DD282563A5 - Plasmatronkatode hoher standzeit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Plasmatronkatode hoher Standzeit. Erfindungsgemaesz wird dies dadurch erreicht, dasz sich in einem rohrfoermigen Katodenhalter (1) um die Katode herum ein Buendel Staebe (2) aus einem hochtemperaturbestaendigen, gut waermeleitfaehigen Material befindet, durch das ein Kuehlmittelstrom gedrueckt wird, der an einer stark vergroeszerten Heizflaeche zwischen den Staeben (2) verdampft und damit die Temperatur der Katode erheblich reduziert. Gleichzeitig wird der Ansatzpunkt der Lichtbogensaeule des Plasmatrons auf mehrere Katodenspitzen verteilt, so dasz jeder der Staebe (2) jeweils nur kurzzeitig belastet wird. Damit bleibt die Oberflaechentemperatur der Katode unter ihrer Schmelztemperatur. Fig. 1{Katode; Plasmatron; Standzeit; Katodenhalter; Kuehlkoerper; Material; Eigenschaft; Kuehlmittel; Verdampfung; Waermeabfuhr; Temperatur; Schmelztemperatur}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar in allen Plasmatrons, deren Aufgabe es ist, ein Bogenplasma oder ein Strahlplasma zu erzeugen, insbesondere in der chemischen Technologie oder in der Schweißtechnik.

Charakteristik das bekannten Standes der Technik

Plasmations verschiedener Leistungsgrößen be: Uzen insbesondere in der chemischen Stoffwandlung Bedeutung zur Vergasung fossiler Kohlenstoffträger oder zur Tctalvernichtung toxischer Abprodukte. Ih'e Katode ist über die Lichtbogensäule mit der Anode der Plasmatrons verbünden. Durch die direkte Einwirkung des Bogens auf die Katode, verbunden mit hoher Wärmestrahlung der Bogensäule, ist die Katode hohen thermischen und chemischen Belastungen unterworfen, die in ihrem komplexen Zusammenwirken je nacli Intensität zu Abbrand führen. Aus diesem Grund sind insbesondere Metalle mit hohem Schmelzpunkt, wie Wolfram, Zirkon, Hafnium oder Thorium, prädestiniert, den Ansatzpunkt für die Bogensäule auf der Katode zu bilden. Zumeist werden Einsätze aus entsprechenden Metallen in einen wassergekühlten Halter eingepaßt (z.B. US-PS 3198932).

Des weiteren ist bekannt, die thermische Stabilität des in den Katodenhalter eingepaßten Einsatzes dadurch zu erhöhen, daß Oxide oder Karbide der o.g. Metalle in einer dünnen Schicht die Oberfläche des Einsatzes bedecken, wobei diese Verbindungen zum Teil höhere Schmelzpunkte aufweisen als die jeweils reinen Metalle selbst.

In der DE-OS 3618600 wird die Ursache für die unbefriedigende Standzeit dor meisten Elektrodenbauformen mit unterschiedlichen Materialien darauf zurückgeführt, daß sich im Betrieb der Katode zwischen dem Einsatz aus Zirkon, Hafnium oder Wolfram und dem meist aus Kupfer bestehenden Halter intermetallische Phasen, z. B. Zr₂Cu₃, bilden, die vergleichsweise niedrige Schmelzpunkte besitzen (Zr₂Cu 1000⁰C; Zr₂Cu₃ 895°C) und dadurch nach kurzer Zeit zum Abschmelzen bzw. zur Zerstörung der Katode führen. Dieser Umstand wird auch durch das Einbringen von Zwischenschichten (z. B. Aluminiumfolie zwischen Hafniumeinsatz und Kupferkatodenhalter) nicht vollständig beseitigt, obwohl die Schmelztemperaturen der intermetallischen Phasen zwischen Al und Hf mit einem niedrigsten Liquiduspunkt von 1350°C höher liegen. So wird in der o.g. OE-OS vorgeschlagen, die Einsätze aus Zirkon oder Hafnium durch Diffusionsummantelung oder Einsatzhärten unter Bildung von Karbiden, Nitriden, Oxinitriden, Boriden oder Suiziden mit einer hochtemperaturbeständigen Zwischenschicht zu versehen. Damit ist die Bildung intermetallischer Phasen mit niedrigem Schmelzpunkt zwischen Einsatz und Halter ausgeschlossen, da die carburierte, nitrierte, borierte oder silizierte Zwischenschicht eine Temperaturbeständigkeit zwischen 2000 und 4000⁰C besitzt. Der konstruktive Aufbau und die technologische Betriebsführung der Katode werden nicht verändert. Der Kontakt zur Kühlwasserströmung kann nur über eine Zwischenwand aus Kupfer realisiert werden.

In der DE-OS 3544657 wird eine Katode beschrieben, die aus einem hohlen wassergekühlten Grundkörper aus Wolfram, Molybdän oder Kupfer besteht, auf welchen eine hochschmelzende Beschichtung aus Wolfram im Gemisch mit Thoriumoxid oder Ceroxid aufgebracht, vorzugsweise plasmaaufgespritzt, ist. Damit wird die Elektronenaustrittsarbeit verringert, die thermische Belastbarkeit der Katode erhöht und werden höhere Standzeiten der Katoden erreicht.

Der technische Nachteil aller aufgeführten Lösungen liegt darin, daß sie nur auf eine Anpassung der Elektrodenwerkstoffe an hohe Temperaturen abzielen. Jedoch spielt für den Elektrodenabbrand nicht nur die thermische Belastbarkeit des Elektrodenmaterials eine Rolle, sondern von genauso wesentlichem Einfluß ist die Ableitung der hohen Wärmeströme. Die Katode ist im normalen Betrieb einer Energiestromdichte von bis zu 2OOMW/m² ausgesetzt. Dabei muß dieser Wärmestrom bei den beengten Verhältnissen der in ihren Abmessungen immer sehr beschränkten Katoden über sehr kleine Flächen an das Kühlmittel abgeführtwerden, wobei die realisierbare Wasserkühlung des Katodenhalters diese Möglichkeit, insbesondere durch den niedrigen α-Wert, weiter einschränkt.

Die in den bekannten Erfindungen realisierten Maßnahmen führen aber nur dazu, daß die nutzbare thermische Triebkraft für die Wärmeabführung innerhalb des Elektrodenmaterials erhöht wird. Trotzdem kann der hohe Wärmestrom bei den bekannten Katodenformen letztlich nicht abgeführt werden, da der Wärmeleitwiderstand im itlektrodenmaterial nicht die entscheidende Beschränkung für die Wärmeabführung darstellt, sondern die zu geringen Wärmeübergangsflächen. Da an das Kühlmittel nichtabgeführte Wärme zunächst die Elektrode weiter aufheizt und schließlich bei Erreichen der Schmelztemperatur zum Phasenübergang solid-liquid führt, kommt es trotz thermisch beständiger Elektrodenmaterialien zu Abbrand an der Katode.

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Des weiteren sind mit einer axialen Bohrung versehene Katodeneinsätze bekannt, mit denen ein Teil des Kühlwassers der indirekt ausgeführten Katodenkühlung in den Bogenraum gespritzt wird. Das Ziel besteht dabei darin, die Katodenspitze in der Nähe des Bogeransatzpunktes zu kühlen. Der Nachteil solcher Lösungen liegt darin begründet, daß der eingespritzte Wasserstrahl die Stabilität der Bogensäule beeinträchtigt und infolge der geringen Wärmeübergangsflächen, wie anhand eigener Versuche ermittelt, keine meßbare Verlängerung der Standzeiten der Katode nachgewiesen werden kann.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, eine Katode mit verbesserten Standzeiten, vorzugsweise für den Einsatz in Wasserdampfplasinatruns, zu schaffen, mit der längere Austauschzyklen der Katode erreicht werden. Gleichzeitig ist der Piasmatronwirkungsgrad ;.u erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die extreme thermische und chemische Belastung von Katoden für Plasmatrons so weit herabzusetzen, daß ein wesentlich geringerer Abbrand eintritt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem rohrförmigen Katodenhalter aus thermisch gut leitfähigem Material, wie Kupfer, Wolfram oder Molybdän, ein Bündel zylindrischer Stäbe aus hochtemperaturbeständigem und thermisch gut leitfähigem Material, wie Wolfram, Tantal, Zirkonium, Hafnium oder Molybdän bzw. entsprechenden Legierungen, eingesetzt ist, das den Katodenhalter in Richtung Bogen überragt. Vorzugsweise nimmt die Länge der eingesetzten Stäbe vom Zentrum zum Rand hin ab, so daß die Stabenden eine kegelförmige Kontur bilden. Zweckmäßigerweise ist das Material des Katodenhalters auch elektrisch gut leitfähig und erfolgt der elektrische Anschluß über den Katodenhalter. Es ist-auch vorteilhaft, daß die Katode aus dem Bündel von Stäben in einen Raum mit druckbeaufschlagtem Kühlmittel ragt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt zwei Ansichten dsr erfindungsgemäßen Katrle.

Im hohlen zylindrischen Katodenhalter 1, der aus Kupfer besteht, ist ein Bündel zylindrischer Stäbe 2 eingeklemmt, die aus Wolfram bestehen.

Der im Zentrum der Katode liegende Stab weist die größte axiale Länge auf, während die weiter in Richtung der Wand des Katodenhalters 1 befindlichen Stäbe eine geringere axiale Länge aufweisen. Dadurch entsteht an beiden axialen Enden des Bündels von Stäben 2, d. h. sowohl auf der dem Raum 3 mit Kühlmittel zugewandten als auch an der gegenüberliegenden Seite, eine vom Rand des Katodenhalters 1 zum Zentrum hip. ansteigende Kontur in Form eines Kegels. Zwischen den einzelnen Stäbon 2 des in den Katodenhalter 1 eingeklemmten Bündels bestehen, bedingt durch die zylindrische Form der Stäbe 2, Hohlräume, die durch die Mantelflächen jeweils mehrerer Stäbe 2 begrei.". werden. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Katode soll anhand eines technologischen Beispiels erläutert werden.

Die erfindungsgemäße Katode befindet sich innerhalb eines Dampfplasm atrons, dessen Aufgabe es ist, einen Plasmastrahl von 25kW Leistung zu erzeugen. Die Bogensäule innerhalb des Plasmatrons, die sich zwischen der erfindungsgemäßen Katode und der Piasmatronanode ausbildet, wird durch tangentiale Plasmagaseindüsung in Rotation versetzt, wobei der katodenseitige Ansatzpunkt auf dem Bündel von Stäben 2 i.us Wolfram brennt, die in einen Katodenhalter 1 aus Kupfer eingesetzt sind.

Im zeitlichen Mittel ist durch die Katode infolge der Wärmestrahlung und des direkten Kontaktes der Bogensäule mit der Katode ein Wärmestrom von etwa ,5kW abzuführen.

Erfindungsgemäß wird dem Bogenansatzpunkt die Möglichkeit geschaffen, nicht nur an einer einzelnen Katodenspitze zu sitzen, sondern durch die Bogenrotation, vor allem im Anodenbereich, bewegt sich der Bogenansatzpunkt ständig über die Spitzen der Stäbe 2 des Bündels, so daß jede einzelne Spitze jeweils nur kurzzeitig belastet ist. Der abzuführend«.! Wärmestrom wird durch Leistung jeweils von der Spitze der Stäbe 2 in die Stabkörper axial eingetragen.

Infolge der zylindrischen Gestalt der Stäbe 2 entstehen zwischen ihnen Kanäle, die von einem Kühlmittel aus dem Raum 3 durchströmt werden. In diesen Kanälen wird eine große innere Oberfläche realisiert. Das Kühlmittel wird am statistisch am stärksten vom Bogenansatzpunkt belasteten zentralen Stab vorgewärmt und anschließend auf der großen inneren Oberfläche des Bündels der Stäbe 2 verdampft. Bei einer axialen Bündellänge von 20mm wird in den Hohlräumen zwischen den Stäben 2 eine Vordampfungsfläche von etwa 4000mm² realisiert. Diese Fläche ist ausreichend, um im Gebiet der Filmverdampfung den gesamten die Katode belastenden Wärmestrom abzuführen, so daß die Spitzentemperatur der Stäbe 2 unterhalb der Schmelztemperatur von Wolfram (3400°C) gehalten werden kann. Erfindungsgemäß wird jeder Stab nur zeitweise vom Bogen durch Kontakt belastet, so daß in den Zwischenzeiten eine Abkühlung der gerade nicht belasteten Stäbe 2 stattfinden kann. Da dadurch jeweils die Temperaturdifferenz zwischen Stab und Kühlmittel abnimmt, bewegt sich der Verdampfungsprozeß am jeweiligen Stab 2 aus dem Bereich der Filmverdampfung kurzzeitung in den Bereich der Blasenverdampfung mit wesentlich höheren Wärmeübergangskoeffizienten (bis 30000W/m²K).

Dadurch wird der jeweilige Stab kurzzeitig besser gekühlt und seine Spitze nimmt eine Temperatur weit unterhalb der Schmelztemperatur an, die erst vorübergehend dann wieder ansteigt, wenn der Bogenansatzpunkt wiederum auf dem betreffenden Stab brennt.

Der in den Kanälen auf den Mantelflächen der Stäbe 2 erzeugte Dampf strömt an den Spitzen der Stäbe 2 vorbei in den Bogenraum und wird dabei durch Konvektion und Strahlung der Bogensäule einer Überhitzung unterzogen, wodurch seine Neigung zur Kondensation unterdrückt wird und ein stabiler Piasmatronbetrieb erreicht wird.

Insgesamt ist es auf die erfindungsgemäße Weise möglich, die hohen Wärmestromdichten (Flächenbelastungen) zu

beherrschen und die Spitze der Katode, gebildet durch ein Bündel Stäbe 2, soweit unterhalb der Schmelztemperatur zu halten, daß es zu keinem Aufschmelzen bzw. Verdampfen von Katodenmaterial kommt, wio das bei einer gewöhnlichen zylindrischen Katode der Fall wäre. Durch diese Effekte wird die Katodenstandzeit auf ein Mehrfaches verlängert. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Katode sind:

- geringe Einbaugröße

- unkomplizierter Aufbau und Fertigung

- zusätzliche Dampferzeugung im Plasmatron, damit Steigerung des Gesamtwirkungsgrades des Plasmatrons.

Claims (4)

1. Plasmatronkc.tode hoher Standzeit mit einem rohrförmigen Katodenhalter, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Bündel zylindrischer Stäbe (2) aus hochtemperaturbeständigem und gut wärmeleitendem Material besteht, von dem hochtemperacurbeständigen Katodenhalter (1) umschlossen ist und diesen in Richtung Bogen überragt.

2. Piasmatronkatode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sie umschließende Katodenhalter (1) aus elektrisch gut leitfähigem Material besteht und der elektrische Anschluß über den Katodenhalter (1) erfolgt.

3. Piasmatronkatode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Bogen hin in einer kegelförmigen Kontur endet,

4. Piasmatronkatode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einen Raum (3) mit druckbeaufschlagtem Kühlmittel hineinragt.