NO169870B - Vaeskeavkjoelt plasmabrenner med overfoert lysbue. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en væskeavkjølt plasmabrenner med overført lysbue, hvis kjølevæske, strøm og gass føres over tenn- og hovedelektrodelanser bestående av koaksiale rør til tenn- og hovedelektroden.

Plasmabrennere av denne art er kjente fra for eksempel DE-OS 29 00 330 og består i det vesentlige av hovedkomponentene brennmantel med dyse, hovedelektrodelansen med hovedelektroden og tennelektrodelansen med tennelektroden.

Ifølge teknikkens stilling er alle tre nevnte komponentene oppbygningsmessig hver for seg bestående fra hverandre elektrisk isolerte enheter med egne vannavkjølinger. Så vel tennelektrodelansen som også hovedelektrodelansen er hver for seg væskeavkjølt. Hver lanse består av rør, som er koaksialt anordnet i forhold til hverandre. Det ytre røret til tennelektrodelansen er lukket frontsidig mot tennelektroden og opptar tennelektroden. Det indre røret til tennelektrodelansen har mot frontveggen til det ytre røret henholdsvis tennelektroden en spalte gjennom hvilken det tilveiebringes forbindelse for kjølevæsken mellom sentralboringen til det indre røret og ringkanalen mellom det indre røret og det ytre røret. Strømmen føres via det ytre røret til tennelektroden.

Det ytre røret til tennelektrodelansen er ført via elektrisk isolerende avstandsholdere eller hylser inn i det indre røret til hovedelektrodelansen. Over ringkanalen, som fremkommer mellom det ytre røret og tennelektroden og det indre røret til hovedelektrodelansen, ledes tennplasmagassen til tennelektroden og til den dyseformede sentralboringen til hovedelektroden, som omgir tennelektroden.

For kjøling av hovedelektroden blir ifølge teknikkens stilling anvendt en hovedelektrodelanse som består av tre koaksialt anordnede rør. Herved tilveiebringes en fremover-løpsringkanal og en tilbakeløpsringkanal for kjølevæsken ledet forbi den indre frontveggen til hovedelektroden. Strømtilførselen til hovedelektroden kan i avhengighet av utførelsen av forbindelsen mellom elektroden og lansen foregå over det indre røret og/eller det ytre røret til hovedelektrodelansen. Den elektriske isoleringen mellom det ytre røret til hovedelektrodelansen og det indre røret til brennermantelen og til dysen tilveiebringes ved hjelp av avstandsholdere på den måten som det er beskrevet ovenfor med hensyn til frontelektrodelansen. På tilsvarende måte blir også hovedplasmagassen ledet inn i området mellom hovedelektroden og dysen.

Den kjente plasmabrenneren er oppbygningsmessig svært komplisert og har relatitvt høye varmetap langs sine mantelflater.

Fra US-PS 3 569 661 er det kjent en væskeavkjølt plasmabrenner for skjærebrennere, som forøvrig ligger fjernt fra teknikkens stilling, hvis eneste elektrode er samtidig tennelektrode og hovedelektrode og avkjøles av en flere ganger avbøyd gjennom kanaler førte kjølevæske.

Oppgaven til foreliggende oppfinnelse er å videreutvikle en plasmabrenner av den innledningsvis nevnte art slik at oppbygningen forenkles og de opptredende varmetap reduseres og det tilveiebringes en bedre virkningsgrad.

Denne oppgaven løses ved hjelp av et felles kjølekretsløp for tenn- og hovedelektrodelansen, som består av tre koaksialt i forhold til hverandre anordnede rør, idet kjølevæsken føres på den ene siden i med hverandre forbundede ringkanaler mellom det ytre røret og midtrøret og på den andre siden mellom det midtre røret og det indre røret. Herved innspares ikke bare kostnadene for røret og avtetningen, men den totale kjølevannsforsyningen til plasmabrenneren blir forenklet på en avgjørende måte. Dessuten kan diameteren til plasmabren-nerskaftet gjøres betydelig mindre, noe som medførerer en redusering av brennmantelflaten som påføres temperatur utenfra, dvs. varmetapet til mantelen avtar og virkningsgraden til brenneren forbedres betydelig. Som følge av den mindre brennerskaftdiameteren blir plasmabrenneren mer universell med hensyn til anvendelses- og innbygningsmulig-heter i kar av forskjellige typer og størrelser, som for eksempel i en smelteovn, en beholder, en tundish eller i et v akuuman1egg.

Da hovedelektrodelansen og tennelektrodelansen består totalt av kun tre koaksialt i forhold til hverandre anordnede rør, idet kjølevæsken på den ene siden føres inn i hverandre forbundede ringkanaler mellom det ytre ytre røret og midtrøret og på den andre siden mellom midtrøret og det indre røret, sørges det for at hovedelektroden er den komponenten som trenger den størst avkjølingen. Derved føres hovedelek-trodestrømmen via det ytre røret og tennelektrodestrømmen føres via det indre røret.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av underkravene. Ved at tennelektrodelansen er avtettet ovenfor kjølevæske-kanalene og elektrisk isolerte ovenfor hovedelektrodelansen henholdsvis hovedelektroden kan tenngassen føres umiddelbart inn i tennelektrodelansen, idet denne samtidig avkjøles utenfra.

For at kjølingen av det indre røret skal være tilstrekkelig på tross av isolasjonsslangen, som er trukket over utenfra, velges en tilsvarende tynnvegget isolasjonsslange, som fortrinnsvis er høyelastisk og høytemperatur fast. For å sentrere tennelektrodelansen tjener en eller flere hylser.

Midtrøret fortsetter i området av hovedelektroden ved hjelp av en hovedsakelig ringformet ombøyningsdel, som er åpen frontsidig for å tillate en forbindelse mellom de på begge sidene hertil liggende kjølevæskeringkanaler. Midtrøret, nevnte ombøyningsdel og hylsen for sentrering av tennelektrodelansen er av ikke ledende materiale og fortrinnsvis kunststoff. Derved forhindres en av kjølemdiumet forårsaket reduksjon av overgangsmotstanden mellom tennelektroden og hovedelektroden. Tennelektroden og gassdysen, i hvilken det sylindriske indre rommet til tennelektrodelansen overgår, er derimot elektrisk ledende. Dysevirkningen til gassdysen fremmes ved at de tilhørende tenngassinnføringskanalene føres konisk ut, fortrinnsvis i form av flere enkeltboringer, som igjen føres sammen i området av hovedelektroden henholdsvis utløpet.

Gassdysen og hovedelektroden er forbundet med hverandre via en ringformet isolasjonshylse, idet hylsen består av et høytemperaturfast kunststoff, en trykkvæsketett keramikk eller et blandingsmateriale av et kunststoff, et metall og en keramikk. Isolasjonsslangen føres overlappende og tettende over gassdysen og en del av isolasjonshylsen for å forbedre væskeisolasjonen. Den mellom den ytre flaten til gassdysen og den indre flaten til isolasjonshylsen anordnede 0-ringtetning, som ligger i et tilsvarende spor i gassdysen, optimerer tettheten. Selve hovedelektroden er pottelignende utformet og elektrisk ledende forbundet med det ytre røret. Mellom disse delene er anvendt en 0-tetning for tetning. En ytterligere 0-tetning befinner seg i overlappingsområdet til isolasjonshylsen og hovedelektroden.

Det har vist seg fordelaktig at det indre røret og/eller gassdysen fremstilles av kobber. Tennelektroden burde bestå av wolframa, som av fremstillingstekniske grunner støpes om tennelektroden i en øvre konisk formet del med kobber og danner den angjeldende støpeblokken til gassdysen.

For å tilveiebringe en mest mulig laminert strømning i strømningskanalene for tenngassen er det indre røret i det nedre delområdet konisk utvidet og konusformene tilpasset den seg der tilsluttende boring.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med et utførelseseksempel og med henvisning til tegningene, hvor:

fig. 1 viser en plåsmabrenner i lengdesnitt.

Fig. 2 viser festet av tennelektroden i et lengdesnitt i

forstørret målestokk.

Plasmabrenneren har som hovedkomponent en tenn- eller hjelpeelektrode 11, en hoved- eller dyseelektrode 12 og en dyse 13, som er elektrisk isolert fra hverandre.

Den i tverrsnitt sirkelrunde tennelektroden 11 er med sin øvre, koniske ende 11' innleiret i en gassdyse 14, som er festet til en tennlanse, som består kun et eneste rør 16 til forskjell fra kjente plasmabrennere. Rørets 16 sylindriske indre- eller hulrom 17 går over ved sitt nedre område, som grenser mot gassdysen 14, i en konisk utvidelse 18 med en kjeglevinkel 7. Gassdysen 14 har flere, for eksempel ti, på sin omkrets jevnt fordelte boringer eller gjennomgående hull 19. Aksen til boringene 19 er anordnet på en (tenkt) kjegleflate (19') slik at boringene 19 ligger tettere mot hverandre ved sine ender vendt mot røret 16 (altså tettere ved denne enden enn ved enden som er vendt mot tennelektroden 11) og ligger med sin ende vendt mot røret 16 totalt innenfor hultverrsnittet til den kjegleformede utvidelsen 18. Kjeglevinkelen til (tenkte) kjegleflate 19' er på fig. 2 betegnet med 3. Det indre røret 16 fremstilles fortrinnsvis av kobber, mens tennelektroden 11 er av wolfram.

Tennelektroden 11 fremstilles på følgende måte til et halvråprodukt: Tennelektroden 11 bearbeides til en stav med en konus 11'med en kjeglevinkel og omstøpes til slutt i en støpemetode med kobber i den for gassdysen 14 nødvendige dimensjon. Det således fremstilte halvråprodukt blir til slutt bearbeidet for fremstilling av boringen 19 og forbundet med røret 16. Ved hjelp av skråvinkelen (= halve kjeglevinkelen <p>) til horingen 19 i gassdysen 14 blir posisjonen til det gjennom gasstrømmen avkjølte området bestemt og kjølingens intensitet bestemmes også. Ved den lille avstanden til boringen 19 er området av gassdysen vendt mot røret 16 sterkere avkjølt enn området vendt mot tennelektroden 11. Som følge av dette velges kjeglevinkelen a til den øvre kjegleformede delen 11' til tennelektroden 11 slik at den totale strekningen av forbindelsen mellom gassdysen 14 og tennelektroden 11 utnyttes jevnt for strømoverføring og varmeleding.

Gassdysen 14 er på sin utside omgitt av ene enden til en elektrisk isolerende hylse 20. Med sin andre ende omslutter isolasjonshylsen 20 en sylindrisk flens 21 til hovedelektroden 12. Ved hjelp av et ringformet fremspring 22 på innsiden av hylsen 20 blir gassdysen 14 og hovedelektroden 12 holdt i avstand fra hverandre med sin flens 21. Isolasjonshylsen 20 tjener som mekanisk bindeledd mellom gassdysen 14 og hovedelektroden 12 og bevirker en nøyaktig anbringelse av tennelektroden 11 I forhold til hovedelektroden 12. Isolasjonshylsen 20 består fortrinnsvis av et høytemperatur-fast kunststoff og/eller trykkvæsketett keramikk eller en sammensetning av kunststoff, metall og keramikk.

Hovedelektroden 12 har en sentral gjennomgang 23, som over en dellengde, især i området av den sylindriske flensen 21, danner med den ytre flaten til tennelektroden 11 en ringformet kanal 24. Den indre diameteren til det ringformede fremspringet 22 er lik den indre diameteren til den seg der tilsluttende flensen 21 henholdsvis gjennomgangen 23 til hovedelektroden 12. Boringene 19 ligger med sine samtlige utganger innenfor den gitte flate av denne diameteren.

Røret 16 er på sin utside overtrukket av en lett monterbar og demonterbar tynnvegget, høytemperaturfast og høyelastisk isolasjonsslange 25, som griper ringformet også rundt gassdysen 14 og en del av isolasjonshylsen 20. I stedet for isolasjonsslangen kan også være anordnet et elektrisk isolerende sjikt.

Hovedelektroden 12 er med en ytre sylindrisk del 26 forbundet strømledende og trykkvæsketett med et rør 28. Mellom røret 28 og røret 16 er anordet et ytterligere rør 27, som ved sin nedre ende bærer en avbøyningsdel 29.

På grunn av sin koaksiale anordning blir rørene 16, 27, 28 i det følgende også betegnet som indre rør 16, midtre rør 27 og ytre rør 28. Det indre rør 16 med gassdysen 14 utgjør da tennelektrodelansen og disse danner sammen med hylsen 20 og det midtre røret 27 og det ytre røret 28 hovedelektrodelansen .

For koaksial sentrering av det indre røret 16 tjener hylsen 31 av elektrisk isolerende materiale og forsynt med akse-parallell gjennomgang, hvilke hylsen på den ene siden ligger an mot isolas jonsslangen 25 og på den andre siden mot innsiden av det midtre røret 27.

Det midtre røret 27 så vel som den seg tilsluttende avbøy-ningsdel 29 og også sentreringshylsen 31 består fortrinnsvis av kunststoff, som gir foruten elektrisk isolasjon vekt-innsparing.

Gassgjennomstrømningen for tennelektroden 11 foregår over den symbolsk antydede tenngasstilslutning 32, hulrommet 17, boringene 19 og ringkanalen 24. Ved hjelp av den kalde tennplasmagassen blir tennelektrodelansen, dannet av røret 16, avkjølt innvendig. Ved tente tennlysbue mellom tennelektroden 11 og hovedelektroden 12 går tennplasmagassen som plasmastråle ut av sentralboringen 23 til hovedelektroden 12.

Gjennomstrømningen av gassen for tenning av hoved- eller effektlysbuen mellom hovedelektroden 12 og en annen pol, for eksempel en metallsmelte, foregår over den symbolsk antydede plasmagasstilslutningen 33 og ringkanalen 34 som på den ene siden er dannet av den ytre flaten til det ytre røret 28 og hovedelektroden 12 og på den andre siden av den indre flaten til brennmantelen og dysen 13.

Mellom det indre røret 16 og det midtre røret 27 og mellom det midtre røret 27 og det ytre røret 28 er tilstede en ringkanal 35 henholdsvis 36 for gjennomstrømning av et flytende kjølemiddel. Begge ringkanalene 35, 36 er forbundet med hverandre mellom avbøyningsdelen 29 og frontdelen til hovedelektroden 12. Den av det indre røret 16 dannede tennelektrodelanse omfattes også av kjølemiddelstrømmen.

Elektrisk er tennelektroden 11 forbundet via gassdysen 14, det indre røret 16 og den ved denne seg befinnende, symbolsk antydede strømtilslutning 37 med en pol til en (ikke vist) strøm- henholdsvis spenningskilde. Hovedelektroden 12 er forbundet via det ytre røret 28 og den ved denne seg befinnende, likeledes symbolsk antydede strømtilslutning 39 med en andre pol til strøm- henholdsvis spenningskilden.

Til kjøling av så vel tennelektroden 11 som også hovedelektroden 12 blir det tilført et flytende kjølemiddel over den symbolsk antydede kjølemiddeltilslutningen henholdsvis kjølemiddelinnløp 41 i ringkanalen 35 og ledet tilbake under avbøyningsdelen 29 gjennom ringkanalen 36 til den symbolsk antydede kjølemiddel-bortstrømningen henholdsvis -utløpet 43. Derved blir det ytre røret 28, som fører strømmen til hovedelektroden 12 avkjølt innvendig av vannføringen. Dessuten blir det ytre røret 28 avkjølt av den kalde hovedplasmagassen som strømmer til hovedelektroden 12 gjennom ringkanalen 34.

For avtetning av kjølemiddelkretsløpet gjennom ringkanalene 35, 36 er anordnet tetninger i form av O-ringer mellom henholdsvis hylsen 20 og gassdysen 14 (0-ringen 45) og den sylindriske indre flensen 21 til hovedelektroden 12 (0-ringen 46) og mellom den ytre flensen 26 til hovedelektroden og det ytre røret 28 (O-ringen 47). O-ringene 45 ... 47 fastholdes i ringspor, idet ringsporet 48 i gassdysen 14 er for O-ringen 45 og ringsporet 49 i hylsen 20 er for O-ringen 46, som eksempelvis er vist på fig. 2.

Det indre røret 16 avkjøles foruten av det flytende kjølemid-let også av plasmagassen som strømmer gjennom hulrommet 17.

Den beskrevne plasmabrenneren drives fortrinnsvis som trefasevekselstrøm-plasmabrenner. Den kan imidlertid også drives med like- og/eller vekselstrøm som beskrevet i EP-OS

0 134 961 A2.

Claims (20)

1. Væskeavkjølt plasmabrenner med overførende lysbue, hvis kjølevæske, strøm og gass føres via tenn- og hovedelektrodelanser, som består av koaksiale rør til tenn- og hovedelektroden, karakterisert ved et felles kjølekretsløp (41, 35, 36, 43) for tenn- og hovedelektrodelansen (14, 16, 27, 28), som består av tre koaksialt i forhold til hverandre anordnede rør (16, 27, 28), idet kjølevæsken føres på den ene siden i de med hverandre forbundede ringkanaler (35, 36) mellom det ytre røret (28) og det midtre røret (27) og på den andre siden mellom det midtre røret (27) og det indre røret (16).

2. Plasmabrenner ifølge krav 1, karakterisert ved at tennelektrodelansen (14, 16) med tennelektroden (11) er avtettet overfor kanalene (35, 36) til kjøle-kretsløpet og er elektrisk isolert overfor hovedelektrodelansen (27, 28) henholdsvis hovedelektroden (12).

3. Plasmabrenner ifølge krav 1, karakterisert ved at strømtilslutning (39) for hovedelektrodestrømmen er forbundet med det ytre røret (28) og at strømtilslutning (37) for tennelektrodestrømmen er forbundet med det indre røret (16).

4. Plasmabrenner ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at tennelektrodelansen som er dannet av kun et rør, som leder tennstrømmen, det indre røret (16), innenfor hvilket indre rom (17) tenngassen føres, idet det indre røret (16) er overtrukket med en tynnvegget, fortrinnsvis høyelastisk og høytemperaturfast isolasjonsslange (25).

5. Plasmabrenner Ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at tennelektrodelansen (16) er sentrert i radial retning overfor den av midtre og ytre rør (27 henholdsvis 28) bestående hovedelektrodelanse, fortrinnsvis flere ganger med hylser (31).

6. Plasmabrenner ifølge et av kravene 3 til 5, karakterisert ved at det midtre røret (27) er forbundet med en ringformet avbøyningsdel (29), som under dannelse av en forbindelse med væskeringkanalene (35, 36) rager inn i hovedelektroden(12).

7. Plasmabrenner ifølge et av kravene 1 til 6, karakterisert ved at det midtre røret (27), avbøy-ningsdelen (29) og/eller hylsene (31) består av elektrisk Ikke-ledende materiale, fortrinnsvis kunststoff.

8. Plasmabrenner ifølge et av kravene 1 til 7, karakterisert ved at det sylindriske indre rommet (17) til det indre røret (16) til tennelektrodelansen munner Inn i en gassdyse (14), som er elektrisk ledende forbundet med tennelektroden (11).

9. Plasmabrenner ifølge krav 8, karakterisert ved at tennelektroden (11) rager med sin konisk utformede øvre del (11') inn i gassdysen (14) og at gassdysen (14) er utformet med radialt skrått utoverførte tenngassføringskana-ler (19).

10. Plasmabrenner ifølge et av kravene 8 eller 9, karakterisert ved at det indre tenngass rommet (17) til det indre røret (16) går over i flere, fortrinnsvis 8 til 12 symmetrisk i forhold til aksen til det indre røret (16) og tennelektroden (11) anordnede enkeltboringer (19), som i området av hovedelektroden (12) henholdsvis dens utgang (23) føres sammen igjen til et felles tverrsnitt.

11. Plasmabrenner ifølge et av kravene 1 til 10, karakterisert ved at gassdysen (14) og hovedelektroden (12) er forbundet løsbart med hverandre via en ringformet isolasjonshylse (20).

12. Plasmabrenner ifølge krav 11, karakterisert ved at isolasjonshylsen (20) består av et høytemperatur-fast kunststoff, en trykkvæsketett keramikk eller et sammensatt materiale av et kunststoff, et metall og en keramikk.

13. Plasmabrenner ifølge krav 11 eller 12, karakterisert ved at isolasjonsslangen (25) griper overlappende og tettende over gassdysen (14) og en del av isolasjonshylsen (20).

14. Plasmabrenner ifølge et av kravene 11 til 13, karakterisert ved at mellom den ytre flaten til gassdysen (14) og den indre flaten til isolasjonshylsen (20) er anordnet en O-ringtetning (45), som ligger i et tilsvarende spor (48) i gassdysen (14).

15. Plasmabrenner Ifølge et av kravene 1 til 14, karakterisert ved at hovedelektroden (12) er utformet pottelignende og er forbundet elektrisk ledende med det ytre røret (28).

16. Plasmabrenner Ifølge et av kravene 1 til 15, karakterisert ved at det er anordnet minst en 0-ringtetning (47 henholdsvis 46) mellom henholdsvis hovedelektroden (12) og det ytre røret (28) og mellom hovedelektroden (12) og isolasjonshylsen (20).

17. Plasmabrenner ifølge et av kravene 1 til 16, karakterisert ved at det indre røret (16) og/eller gassdysen (14) består av kobber.

18. Plasmabrenner ifølge et av kravene 1 til 17, karakterisert ved at tennelektroden (11) består av wolfram.

19. Plasmabrenner ifølge et av kravene 1 til 18, karakterisert ved at tennelektroden (11) er med sin øvre konisk formede del (11') omstøpt med en gassdyse (14) dannende en kobberblokk, i hvilken konisk på det indre rommet (17) til det indre røret (16) er anordnet sammenløpende boringer (19).

20. Plasmabrenner ifølge krav 19, karakterisert ved at det indre røret (16) er konisk utvidet i det nedre delområdet (18).