DE4034731A1 - Plasmabrenner zum schmelzen und warmhalten von in gefaessen zu behandelnden materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner, der in ein Gefäß hineinragend und an der Tragvorrichtung befestigbar ist und eine Düse sowie eine Hauptelektrode aufweist, zu der gasförmige und flüssige Medien sowie der elektrische Strom über koaxial angeordnete Rohre zugeführt werden, 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 Brennerlanze in besonderem Maße durch Wärmestrahlung des Lichtbogens, vom Schmelzbad und von der Ofenwand Wärme zugeführt wird. Die hieraus resultierenden Temperaturveränderungen der Werkstoffe bedingen erhebliche Längenveränderungen der Bauteile.

Die unterschiedliche 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 Hauptelektrode auf.

Aus der DE-OS 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 Kühlbauteile, 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 US-PS 34 63 957 ist ein Plasmabrenner bekannt, bei dem die Hauptdüse und die Hauptelektrode im Bereich der Düsenspitze fixiert und darüber hinaus an einem gemeinsamen Kühlwassersystem angeschlossen sind.

Der aus dieser Schrift bekannte Plasmabrenner wird 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 Längenausdehnung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung 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 erfindungsgemäßen Plasmabrenner ist dies der Mantel der Brennerlanze, die mit ihrem Fußende von der Tragvorrichtung gehalten wird. Das in das Ofengefäß 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 Hauptelektrodenrohres ist mittels einer Isolierung mit dem Kopfende des Mantels fest verbunden und bildet das Festlager der Hauptlanze. Das Fußende der Hauptlanze ist als Loslager ausgebildet. Die durch die Wärmedehnung hervorgerufene Längenänderung der Bauteile kann sich durch diese Lagerungsart spannungsfrei entfalten.

Die Gleitelemente des Loslagers des Hauptelektrodenrohres sind dabei so ausgebildet, daß eine sichere Übertragung des elektrischen Stromes gewährleistet ist. In besonderer Weise eignen sich hierfür Kontaktfedern, 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 geführt 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 Lagerungssystem mit Fix- und Loslager für die Zündelektrode auf. Der Fixpunkt wird dabei im Kopfbereich der Zündelektrode durch eine Isolierbüchse gebildet.

Das Zündelektrodenrohr 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 Fußende des Zündelektrodenrohres angeordneten Gleitelementen aufgenommen.

Für die Halterung des Plasmabrenners ist ein am Tragarm angeordneter Schnellverschluß vorgesehen; in dem die Medienzuführungen angeordnet sind. Der Schnellverschluß ist so ausgestaltet, daß ein einfaches und schnelles Wechseln des Plasmabrenners möglich ist. Dabei sind die Medienzuführungen von der Tragvorrichtung und von der Brennerlanze einander angepaßt und gewährleisten nach Schließen des Schnellverschlusses 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 Zündlanze ohne Gleitelemente zwischen Brennerlanze und Hauptelektrode und

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

Die Fig. 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 S weist. Am Fußende 12 des Topfes ist eine als Ring ausgebildete Isolierung 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 Isolierung 21 befestigt.

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 Schnellverschlußteil 41 der Tragvorrichtung 40 befestigt. Der Schnellverschlußteil 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 18 sowie dem Innenrohr 32 der Brennerlanze 30 und anschließend durch am Fußende 12 des Topfes vorgesehene Bohrungen 16 in den Collimatorbereich 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 18 angeordnete Leitbleche 14 umgelenkt wird, ringförmig in Gegenrichtung zurückströmt und über im Bereich des Fußendes 12 des Topfes im rechten Winkel zur Mittenachse I 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 Innenrohr und Mantel 33 am Fußende 35 der Lanze durch die Wasserabfuhr 82 den Plasmabrenner wieder zu verlassen.

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

Die Fig. 2 zeigt einen mit einer Zündelektrode 70 versehenen Plasmabrenner, der im Unterschied zur Fig. 1 nicht mit Gleitelementen 51 zwischen der Hauptelektrode 10 und der Brennerlanze 30 ausgerüstet ist. Zusätzlich zu der Hauptgaszufuhr 84 der Medienversorgung 80 ist eine Zündgaszufuhr 83 vorgesehen.

Der Zündelektrodenkopf 73 der Zündelektrode 70 ist dabei durch einen zentralen Durchlaß 19 des topfförmigen 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 18 angeordnet und ermöglichen eine Relativverschiebung zwischen dem Hauptelektrodenrohr 18 und dem Zündelektrodenrohr 71.

Fig. 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 18 und dem Zündelektrodenrohr 71 der Zündelektrode 70.

Positionsliste

10 Hauptelektrode
11 Kopfteil Hauptelektrode
12 Fußende des Topfes
13 Innenwand
14 Leitblech
15 Öffnungen
16 Bohrungen
17 Fußteil Hauptelektrode
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
80 Medienversorgung
81 Wasserzufuhr
82 Wasserabfuhr
83 Zündgaszufuhr
84 Hauptgaszufuhr
85 Stromzufuhr
I Mittenachse
S Schmelze

Claims (12)

1. Plasmabrenner, der in ein Gefäß hineinragend an einer Tragvorrichtung befestigbar ist und eine Düse sowie eine Hauptelektrode aufweist, zu der gasförmige und flüssige Medien sowie der elektrische Strom über koaxial angeordnete Rohre zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hauptelektrode (10) am zum Schmelzbad (S) weisenden Kopfende (11) als geschlossener Topf ausgebildet ist,
daß im Bereich des Fußendes (12) des Topfes (11) eine Isolierung (21) vorgesehen ist, die die Elektrode (10) ringförmig umfaßt,
daß an der Isolierung (21) der Mantel (33) einer von der Tragvorrichtung (40) gehaltenen doppelwandigen Brennerlanze (30) befestigt ist, und
daß innerhalb der Brennerlanze (30) ein Hauptelektrodenrohr (18) angeordnet ist, das einenends an der Isolierung (21) befestigt und anderenends über Schiebeelemente (51) zur Brennerlanze (30) in axialer Richtung gleitend gelagert ist.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der Brennerlanze (30) und dem Hauptelektrodenrohr (18) Gleitelemente (51) zum sicheren übertragen der elektrischen Energie angeordnet sind.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitelemente (51) Kontaktfedern sind.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Fußende (35) der Brennerlanze (30) Anschlüsse (81 bis 84) für die Kühlmedienzufuhr und -abfuhr sowie für das Gas vorgesehen sind.

5. Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Fußende (35) der Brennerlanze (30) ein Schnellverschlußteil (41) der Tragvorrichtung (40) vorgesehen ist, der angepaßte Medienzuführungen (80) für Wasser (81, 82), Gas (83, 84) sowie Strom (85) aufweist.

6. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Fußende (12) an der Innenwand (13) des Hauptelektrodenrohres (34) in den Topf hineinragend ein zylindrisches Leitblech (14) zur Führung des Kühlmediums vorgesehen ist.

7. Plasmabrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektrode (10) durch einen Isolierring (23) getrennt von einer zylindrischen Düse (60) umgeben ist, die Hohlräume (61) zur Aufnahme eines Kühlmediums besitzt.

8. Plasmabrenner nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand (62) der zylindrischen Düse (60) an die Isolierung (21) angeschlossen ist und die Isolierung (21) als Wasser-Leitblech ausgebildet ist.

9. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Fußende (12) der Hauptlanze (30) in der Innenwand (13) im rechten Winkel zur Mittenachse (I) angeordnete Öffnungen (15) für den Kühlmedienaustritt vorgesehen sind.

10. Plasmabrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Öffnungen (15) koaxial zur Mittenachse angeordnete Bohrungen (16) zur Führung des Hauptgases vorgesehen sind.

11. Plasmabrenner, der in ein Gefäß hineinragend an einer Tragvorrichtung befestigbar ist und der eine Düse, eine Hauptelektrode, zu der gasförmige und flüssige Medien sowie der elektrische Strom über koaxial angeordnete Rohre zugeführt werden, sowie eine Zündelektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kopfteil (11) der Hauptelektrode (10) als ringförmiger Topf ausgebildet ist,
daß die Hauptelektrode (10) eine koaxial angeordnete Isolierbüchse (22) umfaßt, die die Zündelektrode (70) im Bereich ihres Kopfes (73) haltert und
daß an der Zündelektrode (70) ein Elektrodenrohr (71) befestigt ist, das an dem der Zündelektrode (70) abgewandten Ende Gleitelemente (52) zur gleitenden Lagerung zum Hauptelektrodenrohr (34) aufweist.

12. Plasmabrenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitelemente (52) Kontaktfedern sind.