PLASMABRENNER ZUM SCHMELZEN UND WARMHALTEN VON IN GEFÄSSEN ZU BEHANDELNDEN MATERIALIEN

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner.

[0002] Plasmabrenner werden bei ihrem Einsatz in Gefäßen thermisch hoch belastet. Dabei wird die Hauptelektrode im wesentlichen durch Stromwärme thermisch beaufschlagt, während dem Mantel der Brennerlanze in besonderem Maße durch Wärmestrahlung des Lichtbogens, vom Schmelzbad und von der Ofenwand Wärme zugeführt wird. Die hieraus resultierenden Temperaturveränderungen der Werkstoffe bedingen erhebliche Längenveränderungen der Bauteile.

[0003] Die unterschiedliche thermische Beaufschlagung einzelner Bauteile des Plasmabrenners bewirkt in besonderem Maße eine relative axiale Verschiebung der Hauptelektrode und der Düse. Diese Veränderungen wirken sich nachteilig auf die Ausbildung des Plasmabogens aus. Vergleichbare Längenänderungen treten bei mit Zündelektroden versehenen Plasmabrennern zwischen der Zündelektrode und der Haupteleketrode auf.

[0004] Aus der DE-OS 29 00 330 ist es bekannt, die einzelnen Bauteile eines Plasmabrenners, nämlich die Zündelektrode, die Hauptelektrode und die Düse, unabhängig voneinander zu kühlen.

[0005] Der aus dieser Schrift bekannte Plasmabrenner ist nicht nur aufwendig konstruiert, er nimmt auch kaum Einfluß auf die Problematik der Relativverschiebung der einzelnen Kühlbauteile, da die Lanzen jeweils an dem der Schmelze abgewandten Teil des Brenners fixiert sind. Die einzelnen Lanzen können sich über ihre gesamte Länge ausdehnen mit der Folge, daß gerade im kritischen Bereich Hauptelektrode /Düse die größten axialen Verschiebungen aufzufinden sind.

[0006] Aus der US-PS 34 63 957 ist ein Plasmabrenner bekannt, bei dem die Hauptdüse und die Hauptelektrode im Bereich der Düsenspitze fixiert und darüber hinaus an einem gemeinsamen Kühlwassersystem angeschlossen sind.

[0007] Der aus dieser Schrift bekannte Plasmabrenner wird zum Brennschneiden von Metall benutzt. Plasmabrenner dieses Typs besitzen keine Brennerlanze, die gerade beim Einsatz in Gefäßen einer hohen Wärmestrahlung ausgesetzt sind mit der Folge insbesondere der Längenausdehnung.

[0008] Aus der EP-A-0 176 604 ist schließlich noch ein Plasmabrenner bekannt, der in ein mit Schmelze füllbares Gefäß hineinragend an eine Tragvorrichtung befestigt ist. Dieser Brenner weist eine an einer doppelwandigen Brennerlanze angeordnete Düse sowie ein innerhalb der Brennerlanze angeordnetes Hauptelektrodenrohr auf. Die Hauptelektrode ist an dem der Schmelze zugewandten Ende des Hauptelektrodenrohres angeordnet.

[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Plasmabrenner zu schaffen, der in einfacher konstruktiver Ausgestaltung beim Hochtemperatureinsatz betriebssicher und wartungsarm eine einstellbare, konstante Ausbildung des Plasmabogens zuläßt.

[0010] Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Anspruch 1.

[0011] Ohne auf ein Vorbild zurückgreifen zu können schlägt der Erfinder eine Zweipunktlagerung einzelner Bauteile des Plasmabrenners vor. Dabei wirkt das Bauteil mit der größten thermischen Belastung und damit auch größten Längenänderung der Bauteile als tragendes Element. Bei dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner ist dies der Mantel der Brennerlanze, die mit ihrem Fußende von der Tragvorrichtung gehalten wird. Das in das Ofengefäß hineinragende Kopfende des Mantels bildet den Fixpunkt für die übrigen Bauteile.

[0012] Eines dieser Bauteile ist das Hauptelektrodenrohr, auf dessen Kopfende die Hauptelektrode befestigt ist. Das Kopfende des Hauptelektrodenrohres ist mittels einer Isolierung mit dem Kopfende des Mantels fest verbunden und bildet das Festlager der Hauptlanze. Das Fußende der Hauptlanze ist als Loslager ausgebildet. Die durch die Wärmedehnung hervorgerufene Längenänderung der Bauteile kann sich durch diese Lagerungsart spannungsfrei entfalten.

[0013] Die Gleitelemente des Loslagers des Hauptlektrodenrohres sind dabei so ausgebildet, daß eine sichere übertragung des elektrischen Stromes gewährleistet ist. In besonderer Weise eignen sich hierfür kontaktfedern, die in Form einer Büchse das Elektrodenrohr umfassen.

[0014] Die Wasserführung der Plasmalanze ist so ausgeführt, daß das frische Kühlmittel von der Tragvorrichtung zum Hauptelektrodenrohr und von dort im Rohrinneren zur Hauptelektrode geführt wird. Im Inneren der Hauptelektrode wird es zu den thermisch am höchsten belasteten Flächen geführt und nach Verlassen der Elektrode über überläufe direkt zum Düsenring geleitet.

[0015] Nach angepaßter Wasserführung in der Düse wird das Kühlwasser im Doppelmantel der Elektrodenlanze zur Tragvorrichtung zurückgeführt.

[0016] Es versteht sich, daß die erforderlichen Isolierungen zwischen den Brennerbauteilen vorgesehen sind. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Isolierung zwischen der Elektrode und dem Düsenring mit in den Fixpunkt einbezogen worden.

[0017] Plasmabrenner mit Zündelektrode weisen ein eigenes Lagerungssystem mit Fix- und Loslager für die Zündelektrode auf. Der Fixpunkt wird dabei im Kopfbereich der Zündelektrode durch eine Isolierbüchse gebildet.

[0018] Das Zündelektrodenrohr ist auf seiner gesamten Länge vom Kühlwasser umströmt. Während des Betriebes wird es zusätzlich noch von im Inneren der Zündlanze strömenden Gas gekühlt. Die trotz der intensiven Kühlung infolge der Stromwärme noch auftretenden Längenänderungen werden von am Fußende des Zündelektrodenrohres angeordneten Gleitelementen aufgenommen.

[0019] Für die Halterung des Plasmabrenners ist ein am Tragarm angeordneter Schnellverschluß vorgesehen, in dem die Medienzuführungen angeordnet sind. Der Schnellverschluß ist so ausgestaltet, daß ein einfaches und schnelles Wechseln des Plasmabrenners möglich ist. Dabei sind die Medienzuführungen von der Tragvorrichtung und von der Brennerlanze einander angepaßt und gewährleisten nach Schließen des Schnellverschlusses ein sicheres, störungsfreies Zuführen der gasförmigen und flüssigen Medien und des elektrischen Stromes.

[0020] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1

den Schnitt durch einen Plasmabrenner ohne Zündlanze,

Fig. 2

einen Plasmabrenner mit Hauptelektrode und Zündelektrode und Gleitelementen zwischen Hauptelektrode, Brennerlanze und Zündlanze.

[0021] Die Figur 1 zeigt schematisch die wesentlichen Bauteile des Plasmabrenners, und zwar den zur Schmelze S weisenden Kopfteil 11, einer Hauptelektrode 10 und den an einer (nicht dargestellten) Tragvorrichtung 40 befestigbaren Fußteil 17. Der Kopfteil 11 der Hauptelektrode 10 ist als Topf ausgebildet, wobei der Boden des Topfes zur Schmelze S weist. Am Fußende 12 des Topfes ist eine als Ring ausgebildete Isolierung 21 angeordnet.

[0022] Die Hauptelektrode 10 wird in ihrer Längsausdehnung umhüllt von einer Brennerlanze 30. Diese Brennerlanze 30 ist doppelwandig ausgeführt und weist ein Innenrohr 32 und einen Mantel 33 auf. Das Kopfende 31 der Brennerlanze 30 ist an der Isolierung 21 befestigt.

[0023] Zwischen dem Fußende 35 der Brennerlanze 30 und dem Fußteil 17 der Hauptelektrode 10 sind Gleitelemente 51 vorgesehen.

[0024] Der Fußteil 35 der Brennerlanze 31 ist an einem Schnellverschtußteil 41 der Tragvorrichtung 40 befestigt. Der Schnellverschlußteil 41 steht mit der nicht weiter dargestellten Medienversorgung 80 in Verbindung und weist eine Wasserzufuhr 81 und eine Wasserabfuhr 82, eine Hauptgaszufuhr 84 sowie eine Stromzufuhr 85 auf.

[0025] Die Medienführung ist durch Pfeile dargestellt. Das Hauptgas strömt zwischen einem Hauptelektrodenrohr 18 sowie dem Innenrohr 32 der Brennerlanze 30 und anschließend durch am Fußende 12 des Topfes vorgesehene Bohrungen 16 in den Collimatorbereich 63.

[0026] Das Kühlwasser durchströmt den Innenraum des Hauptelektrodenrohres 18 bis zum Kopfteil 11 der Hauptelektrode 10, wo es durch an der Innenwand 13 des Hauptelektrodenrohres 18 angeordnete Leitbleche 14 umgelenkt wird, ringförmig in Gegenrichtung zurückströmt und über im Bereich des Fußendes 12 des Topfes im rechten Winkel zur Mittenachse I angeordneten Öffnungen 15 in Hohlräume 61 einer Düse 60 gelangt. Das Kühlwasser verläßt die Düse 60 über am Kopfende 31 der Brennerlanze 30 vorgesehenen Durchlässe 34, um im Doppelmantel der Brennerlanze 30 zwischen Innenrohr und Mantel 33 am Fußende 35 der Lanze durch die wasserabfuhr 82 den Plasmabrenner wieder zu verlassen.

[0027] Die Düse 60 kann dabei, wie im rechten Teil des Bildes dargestellt, in einer Form ausgebildet sein, die ein sogenanntes Schattenrohr darstellt. Die Isolierung 21 ist dabei im Innenraum 61 entsprechend gestaltet und weist Durchlässe 62 und Innenrohre 23 für die Führung des Kühlmediums auf.

[0028] Figur 2 zeigt einen Plasmabrenner mit Haupt- und Zündelektrode 10, 70 mit Gleitelementen 51 zwischen dem Fußende 35, der Brennerlanze 30 und dem Fußteil 17 der Hauptelektrode 10 sowie Gleitelemente 52 zwischen dem Hauptelektrodenrohr 18 und dem Zündelektrodenrohr 71 der Zündelektrode 70.

Ansprüche

1. Plasmabrenner, der in ein mit Schmelze füllbares Gefäß hineinragend durch einen Schnellverschluß (41) an einer Tragvorrichtung (40) befestigt ist, mit

- einer Brennerlanze, die einen Mantel (33) und ein Innenrohr (32) aufweist,

- einem inrerhalb der Brennerlanze (30) angeordneten Hauptelektrodenrohr (18), das Teil der Hauptelektrode (10) ist und über das elektrischer Strom zuführbar ist,

- einer an der Brennerlanze (30) angeordnete Düse (60), die am der Schmelze zugewardten Kopfende (11) des Hauptelektrodenrohres (18) angeordnet ist,

- einer ringförmigen Isolierung (21) um die Hauptelektrode (10) im Bereich ihres Kopfendes, an der der Mantel (33), der Brennerlanze (30) befestigt ist, so daß das innerhalb der Brennerlanze (30) angeordnete Hauptelektrodenrohr (18) einenends an der Isolierung (21) befestigt ist und

- einem Schiebeelement (51), an dem das Hauptelektrodenrohr anderenends gegenüber der Brennerlanze (30) in axialer Richtung gleitend gelagert ist,

- in dem ein gasförmiges Medium zwischen dem Hauptelektrodenrohr (18) und dem Innenrohr (32) der Brennerlanze (30) der Düse zuführbar ist, und ein flüssiges Medium durch den Innenraum des Hauptelektrodenrohres (18) über Hohlräume (61) an der Düse (60) und zwischen dem Innenrohr (32) und dem Mantel (33) der Brennerlanze (30) führbar ist.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schiebeelemente (51) Kontaktfedern sind.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Fußende (35) der Brennerlanze (30) Anschlüsse (81 bis 84) für die Kühlmedienzufuhr und -abfuhr sowie für das Gas vorgesehen sind.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Fußende (35) der Brennerlanze (30) ein Schnellverschlußteil (41) der Tragvorrichtung (40) vorgesehen ist, der angepaßte Medienzuführungen (80) für Wasser (81, 82), Gas (83, 84) sowie Strom (85) aufweist.

5. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Kopfende (12) an der Innenwand (13) des Hauptelektrodenrohres (34) in die Düse hineinragend ein zylindrisches Leitblech (14) zur Führung des Kühlmediums vorgesehen ist.

6. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Innenwand (62) der zylindrischen Düse (60) an die Isolierung (21) angeschlossen ist und die Isolierung (21) als Wasser-Leitblech ausgebildet ist.

7. Plasmabrenner nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Fußende (12) der Brennerlanze (30) in der Innenwand (13) im rechten Winkel zur Mittenachse (I) angeordnete öffnungen (15) für den Kühlmedienaustritt vorgesehen sind.

8. Plasmabrenner nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen den öffnungen (15) koaxial zur Mittenachse angeordnete Bohrungen (16) zur Führung des Hauptgases vorgesehen sind.

9. Plasmabrenner nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektrode (10) am zur Schmelze weisenden Kopf als geschlossener Topf ausgebildet ist.

Claims

1. Plasma burner which, projecting into a vessel which can be filled with smelt, is attached to a support device (4)), with

- a burner lance which has a casing (33) and an inner pipe (32),

- a main electrode pipe (18) disposed in a said burner lance (30), which is a part of a main electrode (10) via which electrical current can be supplied,

- a nozzle (60) disposed on a burner lance (3), which is disposed on a head-end (11), of a main electrode (18), facing smelt,

- a circular insulation member (21) around a main electrode (10) in an area of its head-end, on which a casing (33) of a burner lance (30) is attached, such that a main-electrode pipe (18) disposed inside a burner lance (30), is attached at one end to insulation (21) and

- a sliding element (51) is supported, such that it can slide in an axial direction, on an end of a main-electrode pipe opposite (away from) a burner lance (30),

- into which a gaseous medium can be fed, between a main-electrode pipe (18) and an inner pipe (32) of a burner lance (30), to a jet-nozzle, and a fluid medium can be guided through an inner space of a main-electrode pipe (18) via cavities (61) to a jet-nozzle (60) and can be guided between an inner pipe (32) and a casing (33) of a burner lance (30).

2. Plasma burner in accordance with claim 1,
characterized in that
push-members (51) are contact springs.

3. Plasma burner in accordance with claim 1,
characterized in that connections 81 to 84) for supply and outflow of coolant are provided, on a lower end (35) of a burner lance (30), for a gas.

4. Plasma burner in accordance with claim 3,
characterized in that a fast-closure section (41) of a support device (40) is provided on a lower end (35) of a burner lance, this fast-closure section having feed means (80) adapted for water (81, 82), gas (83, 84) and current (85).

5. Plasma burner in accordance with claim 1,
characterized in that
a cylindrical conduction casing (14) for guiding a coolant is provided on a top end (12) of an inner wall (13) of a main-electrode pipe (34), projecting into a nozzle.

6. Plasma burner in accordance with claim 1,
characterized in that
an inner wall (62) of a cylindrical nozzle (60) is connected onto insulation (21) and insulation (21) is developed as a water-conducting casing.

7. Plasma burner in accordance with claim 1,
characterized in that
openings, disposed at a lower end (12) of a burner lance (30) in an inner wall (13), at right-angles to a central axis (I), are provided for outflow of a coolant concerned.

8. Plasma burner in accordance with claim 7,
characterized in that borings disposed between openings (15), coaxially in relation to a central axis, are provided for guidance of a main-gas.

9. Plasma burner in accordance with any preceding claim,
characterized in that
a main-electrode (10) is formed on a head of a closed pan, facing a smelt.

Revendications

1. Torche à plasma, qui est fixée à un dispositif de support (40) par une fermeture rapide (41) en faisant saillie dans un récipient pouvant être rempli d'un bain de fusion, comportant :

- une lance de torche qui présente une enveloppe (33) et un tube interne (32),

- un tube d'électrode principale (18) agencé à l'intérieur de la lance (30), qui fait partie de l'électrode principale (10) et par lequel du courant électrique peut être amené,

- une buse (60) agencée sur la lance (30), qui est agencée à l'extrémité de tête (11), en regard du bain de fusion, du tube (18) de l'électrode principale,

- une isolation annulaire (21) autour de l'électrode principale (10) dans la zone de son extrémité de tête, à laquelle est fixée l'enveloppe (33) de la lance (30), de sorte que le tube (18) de l'électrode principale agencé à l'intérieur de la lance (30) est fixé, à une extrémité, à l'isolation (21), et

- un élément coulissant (51) sur lequel le tube de l'électrode principale est monté coulissant en direction axiale, à l'autre extrémité, par rapport à la lance (30),

- un fluide gazeux pouvant être amené entre le tube (18) de l'électrode principale et le tube interne (32) de la lance (30) à la buse, et un fluide liquide pouvant être guidé à travers l'espace interne du tube (18) de l'électrode principale par l'intermédiaire de cavités (61) sur la buse (60) et entre le tube interne (32) et l'enveloppe (33) de la lance (30).

2. Torche à plasma selon la revendication 1,
caractérisée en ce que les éléments coulissants (51) sont des ressorts de contact.

3. Torche à plasma selon la revendication 1,
caractérisée en ce que des raccords (81 à 84), pour l'amenée et l'évacuation du fluide de refroidissement ainsi que pour le gaz, sont prévus à l'extrémité de pied (35) de la lance (30).

4. Torche à plasma selon la revendication 3,
caractérisée en ce que, à l'extrémité de pied (35) de la lance (30), il est prévu une partie de fermeture rapide (41) du dispositif de support (40), qui présente des conduits de fluide (80) adaptés pour l'eau (81,82), le gaz (83,84), ainsi que le courant (85).

5. Torche à plasma selon la revendication 1,
caractérisée en ce que, à l'extrémité de tête (12) sur la paroi interne (13) du tube (34) de l'électrode principale, en saillie dans la buse, il est prévu une chicane cylindrique (14) pour guider le fluide de refroidissement.

6. Torche à plasma selon la revendication 1,
caractérisée en ce que la paroi interne (62) de la buse cylindrique (60) est raccordée à l'isolation (21) et l'isolation (21) est réalisée sous forme de chicane pour l'eau.

7. Torche à plasma selon la revendication 1,
caractérisée en ce que des ouvertures (15), agencées à angle droit par rapport à l'axe central (I) dans la paroi interne (13) à l'extrémité de pied (12) de la lance (30), sont prévues pour la sortie du fluide de refroidissement.

8. Torche à plasma selon la revendication 7,
caractérisée en ce que des perçages (16), agencés coaxialement à l'axe central entre les ouvertures (15), sont prévus pour guider le gaz principal.

9. Torche à plasma selon une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'électrode principale (10) est réalisée sur la tête, orientée vers le bain de fusion, de la calotte fermée.

Zeichnung