DE1109285B

DE1109285B - Lichtbogenplasmabrenner mit einschnuerender Duese und Vorzugselektroden

Info

Publication number: DE1109285B
Application number: DEU6516A
Authority: DE
Inventors: John Erling Anderson; Thomas Binnington Reed
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1958-09-25
Filing date: 1959-09-21
Publication date: 1961-06-22
Also published as: GB892448A; BE582892A; ES252088A1; US2951143A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtbogenplasmabrenner, bei dem der von einem Gasringstrom umgebene und durch eine Düse eingeschnürte Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Stabelektrode und einer oder mehreren aus hochhitzebeständigem leitendem Werkstoff bestehenden, im inneren Düsenbereich angeordneten Vorzugselektroden brennt.

Die Erfindung besteht darin, daß als Vorzugselektrode eine oder mehrere im Düsenkörper eingebaute Einsätze derart angeordnet sind, daß sie sich, von einem wärmeisolierenden Mantel umgeben, der wenigstens über den größten Teil der Länge des Einsatzes gebildet ist, durch die Düsenkörperwand bzw. durch den Düsenkanal erstrecken und nur an einem Endteil mit der äußeren Oberfläche der Düse bzw. der inneren Oberfläche des Düsenkanals mechanisch und elektrisch verbunden sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der Brenner nach der Erfindung besitzen als wärmeisolierenden Mantel einen Luftmantel. Ferner können die Vorzugselektroden an der äußeren Oberfläche der Düse mit dieser durch Schweißung oder Lötung verbunden sein, wobei die Vorzugselektroden-Einsätze vorteilhafterweise in radialen Bohrungen im einschnürenden Teil des Düsenkörpers angeordnet sind.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein hülsenförmiger Vorzugselektrodeneinsatz im einengenden Düsenkanal angeordnet, wobei vorteilhafterweise dieser Einsatz in bekannter Weise von einem zusätzlichen Schutzgasstrom umhüllt ist.

Bei den bekannten Lichtbogen-Plasma-Brennern, die mit mehreren radial angeordneten Düsen-Hilfselektroden arbeiten, sind diese Elektroden, in Lichtbogenrichtung gesehen, hinter der Düse angeordnet, stehen radial und sind von der freien Luft umgeben; dadurch ist die Anordnung sperrig, und die Elektroden können leicht beschädigt werden. Demgegenüber sind die Elektroden gemäß der Erfindung im Düsenkörper selbst eingebaut, liegen also geschützt und weisen trotzdem eine Anordnung mit derart schlechter Wärmeabführung auf, daß die Elektroden auf eine hinreichend hohe Temperatur kommen, um ihrer Aufgabe zuverlässig genügen zu können.

Diese Aufgabe besteht darin, eine starke Erosion (Vernarbung) des Düsenkanals selbst zu verhindern. Der bevorzugte Werkstoff für diese Elektroden ist Wolfram, jedoch können auch Tantel und Molybdän oder andere hitzebeständige Elektrodenmaterialien Verwendung finden.

Da der Bogenstrom aus einem Elektronenfluß be-Lichtbogenplasmabrenner

mit einschnürender Düse

und Vorzugselektroden

Anmelder:

Union Carbide Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 25. September 1958

John Erling Anderson
und Thomas Binnington Reed, Danville, Ind.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

steht, müssen diese Elektronen eine solche verhältnismäßig kühle Gasschicht durchbrechen. Ein elektrischer Strom sucht sich den Weg geringsten Widerstandes. Nachdem einmal mehrere Elektronen diese Gasschicht an einer spezifischen Stelle durchbrochen haben, suchen andere Elektronen auf demselben Weg zu folgen, weil an dieser Stelle leicht ionisierter Metalldampf vorhanden ist. Auf diese Weise würde an einer beinah unendlich kleinen Stelle ein beträchtlicher Bogenstromfluß konzentriert sein. Dies würde an dieser Stelle zu einem Anfressen der Düsenelektrodenoberfläche durch den Bogen führen. Dies würde selbst dann auftreten, wenn die innere Düsenoberfläche vollständig aus Wolfram besteht und in der üblichen Weise gekühlt wird. Nach der vorliegenden Erfindung läßt sich hingegen ein gekühlter Düsenkörper mit praktisch vollständiger Unterbindung von Bogenerosion und Anfressen der Düse verwenden, wenn ein Wolframdüseneinsatz in schlechtem Wärmeaustausch zum übrigen Teil der Düse angeordnet wird. Wenn das Gerät in Betrieb genommen wird, werden diese Einsätze sehr schnell warm, weil die Bogenwärme und Anodenwände nicht rasch von den Einsätzen entfernt werden. Die den Bogen in der Düse umgebende Gasschicht wird sonach nicht so stark gekühlt, da sie über den warmen Einsatz

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streicht. Der sich hierbei ergebende wärmere Gas- Stabelektrode 10 und dem Einsatz 22 gebildet. Die bereich, unmittelbar angrenzend an die Einsatz- heiße, gasförmige Ausströmung 17 wird hierdurch gespitzen, ist ein Weg geringeren Widerstandes für den steuert oder geregelt und mit Hilfe des wandungs-Bogenelektronenfluß als das kühlere Gas nächst den stabilisierenden Kanals entsprechend gerichtet,
kühlen Düsenwandungen. Der Bogenfluß hat daher 5 Eine weitere Ausführungsform der Erfindung geht das Bestreben, sich an diesen warmen Flecken zu aus den Fig. 3 und 4 hervor. Fig. 4 ist ein Querkonzentrieren. Der Vorteil beruht darauf, daß die schnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 3. Bei dieser Ausaktiven Anodenflächen auf den Einsätzen in der Düse führungsform werden mindestens zwei Einsätze 22 beträchtlich größeren Querschnitt haben, als ihn die und 22' verwendet. Zusätzliche Einsätze lassen sich zufälligen Stellen bei den bisherigen Vorrichtungen io gemäß der Fig. 5 verwenden.

haben, wo der Bogen die kühle Düsengasschicht Fig. 6 und 7 zeigen eine Abwandlung des Gerätes, durchsetzt. Da der Bogenstrom durch einen größe- bei welchem der Einsatz die Form einer hitzebestänren Querschnitt hindurchgeführt wird, vermindern digen Metallhülse hat, wobei die ganze innere Obersich die Stromdichte an der Anodenoberfläche und fläche der Hülse als Düsenelektrode dient. Der Eindie Leistungsintensität, wodurch die Möglichkeit des i₅ satz 34 ist innerhalb der Bohrung 15 lose angeordnet Bogenanfressens herabgesetzt wird. und in ihr mittels einer elektrischen Verbindung 36 Wenn die ganze innere Oberfläche der Düse aus am einen Ende gehalten, die zweckmäßigerweise von hitzebeständigem Metall, wie Wolfram, besteht, und einer gelöteten oder geschweißten Verbindung geeinen schlechten Wärmeaustausch zum übrigen Teil bildet wird.

der Düsenelektrode hat, so daß sie gleich zu Beginn ao Fig. 8 zeigt eine weitere abgewandelte Ausfühwährend des Bogenbetriebes »warm« kufen kann, rungsform gemäß der Erfindung, bei der ein Schutzliegt die »warme« Wolframoberflächentemperatur gasstrom außerhalb des hitzebeständigen Metalleinnoch beträchtlich unterhalb der Bogenplasmatempe- satzes diesen gegen atmosphärische Oxydation währatur und bietet somit eine verhältnismäßig kühle rend des Betriebes schützt. Bei dieser Abwandlung Oberfläche dar, welche den Bogen zu stabilisieren 25 wird das äußere Gas an der äußeren Oberfläche des sucht. warmen Einsatzes, wenn dieser an seinen Schmelz-Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten _punkt kommt, dissoziiert, wodurch das Gas den Einder Erfindung ergeben sich aus den Ausführungs- satz zu kühlen und ihn gegen Zerstörung zu bewahbeispielen an Hand der Zeichnung. ren sucht. Wasserstoff ist für diesen Zweck das be-Fig. 1 veranschaulicht einen Brenner, der aus einer 30 vorzugte Gas, da es eine niedrigere Dissoziationsenerinneren Elektrode 10 und einem Brennerkörper 12 gie als andere, nicht oxydierende, zweiatomige Gase besteht, der so gestaltet ist, daß er eine Düse 14 mit wie Stickstoff hat.

einem inneren Kanal 15 bildet. Für maximale Bogen- Das Gerät nach der vorliegenden Erfindung läßt

Stabilität ist die innere Elektrode vorzugsweise in sich mit irgendwelchen Gasen betreiben, die für die

axial konzentrischer Beziehung zur Düse angeordnet. 35 Anwendung bei einem Bogenbrenner als zweckent-

Die Düse wird durch Einführen von Kühlfluidum, wie sprechend bekannt sind, z. B. Argon, Helium,

Wasser, durch die Leitung 16 in einen Ringraum 18 Wasserstoff, Stickstoff oder Gemische derselben,

und heraus durch die Leitung 20 hindurch gekühlt. doch ist das Gerät besonders nützlich, wenn es mit

Eine Querschnittsansicht der Düse 14 entlang der aktiven, zweiatomigen Gasen, wie Wasserstoff und

Linie 2-2 ist aus Fig. 2 zu entnehmen. Ein hitze- 40 Stickstoff, betrieben wird. Die sich hierbei ergebende

beständiger Metalleinsatz 22 ist innerhalb einer Boh- heiße Gasausströmung läßt sich in bekannter Weise

rung 24 in der Düse 14 lose angeordnet, daß zwischen für die Förderung chemischer Reaktionen, wie für

dem Einsatz 22 und der Düse 14 nur ein schlechter die Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen zur Bildung

Wärmeaustausch stattfindet. Der freie Raum zwischen von Azetylen gebrauchen. Sie kann ferner auch in

dem Einsatz 22 und der Bohrung 24 ist zum Zwecke 45 bekannter Weise zur Erzeugung eines atomischen

einer klareren Darstellung übergroß dargestellt. Der Wasserstoff enthaltenden Stromes für andere Anwen-

Einsatz könnte von einem gegen hohe Temperatur düngen, wie z.B. Schneiden und Schweißen von

isolierenden Wärmeisoliermaterial umgeben sein, um Metallen, gebraucht werden.

den erwähnten schlechten Wärmeaustausch zu ge- Das folgende Beispiel gibt eine typische Betriebswährleisten. Ein elektrischer Kontakt zwischen dem 50 weise des neuen, verbesserten Bogenbrenners wieder. Einsatz 22 und der Düse 14 wird durch ein Verbindungsstück 26 aufrechterhalten, das zweckent- Beispiell
sprechenderweise eine gelötete oder geschweißte Ver- Es gelangte ein Brenner ähnlich der in den Fig. 3 bindung sein kann. Der Einsatz 22 hat zweckmäßiger- und 4 veranschaulichten Ausführung zur Anwendung, weise eine zylindrische oder Stangenform gemäß den 55 Der Durchmesser der Stabelektrode, der Bohrungs-Fig. 1 und 2. Gegebenenfalls lassen sich aber auch durchmesser der Düsenelektrode und der Durchandere Gestaltungen anwenden. messer der beiden zylindrischen Wolframeinsätze be-Das Gerät gemäß der Erfindung läßt sich zur Er- trug einheitlich 3,2 mm. Der Brenner wurde unter zeugung einer wandungsstabilisierten Bogenausströ- Bogenbedingungen von 93VoIt (Gleichstrom, Stabmung gebrauchen, indem eine Kraftquelle 28 mit 60 elektrode negativ) und 149 Ampere betrieben, wäh-Hilfe von Leitungen 30 bzw. 32 zwischen die innere rend Wasserstoffgas mit 24,9 l/Min, durch die Düsen-Elektrode 10 und die Düsenelektrode 14 eingeschal- bohrung hindurchfloß. Kühlwasser durchfloß einen tet wird. Ein Gasfluß wird durch den Ringraum ringförmigen Kühlkanal im Brennerkörper. Die entzwischen der inneren Elektrode 10 und den Brenner- standene heiße Gasausströmung aus atomischem körper 12 hindurch eingeführt und tritt durch den 65 Wasserstoff wurde anschließend gebraucht, um Düsenkanal 15 hindurch aus. Dieser Gasfluß ver- Methangas in Azethylen und Nebenprodukte zu läuft vorzugsweise axial zur inneren Elektrode und cracken. Die Brennerdüse erfuhr keinerlei sichtbaren der Düse. Ein Bogen 13 wird dann zwischen der Schaden durch Erosion oder Bogenanfressung.

Ein ähnliches Gerät wurde kontinuierlich mit Wasserstoffgas 5 Stunden lang ohne irgendwelche Anzeichen von Erosion oder Anfressen der Düse betrieben. Eine ähnliche, mit Wasserstoffgas ohne die Wolframeinsätze in der Düsenwandung ausgestattete Einrichtung versagte in typischer Weise und war wertlos infolge von starker Erosion und Anfressung nach etwa einer Stunde Betrieb.

Gleichstrom mit negativer Stabelektrode ist für die neue Einrichtung zweckentsprechend. Indessen lassen sich auch Gleichstrom bei positiver gepolter Elektrode, Wechselstrom und pulsierender oder gewellter Gleichstrom anwenden, da sich der Bogen zwischen der heißen Stabelektrode und der heißen Einsatzelektrode leicht bilden läßt.

Das folgende Beispiel gibt den Betrieb eines Brenners wieder, bei dem ein hitzebeständiger Metalleinsatz vorgesehen war, welcher die ganze exponierte Düsenanodenoberfläche abdeckte.

20 Beispiel2

Hier gelangte ein Brenner ähnlich der in den Fig. 6 und 7 veranschaulichten Ausführungsform zur Anwendung. Der Durchmesser der Stabelektrode und der Bohrungsdurchmesser des Molybdän-Metallein-Satzes betrugen einheitlich 3,2 mm. Der Brenner wurde unter Bogenbedingungen von 18,3 kW Gesamtleistung betrieben, während Wasserstoffgas mit 28 l/Min, durch die Düseneinsatzbohrung hindurchfloß. Auf den Wasserstoffstrom wurde eine Leistung von etwa 11,7 kW übertragen. Durch den ringförmigen Kühlkanal im Brennerkörper wurde außerdem Kühlwasser geleitet. Die gebildete heiße Gasausströmung aus atomischem Wasserstoff wurde anschließend dazu verwendet, Methangas in Azetylen und Nebenprodukte zu cracken. Irgendein sichtbarer Schaden infolge von Erosion oder Bogenanfressung trat am Molybdäneinsatz nicht auf.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Lichtbogenplasmabrenner, bei dem der von einem Gasringstrom umgebene und durch eine Düse eingeschnürte Lichtbogen zwischen einer nicht abschmelzenden Stabelektrode und einer oder mehreren aus hochhitzebeständigem leitendem Werkstoff bestehenden, im inneren Düsenbereich angeordneten Vorzugselektroden brennt, dadurch gekennzeichnet, daß als Vorzugselektrode eine oder mehrere im Düsenkörper eingebaute Einsätze derart angeordnet sind, daß sie sich, von einem wärmeisolierenden Mantel umgeben, der wenigstens über den größten Teil der Länge des Einsatzes gebildet ist, durch die Düsenkörperwand(24) bzw. durch den Düsenkanal (15) erstrecken und nur an einem Endteil mit der äußeren Oberfläche der Düse (5) bzw. der inneren Oberfläche des Düsenkanals (15) mechanisch und elektrisch verbunden sind.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als wärmeisolierender Mantel ein Luftmantel vorgesehen ist.

3. Brenner nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzugselektroden (22, 34) an der äußeren Oberfläche der Düse (14) mit dieser durch Schweißung oder . Lötung (26, 36) verbunden sind.

4. Brenner nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzugselektroden-Einsätze (22) in radialen Bohrungen (24) im einschnürenden Teil des Düsenkörpers (14) angeordnet sind.

5. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein hülsenförmiger Vorzugselektroden-Einsatz (34) im einengenden Düsenkanal (15) angeordnet ist.

6. Brenner nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der hülsenförmige Vorzugselektroden-Einsatz (34) in bekannter Weise von einem zusätzlichen Schutzgasstrom umhüllt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 685 455; österreichische Patentschrift Nr. 126 939; Zeitschrift »Scientific American«, 1957, S. 80 bis 88.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen