FI84548C - Plasmabraennare. - Google Patents

Description

84548

Plasmapoltin - Plasmabrännare

Hakemus koskee plasmapoltinta, joka käsittää elektrodin, jossa on valokaarenpuolista päätä kohti kartiomaisesti kaventuva katkaistun kartion muotoinen osa ja elektrodia samankeskisestä ympäröivän, kavennetulla aukolla varustetun suuttimen, jossa on ainakin osittain kartiomaisesti kulkeva sisävaippa, jolloin elektrodi toisaalta ulottuu kavennettuun aukkoon ja toisaalta seisoo suutinkanavan etureunan takana ja jolloin elektrodin katkaistun kartion muotoisen osan vaippa ja suuttimen sisävaippa muodostavat rengaskanavan ionisoituvan kaasun johtamiseksi valokaaren plasmaan.

Tämän tyyppiset plasmapolttimet ovat sinänsä tunnettuja. Niitä käytettäessä on elektrodien ja suuttimien kestävyys hyvin tärkeää. Tähän liittyvät ongelmat tulevat ennen kaikkea esiin siellä, missä on muodostettava suurehkoja valokaaren pituuksia, paljon yli 200 mm, ja missä poltinta ympäröivä ilmatila sisältää kaasuja, jotka voivat syövyttää elektrodeja kemiallisesti, esim. hapettamalla. Tällaisia vaikeita olosuhteita esiintyy varsin yleisesti esimerkiksi plasma-polttimilla varustettuja metallinsulatusuuneja käytettäessä. Tällöin on usein vaatimuksena, että valokaari palaa myös melko suurina pituuksina, esim. aina yli 700 mm, varmasti, ts. ilman vaaraa sen katkeamisesta.

Tätä varten, kuten myös suuttimen kestävyyteen nähden, on plasmavalokaarelle varmistettava suuri stabiliteetti.

Mitä epästabiilimpi valokaari nimittäin rakenteeltaan on, mitä vähemmän tiukasti ja terävästi se on rajattu, sitä suurempi on olemassa vaara sivuvalokaarien muodostumisesta, jotka hyppäävät suuttimen ulkovaipalle ja palavat sulatettavaan ainekseen tai päävalokaareen. Tällaiset sivuvalokaaret tuhoavat kuitenkin suuttimen useimmiten välittömästi.

Hyvin jäähdytettyjen elektrodien, jotka on valmistettu korkealla sulavista metalleista, kuten molybdeenista, tan- 2 84548 taalista tai wolframista, joissa on pieniä määriä emissioma-teriaalia, kuten toriumoksidia tai sirkonioksidia, pääasiallinen kulumismekanismi on, mikäli poltin ei toimi elektrodin suhteen inertissä ympäristössä, elektrodin kemaillinen tuhoutuminen .

Koska metalleja sulatettaessa useimmiten vapautuu hapettuvia kaasuja ja uunitilassa on vielä jäännösilmaa, on tällöin yleensä kyse hapettumisesta. Tätä pienentää kylläkin enemmän tai vähemmän suuttimesta virtaava elektrodia ympäröivä inertti plasmakaasu.

Erityisessä määrin lisääntyvät lämpötilan noustessa muut kulutustekijät, kuten sulaminen, höyrystyminen, purskeet.

Sen tähden on ennen kaikkea melko suurilla virranvoimakkuuk-silla huolehdittava tehokkaasta elektrodien jäähdytyksestä.

Elektrodien jäähdytystä varten on jo DE-patenttijulkai-sussa 1 440 628 ehdotettu osa ionisoituvasta kaasusta johdettavaksi valokaarelle elektrodin kärjessä olevan keskipo-rauksen kautta. Elektrodi on olennaisesti sylinterimäinen ja etuosastaan kärjellä varustettu. Keskeisestä kaasuvirrasta johtuva lisäjäähdytys pienentää kylläkin elektrodien syöpymistä suurilla virranvoimakkuuksilla, mitta tällaisessa järjestelyssä elektrodi on kuitenkin riittämättömästi suojattu kemiallista syöpymistä vastaan. Lisäksi näillä toimenpiteillä ei voida taata pidempien stabiilien valokaarien muodostamista. Vaihtovirralla voidaan tällaisia polttimia käyttää vain rajoitetusta hyväksi.

Keksinnön tehtävänä on sen tähden aikaansaada plasmapol-tin, jolla ei ole edellä mainittuja haittoja, ja jonka suutin- ja elektrodikestoikä myös vaikeissa olosuhteissa käytettynä, romunsulatusuunnissa yli 200 mm:n valokaarempi-toisuuksilla, ja varsinkin vaihto- tai kolmivaihevirralla käytettynä, on pitkä.

Tehtävä ratkaistaan plasmapolttimella, joka tunnetaan siitä, että elektrodin katkaistun kartion muotoisessa osassa 3 84548 on oleellisesti tasainen päätepinta, jolloin katkaistun kartion muotoisen osan kartiokulma on 12° ja 60° välillä, ja että elektrodin ja suutinkanavan etureunan välinen etäisyys on korkeintaan 1/3 elektrodin katkaistun kartion muotoisen pinnan pienimmästä läpimitasta.

Kuvatulla suuttimen ja elektrodin muodossa saa rengaska-navan läpi virtaava kaasu suunnan, joka viime kädessä aikaansaa ratkaisevan parannuksen sekä kaaren stabiliteettiin että myös elektrodin suojaukseen hapettumiselta.

Elektrodivaipan kartiokulma on keksinnön erään lisäsuo-ritusmuodon mukaan suuruudeltaan 12° - 60°, suuttimen sisä-vaipan vastaava 12° 80°. Edullisesti valitaan kuitenkin kummassakin tapauksessa 24°:n kartiokulma.

Muuten muodoltaan tasainen elektrodin valokaarenpuolei-nen pää on edullisesti varustettu viisteellä tai elektrodi on elektrodikärjen alueella koveraksi tai kuperaksi muotoiltu j a viisteellä varustettu. Aina plasmapolttimen koon tai valokaaren voimakkuuden mukaan voi elektrodissa lisäksi olla yksi tai useampia kanavia, joista osa ionosoituvasta kaasusta virtaa läpi.

Suuttimen sisävaippaan käytetään suositeltavasti korkealla sulavaa metallia, kuten esimerkiksi molybdeenia, tan- 4 84548 taalia tai wolframia. Suuttimen etuosa voi muodostua erillisestä kappaleesta, joka on valamalla, hitsaamalla, juottamalla, puristussovituksella tai irroitettavana kierteillä varustettuna osana kiinnitetty plasmapolttimeen tai koko 5 suuttimeen.

Piirustuksissa on esitetty keksinnön eräs suoritusmuoto .

Kummassakin kuvassa 1, 2 on esitetty poikkileikkausku-vanto suuttimesta, jossa on keskeisesti järjestetty elek-10 trodi.

Kuvassa 1 esitetty plasmapoltin käsittää olennaisesti elektrodin 2, joka on kiinnitetty nestejäähdytettyyn elek-trodipitimeen 1. Elektrodi 2 on etuosaltaan katkaistun kartion muotoinen, ja sillä on valokaaren puoleiseen päähän 15 pienenevä säde. Elektrodin valokaarenpuoleista päätä, joka on muotoiltu olennaisesti tasaiseksi, ympäröi viiste 3.

Tältä osaltaan voi elektrodi myös olla koveraksi tai kuperaksi muotoiltu. Koska on tunnettua, että kärkeen päättyvät päät pidemmässä käytössä pyöristyvät, tulisi kulma- ja reu-20 namaisista rakenteista siten luopua. Elektrodin 2 pituus on 10 ja 20 mmm välillä. Lyhyemmillä elektrodeilla on haittana se, että ne huolimatta jonkin verran hitaammasta palamisesta joudutaan vaihtamaan aikaisemmin, liian pitkät elektrodit taas kuumenevat valokaaren puolella liikaa ja kuluvat 25 sen tähden nopeammin. Elektrodin 2 kartiokulma a samoin kuin kartiokulma 6, jonka suuttimen 9 sisävaippa muodostaa, on suuruudeltaan 24°. Elektrodin 2 vaippaa 8 ympäröi suuttimen 9 sisävaippa 4 niin, että väliin muodostuu rengaskanava 10, jonka rajapinnat elektrodikärjen alueella kulkevat yhden-30 suuntaisina tai kaventuvat toisiaan päin valokaaren suunnassa. Rengaskanava 10 on siten mitoitettu, että läpivir-taavan ionisoituvan kaasun radiaalinen ulostulonopeus kylmässä tilassa on suurudeltaan 3 ja 17 m/s välillä. Elektrodin 2 edessä oleva suutinkanavan suu 5 on suoritusesimerkis-35 sä sylinterimäinen, mutta se voi olla myös kartiomainen.

5 84548 Tällä keksinnön mukaisella suuttimen 9 ja elektrodin 2 suoritusmuodolla saa rengastilan läpi virtaava kaasu suunnan, joka, kuten lukuisat kokeet ovat osoittaneet, aikaansaa ratkaisevan parannuksen sekä kaaren stabilitee-5 tin että elektrodin hapettumissuojaan. Siten on vaihtovirtaa käytettäessä saatu aikaan aina 700 mm pitkiä stabii-listi palavia valokaaria. Tällöin ei elektrodeissa, joiden etupuolen läpimitta oli 10 mm asti, edes muutaman tunnin käyttöajan jälkeen näkynyt minkäänlaisia hapettumisjälkiä. 10 Käytettäessä läpimitaltaan tai poikkileikkaukseltaan suurempia elektrodeja esim. virranvoimakkuuden suurentamisen takia, voi olla tarkoituksenmukaista johtaa osa ionisoituvasta kaasusta elektrodissa olevan yhden tai useamman porauksen 6 kautta. On tosin osoittautunut, että yksin-15 omainen osan ionisoituvasta kaasusta johtaminen elektro-diporauksen läpi ei riitä ratkaisemaan keksinnönmukaista tehtävää, kuitenkin keksinnön mukainen kaasusyöttö yhdistettynä lisäsyöttöön yhden tai useamman elektrodiporauksen kautta aikaansaa edullisen suoja elektrodille.

20 Keksinnön mukaisessa suoritusmuodossa ilman keskeis tä kaasusyöttöä tulee elektrodin sijaita noin 1/4 - 1/3 pienimmästä läpimitastaan suutinkanavan etureunan takana. Tämä vastaa esim. 20 mmm läpimitalla 5-6,5 mmm määrää. Olennaisesti 6,5 mm:ä suurempi ei tämän määrän kuitenkaan 25 tulisi olla, koska silloin tulevat jäähdytyshäviöt valo- kaaren kanavassa kulkevalle osalle liian suuriksi, ja ennen kaikkea syntyy myös vaara kaaren hyppäämisestä suuttimel-le ja sivuvalokaarien muodostumisesta. Mainitulla kaasu-syötön yhdistelmällä rengaskanavan ja elektrodiporauksen 30 läpi voidaan kuitenkin vapaan kanavapituuden suhdetta elektrodiläpimittaan pienentää arvoon 1/6 - 1/8 suurinpiirtein yhtä hyvällä elektrodisuojalla niin, että myös yli 40 mmm elektrodiläpimitoilla voidaan saavuttaa tavoitellut edut.

35 Jotta rengaskanavan muoto voitaisiin myös pitemmällä 6 84548 käyttöajalla suurelti säilyttää, valmistetaan suuttimet, ei kuten yleensä on tavallista, kuparista, kuparilejeerin-gistä tai teräksestä, vaan niissä on erillinen kappale korkealla sulavaa metallia, suositeltavasti wolframia. Tämä 5 suuttimen sisävaipan muodostava lisäkappale voidaan liittää plasmapolttimeen valamalla, hitsaamalla, juottamalla, puristussovittamalla tai irroitettavana kierteillä varustettuna osana.

Kuvassa 2 on esimerkinomaisesti esitetty suoritus-10 esimerkki suuttimesta, johon on ruuvattu wolframia oleva lisäkappale 7. Tällä laitteella on erityisesti se etu, että kulunut suutinkappale voidaan lyhyessä ajassa vaihtaa, ja siten ei koko suutinta tarvitse uusia.

11

Claims (9)

1. Plasmapoltin joka käsittää elektrodin (2), jossa on valokaarenpuolista päätä kohti kartiomaisesti kaventuva i) katkaistun kartion muotoinen osa ja elektrodia (2) samankeskisestä ympäröivän, kavennetulla aukolla varustetun suuttimen (9), jossa on ainakin osittain kartiomaisesti kulkeva sisävaippa (4), jolloin elektrodi (2) toisaalta ulottuu kavennettuun aukkoon ja toisaalta seisoo suutin-10 kanavan (5) etureunan takana ja jolloin elektrodin (2) katkaistun kartion muotoisen osan vaippa (8) ja suuttimen (9) sisävaippa (4) muodostavat rengaskanavan (10) ionisoituvan kaasun johtamiseksi valokaaren plasmaan, tunnettu siitä, että elektrodin (2) katkaistun kartion 15 muotoisessa osassa on oleellisesti tasainen päätepinta, jolloin katkaistun kartion muotoisen osan kartiokulma (a) on 12° ja 60° välillä, ja että elektrodin (2) ja suutin-kanavan (5) etureunan välinen etäisyys on korkeintaan 1/3 elektrodin (2) katkaistun kartion muotoisen pinnan (8) 20 pienimmästä läpimitasta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että elektrodin (2) ja suutinkanavan (5) etureunan välinen etäisyys on 1/4 - 1/3 elektrodin (2) katkaistun kartion muotoisen pinnan (8) pienimmästä läpimitas- 25 ta.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että elektrodissa (2) on lisäksi yksi tai useampia kanavia (6) osan ionisoituvasta kaasusta läpivirtausta varten, ja että elektrodin (2) ja suutinkanavan (5) 30 etureunan välinen etäisyys on 1/8 - 1/6 elektrodin (2) katkaistun kartion muotoisen pinnan (8) pienimmästä läpimitasta.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että rengaskanava (10) kapenee valokaa- 35 renpuoleista päätä kohti.

5. Patenttivaatimuksien 1-4 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että suuttimen (9) sisävaipan (4) 8 84548 muodostama kartiokulma (β) on 12° ja 80°:een välillä, edullisesti 24°.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että muuten muodoltaan tasaisessa elekt- 5 rodin (2) valokaarenpuoleisessa päässä on viiste (3).

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että elektrodin (2) valokaarenpuoleinen pää on muodoltaan kovera tai kupera sekä viisteellä (3) varustettu.

7 84548

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tun nettu siitä, että suuttimen (9) sisävaippa muodostuu korkealla sulavasta metallista.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että suuttimen etuosa sisältää erillisen 15 kappaleen (7), joka on kiinnitetty suuttimeen (9) valamalla, hitsaamalla, juottamalla, puristussovittamalla tai irroitettavana osana kierteillä. 20