EP0134961B1

EP0134961B1 - Plasmabrenner und Verfahren zu dessen Betreiben

Info

Publication number: EP0134961B1
Application number: EP84107737A
Authority: EP
Inventors: Hans Josef Dr. Bebber; Gebhard Tomalla; Heinrich-Otto Rossner
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1983-08-10
Filing date: 1984-07-04
Publication date: 1989-01-18
Also published as: EP0134961A2; FI82350B; JPS6065500A; US4580031A; DE3328777A1; FI82350C; FI843034A0; FI843034A; EP0134961A3; ZA846165B; DE3328777C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben des genannten Plasmabrenners.
Ein derartiger Plasmabrenner gehört zum bekannten Stand der Technik.
Bei den nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wird zwischen der ersten Elektrode und der düsenförmigen zweiten Elektrode mit Hilfe einer Gleichstromquelle ein Lichtbogen, der sogenannte Hilfslichtbogen, erzeugt und aufrecht erhalten. Ferner wird ein Gasstrom mit dem Hilfslichtbogen in Berührung gebracht und durch die Düsenelektrode geleitet, um das durch den Hilfslichtbogen gebildete Plasma zu der dritten Elektrode zu treiben. Die Gleichstromquelle dient dabei nicht nur zur Aufrechterhaltung des Hilfslichtbogens zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, sondern vor allem auch zur Aufheizung des durch den Lichtbogen gebildeten und zu einer dritten Elektrode getriebenen Plasmas. Die zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode angelegte Stromquelle kann entweder eine Gleichstromquelle oder, wie z.B. in der DE-PS 14 40 594 vorgeschlagen, eine Wechselstromquelle sein. Wird eine Wechselstromquelle verwendet, hat der zwischen der Hilfselektrode und der zweiten Elektrode brennende Gleichstromhilfslichtbogen die Aufgabe, einen kontinuierlichen Strom ionisierten Plasmas zu erzeugen und in den Bereich des mit Wechselstrom gespeisten Hauptlichtbogens zu bringen. Damit soll in erster Linie das Wiederzünden des Hauptlichtbogens nach jedem Nulldurchgang des Wechselstroms ermöglicht und daneben auch eine thermische Überlastung der Düsenelektrode durch den an dieser Elektrode befindlichen Wechselstrombrennfleck verhindert werden.
Neben der Aufrechterhaltung des Wechselstrombogens und der Verhinderung thermischer Überlastung der Wechselstromelektrode eines Plasmabrenners hat ein Hilfslichtbogen oft auch die Aufgabe, den Plasmabrenner zu starten. Dies geschieht, indem die vom Hilfslichtbogen erzeugte, aus der Brennermündung austretende Plasmaflamme einen Kanal aus ionisiertem Gas zwischen der Brennerelektrode und einer Gegenelektrode bzw. dem aufzuheizenden oder zu schmelzenden Gut bildet, in dem der Hauptlichtbogenstrom, sei es nun Gleich- oder Wechselstrom, zu fliessen beginnen kann, sobald die Hauptlichtbogenspannung zwischen Brenner- und Gegenelektrode angelegt wird. Dazu kann der Hilfslichtbogen z. B. zwischen der Brennerelektrode und der diese umgebenden, die Mündung des Brennermaterials bildenden Brennerdüse oder zwischen zwei Hilfselektroden oder auch zwischen Hilfs- und Düsenelektrode der vorstehend beschriebenen Anordnung erzeugt werden. Voraussetzung für die Initialzündung des Hauptlichtbogens ist, dass die Plasmazündflamme bis zur Gegenelektrode bzw. dem Schmelzgut reicht und so eine ununterbrochene elektrisch leitende Strecke zwischen Brenner- und Gegenelektrode darstellt. Infolgedessen muss der Plasmabrenner um so näher an die Gegenelektrode herangefahren werden, je kürzer seine Zündflamme ist.
In vielen Anwendungsfällen ist es aber wünschenswert oder sogar technisch erforderlich, den oder die Plasmabrenner aus möglichst grosser Entfernung von der Gegenelektrode bzw. dem"'- zu erwärmenden oder einzuschmelzenden Gut zu zünden, insbesondere wenn es sich um sperrige Stoffe, wie z. B. Schrott, handelt, deren Schüttung keine im wesentlichen ebene, sondern eine zerklüftete Oberfläche bildet. Da Plasmabrenner nicht mit elektrisch leitendem Material in Berührung kommen dürfen, da sie ansonsten zerstört werden, ist es im praktischen Betrieb äusserst wichtig, die Plasmabrenner in einem sicheren Abstand von der Oberfläche des zu schmelzenden Gutes, d.h. mit entsprechend grosser Zündflamme, starten zu können.
Verwendet man die in der DE-PS 14 40 594 beschriebene Lichtbogenanordnung, so werden auch nach Optimierung der Hauptlichtbogenstromstärke und des Plasmagasdurchsatzes nur Zündflammenlängen von 6 bis 8 cm erreicht. Auch die nach der DE-OS 29 00 330 bekannte Vorrichtung führt nicht zu hinreichend langen Zündflammen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Plasmabrenner der eingangs genannten Art anzugeben, der eine Plasmazündflamme von hinreichend grosser Länge bildet, die das Zünden des Plasmabrenners auf leichtem sperrigem Schrott mechanisch kontaktlos und sicher ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch einen Plasmabrenner der eingangs genannten Art gelöst, der die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Damit ist eine erfindungsgemässe Lösung gefunden, bei der die Geometrie der Hilfselektrode sowie die Innenkontur der Düsenelektrode so aufeinander abgestimmt sind, dass der zentral aus der Düsenelektrode austretende, magnetohydrodynamisch als Freistrahl anzusehende Strom ionisierten Gases einen zwar schmalen, dafür aber möglichst langen Kanal mit sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit ausbildet und so in der Lage ist, einen für das Zünden des Hauptlichtbogens ausreichenden Stromfluss über eine möglichst lange Strecke sicherzustellen.
Die erfindungsgemässe Lehre berücksichtigt die Erkenntnis, die Düsenöffnung zylindrisch und die stirnseitige Begrenzung der Düse möglichst scharfkantig zu gestalten. Die dadurch gebildete Abreisskante führt zu einer sehr geringen Strahldivergenz. Daher ist die Erweiterung bzw. Bohrung mit dem Durchmesser so dimensioniert, dass der stirnseitig ansetzende Hauptlichtbogen die für die Zündlichtbogenausbildung massgebliche Düsenmündung nicht verändert.
Mit der Ausbildung der möglichst langen Zündflamme steht auch die Dimensionierung des Ringspaltes zwischen der Düsenelektrode und der Hilfselektrode in Zusammenhang. Durch die jeweils konische Ausgestaltung der Hilfselektrode und des Zentralkanals wird das kalte, zur Plasmabildung benutzte Gas durch den dabei gebildeten zylindrischen Spalt optimal in den als Brennkammer für den Zündlichtbogen dienenden konischen Bereich eingeleitet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden die Länge des zweiten, engeren zylindrischen Teils des Zentralkanals und der Durchmesser dieses Teils so gewählt, dass sie ein Verhältnis zwischen 0,2 und 3, bevorzugt zwischen 1 und 1,5 bilden. Ein kleineres Verhältnis führt zu ungenügend stabilisierter, nicht exakt axial brennender Zündflamme, ein grösseres Verhältnis verursacht eine unnötig grosse Kühlung des ionisierten Gases, was zu einer Verkürzung der Zündflamme führen würde.
Vorteilhafterweise wird der freie Querschnitt des Ringspaltes im Zentralkanal der Düsenelektrode für das Zündlichtbogenplasmagas ausgehend vom Ringspalt über den konischen Bereich auf Höhe der Hilfselektrodenspitze bis zum zweiten, engeren zylindrischen Teil des Zentralkanals so dimensioniert, dass er sich in Fliessrichtung des Gases monoton verkleinert.
Schliesslich wird der Ringkanal zwischen der Düsenelektrode und der diese umschliessenden Düse an der Düseninnenseite mit einer elektrisch isolierenden Auskleidung versehen, um die Ausbildung parasitärer Bögen wirksamer zu verhindern, als dies die bisher nach dem Stand der Technik üblichen reinen Kaltgasisolationen ermöglichten.
Die vorbeschriebene Vorrichtung mit der dargelegten erfindungsgemässen Geometrie bewirkt, dass das ionisierte Gas laminar in den konischen Bereich eingeleitet werden kann und die Gasströmung bis zum Austritt aus der Düsenelektrode laminar erhalten bleibt.
Neben der erfindungsgemässen Vorrichtung bringt im Hinblick auf die Erzeugung einer Zündlichtbogenflamme optimaler Länge auch ein Verfahren Vorteile, bei dem die Plasmagaszufuhr durch den Zentralkanal in den Brennbereich des Hilfslichtbogens (Zündlichtbogens) so eingestellt wird, dass die Reynoldszahl zwischen 10 und 2300, vorzugsweise zwischen 10 und 100, liegt.
Praktische Erfahrungen mit der erfindungsgemässen Vorrichtung und dem Verfahren zeigen, dass die im wesentlichen durch die erfindungsgemässe Geometrie bestimmte Spannungsaufnahme des Zündlichtbogens so hoch ist, dass bereits Stromstärken von 200 bis 300 A ausreichen, um die gewünscht lange Zündlichtbogenflamme zu erzeugen.
Wegen dieser niedrigen Stromstärken treten weder an der Düsen- noch an der Hilfselektrode nennenswerte Verschleisserscheinungen auf. Im übrigen garantieren die Ausgestaltungen der Hilfselektrode, die mit ihrem Konus die innere Begrenzung, und der Düsenelektrode, die die äussere Begrenzung des Zentralkanals bildet, dass der Zündlichtbogen immer an geometrisch wohl definierten Stellen reproduzierbar sicher ansetzt. Dies führt zu einer ständig genau axial gerichteten Zündlichtbogenflamme.
Ferner zeigt sich im praktischen Betrieb, dass der Zünd- bzw. Hilfslichtbogen und der Hauptlichtbogen weitgehend elektrisch entkoppelt sind und so die Hauptlichtbogenzündung optimiert durchgeführt werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zur Aufrechterhaltung des Hilfslichtbogen eine Wechselstromquelle verwendet, welche den Vorteil hat, dass Hilfs- und Hauptlichtbogen aus einer Stromquelle gespeist werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Plasmabrenner in einem auszugsweisen schematischen Längsschnitt und
Fig. 2 eine Hilfselektrode mit zwei konischen Verjüngungen an der Spitze.

Der in Fig. 1 dargestellte Plasmabrenner 15 besteht im wesentlichen aus einer Hilfselektrode 1, einer Elektrode 2 und einer sie umschliessenden Düse 3. Die Hilfselektrode 1 ist eine massive, im Querschnitt kreisförmige Stabelektrode mit einem Durchmesser b. Die Hilfselektrode 1 weist eine die Elektrodenspitze 1' bildende konische Verjüngung 16 auf. Der Kegelwinkel a dieser Verjüngung 16 beträgt 40°.
Die Düsenelektrode 2 besitzt eine zentrale Bohrung bzw. einen Zentralkanal 4, in den die genannte Hilfselektrode 1 hineinragt. Der Zentralkanal 4 weist-von innen nach aussen-einen ersten zylindrischen Teil 17, einen sich konisch verjüngenden Teil 12 und einen zweiten, engeren zylindrischen Teil 5 auf, an den sich noch eine zylindrische Erweiterung 18 mit einem Durchmesser D anschliesst.
Der erste zylindrische Teil 17 besitzt einen Durchmesser B, so dass zwischen der Düsenelektrode 2 und der Hilfselektrode 1 ein Ringspalt 19 mit der Ringbreite (B-b) / 2 besteht. Der sich konisch verjüngende Teil 12 verbindet den zylindrischen Teil 17 mit dem Durchmesser B mit dem zylindrischen Teil 5 mit dem kleineren Durchmesser d und weist einen Kegelwinkel ß auf, der - wie der Winkel a - 40° beträgt, so dass die Mantellinien der konischen Verjüngung 16 und des sich konisch verjüngenden Teils 12 parallel verlaufen. Aufgrund der kleiner werdenden Querschnittsflächen des Zentralkanals 4 und der Hilfselektrode 1 wird mit dieser Gestaltung auf einfache Art erreicht, dass der Ringspalt 19 im Bereich des sich konisch verjüngenden Teils 12 in Richtung auf die Stirnfläche 11 des Plasmabrenners 15 gleichförmig abnimmt.
An die Düsenelektrode 2 schliesst sich nach aussen hin ein Ringkanal bzw. ein Ringspalt 9 an, der seinerseits wieder durch die Brennerdüse 3 begrenzt wird. Die Düse 3 weist im Bereich der äusseren Plasmakanalbegrenzung, d. h. in Richtung der Stirnfläche 11 des Plasmabrenners 15 an ihrer Innenseite eine elektrisch isolierende Schicht 10 auf, die die Ausbildung parasitärer Lichtbögen wirksam verhindert.
Der in Fig. 1 dargestellte Plasmabrenner 15 ist so dimensioniert, dass der Abstand a von der Elektrodenspitze 1' bis zu dem Übergangsbereich des sich konisch verjüngenden Teils 12 zu dem zweiten zylindrischen Teil 5 zu Null gewählt ist. Die Länge I des zweiten, engeren zylindrischen Teils 5 ist so gewählt, dass das Verhältnis I/d = 1 ist. Das Verhältnis B/b beträgt 1,7 und das Verhältnis D/d 1,25. Die erfindungsgemässe Vorrichtung führt zu einem langen Zündlichtbogen 6, der ausreicht, den Hauptlichtbogen 8 über eine Strecke von mindestens 15 cm zu zünden. In Fig. 1 ist das zu erschmelzende Gut mit 7 bezeichnet.
In Abwandlung des beschriebenen Ausführungsbeispiels weist die Hilfselektrode gemäss Fig. 2 eine konische Verjüngung 16 in Form eines Kegelstumpfes mit einem Kegelwinkel a = 40° und eine sich daran in Richtung auf die Elektrodenspitze 1' anschliessende Verjüngung 21 mit einem Kegelwinkel y = 90° auf.
Fig. 1 zeigtferner schematisch die Stromversorgung der Elektroden 1 und 2. So kann die Stromversorgung 14' für den Zünd- bzw. Hilfslichtbogen 6, die mit der Hilfselektrode 1 und der Düsenelektrode 2 bzw. mit deren Anschlüssen verbunden ist, eine Gleich- oder Wechselstromquelle aufweisen. Die Stromversorgung 14" für den Hauptlichtbogen 8 ist ihrerseits an der Düsenelektrode 2 und an einer Gegenelektrode 13 angeschlossen. Betreibt man sowohl die Stromversorgung 14' als auch die Stromversorgung 14" mit Wechselstrom, so kann bei Verwendung entsprechender, dem Fachmann bekannter elektrischer Bauelemente eine gemeinsame Stromversorgung 14 mit nur einer Stromart verwendet werden. Zum Betreiben der beiden Lichtbögen 6 und 8 ist es prinzipiell jedoch auch möglich, die genannten Elektroden 1 und 2 an einer einzigen, gemeinsamen Gleichstromversorgung anzuschliessen.
Beim Betreiben des beschriebenen Plasmabrenners 15 wird die Plasmagaszufuhr durch den Zentralkanal 4 in den Bereich des Hilfs- bzw. Zündlichtbogens 6 so eingestellt, dass die Reynoldszahl Re zwischen 10 und 2300, vorzugsweise jedoch zwischen 10 und 100 liegt. Dabei ergibt sich die Reynoldszahl Re z.B. in dem zweiten, engeren zylindrischen Teil 5 zu Re = (v - d)/v, wobei v die Strömungsgeschwindigkeit und v die kinematische Zähigkeit des Plasmagases bedeutet.

Claims

1. Plasmabrenner zur Erzielung möglichst langer Initialzündbögen mit zwei koaxial angeordneten Elektroden (1, 2) und einer diese umgebenden Düse (3), wobei eine erste im Querschnitt kreisförmige Stabelektrode (1) als Hilfselektrode zentral angeordnet ist und an ihrem vorderen Ende (1') eine Verjüngung (16) aufweist, und wobei eine sie umhüllende zweite Elektrode (2) als Düsenelektrode eine zentrale Bohrung (4) besitzt, die aus einem ersten zylindrischen Teil (17), einer konischen Verjüngung (12) und einem zweiten, engeren zylindrischen Teil (5), an den sich noch eine zylindrische Erweiterung (18) anschliesst, besteht und zusammen mit der Hilfselektrode (1) einen ringförmigen Kanal (19) bildet, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Durchmesser B des ersten zylindrische Teils (17) der zentralen Bohrung (4) 1,2 bis 2,5mal so gross ist wie der Durchmesser b der Hilfselektrode (1),

- dass die konische Verjüngung (12) der zentralen Bohrung (4) einen Kegelwinkel β zwischen 20° und 80° besitzt und die Verjüngung (16) der Hilfselektrode (1) konisch unter einem Kegelwinkel a zwischen 20° und 80° ausgebildet ist,

- dass der Durchmesser D der Erweiterung (18) der zentralen Bohrung (4) bis zu 3mal grösser ist als der Durchmesser d des zweiten zylindrischen Teils (5)

- und dass die Hilfselektrode (1) so angeordnet ist, dass der Abstand a von der Hilfselektrodenspitze (1') bis zum Übergang von der konischen Verjüngung (12) zum zweiten, engeren zylindrischen Teil (5) und der Durchmesser d des zweiten, engeren zylindrischen Teils (5) ein Verhältnis a/d von -1 bis +2 bilden, wobei a ein negatives Vorzeichen besitzt, sofern die Hilfselektrodenspitze (1') in den zweiten, engeren zylindrischen Teil (5) der zentralen Bohrung (4) hineinragt.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge I und der Durchmesser d des zweiten, engeren zylindrischen Teils (5) ein Verhältnis I/d zwischen 0,2 und 3 bilden.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis I/d zwischen 1 und 1,5 liegt.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser B des ersten zylindrischen Teils (17) und der Durchmesser b der Hilfselektrode (1) ein Verhältnis B/b zwischen 1,5 und 2 bilden.

5. Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis B/b bei 1,7 liegt.

6. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die unter dem Kegelwinkel gebildete Verjüngung (16) der Hilfselektrode (1) in Richtung auf die Elektrodenspitze (1') in eine weitere Verjüngung (21) mit einem grösseren Kegelwinkel y zwischen 40° und 180° übergeht.

7. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel ß des sich konisch verjüngenden Teils (12) der zentralen Bohrung (4) zwischen 30° und 60° liegt.

8. Plasmabrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel ß bei 40° liegt.

9. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser D der Erweiterung (18) und der Durchmesser d des zweiten, engeren zylindrischen Teils (5) ein Verhältnis D/d zwischen 1 und 1,5 bilden.

10. Plasmabrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis D/d 1,25 beträgt.

11. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet durch ein Verhältnis a/d von 0 bis 1.

12. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der freie Querschnitt des Ringspaltes (19) zwischen der Düsenelektrode (2) und der Hilfselektrode (1) in Richtung auf die Stirnfläche (11) des Plasmabrenners (15) gleichmässig verringert.

13. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenringkanal (9) zwischen der Düsenelektrode (2) und der sie umgebenden Düse (3) an der Innenseite der Düse (3) zumindest am Düsenende mit einer elektrisch isolierenden Auskleidung (10) versehen ist.

14. Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmagaszufuhr durch die zentrale Bohrung (4) in den Brennbereich des Hilfslichtbogens (6) so eingestellt wird, dass die Reynoldszahl zwischen 10 und 2300 liegt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmagaszufuhr so eingestellt wird, dass die Reynoldszahl zwischen 10 und 100 liegt.

16. Verfahren zum Betreiben eines Plasmabrenners nach den Ansprüchen 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Wechselstromquelle zur Aufrechterhaltung des Hilfslichtbogens, wobei der Haupt-und Hilfslichtbogen (8, 6) aus einer einzigen Stromquelle (14) gespeist werden.