DE2834732A1

DE2834732A1 - Plasmastrahlbrennerkopf

Info

Publication number: DE2834732A1
Application number: DE19782834732
Authority: DE
Inventors: Viktor Nikolaevitsch Karinskij
Original assignee: KUCYN VIKTOR IVANOVITSCH; KUSNEZOV IVAN ALEKSANDROVITSCH
Current assignee: KUCYN VIKTOR IVANOVITSCH; KUSNEZOV IVAN ALEKSANDROVITSCH
Priority date: 1977-10-18
Filing date: 1978-08-08
Publication date: 1979-04-19
Also published as: FR2406930B1; IT1174372B; FR2406930A1; SE8302373D0; JPS5467539A; DE2857787C2; DE2834732C2; GB2006585A; US4242562A; SE438770B; GB2006585B; IT7826900A0; CA1105569A; SE8302373L; SE7809871L

Description

PATENTANWÄLTE - Z-

ZELLENTIN

ZweiBRÜCKENSTR. 15
8OOO MÜNCHEN2

1. Wiktor Mkolajewitsch Karinski.j δ. August 1978 Odinzοwo/UdSSR ° ^⁽

2. Iwan Alexandrowitsch Kusnezow RZ/Al Moskau/UdSSR

3· Wiktor Iwanowitsch Kuzyn ρ ηι± 231

poselok Dorοchowo/UdSSR

PLASMASiRAHLBRBNKERKOPP

Die vorliegende Erfindung betrifft Lichtbogenplasmastrahlbrenner·

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Lichtbogeneinrichtungen zur Erwärmung und Bearbeitung von Werkstoffen unter Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes auf die Lichtbogenentladung sowie Plasmastrahlbrenner mit magnetischer Lichtbogensteuerung zum Schmelzen und Bearbeiten der Werkstoffe mit Lichtbogenplasma.

Bekannt ist ein Lichtbogenplasmastrahlbrenner zum Schmelzen von Metallen, der eine Kathode, einen Kathodenträger, ein gekühltes Gehäuse und eine Düse enthält.

Die funktionswichtigste Baugruppe der Köpfe solcher Brenner ist die Düse, die sich im Arbeitsprozeß in der Hochtemperaturzone befindet. Der zylinderförmige Düsenkanal wird mit einem längs der gekühlten Wand in einem .Ringspalt gerichteten Wasserstrom abgekühlt. Wegen, hoher spezifischer Wärmebelastungen des Düsenkanals muß der Wasser-

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strom mit großer Geschwindigkeit und unter hohem Brück zugeführt werden.

Bekannt sind ebenfalls indirekt wirkende Lichtbogenplasmastrahlbrenner, die eine Mittelelektrode und eine diese umgebende Düse aufweisen« Innerhalb der Düse brennt im Gasstrom eine elektrische Entladung, auf die man zwecks Einschnürung und ia?höhung dur Plasmatemperatur (s. US-Patentschrift Wr. 2 94-5 119*1

zwecks Ablenkung des Plasmastrahls von der Düsenachse (s· japanische .Patentschrift Nr. 6 958),

zur Dezentralisierung der Wärmeströmung des Plasmastrahls (s. japanische Patentschrift Mr. ~$ 261 )

sowie zur Ausführung anderer Arbeitsgänge mit einem äußeren Magnetfeld einwirkt.

Am häufigsten wird das Magnetfeld zur Rotation des Lichtbogens auf der Innenfläche der Düse

des Flasmastrahlbrenners verwendet, wodurch die Lichtbogenspannung und der Wirkungsgrad des Brenners erhöht sowie die Düsenerosion erheblich vermindert wird.

Der in der GB-Patentschrift Nr, 966 103

beschriebene Lichtbogenplasmastrahlbrenner (Plasmaerzeuger) enthält, z. B. ein Gehäuse mit einer damit verbundenen wassergekühlten Düse, in der eine Mittelelektrode untergebracht ist. Die Düse ist mittels Gewinde hermetisch mit dem Gehäuse verbunden. Auf die Düse sind

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mehrere mit der Düse gleichachsige Magnetspulen aufgesetzt ₉ die mittels eines ringförmigen Peststellgliedes, das längs einen Gewinde auf das Außenteil der Düse aufschraubbar ist, befestigt und gegen Erwärmung geschützt sind. Der abwechselnde Spulenanschluß gestattet, die Rotation des Lichtbogens im Düsenkanal auf dessen verschiedenen Abschnitten zu erzielen» Bei der in Rede stehenden Brennerkonstruktion sind die Magnetspulen infolge der Erwärmung des Peststellglieds .· schlecht gegen Wärmeeinwirkung sowie gegen Teilchen des zu bearbeitenden Gutes geschützt. Bei Verwendung des Brenners gegebener Ausführung zur Granulierung war _z.b. ein schneller Ausfall der Spulen wegen einer Isolationsstörung durch Wärmestrahlung und glühende Teilchen zu vermerken.

Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, die erwähn« ten Kachteü zu beseitigen und einen vervollkommneten Plasmastrahlbrennerkopf zu schaffen.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, das Kühlsystem der Düse des Plasmastrahlbrennerkopfes derart zu ändern, daß die Punktionssicherheit und Leistung des Plasmastrahlbrenners ohne kostspielige Vorrichtungen und zusätzlichen Energieaufwand erhöht werden kann.

Zur Lösung der erwähnten technischen Aufgabe wurde erfindungsgemäß ein Plasmastrahlbrennerkopf vorgeschlagen, der ein rohrförmiges Hohlgehäuse enthält, in dessen Kanal ein plasmabildendes Gas , ein Elektrodenhalter und eine Elektrode axial angeordnet sind, deren freies Ende

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von einer gekühlten Düse mit Doppelwänden umgeben ist,die am Ende durch einen durchgehenden Steg verbunden sind und die stirnseitige Schnittfläche des Kopfes bilden. Dieser Brennerkopf ist dadurch gekennzeichnet, daß Kühlkanäle im Gehäuse des Kopfes mit einer solchen Orientierung ausgebildet sindj, daß der Kühlmittelstrom normal auf die gekühlten Flächenabschnitte der Düse₉ welche während der Erzeugung des Plasmastrahls erhöhter Erwärmung ausgesetzt sindj gerichtet ist_o

Diese konstruktive Ausführung des Plasmastrahlbrennerkopfes gestattet j die Abkühlung der sich erwärmenden Zonen der Düse merklich zu verbessern, weil der Kühlflüssigkeitsstrom bei der Stirneinwirkung auf die gekühlte Fläche wesentlich wirksamer Wärme ableitet als ein die Oberfläche der Düse zügig umfließender Strom_e

In Übereinstimmung mit einer der Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung wurde ein Plasmastrahlbrennerkopf vorgeschlagen dadurch gekennzeichnet_s daß die

Kühlkanäle am Umfang des Gehäuses parallel zu seiner zentralen Achse ausgeführt sind und beinahe die Stirnfläche des Kopfes erreichen₉ wobei abwechselnd Kühlraittelabfuhrkanäle und Kühlmittelzufuhrkanäle angeordnet sindj die in Radialkanäle übergehen, welche zur gekühlten zylinderförmigen Düsenwand radial gerichtet sind₀ Eine derartige technische Lösung, bietet die Möglich-=

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keit, die Warmeabfuhr von den Zylinderflächen der Düse, die eine erhöhte Wärmebelastung beim Brennen des plasrcabildenden Lichtbogens an der Düserwand erhalten, zu verbessern.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wurde ein Plasmastrahlbrennerkopf mit konzentrisch außerhalb der Düse angeordneten Magnotspuxlen zur Plasiaastrahlsteuerung am Austritt des Brenners vorgeschlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen in ein Schutzgehäuse eingekapselt sind, das sich bündig mit der Düse im Bereich der Stirnfläche vereinigt, wobei ein ringförmiger Stopfen zwischen diesem Schutzgehäuse und dem rohrförmigen Gehäuse des Kopfes eingesetzt ist, und die

Kühlmittelzufuhrkanäle sind über die ganze Anordnungslänge der Magnetspulen geführt und treten normal an den genannten Steg zwischen den Doppelwänden der Düse heran·

Diese technische Lösung ermöglicht den Schutz der Magnet spulen gegen Bruch und Windungsschluß als -Ergebnis der Einwirkung von hohen Temperaturen des Plasmastrahls und des zu bearbeitenden Gutes mit Hilfe eines gut gekühlten Stirnteils der Düse und des ringförmigen Stopfens·

Eine derartige Ausführung des Plasmaerzeugers gestattet, die Magnetspulen gegen die Einwirkung von hohen Umgebungstemperaturen zu isolieren, wobei dazu ein gekühlter Teil der Düse und ein Stopfenfeststellglied verwendet wird, das den Hohlraum mit den Spulen schließt und die

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Düse am Gehäuse befestigt. Dabei befinden sich die Spulen an einer für ihren Wechsel leicht zugänglichen Stelle. Außerdem lassen sich die .Anschlußleitungen leicht herausführen, weil der Hohlraum mit den Spulen undicht ist.

Gemäß einer weiteren AusführungsVariante der vorliegenden Erfindung wurde ein Plasmastrahlbrennerkopf vorgeschlagen, der dadurch aekennzeichnet ist, daß der erwähnte Stopfen aus ferromagnetische!! Werkstoff in Form eines Ringes mit Gewinden auf beiden Seiten ausgeführt ist, die sich wenigstens in einem der Merkmale - Steigung oder Richtung des Gewindes - voneinander unterscheiden.

Diese technische Lösung gestattet, die Einwirkung der Magnetspulen auf den Plasmastrahl mittels Erhöhung ihrer magnetischen Feldstärke zu verstärken.

Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von praktischen ^usführungsbeispielen und von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Plasmastrahlbrennerkopf mit Radialkanä-

len zum Abkühlen der Seitenwände der Düse, Fig. 2 einen Querschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Plasmastrahlbrennerkopf nach Linie H-II,

3 einen Plasmastrahlbrennerkopf mit in einem Schutzgehäuse angeordneten Magnetspulen,

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KLg, 4 einen Querschnitt durch den in Fig. 3 dargestellten Plasmastrahlbrennerkopf nach Linie IV-IY.

Gemäß der vorliegenden Jfirfindung weist der Plasmastrahl« brennerkopf ein zylinderförmiges Gehäuse 1 (Fig. 1, 2) und eine daran befestigte gekühlte Düse 2 auf, in der eine Kathode 3 untergebracht ist, die in einem Kathodenträger 4 befestigt ist·

Im Gehäuse 1 ist eine gerade Zahl von Senkrechtkanälen ausgebildet, wobei Kanäle 5» die Kühlflüssigkeit (Wasser) der Düse 2 zuführen, mit Abfuhrkanälen 6 abwechseln. In dem nicht dargestellten Oberteil des Plasmastrahlbrennerkopfes befinden sich fiingsaminler: Druck- und Ablaufsammler· Im Unterteil des Gehäuses 1 gehen die Kanäle 5 in Eadialkanäle 7 über, die* normal) zum zylinderförmigen Teil der Düse 2 gerichtet sind· Die Abfuhrkanäle 6 sind senkrecht zum Stirnteü der Düse 2 gerichtet,

Fig. 3 und 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Plasmastrahlbrennerkopf zur Werkstoffbearbeitung. Der Plasmastrahlbrenner enthält ein Gehäuse 8 mit einer mit Hilfe ei** nes ötopfenfeststellglieds 9 daran befestigten Düse 10 und eine Mittelelektrode11. DieDüse 10 hat einen Kühlraum 12, in dem die Kühlflüssigkeit umläuft. Der Kühlraum 12 wird an der Stoßstelle mit dem Gehäuse 8 durch Dichtungen 13 und 14 hermetisch abgedichtet· Das Gehäuse 8 ist mit Zu- und Ablaufkanälen 15 bzw. 16 versehen, die im * in Richtung einer Normalen

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unteren Teil Radialkanäle 17 aufweisen, weshalb der Flüssigkeitsstrom, der sich verzweigt, län^s einer Normalen zur Seiten- und Stirnfläche der Düse 10 zugeführt wird. Ein Hohlraum 18, in dem sich Magnetspulen 19 befinden, ist durch die Außenwand der Düse 10, das Schutzgehäuse 20, das sich mit der Düse 10 im Bereich der Stirnfläche hermetisch vereinigt, und das Stopfenfeststellglied 9 gebildet. Die Leiter der Spulen sind durch öffnungen 21 im Außenteil der Düse 10 herausgeführt, wobei die Leiterisolation mittels thermostabiler Isolatoren 22 erfolgt. Das Stopfenfeststellglied 9 ist als Hing ausgebildet, hat zwei Gewindeverbind ungenfdäif der Stelle der Berührung mit dem Gehäuse eine

u-id7an der Stelle der Berührung mit der Düse 10. Durch die Gewindeverbindungen 23 und 24 wird ein sicherer elektrischer Kontakt der Düse 10 mit dem Gehäuse 8 über das Stopfenfeststellglied 9 gewährleistet.

Die Gv.windeverbindungen 23 und 24 des Stopfenfeststellglieds 9 niit dem Gehäuse 8 und der Düse 10 können sowohl mit gleicher als auch entgegengesetzter Gewinderichtung ausgeführt werden.

Ist die Gewinderichtung gleich, so werden die Gewindeverbindungen mit unterschiedlichen Gewindesteigungen ausgebildet, und dabei wird ein höherer Anpreßdruck der Düse 10 am Gehäuse 8 sichergestellt, was für die Gewährleistung einer sicheren hermetischen Abdichtung des Kühl-

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räumes 12 wichtig ist«

Wenn die Gewinderichtungen entgegengesetzt sind, so können die Gewindeverbindungen sowohl mit gleicher als auch

verschiedener Gewindesteigung ausgebildet werden. Durch'dereine
artige Verbindung wirdXschnellere Abnahme und Anbringung

der Düse 10 bei ihrem Wechsel gewährleistet»

Das Stopfenfeststellglied 9 kann aus ferromagnetisehern Werkstoff bestehen, was sowohl die Stärke als auch die Kon~ figuration des Magnetfeldes der Spulen 19 zu beeinflussen gestattet.

Der Plasmastrahlbrennerkopf gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Beispiel beschränkt. Das Stopfenfeststellglied 9 kann z. B. als Becher gestaltet werden, der die Magnetspulen 19 von außen abdeckt und durch zwei innere Gewindeverbindungen 23 und 24- mit der Düse 10 und dem Gehäuse 8 verbunden ist.

Bei einer anderen Modifikation des Plasmastrahlbrennerkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch das Vorhandensein der Mittelelektrode nicht unbedingt notwendig, falls der lichtbogen beispielsweise zwischen der Düse und dem zu bearbeitenden Gut brennt.

Vorzugsweise wird der Plasmastrahlbrenner wie folgt zusammengebaut. Zuerst wird das Stopfenfeststellglied 9 auf das Gehäuse 8 aufgeschraubt. Danach wird die Düse 10 samt den in ihren Hohlraum 18 eingebrachten Spulen 19 bis

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zum Anschlag ge^en die Dichtung 13 angeschlossen. Daraufhin wird die Düse 10 durch eine Drehung des Stopfenfeststellglieds 9 um die Achse bei Lagekonstanz der Düse 10 ans Gehäuse 8 angezogen und der Kühlraum unter Zusammenpressen der Dichtung 13 hermetisch abgedichtet«

Eine Lichtbogenentladung wird zwischen Mittelelektrode 11 und Düse 10 angefacht. Dem Zwischenraum zwischen der Mittelelektrode 11 und der Düse 10 wird plasmabildendes Gas zugeführt, das expandierend in Form eines Plasmastranis aus der Düse hervorbricht. Die Wärmeenergie, die der Plasmastrahl und das glühende zu bearbeitende Gut beim Betrieb des Plasmastrahlbrennerkopfes entwickeln , wird von dem gekühlten Außenteil der Düse aufgenommen und mit der Kühlflüssigkeit abgeleitet. Das Eeststellglied, das den Hohlraum mit den Spulen 16 abschließt und die Düse 10 am Gehäuse 8 befestigt, befindet sich in der am allerwenigsten erhitzten Zone. Die Magnetspulen 19 sind also allseitig durch Bauteile geschützt, die nicht eine zur Isolationsstörung ausreichende Temperatur aufweisen.

Prüfungen der Plasmastrahlbrenner in erfindungsgemäßer Ausführung mit etwa 70 kW Leistung an Granulationsanlagen ergaben eine zuverlässige Kühlung der Düse und einen zuverlässigen Schutz der Magnetspulen gegen Isolationsstörung durch Wärmestrahlung und Teilchen des zu bearbeitenden Gutes sowie einen sicheren elektrischen Kontakt der Düse mit dem Gehäuse.

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e e r s e 11 e

Claims

8. August 1978

ZELLENTIN _ ^ __

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PATENTANSPRÜCHE

1· Plasmastrahlbrennerkopf, der ein rohrförraiges Hohlgehäuse enthält, in dessen Kanal für plasmabildendes Gas, ein Elektrodenhalter und eine Elektrode social angeordnet sind, deren freies .binde von einer gekühlten Düse mit Doppelwänden umgeben ist, die am Ende durch einen durchgehenden Steg verbunden sind und die stirnseitige Schnittfläche des Kopfes bilden, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlkanäle (5, 6) im Gehäuse (1) des Kopfes mit einer solchen Orientierung ausgebildet sind, daß der Kühlmittelstrom normal auf die gekühlten Flächenabschnitte der Düse (2), die während der Erzeugung des Plasmastrahls erhöhter Erwärmung ausgesetzt sind, gerichtet ist.

2. Plasmastrahlbrennerkopf nach Anspruch 1, d a durch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle am Umfang des Gehäuses (1) parallel

zu seiner zentralen Achse ausgeführt sind und beinahe die

die

Stirnfläche des Kopfes erreichen, wobeiTkühlmittelabfuhrdie

kanäle (6) u.id\Kühlmittelzufuhrkanäle (5) abwechselnd angeordnet sind, die in Radialkanäle (7) übergehen, welche zur gekühlten zylinderförmigen Wand der Düse (2) radial gerichtet sind«

3, Plasmastrahlbrennerkopf nach Anspruch 1 mit kon-

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zentrisch auIEerhalb der Düse angeordneten Magnetspulen . zur Plasmastrahlsteuerung am Austritt des Brenners_s dadurch gekennzeichnet;, daß die

Spulen (19) in ein Schutzgehäuse (20) eingekapselt sindg das sich bündig mit der Düse (10) im Bereich der Stirnfläche vereinigt₉ wobei ein ringförmiger Stopfen

(9) zwischen diesem Schutzgehäuse (20) und dem rohrförmigen Gehäuse (8) d^s Kopfes eingesetzt ist_s und die

Kühlmit c elzuf uhrkanäle (15) über die ganze .anordnung s länge der Magnetspulen (19) geführt sind₅ und normal an den genannten Steg zwischen den Doppelwänden der Düse

(10) heranaeführt sind.

4₀ Plasmastrahlbrennerkopf nach Anspruch 5_S d a durch gekennzeichnet₉ daß der

stopfen (9) aus ferromagnetisehern Werkstoff in Form eines Ringes mit Gewinden (23^ 24) auf beiden Seiten ausgeführt ist, die sich wenigstens in einem der Merkmale Steigung oder Sichtung des Gewindes - voneinander unterscheiden«

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