer Innenwandung (3.1) einen Abschnitt mit einer Wendelkontur (3.2) umfassen, in welchem die Anode (6) aufnehmbar und/oder nachführbar ist. Die Anode (6) ist von einer Spule (6.4) abziehbar. Die Anode (6) kann in einem Kanal (2) nachführbar angeordnet sein, wobei der Kanal (2) außerhalb des Plasmabrenners (1) angeordnet ist und die Anode (6) über eine nicht dargestellte Zufuhröffnung in der Düse (3) ins Innere der Düse (3) einführbar und/oder nachführbar ist. Weitere Kathoden (4) können nicht dargestellt seitlich des Plasmabrenners (1) oder von hinten auf der gegenüberliegenden Seite des Austritts in den Plasmabrenner (1) einführbar, vorzugsweise mit der noch im Plasmabrenner (1) vorhandenen (Rest-)Kathode (4) verbindbar, und somit innerhalb des Plasmabrenners (1) nachführbar sein.
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ist die Anode (6) im Bereich der Lichtbogenerzeugung (13) beschädigt, erfolgt ein Nachschieben der Anode (6) beispielsweise um mindestens eine Windung. Damit entsteht am Austritt der Düse (3) ein temporärer Überstand (6.3), welcher mit der Zeit sukzessive abschmilzt, abbrennt bzw. verdampft. ist die Kathode (4) im Bereich der Lichtbogenerzeugung (13) beschädigt, insbesondere im vorderen Bereich der Kathode (4), erfolgt ein Nachschieben der Kathode (4) beispielsweise um einige Millimeter oder Zentimeter in Richtung Austritt der Düse (3) oder der Anode (6), so dass dadurch der vordere Bereich näher an die Anode (6) oder den Austritt der Düse (3) herangeführt wird und mit der Zeit sukzessive abschmilzt, abbrennt bzw. verdampft.
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Figur 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Plasmabrenners (1) gemäß einer zweiten Ausführung. Der Aufbau ist nahezu identisch zur ersten Ausführung mit dem Unterschied, dass in dieser Ausführung die Wendelform (6.2) eine Windungszahl von mindestens 4,0 aufweist, insbesondere 4,5. Es ist zwar nicht dargestellt, aber die Düse in der zweiten Ausführung kann dennoch an ihrer Innenwandung einen Abschnitt mit einer Wendelkontur umfassen, in welchem die Anode aufnehmbar und/oder nachführbar sein kann. Die Wendelkontur und damit auch die Wendelform (6.2) kann zylindrisch, aber auch konisch, hier nicht dargestellt, in beiden Ausführungen ausgeführt sein.
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in beiden Ausführungen ist eine Verwendung des jeweiligen Plasmabrenners (1) durch eine Bezugslinie (B) angedeutet, welche eine Wandung eines beispielhaften Hochofens, eines Direktreduktionsofens oder eines Ofens in der NE-Industrie symbolisiert. Somit strahlt das Plasma (12) ins Innere (A) eines Hochofens, eines Ofens in der NE-Industrie oder eines Direktreduktionsofens. Das Bestücken von weiteren Kathoden (4) und das Bereitstellen von Spulen (6.4) erfolgt somit außerhalb der Bezugslinie (B). Die Anordnung des Plasmabrenners (1) an/in einer Wandung ist nur beispielhaft zu verstehen, da selbstverständlich je nach Verwendung der Plasmabrenner (1) durchaus weiter als gezeigt in den Ofenraum hineinragen kann, aber auch zurück versetzt in/an der Wandung angeordnet sein kann. Die Düse (3) und optional auch weitere and die Düse (3) anschließende Teile eines Plasmabrenners (1) werden in der Regel mittels eines Kühlsystems (7) aufgrund der hohen Wärmeerzeugung durch das Plasma (12) gekühlt.
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Wesentlich ist das Durchleiten (11) eines Kühlmediums durch die als Hohlelektrode ausgebildete Kathode (4). Bevorzugt wird Wasser oder vorzugsweise Gas als Kühlmedium durchgeleitet. Entsprechende nicht dargestellte Ausführungen zum Anschließen von wasser- oder gasführenden Leitungen an den Plasmabrenner bzw. an die Hohlelektrode sind selbstredend für den Fachmann unproblematisch.