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Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma durch einen Lichtbogen hoher Spannung und hoher Temperatur
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu Erzeugung von Plasma durch einen Lichtbogen hoher
Spannung zwischen einer innerhalb der Vorrichtung angeordneten Elektrode und einer äusseren Elektrode, z. B. einem elektrisch leitenden Körper, der intensiv erhitzt werden soll.
Elektrisch erzeugte Plasmastrahlen werden in steigendem Masse zum Schneiden, für Überzugs- und
Schweissverfahren und in den letzten Jahren für Metallschmelzöfen, Flammstrahlen und zum Schneiden von Metall, eingesetzt. Bei Anwendungen dieser Art ist es oft günstig, den Lichtbogen so zu betreiben, dass das Werkstück in dessen Stromkreis liegt. Diese Art hat den Vorteil einer besseren Ausnützung der Wärmeenergie für das Werkstück, anstatt einen Teil der Wärme in einer eigenen Elektrode verlorengehen zu lassen.
Ein Brenner zur Erzeugung eines Plasmastrahles mit dem Werkstück als zweiter Elektrode besteht im wesentlichen aus einer nicht abschmelzenden Stabelektrode, die axial innerhalb einer Gasdüse mit einer Blende gehalten wird, wobei das Ende dieser Elektrode in den Kanal der Düse gesetzt wird. Ein zwischen der Stabelektrode und einem Werkstück gezogener Lichtbogen bewirkt zusammen mit dem Gasstrom im Düsenkanal einen stromführenden Plasmastrahl von hoher Wärmeintensität und Richtungsstabilität.
Bei der Anwendung einer solchen Vorrichtung ist es von grösster Wichtigkeit, dass möglichst viel der der Vorrichtung zugeführten Energie in das Gas und das Werkstück übergeführt wird. Es stellte sich jedoch heraus, dass bei einer Leistungserhöhung nur durch Stromerhöhung die Mehrleistung hauptsächlich in einer Erhitzung der Elektrode und des Kühlmittelstromes zum Ausdruck kommt. Eine Leistungserhöhung durch Spannungserhöhung wirkt sich hingegen im wesentlichen in Form einer höheren Temperatur von Lichtbogengas und Werkstück aus.
Frühere Lichtbogenbrenner mit Stabelektroden sind bei Spannungen über 150V schwierig zu betreiben, vor allem dann, wenn die der äusseren Elektrode zuzuführende Energie Ströme von mehreren hundert Ampere erforderlich macht. In solchen Fällen wird der Lichtbogen sehr unstabil und es ergeben sich grosse Probleme hinsichtlich der Aufnahme der konzentrierten Wärme, die in einem sehr begrenzten Gebiet am Ende der Elektrode dauernd entsteht.
Es ist daher das Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche den zufriedenstellenden Einsatz von hohen Spannungen zur Erzeugung eines Lichtbogenplasmas erlaubt, das elektrischen Strom führt zwischen einer inneren Elektrode und einer äusseren Elektrode, die ein mittels Lichtbogen zu bearbeitender Artikel sein kann.
Im Zusammenhang mit der Lichtbogenaufspaltung von Kohlenwasserstoffen ist eine Vorrichtung zur Plasmaerzeugung bekannt, bei welcher eine isolierte, wassergekühlte, becherförmige Elektrode so angeordnet ist, dass ihr offenes Ende in eine Wirbelkammer mit tangential angeordneten Arbeitsgaseinlässen gerichtet ist. Gegenüber der Elektrode besitzt die Wirbelkammer einen axialen Auslass, der an ein austauschbares, wassergekühltes Stahlrohr als Elektrode der andern Polarität angeschlossen ist.
Das Plasma wirkt innerhalb der rohrförmigen Elektrode thermisch auf den Strom des Arbeitsgases ein, und die so ent-
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Produkte werden durch Sprühwassergünstig benutzt werden kann, um einen nach aussen gehenden Plasmastrahl zur Bearbeitung oder Erhitzung eines im Stromkreis des Lichtbogens liegenden Werkstückes zu erzeugen, vorausgesetzt, dass die verwen- dete Düse gewissen kritischen Anforderungen genügt.
Konkret ausgedrückt sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma durch einen LichtbogenhoherSpannungund hoher Temperatur vor, bestehend aus einer becherförmigen Elektrode, die an einem Ende einer mit tangentialen Gaseinlassöffnungen versehenen Lichtbogenkammer konzentrisch zu dieser angeordnet ist, wobei das andere Ende der genannten Kammer einen konzentrischen Auslass auf- weist, der in ein das Plasma führende Rohr von vermindertem Querschnitt mündet, wobei die Elektrode von den Wänden der Kammer und des Rohres elektrisch isoliert ist, welche Vorrichtung erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass das genannte plasmaführende Rohr aus einer gaslenkenden Düse besteht, deren Verhältnis von Länge zu Innendurchmesser zwischen 1, 2 : 1 und 3 : 1 liegt.
Entsprechend der einzigen Darstellung in der Zeichnung besteht der Brenner T aus einer becherförmigen
Elektrode 14, die konzentrisch zu einer Gaslenkungsdüse 16 angeordnet ist und von dieser durch eine
Lichtbogenkammer 10 getrennt wird. Die Kammer 10 ist mittels eines Isolators 11 gegen die Elektrode 14 elektrisch isoliert. Das Lichtbogengas wird durch den Einlass 13 in den Brenner T eingeführt. Vom Einlass
13 gelangt das Gas durch den Kanal 18 bis zu einer Anzahl von tangentialen Öffnungen 12 und durch diese in die Kammer 10. Der Brenner T wird durch Durchleiten eines Kühlmediums vom Kühlmitteleinlass 20 durch den Kanal 22 in einen zwischen der Düse 16 und Teil 26 gebildeten zweiten Kanal 24 gekühlt. Vom
Kanal 24 aus verlässt das Kühlmittel den Brenner durch die Kammer 28, den Kanal 30 und den Auslass 32.
Die Elektrode 14 wird ebenfalls gekühlt durch Einleiten eines Kühlmittels durch den Einlass 34, das durch den Kanal 36, den Kanal 38, den Kanal 39 und den zusätzlichen Kanal 41 sowie durch den Quer- kanal 43 und durch den Auslasskanal40 strömt. Der äussere rohrförmige Teil 42, der den Kanal 36 begrenzt, besitzt auch Vorrichtungen zum Anschluss einer Stromquelle an den Brenner T. Deshalb ist dieser Teil 42 gegen den Rest des Brenners T mittels des Isolators 44 isoliert.
Im praktischen Betrieb wird eine gewisse Gasmenge durch die Öffnungen 12 in die Kammer 10 einge- führt, um das Gas durchzuwirbeln. Die allgemeine Form des Brenners gestattet einem Teil des Gases, in die hintere Elektrode 14 hinein und heraus zu strömen, bevor es durch die Düse 16 geht, sofern das Gas mit genügender Geschwindigkeit eintritt. Ist nämlich die Eintrittsgeschwindigkeit grösser als 0,25 Mach, dann entwickelt sich in der Kammer 10 zwischen ihrer Aussenwand 60 und dem Gebiet in der Nähe der
Brennerachse ein genügender Druckabfall, der einen beträchtlichen Teil des Gases in die Elektrode 14 drückt. Es entsteht somit ein längerer Lichtbogen, der die Bogenspannung erhöht. Dieser Druckabfall trägt auch zur Aufrechterhaltung einer Drallbewegung des Gases bei.
Eine geeignete Stromquelle (nicht eingezeichnet) wird an die Becherelektrode 14 und ein Werkstück angeschlossen. Das Werkstück ist natürlich je nach dem Anwendungsfall des Plasmabrenners verschieden.
Es kann z. B. eine Metallplatte sein, die abgebrannt wird oder der Einsatz eines Metallschmelzofens.
Jedenfalls macht die Kombination des Lichtbogens hoher Spannung mit der Betriebsart, bei welcher der Lichtbogen zum Werkstück gezogen wird, diesen Plasmabrenner für solche Anwendungen äusserst nützlich.
Der Lichtbogen wird auf irgendeinegeeignete Weise in Gang gesetzt, etwa durch einen Hochfrequenzstrom, durch Entladung eines Kondensators, oder durch Einführen eines leitenden Stabes in den Brenner durch die Düse. Die Gasmenge wird sodann nach Wunsch erhöht. Der schliesslich brennende Lichtbogen erstreckt sich wegen der Gasströmung im Brenner von einem über eine ziemliche Länge der Becherelektrode reichenden Gebiet durch die Düse 16 bis zu einem als Elektrode wirkenden Werkstück.
Für den einwandfreien Betrieb des erfindungsgemässen Brenners ist die Gestalt der Düse 16, welche den Lichtbogen einengt und richtet sowie zur Erhöhung der Bogenspannung beiträgt, kritisch. Es stellte sich heraus, dass bei zu kleinem Verhältnis von Länge L der Düse zum Innendurchmesser I. D. der radiale Druckgradient in der Düse zu gering wird, um den Lichtbogen zu zentrieren ; als Folge springt der Lichtbogen auf die Düse und dann auf das Werkstück. Diese Erscheinung ist als Doppellichtbogen bekannt. Es stellte sich heraus, dass bei einem Verhältnis der Länge zum Innendurchmesser von weniger als 1, 2 : 1 das Gebiet niedrigen Druckes gegen die Achse der Düse zu abnimmt, wodurch ein Doppelbogen und starke Erosion der Düse verursacht wird.
Umgekehrt wird es bei einem Wert dieses Verhältnisses von viel mehr als 1, 2 : 1 schwieriger, den Lichtbogen durchzubringen ; ausserdem sinkt der Wärmewirkungsgrad des austretenden Lichtbogens. Es ist daher wünschenswert, das Verhältnis von Länge zum Innendurchmesser der Düse zwischen 1, 2 : 1 und 3, 0 : 1 zu halten, vorzugsweise auf 2 : 1.
Es kann zwar diese Vorrichtung mit Gleichstrom und Minuspolarität oder Pluspolarität verwendet werden, doch ist es nicht nur im Hinblick auf die Erzielung von höheren Leistungen bei geringeren Kosten, sondern auch vom Standpunkt einer längeren Lebensdauer der Becherelektrode aus betrachtet besser, den
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Brenner mit Einphasen-Wechselstrom zu betreiben. Bei Gleichstrombetrieb hat der Lichtbogen z. B. die
Tendenz, sich auf ein bestimmtes Gebiet der Becherelektrode zu lokalisieren, wogegen er bei Wechsel- strombetrieb praktisch über die ganze Länge der Elektrode läuft. Genauer gesagt, wechselt der Licht- bogenkopf bei jeder Halbwelle des Wechselstromes zwischen einem Gebiet in der Nähe des geschlossenen
Endes der Becherelektrode und ihrer Öffnung. Es ist zu beachten, dass dieses Wechseln bzw.
Wandern des Lichtbogens vor allem durch die spezielle Formgebung des Brenners ermöglicht wurde, der durch die
Zwischenkammer einen Teil des in die Vorrichtung eintretenden Gases zwingt, in die Becherelektrode ein-und auszutreten. Dies vermindert die Erosion der Becherelektrode beträchtlich. Eine solche Elektrode senkt nicht nur den Materialverbrauch, sondern vermeidet auch eine Verunreinigung des Werkstückes, das mit dem Brenner bearbeitet wird.
Als andere Möglichkeit zur Erhöhung der Lebensdauer der Elektrode mit Hinblick auf die Elektroden- erosion könnte man die Becherelektrode mit einer wassergekühlten Feldspule aus Kupfer zur Erzeugung eines
Magnetfeldes, das den Lichtbogen in Drehung versetzt, umgeben. Eine solche Spule versetzt nicht nur den Lichtbogen in Drehung, sondern breitet ihn auch auf der Elektrode aus, wodurch grössere Gesamtströme bei tragbaren Stromdichten möglich werden.
Für verschiedene Arten von Gasen stellten sich verschiedene Elektrodenmaterialen als brauchbar heraus. So sind z. B. Kupfer, Silber, Aluminium, Zirkon und Molybdän geeignet, wenn der Brenner mit
Arbeitsgasen wie Luft, Sauerstoff, Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd betrieben wird. Diese Materialien sind günstig, um die Elektrodenzerstörung bei Anwesenheit von oxydierenden Gasen einschliesslich Mi- schungen eines Schutzgases mit Luft, Sauerstoff oder Kohlenmonoxyd auf einem Mindestmass zu halten.
Werden Schutzgase, wie z. B. Wasserstoff, Argon, Helium und Stickstoff verwendet, so ist als Elektroden- material Wolfram, ein Wolfram enthaltendes emittierendes Material wie z. B. Thorium oder Kohlenstoff vorzuziehen.
Als geeignete Materialien für den Isolator stellten sich Phenolharze mit oder ohne zugesetztem
Glimmer und Nylon heraus, für die Wärmeabschirmung Zusammensetzungen aus gebundenem Glimmer und Schmelzsilika. Sowohl für die Isolatoren als auch für die Abschirmung könnten jedoch auch andere Materialien verwendet werden, welche dieselben Eigenschaften aufweisen.
Die folgenden Beispiele sollen die Brauchbarkeit dieses Brenners für hohe Spannungen und mit dem Werkstück als zweiter Elektrode andeuten. Bei diesen Beispielen wurde Gerätschaft der in der Zeichnung dargestellten allgemeinen Art verwendet.
Beispiel l : Flammstrahlen durch Oxydation.
Bei diesem Beispiel hatte die Becherelektrode eine Länge von 240 mm und einen Innendurchmesser von 32 mm. Die Düse hatte eine Länge von 70 mm und einen Innendurchmesser von 24 mm. Das Werkstück, d. h. die andere Elektrode, bestand aus einer Stahlplatte zirka 100 mm breit, 600 mm lang und 19 mm stark. Dem Brenner wurde Sauerstoff in einer Menge von 28,3 m3/h zugeführt, um damit die Defekte des Metalls wegbrennen zu können. Eine Feldspule mit einer magnetomotorischen Kraft von 16500 AW wurde um die hintere Elektrode gesetzt, die Feldrichtung ging gegen den Boden der Becherelektrode. Mit dem Werkstück als zweiter Elektrode wurden der Vorrichtung 665A Gleichstrom zugeführt.
Die Bogenspannung war 285 V. Die dem Brenner zugeführte Gesamtleistung war 190 kW, wovon zirka 152 kW in Gas und Werkstück umgesetzt wurden, was einem Wirkungsgrad von zirka 800/0 entspricht.
Der Brenner wurde in einem Winkel von 550 angestellt mit der Düse entgegen der Vorschubrichtung des Werkstückes. Der Abstand zwischen Brenner und Werkstück war zirka 38 mm. Die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes war zirka 6,3 m/min.
Unter diesen Bedingungen entstand eine ausgearbeitete Stelle von zirka 25 mm Breite und 2,3 mm Tiefe. Die Oberfläche dieser Stelle hatte eine Qualität, die auf Grund von früherer einschlägiger Erfahrung als walzfähig beurteilt wurde.
Beispiel 2 : Flammstrahlen mit Verschmelzung der Oberfläche.
Die Abmessungen des bei diesem Beispiel verwendeten Brenners waren dieselben wie bei Beispiel 1, ebenso der Brennerwinkel und der Abstand zum Werkstück. Die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes war 1, 3 m/min. Das Werkstück bzw. die Elektrode war wieder eine Platte aus nichtrostendem Stahl mit ungefähr denselben Abmessungen. Es wurde auch wieder eine Feldspule benutzt, diesmal mit einer MMK von 14300 AW, die Feldrichtung ging ebenfalls gegen den Grund der hinteren Elektrode. Hier wurde dem Brenner jedoch Argon in einer Menge von 56, 6 m3/h zugeführt zwecks Schmelzens-des Metalls zur Entfernung von Oberflächendefekten. In diesem Fall wird das geschmolzene Metall nicht weggebrannt, sondern kann an Ort und Stelle erstarren.
Mit dem als Anode wirkenden Werkstück wurden der Vorrichtung 550 A Gleichstrom zugeführt. Die
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Bogenspannung war 210 V. Die dem Brenner zugeführte Gesamtleistung war 155 kW, wovon zirka 92 kW in Gas und Werkstück umgesetzt wurden, was einen Brennerwirkungsgrad von zirka 80% ergibt.
Unter diesen Umständen ergab sich eine geflammte Stelle mit einer Breite der Schmelze von zirka 16 mm und einer Tiefe von 1 mm. Die Qualität der Oberfläche war gut.
Beispiel 3 : Schneiden von Metall.
Bei diesem Beispiel hatte die Becherelektrode eine Länge von 160 mm und einen Innendurchmesser von 13 mm. Die Düse hatte eine Einschnürung von 13 mm Länge und 6, 4 mm Innendurchmesser. Der Vorrichtungwurde Sauerstoff in einer Menge von 21,2 m/h zugeführt. Die Elektrode bzw. das Werkstück bestand aus einer 200 mm Platte aus nichtrostendem StahL Mit dem als Kathode wirkenden Werkstück wurden der Einrichtung 300 A zugeführt. Die Bogenspannung war 650 V. Die dem Brenner zugeführte Gesamtleistung war 195 kW, wovon zirka 154 kW in Gas und Werkstück umgesetzt wurden, was einen Brennerwirkungsgrad von zirka 79% ergibt.
Der Brenner wurde in einem Winkel von 900 zum Werkstück angestellt, bei einem Abstand zum Werkstück von 13 mm.
Unter diesen Bedingungen wurde durch die Platte ein Schnitt von 130 mm Länge mit einer Geschwindigkeit von 76 mm/min geführt. Die Qualität des Schnittes wurde als gut beurteilt.
Beispiel 4 : Schmelzen von Metall.
Bei diesem Beispiel hatte die Becherelektrode eine Länge von 254 mm und einen Innendurchmesser von 32 mm. Die Düse hatte eine Länge von 38 mm und einen Innendurchmesser von 32 mm. Das Werkstück bzw. die Elektrode bestand aus 680 kg unlegiertem Stahlschrott. Dem Brenner wurde Luft in einer
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der Vorrichtung zugeführte Gesamtleistung war 440 kW, wovon zu Beginn 362 kW in Gas und Werkstück umgesetzt wurden, was einem Wirkungsgrad von zirka 82% entspricht. Als die Umgebung des Brenners heisser wurde (16000C), fiel der Brennerwirkungsgrad zufolge unzureichender äusserer thermischer Isolation des Brenners auf 40gO.
Unter diesen Bedingungen wurde der Schrott in 2 1/2-3 h eingeschmolzen.
Die Fähigkeit des Brenners, mit Wechselstrom in Luft zu arbeiten, wobei sich die Becherelektrode im wesentlichen nicht verbraucht, wird dadurch bewiesen.
Beispiel 5 : Wechselstrombetrieb in Luft.
Bei diesem Beispiel hatte die Becherelektrode eine Länge von 235 mm und einen Innendurchmesser von 32 mm. Die Düse hatte eine Länge von 38 mm und einen Innendurchmesser von 32 mm. Die Elektrode bzw. das Werkstück bestand aus einer Platte von unlegiertem Stahl. Dem Brenner wurde Luft in einer Menge von 14,2 m3/h zugeführt. Es wurde der Vorrichtung 1200 A Einphasen-Wechselstrom zugeführt.
Die Bogenspannung war 320 V. Der Kammerdruck betrug zirka 1 atm. Die dem Brenner zugeführte Gesamtleistung war 375 kW, wovon 300 kW in Gas und Werkstück umgesetzt wurden, was einen Wirkungsgrad von 80% ergibt.
Unter diesen Bedingungen wurde der Brenner zirka 10 min lang ohne wesentliche Anzeichen von Elektrodenerosion betrieben.