NO862016L - Plasmabrenner. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en plasmabrenner med en elektrodeholder som bærer en rørformig ytterelektrode og en koaksialt anordnet sentralelektrode, med en elektrisk strøm-tilførselskilde som via strømtilførsler lar seg forbinde med ytterelektroden og med sentralelektroden, og med en innretning for tilførsel av gass i området for elektrodene mellom hvilke en lysbue utvikles for å danne plasmaet.

En slik plasmabrenner er kjent fra EP-Bl-00 20 845, hvor den rørformige ytterelektrode såvel som den koaksiale sentrale elektrode er laget av et grafittisk materiale. Dimensjonene for begge elektroder er slik at avstanden mellom den stavformige innvendige elektrodedel og den rørfor-mige ytterelektrodes innvendige vegg er liten sammenlignet med deres samlede lengde. Det grafittiske elektrodemateria-le såvel som elektrodedimensjonene er her valgt slik at en uavbrutt og jevn hastighet for det aksiale forbruk av elek-troden og elektrodens lengde blir oppnådd. Derved blir elektrodens form og arbeidsbetingelser opprettholdt. Ved tilsvarende lange utformede elektroder for den kjente plasmabrenner kan elektrodenes frie ender dykkes ned i en metallsmelte, hvorved gasstrykket for dannelsen av plasmaet da må være tilsvarende høyt, slik at plasmaet kan komme ut i avhengighet av neddykkingsdybden. Dette innebærer at gasstrykket minst må være likt det hydrostatiske trykk av den angjeldende smelte. Plasmabrenneren er slik utformet at den greier seg uten kjølemiddel i brenneren.

Det er en ulempe at såvel den sentrale elektrode

som den rørformige ytterelektrode må etterstilles i forhold til hverandre ved hjelp av en drivmekanisme da materialforbruk finner sted mellom anode og katode i området for lysbuen. Dessuten er det en ulempe at spesielt ved anvendelse av grafittiske materialer og tilsvarende lang utformning av ytterelektroden og den innvendige elektrode'oppstår spesielt ved de gitte temperaturverdier under driften et tilsvarende høyt elektrisk tap på grunn av økningen av ledningsmotstan-den.

Fra "Voest-Alpine Information", Nr. 40, er en plasma:brenner kjent hvor vannavkjølte kobberrør med wolframkatoder anvendes. Disse brennere blir innført i en ovn fra siden. Som bæregass for plasmabrennerne og dermed også som beskyttelsesgass for stålsmelten i smelteovnen anvendes argon. De nevnte plasmabrennere er montert på lavetter, og deres munninger er rettet mot smeltegodset. Plasmabrennerne befinner seg over smeltebadplanet. Neddykking av anode-kobberrøret og wolframkatoden i smeiten taes det ikke sikte på. Dessuten foreligger det risiko for at kjølevann vil komme inn i smeiten ved neddykking og kan føre til en eksplosjonslignende damputvikling med ødeleggel-se . av ovnen.

Det taes ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en plasmabrenner av den innledningsvis nevnte art, som på den ene side i det minste i den rørformige ytterelektrode oppviser en god strømledningsevne og dermed lavt effekttap og som også videre og uten opprusting skal kunne anvendes i en metallsmelte i neddykket tilstand. Dessuten skal plasmabrenneren være enkelt og driftssikkert konstruert, hvorved en kontinuerlig etterskyvning av den rørformige ytterelektrode og/eller den koaksiale sentrale elektrode skal unngåes.

Denne oppgave løses ifølge oppfinnelsen ved at den rørformige ytterelektrode oppviser et første avkjølt lysbueuaktivt røravsnitt som består av elektrisk ledende metall, såvel som et til dette tilkoblet anne:t lysbueaktivt, uavkjølt røravsnitt som består av temperaturbestandig og elektrisk ledende materiale og som er løsbart forbundet med det første avsnitt, og at lysbuen er dannet mellom det annet røravsnitt og det tilgrensende lysbueaktive avsnitt av den koaksiale sentrale elektrode.

Derved oppnås den fordel at det område som er neddykket i metallsmelten, er den rørformige ytterelektrodes annet røravsnitt som består av et temperaturbestandig og elektrisk ledende materiale. Dette annet røravsnitt er det lysbueaktive avsnitt mellom hvilket og det tilsvarende nabo-område av den sentrale elektrode lysbuen blir dannet som danner plasmaet fra tilførselsgassen.

Derved at det annet avsnitt er løsbart forbundet med det tilknyttede avkjølte ytre røravsnitt fåes den fordel at etter en tilsvarende slitasje (forbruk) av dette lysbueaktive annet røravsnitt kan dette uten videre byttes ut med et nytt annet røravsnitt. På fordelaktig måte kan gassen som tjener til plasmadannelsen, anvendes for å avkjøle plasmabrennerens lysbueuaktive områder.

Det annet røravsnitt av den rørformige ytre elektrode er på gunstig måte på sin innvendige vegg forsynt med et elektrisk isolerende sjikt i det minste i det område som er tilgrensende til det annet røravsnitt. Derved fåes den fordel at lysbuen ikke blir overført på det første røravsnitt.

Det er gunstig at det første røravsnitt av den rørformige ytre elektrode er forsynt med et beskyttende sjikt på ytterveggen. Derved fåes fordelen med en avskjerm-ning av det første røravsnitt utad hva gjelder varme og kjemisk påvirkning utenfra.

Ifølge en ytterligere utførelsesform består det annet røravsnitt av den rørformige ytre elektrode av et grafittisk materiale. Dette har den fordel at det fåes et uømfintlig annet elektrodeavsnitt som ikke bare oppviser god elektrisk ledningsevne, men i tillegg også er varmebestandig. Ved tilsvarende tilsetning av ytterligere materiale kan dessuten en gunstig mekanisk fasthet og bearbeidbarhet oppnås .

Ifølge en ytterligere utførelsesform kan det annet røravsnitt oppvise et beskyttelsesmantelområde som overlappende omgir en del av det første røravsnitt. Derved fåes den fordel at endeområdet av det første røravsnitt som er tilgrensende til det annet røravsnitt, blir beskyttet, hvorved fåes en fordelaktig avskjermningsvirkning. Denne avskjermningsvirkning er spesielt en sikkerhet for det første røravsnitts kjølesystem.

For å øke ledningsevnen til ytterelektrodens annet røravsnitt kan dette på innersiden være forsynt med et elektrisk ledende og varmeresistent beskyttelsessjikt. Det annet røravsnitt kan være forsynt med et ytre rør som består av bornitrid og som er skrudd på det annet røravsnitt.

Som nevnt består den sentrale elektrode av grafitt. Det dreier seg her fortrinnsvis om impregnert grafitt med

et maksimalkorn opp til 4 mm som oppviser under 20 I finkornandel med en kornstørrelse under 1 mm. Den sentrale grafittelektrode har ofte en maksimal diameter av 350 mm. Grafittkvaliteten velges med fordel slik at densiteten ligger innen området fra 1,64 til 1,68 g/cm 3.

For å oppnå en god bestandighet mot de sterke varmegradienter i materialet som forårsakes av den lokale langtidsoppvarming på grunn av den stabile plasmabue, kan med fordel en grafittkornoppbygning med lavest mulig finkornandel velges. En foretrukken typisk kornfordeling for grafitten i henhold til oppfinnelsen omfatter for eksempel ca. 50 % av et kornstørrelsesområde fra 2 til 4 mm, ca. 35 % av et kornstørrelsesområde fra 1 til 2 mm og 15 % av et korn-størrelsesområde fra 0 til 1 mm.

Som koksmateriale anvendes med fordel nålekoks med meget god laminær lengdestruktur som i kornstrukturen oppviser et mangfold av mikrosprekker på grunn av den sterke nedmalingsgrad. Dermed blir det samlede legemes termoelas-tisitet øket også samtidig med en meget god og fast innlei-ring av kornandelene. Som bindemiddel anvendes fortrinnsvis mesofosenbek. Dette kan tilnærmet ha den følgende spesifi-kasjon:

Dette spesialbek blir ved forkoksningen likeledes omvandlet til strukturmessig lengdeorier.tert nålekok.. som lett lar seg grafittisere og dermed oppviser høy termisk og elektrisk ledningsevne.

Materialoppbygningen for den ytre ringelektrode, dvs. for det annet røravsnitt, kan med fordel oppvise korn inntil en maksimal størrelse av 8 mm. En kornstørrelses-

oppbygning med utfallskorn er derved spesielt foretrukken,

av den type som anvendes for sterkt varmesjokkutsatte keramiske materialer. En typisk kornstørrelsesfordeling inneholder da ca. 60 % korn med en størrelse innen området fra 4 til 8 mm, ca. 15 % av en kornstørrelse innen området fra 1 til 4 mm og ca. 25 % med en kornstørrelse innen området fra 0 til 1 mm.

Det grafittiske materiale for den ytre ringelektrode hhv. for dens annet røravsnitt blir med fordel ikke etterkomprimert med tjære/bek ved fremstillingen for at porene skal gi adgang for diffusjonen av metalliske damper og væsker som kan reagere med deler av grafitten for å øke høytemperaturoxydasjonsbestandigheten. Derved kan i det minste overflatemessige komposittmaterialer av grafitt og metallcarbid dannes som er kjente under betegnelsen zermetmaterialer. Disse er spesielt dannet på basis av grafitt/ SiC, grafitt/TiC og grafitt/B4C.

Fremstillingen av disse materialer som fortrinnsvis inneholder 15 - 40 vekt% av carbidiske komponenter, kan foretas ut fra et syntetisk grafittskjelett enten ved im-pregnering med metallet eller ved indifundering av de gassformige metaller, eller ut fra gassformige forbindelser som ved høy temperatur reagerer med grafitt under dannelse av carbider. Slike metoder er kjente. En annen metode fører til disse materialer ved reaksjonssintring av carbidene i nærvær av grafitt og sintringshjelpemidler, f.eks. de oxydiske forbindelser av yttrium eller lanthan.

De ved hjelp av de forskjellige metoder oppnådde zermeter oppviser en høyere spesifikk densitet enn grafitt. Den varierer alt etter carbidiseringsgrad fra 2,10 til

2,70 g/cm 3, hvorved typiske verdier ligger innen området fra 2,3 til 2,5 g/cm 3. I henhold til oppfinnelsen er det da spesielt foretrukket at de nevnte zermetmaterialer har strekkfastheter (kg/cm 2) innen området fra 300 til 600, trykkfastheter (kp/cm 2) innen området fra 1300 til 5400 og bøyefastheter (kp/cm 2) innen området fra 700 til 1200.

Det er gunstig at det annet røravsnitt som er forsynt med en innvendig gjenge, er skrudd på det første røravsnitt.

Den sentrale elektrode består ifølge en spesielt fordelaktig utførelsesform i det minste innen det lysbueaktive endeområde av grafittisk materiale og er via en tapp-sjaktforbindelse forbundet med den øvrige sentralelektrodedel. Derved fåes den fordel at lysbuen blir ført mellom det annet røravsnitt som spesielt består av et grafittisk materiale, og den sentrale elektrodes lysbueaktive del.

Ved en slik utformning fåes fordeler hva gjelder material-bestandigheten og lysbueføringen spesielt i den i metallsmelten neddykkede tilstand for det annet røravsnitt og det tilordnede sentralelektrodeavsnitt.

En ytterligere fordel beror på at ved slitasje av det lysbueaktive endeavsnitt av den sentrale elektrode kan dette avsnitt skiftes ut på enkel måte.

Den øvrige sentralelektrodedel er med fordel forsynt med et isolerende sjikt. Dette sjikt er fordelaktig fordi lysbuen på grunn av dette ikke kan overføres fra den rørformige ytterelektrode til denne isolerte sentralelektrodedel .

Ifølge en ytterligere utførelsesform består den øvrige sentralelektrodedel av et elektrisk ledende metall og er forsynt med kjøling. Den del av den sentrale elektrode som ikke er neddykket i metallsmelten, er henholdsvis blir avkjølt, men tilgrensende neddykkede avsnitt av den sentrale elektrode er uavkjølt fordi dette består av et temperaturbestandig og elektrisk ledende materiale (grafittisk materiale).

Ifølge en annen fordelaktig utførelsesform består den øvrige sentralelektrodedel'av grafittiske elektrodedeler som alle via tapp-sjaktforbindelser er sammenføyet. I dette tilfelle er den sentrale elektrodes yttersjikt med fordel forsynt med et elektrisk ledende overtrekk og eventuelt med et elektrisk isolerende sjikt over dette. Dette byr på den fordel at strømføringen ikke skjer bare gjennom den sentrale elektrode som sådan, men også gjennom det elektrisk ledende overtrekkssjikt. Det avsluttende elektrisk isolerende sjikt byr på den allerede nevnte fordel hva gjelder lysbueuaktiv-teten.

Ifølge en ytterligere utførelsesform er den sentrale elektrode forbundet som anode med plusspolen og den rørformige ytre elektrode som katode med minuspolen for en likestrømsforsyningskilde. Selvfølgelig kan en vekselstrøms-kilde eller en pulserende likestrømskilde anvendes isteden for en likestrømsforsyningskilde.

Anvendelsen av den rørformige ytterelektrode som katode og av den sentrale elektrode som anode byr på den fordel at elektronene som tjener som hovedladningsbærere, strømmer fra ytterelektrodens annet rørformige avsnitt og til den sentrale elektrodes tilordnede avsnitt, slik at det egentlige materialforbruk oppstår på det annet rørformige elektrodeavsnitt. Ionestrømmen som flyter i motsatt retning (positive ladningsbærere) er forholdsvis liten sammenlignet med elektronstrømmen.

Ifølge en ytterligere utførelsesform fåes avkjø-lingen av ytterelektrodens første røravsnitt og eventuelt av den sentrale elektrode eller deler av denne ved anvendelse av et kjølesystem med væske eller varmerør.

Kjølesystemet oppviser en kjølemiddelkilde som hva gjelder kjølemiddelets temperatur og/eller gjennomstrømnings-kapasitet gjennom et kjølemiddelreguleringstrinn, er styrt. Kjølemiddelreguleringsmiddelet er forbundet med en termoelektrisk ^vandler som er anordnet innen let angjelaendc avkjølte endeområde av den rørformige ytterelektrode og eventuelt av den sentrale elektrode.

Ifølge en ytterligere fordelaktig utførelsesform oppviser den sentrale elektrode en kanal for et tilsetningsmiddel, spesielt for en reduserende henholdsvis inert henholdsvis lett oxyderende gass som via minst én utløpsåpning kommer ut via mellomrommet som er begrenset av ytterelektrodens annet røravsnitt og sentralelektrodeavsnittet.

Plasmabrenneren ifølge oppfinnelsen lar seg med fordel anvende i en kupolovn for smelting av metaller, hvor kupolovnen har et øvre chargeringssjaktrom, et nedre smelterom og mellom disse en avkjølt rist. Kupolovner drives med koks eller uten koks. For kokskupolovner anvendes koks som brensel, mens olje eller gass anvendes som brensel for koks- løse kupolovner. I kokskupolovner finner forbrenningen sted med luft foran dysene, men luften innføres i brennerne ved koksløse kupolovner.Plasmabrenneren ifølge oppfinnelsen er spesielt velegnet for koksløse kupolovner. De koksløse kupolovner oppviser vannavkjølte riststenger over brenner-planet, hvorved kuler av keramisk materiale er anordnet på den vannavkjølte rist for overopphetning av det nedaddryp-pende jern i forbindelse med en økning av berøringsoverfla-ten. Sonen med den høyeste temperatur og den sterkeste oxydasjon ligger da i brennerne under chargen. For oppkul-ling blir i forbindelse med koksløse kupolovner kornformig oppkullingsmiddel innført, og nærmere bestemt ved hjelp av injisering under den vannavkjølte rist.

For vanlige koksløse kupolovner blir smeiten etter smelteprosessen overført til et adskilt kar hvori smeltens temperatur bringes til den tilsvarende verdi ved hjelp av en induktor. På fordelaktig måte er nu plasmabrenneren ifølge oppfinnelsen som på siden rager inn i den koksløse kupolovns smelterom, i det minste langs sin akse slik regu-lerbar at den i det minste under begynnelsesfasen av ned-smeltingsfasen av chargen oppviser en første stilling med en plasmalanse som befinner seg utenfor smeiten, og i den påfølgende fase oppviser en annen stilling i hvilken den rørformede ytterelektrodes annet avsnitt og den tilhørende sentralelektrodedel i det minste delvis er neddykket i smeiten .

Plasmabrenneren står da i forbindelse med en styre-og reguleringsanordning for å styre plasmabrennerens bevegelse såvel som for å styre og regulere spenningstilførselen, mediastrømmen og/eller avkjølingen. Derved fåes den fordel at metallsmelten etter avsluttet nedsmelting kan forbli i smelterommet fordi plasmabrenneren ved hjelp av styre- og reguleringsanordningen blir neddykket i smeiten og dens temperatur tilsvarende regulert, hvorved i tillegg ytterligere midler., spesielt gassformige, kan tilføres. I henhold hertil blir plasmabrenneren anvendt såvel for ned-smeltingsfasen som for den påfølgende fase i ett og det samme smelteopptaksrom.

Oppfinnelsen er nedenfor nærmere beskrevet i forbindelse med de utførelseseksempler som er vist på tegningene. Av disse viser:

Fig. 1 skjematisk den del av en koksløs kupolovn

som står i forbindelse med plasmabrenneren under nedsmeltings--fasen,

fig. 2 den koksløse kupolovn med plasmabrenneren neddykket i smeiten,

fig. 3 skjematisk en styre- og reguleringskrets

for en plasmabranner,

fig. 4 et skjematisk snitt gjennom en plasmabrenner ,

fig. 5 et snitt gjennom det avkjølte endeområde av ytterelektrodens første røravsnitt,

fig. 6 et snitt gjennom dette røravsnitt,

fig. 7 et vannavkjølt endeavsnitt av det første ytterelektrodeavsnitt,

fig. 8 en avdekning av ytterelektrodens første avsnitt,

fig. 9 et snitt gjennom plasmabrennerens endeområde med avkjølt første avsnitt av den rørformige ytterelektrode såvel som av sentralelektroden,

fig. 10 et snitt gjennom plasmabrennerens endeområde med avkjølt sentralelektrode og en tilførselskanal for et ytterligere middel og

fig. 11 et snitt gjennom endeområdet for en av-kjølt sentralelektrode med temperaturføler.

På fig. 1 er en koksløs kupolovn betegnet med 1

som oppviser et sjaktformig chargeringsrom 2 for en jern-malmcharge. En vannavkjølt rist er betegnet med 4, og på denne ligger keramiske kuler 5. Et brenner- og smelterom er betegnet med 6, og i dette drypper jernsmelte ned og opp-samles som et smeltebad 7. Likeartede plasmabrennere er betegnet med 8, 9 og 10 som utenfra og gjennom siden rager skrått inn i smelterommet 6. Hver plasmabrenner er lavett-lignende forskyvbar på en bærerdel 11, og nærmere bestemt i plasmabrennerens aksiale retning. Bærerdelen er svingbar rundt en leddakse 12, og nærmere bestemt ved hjelp av et

hydraulisk drivverktøy. En tilførselsledning for en plasmadannende gass er betegnet med 14. Rørtilkoblinger for kjølevann er betegnet med 15 og 16. Tilkoblinger 17 og 18 fører til plusspolen og minuspolen for en likestrømskilde (ikke vist). En rørtilkobling for et tilsetningsmiddel er betegnet med 19. Ifølge fig. 1 befinner plasmabrennerne med deres lanselignende flammespisser (plasmalanser) seg over smeltebadet 7.

På fig. 2 er de deler som svarer til deler ifølge fig. 1, gitt de samme henvisningstall. Til forskjell fra fig. 1 er ifølge fig. 2 smelteprosessen blitt avsluttet, hvorved plasmabrennernes 8, 9 og 10 spiss- og endeområder er neddykket i jernsmeltebadet. Smeltebadet blir (ikke vist) holdt på en på forhånd gitt temperatur hhv. bragt til en på forhånd gitt temperatur. Ved innføring av tilsetningsmidlet via tilkoblingen 19 blir dessuten en etterbehandlingsprosess utført. Trykket for den plasmadannende gass som tilføres via tilkoblingen 14, er så høyt at det overvinner det hydrostatiske trykket av smeiten.

På fig. 3 er delene som svarer til delene på fig.

1 eller 2, gitt de samme henvisningstall.

Ledningen som fører til den positive tilkobling for en likestrømskilde 20, fører ifølge fig. 3 til en stavformig sentral elektrode (ikke vist) for plasmabrenneren 8 hhv. 9 hhv. 10. Ledningen som for den negative tilkobling fører til likestrømskiIden 20, fører på ikke vist måte til det rørformige avsnitt av plasmabrennerens 8 hhv. 9 hhv. 10 ytterelektrode.

Tilførselsledningen 15 og bortføringsledningen 16 for kjølevæsken er forbundet med et kjølevæskeforråd' 21. Fra et termoelement 22 som er anordnet i plasmabrennerens spiss- eller endeområde, fører en elektrisk forbindelse 23 til et kjølevæskereguleringstrinn 23' som oppviser en ytterligere ihngangsstyreforbindelse med et sammenligningstempera-turtrinn 24 såvel som at det oppviser en tredje styrefor-bindelse til et smeltespeilmåletrinn 25. Fra sammenlignings-temperaturtrinnet 24 fører en ytterligere forbindelse til et temperaturforskjellstrinn 26 som via styreforbindelsen 23 står i forbindelse med det nevnte termoelement.

Et motorstyringstrinn er betegnet med 27 og er

på den ene side forbundet med temperaturforskjellstrinnet 26 og på den annen side med smeltespeilmåletrinnet 25. Ut-gangen fra motorstyringstrinnet står i forbindelse med en motor 28 av hvilken plasmabrenneren kan beveges i pilretningen A eller i den motsatte retning. Ved hjelp av kjølevæske-reguleringstrinnet 23 blir et utgangssignal dannet i avhengighet av den temperatur som måles av den termoelektriske omvandler 22, i avhengighet av den innstilte sammenlignings-temperatur i trinnet 24 og i avhengighet av signalet fra smeltespeilmåletrinnet 22 med neddykket plasmabrenner.

Dette utgangssignal regulerer på den ene side temperaturen

og på den annen side gjennomstrømningsmengden av kjølevæsken i innretningen 21. I temperaturforskjellstrinnet 26 blir et styresignal for motorstyringskretsen 27 dannet for ved even-tuelle temperaturøkninger innen området for plasmabrennerens lysbueaktive deler å regulere avkjølingen tilsvarende. Med 29 er en styreinnretning for tilførselen av et tilsetningsmiddel via ledningen 19 betegnet.

På fig. 4 er de deler som svarer til deler ifølge fig. 1-3 gitt de samme henvisningstall. Plasmabrenneren 8 hhv. 9 hhv. 10 består av en rørformet ytterelektrode 30

og av en stavformig sentral elektrode 31. Den stavformige sentrale elektrode 31 består av et grafittisk materiale og er via stømtilkoblingssteder 32 og 33 og den tilsvarende strømtilførselskabel forbundet med tilkoblingsstedet 17 som fører til plusspolen for likestrømskilden 20 som er vist på fig. 3.

Den stavformige sentrale elektrode består av stav-segmenter 34, 35, 35' og 36 som alle er sammenføyd via tapp-forbindelser.

Den rørformige ytterelektrode 30 er avkjølt og består av et første rørformig avsnitt av et elektrisk ledende metall. Dette metallrørformige ytterelektrodeavsnitt som er forsynt med ringkammere, er på sin side oppdelt i et første delavsnitt 37 av kobber og et tilstøtende del-røravsnitt 38 av stål. Med 39 er en strømtilførsel betegnet som via forbindelseskabelen fører til tilkoblingsstedet 18 som på sin side er forbundet med likestrømskildens 20 minus-pol.

Med 40 er et rørstykke betegnet som består av et grafittisk materiale og er forsynt med en innvendig gjenge og er skrudd på en utvendig gjenge på enden av det første røravsnitt 38. Et avskjermnings- og sikringsrøravsnitt er betegnet med 41 og er forbundet med rørdelen 40 og overlapper det første røravsnitts endeområde.

Dette avskjermningsrøravsnitt 41 består fortrinnsvis av et varmeresistent ledende materiale og er utført slik at det er elektrisk isolerende.

I det første røravsntit 37 og 38 for ytterelektroden er et kjølesystem (ikke vist) anordnet i ringkammere for tilsvarende å avkjøle dette metallrøravsnitt og for i tillegg å ha en god elektrisk ledningsevne.

Innersiden av ytterelektrodens første røravsnitt er forsynt med et elektrisk isolasjonssjikt for å gjøre dette første røravsnitt lysbueuaktivt. Dette isolasjonssjikt er betegnet med 42.

Den stavformige innerelektrode av grafittisk materiale kan for eksempel ved hjelp av tilsvarende tilsetninger forbedres elektrisk slik at det sikres en tilfredsstillende strømføring med små tap. Dessuten er det mulig å forsyne den stavformige innerelektrode eller sentralelektrode med et ledende overtrekk som på sin side kan være forsynt med et isolasjonssjikt innen det lysbueuaktive område.

Den sentrale elektrodes lysbueaktive del er den del som er betegnet med 34, mens den rørformige ytterelektrodes lysbueaktive del er den del eller det avsnitt som er betegnet med 40. Mellom den sentrale elektrodes avsnitt 34 og ytterelektrodens avsnitt 40 oppstår når plasmabrenneren gis

tilstrekkelig høy spenning, og etter en ikke vist utført kortvarig elektrisk forbindelse mellom anoden og katoden/

en lysbue ved hjelp av hvilken gassen som tilføres via tilførselsanordningen 14, blir omvandlet til et plasma. Etter at lysbuen er blitt dannet, strømmer elektroner fra katoderøravsntitet 40 til det sentrale avsnitt 34 av anoden, og positive ioner strømmer fra anodeavsnittet 34 til katode-

avsnittet 40. Elektronstrømmen er som regel langt større enn ionestrømmen. Ladningsingsbærerstrømmen er omgitt av et magnetfelt som ved krumme lysbuer forårsaker en gradient i magnetfeltet. Da lysbuen er krummet utad, oppstår en kraft-komponent som er betinget av Lorentz-kraften i retning mot plasmabrennerspissen med det resultat at lysbuen dannes innen endeområdet for plasmabrenneren.

På grunn av at ytterelektrodens røravsnitt virker som katode og at den sentrale elektrodes tilordnede avsnitt 34 virker som anode, fåes den fordel at det sentrale avsnitt 34 blir mindre sterkt slitt enn det rørformige ytre avsnitt 40.

Anvendelsen av beskyttelsesrøravsnittet 41 som er godt varmeledende og overlapper ytterelektrodens første rør-avsnitt 38, byr på den fordel at det overlappende område for ytterelektrodens første røravsnitt blir spesielt varme-beskyttet, spesielt hva gjelder det kjølesystem som befinner seg i dette. På fig. 4 er kjølesystemet blitt antydet ved hjelp av henvisningstallet 43.

På fig. 5 og 6 er en første utførelsesform av et slikt kjølesystem i ytterelektrodens første røravsnitt vist. På fig. 5 og 6 er de deler som svarer til deler på fig. 4 gitt de samme henvisningstall. For å skille mellom disse, er disse henvisningstall merket. Endeavsnittet for ytterelektrodens første røravsnitt 38' som er forsynt med en utvendig gjenge 44, oppviser et lukket ringkammerområde 45

i hvilket såkalte varmerør 46, 47, 48, 49, 50, 51 og 52 er anordnet som står i varmevekslingsforhold til det tilgrensende ringkammer 53. Disse varmerør har en på forhånd gitt lengde, hvorved skillet mellom to naboringkammere 45 og 53 fortrinnsvis ligger innen tilkoblingsområdet for strømtil-førslene henholdsvis i det minste utenfor opptaksrommet for smeiten.

Det fremgår av fig. 5 at varmerørene alle har flere berøringsflater med innerveggen av ytterelektrodens første røravsnitt. På denne måte fåes på en rekke steder av ytterelektrodens første røravsnitt en varmevekkledning. Disse vekkledningssteder er fortrinnsvis jevnt fordelt såvel i omkretsretningen som i lengderetningen for det før-ste røravsnitt.

På fig. 7 er en ytterligere mulighet for et kjøle-system i ytterelektrodens første røravsnitt vist. De deler som svarer til deler på fig. 4, 5 og 6 er her gitt de samme henvisningstall. For å skille mellom disse er de samme henvisningstall merket. Det første røravsnitt 37" og 38" er utformet som dobbeltrøravsnitt som betegnes som ringkammer. Dette ringkammer 37" hhv. 38" er forsynt med skillevegger 54, 55, 56 som forløper i lengderetningen og av hvilke skilleveggen 55 har et gjennombruddsområde 57, slik at det ved hjelp av skilleveggene 54, 55, 56 dannes to underkammere som står i forbindelse med hverandre. Denne anordning av skilleveggene gjentar seg over hele omkretsen. Kammeret som er begrenset av naboskilleveggene 54 og 55, har en tilkobling 58, mens kammeret som er dannet av skilleveggene 55 og 56, har en tilkobling 59. Koblingen 58 står i forbindelse med en tilsvarende tilkboling 60 for en ringledning 61 som via en vekkstrømningstilkobling 62 står i forbindelse med en innretning (fig. 3) som svarer til innretningen 21. Tilsvarende gjelder for de ytterligere ikke nærmere betegne-de vekkstrømningstilkoblinger på siden av det første rørav-snitt såvel som på siden av ringledningen. Tilstrømnings-tilkoblingen 59 står i forbindelse med en tilsvarende tilkobling 63 for en ytterligere ringledning 64 som via en tilkobling 65 står i forbindelse med tilførselsledningen som fører til kjølevæskesystemet. Kjølevæskestrømmen fore-går på den måte at kjølevæsken via innløpstilkoblingen 59 strømmer inn i ringkammeret i retningen B og via gjennom-løpet 57 kommer inn i nabokammeret og via utløpstilkoblingen 58 igjen strømmer utad i retningen C. I nabokammerparene gjentar det samme seg. På denne måte blir en jevn avkjøling i omkretsretningen sikret. Ifølge fig. 8 kan også for eksempel fire nabokammere strømningsmessig i forhold til hverandre være tilordnet ringkammer-et. Via et innløp 66 kommer således kjølevæske inn i kammeret 69 (retningen B) som er dannet av skilleveggene 67 og 68, og blir deretter ombøyd inn i nabokammeret 70 (retningen C). Dette nabo- kammer er dannet av skilleveggene 68 og 71. Deretter finner en ombøyning av kjølevæskestrømmen sted fra retningen C til retningen B inn i nabokammeret 72 som er dannet av skilleveggene 71 og 73. Etter påfølgende avbøyning av kjølevæskestrømmen inn i kammmeret 74 som er dannet av skilleveggene 73 og 75, forlater kjølevæsken ringkammeret via utløpstilkoblingen 76. I nabokammerne finner tilsvarende avbøyning av kjølevæskestrømmen sted. Også ved denne utførelsesform er de forskjellige innløpsåpninger eller -tilkoblinger og de forskjellige utløpstilkoblinger alle forbundet med en tilordnet ringledning.

På fig. 9 er en stavformig sentralelektrode 77 vist som er bygget opp av to avsnitt. Det første avsnitt består av et metallisk, avkjølt, lysbueuaktivt avsnitt i form av et hulrør eller ringkammerrør 78 og av et lysbueaktivt stavavsnitt 79 som består av grafittisk materiale og som via en tappforbindelse er forbundet med det første sentrale avsnitt 78 som består av metall. Dette metalliske sentralelektroderøravsnitt 78 har et innvendig rør 80 som er ført nedad inn i hulkammeret til nær endeområdet. Gjennom dette sentrale rør blir kjølevæske innført i retningen D. Kjølevæsken forlater igjen ringkammeret i retningen E. Ytterflatene for den sentrale elektrodes metalliske stavrør-avsnitt er på ikke vist måte forsynt med et isolerende, varmeresistent overtrekk for å gjøre dette område uaktivt for lybuen.

Ytterelektrodens første røravsnitt som er betegnet med 81, er likeledes metallisk utformet. Det oppviser et ringkammerområde 82 som tjener som kjølekammer for kjøle-væsken.

Et ytterligere røravsnitt 8 3 er skrudd på dette ytterelektrodeavsnitts utvendige endegjenge og består av et grafittisk materiale og tjener som aktiv del av katoden for lysbuedannelsen. Denne grafittrørkatodedel 83 er forsynt med en utvendig gjenge som en ytterligere rørdel 84 er skrudd på som består av et godt varmeledende og elektrisk isolerende materiale som dessuten lett lar seg bearbeide mekanisk. Denne beskyttelsesrør- og avskjermningdel består spesielt av bornitrid. Den overlapper endeområdet for ytterelektrodens metalliske første røravsnitt. På denne måte gir den en god avskjermningsvirkning. I henhold til det viste eksempel på fig. 9 er det et mellomrom mellom den bakre del av avskjermningsrøret 84 og det metalliske endeområde for ytterelektrodens første avsnitt 81. Ifølge en annen mulighet kan dette overlappende område av avskjermnings-røret også være ført frem til den utvendige mantel for det metalliske røravsnitt for å skaffe en kontakt som tjener til bedre varmeoverføring og -vekkledning.

På fig. 10 er de deler som svarer til deler på fig. . 9 gitt de samme henvisningstall. For å skille mellom disse er de imidlertid merket.

Til forskjell fra utførelseseksemplet ifølge fig.

9 har den stavformige sentralelektrode 77' et innvendig rør 85 som fører som kanal til inn i den sentrale elektrodes endeområde og via røravsnittene 86 og 87 er ført utad og åpner på denne måte muligheten for at et tilsetningsmiddel, spesielt tilsetningsgass, blir sentralt og aksialt overført og i sluttområdet for denne stavformige elektrode ført utad (i pilretningen). Dette tilsetningsmiddel kan anvendes for spesialbehandling av smeiten.

Kjølevæsken blir via hulrøret 78' innført i den sentrale elektrode og avkjøler denne til inn i spissområdet. Gassen som anvendes for dannelsen av plasma, blir tilført via ringkammerområdet 88. Den sentrale elektrodes lysbueaktive del er betegnet med 89. Den sentrale elektrodes lysbue-uaktive del er forsynt med et isolerende overtrekk. Det samme gjelder for den lysbueuaktive del av ytterelektrodens første røravsnitt.

Ifølge utførelseseksemplet i henhold til fig. 11 er de deler som tilsvarer deler på fig. 10 gitt de samme henvisningstall. For å skille mellom disse er de imidlertid blitt merket. Det dreier seg her om en fremstilling i stør-re målestokk av den metalliske sentrale elektrode som innen den lysbueaktive dels spissområde er forsynt med termoelektriske omvandlingselementer. Disse er betegnet med 90, 91 og 92. Isolasjonsledninger er betegnet med 93, 94 og 95.

To tilkoblingsledninger som er felles for termoelementene 90, 91 og 92, er betegnet med 96 og 97. Disse to tilkoblingsledninger svarer til følerledningen 23 ifølge fig. 3.

Slike termoelektriske omvandlingselementer er også i henhold til utførelsesformen på fig. 9 hhv. 10 an-bringbare innen endeområdet for den sentrale elektrodes metallrøravsnitt. Det samme gjelder selvfølgelig også for de tilsvarende avkjølte områder av ytterelektroden.

Claims (27)

1. Plasmabrenner med en elektrodeholder som bærer en rørformig ytterelektrode og en koaksialt anordnet sentralelektrode, med en elektrisk forsyningsstrømkilde som via strømtilførsler kan forbindes med ytterelektroden og med den sentrale elektrode, og med en innretning for tilførsel av gass innen området for elektrodene mellom hvilke en lysbue dannes for dannelse av plasma, karakterisert ved at den rørformige ytterelektrode (30) oppviser et første avkjølt, lysbueuaktivt rørav-snitt (37, 38) som består av elektrisk ledende metall, og et til dette ansluttet annet lysbueaktivt,- . uavkjølt røravsnitt (40) som består av temperaturbestandig og elektrisk ledende materiale og som er løsbart forbundet med det første røravsntit (37, 38), og at lysbuen forløper mellom det annet røravsnitt (40) og det tilstøtende lysbueaktive avsnitt (34, 35) av den koaksiale sentrale elektrode (31).

2. Plasmabrenner ifølge krav 1, karakterisert ved at det første røravsnitt (37, 38) av den rørformige ytterelektrode (30) på sin innervegg i det minste innen det område som er tilgrensende til det annet røravsnitt (40), er forsynt med et elektrisk isolerende sjikt (42).

3. Plasmabrenner ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det første røravsnitt (37, 38) av den rørformige ytterelektrode (30) på sin yttervegg er forsynt med et beskyttende sjikt.

4. Plasmabrenner ifølge krav 1-3, karakterisert ved at den rørformige ytterelektrodes (30) annet røravsnitt (40) består av grafittisk materiale.

5. Plasmabrenner ifølge krav 4, karakterisert ved at det annet røravsnitt (40) er forsynt med et beskyttelsesmantelområde (41) som overlapper en del av det første røravsnitt (38).

6. Plasmabrenner ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at ytterelektrodens annet røravsnitt (40) på sin innerside er forsynt med et elektrisk ledende og varmeresistent beskyttende sjikt.

7. Plasmabrenner ifølge krav 4-6, karakterisert ved at det annet røravsnitt (83) er forsynt med et utvendig rør (84) som består av bornitrid og er skrudd på det annet røravsnitt.

8. Plasmabrenner ifølge krav 1-7, karakterisert ved at det annet røravsnitt (40, 83) er forsynt med en innvendig gjenge og er skrudd på det første røravsnitt (38, 81).

9. Plasmabrenner ifølge krav 1-8, karakterisert ved at den sentrale elektrode (31) i det minste innen det lysbueaktive endeområde (34, 79) består av grafittisk materiale og er forbundet med den øvrige sentrale elektrodedel via en tappforbindelse.

10. Plasmabrenner ifølge krav 9, karakterisert ved at den øvrige sentralelektrodedel er forsynt med et isolerende sjikt.

11. Plasmabrenner ifølge krav 9 eller 10, karakterisert ved at den øvrige sentralelektrodedel (77) består av elektrisk ledende metall og er forsynt med en avkjøling (80).

12. Plasmabrenner ifølge krav 9 eller 10, karakterisert ved at den øvrige sentralelektrodedel består av grafittiske elektrodedeler (35, 36) som er sammenføyd via tapp-sjaktforbindelser.

13. Plasmabrenner ifølge krav 1-8, karakterisert ved at den samlede sentralelektrode (77, 89) består av elektrisk ledende metall og er forsynt med en avkjøling.

14. Plasmabrenner ifølge krav 1-13, karakterisert ved at den sentrale elektrode (31) som anode er forbundet med plusspol og at den rørformige ytterelektrode (30) som katode er forbundet med minuspolen for en likestrømsforsyningskilde (20).

15. Plasmabrenner ifølge krav 1-14, karakterisert ved at avkjølingen av ytterelektrodens første røravsnitt og eventuelt av den sentrale elek trode eller av deler derav finner sted med et kjølesystem ved hjelp av væske eller varmerør.

16. Plasmabrenner ifølge krav 15, karakterisert ved at kjølesystemet oppviser en kjølemiddelforsyningsinnretning (21) som under hensyntagen til kjølemiddelets temperatur og/eller gjennomstrømnings-ytelse er regulert ved hjelp av et kjølemiddelregulerings-trinn (23) .

17. Plasmabrenner ifølge krav 16, karakterisert ved at kjølemiddelregulerings-trinnet er forbundet med en termoelektrisk omvandlingsinn-retning (22) som er anordnet i det angjeldende avkjølte ringkammerområde av den rørformige ytterelektrode og eventuelt av den sentrale elektrode, for å styre kjølemiddel-strømmen.

18. Plasmabrenner ifølge krav 1-17, karakterisert ved at den sentrale elektrode (77') er forsynt med en langsgående kanal (85) for et tilsetningsmiddel, spesielt for en reduserende henholdsvis inert henholdsvis lett oxyderende gass, som gjemmom minst én ut-løpsåpning (86, 87) kommer ut via mellomrommet som er begrenset av ytterelektrodens annet avsnitt (83') og det tilordnede sentralelektrodeavsnitt (89).

19. Plasmabrenner ifølge krav 1-18 for en kupolovn for smelting av metall, hvor kupolovnen har et øvre chargeringssjaktrom, en nedre brenner og smelteopptaksrom og en mellomliggende avkjølt rist, karakterisert ved at plasmabrenneren (8 hhv. 9 hhv. 10) som fra siden rager inn i smelterommet (6) kan stillingsreguleres i det minste langs sin akse slik at den i det minste i begynnelsesfasen av nedsmeltingen av den metalliske charge har en første stilling med en plasmalanse som befinner seg utenfor smeiten (7), og slik at den i den påfølgende fase har en annen stilling i hvilken det annet avsnitt av den rørformige ytterelektrode i det minste delvis er neddykket i smeiten (7).

20. Plasmabrenner ifølge krav 19, karakterisert ved at den står i forbindelse med en styre- og reguleringsanordning (23 - 28) for å styre plasmabrennerens (8 hhv. 9 hhv. 10) bevegelse såvel som for å styre og regulere strømforsyningen_(20), mediastrømmen og/ eller avkjølingen.

21. Plasmabrenner ifølge krav 1, karakterisert ved at den sentrale elektrode (31) er laget av impregnert grafitt med et maksimalkorn opp til 4 mm som har under 2 0 % finkornandel med en kornstørrelse under 1 mm.

22. Plasmabrenner ifølge krav 21, karakterisert ved at den sentrale elektrode (31) er laget av nålekoks med lamellær lengdestruktur under anvendelse av mesofosenbek ved grafittisering.

23. Plasmabrenner ifølge krav 4, karakterisert ved at det annet røravsnitt (40) er dannet av grafitt som ikke er blitt etterkomprimert og som har en kornfordeling opp til et maksimalkorn av 8 mm.

24. Plasmabrenner ifølge krav 23, karakterisert ved at det annet røravsnitt (40) er dannet av grafitt med en kornoppbygning som inneholder over 50 % av kornet innen området fra 4 til 8 mm.

25. Plasmabrenner ifølge krav 24, karakterisert ved at grafitten i det minste på overflaten er blitt omsatt med metalliske damper og/eller væsker eller ved reaksjonssintring med carbider under dannelse av komposittmaterialer av grafitt og metallcarbid.

26. Plasmabrenner ifølge krav 25, karakterisert ved at komposittmaterialet er et zermetmateriale som er vigt blant grafitt/SiC, grafitt/TiC og grafitt/B4 C.

27. Plasmabrenner ifølge krav 26, karakterisert ved at zermetens spesifikke densitet ligger innen området fra 2,10 til 2,70 g/cm 3.