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Plasmaspritzbrenner
Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmaspritzbrenner mit flüssiger Stabilisation des Bogens für die Wärmebearbeitung verschiedener Stoffe, insbesondere aber für die Auftragung von Überzügen aus hoch- schmelzenden Matrialien, bei welchem in einer neuen Weise die Konstruktion der Elektroden und die
Sicherung der Kammer der hinteren Elektrode des Plasmagases gelöst wurden. Dieser Plasmaspritzbrenner ist besonders im Maschinenbau, in der Metallurgie und Chemie anwendbar, u. zw. besonders bei Aufbrin- gung von Überzügen, die gegenüber Wärme, Abreibung und korrosiven Einflüssen resistent sind.
Bis jetzt wurden für diese Zwecke Plasmabrenner benutzt, die mit inerten Gasen, mit einer inneren
Wolframelektrode und einer von der Ausgangsdüse gebildeten äusseren Elektrode arbeiten. Es werden da- neben auch Plasmaspritzbrenner mit einem den elektrischen Bogen umgebenden Flusswirbel und mit einer aus Graphit hergestellten inneren Elektrode angewendet.
Die genannten Einrichtungen sind jedoch mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Die Plasmaspritz- brenner, welche für die Erzeugung des Plasmas inerte Gase ausnutzen, weisen eine niedrige Wärmeergie- bigkeit auf, die selten über 50% liegt, und verlangen hohe Betriebsaufwände. Die als äussere Elektrode dienende Ausgangsdüse hat bei einem Wasserstoffgehalt des Plasmas von über 10 Volums % nur eine kurze
Lebensdauer. Dabei ist es bekannt, dass die Wärmeergiebigkeit des Plasmabrenners und die Intensität der Wärmeübergabe an das zu erwärmende Material sich mit wachsendem Gehalt an Wasserstoff im Plasma erhöhen.
Die mit einer Flüssigkeit arbeitenden Plasmaspritzbrenner mit einer Graphitelektrode verlangen eine automatische Regulierung des Verschubes derselben, um den relativ raschen Verbrauch der Graphitelektrode in Längsrichtung auszugleichen. Diese Elektrode muss demzufolge auch sehr oft ausgetauscht werden. Die ganze Einrichtung besitzt einen komplizierten Aufbau.
Um die vorgenannten Nachteile zu beseitigen, benutzt die Erfindung gekühlte, rotierende Metallelektroden, bei denen die Abnutzung grundsätzlich niedriger ist als bei den Graphitelektroden, und welche es ermöglichen, alle Vorteile des mit einer Flüssigkeit arbeitenden Plasmaspritzbrenners mit denjenigen der Gasbrenner zu vereinigen.
Bei dem erfindungsgemässen Brenner geht es vor allem um eine hohe energetische Ausbeute und um einen hohen Anteil von Wasserstoff im Plasma. Eine solche Einrichtung weist auch alle Vorteile des mit einem Gas arbeitenden Plasmaspritzbrenners auf, d. h. im besonderen geringe Abnutzung der Elektroden, ohne dass es nötig wäre, sie automatisch vorzuschieben.
Im wesentlichen besteht die Erfindung darin, dass bei einem Plasmaspritzbrenner der umrissenen Art die innere Elektrode von einem gekühlten Metallring gebildet wird, welcher um eine Achse rotiert, die mit der Achse des Kanals parallel ist, in welchem der Bogen gebildet wird (brennt). Gemäss einer besonderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind auf der Peripherie des Trägers des die innere Elektrode bildenden Metallringes Schaufeln angeordnet, die an der dem Bogen abgewendeten Seite durch einen Ring begrenzt sind. Mittels dieser Schaufeln wird aus der in den Raum um die Elektrode einfliessenden Flüssigkeit ein rotierender flüssiger Verschluss gebildet.
Dieser Verschluss verhindert einerseits das Entweichen des Plasmagases aus der Elektrodenkammer und hält anderseits die Flüssigkeit auf einem solchen Niveau, dass die Kammer nicht voll gefüllt wird, wodurch der Bogen gelöscht werden wurde. Zweckmässigerweise kann ein Kanal zur Leitung der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsring in der den Metallring umgebenden Kammer zurück in den den Bogen umgebenden Flüssigkeitswirbel vorgesehen sein. Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist in der den Metallring umgebenden Kammer eine Öffnung für die Speisung der Kammer mit Gas ausgebildet.
Wenn das zu bearbeitende Material elektrisch nicht leitend ist, kann ge-
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mäss einer weiteren erfindungsgemässenAusbildung auch die äussere Elektrode von einem rotierenden Metallring gebildet sein, der so angeordnet ist, dass der Fuss des Bogens die äussere oder innere Peripherie dieses Metallringes berührt.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung erhalten die Elektroden grundsätzlich wesentlich grössere
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kurzenZeitraum mit einem derElektrodenoberfläche inBerührung, was die Abnutzung der Elektroden wesent- lich vermindert, u. zw. dann, wenn das Plasma einen hohen Wasserstoffgehalt aufweist. Die Ausmasse der
Elektroden sind im Vergleich zum Durchmesser des Plasmastrahles wesentlich grösser, so dass ss möglich ist, auf den Elektroden einen grösseren Vorrat des Materials vorzusehen und so die Lebensdauer der Elek- troden zu verlängern. Es fällt gleichzeitig auch die Notwendigkeit weg, den Vorschub der Elektroden im
Bereich des Bogens automatisch durchzuführen.
Dabei können die Ausmasse der Elektroden auch so ge- wählt sein, dass sich einige Leitungsbahnen des Bogens nebeneinander ausbilden, von denen jede einzelne in einem besonderen Kanal brennt, weil ein stabilisierter Bogen eine steigende Charakteristik hat.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass der erfindungsgemässe Plasmaspritzbrenner gegenüber den bisher bekannten Geräten sowohl wesentlich technische als auch wirtschaftliche Vorteile besitzt. Vom technischen Standpunkt gesehen, wird die Lebensdauer der Elektroden erheblich verlängert, da infolge der Rotation derselben die Berührung mit dem Bogen nur äusserst kurzzeitig erfolgt, wodurch die sonst üb- liche Erosion stark verringert wird. Es kann somit die Temperatur des Bogens wesentlich erhöht werden und auch ein Plasma mit wesentlich höherem Wasserstoffanteil als bisher Verwendung finden. Dadurch wird ein höherer Wirkungsgrad in der Wärmeübergabe und somit auch ein höherer Wirkungsgrad des ganzen mittels des erfindungsgemässen Brenners durchgeführten Prozesses erzielt.
Beispielsweise sind mit dem erfindungsgemässen Brenner Temperaturen bis 290000 C erzielbar, was im Vergleich mit den bisher übli- chen Brennern eine Verdoppelung darstellt.
Vom wirtschaftlichen Standpunkt besteht der Hauptvorteil des erfindungsgemässen Brenners darin, dass zu seinem Betrieb keine sehr reinen inerten Gase, wie z. B. Stickstoff, Argon usw., erforderlich sind und daher der Aufwand im Betrieb im Vergleich zu den bekannten Brennern niedriger wird. Dabei ist die Herstellung des erfindungsgemässen Brenners keineswegs aufwendiger als die der bereits bekannten Brenner.
Im nachfolgenden wird die Erfindung an Hand der zwei Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung noch näher erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 eine Ausführung des Plasmaspritzbrenners mit innerer rotierender Metallelektrode und mit äusserer rotierender Metallelektrode in Scheibenform, die so angeordnet ist, dass der Fuss des Bogens die äussere Peripherie der Scheibe berührt, und Fig. 2 eine andere Ausführung des Plasmaspritzbrenners mit gleicher innerer Elektrode wie in Fig. 1, wobei die äussere rotierende Elektrode so angeordnet ist, dass der Fuss des Bogens die innere Peripherie der Elektrode berührt.
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struktiv so gelöst, dass sie im Kanal stattfindet und von den Schirmen 3,4 und 6 verwirklicht wird, die sich innerhalb des aus Isolationsmaterial hergestellten Brenners 7 befinden.
In dem zylindrischen Teil des Schirmes 4 befinden sich tangentiale Öffnungen 20 und 22, durch welche die vom Kanal 21 gelieferte Flüssigkeit einfliesst. Als Alternative kann in dem zylindrischen Teil des Schirmes 4, welcher dem Schirm 6 benachbart ist, eine tangentiale Öffnung 5 vorgesehen sein, durch welche die Flüssigkeit aus der die innere Elektrode 10 umgebenden Kammer dem Bogen zugeführt wird. Die innere Elektrode 10 wird von einem Metallring gebildet, welcher elektrisch leitend auf dem Träger 12 befestigt ist. Der Träger 12 ist mit den Schaufeln 8 versehen, die an der hinteren Seite an dem Ring 9 anliegen. Der Träger 12 ist mit einer Leitung für die Kühlflüssigkeit und mit einem zylindrischen Teil für die Zuleitung des Stromes über die Bürste 15 ausgestattet.
Die Welle 14 des Trägers 12 ist mittels des Lagers 13 im Körper 7 geführt, Im Körper 7 befindet sich der Kanal 18 für die Zuleitung des Gases in die die innere Elektrode 10 umgebende Kammer. Aus dieser Kammer führt ein Kanal 16 für den Abfluss der Flüssigkeit. Die äussere rotierende Metallelektrode 23, die im Körper 7 mittels des Lagers 19 gelagert und mit der Stromzuleitung 17 versehen ist, ist am Träger 12 unter Zwischenschaltung der Isolationsunterlage 11 angebracht. Die mit der Dichtung 25 geschlossene Kammer 24 dient der Zuleitung einer Kühlflüssigkeit in die hohle Elektrode 23.
Vor dem Ausgangsschirm 3 befindet sich der Diffusor 1 mit der Öffnung 2 für den Abfluss der Flüssigkeit.
In der Konstruktionsausführung nach Fig. 2 wird die äussere Elektrode 32 von einem Metallring mit Schaufeln gebildet und über den metallischen Zylinder 34 und die Isolationseinlage 35 mit dem Träger 40 der inneren Elektrode 41 verbunden. Der elektrische Strom wird zur äusseren Elektrode 32 mittels der Bürste SO, zur inneren Elektrode mittels der Bürste 46 zugeführt. Die Elektrodengruppe ist innerhalb des Isolierkörpers 31 eingeschlossen. Der stabilisierende Teil wird von den Schirmen 36,37 und 38 gebildet und ist in dem Isolierkörper 55 eingeschlossen. Die Schirme 36 und 38 sind mit den Öffnungen 57 und 56
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Die Erfindung wird mit Vorteil insbesondere beim Oberflächenschutz von Metallkonstruktionen und - einrichtungen ausgenutzt, bei welchen eine keramische, cermetische (Metall-keramische) oder metalli- sche, einer Temperatur von 15000 C und mehr widerstehende Schicht aufgebracht wird. Dies wird insbe- sondere bei Verbrennungsturbinen, thermisch-energetischen Einrichtungen u. ähnl. der Fall sein. Bei der i Aufbringung werden von dem Spritzbrenner ausreichend hohe Temperaturen - bis zu 250000 C - erzeugt.
Die unter Anwendung desSpritzbrenners ausgebildete Schicht weist deswegen eine hohe Widerstandsfähig- keit gegen Abreibung und gegen chemisch aggresive Milieus auf, weil der Überzug aus oxydischen Mate- rialien (AlOs, Zr02 u. ähnl.), aus karbidartigen Materialien (Wolfram-, Titan-, Tantal-, Borkarbide,
Nitride, Boride usw. und deren Gemisch mit Metallen, die sogenannten Cermete) ausgebildet ist.
Es ist klar, dass die Ausnutzung des erfindungsgemässen Spritzbrenners keineswegs auf diese Anwen- dungsgebiete begrenzt ist. Er eignet sich auch für die Aufwärmung von Materialien an sich, für schmelz- artige Zerteilung von Mineralien usw., d. h. überall, wo es nötig ist, auf das Material mit einer intensiven
Quelle einer hohen Temperatur einzuwirken.
Auch der wirtschaftliche Effekt der Erfindung ist sehr hoch, neben der Bildung von-hochwertigen Über- zügen werden auch grundsätzliche Ersparnisse an hochlegierten Materialien und eine Erhöhung der Lebens- dauer bei gleichzeitiger Einwirkung von Hitze, Abreibung und chemischen Einflüssen erzielt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Plasmaspritzbrenner mit flüssiger Stabilisation des Bogens, dadurch gekennzeichnet, dass die in- nere Elektrode von einem gekühlten Metallring (10,41) gebildet wird, welcher um eine Achse rotiert, die mit der Achse des Kanals parallel ist, in welchem der Bogen gebildet wird (brennt).