DE69300563T2

DE69300563T2 - Lichtbogenplasmabrenner mit konische Bohrung enthaltender Elektrode.

Info

Publication number: DE69300563T2
Application number: DE69300563T
Authority: DE
Inventors: Neil C Elmer; Rob E Haun; Robin A Lampson
Original assignee: Retech Inc
Current assignee: Lockheed Martin Advanced Environmental Systems Inc
Priority date: 1992-01-30
Filing date: 1993-01-26
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2013-01-27
Also published as: AU651302B2; EP0553758B1; JP3186883B2; DE69300563D1; JPH06295795A; CA2087548C; KR100262800B1; US5239162A; CA2087548A1; EP0553758A1; AU3195293A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtbogenplasma- Erzeugungsvorrichtung, die für Ofenschmelzvorgänge, Schweißen und Schneidanwendungen geeignet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Lichtbogenplasmabrenner, der mit einer Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung ausgerüstet ist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die Verwendung von Lichtbogenöfen, die mit Lichtbogenplasmabrennern ausgerüstet sind, ist für Schmelz- und Verfeinerungsanwendungen dieselbe, die Metall und Legierungen verwenden. Öfen, die Lichtbogenplasmabrenner verwenden, sind besonders beim Schmelzen reaktiver Metalle nützlich, weil diese Metalle schnell reagieren oder spritzen, wenn sie in bestimmten Atmosphären erwärmt werden.
Ein typischer Lichtbogenplasmabrenner verwendet eine zylindrische Elektrode mit gerade verlaufender Bohrung, eine gaszusammenschnürende Düse, die von der Elektrode entfernt angeordnet ist, eine Kammer, die den Raum zwischen der Elektrode und der Düse umgibt, und eine Einrichtung zum Erzeugen einer Wirbelströmung unter Druck stehenden Lichtbogengases, das sich zurück in die Kammer und die Bohrung der Elektrode erstreckt und abwärts durch die Vorderseite der Düse wirbelt. Diese Aufbauart wird oft als Wirbelströmungsbrenner bezeichnet. Aufgrund der zusammenziehenden Wirkung der Düse ähnelt der Plasmalichtbogen einer Säule.
In Gegenwart eines Lichtbogens wird das unter Druck stehende Lichtbogengas ionisiert, wodurch ein Lichtbogenplasma gebildet wird, das durch die zusammenziehende Düse als wirbelnder, überhitzter Plasmastrahl ausgetragen wird. Das wirbelnde Lichtbogengas trägt auch zum Schutz der Elektrode vor Erosion oder Verschmutzung bei, weil der Punkt auf der Elektrode, von dem der Lichtbogen ausgeht (Lichtbogenendpunkt) dazu neigt, mit dem Lichtbogengas umzulaufen, anstatt an einem einzigen Punkt zu verbleiben.
Ein Lichtbogenbrenner entwickelt Wärme durch einen Plasmalichtbogen, der zwischen die Lichtbogenplasmabrennerelektrode und das Werkstück gezogen wird (was häufig als Übertragungsmodus bezeichnet wird). Alternativ kann Wärme zwischen der Brennerelektrode und einer zweiten externen Elektrode entwickelt werden (dem sogenannten Nichtübertragungsmodus). Der Übertragungsmodus ist üblicherweise effizienter, weil die Energie direkt von dem Brenner zum Werkstück übertragen wird, anstatt teilweise zu der getrennten Elektrode hin abgesondert zu werden.
Die meisten durch das Plasmalichtbogenschmelzen gebotenen Vorteile betreffen die Säuleneigenschaften des Lichtbogens. Das Zusammenziehen des Lichtbogens in eine Säule erhöht die Richtungsstabilität des Lichtbogens. Der Lichtbogen ist deshalb steifer und leichter in die ausgesuchte Richtung zu fokussieren. Der zusammengezogene Lichtbogen hat eine hohe Stromdichte sowie eine hohe Wärmeenergiekonzentration in einer engen Zone. Da der Bogen säulenförmig ist, ist er ebenfalls weniger empfindlich gegenüber Unterschieden in der Lichtbogenlänge und dem Brenner-Stand-Off bzw. dem lichten Brennerabstand.
Der Stand der Technik umfaßt sowohl Konstruktionen zur Erzeugung des Lichtbogenplasmas sowie zum Beimengen von Material zur Behandlung durch dieses Plasma. Baird (US-Patent Nr. 3 194 941) und Camacho (US-Patent Nr. 3 673 375) geben beispielhaft zwei Wege für die Lichtbogenplasmabrennerkonstruktion an.
Von Baird (US-Patent Nr. 3 194 941) wird angenommen, daß er den originalen Wirbelströmungsbrenner entwickelt hat, der von der Union Carbide Corporation gehandelt wurde. Baird informiert darüber, daß das Verhältnis der Düsenlänge (B) zur Düseninnenbohrung (C) kritisch ist. Empfohlene Werte für B/C liegen zwischen 1,2 und 3,0, wobei 2,0 das optimale Verhältnis darstellt. Gemäß Baird verursachen Werte von B/C von weniger als 1,2 eine doppelte Lichtbogenausbildung. Baird lehrt außerdem, daß viel größere Werte von B/C es schwierig machen, den Lichtbogen zu übertragen und die Wärmeeffizienz des Lichtbogenausflusses zu vermindern.
Der Stand der Technik umfaßt ferner das US-Patent 4 718 477 (das '477-Patent), das für Camacho erteilt wurde. Es lehrt, daß der Plasmabrennerbetrieb in einem Vakuum zu einer deutlichen Verringerung des Spannungsgradienten (Lichtbogenspannung geteilt durch die Lichtbogenlänge) führt, im Vergleich zu einem Betrieb unter Atmosphärendruck, wodurch wiederum die verfügbare Ausgangsleistung des Brenners für eine gegebene Lichtbogenlänge deutlich verringert wird.
Das '477-Patent führt ferner aus, daß, obwohl der Leistungspegel proportional der Lichtbogenlänge ist, unter Vakuumbedingungen der Spannungsgradient so niedrig sein kann, daß eine Vergrößerung der Lichtbogenlänge nur eine geringe Zunahme an Leistung ergibt. Das '477-Patent versucht dieses Problem niedriger Leistungspegel in dem Lichtbogen zu überwinden, indem eine Düse verminderten Durchmessers unmittelbar vor der zylindrischen Elektrode mit geraden Bohrungsverlauf derart angeordnet wird, daß die zwischen die Elektrode und die Düse eingeleitete Wirbelgasströmung stromaufwärts von der Düse einen Rückwärtsdruck erzeugt. Die Wirkung davon ist, daß der Abschnitt des Lichtbogens stromaufwärts von der Düse einem relativ höheren Druck unterworfen ist, der seinerseits den Spannungsgradienten erhöht. Die Gesamtlänge des Lichtbogens kann dadurch erhöht werden, und es können größere Leistungspegel erreicht werden.
Es ist jedoch zu bemerken, daß die Zunahme der Lichtbogenlänge stromaufwärts von der Düse derart liegt, daß die effektive Lichtbogenlänge außerhalb des Brenners, d.h. zwischen dem Ende des Brenners und dem Metallbecken, das durch das Plasma erwärmt wird, sich nicht ändert und relativ kurz bleibt. Die "Stand- Off"-Länge des Brenners, das bedeutet, die Länge des Abschnitts des Lichtbogens zwischen dem Schmelzbecken und dem Brennerende bleibt relativ kurz. Infolge davon können große Metallstücke, die zum schmelzen in den Ofen eingeführt werden, das Ende des Brenners kontaktieren und einen Kurzschluß sowie eine Beschädigung des Brenners verursachen.
Es ist bekannt, daß die Aufrechterhaltung einer langen Lichtbogenlänge zwischen dem Brenner und dem Werkstück wünschenswert ist, weil dies allgemein gesagt den Lichtbogen mit einer größeren Leistung versorgt. Ein mit einer langen Lichtbogenlänge verbundener Nutzen ist ein langer Stand-Off-Abstand zwischen dem Lichtbogen und dem Werkstück. Ein langer Stand-Off ermöglicht ein problemloses Zuführen des Materials zwischen das Schmelzbecken und den Brennerkörper, ohne den Brenner zu beschädigen.
Ein wichtiger Aspekt des Plasmaschmelzens besteht deshalb darin, einen Lichtbogen zu erzeugen, der lang genug ist, um ein problemloses Zuführen von Material zwischen das Schmelzbecken und den Brennerkörper zu ermöglichen, ohne den Brenner zu beschädigen, während die erwünschte, relativ hohe Leistungsabgabe des Brenners aufrechterhalten bleibt. Die folgende Erfindung schafft einen Plasmabrenner, der diese Eigenschaften hat.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird durch einen Wirbelströmungslichtbogenplasmabrenner gemäß Anspruch 1, eine längliche Wirbelströmungsplasmabrennerelektrode gemäß Anspruch 5 und ein Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners gemäß Anspruch 7 gelöst.
Die Anmelder haben entdeckt, daß durch die Konstruktion eines im übrigen herkömmlichen Plasmabrenners der vorstehend allgemein diskutierten Art mit einer Elektrode, die eine Innenbohrung hat, die zumindest über einen Abschnitt ihrer Länge konisch zuläuft, es möglich macht, relativ lange Lichtbogenlängen zu erzeugen. Der konisch zulaufende Abschnitt der Elektrodenbohrung erstreckt sich vom offenen Ende der Elektrode, d.h. dem Ende, das dem Becken mit zu schmelzendem Metall in dem Ofen gegenüberliegt, und der Lichtbogen wird in diesem konisch zulaufenden Abschnitt der Bohrung verankert anstatt in der Nähe des Hinterendes der Elektrode, wie dies beispielsweise in dem vorstehend diskutierten '477-Patent beabsichtigt war. Dadurch ist die Lichtbogenlänge, die über das Ende des Brenners vorsteht, wesentlich länger, wodurch die Stand-Off-Länge für den Brenner entsprechend vergrößert wird. Dadurch können selbst relativ große feste Metallstücke zwischen dem Becken geschmolzenen Metalls und den Brenner untergebracht werden, ohne elektrische Kurzschlüsse und/oder eine körperliche Beschädigung des Brenners zu verursachen.
Untersuchungen empfehlen, daß Plasmabrenner mit Elektrodenbohrungen großen Durchmessers den Lichtbogenendbereich dazu veranlassen, tiefer in die Elektrodenbohrung sich zurückzuziehen, d.h. zur Umgebung ihres geschlossenen Endes. Andererseits verursachen Elektrodeninnenbohrungen kleinen Durchmessers, daß der Bogenendbereich sich in Vorwärtsrichtung verschiebt. Jede dieser Extremsituationen großer und kleiner Durchmesser hat damit verbundene Probleme.
Obwohl die Elektrodenbohrung kleinen Durchmessers den Lichtbogenendbereich in Vorwärtsrichtung zwingt und dadurch den aus dem Brenner vorstehenden Lichtbogen und die Stand-Off-Länge verlängert, verursacht sie auch eine Erosion und eine Überhitzung in dem am schwierigsten zu kühlenden Bereich der Elektrode, d.h. an ihrem Vorderende. Eine Elektrode großen Durchmessers sorgt dafür, daß der Lichtbogenendbereich sich zurückzieht, wodurch die Stand-Off-Länge sich unerwünscht verkürzt, während wahrscheinlich aufgrund der verminderten Gasströmung am Hinterende der Elektrodenbohrung eine signifikante Erosion auftritt.
Die konisch zulaufende Bohrung der vorliegenden Erfindung stabilisiert den Lichtbogenendbereich in der konisch zulaufenden Bohrung am vorne liegenden Abschnitt der Elektrode. Dies scheint das Ergebnis von Ausgleichskräften zu sein, die durch diese Elektrodenkonfiguration erzeugt werden, die das Lichtbogenende beeinflußt. Der relativ große Durchmesser an der Mündung der Elektrode sorgt dafür, daß der Lichtbogenendbereich sich nach hinten in die Elektrode zurückzieht. Der aus dem konischen Verlauf herrührende abnehmende Bohrungsdurchmesser begrenzt jedoch das Zurückziehen des Lichtbogenendbereichs, wodurch die Nachteile von Elektroden mit kleinem Bohrungsdurchmesser überwunden werden, während eine signifikant größere Stand-Off-Länge für den Brenner geschaffen wird.
Die Konfiguration der vorliegenden Erfindung mit der Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung zieht daher einen Vorteil aus den Ausgleichskräften, um den Lichtbogenendpunkt an einer Stelle im vorderen Abschnitt der Elektrode zu verankern, der leicht zu kühlen ist, und wo Gasströmungsgeschwindigkeiten so hoch sind, daß sie das Umlaufen des Bogens zusätzlich sicherstellen, und dadurch die Elektrodenerosion minimieren.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schafft einen Plasmabrenner, der durch ein Brennergehäuse festgelegt ist, das eine Elektrode mit einer konisch zulaufenden Bohrung trägt, eine gaszusammenziehende Düse und einen Gasverwirbelungserzeuger. Die Elektrode hat ein geschlossenes Inneres oder hinteres Ende und ein offenes Vorderende oder eine äußere Mündung. Die Düse steht in axialer Ausrichtung mit, in Vorwärtsrichtung beabstandet und isoliert von der Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung.
Während der Benutzung richtet der Brenner ein unter Druck stehendes Lichtbogengas hinter die Elektrode und erzeugt eine Strudel- oder Wirbelströmung des Gases an einer Stelle zwischen der Elektrode und der gaszusammenziehenden Düse.
Ohne die dahinterstehenden Gründe voll zu verstehen, haben die Anmelder gefunden, daß die Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung der vorliegenden Erfindung viele Vorteile gegenüber der herkömmlichen Elektrodenkonfiguration mit gerade verlaufender Bohrung bietet.
Durch Verankern des Lichtbogens im vorne liegenden Bereich der Elektrode erzeugt ein Plasmalichtbogenbrenner, der mit einer Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung ausgestattet ist, eine größere Lichtbogenlänge und einen entsprechend größeren Lichtbogen-Stand-Off, als er mit der herkömmlichen Elektrode mit gerade verlaufender Bohrung erzielbar war. Die Hypothese für die Verbesserung sagt aus, daß die Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung einen kleineren Spannungsgradienten in der Plasmasäule erzeugt. Beispielsweise könnte der Säulenspannungsabfall, der durch eine Elektrode mit gerade verlaufender Bohrung erzeugt wird, 5,6 V pro cm (14 V pro Inch) in Helium bei einer Atmosphäre betragen. Unter denselben Betriebsbedingungen ergibt sich der Spannungsabfall, der durch die Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung erzeugt wird als lediglich etwa 3 V pro cm (8 V pro Inch). Ein geringerer Spannungsabfall in der Säule vergrößert die Länge des Lichtbogens und erlaubt es, daß der Brenner höher über dem Werkstück für eine gegebene Spannung angeordnet werden kann. Die resultierende größere Brenner-Stand-Off-Länge ist wünschenswert, um Werkstücke größerer Abmessung behandeln zu können, ohne den Lichtbogen zu löschen oder den Brenner zu beschädigen.
Außerdem scheint es, daß die Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung gemäß der Erfindung das Umlauf en des Bogens am Bogenendpunkt verbessert. Eine verbesserte Drehbewegung des Bogenendpunkts trägt dazu bei, die Elektrodenerosion zu vermindern und den stabilen Lichtbogenbetrieb zu fördern. Die verbesserte Lichtbogendrehbewegung in der Elektrodenbohrung kann von dem relativ großen Durchmesser der Bohrung am Vorderende der Elektrode herrühren, in Verbindung mit dem relativ kurzen Abstand zwischen dem Elektrodenende und dem Lichtbogenendbereich, obwohl die Anmelder bemerken möchten, daß die genauen Gründe für diese Verbesserung unklar bleiben.
Die Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung erfordert außerdem ein weniger häufiges Ersetzen. Dies ist möglicherweise durch die verbesserte Drehbewegung des Bogens bedingt, die ihrerseits ein Überhitzen vermeidet.
Die konisch zulaufende Elektrode erlaubt ferner die Verwendung einer kürzeren Gesamtlänge, wodurch Elektrodenmaterialkosten eingespart werden. Historisch betrachtet hat die Industrie angenommen, daß eine lange Elektrode notwendig oder zumindest wünschenswert war.
Die Brenner- und Elektrodenkombination der vorliegenden Erfindung erbringt außerdem Wirtschaftlichkeit, indem zur Erzeugung des Lichtbogenplasmas eine geringere Gasströmung erforderlich ist.
Schließlich arbeitet die beschriebene Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei Übertragungslichtbogenofenanwendungen zufriedenstellend. Die vorliegende Erfindung ist jedoch gleichermaßen auf Nicht-Übertragungsbogenanwendungen anwendbar. Die vorliegende Erfindung ist in ähnlicher Weise bei der Technik des Plasmalichtbogenschweißens und des Plasmalichtbogenschneidens einsetzbar.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus dem Studium der folgenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze ähnlich wie Fig. 2, jedoch von einer Elektrode mit gerader Bohrung.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipskizze der Elektrode mit konisch verlaufender Bohrung gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Plasmabrenner.
Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze eines Plasmabrenners mit einer Elektrode mit konischer Bohrung, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 4 und 5 zeigen die Unterschiede der Plasmabrenner-Stand- Off-Längen, die mit einem Plasmabrenner, der eine Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung aufweist, und mit einem Plasmabrenner, der eine Elektrode mit einer geraden Bohrung aufweist, erreicht werden.
Fig. 6 zeigt eine Kurvendarstellung der Spannung als Funktion des Brenner-Stand-Off-Abstands sowohl für eine Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung wie für eine Elektrode mit gerade verlaufender Bohrung gemäß dem Stand der Technik.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Zunächst unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 ist ein lediglich in Fig. 3 gezeigter Plasmabrenner 2, der in Übereinstimmung mit der Erfindung aufgebaut ist, festgelegt durch ein (schematisch dargestelltes) Plasmabrennergehäuse 4, das eine allgemein zylindrische längliche Elektrode 20 trägt, die eine Innenbohrung oder Kammer 32 hat, die am Vorderende 5 der Elektrode offen ist, das allgemein zu einem Becken aus geschmolzenen Metall 6 in dem Ofen weist. Ein Hinterende 7 der Elektrode ist derart verschlossen, daß die Elektrodenbohrung 32 eine Blindbohrung ist. Die Elektrode ist in geeigneter Weise an eine elektrische Stromquelle 8 angeschlossen, die zusammen mit dem Becken 6 für geschmolzenes Metall geerdet ist, um ein elektrisches Potential zwischen der Elektrode und dem Becken zu erzeugen.
Das Brennergehäuse trägt ferner eine schematisch dargestellte Düse 48, die über das Vorderende 5 der Elektrode verläuft und eine Durchgangsbohrung 49 umfaßt, die mit der Elektrodenbohrung 32 axial ausgerichtet ist. Die Düse ist derart konfiguriert, daß sie eine zylindrische Strudel- oder Wirbelkammer 52 zwischen dem Vorderende der Elektrode und der nach hinten weisenden Fläche 53 der Düse bildet. Eine oder mehrere Gaseinspritzöffnungen 55 in Fluidverbindung mit der Gasquelle 57 sind angeordnet, um ein geeignetes Gas in die Wirbelkammer 52 derart einzuspritzen, daß das Gas um die Achse der ausgerichteten Elektrodenbohrung 32 und der Düsenbohrung 49 wirbelt, wie in Fig. 3 durch elliptische Pfeile 59 gezeigt.
Der Brenner als ganzes und die Elektrode und Düse insbesondere werden geeignet gekühlt, typischerweise mit Wasser. Derartige Kühlsysteme sind auf diesem Gebiet der Technik bekannt und außerdem in den vorstehend zum Stand der Technik genannten Patenten beschrieben, weshalb das Kühlen des Plasmabrenners vorliegend nicht näher erläutert wird.
Im Betrieb wird die elektrische Stromquelle 8 aktiviert, um ein Potential zwischen dem Becken 6 und der Elektrode 20 zu erzeugen. Ein Lichtbogen zwischen ihnen wird ausgelöst und Gas von der Quelle 57 wird durch Öffnungen 55 in die Wirbelkammer 52 eingespritzt, wodurch das wirbelnde Gas in eine stromabwärtige Richtung zu dem Becken durch die Düsenöffnung 49 gezwungen wird. Der elektrische Lichtbogen 56 erfährt innerhalb der Elektrodenbohrung 32 eine Verankerung, er überhitzt und ionisiert das wirbelnde Gas, das durch die Düsenöffnung 49 gezwungen wird, und erzeugt dadurch heißes Plasmagas, das gegen das Bekken 6 geblasen wird. Das Plasmagas schmilzt jegliches feste Metallstück, das sich in dem Becken befinden kann, und hält das Becken auf der gewünschten Temperatur, wie dies auf diesem Gebiet der Technik bekannt ist. Das wirbelnde Gas setzt außerdem den Lichtbogen in Drehung, wodurch der Lichtbogenverankerungspunkt in der Elektrodenbohrung umläuft.
In Bezug auf Fig. 2 hat die Elektrode 20 der vorliegenden Erfindung einen gleichmäßigen Außendurchmesser und umfaßt eine offene Mündung 24, ein geschlossenes Ende 7 und die innenliegende Elektrodenbohrung 32. Die Elektrodenbohrung ist durch eine innenliegende konisch zulaufende Wand 36 festgelegt, die sich über einen Abschnitt der Bohrungslänge und einen zylindrischen Abschnitt 40 konstanten Durchmessers erstreckt, der in einem Blindbohrungsende 28 endet. Der Bohrungsdurchmesser ist an der offenen Mündung am größten und nimmt von dort aus in Richtung zu dem zylindrischen Bohrungsquerschnitt ab.
Im Vergleich dazu zeigt Fig. 1 eine Elektrode 21 nach dem Stand der Technik. Sie hat eine Innenbohrung 23 konstanten Durchmessers.
Bevorzugt hat die Elektrode 20 einen einstückigen homogenen Aufbau und besteht aus einem geeigneten Material, das abhängig von der Wahl des Plasmagases gewählt wird. Kupfer, Aluminium, Silber, Molybdän und Zirkon gehören zu den Materialien, die typischerweise mit Reaktivgasen verwendet werden. Für Inertgase umfassen empfohlene Materialien für die Elektrode Wolfram, Wolframlegierungen, Kohlenstoff und Kupfer.
Aus unklar bleibenden Gründen scheinen die besten Ergebnisse mit Elektroden erreicht zu werden, die eine konisch zulaufende Bohrung mit einer axialen Bohrungslänge (L) haben, die zehn Mal geringer ist als die Bohrungsabmessung (D) an der Mündung 24 der Elektrodenbohrung 36. Der Durchmesser der Düsenbohrung 49 sollte etwa derselbe sein wie oder geringfügig kleiner als der größte Elektrodenbohrungsdurchmesser (D).
Fig. 6 zeigt eine Kurvendarstellung der Spannung als Funktion des Brenner-Stand-Off-Abstands für eine Elektrode mit einer konisch zulaufenden Bohrung (Fig. 2) und eine Elektrode mit einer Bohrung konstanten Durchmessers (Fig. 1). Vergleichsuntersuchungen zwischen den beiden Elektroden wurden bei 1.200 Ampére Elektrodenstrom durchgeführt und das Ionisierungsgas war Helium. Die bei der Untersuchung verwendete Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung hatte einen großen Durchmesser von 2,4 cm (0,95 Inch) an der Elektrodenmündung, einen Wandschrägverlauf von 7,5 Grad relativ zur Achse, und der zylindrische hintere Abschnitt der Bohrung hatte einen Durchmesser von 1,3 cm (0,5 Inch). Die axial projezierte Länge des konisch zulaufenden Abschnitts betrug 4,3 cm (1,709 Inch), und die Anmelder unterstellen, können jedoch keine genaue Aussage treffen, daß der Lichtbogen an der konisch zulauf enden Wand etwa 2,5 cm (1 Inch) ausgehend von der Elektrodenmündung verankert war. Fig. 6 zeigt, daß die Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung eine deutliche Verbesserung bezüglich der Stand-Off-Länge pro angelegtem Volt erbringt. Beispielsweise bei einer angelegten Spannung von 220 Volt erbringt die Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung eine Stand-Off-Länge von 33 cm (13 Inch) (siehe Fig. 4). Bei derselben Spannung erbringt die Elektrode gemäß dem Stand der Technik mit gerader Bohrung mit einem Bohrungsdurchmesser von 2 cm (0,813 Inch) eine Stand-Off-Länge von lediglich 20 cm (8 Inch) (siehe Fig. 5). Bei einer angelegten Spannung von 160 Volt betragen die Stand-Off-Längen 18 cm (7 Inch) und 10 cm (4 Inch) jeweils für die Elektroden mit konisch zulaufender und gerade verlauf ender Bohrung.
Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, erlaubt bei denselben Spannungsund Strombedingungen, die mit der Elektrode mit konisch zulaufender Bohrung erhaltene viel längere Stand-Off-Länge gemäß der vorliegenden Erfindung eine problemlose Einleitung des Speise- bzw. Beschickungsmaterials. Die relativ kurze Stand- Off-Länge einer Elektrode nach dem Stand der Technik mit gerade verlaufender Bohrung macht die Einführung von Beschickungsmaterial schwierig und kann aufgrund elektrischer Kurzschlüsse und/oder eines körperlichen Kontakts zwischen dem Brenner und dem Beschickungsmaterial zu einer Beschädigung des Brenners führen.
Während die vor stehend erläuterte Erfindung sich auf eine spezielle Vorrichtung bezieht, ergeben sich für den Fachmann verschiedene weitere Anwendungen und Abwandlungen, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Wirbelstromlichtbogenplasmabrenner zum Erzeugen eines langen Plasmalichtbogens, mit:

einem Brennergehäuse,

einer in dem Gehäuse angebrachten Elektrode, die eine in Längsrichtung verlaufende axiale Bohrung hat, die an einem Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist, wobei ein Teil der Bohrung benachbart zum offenen Ende gleichmäßig konisch zuläuft, wobei die Bohrung am offenen Ende einen Durchmesser hat, der größer ist, als ein Durchmesser der Bohrung, der vom offenen Ende weiter beabstandet ist, wobei die Bohrung eine Länge hat, die mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser am offenen Ende ist,

einer Düse, die in dem Gehäuse vor sowie beabstandet von der Elektrode angebracht ist und eine Öffnung in axialer Ausrichtung mit der konisch zulaufenden Bohrung hat sowie eine Einrichtung zum Einspritzen von Gas zwischen die Elektrode und die Düse mit wirbelndem Verlauf hat, um eine wirbelnde Gasströmung durch die Düsenöffnung während der Benutzung des Brenners zu erzeugen, und

einer Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Lichtbogens zwischen einem Innenabschnitt der konisch zulaufenden Elektrodenbohrung und einem Werkstück, das an einem Ende der Düse entfernt von der Elektrode angeordnet ist,

wobei die wirbelnde Gas strömung den elektrischen Lichtbogen koaxial zu der konisch zulaufenden Elektrodenbohrung und der Düsenöffnung in Drehung versetzt und dadurch einen Lichtbogenendpunkt innerhalb der konisch zulaufenden Bohrung um eine Achse der Bohrung in Umlauf.

2. Brenner nach Anspruch 1, wobei die Bohrung durch eine Innenwand der Elektrode festgelegt ist, die eine im wesentlichen gleichmäßige Winkelneigung relativ zu der Achse der Bohrung von mehr als etwa 1 Grad hat.

3. Brenner nach Anspruch 1, wobei die Länge der Elektrodenbohrung nicht mehr als das etwa Zehnfache des Durchmessers dieser Bohrung am Mündungsende der Elektrode beträgt.

4. Brenner nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser der Düsenöffnung im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Bohrung am Mündungsende der Elektrode ist.

5. Längliche Wirbelstromlichtbogenplasmabrennerelektrode mit einem länglichen Körper, der eine Innenelektrodenkammer bildet, einer offenen Mündung an einem Ende des Körpers, die die Kammer mit dem Äußeren des Körpers verbindet, wobei der Körper ein anderes Ende umfaßt, das geschlossen ist, wobei die Kammer eine im wesentlichen gleichmäßige längliche konisch zulaufende Gestalt hat, die sich über zumindest einen Abschnitt ihrer Länge von der offenen Mündung hin zu dem geschlossenen Ende des Körpers erstreckt, wobei die konisch zulaufende Gestalt durch eine innere konisch zulaufende Wand festgelegt ist, die in der Richtung zu dem geschlossenen Ende des Körpers hin konvergiert, wobei die Bohrung eine Länge von der offenen Mündung zu dem geschlossenen Ende hat, die zumindest dem doppelten eines Durchmessers der Bohrung an der offenen Mündung entspricht.

6. Elektrode nach Anspruch 5, wobei der in Längsrichtung konisch zulaufende Abschnitt sich von der offenen Mündung zu einer ersten Tiefenabmessung erstreckt, die von der Mündung und dem geschlossenen Ende beabstandet ist, wobei ein Rest der Kammer zwischen der ersten Tiefenabmessung und dem geschlossenen Ende einen im wesentlichen konstanten Querschnitt hat.

7. Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners, wobei der Brenner eine längliche Elektrode und eine Düse umfaßt, die zwischen einem ersten Ende der Elektrode und einem Werkstück angeordnet ist, und eine elektrische Stromquelle, die mit der Elektrode und dem Werkstück verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

Ausbilden einer Längsbohrung in der Elektrode, die an dem ersten Ende der Elektrode offen und an einem zweiten Ende der Elektrode geschlossen ist, und die eine Länge hat, die zumindest doppelt so groß ist wie der Durchmesser der Bohrung am ersten Ende,

Versehen zumindest eines Abschnitts der mit dem ersten Elektrodenende durchgehenden Bohrung mit einer innenliegenden im wesentlichen gleichmäßig konisch zulauf enden Wand, die von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende der Elektrode konvergiert,

Auslösen eines elektrischen Lichtbogens zwischen der Elektrode und dem Werkstück,

Erzeugen einer Gasströmung von der Elektrode durch die Düse zu dem Werkstück, wobei der elektronische Lichtbogen die Gasströmung ionisiert,

Verwirbeln der Gasströmung um eine Achse der Elektrodenbohrung, und

Begrenzen des Endpunkts des elektrischen Lichtbogens auf den konisch zulaufenden Abschnitt der konisch zu laufenden Elektrodenbohrungswandung, wobei die wirbelnde Gasströmung den Lichtbogenendpunkt und den konisch zulauf enden Elektrodenbohrungswandabschnitt dreht, und wobei außerdem für eine gegebene Spannungsdifferenz zwischen der Elektrode und dem Werkstück ein relativ langer Lichtbogen erzeugt wird und ein relativ großer Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück aufrechterhalten werden kann.