DE1924201A1 - Process for operating a plasma torch and torches suitable for carrying out the process - Google Patents
Process for operating a plasma torch and torches suitable for carrying out the processInfo
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Description
Annawerk Keramische Betriebe GmbH, Oeslau b. CoburgAnnawerk Keramische Betriebe GmbH, Oeslau b. Coburg
Verfahren zum Betrieb eines Plasmabrenners und zur Durchführung des Verfahrens geeigneter BrennerProcess for operating a plasma torch and torches suitable for carrying out the process
Die Erfindung bezieht sich auf Plasmabrenner und richtet sich insbesondere auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brenners. Außerdem richtet sich die Erfindung auf eine bevorzugte Ausführungsform eines Plasmabrenners, mit dem sich das Verfahren gemäß der Erfindung besonders vorteilhaft durchführen läßt.The invention relates to plasma torches and is particularly directed to a method of operating such a torch. In addition, the invention is directed to a preferred embodiment of a plasma torch with which the method according to FIG the invention can be carried out particularly advantageously.
Plasmabrenner arbeiten nach dem Prinzip der Ionisation eines in einen Lichtbogen eingeleiteten Gases und der Beschleunigung der ionisierten Gases in einer Düse. Solche Plasmabrenner können zum Auftragen keramischer und anderer hochschmelzender Stoffe auf eine Unterlage dienen, eignen sich aber auch zum Verflüssigen hochschmelzender Materialien, zur Durchführung verschiedener chemischer Hochtemperaturreaktionen und dergleichen. Plasma torches work on the principle of ionization of a gas introduced into an arc and acceleration the ionized gas in a nozzle. Such plasma torches can be used to apply ceramic and other high-melting points Substances are used on a base, but are also suitable for liquefying high-melting materials, for implementation various high temperature chemical reactions and the like.
Bei solchen Plasmabrennern wird das Gas dem Brenner normalerweise aus Gasflaschen zugeführt. Es ist auch bekannt, eineWith such plasma torches, the gas is normally supplied to the torch supplied from gas bottles. It is also known to be a
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Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, einzusetzen, die im Brenner verdampft und dann in die gasförmigen Bestandteile dissoziiert, die ionisieren.Liquid, such as water, to use that in the Burner evaporates and then dissociates into the gaseous components, which ionize.
Ein Nachteil der zuerst genannten Verfahrensweise ist der vergleichsweise hohe Gasverbrauch. Die zum Einsatz kommenden Gase sind in reinem Zustand verhältnismäßig teuer. Außerdem ist die Leistung der mit Piaschengas arbeitenden Brenner sehr niedrig.A disadvantage of the first-mentioned procedure is the comparatively high gas consumption. The ones that are used Gases are relatively expensive in their pure state. In addition, the performance of the burner working with Piaschengas very low.
Die mit Wasser arbeitenden Brenner zeigen zwar eine höhere Leistung, sind aber teilweise gefährlich, weil durch die Leitfähigkeit ungereinigten Wassers Störungen im Brenner auftreten und damit Ströme ins Wasserleitungsnetz abfließen können. Außerdem erfordern solche Wasserbrenner eine außerordentlich sorgfältige Regulierung der Wasserzufuhr.The burners that work with water show a higher output, but are sometimes dangerous because of their conductivity Uncleaned water malfunctions occur in the burner and thus currents can flow into the water supply network. aside from that such water burners require extremely careful regulation of the water supply.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Betrieb eines Plasmabrenners, bei dem in einer Reaktionskammer zwischen zwei Elektroden ein Lichtbogen erzeugt wird, in den vergasbare Substanzen eingeführt werden, die die Reaktionskammer über eine Düse als Plasma verlassen, daß die Nachteile der ο benbeschrieben en Brenner-Arten und ihrer Betriebsweisen zu überwinden gestattet.The object of the invention is to create a method for operating a plasma torch in which in a reaction chamber an arc is generated between two electrodes, into which gasifiable substances are introduced, which form the reaction chamber Abandoned via a nozzle as a plasma, that the disadvantages of the types of burner described above and their modes of operation allowed to overcome.
Das erfindungsgemäß'e Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß zur Bildung des Plasmas der Reaktionskammer ein vergasbarer Feststoff zugeführt wird.The method according to the invention is characterized in that a gasifiable one to form the plasma of the reaction chamber Solid is fed.
Als Fesestoffβ wählt man solche, die sich bei relativ niedriger Erwärmung restlos in gasförmige Bestandteile zersetzen. Damit fallen die Gasflaschen und die Manipulationen mit Gasen weg, die für die erste obeöbeschriebene bekannte Brsiinerart erforderlich sind. Auch das Arbeiten mit Wasser und den damitAs solid material, one chooses those that are relatively low Completely decompose heating into gaseous components. This means that the gas bottles and the manipulation with gases fall away, the first known type of Brsiiner described above required are. Also working with and with water
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verbundenen Nachteilen beim obenbeschriebenen zweiten bekannten Brennertyp ist nicht mehr erforderlich. Gegenüber dem mit Gas arbeitenden Plasmabrenner bringt der erfindungsgemäße Plasmabrenner auch hohe Kostenvorteile, da die einzusetzenden festen Stoffe wesentlich billiger als die äquivalenten Mengen reinen Gases sind.associated disadvantages in the above-described second known type of burner is no longer necessary. Compared to the one with gas working plasma torch, the plasma torch according to the invention also brings high cost advantages, since the fixed ones to be used Substances are much cheaper than the equivalent amounts of pure gas.
Als Beispiele für einzusetzende feste Stoffe seien genannt: Ammoniumkarbonat, Ammoniumhydrogenkarbonat, verschiedene Nitrate, wie z, B. Ammoniumnitrat und ähnliche Verbindungen. Vorteilhaft sind auch verschiedene organische Verbindungen, wie beispielsweise die Oxalsäure, Ammoniumoxalat usw. In manchen Fällen ist es zweckmäßig, eine Substanz zu verwenden, die große Mengen Kristallwasser enthält.Examples of solid substances to be used are: ammonium carbonate, ammonium hydrogen carbonate, various nitrates, such as ammonium nitrate and similar compounds. Various organic compounds, such as, for example, are also advantageous which is oxalic acid, ammonium oxalate, etc. in some cases it is advisable to use a substance which contains large amounts of crystal water.
Vorteilhaft wird der vergasbare Peststoff in Pulverform zugeführt. Der zugeführte Feststoff kann dabei in weiterer Ausbildung der Erfindung neben vergasbaren Anteilen auch festbleibende oder sich wieder verfestigende Anteile, wie ein zu verspritzendes Material, enthalten. Eine solche Verfahrensmaßnahme ist dann vorteilhaft, wenn der Brenner zum Auftragen keramischer oder anderer hochschmelzender Stoffe auf eine Unterlage dienen soll.The gasifiable pesticide is advantageously supplied in powder form. In a further embodiment of the invention, the supplied solid can also contain solid components in addition to gasifiable components or resolidifying components, such as a material to be sprayed. Such a procedural measure is then advantageous if the burner is to be used to apply ceramic or other high-melting substances to a base.
Im Gegensatz zu den üblichen Gasplaismabrennem hat der erfindungsgemäße Plasmabrenner einen sehr hohen Wirkungsgrad und liefert eine sehr hohe Leistung.In contrast to the usual gas plaism burners according to the invention Plasma torch has a very high efficiency and delivers a very high output.
Im folgenden seien Beispiele für verwendbare Feststoffe genannt. Examples of solids that can be used are given below.
In gasförmige Pestandteile lassen sich beispielsweise folgende Feststoffe nach den angegebenen Formeln umwandeln:For example, the following can be incorporated into gaseous P constituents Convert solids according to the formulas given:
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> NH, + H2O ♦ CO2 >■ 2 NH^ + H2O + CO2 > NH, + H 2 O ♦ CO 2 > ■ 2 NH ^ + H 2 O + CO 2
(COOH)2 CO2 + CO + H2O(COOH) 2 CO 2 + CO + H 2 O
(COO ΝΗ4)2·Η20 * CO2 + CO + 2HH3 + 2H2O(COO ΝΗ 4 ) 2 · Η 2 0 * CO 2 + CO + 2HH 3 + 2H 2 O
Des weiteren seien einige Beispiele für Stoffe genannt* die eich bei Verwendung im erfindungsgeraäßen Plasmabrenner in gasförmige Beatandteile und Metalloxyde verwandeintFurthermore, some examples of substances are mentioned * the calibration in gaseous form when used in the plasma torch according to the invention Beatand parts and metal oxides related
MgC2O4 · 2H2O » MgO + CO2 + CO ♦ 2H2OMgC 2 O 4 · 2H 2 O »MgO + CO 2 + CO ♦ 2H 2 O
(Al2O3)m· (C02)n · (H2O)1. *(Al 2 O 3 ) m • (C0 2 ) n • (H 2 O) 1 . *
InAl2O3 ·♦· nCOg + rHgO
η · 1 bis 6) η « 1 bis 3; r * 2 bis 40.InAl 2 O 3 · ♦ · nCOg + rHgO
η · 1 to 6) η «1 to 3; r * 2 to 40.
Der erfindungsgemäße Plasmabrenner eignet sich nicht nur zum Auftragen verschiedener Überzüge, sondern auch für verschiedene chemische Hochtemperatursynthesen. Durch die Möglichkeit, verschiedene pulverförmige Stoffe unmittelbar in den Lichtbogen einzuführen, sind nicht nur die entstehenden Gasionen Energieträger, sondern schließlich auch das gewünschte Spritzgut, das bei normaler Temperatur festist, wie bei den oben angegebenen Aueführungebeispielen die verschiedenen Metalloxyde·The plasma torch according to the invention is suitable not only for applying different coatings, but also for different ones high temperature chemical syntheses. Thanks to the possibility of various powdery substances directly in the arc not only are the resulting gas ions energy carriers, but ultimately also the desired spray material, the is solid at normal temperature, as in the examples given above, the various metal oxides
Es ist auch möglich, den Brenner als Gas- oder Plüssigkeitsplasraabrenner zu benützen, wenn man durch die Kathodenbohrung Gas oder Plüsoi^keit statt der Feststoffe zuführt. In diesem Pail ist die Brennerkonstruktion besonders günstig, denn die Gase oder Flüssigkeiten werden in der Elektrode vorgewärmt, wobei letztere gleichzeitig gut gekühlt wird.It is also possible to use the burner as a gas or liquid plasma burner to be used when gas or plus oil is fed in through the cathode bore instead of solids. In this package, the burner construction is particularly favorable, because the gases or liquids are preheated in the electrode, the latter being cooled well at the same time.
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Da in der Lichtbogen- oder Reaktionskammer durch die starke Gasentwicklung vergleichsweise hohe Drücke entstehen können, erhöht sich nicht nur der Durchfluß, sondern auch die Temperatur des Plasmakegels und damit die Auftragsleistung.Since the strong gas development in the arc or reaction chamber can generate comparatively high pressures, not only does the flow increase, but also the temperature of the plasma cone and thus the application rate.
Ein Brenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich vorteilhaft durch eine druckfeste Reaktionskammer, an deren einem Ende die als Anode dienende Düse und an deren gegenüberliegendem Ende ein als Kathode diendendes Rohr angeordnet sind, wobei zwischen den beiden Elektroden eine zur ^Ausbildung eines Lichtbogens ausreichende Spannung liegt, und das Rohr an eine Zuführung für den Feststoff angeschlossen ist. Die Elektroden können aus den gebräuchlichen, dafür geeigneten Werkstoffen bestehen.A burner for carrying out the method according to the invention is advantageously characterized by a pressure-resistant reaction chamber, at one end of which the nozzle and serving as anode at the opposite end a tube diendendes cathode are arranged, with one between the two electrodes for ^ Formation of an arc is sufficient voltage, and the pipe is connected to a feed for the solid. The electrodes can consist of the usual, suitable materials.
Vorzugsweise besteht die Düse aus Kupfer und das Rohr aus Kohlenstoff. The nozzle is preferably made of copper and the tube is made of carbon.
Der erfindungsgemäße Brenner kennzeichet sich vorteilhaft weiter durch einen zylinderförmigen Körper aus Berylliumoxyd, an dessen einem Ende die Kupferdüse angesetzt ist, während sich durch das andere Ende das Kohlenstoffrohr bis auf einen die Bildung eines Lichtbogens ermöglichenden Abstand von der Kupferdüse erstreckt. Vorteilhaft ist um die aus Düse und das Rohr aufnehmenden zylinderförmigen Körper gebildete Reaktionskammer eine Druckkammer angeordnet.The burner according to the invention is advantageously further characterized by a cylindrical body made of beryllium oxide, on its The copper nozzle is attached to one end, while the carbon tube extends through the other end except for one, forming a Arc enabling distance extends from the copper nozzle. It is advantageous to have the cylindrical shape of the nozzle and the tube Body formed reaction chamber arranged a pressure chamber.
In weiterer Ausbildung der Erfindung ist um die Reaktionskammer ein Kühlmantel vorgesesjtiehen.In a further embodiment of the invention, a cooling jacket is provided around the reaction chamber.
Vorteilhaft kennzeichnet sich der Brenner durch einen zylindrischen Körper, an dessen einer Stirnseite die Düse angeordnet ist, und der in seinem Inneren unter Belassung eines Ringraums einen gefl^y;> %tsn Zylinderkörper aufnimmt, welcher sich mit seiner flansehlosen Stirnseite an der die Düse aufnehmenden Stirnseite des zylindrischen Körpers abstützt und seinerseitsAdvantageously, the burner characterized by a cylindrical body on whose one end face of the nozzle is arranged, and in its interior, leaving an annular space a gefl ^ y; receives>% tsn cylinder body which is at the receiving with its flansehlosen end face of the nozzle Supports the end face of the cylindrical body and in turn
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in seinem Inneren die Kombination aus Düse, Reaktijionskammer und Rohrelektrode enthält.in its interior the combination of nozzle and reaction chamber and tubular electrode.
Dabei ist vorteilhaft der zylindrische Körper an seinem vom der Düse abgewendeten Ende durch eine Platte abgeschlossen, durch die sich Andruckschrauben für den geflanschten Zylinderkörper erstrecken.The cylindrical body is advantageous on its from the End facing away from the nozzle closed by a plate through which the pressure screws for the flanged cylinder body extend.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Brenner gemäß der Erfindung.The drawing shows an embodiment for a burner according to the invention.
Ein zylindrischer Körper 1 nimmt an seiner Stirnseite 2 einen Düsenkörper 3 auf, der vorzugsweise aus Kupfer hergestellt ist. P Der Düsenkörper 3 umschließt zusammen mit einem zylindrischenA cylindrical body 1 receives on its end face 2 a nozzle body 3, which is preferably made of copper. P The nozzle body 3 encloses together with a cylindrical Einsatz 4 aus Berylliumoxyd die Reaktionskammer 5. Der zylindrische Einsatz 4 ist dabei von einem Zylinderkörper 6 umgeben, der an seinem von der Düse 3 abgewendeten Ende einen Flansch 7 aufweist, mit dem er eng in die Innenwandung des zylindrischen Körpers 1 eingesetzt werden kann. Mit seinem vorderen Ende stützt er sich über eine Packung 8 an einem umgebogenen Teil 9 der Düse 3 ab. Von dem von der Düse 3 abgewendeten Ende wird er mit Hilfe von Druckschrauben 10 gegen den Teil 9 der Düse 3 angepreßt, welche durch eine VerschluBplatte 11 für den zylindrischen Körper 1 geführt sind, die am zylindrischen Körper la nicht näher bezeichneter Vtise fest angeschlossen ist.Insert 4 made of beryllium oxide, the reaction chamber 5. The cylindrical insert 4 is surrounded by a cylinder body 6, which has a flange 7 at its end facing away from the nozzle 3, with which it fits tightly into the inner wall of the cylindrical Body 1 can be used. With its front end it is supported by a pack 8 on a bent part 9 the nozzle 3. From the end facing away from the nozzle 3 it is with the help of pressure screws 10 against the part 9 of the nozzle 3 pressed, which by a closure plate 11 for the cylindrical body 1 are guided, which is firmly connected to the cylindrical body la Vtise unspecified.
r Durch den Einsatz 4 erstreckt sich auf der von der Düse 3 abgewendeten Seite ein Rohr 12 aus Kohlenetoff, durch dessen Inneres 13 die Feststoffe eingeführt werden, die in der Reaktionekammer 5 infolge des dort zwischen dem Rohr 12 und der Kupferdüse 3 entwickelten Lichtbogens in ein Plasma verwandelt werden, das durch die Düsenöffnung 14 austritt.Through the insert 4, on the side facing away from the nozzle 3, a tube 12 made of carbon extends through its Inside 13, the solids are introduced, which are converted into a plasma in the reaction chamber 5 as a result of the arc developed there between the tube 12 and the copper nozzle 3, which plasma exits through the nozzle opening 14.
In bestimmten Fällen hat es sich als günstig erwiesen, die röhrenartige Elektrode am Lichtbogenende nicht völlig zu durchbohren, sondern die gasigen Zersetzungsprodukte durch radiale Seitenbohrungen (22) der Reaktionskammer zuzuführen (siehe BiM Nr. 2).In certain cases it has proven to be beneficial not to completely pierce the tubular electrode at the end of the arc, Instead, feed the gaseous decomposition products into the reaction chamber through radial side bores (22) (see BiM No. 2).
Man erkennt zwischen dem zylindrischen Einsät:" % und dem Zylinderkörper 6 einen Raum 15, der als Kühlmantel dient und über den Kanal 16 mit einem Kühlmittel versorgt wird, welches durchIt can be seen between the cylindrical inset: "% and the cylinder body 6 a space 15, which serves as a cooling jacket and over the channel 16 is supplied with a coolant, which through
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den Kanal 17 abströmen kann. Bei 18 ist ein Überdruckraum ausgebildet, der über den Kanal 19 mit dem Ringraum 2o in Verbindung steht und unter hohen Druck gesetzt werden, um derart einen Austritt von Plasma durch die einzelnen Verbindungsstellen der Brenneranordnung zu verhindern.the channel 17 can flow off. At 18, an overpressure chamber is formed, which is connected to the annular chamber 2o via the channel 19 and is placed under high pressure in order to be able to do so to prevent the escape of plasma through the individual connection points of the burner arrangement.
Die Zuführung dieses unter hohem Druck stehenden Gases erfolgt durch die Bohrung 21 in der rückwärtigen Platte 11.This gas, which is under high pressure, is supplied through the bore 21 in the rear plate 11.
Der Feststoff wird vorteilhaft als in einem Gas suspendiertes Pulver in die Reaktionskanmer 5 eingeführt. Die Zersetzungsreaktion erfolgt bereits in der Bohrung 13 der Kohleelektrode 12. Die Produkte der thermischen Zersetzung gelangen dann unmittelbar in den Lichtbogen zwischen dem vorderen Ende der Elektrode 12 und der Düse 3» wo die zwite Zersetzungsstufe, d.h. eine Dissoziation der Gase und gleichzeitig eine dritte Stufe, nämlich die Ionisation der gasförmigen Dissoziationsprodukte abläuft.The solid is advantageously introduced into the reaction chamber 5 as a powder suspended in a gas. The decomposition reaction already takes place in the bore 13 of the carbon electrode 12. The products of thermal decomposition then immediately enter the arc between the front end of the Electrode 12 and nozzle 3 »where the second decomposition stage, i.e. a dissociation of the gases and at the same time a third stage, namely the ionization of the gaseous dissociation products.
In der Kammer 5 ensteht also ein Plasma, welches durch die Düse 3 aus dem Brenner austritt und vor dem Brenner einen Plasmakegel bildet. Will man pulverartige Stoff· beispielsweise auf einen Träger ausspritzen, dann kann man diese entweder vor dem Brenner in den Plasmakegel einführen, oder aber unmittelbar der Reaktionskammer zusammen mit den festen Zerzetzungsstoffen zuführen.In the chamber 5 there is thus a plasma which emerges from the burner through the nozzle 3 and a plasma in front of the burner Plasma cone forms. If you want to spray powder-like substance onto a carrier, for example, you can either insert it into the plasma cone in front of the torch, or else directly to the reaction chamber together with the solid decomposition substances.
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