DE102007041329A1

DE102007041329A1 - Plasmabrenner mit axialer Pulvereindüsung

Info

Publication number: DE102007041329A1
Application number: DE200710041329
Authority: DE
Original assignee: Thermico & Co KG GmbH
Current assignee: Thermico & Co KG GmbH
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2027-09-01
Also published as: DE102007041329B4

Abstract

Bei einem Plasmabrenner (1) mit axialer Pulvereindüsung und mit mindestens zwei getrennten Kathoden (8) und einer konzentrisch um den Pulvereindüsungskanal angeordneten Ringanode (5) soll u. a. der Wirkungsgrad eines solchen Brenners erheblich gesteigert und eine Materialablösung der Elektroden so weit wie möglich minimiert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass zur wenigstens zeitweisen Aufteilung des Lichtbogens (11) in zwei Teillichtbögen pro Kathode (8) der zentrischen Ringanode (5) eine weitere, diese auf Abstand umgebende Ringanode (9) zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Plasmabrenner mit axialer Pulvereindüsung und mit mindestens zwei getrennten Kathoden und einer konzentrisch um den Pulvereindüsungskanal angeordneten Ringanode, wie er beispielsweise in der DE-10 2006 044 906 (nicht vorveröffentlicht) beschrieben ist.
Plasmabrenner etwas anderer Bauweise sind beispielsweise aus der DE-691 22 890-T2 , der DE-695 05 417-T2 oder der EP-0 368 547-B1 (= US-4 982 067 ) oder der WO 90/15516 bekannt.
Die Brenner der zuletzt genannten Bauarten weisen einen vergleichsweise unbefriedigenden Wirkungsgrad auf, da eine sehr hohe Energieabgabe an das notwendige Kühlwasser erfolgt. Bei einer eingespeisten elektrischen Leistung von beispielsweise 120 kW ist die Leistungsfähigkeit besonders in Bezug auf die Verarbeitung hochschmelzender Werkstoffe unzureichend. Das an das Kühlwasser abgeführte Wasser kann bis zu 65% der elektrischen Leistung betragen. Da der Wirkungsgrad entscheidend ist für die erforderliche Länge der Plasmakanäle, erfolgt eine erhebliche Energieabgabe an das Kühlwasser, was u. a. auch bewirkt, dass das Plasma selbst abgekühlt wird.
Darüber hinaus befindet sich der Lichtbogen weit stromaufwärts des Pulvereindüsungspunktes, so dass die Abkühlung des Plasmas durch die Rekombination der Ionen über die Lange der Plasmakanäle im Konvergenzbereich erheblich ist. Das bedeutet, dass die Pulverpartikel in einen relativ kalten Bereich der Plasmaströmungen eingedüst werden. Dies ist aber nur erwünscht, wenn es sich um Pulverwerkstoffe han delt, die empfindlich gegenüber thermisch ausgelöster metallurgischer Strukturänderungen sind. Werden hochschmelzende Pulver verarbeitet, weist diese bekannte Anordnung große Nachteile auf.
Hier setzt die Erfindung ein, deren Aufgabe darin besteht, u. a. den Wirkungsgrad eines solchen Brenners erheblich zu steigern und eine Materialablösung der Elektroden so weit wie möglich zu minimieren.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass zur wenigstens zeitweisen Aufteilung des Lichtbogens in zwei Teillichtbögen pro Kathode der zentrischen Ringanode eine weitere, diese auf Abstand umgebende Ringanode zugeordnet ist.
Durch die Aufspreizung eines jeden Lichtbogens auf zwei Anoden wird erreicht, dass die Leistung etwa hälftig aufgeteilt werden kann, so dass sich die Belastung des Anodenmateriales erheblich verringert. Dies führt gleichzeitig zu einer äußerst kompakten Bauweise und damit zur Verhinderung der weiter oben beschriebenen Nachteile durch Leistungsabgabe an das Kühlwasser.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So kann es zweckmäßig sein, jedem Lichtbogenkanal eine zusätzliche Zündanode zuzuordnen.
Je nach Einsatzart des erfindungsgemäßen Plasmabrenners kann es zweckmäßig sein, in der Aufspaltung des jeweiligen Lichtbogens einen Wechsel vorzunehmen, so dass die Erfindung auch eine den Ringanoden zugeordnete Steuerung vorsieht zum taktweisen Zu- und Wegschalten beispielsweise der zweiten Ringanode.
Um eine thermische Belastung der Anoden steuern zu können, sieht die Erfindung auch vor, dass die zentrische und/oder die diese umgebende Ringanode mit wenigstens einem von einem Kühlmedium beaufschlagten Kühlkanal versehen ist.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass der inneren Anode und/oder der äußeren Anode je eine Zuführdüse od. dgl. für ein Spülgas zugeordnet ist.
Bei diesem Spülgas kann es sich beispielsweise um Argon handeln, das durch separate Kanäle zur Ausbildung einer stabilen Grenzschichtströmung über die Sammelanoden geführt wird. Der Lichtbogenfußpunkt vergrößert sich damit und die partielle Belastung des Anodenmateriales wird reduziert.
Während Stickstoff und Wasserstoff den Lichtbogen einschnüren, bewirkt Argon eine Vergrößerung des anodenseiten Lichtbogenfusspunktes und eine Verringerung der partiellen Belastung der Elektrode. Die Verwendung von Stickstoff-/Wasserstoff-/Gasgemischen ist für die Verarbeitung hochschmelzender Werkstoffe wesentlich. Durch die Argonspülung erniedrigt sich die Elektrodenbelastung.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aufgrund der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in
1 einen vereinfachten Querschnitt durch einen Teil eines Plasmabrenners,
2 einen Schnitt etwa gemäß Linie II-II in 1,
3 ein Detail des Schnittes gemäß 2 sowie in
4 ein etwas abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Plasmabrenners in der Darstellungsweise gemäß 1.
Der allgemein mit 1 bezeichnete Plasmabrenner weist eine beispielsweise wassergekühlte Plasmadüse 2 auf, in die ein Führungsrohr 3, welches von einem Spülgasringraum 4 umgeben ist, hineinragt einschließlich der diese Elemente auf Abstand umgebenden Innenanode 5. Die Innenanode 5 wird, was nicht näher dargestellt ist, von einem ggf. wiederum wassergekühlten Brennerkörper 6 umgeben, der im dargestellten Beispiel der 1 und 2 drei Plasmakanäle 7 aufweist, die je mit einer Kathode 8 ausgerüstet sind.
Etwa im Mündungsbereich der Innenanode 5 in den Innenraum der Plasmadüse 2 ist auf Abstand die Innenanode 5 von einer zusätzlichen Außenanode 9 umgeben, wobei die Innenanode 5 und die Kathode 8 mit einer Stromquelle 10 verbunden sind. Die Außenanode 9 steht ebenfalls in Verbindung mit der Innenanode 5 und mit dieser Stromquelle 10, wie dies in 1 angedeutet ist.
Ein Teil des jeweiligen Plasmakanales 7 kann bedarfsweise als Zündanode 7a fungieren. Die Zündanode 7a ist elektrisch ebenfalls mit der Stromquelle 10 verbunden. Die Steuerungen und Schaltungen der Anoden und Kathoden sind hier nicht näher dargestellt.
In 1 ist noch die Ausbildung eines geteilten Lichtbogens, dort allgemein mit 11 bezeichnet, dargestellt, wobei ein Fußpunkt des Lichtbogens 11 in Berührung mit der Innenanode 5 das Bezugszeichen 11a trägt, der Fußpunkt des zweiten Lichtbogenteiles mit der Außenanode 9 trägt das Bezugszeichen 11b. Die Innenanode 5 ist noch von einem Iso lierelement 12 umgeben, das in 1 nur angedeutet ist. In gleicher Weise besteht eine Isolierung 13 zwischen Zündanode 7a und Außenanode 9 und eine Isolierung 14 zwischen Außenanode 9 und Plasmadüse 2.
In 2 ist die Gestaltung der Plasmakanäle 7 vereinfacht wiedergegeben. Diese weisen je eine Führungsnut 15 für den Lichtbogenbereich zur Außenanode und eine Führungsnut 16 für den Lichtbogenbereich zur Innenanode auf.
Zur Erläuterung einiger geometrischer Daten gibt die 3 einen der Plasmakanäle 7 wieder, wobei die Angaben in Bezug auf die hier lediglich als Kreis dargestellte Außenanode 9 einerseits und Innenanode 5 andererseits wiedergegeben sind. Die geometrischen Angaben sind hier mit Kleinbuchstaben bezeichnet:
Der kleinste Abstand des Plasmabrenners 7 zur Innenanode trägt den Buchstaben "a", "b" bezeichnet den gleichen Abstand des Kanales ohne das Maß der Lichtbogenführungsnut 16, "c" bedeutet der kleinste Abstand zur Außenanode 9, "d" den Normalabstand zur Außenanode 9. Mit "e" ist der Übergangsradius der Lichtbogenführungsnut Plasmakanal/Außenanode bezeichnet, "f" bezeichnet den Übergangsradius Lichtbogenführungsnut/Plasmakanal/Innenanode.
In 4 sind die Teile, soweit sie mit denen der 1 übereinstimmen, gleich bezeichnet.
Zusätzlich sind hier Spülgasleitungen bzw. Ringräume zur Zudosierung von Spülgas vorgesehen, wobei das Spülgas aus einer nicht näher dargestellten Quelle über eine Leitung 17 zugeführt wird. Die angedeuteten Regeleinrichtungen zur Dosierung des Spülgases tragen die Bezugsziffern 18 und 19 und sind nur symbolisch dargestellt. Die die Innenanode außen umgebende Spülgaszufuhr trägt das Bezugszeichen 20, die die Außenanode im Innenring beeinflussende Spülgaszufuhr trägt das Bezugszeichen 21. Erkennbar ist es möglich, mit den Spülgas-Gasen über die Zuführleitung 20 bzw. 21 den jeweiligen Lichtbogenteil des sich aufspreizenden Lichtbogens zu fokussieren.
Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006044906 [0001]
- DE 69122890 T2 [0002]
- DE 69505417 T2 [0002]
- EP 0368547 B1 [0002]
- US 4982067 [0002]
- WO 90/15516 [0002]

Claims

Plasmabrenner (1) mit axialer Pulvereindüsung und mit mindestens zwei getrennten Kathoden (8) und einer konzentrisch um den Pulvereindüsungskanal angeordneten Ringanode (5), dadurch gekennzeichnet, dass zur wenigstens zeitweisen Aufteilung des Lichtbogens (11) in zwei Teillichtbögen pro Kathode (8) der zentrischen Ringanode (5) eine weitere, diese auf Abstand umgebende Ringanode (9) zugeordnet ist.
Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben den beiden Ringanoden (5, 9) im jeweiligen Lichtbogenkanal eine zusätzliche Zündanode (7a) angeordnet ist.
Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass den Ringanoden (5, 9) eine Steuerung zugeordnet ist zum taktweisen Zu- und Wegschalten der zweiten Ringanode (9).
Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der inneren Anode (5) und/oder der äußeren Anode (9) je eine Zuführdüse (20, 21) für ein Spülgas zugeordnet ist.
Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrische Ringanode (5) und/oder die umgebende Ringanode (9) mit wenigstens einem von einem Kühlmedium beaufschlagten Kühlkanal versehen ist.