DD144880A1 - Verfahren zur plasmabearbeitung von werkstoffen - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen besteht in der Einführung eines plasmabildenden Gemisches, das kohlenstoffhaltige Verbindungen, die aus der Klasse der Kohlenwasserstoffe oder des Kohlenstoffmonoxids gewählt sind, zur Gewährleistung eines Niederschlags des Kohlenstoffs beim Brennen des elektrischen Lichtbogens wenigstens an einer von den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung enthält, in den Raum zwischen den Elektroden sowie im Zünden des elektrischen Lichtbogens und in der Einführung eines Oxydationsmittels zwecks Erhöhung der Brennstabilität des elektrischen Lichtbogens in den genannten Raum zwischen den Elektroden. Dabei wird das Oxydationsmittel in den genannten Raum zwischen den Elektroden in einem Zeitintervall von dem Zeitpunkt an, zu dem der in die Elektrode, an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der angeführte Wärmestrom bis auf den stationären Wert reduziert hat, zugeführt. - Fig.1 - -

Description

Berlin, den 30.1.1980 214374 - I' 55 912/ 17

Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Me Erfindung bezieht sich auf die Technologie der elektrischen Lichtbogenbearbeitung von Werkstoffen, insbesondere auf ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen»

Die vorliegende Erfindung kann besonders vorteilhaft beim Schmelzen von Erzen, Erschmelzen und Umschmelzen, Schneiden und Schweißen von Metallen sowie beim Auftragen von Überzügen verwendet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Um die Verwendung des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen in der Metallurgie sowie ein Konkurrieren mit dem traditionellen pyrometallurgischen Verfahren zur Bearbeitung von Werkstoffen zu ermöglichen, ist die Erfüllung einer -Reihe von Bedingungen erforderlich. Dazu gehören insbesondere:

1 e Verwendung von plasmabildenden Gemischen, die aus billigen, nicht mangelnden und zu chemischen Reaktionen mit den zu bearbeitenden Werkstoffen fähigen Gasen bestehen, in erster Linie von kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Gasen, die das Ablaufen von Reduktionsreaktionen in den Schmelzen gewährleisten.

" i,i U). i JÜ Lr

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2. ^ewährleistung eines andauernden und sicheren Arbeitsvermögens sämtlicher Elemente der entsprechenden Lichtbogeneinrichtungen, in erster Linie der besonders wärmebeanspruchten, d. h. der Elektroden bei Strömen von mindestens 500 Ampere und bei einer Leistung von mehreren hunderten Kilowatt.

Es ist ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen bekannt, das darin besteht, daß in den Kaum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung ein plasmabildendes Gas in ^orm von Kohlendioxid eingebracht wird (s. GB-PS 874 970).

Dieses Verfahren ermöglicht die Plasmabearbeitung von Werkstoffen nur in einem oxydierenden Medium, weil als plasmabildendes Gas nur Kohlendioxid verwendet wird.

Außerdem wird bei diesem Verfahren kein andauerndes und sicheres Arbeitsvermögen der Elektroden bei Strömen über 175 Ampere und Μ einer Leistung über 10 Kilowatt gewährleistet.

Das Arbeitsvermögen der Elektroden kann mittels einer Einführung von Kohlenstoff in das plasmabildende Medium verbessert werden.

Es ist ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen bekannt (s.'GB-PS 1 101 279)> aas im Einbringen von Kohlenstoffstäben in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung besteht, bei deren Abschmelzen das

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plasmabildende Medium mit Kohlenstoff bereichert wird, der sich weiterhin an einer oder an beiden Elektroden niederschlägt.

Obwohl dieses Verfahren eine Verbesserung des Arbeitsvermögens der Elektroden ermöglicht, fordert es eine komplizierte Apparaturausrüstung wegen der Notwendigkeit des Vorhandenseins von zusätzlichen elektrischen Speisquellen und Mechanismen zum Vorschub der Kohlenstoffst>äbe in den Zwischenelektrodenraum,

Das Arbeitsvermögen der Elektroden einer Lichtbogeneinrichtung kann auch mittels eines einfacheren Verfahrens verbessert werden, z. B· durch die Einführung von kohlenstoffhaltigen Verbindungen in die Zusammensetzung des plasmabildenden Mediums.

Das beruht auf der weitbekannten Erscheinung des Dissoziation und Pyrolyse von kohlenstoffhaltigen Verbindungen bei Sjichtbogentemperaturen mit Ausscheidung von freiem Kohlenstoff.

Es ist ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen bekannt (s. DE-PS 1206531), das die Einführung eines plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung vorsieht, welches aus Wasserstoff mit einem Zusatz von Kohlenwasserstoffen bei einem Verhältnis der Zahl der Atome des Kohlenstoffs und des Wasserstoffs im plasmabildenden Gemisch von 1:6 bis 1:25 besteht, wobei das plasniabildende ^Gemisch bei einem Verhältnis der Betriebsspannung (in Volt) zum Betriebsstrom (in Ampere) von

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5 bis 15 in der hohlen Kathode in den Bereich der Brennzone des elektrischen Lichtbogens zugeführt wird.

Dieses Verfahren ermöglicht eine Erhöhung des Arbeitsvermögens der Katode von 30 Sekunden bis auf 1.00 Stunden bei einem Strom von 100 Ampere und einer Leistung des Lichtbogens von 100 Kilowatt infolge der Ablagerung eines schmalen Kohlenstoffbändchens an der Arbeitsoberfläche der hohlen Katode beim Brennen des Lichtbogens, unmittelbar hinter dem sich das Katodenfallgebiet des Lichtbogens befand.

Das Verfahren ist jedoch in seiner Verwendung begrenzt, da zur Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches nur Y/asserstoff und Kohlenstoffe gehören können.

Außerdem kann dieses Verfahren in einer -Reihe von technologischen Vorgängen nicht verwendet werden, z. B. solchen wie das Schweißen, Schneiden und Schmelzen von elektrisch leitenden Werkstoffen, die eine Lokalisierung der elektrodennahmen Gebiete erfordern, wenn sich solche auf dem zu bearbeitenden Werkstoff befinden.

Schließlich kann bei diesem Verfahren der Ström des elektrischen Lichtbogens einen Wert in der Größenordnung von 100 Ampere nicht überschreiten, während zur Gewährleistung eines stabilen Zündens und Brennens des elektrischen Lichtbogens eine elektrische Speisequelle mit einer Spannung von mindestens 1000 Volt erforderlich ist, wodurch die breite industrielle Verwendung dieses Verfahrens begrenzt wird. . .

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Es ist ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen bekannt (s. US-PS 3 246 115), das in der Einführung eines plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen, den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung besteht, welches ein Brenngas (kohlenstoffhaltige Verbindungen) und ein Oxydationsmittel enthält.

Dieses Verfahren kann nur zur Gasflammenbearbeitung von Werkst offen verwendet v/erden.

Das erklärt sich dadurch, daß der Hauptanteil der sich entwickeinen Energie, wie auch in einem üblichen Gasbrenner, bei der chemischen Verbrennung der brennbaren kohlenstoffhaltigen Gase im Oxydationsmittel entsteht, die in Form eines Gemisches durch diesen Gasbrenner gefördert werden. Dabei dient der zwischen der Düse dieses Gasbrenners und der Düse der Lichtbogeneinrichtung brennende Lichtbogen nur zur Stabilisierung dieses Brennvorgangs und zur Erhöhung der Temperatur der Verbrennungsprodukte.

Die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Verbindungen in einem Oxydationsmittel bei einem bedeutenden Überschuß des letzteren schließt einen Niederschlag von Kohlenstoff an den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung aus.

Es ist ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen bekannt (s. US-PS 3307011), das in der Einführung eines plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen den Elektroden der_sLichtbogeneinrichtung besteht, welches kohlenstoffhaltige Verbindungen, die .aus der Klasse der Kohlenwasserstoffe oder des Kohlenstoffmonoxids gewählt sind und beim Brennen des elektrischen Lichtbogens einen Hieder-

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schlag von Kohlenstoff mindestens an einer, der Elektroden der L^chtbogeneinrichtung gewährleisten und die in beaug auf den Werkstoff der Elektroden inerte Gase enthalte

Als Gase, die in bezug auf diese oder einen Werkstoff inert sind, werden z. B. Argon und Helium, wenn die Elektrode aus Kohlenstoff, Kupfer und Aluminium gefertigt ist, oder Stickstoff und Luft, wenn die Elektrode aus Kupfer besteht, verwendet .

Dieses Verfahren gestattet es, die Erosion von Elektroden herabzusetzen und dadurch deren Arbeitsvermögen bei stabilem Zünden und Brennen des elektrischen Lichtbogens mit Strömen von 400 bis 1000 Ampere zu erhöhen.

Das Verfahren gewährleistet jedoch nicht den etrieb der Elektroden im Zustand ihrer ständigen Erneuerung bei Bei-

! -ι

behaltung konstanter Parameter derselben, d. h., es gewährleistet kein Gleichgewicht zynischen der Menge des sich an der Arbeitsoberfläche niederschlagenden Kohlenstoffs und der Menge des von dieser Oberfläche weggetragenen Kohlenstoffs.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens nimmt das Gewicht der Elektroden entweder stets ab (die Elektroden erodieren) oder stets zu (die Abmessungen der Elektroden wachsen an). Im ersten Fall wird die Elektrode letzten Endes zerstört, im zweiten Fall wird die Lokalisierung des Katodenfallgebiets an der Arbeitsoberfläche der Elektrode gestört, was zu einer Störung des stabilen Brenners des elektrischen Lichtbogens führt.

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Die genannte Erscheinung kann durch folgende Ursachen erklärt werden: erstens durch die Verwendung nur solcher Gase, in der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches neben kohlenstoffhaltigen Verbindungen, die in bezug auf den Werkstoff der Elektroden inert sind, zweitens durch das Fehlen eines quantitativen Zusammenhangs zwischen dein ^utrora des elektrischen Lichtbogens und dem Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindungen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches und drittens durch das Fehlen eines Zusammenhangs zwischen der Änderung der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches und der Brenndauer des elektrischen Lichtbogens.

Außerdem kann dieses Verfahren keine hohe Güte des Plasmaschweißens, -Schneidens und ähnlicher technologischer Bearbeitungsvorgänge elektrisch leitenden Werkstoffe gewährleisten, weil zur -Ausführung des Verfahrens Lichtbogeneinrichtungeii mit Elektroden verwendet v/erden müssen, die entweder hohl (aus Kupfer) oder in i'ona von Blöcken (ais Kohlenstoff) gefertigt sind, was die Möglichkeit der Lokalisierung der Lichtbogensäule oder des Plasmastrahls an der Bearbeitungsstelle ausschließt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen, das ein dauerndes und sicheres Arbeitsvermögen der Elektroden einer Lichtbogeneinrichtung bei stabilem und stetigem B_rennen des elektrischen Lichtbogens gewährleistet.

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werstoffen zu entwickeln, bei dem die Einführung eines Oxydationsmittels in den Raum zwischen den Elektroden zu einem solchen Zeitpunkt geschieht, daß eine ständige Erneuerung der Elektrode aus dem plasmabildenen Gemisch gewährleistet wird, wodurch ein dauerndes Arbeitsvermögen der Elektoden der Lichtbogeneinrichtung bei stabilem und stetigem Zünden und Brennen des elektrischen Lichtbogens und eine hohe Üearbeitungsgüte von Werkstoffen sichergestellt werden können.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werksüoffen durch die Einführung eines plasmabildenden Gemisches, das kohlenstoffhaltige Verbindungen enthält, die aus der Klasse der Kohlenwasserstoffe oder des Kohlenstoffmonoxids gewählt sind und beim Brennen des Lichtbogens den Niederschlag des Kohlenstoffs wenigstens an einer Elektrode der Lichtbogeneinrichtung gewährleistet, in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung sowie durch das Zünden des elektrischen Lichtbogens und das Einführen eines Oxydationsmittels in den genannten Raum zwischen den Elektroden zwecks Erhöhung der Brennstabilität des elektrischen Lichtbogens, erfinduiigsgemäß die Einführung des Oxydationsmittels im Zeitintervall vom Moment an, in dem der in die Elektrode, an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht, und bis zum Moment, zu dem sich der erwähnte Wärmestrom bis auf den stationären Wert reduziert hat, durchgeführt wird.

Die Einführung des Oxydationsmittels in den Raum zwischen

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den Elektroden während eines bestimmten Zeitintervalls, das nach dem in die eine von den Elektroden eintretenden Wärniestrom bestimmt wird, gewährleistet den Betrieb der Elektroden, an denen sich beim ^rennen des elektrischen Lichtbogens Kohlenstoff niederschlägt, im Zustand einer ständigen Erneuerung.

Die (im Pail der Katode emittierende) Arbeitsoberfläche aus Kohlenstoff wird nach dem Durchgang des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms durch das Maximum formiert, wenn ein Film zur Arbeitsoberfläche wird, den der sich aus dem plasmabildenden Gemisch niederschlagende Kohlenstoff bildet. Von diesem Moment an ist die Zuleitung des Oxydationsmittels in das plasmabildende Gemisch ohne Gefahr einer Zerstörung der Elektrode möglich.

Also bleiben bei der Einführung des Oxydationsmittels in den Raum zwischen den Elektroden im Zeitintervall vom Moment an, bei dem der in eine von den Elektroden, vorzüglich in die Katode, an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht, und bis zum Moment, bei dem sich der genannte Warmestrom bis auf den stationären Wert reduziert, die Abmessungen der Elektrode im Laufe der gesamten Zeitdauer der Plasmabearbeitung konstant. Dadurch wird eine hohe Brennstabilität des elektrischen Lichtbogens bei einem theoretisch unbegrenzten Arbeitsvermögen der Elektrode gewährleistet.

Die Bevorzugung der Katode bei der Festlegung des Zeitintervalls für die Einführung des Oxydationsmittels wird dadurch begründet, daß der niederschlag von Kohlenstoff

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an der Arbeitsoberfläche der Katode praktisch mit der Zündung des elektrischen Lichtbogens beginnt, während der Niederschlag von Kohlenstoff an der Arbeitsoberfläche der Anode später, erst nach Verlauf einer Zeit, die mit dem Zehnfachen von Sekunden gemessen v/ird, ansetzt. Das Gesagte bezieht sich auf den Gleichstromlichtbogen. Im Pall des Wechselstromlichtbogens bestehen bei allen Elektroden vom Gesichtspunkt des Niederschlag von Kohlenstoff gleiche Bedingungen, da jede von iken entsprechend der Kommutierung des Stroms periodisch mal als Katode, mal als Anode dient.

Die Einführung des Oxydationsmittels in den Raum zwischen den Elektroden, bevor der in die Elektrode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, führt zu einer intensiven Erosion der Elektrode. Das ist dadurch bedingt, daß bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht die ganze Arbeitsoberfläche der Elektrode mit dem Film aus Kohlenstoff, der den direkten Kontakt des Oxydationsmittels mit dieser Oberfläche verhindert, überzogen ist.

Die Einführung des Oxydationsmittels in den &aum zwischen den Elektroden nach dem Zeitpunkt der Herabsetzung des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms bis auf den stationären Wert ist nicht zweckmäßig.

Das ist dadurch bedingt, daß sich von diesem Moment an am Umfang der mit dem Kohlenstoffilm überzogenen ^rbeitsoberfläche der Elektrode überschüssiger Kohlenstoff niederschlägt. Bei einer Vergrößerung der Abmessungen des Kohlenstoffgebildes steigt die Labilität des sich dieser

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Elektrode anschließenden elektrodennahen Bereiches des elektrischen Lichtbogens an, wodurch die Beständigkeit der elektrischen und geometrischen Kennwerte des elektrischen Lichtbogens verschlechtert wird.

Das wiederum führt einerseits zu einer Verschlechterung der Bearbeitungsgüte der Werkstoffe, besonders der maßhaltigen Bearbeitung (Schweißen, Sehneiden, Auftragsschweißen), und andererseits möglicherweise Erlöschen des elektrischen Lichtbogens.

Es ist zweckmäßig, das Oxydationsmittel in Form von Sauerstoff oder Luft in einer Menge von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen seiner ^enge in den -Raum zwischen den Elektroden einzuführen, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.

Es ist zweckmäßig, nachdem der in die Elektrode eintretende Wärmestrom den stationären Wert erreicht hat, das Oxydationsmittel in Form von Sauerstoff oder Luft in den Raum, zwischen den Elektroden in einer Menge einzuführen, die geringer als 0,4 Volumenanteile von der Menge ist, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.

Es ist zweckmäßig, bei der Einführung des Oxydationsmittels in Form von Kohlenstoffdioxid in den.Raum zwischen den Elektroden dasselbe in einer ^enge zu nehmen, die volumenmäßig um das 1,05- bis 2,5fache die Menge überschreitet, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.

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Es ist zweckmäßig, nachdem der in die Elektrode eintretende Wärmestrom'den stationären Wert erreicht hat, das Oxydationsmittel in Form von Kohlenstoffdioxid in den Raum zwischen den Elektroden in einer Menge einzuführen, die geringer als 1,05 Volumenanteile von der Menge ist, die der theoretisch vollständig'en Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.

Das Über- bzw. Unterschreiten dieser Grenzen im Zeitintervall, das der Verminderung des in die Elektrode eintretenden Y/ärmestroms vom maximalen bis zum stationären "ert entspricht, führt zu einer Störung des Gleichgewichts zwischen dem Niederschlag und der Abtragung des Kohlenstoffs an der Arbeitsoberfläche der Elektrode,

Der durch den sich niederschlagenden Kohlenstoff gebildete Arbeitsbereich der Elektrode wird entweder infolge eines Mangels an Kohlenstoff intensiv zerstört, wenn.die volumenmäßige Menge des Oxydationsmittels die obere Grenze der angegebenen bereich überschreitet, oder es beginnt eine Vergrößerung seiner Abmessungen bei einer Verminderung der volumenmäßigen Menge des Oxydationsmittels unterhalb der unteren Grenze dieser Bereiche,

Hachdem'der in die Elektrode eintretende. Wärmestrom den stationären Wert erreicht hat, ist eine Verminderung der Menge des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch unterhalb:des Werts von 0,4 Volumenanteilen von der Menge, die der theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen bei der Verwendung von Sauerstoff oder Luft als Oxydationsmittel entspricht, oder unterhalb des Werts

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von 1,05 Volumenanteil en von der Menge, die theoretisch der vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe bei der Verwendung von Kohlenstoffdioxid als Oxydationsmittel entspricht, möglich.

Dabei wird die Vergrößerung der Abmessungen des Arbeitsbereichs der Elektrode verhindert, die durch eine Vergrößerung des in dieselbe eintretenden Warmestroms begleitet wird. Das geschieht durch eine wiederholte kurz-» zeitige Vergrößerung des Gehalts des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch bis auf einen ^ert von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen (Oxydationsmittel ist Sauerstoff oder Luft) oder von 1,05 bis 2,5 Volumenanteilen (Oxydationsmittel ist Kohl ens t of fdi oxid) von der Menge, die der theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen im G_end._scli entspricht, bei einer Vergrößerung des in die Elektrode eintretenden Vrdrmestroms um 10 bis 15 % über den stationären Wert, der bei sonstigen gleichen Bedingungen der Stromstärke dieses elektrischen Lichtbogens entspricht.

Eine solche Einhaltung des Vorgangs ermöglicht die Durchführung der Plasmabearbeitung in den Fällen, in denen das Gasmedium am Bearbeitungsbereich möglichst reduzierend sein soll, d. h., wenn sie eine maximale Menge von Kohlenwasserstoffen und Produkte ihrer Pyrolyse enthalten muß, wie z. B, beim Reduktionsschmelzen von Metallen.

Es ist zweckmäßig, in Abhängigkeit von der chemischen Verwandtechaft (Affinität) des Oxydationsmittels mit der kohlenstoffhaltigen Verbindung die letztere in einer Menge

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-a o

^von 0*5 » 10*" l/As bis 6 . 10~^ρ l/As, in den Raum zwischen den ^{n n}

Elektroden einzuführen, wo η die Zahl der Atome des Kohlenstoffs in der verwendeten kohlenstoffhaltigen Verbindung ist.

Bei einer geringeren chemischen Verwandtschaft, die durch die freie Energie der Bildung entsprechender Produkte der Reaktionen kohlenstoffhaltiger Verbindungen und/oder des Kohlenstoffs mit dem Oxydationsmittel gekennzeichnet wird, werden die kohlenstoffhaltigen Verbindungen in einer Menge, die der unteren Grenze, d. h. 0,5 > 10 l/As, naheliegt,

und bei einer größeren chemischen Verwandtschaft in einer Menge, die der oberen Grenze, d.h. 6 . 10 l/As, naheliegt, eingeführt. ^Π

Die Einführung der kohlenstoffhaltigen Verbindungen in einer Menge von 0,5 . 10"^ l/As bis 6 . 10"^ l/As in

η η

den Raum zwischen den Elektroden gestattet es, den Betriebszustand der Elektrode mit ständiger Erneuerung zu gewährleisten. .

Bei der Einführung der kohlenstoffhaltigen Verbindungen in einer Menge unterhalb von 0.5 * 10 l/As wird die Elek-

trode dadurch zerstört, daß die Menge des sich auf der Elektrode niederschlagenden Kohlenstoffs für die ständige Erneuerung dieser Elektrode unzureichend ist.

Bei der Einführung der kohlenstoffhaltigen Verbindungen in

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einer Menge oberhalb von 6 . 10~³ l/As werden die Abmessungen

der Elektrode unbegrenzt ansteigen, was zu einer Störung sowohl der Stabilität und Beständigkeit des Brenners des elektrischen Lichtbogens als auch der Bearbeitungsgüte der Werkstoffe mit seiner Hilfe führen wird.

Es ist zweckmäßig, das Oxydationsmittel und das die kohlenstoffhaltigen Verbindungen enthaltende plasmabildende Gemisch getrennt in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung einzuführen und dabei die kohlenstoffhaltigen Verbindungen unmittelbar in die Zone einzuführen, die an die Arbeitsoberfläche einer der Elektroden, vorzugsweise der Katode, aufgrenzt.

Die getrennte Einführung des Oxydationsmittels und der kohlenstoffhaltigen Verbindungen in die Lichtbogeneinrichtung gestattet es, den Betriebszustand jeder der Elektroden separat zu regeln, was bei der Bearbeitung von Werkstoffen mit einem Plasmastrahl besonders wi chtig ist, wenn sämtliche Elektroden einer Lichtbogeneinrichtung unter irgendeinem Potential stehen (im Pall des Gleichstromlichtbogens unter dem Potential der Katode und der Anode) und demzufolge unter unterschiedlichen bedingungen wirken.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1: eine Einrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabearbeitung von vorzugsweise nicht elek-

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trisch leitenden Werkstoffen mit Hilfe eines beim Brennen des elektrischen Lichtbogens zwischen den Elektroden einer Lichtbogeneinrichtung erhaltenen Plasmastrahls in einem Längsschnitt;

Pig. 2: eine Einrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabearbeitung von vorzugsweise elektrisch leitenden Werkstoffen mit einem herausgetragenen Lichtbogen, wenn der zu bearbeitende Werkstoff als eine von den Elektroden dient, in einem Längsschnitt ;

Pig. 3: ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Wertes des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms von der Brenndauer des elektrischen Lichtbogens charakterisiert;

Pig. 4: ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Wertes des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms von der Brenndauer des elektrischen Lichtbogens zeigt und ein ^Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von ^werkstoffen gemäß der Erfindung;

Pig. 5: eine Einrichtung für ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt.

Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß sich der in die Elektrode eintretende Wärmestrom grundsätzlich unterschiedlich in Abhängigkeit davon ändert, ob im plasma-

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"bildenden Gemisch kohlenstoffhaltige Verbindungen enthalten sind oder nicht, bei deren Zersetzung im elektrischen Lichtbogen Kohlenstoff ausgeschieden wird, der sich an den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung niederschlägt.

Beim ^ehlen solcher Verbindungen erreicht der in die Elektrode eintretende Wärmestrom einen bestimmten Wert beim Zünden des elektrischen Lichtbogens und steigt v/eiterhin bei gleichbleibender Stromstärke ständig mit einer Geschwindigkeit an, die von der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches, dem Werkstoff und den geometrischen Abmessungen der Elektrode abhängig ist. Dieses ist durch die Erosion der Elektrode bedingt. Diese Erscheinung tritt besonders ausgeprägt an der Katode der Lichtbogeneinrichtuiig auf·

Ein minimaler zeitgebundener Anstieg des in die Katode eintretenden Wärmestroms und damit auch eine minimale Erosion der letzteren wird bei Wolframkatoden in einem Edelgas, z. B, Argon, beobachtet. Der Anstieg des in die Katode eintretenden Wärmestroms und die Erosion der Katode wachsen jedoch stark an und erreichen katastrophenartige Ausmaße für die gleiche Wolframkatode in chemisch aktiven ^Gasen ,z.B. in Sauerstoff oder Luft.

Bei Anwesenheit von aus der Klasse der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenstoffmonoxids gewählter kohlenstoffhaltiger Verbindungen im plasmabildenden Gemisch entsteht beim Brennen des elektrischen Lichtbogens neben anderen Komponenten desselben auch freier Kohlenstoff infolge der Zer-

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setzung (Pyrolyse und Dissoziation) dieser Verbindungen nach folgenden Keaktionen:

_{+ 2} —> nC + (η + DH₂ (1)

2CO -—» CO₂ + C (2)

CO > C + 0 (3)

Die Zersetzung (Pyrolyse) von Kohlenwasserstoffen, insbesondere der Grenzkohlenwasserstoffe nach Formel (1) geschieht mit einem geringen Energieaufwand (z. B. für Metahn CH.C^ 17 kcal/mol), und deshalb läuft die Zersetzung vollständig bei genügend niedriegen T_emperaturen ab (für Methan 1200 ⁰C).

Die Zersetzung (Dissoziation) von Kohlenstoffdioxid nach Formel (2) läuft desgleichen im Bereich mäßiger Temperaturen ab, was dadurch gekennzeichnet wird, daß sowohl die Gleichgewichtskonstante dieser Reaktion

^pco

wo Κ« die Gleichgewichtskonstante und

¹ und Pq₀ die Partialdrücke des Kohlenstoffdioxids

bzw. Kohlenstoffmonoxids im plasmabildenden Gemisch sind, als auch entsprechend der Logarithmus dieser Konstante, gleich

9m I	-»*?# » -19-	113,	30· 56	1.1 912	980 / 17
P~	- = 8916 - 9.			(5)	t
pco	T

wo T die Temperatur des Gasgemisches dst, mit Erhöhung der Temperatur steil abfallen.

Die Zersetzung (Dissoziation) von Kohlenstoffmonoxid nach Formel (3) geschieht im Bereich hoher Temperaturen, worauf auch die Vergrößerung der Gleichgewichtskonstante um viele Größenordnungen in diesem Bereich hinweist:

^pco

hierin sind Ρ~, P_QJ P„q die Partialdrücke des Kohlenstoffs bzw. des atomaren Sauerstoffs und des Kohlenßtoffmonoxids im plasmabildenden Gemisch.

Die Änderungen der Gleichgewichtskonstante in Abhän gigkeit von der Temperatur sind für die Formel (3) in der Tabelle 1 angeführt:

16,57 75,5 738,6

Tabelle 1 '

Temperatur 3000 4000 5000 6000 7000 8000 lgK_G -11,62 -6,85 -3,97 -2,04 -0,65 0,40 K_G , 2,376.10~¹² 1,415·10~⁷ 1,O75.1O~⁴ 9,192.1O~³ 2,25.10~¹ 2,511

to Temperatur 9000 10000 12000 f

vo ω ο

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Der freie Kohlenstoff aus dem plasmabildenden Gemisch schlägt sich an den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung nieder, wobei der Kohlenstoff an die Katode überwiegend in Form positiv geladener Ionen gelangt· Da der Arbeitsteil der Elektrode (für die Katode ist das ihre emittierende Oberfläche) mit einer Kohlenstoffschicht überzogen wird, beginnt der in die Elektrode eintretende Wärmestorm, der bei der Zündung des elektrischen Lichtbogens seinen vom Bogenstrom abhängenden maximalen Wert erreicht hat, weiterhin abzufallen·

Das unterscheidet den elektrischen Lichtbogen, in dessen plasmabildenden Gemisch Kohlenstoff vorhanden ist, der die Fähigkeit besitzt, sich an den Elektroden niederzuschlagen, vom elektrischen Lichtbogen mit einem plasmabildenden Gemisch, das solchen Kohlenstoff nicht enthält·

Die Verminderung de3 Wärmestroms dauert so lange, bis sich die ganze Arbeitsoberfläche der .elektrode mit Kohlenstoff überzieht· Beim weiteren Brennen des elektrischen Lichtbogens wird sich der in die Elektrode eintretende Wärmestrom, nachdem er einen bestimmten stationären Wert erreicht hat, der auch von der Stromstärke abhängt, weiterhin mit der Zeit so lange nicht ändern, bis die Abmessungen der durch den sich aus dem plasmabildenden Gemisch niederschlagenden Kohlenstoff gebildeten Arbeitsoberfläche der Elektrode so stark anwachsen, daß erneut ein Anstieg des Wärmestroms beginnt·

So bildet sich z. B· im Pail einer Katode am Umfang der (emittierenden) Arbeitsoberfläche derselben, der den aus

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dem plasmabildenden Gemisch niedergeschlagenen Kohlenstoff umfaßt und die tatsächliche Katode der Lichtbogeneinrichtung darstellt, ein in seinen Abmessungen wachsendes Kohlenstoffgebilde in Form einer Krone aus. Mit dem Wachsen dieses Gebilde steigt die Labilität des sich der Katode anschließenden Abschnitts des elektrischen Lichtbogens an. Das führt zu einer Störung der Lokalisierung dieses Abschnitts und zur Vergrößerung des in die Katode eintretenden Wärmestroms,

Der elektrische Lichtbogen wird unstabil, und er erlischt letzten Endes.

In der Regel geht diesem Vorgang ein Anstieg des in die Katode eintretenden Wärmestroms um mehr als 15 % im Vergleich zum stationären ^wert des Wärmestroms, der bei sonstigen gleichen Bedingungen durch die Stromstärke des elektrischen Lichtbogens bestimmt wird, voraus.

Der Erfinder hat auch festgestellt, daß es zweckmäßig ist, das Oxydationsmittel nicht gleich einzuführen, sondern erst dann, wenn sich der in die Elektrode eintretende Wärmestrom , nachdem er den maximalen Wert erreicht hat, um 10 % dieses maximalen Wertes vermindert.

Bei der Wahl der Beziehungen zwischen den Kohlenwasserstoff en und dem Oxydationsmittel in Form von Sauerstoff oder Luft bzw. zwischen den Kohlenwasserstoffen und dem Oxydationsmittel in Form von Kohlenstoffdioxid in dem plasmabildenden Gemisch ging der Erfindung von folgenden Voraussetzungen aus:

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Erstens muß das plasmabildende Gemisch zwecks Ermöglichung der Existenz von Kohlenstoff in freiem Zustand, der die ständige Erneuerung der Elektrode gewährleistet, in der Zone seines Kontaktes mit der Elektrode, an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, einen gewissen Mangel an Oxydationsmittel aufweisen« besonders einfach können solche Gemische durch eine Konversion der Kohlenwasserstoffe mittels der Oxydationsmittel erhalten werden.

Zum Beispiel läuft die Konversion von Grenzkohlenwasserstoffen durch verschiedene Oxydationsmittel nach folgenden Reaktionen ab:

η O₂ = nCO + (n+1)H₂ (7)

nC0₂ a 2nC0 + (n + I)H₂ (8)

C_nH_2n+2 + nH₂0 = nCO + (2n + I)H₂ (9)

Wenn man den Volumenverbrauch des Oxydationsmittels, der zur theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen des Gemisches erforderlich ist, als Eins annimmt, so wird bei einem gewissen Mangel des Oxydationsmittels die Konversionsreaktion nicht vollständig ablaufen, und es wird im Gemisch neben CO und H₂ auch der zur ständigen Erneuerung der Elektroden erforderliche Kohlenstoff vorhanden sein·

Zweitens ist bekannt, daß in jedem sich in einem Volumen befindenden nicht homogenen Gasgemisch unter Einwirkung

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von Zentrifugalkräften und Temperaturgradienten eine mechanische und thermodiffuse Zerteilung der Komponenten des Gemisches auftritt. Dabei verteilen sich die Gase entsprechend ihrer Molekulargewichte:, Die Peripherie und die kälteren Bereiche des Volumens werden mit schweren Gasen bereichert und das Zentrum sowie die mehr erwärmten Bereiche mit leichteren Gasen,

In jedem elektrischen Lichtbogen wird beim Vorhandensein von bedeutenden Temperaturgradienten, die bei seiner Stabilisierung in der Lichtbogeneinrichtung steil ansteigen, stets eine chemische Hichthomogenüit des plasmabildenen Gemisches über den Querschnitt und die Länge des elektrischen Lichtbogens beobachtet. Gase mit hohen Molekulargewichten v/erden an die Peripherie des elektrischen Lichtbogens und Gase mit geringeren Molekulargewichten zu seiner Achse verdrängt, was unterschiedliche Funktionierungsbedingungen der Lichtbogensäule und der elektrodennahen Bereiche des elektrischen Lichtbogens verursacht.

In Gemischen mit Kohlenwasserstoffen haben sowohl der Sauerstoff als auch die Luft und das Kohlendioxid, die als Oxydationsmittel verwendet werden, höhere Molekulargewichte als der Kohlenstoff. Dessen Molekulargewicht ist gleich 12, während es bei Luft 29, bei Sauerstoff 32 und bei Kohlendioxyd 44 beträgt*

Entsprechend der Beziehungen zwischen den Molekulargewichten dieses oder jenes Oxydationsmittels und des Kohlenstoffs wird das Oxydationsmittel an die Peripherie der Lichtbogensäule verdrängt, während der Mittelteil der Säule mit Kohlenstoff angereichert v/ird.

2f4374 -25- 30.1.1980

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Sie Intensität dieser Trennung wird mit dem Anstieg des Lichtbogenstroms und der Vergrößerung der Zufuhrgeschwindigkeit des plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung infolge einer Vergrößerung der Temperaturgradienten und der Drücke in dem durch die Zwischenelektrodenstrecke begrenzten Gasvolumen erhöht.

Bei Verwendung von leichteren Oxydationsmitteln wie Sauerstoff oder Luft liegt ihre ^enge im plasmabildenden Gemisch in den Grenzen von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen der Menge, die zur theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen des Gemisches erforderlich ist, und verschiebt sich zur oberen Grenze mit der Vergrößerung der Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und des Verbrauchs (der Zufuhrgeschwindigkeit) des plasmabildenden Gemisches im Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung.

Bei Verwendung eines schweren Oxydationsmittels wie Kohlendioxid muß dessen Menge im Gemisch volumenmäßig um das 1,05 bis 2,5£ache die Menge überschreiten, die theoretisch der vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen des Gemisches entspricht, und sie verschiebt sich desgleichen zur oberen Grenze mit der Vergrößerung der Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und des Verbrauchs des plasmabildenden Gemisches.

Experimentielle Untersuchungen haben gezeigt, daß in einer Reihe von Fällen sogar bei Einhaltung der Beziehungen zwischen den Mengen der kohlenstoffhaltigen Verbindungen und

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des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch kein betriebszustand der ständigen Erneuerung der Elektrode beobachtet wird. Das geschah unabhängig vom Stromwert des elektrischen Lichtbogens bei geringem "Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindungen (unterhalb 0,5 > 10 l/As),

als die Elektrode zerstört wurde, und bei großem Verbrauch derselben (über 6,10**·^ l/As), wenn die Abmessungen des Arbeitsabschnitts ⁿ der Elektrode unbegrenzt vergrößert und die Brennstabilität des elektrischen Lichtbogens gestört wurden.

Zur Festlegung der V/ege zur Bekämpfung dieser Erscheinung griff der Erfinder zur bekannten Tatsache, daß der Niederschlag des Kohlenstoffs an der Katode im Gleichstromlichtbogen die ganze Zeit und an der Elektrode im Wechselstromlichtbogen periodisch, und zwar wahrend der Zeitabschnitte, wenn sie als Katode winkt, in Form von positiv geladenen Ionen geschieht und dem zweiten Faradayschen Gesetz für die Elektrolyse folgt.

Entsprechend diesem Gesetz ist die Menge G des an der Elektrode niedergeschlagenen Kohlenstoffs dem.chemischen Äquivalent A=12 des/feinmalig ionisierten einatomigen Kohlenstoffs, der Stromstärke I und der Zeit ^j . des Stromdurchflusses proportional, d, h.,

(10),

worin F die Faraday-Konstante ausdrückt, die 9»65 · 10 C/Grammäquivalent gleich ist.

-27- 30.1,1980

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Durch das Einsetzen des Wertes F in Formel (10) wird erhalten:

_1|

9,65 . 10⁴

Das hat es gestattet, den Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindung, d, h. der Kohlenstoffquelle, die den Ionenstrom zur Elektrode gewährleistet, mit dein Strom des elektrischen Lichtbogens zu verbinden und bei Kenntnis der Menge von Kohlenstoff in dieser Verbindung seinen Verbrauch zu bestimmen, die theoretisch zum Durchfluß des vorgegebenen Stroms erforderlich ist.

Der Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindungen unterscheidet sich jedoch praktisch, wie das Experimente gezeigt haben, vom theoretisch berechneten Verbrauch und hängt auch von der chemischen Natur des in das plasmabildenden Gemisch eingeführten Oxydationsmittels ab.

Das erklärt sich dadurch, daß ein Teil der kohlenstoffhaltigen Verbindung und/oder des freien Kohlenstoffs mit dem sich im plasmabildenden Gemisch befindenden Oxydationsmittel reagiert und zu chemischen Verbindungen (CO, CpHp, COp$ C, HC, Cp^P ^usw·) gebunden wird, wodurch er sich also an der Elektrode nicht mehr niederschlagen und die tatsächliche Kohlenstoffelektrode nicht formieren kann.

Es ist bekannt, daß in Gemischen, die aus chemisch zusammenwirkenden Komponenten bestehen, die Möglichkeit der Bildung dieser oder jener Reaktionsprodukte durch das isobarisch-

214 37'

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isothermische Potential (Gibbs-Energie) oder durch die chemische Verwandtschaft dieser Komponenten bestimmt wird.

In den in Betracht gezogenen plasmabildenden Gemischen ist eine chemische Zusammenwirkung sowohl der in diese eingeführten kohlenstoffhaltigen Verbindungen (CO, CEL und anderer Kohlenwasserstoffe) als auch des freien Kohlenstoffs C mit dem desgleichen in dieses ^üemisch eingeführten Oxydationsmittel möglich.

Die nach bekannten Verfahren durchgeführten thermodynamischen Berechnungen haben gezeigt, daß sich die chemische Yerwandschaft sowohl der kohlenstoffhaltigen Verbindungen als auch des Kohlenstoffs beim Übergang von Op zu COg vermindert. Auf Grund dieser theoretischen Voraussetzung und experimenteller Untersuchungen wurde der Schluß gezogen, daß zur Sicherstellung einer Menge freien Kohlenstoffs im plasmabildenden Gemisch, die dem Durchfließen des vorgegebenen Stroms entspricht, der Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindung, bei dem der Betrieb der Elektrode im Zustand einer ständigen Erneuerung gewährleistet wird,

in den Grenzen von 1 . 10"-³ l/As bis 6«1O""³ l/As

η η

liegen soll, wo η die Zahl der Atome des Kohlenstoffs in einem Molekül der entsprechenden kohlenstoffhaltigen Verbindung ist.

Bei Verwendung eines Oxydaizbnsmittels mit geringerer chemischer Verwandischaft zur kohlenstoffhaltigen Verbindung und/oder zum Kohlenstoff sowie bei Vergrößerung der Rolle von Einflußfaktoren, die zu einer stärkeren Trennung

21^374 -29- 30.1.1980

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der Komponenten des Gemisches nach ihren Molekulargewichten führen (Erhöhung der Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und Steigerung der Einführungsgeschv/indigkeit des plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung), wird der Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindungen näher zu unteren Grenze des genannten Bereichs und bei umgekehrten Bedingungen näher zu dessen oberer Grenze genommen.

Das Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen wird anhand der in Pig, 1 dargestellten Einrichtung erläutert.

In den Raum 1, der zwischen der Stirnseite einer Katode 2 und der hohlen Anode 3, der an eine Gleichstrom-Speisungsquelle 4 angeschlossenen Lichtbogeneinrichtung liegt, wird durch eine Buchse 5 ein plasmabildendes Gemisch 6 eingeführt, das kohlenstoffhaltige Verbindungen in Form von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenstoffmonoxid enthält. Es wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 gesundet. In das Rohr 7, das im Innern des Katodenhalters 8 angeordnet ist, und in den Kühlhohlraum 9 der Anode 3 wird Kühlflüssigkeit eingeführt.

Danach wird die 'zeitabhängige Änderung des in die Stirnseite der Katode 2 eintretenden WärmeStroms überwacht. Diese .Überwachung erfolgt z, B, nach dem Wert der Thermo-EMK, die der Temperaturdifferens der Kühlflüssigkeit an ihrem Austritt aus dem Hohlraum des Katodenhalters 8 und am Eintritt in das Rohr 7 proportional ist. Die Teniperaturdifferenz wird mit Hilfe eines vorläufig geeichten Diffe-

^# -30- 30.1.1980

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rentialthermoelementes registriert. Die genannte Thermo-EMK wird entweder visuell nach den Anzeigen eines Millivoltnieters festgestellt, oder sie wird in einen selbstschreibenden Kompensator mit Aufzeichnung auf ein Diagrammband eingegeben.

Nachdem der in die Stirnseite der Katode 2 eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, sich zu vermindern beginnt und etwa um 10 % von diesem Maximalwert abfällt, jedoch nicht später als im Zeitpunkt, zu dem sich der Wärmestrom bis auf den stationären Wert reduziert hat, wird in den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 das Oxydationsmittel eingeführt.

Die Einführung des Oxydationsmittels, d. h» eines in bezug auf den Kohlenstoff chemisch aktiven Stoffs neben den kohlenstoffhaltigen Verbindungen in dem Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der Anode 3 gewährleistet die Bindung des Kohlenstoffüberschusses zu flüchtigen Verbindungen. Das sichert seinerseits die Konstanz der Abmessungen der sich bildenden tatsächlichen Kohlenstoffelektrode und deren Betrieb im Zustand der ständigen Erneuerung, wenn der Vorgang des Niederschlags von Kohlenstoff an der Katode 2 aus dem plasmabildenden Gemisch 6 durch die Vorgänge der Verdampfung und Porttragung von Kohlenstoff in Form von Verbindungen mit dem Oxydationsmittel ausgeglichen ist.

Bei der Registrierung des in die Stirnseite der Katode 2 eintretenden Wärmestroms nach der Änderung der Thermo-EMK des Differential thermoelements kann die Einführung des

«4374

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Oxydationsmittels in den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 automatisiert v/erden, wozu ^öignale des Thermoelementes über ein Automatiksystem an die Stellmechanismen in den Gaskommunikationen gegeben werden.

Bei der Ausführung des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen mit Hilfe einer in der Fig. 2 dargestellten Einrichtung wird zur Stabilisierung des elektrischen Lichtbogens an die Speisungsquelle 4 über ein Schütz 10 und einem Widerstand 11 eine Düse 12 zugeschaltet. Der Widerstand 11 begrenzt den Strom für die Zeitdauer der Zündung des elektrischen Lichtbogens.

Als Anode 3 dient der zu bearbeitende Werkstoff.

Bei der Ausführung des Verfahrens zur Plasmabearbeitung des Werkstoffs mit Hilfe dieser Einrichtung wird nur eine ständige Erneuerung der sich in der Lichtbogeneinrichtung befindenden Stirnseite der Katode 2 aus dem plasmabildenden Gemisch gewährleistet.

Wird bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Einrichtungen die Lichtbogeneinrichtung an eine Y/echselstrom-Speisungsquelle 4 angeschlossen, so erfolgt die Erneuerung der Elektroden vorzugsweise in den Zeitabschnitten, in denen sie als Katoden wirken·

In dem in Fig. 3 angeführten Diagramm ist eine Kurve 13 dargestellt, die die Abhängigkeit des Wertes des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms von der Brenndauer des

Vim- -32- 30.1.1980

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elektrischen Lichtbogens darstellt, wobei an der Ordinatenachse der in die Elektrode eintretende Wärmestrom Q in Kilowatt und an der Abszissenachse die Brenndauer 0 des elektrischen Lichtbogens in Sekunden aufgetragen sind.

Betrachtung der Kurve 13 ist ersichtlich, daß im Zeitpunkt Q- - nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens der in die Elektrode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht, dem der Punkt "A" auf der Kurve entspricht. Danach beginnt sich der in die Elektrode eintretende Y/ärmestrom zu vermindern, um im Zeitpunkt % ρ fällt sein Wert etwa um 10 % vom maximalen Wert des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms ab; diesem Zustand entspricht der Punkt "B^!l auf der Kurve 13. Im Zeitpunkt ^C ^ vermindert sich der in die Elektrode eintretende Wärmestrom bis auf den stationären Wert, der dem Punkt "C" entspricht.

Das Oxydationsmittel wird in den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 im Zeitintervall von I - bis tf2 eingeführt»

Falls man als Oxydationsmittel Sauerstoff und/oder Luft verwendet, so wird es in den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 im Zeitintervall von Hj .. bis L ~ in einer Menge von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen von der Menge des Oxydationsmittels eingeführt, die der theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen entspricht. .

1 I

I *»«* wmv _33_ 30·1.1980

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Falls man als Oxydationsmittel Kohlenstoffdioxid verwendet, so wird es in den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 im Zeitintervall von T^₁ bis ^T in einer Menge eingeführt, die volumenmäßig um das 1,05- bis 2,5fache die Menge des Oxydationsmittels überschreitet, die der theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen entspricht.

Im folgenden kann das Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen in zwei Varianten durchgeführt, werden.

Wenn die Menge des Oxydationsmittels in den oben genannten Grenzen eingehalten wird, so bleibt vom Zeitpunkt U r> an der in die Stirnseite der Katode 2 eintretende Wärmestrom, der sich bis auf den stationären Wert reduziert hat, der bei sonst gleichen Bedingungen der Stromstärke des elektrischen Bogens entspricht, v/eiterhin im Laufe der gesamten Brenndauer des elektrischen Lichtbogens unverändert.

Wenn jedoch, bedingt durch technologische Anforderungen, der Vorgang der Plasmabearbeitung vom Zeitpunkt Z λ (Fig, 4) an mit geringeren Mengen des Oxydationsmittels, als das oben angegeben ist, weitergeführt werden muß, so wird vom Zeitpunkt L. an das Oxydationsmittel in den Raum zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 in einer Menge, geringer als 0,4 Volumenanteile von der Menge, die zur theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenv/asserstoffen im Gemisch erforderlich ist, im Fall der Verwendung als Oxydationsmittel von Sauerstoff oder Luft in einer Menge, geringer als die 1,05fache Menge des Oxydationsmittels, die zur theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasser-

9 * ß# -34- 30.1.1980

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stoffe erforderlich ist, im Fall, wenn als Oxydationsmittel Kohlenstoffdioxid verwendet wird, eingeführt.

Vom Zeitpunkt i j- an beginnt erneut eine "Vergrößerung der Abmessungen der tatsächlichen Kohlenstoffkatode, was von einen Anstieg des in dieselbe eintretenden Wärmestroms begleitet wird.

Das dem normalen Betrieb der Katode 2 mit vermindertem Verbrauch des Oxydationsmittels entsprechende Zeitintervall von I . bis Lr- hängt bei sonst gleichen Bedingungen vom vom Verminderungsgrad des Oxydationsmittelverbrauchs ab und wird minimal bei vollständigem Weglassen des Oxydationsmittels aus der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches,

Zum Zeipunkt {,/- überschreitet der Wert des in die Katode 2 eintretenden Wärmestroms, der dem Punkt "D" auf der Kurve 13 entspricht und TO bis 15 % den stationären Wert des in die Katode 2 eintretenden Warniestroms, der, wie oben angegeben ist, dem Punkt "G" entspricht. ·

In diesem Zeitpunkt wird die Menge des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch wieder bis auf die Menge vergrößert, die im Zeitintervall von C .. bis L 3 zugeführt wurde, und sie wird auf diesem Pegel so lange eingehalten, bis sich der in der Katode 2 eintretende Wärmestrom im Zeitpunkt T₇ bis auf den dem Punkt "G" entsprechenden stationären. Wert vermindert, wonach man die Menge des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch wieder bis auf den den technologischen Anforderungen entsprechenden Wert herabsetzt.

1 α ^ g & -35- 30.1.1980

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Danach wird der ÄnderungsVorgang der Menge des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch in gleicher Weise weitergeführt, d. h., diese Menge wird während der gesamten Dauer der Plasmabearbeitung periodisch geändert.

Somit wird die Möglichkeit gewährleistet, während der größten Zeit die Plasmabearbeitung in einem Gasraedium mit hohem reduzierendem Vermögen durchzuführen, wobei gleichzeitig der betriebszustand der ständigen Erneuerung der Katode nicht gestört wird.

Eine Vergrößerung der Menge des Oxydationsmittels früher als sich der in die Katode eintretende Y/ärmestrom um 10 % vergrößert hat, ist nicht zweckmäßig, da dieses zu einer Verminderung der gesamten Zeitdauer der Bearbeitung im Gasmediuia mit erhöhtem reduzierendem Potential führen würde, während eine Änderung der Katodengeometrie, die dieser Vergrößerung des Wärmestroms entspricht, vom Gesichtspunkt des stabilen Brenners des elektrischen Lichtbogens und der Bearbeitungsgüte ungefährlich ist.

Eine Vergrößerung der Menge des Oxydationsmittels, nachdem sich der in die Katode 2 eintretende Wärmestrpm um 15 % im Vergleich zum stationärem Wert vergrößert hat, ist nicht erwünscht, da die geometrischen Abmessungen der Katode 2 dabei so stark vergrößert werden, daß eine bedeutende Verlängerung des Zeitintervalls von T?^ bis ΤΓγ auftritt, in dessen Verlauf die den Zustand der Katode 2 kennzeichnenden Parameter, d. h. ihre Abmessungen und der in diese eintretende Y/ärmestrom, zu den ursprünglichen stationären Werten zurückkehren.

Φ ® ^ -3β- 30.1.1980

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Die Änderung der Menge des Oxydationsmittels kann automatisiert werden, indem man die Thermoelemente, die die Änderung der Temperatur des die Katode 2 kühlendes Wassers, de h, bei einem konstanten Wasserdurchsatz die Änderung des in die Katode 2 eintretenden Wärmestroms registrieren, mit einem Stellmechanismus in der Hauptleitung für die Zufuhr des Oxydationsmittels verbindet.

Die Möglichkeit der periodischen Änderung der Zusammensetzung des aus Kohlenwasserstoffen und einem Oxydationsmittel bestehenden plasmabildenden Gemisches, das mit der Arbeitsoberfläche der Katode kontaktiert, wurde vom Erfinder experimentell festgestellt.

Beim Plasmaschmelzen einer Charge Kalziumkarbids mit Kohlenstoff in einem Graphittiegel mittels eines herausgetragenen Gleichstrom-Lichtbogens, bei dem als Anode der zu bearbeitende Werkstoff diente, wurde ein Plasmatron mit einer sich ständig erneuernden Katode verwendet. Als plasmabildendes Gemisch, das die ständige Erneuerung der Katode gewährleistete, wurde Naturgas im Gemisch mit Luft benutzt, deren volumenmäßige Menge 0,45 % von der Menge betrug, die der theoretisch vollständigen Konversion des Naturgases des Gemisches entspricht. Das Oxydationsmittel wurde in den Raum zwischen den Elektroden zu dem Zeitpunkt eingeführt, zu dem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen V/_ert erreichte, und der Verbrauch des Oxydationsmittels wurde bei den ursprünglichen Experimenten konstant auf dem oben angegebenen Pegel eingehalten.

Die Untersuchungen des unter diesen Bedingungen umgeschmolzenen Werkstoffs haben jedoch gezeigt, daß zur Ver-

-37- 30.1.1980

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besserung seiner Güte eine Erhöhung des reduzierenden Potentials im Gasmedium des elektrischen Lichtbogens an der Bearbeitungsstelle erforderlich ist, und das konnte unter Berücksichtigung der Notwendigkeit einer ständigen Erneuerung der Katode des Plasmatrons nur durch eine Herabsetzung des Verbrauchs des Oxydationsmittels bis zu einen vollständigen Y/eglassen desselben gewährleistet werden. Die Versuche, den Verbrauch des Oxydationsmittels bis auf ein Minimum zu reduzieren oder dasselbe für die ganze Dauer der Schmelzung vollständig wegzulassen, zeigten kein positives Ergebnis wegen der Vergrößerung der Abmessungen des Kohlenstoffgebildes, das als tatsächliche Kohlenstoffkatode wirkte, und der dadurch bedingten Erscheinungen: Erhöhimg der Labilität des Katodenbereichs, Entstabilisierung des elektischen Lichtbogens, Änderung seiner geometrischen Ausmaße und wännephysikalischen Kenndaten, deren Folge entweder das Erlöschen des elektrischen Lichtbogens doer eine wesentliche Verschlechterung der -"earbeitungsgüte war, d. h., es wurden die bekannten Nachteile des Betriebs der Katode in Kohlenwasserstoffen ohne Oxydationsmittel bestätigt.

Deswegen wurde ein Versuch unternommen, den gesamten Schmelzvorgang in einem periodischen Betriebszustand durchzuführen; Den größten Teil der Zeit brannte der elektrische Lichtbogen bei minimalen Gehalt an Oxydationsmitteln, und periodisch, an den Zeitpunkten eines .Anstiegs des Wärmestroms, wurde das plasmabildende Gemisch mit Luft in einer Menge bereichert, die dem normalen Betrieb der Katode im Zustand der ständigen Erneuerung entsprach, d. h., es wurden 0,4 bis 0,9 Volumenanteile der Luftmenge zugesetzt, die

21 JS74 -38- 30.1.1980

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zur theoretisch vollständigen Konversion des Naturgases erforderlich ist. Die Zeitintervalle TTg ... IT₇, in deren Verlauf als plamabildendes Gemisch ein Gemisch von Naturgas und Luft im angegebenen Verhältnis diente, überschritten nicht 60 s, während die Zeitintervalle des Brenners des elektrischen Lichtbogens bei minimalen Gehalt des Oxydationsmittels 200 ... 300 s betrugen.

Durch zahlreiche Experimente wurde der optimale Wert für die Überschreitung des in die Katode eintretenden Wärmestroms gegenüber dem stationären Wert festgestellt, der dem Zeitpunkt einer Erhöhung der &enge des Oxydationsmittels um 10 bis 15 % entspricht.

Experimente haben gezeigt, daß eine periodische Änderung der Menge des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch nicht nur beim Brennen des elektrischen Lichtbogens mit einer herausgetragenen Anode, sondern auch bei einer Bearbeitung von Werkstoffen mit einem Plasmastrahl, d. h. mit einer Düsenanode des Plasmatrons, möglich ist, besonders in den Fällen, in denen die Katode und Anode des Plasmatrons durch eine Zwischendüse getrennt sind, und eine getrennte Zufuhr der plasmabildenden Gase in den katodischen und anodischen Bereich des elektrischen Lichtbogens möglich ist.

Beispiel 1

Bin elektrischer Lichtbogen mit einer Stromstärke von 400 A wird in einer Lichtbogeneinrichtung zwischen der

d 14 3./4 ₃₉ 30.1.1980

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Stirnseite der in den wassergekühlten Katodenhalter eingepreßten Kupferkatode und der wassergekühlten hohlen Anode in einem Methan enthaltenden plamabildenden Gemisch gezündet. Das Kühlwasser für die Katode wird durch ein im voraus mit Hilfe von Thermostaten geeichtes Differentialthermoelement hindurchgeleite-c, dessen "kalte" Lötstelle an das Rohr, durch das V/asser in die Katode eintritt, und dessen "heiße" Lötstelle an das Rohr, durch das das Wasser aus der Katode heraustritt, angelötet ist.

Die der Temperaturdifferenz des Wassers in diesen Rohren proportionale Thermo-EMK wird einem selbstschreibenden elektronischen Kompensator zugeleitet, der eine kontinuierliche Aufzeichnung der Thermo-EMK mit einer Geschwindigkeit von 1800 mm/s durchführt.

Der Durchsatz des die Katode kühlenden T/assers wird auf einem konstanten Wert von 200 g/s eingehalten. Nach dem Wert der Temperaturdifferenz bei diesem Wasserdurchsatz kann zu jedem Zeitpunkt der Wert des in die Katode eintretenden Wärmestroms festgestellt werden,

Nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens erreicht der in die Katode eintretende Wärmestrom in 20 s seinen maximalen Wert, der gleich 4,0 kW ist, und weiterhin abzufallen beginnt. Bei einer Verminderung des Wdrmestroms bis auf einen ^wert von 3,4 kW, d. h. um 15 % vom maximalen Wert, was 45 s nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens eintritt, wird in den Raum zwischen der Kupfer-

-40- 30.1.1980

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katode und der hohlen Anode das Oxydationsmittel, Kohlendioxid, eingeführt.

Im folgenden brenn t der elektrische Lichtbogen stabil beim Betrieb der Katode im Zustand einer ständigen Erneuerung*

Beispiel 2

Alles wie im Beispiel 1. Das Oxydationsmittel wird jedoch in den Raum zwischen der Kupferkatode und der hohlen Anode 10 s nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens, d. h. vor dem Zeitpunkt, in dem der Y/ärmestrom seinen maximalen Wert von 4»0 kV/ erreicht, eingeführt. In diesem !'all begann eine intensive Erosion des Arbeitsabschnitts der Elektrode.

Beispiel 3

Alles wie im Beispiel 1. Das Oxydationsmittel, und zwar Kohlendioxid, wurde jedoch in den Raum zwischen der Kupferkatode und hohlen Anode 180 s nach dem Erreichen des stationären Werts des in.die Katode eintretenden Wärmestroms, der gleich 2,8 kW ist und der sich 90 s nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens einstellte, eingeführt.

Bereits in dieser Zeit brennt der elektrische Lichtbogen nicht stabil beim Vorhandensein von Schwankungen der Spannung, der (Temperatur und der Abmessungen des Plasmaatrahls, und die Einführung des Oxydationsmittels gewährleistet die Rückkehr des elektrischen Lichtbogens in den Zustand des stabilen Brenners nur nach einem langen

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Zeitabschnitt, der gleich 120 s ist, in dessen Verlauf die Güte der Plasmabearbeitung des Werkstoffs gestört wird,

Beispiel 4

Ein plasmabildendes Gemisch, das Methan CH. enthält, wird in einer Menge von 2800 l/h in den Raum zwischen der Katode aus Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, eingeführt. Die Lichtbogeneinrichtung enthält weiterhin eine wassergekühlte Kupferdüse, und eine Metallschmelze, die als herausgeführte Anode dient.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 600 A gezündet·

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen "ert erreicht hat, wird in den Raum zwischen den Elektroden das Oxydationsmittel, und zwar Sauerstoff, in einer Menge von 630 l/h eingeführt, was dem O,45fachen der Säuerstoff menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 2800 l/h Methan, berechnet nach der Formel (7), erforderlich ist.

Danach, wenn bei dieser Zusammensetzung des plamabildenden Gemisches der elektrische Lichtbogen in den Zustand des stabilen Brenners beim stationären V/ert des in die Katode ' eintretenden Wärmestroms, der gleich 1,3 kW ist, übergeht, wird der Versuch von Sauerstoff bis auf 315 l/h vermindert, was dem 0,22fachen der Menge-eitspricht, die zur theoretisch

14374 -42- 30.1.1980

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vollständigen Konversion von 2800 l/h Methan erforderlich ist.

Dieser Betriebszustand wird Ms zum Zeitpunkt der Erhöhung des in die Katode eintretenden Wärmestroms von 15 % vom stationären Wert, d. h. bis auf 1,5 kW, eingehalten, wonach der Säuerstoffverbrauch wieder auf 630 l/h für die Zeitdauer bis zur erneuten Verminderung des in die Katode eintretenden Wärmestroms bis auf den Wert von 1,3 kV/ vergrößert wird.

Die genannten Vorgänge wiederholt man periodisch, was es ermöglicht, die Schmelzung des Metalls während des größten Seils der Zeit im Gasmedium mit hoher reduzierender Fähigkeit durchzuführen.

Beispiel 5

Ein plasmabildendes Gemisch, das Methan CEL enthält, wird in einer Menge von 4000 l/h in den Raum zwischen der Katode aus Sta^bgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, der sich in einer Lichtbogeneinrichtung befindet, die auch eine wassergekühlte Kupferdüse enthält, und der Metallschmelze, die als herausgeführte Anode dient, eingeführt.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.

Nachdem der in die Katode eingetretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der

214374

-43- 30.1.1980

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Katode und der Anode das Oxydationsmittel, und zwar Luft in einer Menge von 6500 l/h eingeführt, was den 0,68fachen der Luftinenge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion des Methans, berechnet nach der Formel (7),mit Berücksichtigung des Sauerstoffgehalts in der Luft von 0,21, erforderlich ist.

Beispiel 6

Ein plasmabildendes Gemisch, das Naturgas enthält, welches mindestens au 90 % aus Methan CH. besteht, wird in einer Menge von 7200 l/h in den Raum zwischen der Katode aus Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, der sich in einer Lichtbogeneinrichtung befindet, die auch eine wassergekühlte Kupferdüse enthält, und der Metallschmelze, die als herausgeführte Anode dient, eingeführt.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.

Hachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel, und zwar Luft, mit einem Verbrauch von I46OO l/h eingeführt, was dem 0,85fachen der Luftmenge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion der angegebenen Menge des Naturgases, berechnet nach der Formel (7) unter Berücksichtigung des Sauerstoffgehalts in der Luft von 0,21, erforderlich ist.

-44- 30,1,1980

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Beispiel 7

Ein plasmabildendes Gemisch, das Methan CH^, enthält, wird in einer Menge von 3000 l/h.in die Lichtbogeneinrichtung zwischen der Katode aus > >tabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und einer wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.

Ilachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und -k_node das Oxydationsmittel, und zwar Kohlenstoffdioxid, in einer Menge von 3300 l/h, d. h, volumenmäßig um das 1,1 fache mehr eingeführt, als das zur theoretisch vollständigen Konversion der angegebenen Menge von Methan, berechnet nach der Formel (8), erforderlich ist»

Danach, wenn sich der Brennvorgang des elektrischen Lichtbogens beim stationären Wert des in die Katode eintretenden Y/ärmestroms, der gleich 1,1kW ist, stabilisiert hat, wird der Verbrauch des Kohlenstoffdioxids bis auf 1600 l/h herabgesetzt, was volurnenmäßig dem O,53fachen der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion des Methans in einer Menge von 3000 l/h erforderlich ist.

Die Arbeit wird bei dieser Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches so lange wietergeführt, bis der in die Katode eintretende Wärmest rom bis auf 1,25 kV/, d, h,, um'14 % im Vergleich mit dem stationären Wert ansteigt. Danach wird

214374

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der Verbrauch von Kohlenstoffdioxid v/ieder bis auf 3300 l/h erhöht, und es wird diese Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches bis zur wiederholten Herabsetzung des in die Katode eintretenden Wärmestroms bis auf den stationären Wert von 1,1 kW aufrechterhalten.

Danach wird der Änderungsvorgang der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches periodisch im Laufe der gesamten Bearbeitungsdauer wiederholt-, was in diesem Fall das Erhalten eines stark reduzierenden Mediums am Bearbeitungsbereich ermöglicht.

Beispiel 8

Ein plasmabildendes Gemisch, das Methan CH- enthält, wird in einer Menge von 4200 l/h in die Lichtbogeneinrichtung in den Raum zwischen der Katode aus Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und die wassergekühlte hohle Kupferanode eingeführt.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 6500 A gezündet.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärme3trom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel, und zwar Kohlenstoff dioxid, in einer Menge von 7560 l/h eingeführt, d. h., volumenmäßig um das 1,8fache mehr, als das zur theoretisch vollständigen Konversion der angegebenen Menge von Methan.

t 4||f4 -46- 30.1.1980

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berechnet nach der Formel (8), erforderlich ist. Beispiel 9

Ein plasmabildendes Gemisch, das Naturgas enthält, welches zum größten Teil aus Methan CH. besteht, wird in einer Menge von 6200 l/h in die Lichtbogeneinrichtung in den Kaum zwischen der Katode aus Stabgraphit, die in einem wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hoHen Kupferanode eingeführt«

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 850 A gezündet.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen V/ert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel, und zwar Kohlenstoffdioxid in einer Menge von 14900 l/h eingeführt, was volumenmäßig um das 2,4fache die Menge von Kohlenstoffdioxid überschreitet, die zur theoretisch vollständigen Konversion der angegebenen Menge des Naturgases, berechnet nach der Formel (8), erforderlich ist.

Beispiel 10

Ein plasmabildendes Gemisch, das Kohlenstoffmonoxid CO )n = 1) enthält, was einem auf den Lichtbogenstrom von 500 A reduzierten Sekundenverbrauch von Kohlenstoffmonoxid von 0,6.10 l/As entspricht, wird in einer Menge von 1080 l/h in die Lichtbogeneinrichtung in den Raum zwischen der Katode aus Stabgraphit, der in einen wassergekühlten

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lcupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den ßaum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel,, und zwar Kohlenstoffdioxid, in einer Menge von 120 l/h eingeführt.

Der niedrige Gehalt des Kohlenstoffmonoxids CO im plasmabildenden Gemisch ist infolge der geringen chemischen Verwandschaft des Kohlenstoffdioxids COg mit dem Kohlenstoff C möglich: Die freie Bildungsenergie des Kohlenstoffmonoxids CO beim Zusammenwirken des Kohlenstoffdioxids COp mit dem Kohlenstoff C bei einer Temperatur von 1000 K beträgt - 19,55 kcal/mol.

Beispiel 11

Ein plasmabildendes Gemisch, das Kohlenstoffmonoxid CO (n = 1) enthält, was einem auf den Lichtbogenstrom von 500 A reduzierten Sekundenverbrauch von Kohlenstoffmonoxid von 5ρ 10 l/As entspricht, wird in einer Menge von 9000 l/h, in den Raum zwischen der Katode aus spektralreinem Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt.

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Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel, und zwar Sauerstoff, in einer Menge von 2000 l/h eingeführt.

Die Vergrößerung des Gehalts des Kohlenstoffmonoxids im Vergleich zum Beispiel 10 ist dadurch bedingt, daß der Sauerstoff eine größere chemische Verwandtechaft mit dem Kohlenstoff als das Kohlendioxid hat.

Die freie BiIdungsenergie des Kohlenstoffmonoxids CO

beim Zusammenwirken des Kohlenstoffs mit dem Sauerstoff bei einer Temperatur von 1000 K beträgt -45» 11 kcal /mol.

Beispiel 12

Ein plasmabildendes ^üemisch, das Propan C-JL, ( η = 3) enthält, was einem auf den Lichtbogenstrom von 600 A reduzierten Sekundenverbrauch des Propans von 2,7.10"°^ 1/As entspricht, wird in einer Menge von 1945 l/h in. die Lichtbogeneinrichtung in den Raum zwischen der Katode aus spektralreinem Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt.

Die Luftkonversion des Propans läuft nach folgender Reaktion ab: .

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C₃H₈ + 1,5O₂ = 3C0 +

d. h., zur theoretisch vollständigen Konversion von 1945 l/h Propan sind <v 2920 l/h Sauerstoff oder ^J 13900 l/h Luft erforderlich.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 600 A gezündet.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel, Luft, in einer Menge von 9730 l/h eingeführt, was dem 0,7fachen der Menge beträgt, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.

Beispiel 13

Ein plasraabildendes Gemisch, das Methan CH- (n = 1) enthält, v/as einem auf den Lichtbogenstrom von 800 A reduzierten Sekundenverbrauch des Methans von 1,2,10"^ l/h entspricht, wird in einer Menge von 3450 l/h in die Lichtbogeneinrichtung in den Kaum zv/ischen der Katode aus spektralreinem ^ötabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodennalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen.mit einer Stromstärke von 800 A gezündet. /

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zv/ischen der

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Katode und Anode das Oxydationsmittel, und zwar Kohlendioxid in einer Menge von 5500 l/h eingeführt.

Die Verminderung des auf den Strom reduzierten Verbrauchs der kohlenstoffhaltigen Verbindung, des Methans, im Vergleich zum Beispiel 12 ist deshalb möglich, v/eil das Kohlendioxid in bezug auf die Kohlenwasserstoffe chemisch weniger aktiv ist als der Sauerstoff und die Luft.

Beispiel 14

Ein plasmabildenes Gemisch, das Naturgas, welches zu 90 % aus Methan CH. und Argon besteht, in Mengen des llaturgases von 3000 l/h und des Argons von 1000 l/h enthält, wird in den Raum zwischen den Elektroden eingeführt.

Zwischen der im Plasmastrom angeordneten Stirnseite der Katode und einer Unterlage aus spektralreinem Graphit und der Anode im Graphittiegel mit einer Charge Kohlenstoff mit einer Stromstärke von 600 A gezündet,

ITachdem der in die Katode eintretende Warmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird die Zufuhr des Argons in den Taum zwischen Elektroden unterbrochen, und es wird das Oxydationsmittel, und zwar Luft, in einer Menge von 3600 l/h eingeführt, was dem 0,5fachen der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 3000 l/h naturgas nach der Reaktion (7):

CH₄ +' 0,5O₂ = CO + 2H₂ erforderlich ist.

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60 s, nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom den stationären Wert von 1,5 kW erreicht hat, wird die Zufuhr der Luft abgeschaltet. 150 s nach der Abschaltung der Luftzufuhr, d. h. beim Brennen des elektrischen Lichtbogens im Gasmedium, das nur aus Naturgas besteht, beginnt der in die Katode eintretende Wärmestrom anzusteigen und erreicht 200 s nach der Abschaltung der Luftzufuhr einen Wert von 1,65 kW, d. h. eine Größe, die um 10 % den stationären Wert überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt wird in den Raum zwischen den Elektroden erneut Luft in einer Menge von 36OO l/h zugeführt. 30 s, nachdem sich der in die Katode eintretende .Wärmestrom bis auf 1,5 kW reduziert, wird die Luftzufuhr wieder abgeschaltet.

Auf diese V/eise, v/ird der gesamte Schmelz Vorgang unter periodischer Zufuhr der Luft nur für kurze Zeitabschnitte in das plasmabildende Gemisch im Vergleich mit der Brenndauer des elektrischen Lichtbogens in reinem Naturgas durchgeführt. Der elektrische Lichtbogen brennt dabei stabil, und die ^üüte des durch das Schmelzen erhaltenen Werkstoffs ist befriedigend,

lieben den oben angeführten Beispielen, bei denen das Oxydationsmittel und die kohlenstoffhaltigen Verbindungen in die Kontaktzone mit den Elektroden im Zwischenelektrodenraum der Lichtbogeneinrichtung gemeinsam eingeführt werden, ist auch eine getrennte Einführung derselben möglich.

Das letztere wird dadurch bestimmt, daß der Niederschlag von Kohlenstoff an den unter unterschiedlichen Potentialen liegenden Elektroden, d. h. an der Katode und an der Anode, nach verschiedenen Gesetzen verläuft, und das Porttragen

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. '4

des überschüssigen Kohlenstoffs wird sowohl durch das chemische Zusammenwirken mit den in bezug auf ihijiaktiven Stoffen als auch durch das Verdampfen desselben infolge der Wärmeeinwirkung des elektrischen Lichtbogens bedingt.

Es ist bekannt, daß eine von den Haupt komponenten des in die Katode eintretenden Wärmestroms beim Vorhandensein von mehratomigen, insbesondere zweiatomigen Molekülen im plasmabildenen Gemisch, darunter auch des Oxydationsmittels, durch die Neutralisation von positiven Ionen an der Katode mit Bildung von Atomen und deren nachfolgender Vereinigung zu Molekülen bestimmt wird.

Dieser Vorgang verläuft an der Katode schematisch folgenderweise: \

A⁺ + e~ -?> A + Q₁ (11)

A + A _y A₂ + Q₂ (12)

Hierin sind:

A"¹" - positiv geladenes Ion des Gases,

A - neutrales Atom des Gases

Q₁ - lonisationsenergie des Gases,

Qp - Dissoziationsenergie des Gases,

e - Elektron.

Für den Stickstoff betragen die Werte Q₁ und Q₂ 335 kcal/mol bzw. 225kjal/mol und für den Sauerstoff 313 kcal/mol bzw. 118 kcal/mol.

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Es wurde experiment!ell festgelegt, daß beim Brennen eines elektrischen Lichtbogens mit großen Strömen in einzelnen Fällen die Beseitigung des überschüssigen Kohlenstoffs an der Katode nur durch die Wärmeeiwirkung des elektrischen Lichtbogens ohne eine besondere Zufuhr des Oxydationsmittels in die Kontaktzone mit der Katode möglich ist, was an der Anode niemals beobachtet wird.

Das gestattet es, durch das Weglassen des Oxydationsmittels aus dem mit der Katode kontaktierenden Gasmedium den in die Katode eintretenden Wärmestrom infolge der Ausschaltung der sich an ihr auslösenden Energien der Ionisation und Dissoziation, zu vermindern, was seinerseits eine Erhöhung des Arbeitsvermögens der Katode ermöglicht.

Die Beseitigung des überschüssigen Kohlenstoffs im Kanal der Anode wird durch die Wirkung des Oxydationsmittels gewährleistet, das man in den Zwischenelektrodenraum unmittelbar im Anodenkanal außerhalb der Kontakt ζ one mit der Arberfcsoberflache der Katode einführt.

Die kohlenstoffhaltigen Verbindungen können in den Zwischenelektrodenraum entweder nur vollständig in die Kontaktzone mit der Arbeitsoberfläche der Katode oder teilweise in diese Zone und teilweise schon in den Kanal der Anode eingeführt werden.

Die in der Pig. 5 dargestellte Einrichtung ist für das Verfahren zur Bearbeitung von vorzugsweise nicht elektrisch leitenden Werkstoffen mit einem Plasmastrahl bestimmt, der

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beim Brennen eines elektrischen Lichtbogens zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung erhalten wird.

In den Raum 1 (Pig. 5) zwischen der Stirnseite der Katode und der hohlen Anode 3 der an eine Gleichstrom-Speisequelle 4 angeschlossenen Lichtbogeneinrichtung wird durch die Buchse 5 das plasmabildende Gemisch 6 eingeführt, das kohlenstoffhaltige Verbindungen in Form von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenstoffmonoxid enthält.

Zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode wird ein elektrischer Lichtbogen gezündet.

In das im Innern des Katodenhalters 8 untergebrachte Rohr sowie in die Kühlhohlräume 9 und 14 der hohlen Anode 3 und der Zwischendüse 12 wird eine Kühlflüssigkeit zugeführt. Das Oxydationsmittel 15 oder sein Gemisch mit den kohlenstoffhaltigen Verbindungen wird in den Raum 1 zwischen den Elektroden 2 und 3 durch die Kanäle in der Zwischenbuchse 16, die zwischen der Zwischendüse 12 und der hohlen Anode 3 angeordnet ist, eingeführt.

Also wird das Oxydationsmittel 15 außerhalb der Kontaktzone des plasmabildenen Gemisches 6 mit der Arbeitsoberfläche der ständig durch dieses Gemisch erneuerbaren Katode 2 zugeführt.

Das ermöglicht es seinerseits, eine differenzierte Regelung des Betriebszustandes jeder der Elektroden, der Katode 3 und der Anode 2, durchzuführen, die infolge der unter-

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schiedlichen Polarität unter verschiedenen bedingungen arbeiten,

Beispiel 15 ·

Zwischen der Stirnseite der im Plasmatron angeordneten Katode und einer Unterlage aus spektralreinem Graphit, die in einem wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Anode, die durch eine Zwischendüse voneinander abgetrennt sind, wird ein Gleichßtromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.

In die Kontaktaone mit der Katode wird ein plasmabildendes Gemisch zugeführt, das aus 2500 l/h ITaturgas und 1000 l/h Argon besteht.

In die Kontaktzone mit der Anode, d. h. hinter die Zwischendüse, wird ein plasmabildendes Gemisch zugeführt, das aus 2000 l/h ITaturgas und 3500 l/h Luft besteht.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in die Kontaktzone mit der Katode das Oxydationsmittel, und zwar Luft, in einer Menge von 3750 l/h eingeleitet, was dem 0,63fachen der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 2500 l/h ITaturgas erforderlich ist, und die Zufuhr des Argons wird abgeschaltet.

60. s, nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom den stationären Wert von 1,8 kW erreicht hat, wird die Menge der in die Kontaktzone mit der Arbeitsoberfläche der

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Katode zuzuführenden Luft Ms auf 1250 l/h herabgesetzt, was volumenmäßig dem 0,21 fachen der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 2500 l/h Naturgas erforderlich ist. 300 s nach der Verminderung der Luftmenge beginnt eine Vergößerung des in die Katode eintretenden Wärmestroms, der nach Verlauf von weiteren 100 s einen ^wert von 2,07 kW erreicht, d. h., den stationären Wert um 15 % überschreitet. In diesem Zeitpunkt wird die Luftmenge im mit der Katode kontakt ierenci en plasmabildenden Gemisch bis auf 3750 l/h erhöht. 30 s, nachdem sich der in die Katode eintretende Warmestrom bis auf 1,8 kW vermindert hat, wird die Menge der in die Kontaktzone mit der Arbeitsoberflache der Katode zuzuführenden Luft erneut herabgesetzt. Auf diese V/eise wird unter periodischer Änderung der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches in der Kontakt ζ one mit der Arbeitsoberfläche der Katode und Beibehaltung einer konstanten Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches in die Kontaktzone mit der Arbeitsoberfläche der Anode, wodurch eine Verkokung des Anödenkanals vermieden wird, der Erhaltungsvorgang eines reduzierenden Plasmastrakls geführt, der weiterhin zur Redaktion des Schwefeldioxids aus den Abgasen des Zyklonsclmelzens von Sulfidstoffen verwendet wird.

Der elektrische Lichtbogen brennt dabei stabil bei einer ständigen Erneuerung der Katode. " .

Alis den angeführten konkreten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erkennt der Pachmann auf diesem Gebiet der Technik eindeutig die Möglichkeit des Erreichens sämtlicher Ziele der Erfindung in einem Umfang, der durch die Patentansprüche festgelegt ist. Es ist jedoch offen-

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sichtlich, daß unbedeutende Änderungen in den Vorgängen des Verfahrens ohne Abweichung vom Wesen der Erfindung vorgenommen werden können. Alle diese Änderungen werden nicht als die Frenzen des Wesens und Umfangs der Erfindung, die durch die Patentansprüche festgelegt sind, überschreitend betrachtet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen gewährleistet eine ständige Erneuerung der Elektroden der Lichtbogeneinrichtung aus dem plasmabildenden Gemisch, was es seinerseits gestattet, kontinuierliche Vorgänge der Plasmabearbeitung, in erster Linie metallurgische, ohne Abschaltung des elektrischen Lichtbogens und Unterbrechung des Vorgangs für die Zeit einer A_USWechselung der Elektroden durchzuführen, Eine Folge davon sind die Herabsetzung der Selbstkosten und Verbesserung der Güte der Plasmabearbeitung, die Herabsetzung des Verbrauchs von kostspieligen "erkstoffen, aus denen die Elektroden hergestellt werden, wie z. B. von Wolfram, Molybdän, Hafnium, Zirkonium, sowie deren Ersatz durch billigen Graphit.

Die Möglichkeit der Verwendung von plasmabildenden Gemischen, die nehen den Kohlenwasserstoffen oder dem Kohlenstoffmonosid auch Kohlenstoffdioxid enthalten, gestattet es, in die Ansahl der Vorgänge, die mit einer ständigen Erneuerung der Elektroden durchgeführt v/erden, auch das Plasmaschweißen von Konstruktionsstählen im Kohlenstoffdioxidmedium, was eine der besonders verbreiteten Arbeiten der Plasmabearbeitung ist, einzubesiehen.

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Die Verwendung von Abgasen der chemisch-metallurgischen Produktion, die Kohlenstoffmonoxid, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdämpfe enthalten, zur Plasmabildung, erhöht einerseits die wirtschaftliche Effektivität der Bearbeitung dank der Verwendung von Abgasen, die ohne Selbstkosten erhältlich sind und verbessert andererseits den Schutz der umgebenden Natur infolge der teilweisen Nutzbarmachung dieser Gase.

Claims (7)

Erfindungsanspruch

1. Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen durch die Einführung eines plasmabildenden Gemisches, das kohlenstoffhaltige Verbindungen enthält, die aus der Klasse der Kohlenv/asserstoffe oder des Kohlenstoffmonoxids gewählt sind und beim Brennen eines Lichtbogens den Niederschlag des Kohlenstoffs wenigstens an einer Elektrode der Lichtbogeneinrichtung gewährleisten, in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung, sowie durch das Zünden des elektrischen Lichtbogens und das Einführen eines Oxydationsmittels zwecks Erhöhung der Brennstabilität des elektrischen Lichtbogens in den genannten Kaum zwischen den Elektroden, gekennzeichnet dadurch, daß die Einführung des Oxydationsmittels in den genannten Raum (1) zwischen den Elektroden (2; 3) im Zeitintervall von dem Zeitpunkt an, zu dem der in die Elektrode (2 oder 3), an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, eintretende Wärme3trom seinen maximalen ^ert erreicht, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der angeführte Wärmestrom bis auf den stationären Wert reduziert hat, durchgeführt wird.

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Abhängigkeit von der chemischen Verwandtschaft des Oxydationsmittels mit der kohlenstoffhaltigen Verbindung die letztere in einer Menge von 0,5.10

l/As bis 6.10 l/As, wo η die Zahl der Atome des Kohn

lenstoffs in der verwendeten kohlenstoffhaltigen Verbindung ist, in den 'Raum (1) zwischen den Elektroden (2, 3) eingeführt wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Erfindung des Oxydationsmittels in Form von Sauerstoff oder Luft in den Raum (1) zwischen den Elektroden (1; 3) dasselbe in einer Menge von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen der !.!enge, die der theoretisch vollständigen

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Konversion der Kohlemvasserstoffe entspricht, angeführt wird.

3· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß, nachdem der in die Elektrode (2 oder 3) eintretende Wärmestrom den stationären Wert erreicht ..hat, das Oxydationsmittel in Form von Sauerstoff oder Luft in den Kaum (1) zwischen den Elektroden (2, 3) in einer Menge eingeführt wird, die geringer als 0,4 Volumenanteile der· Menge ist, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.

4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Erfindung des Oxydationsmittels in iorm von Kohlenstoffdioxid in den -"aum U) zwischen den elektroden (2, 3) dasselbe in einer Menge genommen wird, die volumenmäßig um das 1,05-bis 2,5fache die Menge überschreitet, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.

5. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß, , nachdem der in die Elektrode (2 oder 3) eintretende Wärmestrom den stationären Wert erreicht hat, das Oxydationsmittel in Form von Kohlenstoffdioxid in den -"aum (1) zwischen den Elektroden ^2, 3) in einer iäenge eingeführt wird, die geringer als 1,05 volumenanteile von der Menge ist, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht,

6. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in

7. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Oxydationsmittel (15) und das kohlenstoffhaltige Verbindungen enthaltende plasmabildende Gemisch (6) getrennt in den Baum (1) zwischen den Elektroden (2, 3) eingeführt werden, wobei man die kohlenstoffhaltigen Verbindungen unmittelbar in die Zone einführt, die mit der Arbeitsoberfläche einer von den Elektroden (2 oder 3) kontaktiert.