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Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner sowie eine entsprechende Verwendung.
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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 besseren Schnittqualität umgesetzt werden können.
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Des Weiteren ist aus der
DE 695 29 459 T2 bekannt, Plasmabrenner zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken einzusetzen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen wartungsfreundlichen Plasmabrenner sowie eine entsprechende Verwendung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird in Bezug auf einen Plasmabrenner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in Bezug auf eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 12, 14 oder 15 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 Anode als Drahtelektrode innerhalb der Düse nachführbar angeordnet ist.
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Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein im Wesentlichen wartungsfreundlicher Plasmabrenner bereitgestellt werden kann, wenn eine als Drahtelektrode fungierende Anode innerhalb der Düse nachführbar angeordnet ist. Damit kann die Anode sukzessive nachgefahren werden, um einen stabilen und unterbrechungsfreien Prozess sicherstellen zu können.
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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 Ausgestaltung kann die Anode in Wendelform innerhalb der Düse angeordnet sein. "Wendelform" im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die als Drahtelektrode bestehende Anode in Draufsicht einem Ring entspricht. Die Wendelform kann somit gemäß einer vorzugsweisen Ausgestaltung 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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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 kann die Düse an ihrer Innenwandung einen Abschnitt mit einer Kontur 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. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung entspricht die Kontur einer Wendelkontur. Damit 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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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung 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 Anode in einem Kanal nachführbar angeordnet sein. Damit ist beispielsweise eine störungsfreie Zuführung der Anode in bzw. zur Düse möglich. So können gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung 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.
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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 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 sind, 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.
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Eine zweite Lehre der Erfindung betrifft eine Verwendung mindestens eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners in mindestens einem Hochofen. Der Aufbau von Hochöfen und der Prozess zur Rohstahlerzeugung sind der Fachwelt geläufig. So kann mindestens ein im Wesentlichen wartungsfreundlicher Plasmabrenner im rauen Umfeld eines Hochofens verwendet werden, um insbesondere Wärme und/oder Energie in den Hochofenprozess einzuleiten, welche heutzutage (noch) mittels sogenannten Heißwind erfolgt, welcher über mehrere am Umfang des Hochofens verteilte Windformen eingebracht wird. Die Verwendung eines entsprechenden Plasmabrenners kann auch als Ersatz mindestens einer Windform dienen. Vorzugsweise können eine Vielzahl entsprechender Plasmabrenner die Windformen und damit den standardmäßigen Heißwindeinsatz vollständig ersetzen. Auch können mindestens ein entsprechender Plasmabrenner oder bevorzugt mehrere entsprechende Plasmabrenner am Schacht des Hochofens angeordnet werden, in einer zweiten Ebene insbesondere oberhalb der Windformebene. Durch eine geeignete Wahl des Plasmagases, wie zum Beispiel Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Luft, Argon, Stickstoff, Gichtgas, Koksgas, Wasserstoff, Wasserdampf, Erdgas oder eine Mischung aus den genannten Gasen, kann zumindest ein Teil der Reduktion des im Hochofenprozesses eingetragenen Eisenerzes über das ionisierte Gas erfolgen und damit der Eintrag von Koks bzw. generell von fossilen Kohlenstoffträgern reduziert werden, was sich wiederum positiv auf die CO2-Bilanz auswirken kann.
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Eine weitere Lehre der Erfindung betrifft eine Verwendung mindestens eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners in mindestens einem Wärmebehandlungsofen für Metallprodukte. Dabei können Plasmabrenner in indirekt oder bevorzugt in direkt befeuerten Wärmebehandlungsöfen zur Anwendung kommen. Die Temperatur, insbesondere die Ofenatmosphärentemperatur, in einem Wärmebehandlungsofen zur Wärmebehandlung von Metallprodukten kann mindestens 500 °C, 600 °C, 700 °C, 800 °C, insbesondere mindestens 900 °C, 1000 °C, 1100 °C und bis zu beispielsweise 1500 °C, 1450 °, 1400 °C betragen. Gemäß einer bevorzugten Verwendung können Stahlbrammen in einem mindestens Hubbalkenofen oder in einem mindestens Stoßbalkenofen wärmebehandelt werden, bei welchen es sich um direkt befeuerte Wärmebehandlungsöfen handelt. Durch eine geeignete Wahl des Plasmagases, wie zum Beispiel Stickstoff oder Argon, kann eine im Wesentlichen wasserstoff- und/oder wasserdampffreie bzw. zumindest -reduzierte Ofenatmosphäre erzeugt werden, welche positiven Einfluss auf die Stahlbramme hat und damit eine geringe Verzunderung an der Oberfläche stattfindet und/oder ein reduzierter Wasserstoffeintrag erfolgen kann.
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Eine weitere Lehre der Erfindung betrifft eine Verwendung mindestens eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners in einem (anderen) metallurgischen Aggregat, welches mit Erdgasbrenner und/oder Wasserstoffbrenner beheizt wird, wie zum Beispiel Pfannenöfen, Drehtrommelöfen, Tilting Refining Furnace (TRF). Vorzugsweise findet das metallurgische Aggregat in der Nicht-Eisen (NE) Industrie Anwendung.
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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 oder weiteren Lehre anwendbar und/oder umsetzbar und für den Fachmann somit nachvollziehbar. Somit sind auch alle Kombinationen einzelner Merkmale der ersten Lehre mit der zweiten oder weiteren 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, wobei die Kathode (4) innerhalb des Plasmabrenners (1) nachführbar angeordnet sein kann, wobei die Anode (6) als Drahtelektrode innerhalb der Düse (3) nachführbar angeordnet ist. 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) ist in Wendelform (6.2) innerhalb der Düse (3) angeordnet. In dieser Ausführung weist die Wendelform (6.2) eine Windungszahl von mindestens 1,0 auf, insbesondere 1,5. Die Düse (3) umfasst an ihrer Innenwandung (3.1) einen Abschnitt mit einer Kontur (3.2), in welchem die Anode (6) aufnehmbar und/oder nachführbar ist. Dabei entspricht die Kontur (3.2) bevorzugt einer Wendelkontur. 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 in dem Plasmabrenner (1) vorhandenen (Rest)Kathode (4) verbindbar, und somit innerhalb des Plasmabrenners (1) nachführbar sein. 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 bzw. an der Spitze der Kathode (4), erfolgt ein Nachschieben der Kathode (4) beispielsweise um einige Millimeter bis Zentimeter in Richtung Austritt der Düse (3) oder Anode (6), so dass dadurch die Spitze 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 Kontur umfassen, in welchem die Anode aufnehmbar und/oder nachführbar ist, wobei die Kontur einer Wendelkontur entspricht. 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 Wärmebehandlungsofens zur Wärmebehandlung von nicht dargestellten Metallprodukten oder eines metallurgischen Aggregats für die NE-Industrie, symbolisiert. Somit strahlt das Plasma (12) ins Innere (A) eines Hochofens, eines Wärmebehandlungsofens oder metallurgischen Aggregats. 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, an 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.