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1. WO1992008335 - PLASMA TORCH FOR MELTING MATERIAL TO BE PROCESSED IN A CONTAINER AND FOR MAINTAINING THE MATERIAL AT THE REQUIRED TEMPERATURE

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[ DE ]

Plasmabrenner zum Schmelzen und Warmhalten von in Gefäßen zu behandelnden Materialien
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Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner, der in ein Gefäß hineinragend an einer Tragvorrichtung befestigt ist und eine an einer Brennerlanze angeordnete Düse sowie ein innerhalb der
Brennerlanze angeordnetes Hauptelektrodenrohr mit einer
Hauptelektrode aufweist, zu der gasförmige und flüssige Medien sowie der elektrische Strom über koaxial angeordnete Rohre
zugeführt werden, wobei eine ringförmige Isolierung um die
Hauptelektrode im Bereich ihres Fußendes vorgesehen ist, die die Elektrode ringförmig umfaßt, und an dieser Isolierung der Mäntel der von der Tragvorrichtung gehaltenen doppelwandigen Brennerlanze befestigt ist, und zwar für Plasmabrenner mit und ohne Zündlanze.

Plasmabrenner werden bei ihrem Einsatz in Gefäßen thermisch hoch belastet. Dabei wird die Hauptelektrode im wesentlichen durch
Stromwärme thermisch beaufschlagt, während dem Mantel der
Breπnerlanze in besonderem Maße durch Wärmestrahlung des Lichtbogens, vom Schmelzbad und von der Ofenwand Warme zugeführt wird. Die hieraus resultierenden Temperaturveränderungen der Werkstoffe bedingen erhebliche Längenveränderungen der Bauteile.

Die unterschi edl i che thermische Beaufschlagung einzelner Bauteile des Plasmabrenners bewirkt in besonderem Maße eine relative axiale
Verschiebung der Hauptelektrode und der Düse. Diese Veränderungen wirken sich nachteilig auf die Ausbildung des Plasmabogens aus. Vergleichbare Längenänderungen treten bei mit Zündelektroden versehenen
Plasmabrennern zwischen der Zündelektrode und der Haupteleketrode auf.

Aus der DE-05 29 00 330 ist es bekannt, die einzelnen Bauteile eines Plasmabrenners, nämlich die Zündelektrode, die Hauptelektrode und die Düse, unabhängig voneinander zu kühlen.

Der aus dieser Schrift bekannte Plasmabrenner ist nicht nur aufwendig konstruiert, er nimmt auch kaum Einfluß auf die Problematik der
Relativverschiebung der einzelnen Kühloauteiie, da die Lanzen jeweils an dem der Schmelze abgewandten Teil des Brenners fixiert sind. Die einzelnen Lanzen können sich über ihre gesamte Länge ausdehnen mit der Folge, daß gerade im kritischen Bereich Hauptelektrode/Düse die größten axialen Verschiebungen aufzufinden sind.

Aus der U5-P5 34 63 957 ist ein Plasmabrenner bekannt, bei dem die Hauotdüse und die Hauptelektrode im Bereich der Düsenspitze fixiert und darüber hinaus an einem gemeinsamen Küniwassersvstem angeschlossen sind.

Der aus dieser Schrift bekannte Plasmabrenner wiro zum Brennschneiden von Metall benutzt. Plasmabrenner dieses Typs besitzen keine
Brennerlanze, die gerade beim Einsatz in Gefäßen einer hohen
Wärmestrahlung ausgesetzt sind mit der Folge insbesondere der
Längenausdennung.

Aufgabe der vorliegenden Erfinoung ist es, einen Plasmabrenner zu schaffen, der in einfacher konstruktiver Ausgestaltung beim
Hochtemperatureinsatz betriebssicher und wartungsarm eine einstellbare, konstante Ausbildung des Plasmabogens zuläßt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Kennzeichen der Ansprüche 1 und 11.

Ohne auf ein Vorbild zurückgreifen zu können schlägt der Erfinder eine Zweipunktlagerung einzelner Bauteile des Plasmabrenners vor. Dabei wirkt das Bauteil mit der größten thermischen Belastung und damit auch größten Längenänderung der Bauteile als tragendes Element. Bei dem erf indungsgemaßen Plasmabrenner ist dies der Mantel der Brennerlanze, die mit ihrem Fußende von der Tragvorrichtung gehalten wird. Das in das Ofengefäβ hineinragende Kopfende des Mantels bildet den Fixpunkt für die übrigen Bauteile.

Eines dieser Bauteile ist das Hauptelektrodenrohr, auf dessen Kopfende die Hauptelektrode befestigt ist. Das Kopfende des Hauptelektrddenrohres ist mittels einer Isolierung mit dem Kopfende des Mantels fest verbunden und bildet das Festlager der Hauptlanze. Da s Fußende der Hauptlanze ist als Loslager ausgebildet. Die durch die Wärmedehnung hervorgerufene Langenänderung der Bauteile kann sich durch diese Lagerungsart
spannungsfrei entfalten.

Die Gleitelemente des Loslagers des Hauptlektrodenrohres sino dabei so ausgebildet, daß eine sichere Übertragung des elektrischen Stromes gewährleistet ist. In besonderer Weise eignen sich hierfür
Kontaktf edern, die in Form einer Büchse das Elektrodenrohr umfassen.

Die Wasserführung der Plasmalanze ist so ausgeführt, daß das frische Kühlmittel von der Tragvorrichtung zum Hauptelektrodenrohr und von dort im Rohrinneren zur Hauptelektrode gefünrt wird. Im Inneren der
Hauptelektrode wird es zu den thermisch am höchsten belasteten Flächen geführt und nach verlassen der Elektrode über Überläufe direkt zum Düsenring geleitet.

Nach angepaßter Wasserführung in der Düse wird das Kühlwasser im
Doppelmantel der Elektrodenlanze zur Tragvorrichtung zurückgeführt.

Es versteht sich, daß die erforderlichen Isolierungen zwischen den Brennerbauteilen vorgesehen sind. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Isolierung zwischen der Elektrode und dem Düsenring mit in den Fixpunkt einbezogen worden.

Plasmabrenner mit Zündelektrode weisen ein eigenes Lagerungssvstem mit Fix- und Loslager für die Zündelektrode auf. Der Fixpunkt wird dabei im Kopfbereich der Zündelektrode durch eine Isolierbüchse gebildet.

Das Zündelektrodenronr ist auf seiner gesamten Länge vom Kühlwasser umströmt. Während des Betriebes wird es zusätzlich noch von im Inneren der Zündlanze strömenden Gas gekühlt. Die trotz der intensiven Kühlung infolge der Stromwärme noch auftretenden Längenänderungen werden von am FuGende des Zündelektrodenrohres angeordneten Gleitelementen
aufgenommen.

Für die Halterung des Plasmabrenners ist ein am Tragarm angeordneter SchneilVerschluß vorgesehen, in dem die Medienzuführungen angeordnet sind. Der Schneilverschluß ist so ausgestaltet, daß ein einfaches und schnelles wechseln des Plasmabrenners moolich ist. Dabei sind di e Medienzuführungen von der Tragvorrichtung und von der Brennerlanze einander angepaßt und gewährleisten nach Schließen des
SchneiIverschlusses ein sicheres, störungsfreies Zuführen der gasförmigen und flüssigen Medien und des elektrischen Stromes.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 den Schnitt durch einen Plasmabrenner ohne Zündlanze,

Fig. 2 einen Plasmabrenner mit Zünαianze ohne Gleitelemente
zwischen Brennerlanze und Hauptelektrode und

Fig. 3 einen Plasmabrenner mit Hauptelektrode und Zündelektrode
und Gleitelementen zwischen Hauptelektrode, Brennerlanze
und Zündlanze.

Die Figur 1 zeigt schematisch die wesentlichen Bauteile des
Plasmabrenners, und zwar den zur Schmelze S weisenden Kopfteil 11, einer Hauptelektrode 10 und den an einer (nicht dargestellten)
Tragvorrichtung 40 befestigbaren Fußteil 17. Der Kopfteil 11 der Hauptelektrode 10 ist als Topf ausgebildet, wobei der Boden des Topfes zur Schmelze 5 weist. Am Fußende 12 des Topfes ist eine als Ring ausgebildete Isolieruno 21 angeordnet.

Die Hauptelektrode 10 wird in ihrer Längsausdehnung umhüllt von einer Brennerlanze 30. Diese Brennerlanze 30 ist doppelwandig ausgeführt und weist ein Innenrohr 32 und einen Mantel 33 auf. Das Kopfende 31 der Brennerlanze 30 ist an der Isolieruno 21 befestiot.

Zwischen dem Fußende 35 der Brennerlanze 30 und dem Fußteil 17 der Hauptelektrode 10 sind Gleitelemente 51 vorgesehen.

Der Fußteil 35 der Brennerlanze 31 ist an einem Schneilverschlußteil 41 der Tragvorrichtung 40 befestigt. Der Schneilverscniußteil 41 steht mit der nicht weiter dargestellten Medienversorgung 80 in Verbindung und weist eine wasserzufuhr 81 und eine wasserabfuhr 82. eine
Hauptgaszufuhr 84 sowie eine Stromzufuhr 85 auf.

Die Medienführung ist durch Pfeile dargestellt. Das Hauptgas strömt zwischen einem Hauptelektrodenrohr 16 sowie dem Innenrohr 32 der
Brennerlanze 30 und anschließend durch am Fußende 12 des Topfes vorgesehene Bohrungen 16 in den Coltimetorbereich 63.

Das Kühlwasser durchströmt den Innenraum des Hauptelektrodenrohres 18 bis zum Kopfteil 11 der Hauptelektrode 10, wo es durch an der Innenwand 13 des Hauptelektrodenrohres 16 angeordnete Leitbleche 14 umgelenkt wird, ringförmig in Gegenrichtung zurückströmt und über im Bereich des Fußendes 12 des Topfes im rechten Winkel zur Mittenacnse 1 angeordneten Öffnungen 15 in Hohlräume 61 einer Düse 60 gelangt. Das Kühlwasser verläßt die Düse 60 über am Kopfende 31 der Brennerlanze 30 vorgesehenen Durchlässe 34, um im Doppelmantel der Brennerlanze 30 zwischen Innenronr und Mantel 33 am Fußende 35 der Lanze durch die Wasserabfuhr 82 cen Plasmabrenner wieder zu verlassen.

Die Düse 60 kann dabei, wie im rechten Teil des Bildes dargestellt, in einer Form ausgebildet sein, die ein sogenanntes Scnattenrohr darstellt Die Isolierung 21 ist dabei im Innenraum 61 entsprechend gestaltet und weist Durchlässe 62 und Innenrohre 23 für die Führung des Kühlmeoiums auf.

Die Figur 2 zeigt einen mit einer Zündelektrode 70 versehenen
Plasmabrenner, der im Unterschied zur Figur 1 nicht mit Gleitelementen 51 zwischen der Hauptelektrode 10 und der Brennerlanze 30 ausgerüstes ist. Zusätzlich zu der Hauptgaszufuhr 64 der Medienversorgung 80 ist eine Zündgaszufuhr 63 vorgesehen.

De r Z ü nd e l e k t rodenkopf 73 der Zündelektrode 70 ist dabei durch einen zentralen Durchlass 19 des topfformigen Kopfteils 11 der Hauptelektrode 10 geführt. Zwischen dem Zündelektrodenkopf 73 und dem Kopfteil 11 der Hauptelektrode 10 ist eine Isolierbüchse 22 vorgesehen, die ein
Zündelektrodenrohr 71 klemmend hält. Am Fußende 74 des
Zündelektrodenrohres 71 sind Gleitelemente 52 angeordnet. Die
Gleitelemente 52 sind im Fußteil des Hauptelektrodenrohrs 16 angeordnet und ermöglichen eine Relativverschiebung zwischen dem
Hauptelektrodenrohr 18 und dem Zündelektrodenrohr 71.

Figur 3 zeigt einen Plasmabrenner mit Haupt- und Zündelektrode 10, 70 mit Gleitelementen 51 zwischen dem Fußende 35, der Brennerlanze 30 und dem Fußteil 17 der Hauptelektrode 10 sowie Gleitelemente 52 zwischen dem HaupteLektrodenrohr 16 und dem Zündelektrodenrohr 71 der Zündelektrode

Positionsliste
10 Hauptelektrode 80 Medienversorgung

11 Kopfteil Hauptelektrode 81 Wasserzufuhr

12 Fußende des Topfes 82 Wasserabfuhr

13 Innenwand 83 Zündgaszufuhr

14 Leitblech 84 Hauptgaszufuhr

15 Öffnungen 85 Stromzufuhr

16 Bohrungen I Mittenachse

17 Fußteil Hauptelektrode S Schmelze
18 Elektrodenrohr
19 Durchlaß
21 Isolierung
22 Isolierbüchse
23 Isolierring
30 Brennerlanze
32 Innenrohr
33 Mantel
35 Fußende der Brennerlanze
40 Tragvorrichtung
41 Schnellverschlußteil
51 Gleitelement Mittenrohr/Brennerlanze
52 Gleitelement Elektrodenrohr/Innenrohr
60 Düse
61 Hohlräume
62 Durchlass
63 Collimatorbereich
70 Zündelektrode
71 Zündelektrodenrohr
73 Elektrodenkopf

74 Fußende