DE2033072C - Lichtbogen-Plasmabrenner mit einer gekühlten Kathode und gekühlten Anode - Google Patents

Description

45

Die Erfindung betrifft einen Lichtbogen-Plasmabrenner mit einer gekühlten Kathode und einer gekühlten Anode, die gleichachsig und mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind und an der Brennerspannung liegen, mit einer Schutzgaszuführung im Kathodenhalter, die das Schutzgas in axialer Richtung entlang der Kathode strömen läßt, sowie einer tangential gerichteten Betriebsgaszuführung in einem die Elektroden beabstandendem Isolierkörper.

Lichtbogen-Plasmabrenner dieser Art sind bereits bekannt (französische Patentschrift 1 225 906), wobei um die Kathode und gegebenenfalls zusätzlich in der Anode eine Hülse unter Ausbildung eines Ringspaltes angeordnet ist, durch den ein Schutzgas zum Schütze der Elektroden strömt; zum Zünden des Lichtbogens muß der Abstand zwischen Anode und Kathode durch ein Verdrehen des Kathodenhalters verringert werden, so daß die konstruktive Lösung aufwendig ist.

uer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde be. Lichtbogen-Plasmabrennern der eingangs erwähnten G«Sing den Schutz der Kathode noch wirkungsvoller zu gestalten und gleichzeitig ihren konstruktiven Aufbau zu vereinfachen.

D-ese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelöst daß zwischen der Anode und dem Kathodenhalt r eine mittels eines isolierenden Ringkörper* von der Anode beabstandete, zu den ubngen EIek trod ·η koaxiale Zundanode angeordnet ist der Ring-SS'Jr Bohrungen aufweist, du.^h die das Betrieb^ einströmt und in dem von der Kathode, dem Kathodenhalter und der Zündanode "^mschl°^sse?f" *^^π> ein Gasdruck herrscht, der über dem Gasdruck lu.,·. welcher in dem Raum vorhanden ist, der von d.r Zünianode, dem Ringkörper und der Anode u„-

^geh" weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist iv Schntzgaszuführung im Kathodenhalter em Rm, spal oder ein koaxialer Kranz von Bohrungen

h einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindu · weist die Zundanode einen zylindrischen Manuwasserkühler auf. In einer noch wuteren Aufstallung der Erfindung weist die Anode ein. 1 zylinderförmigen Raum für Kühlwasser auf

Bei diesem Lichtbogen-Plasmabrenner, bei d_t.:i das Inertgas die Zündung eines Pilotbogens zwische,. Kathode und erster Anode, d. h. Zundanode um, anschließenden Übergang des Bogens auf d.e zweite Anode, d. h. eigentliche Anode erlaubt, u.-.d an der eine höhere Spannung anliegt als an o-.r Zundanode, ist es möglich, Druckluft als den ub.-rwie »enden Bestandteil des Plasmas zu verwende·,, öhre daß die Gefahr der Beschädigung der Kathode infolge der Reaktion des Luftsauerstoffes bei den hohen Temperaturen besteht. Das um die Kathode zugeführte Inertgas wirkt als Schutzschild, so daß der Sauerstoff daran gehindert ist, die Oxydation der Kathode zu fördern. Sie kann deshalb aus einem Material hergestellt werden, das weitere spezielle Eigenschaften für diesen Verwendungszweck aufweist.

Der Überdruck des Inertgases, das der Bohrung der ersten Anode mittels eines ringförmigen Spaltes und/oder eines Kranzes von Bohrungen um die Kathode zugeführt wird, verhindert daß Luft in Aufwärtsrichtung der Bohrung zurückdiffundiert und eine Korrosion der Kathode verursacht. Ein Ionenbeschuß der Kathode wird auf die Inertgasionen beschränkt, insbesondere die Argonionen allein. Jedoch ist auf diese Weise lediglich die Kathode abgeschirmt.

Das zuerst genannte Gas, das im wesentlichen tangential und vorzugsweise in Abwärtsrichtung in

(f

die Plasmakammer eingeleitet wird, unterstützt eine Einschnürung des Bogens und verstärkt den Schutz des Brenners vor Zerstörung durch Wärme.

Ein weiterer Vorteil des Brenners liegt darin, daß der Fußpunkt des Bogens an der von der Kathode entfernten Stelle in der Bohrung der Anode gehalten wird und zusätzlich um diese Bohrung rotiert. Diese Maßnahme gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung der Wärme in der Anodenöffnung und erlaubt eine wirksar ■ Anordnung von Kanälen für das Kühlwasser L ■ :rhalb der Anode infolge der Tatsache, daß der Fußpunkt des Bogens in longitudinaler Richtung fixiert ist.

Bei einem Brenner, bei dem die Luft der überwiegende Bestandteil ist, bis zu 95 %, mit Argon als Restgas oder einem anderen Inertgas, ist die Bogenpannung höher und — bei gegebener Leistung. — ier von dem Brenner gezogene Strom niedriger als mit anderen Gasen, so daß die Erosion der Elektrode vermindert ist. Typische Arbeitsbedingungen ao -ind etwa 120 Volt und etwa 160 Ampere; jedoch ist ein größerer Spannungsbereich beispielsweise zwis. hen 100 und 300 Volt und ein Strombereich beispielsweise oberhalb 130 Ampere anwendbar.

Der Brenner gestattet eine größere Länge des Bogens zu erhalten, so daß dadurch die Erosion der Elektroden bei gegebener Leistung zusätzlich vermindert wird, und zwar auf Grund der Tatsache, daß der Spannungsabfall am Bogen vergrößert und der Strom vermindert ist.

Ein Ausführungsbeispiel einer Brennerkonstruktion wird an Hand der Zeichnung erläutert, weiche einen schematischen axialen Schnitt durch einen Brenner zeigt.

Bei dem dargestellten Brenner ist eine wassergekühlte Kathode 1 vorgesehen, wobei das Wasser bis zu einer Stelle oberhalb einer aus Wolfram gebildeten Spitze 2 mittels einer zentralen Leitung 3 zugeführt und in Aufwärtsrichtung durch einen Ringspalt 4 zwischen dieser Leitung und der Außenseite der Kathode weggeführt wird. Ein äußerer Teil 5 der Kathodenspitze 2 ist von umgekehrter konischer Gestalt und ist in einem umgekehrten konischen Raum 6 der Zündanode 7 angeordnet. Die Zündanode 7 ist mit einem zylindrischen Mantelwasserkühler 8 versehen, der diesen Raum und einen koaxialen Kanal 9 der Zündanode umgibt, welcher zu einer Plasmakammer 10 des Brenners führt. Oberhalb der Zündanode 7 erstreckt sich in Aufwärtsrichtung ein Isolierkörper 11, der von der Außenseite der Kathode 1 durch einen Ringspalt 12 getrennt ist, durch weichen Argon an einer Stelle 13 unter Überdruck zugeführt wird, beispielsweise bei einem Druck von weniger als 0,703 kg/cm² und einem Durchsatz von etwa 0,22 bis 0,28 m³ pro Stunde.

In Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels oder zusätzlich zu dem Spalt 12 kann ein koaxialer Kranz von Bohrungen 15 vorgesehen sein, und zwar für die Zuleitung von Argon. Die Bodenfläche der Zündanode 7 ist von der Oberseite einer zweiten Anode, d. h. der eigentlichen Anode 16 mittels eines Ringkörpers 17 aus hitzebeständigem Isoliermaterial getrennt. Durch ihn sind quer verlaufende Bohrungen 18 geführt, über welche Druckluft zugeführt wird die in die Plasmakammer 10 im wesentlichen tangential und in Abwärtsrichtung eintritt; beispielsweise bei einem Druck von ungefähr 0,56 kg/cm² und bei einem Durchsatz von ungc'.Jhr 4,8 m³ pro Stunde.

Der Ringkörper 17 kann in geeigneter Weise aus einer Asbestmischung bestehen. Die Anode 16 weist einen zylinderförmigen Raum 19 für Wasser auf, der ihren zentralen Kanal 20 umgibt, welcher den Auslaß des Brenners bildet. Die Anoden 7, 16 können z. B. aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt sein.

In konstruktiver Hinsicht können die Teile 11. 7, 17 und 16 mittels Bolzen miteinander verbunden sein, die sich in Längsrichtung der Anoden erstrekken; sie können auch durch Einbetten in ein hitzebeständiges Isoliermaterial fest zusammengehalten werden.

Der negative Pol einer Energiequelle 21 ist mit der Kathode 1 und ihr positiver Ausgang mit der zweiten Anode 16 und weiterhin — getrennt — über einen Schalter 22 und einen Widerstand 22' mit der ersten Anode 7 verbunden. Beim Schließen des Schalters wird eine Spannung an die Kathode 1 und die erste Anode 7 angelegt, so daß der Pilot- oder Zündbogen, wie oben erwähnt, gezündet wird. Zum Zünden des Brenners geht der Bogen teilweise von selbst von der ersten Anode 7 auf die zweite Anode 16 über; durch öffnen des Schalters 22 ist der sogenannte Bogenübertragungs-Prozeß beendet Der Brenner arbeitet dann mit nicht übertragenem Lichtbogen.

Ein derartiger Brenner kann in geeigneter Weise bei einer Brennerspannung von ungefähr 170 Volt und mil dnem Brennerstrom von ungefähr 180 Ampere betrieben werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Lichtbogenplasmabrenner mit einer gekühlten Kathode und einer gekühlten Anode, die gleichachsig und mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind und an der Brennerspannung liegen, mit einer Schutzgaszuführung im Kathodenhalter, die das Schutzgas in axialer Richtung entlang der Kathode strömen läßt, sowie einer tangential gerichteten Betriebsgaszuführung in einem die Elektroden beabstandenden Isolierkörper, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anode (16) und dem Kathodenhalter (11) eine mittels eines isolierenden Ringkörpers (17) von der Anode beabstandete zu den übrigen Elektroden koaxiale Zündanode (7) a-'.eordnet ist, der Ringkörper (17) Bohrungen (Ϊ8) aufweist, durch die das Betriebsgas einströmt und in dem von der Kathode (1). dem Kathodenhalter (11) und der Zündanode (7) umschlossenen Raum (6) ein Gasdruck herrscht, der über dem Gasdruck "liegt, welcher in dem Raum (10) vorhanden, der von der Zündanode (7). dem Ringkörper (17) und der Anode (16) umgeben ist.

2. Lichtbogenplasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgaszuführung im Kathodenhalter ein Ringspalt ist.

3. Lichtbogenplasmabrenner nac^u. Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, d?ß die Schutzgaszuführung im Kathodenhalter ei koaxialer Kranz von Bohrungen (15) ist.

4. Lichtbogenplasmabrenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündanode (7) einen zylindrischen Mantelwasserkühler (8) aufweist.

5. Lichtbogenplasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (16) einen zylinderförmigen Raum (19) für Kühlwasser aufweist.

Es ist auch bekannt (französische Patentschrift 1301 52) durch eine turbulente Strömung des züge ührten Gases an der Oberfläche der Kathode emÄerdmck zu erzeugen, wodurch ein djrek er Kontakt der Kathode mit den heißen Gasen ver-SSSr imd folglich eine Erhöhung der Lebensdaue- der Kathode erzielt werden kann.

Es ist auch bekannt (Zeitschrift ur angewandte Phvs k Band 23, 1967, Seite 316), bei einem Plasmabrenner zuiiErzeugung eines schnellen Argon-Atomstrah es tischen Kathode und Anode eine strom-EZwischenelektrode isoliert anzubnngen, die zum Zentrieren des Gasstromes und des Lichtbogens