DE1205209B - Vorrichtung zum Gluehen bzw. Schmelzen von hochtemperaturfesten korn- oder pulverfoermigen Werkstoffen - Google Patents

Vorrichtung zum Gluehen bzw. Schmelzen von hochtemperaturfesten korn- oder pulverfoermigen Werkstoffen

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DE1205209B
DE1205209B DES93334A DES0093334A DE1205209B DE 1205209 B DE1205209 B DE 1205209B DE S93334 A DES93334 A DE S93334A DE S0093334 A DES0093334 A DE S0093334A DE 1205209 B DE1205209 B DE 1205209B
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DE
Germany
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grain
discharge vessel
dust
wall
column
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Application number
DES93334A
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English (en)
Inventor
Dipl-Ing Hans-Christ Grassmann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/26Plasma torches
    • H05H1/30Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Furnace Details (AREA)

Description

  • Vorrichtung zum Glühen bzw. Schmelzen von hochtemperaturfesten korn- oder pulverförmigen Werkstoffen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Glühen bzw. Schmelzen von hochtemperaturfesten kornode.r pulverförmigen Werkstoffen metallischer oder nichtmetallischer Art unter Verwendung eines Hochfrequenz-Plasmabrenners, durch dessen Heizzone die Werkstoffe mit Hilfe eines Gases hindurchgeblasen werden.
  • Es ist beim Plasmaauftragsschweißen bekannt, dem Lichtbogen Metallpulver und Argon gleichmäßig zuzuführen und, zwar unmittelbar unterhalb der einschnürenden Düse. Sobald die Pulverteilchen in den Plasmastrom eintreten, werden sie erhitzt und geschmolzen. Der Plasmastrahl bzw. die Heizzone kann dabei in bekannter Weise mit einer Hochfrequenz-Induktionsspule aufrechterhalten werden, die von einem Hochfrequenzgenerator gespeist wird.
  • Die bekannten Einrichtungen dieser Art sind insofern nachteilig, als bei ihnen infolge ungleichmäßiger Temperaturverteilung nur ein geringer Teil der Pulverteilchen (etwa 50 bis 60 %) einwandfrei erwärmt werden kann. Ferner ist die Durchsatzleistung der bekannten Plasmabrenner relativ gering, da sie von der Verweilzeit der Pulverteilchen innerhalb des Plasmakernes und dessen Temperatur abhängig ist. Ferner stellt die Temperaturhaltung im Plasmakern ein schwieriges Problem dar, da durch den Wärmeübergang auf die Wände des Plasmabrenners das Plasma stark gekühlt wird. Zur Vermeidung dieser Übelstände hat man daher besondere magnetische Begrenzungsfelder erzeugt, die das Plasma von den Wänden des Plasmabrenners wegdrängen.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Schaffung einer Vorrichtung, mit deren Hilfe die Nachteile der bekannten Einrichtungen behoben werden und mit der vor allem bei gleichem Leistungsaufwand ein größerer Durchsatz erzielt wird'. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der Werkstoff zu einer ringförmigen Korn- oder Staubsäule aufgebaut und die so gebildete Korn- oder Staubsäule im Entladungsgefäß des Hochfrequenz-Plasmabrenners einer die Form der Korn- oder Staubsäule annehmenden Heizzone gleicher oder nahezu gleicher Querschnittsabmessungen zugeführt wird. Mit Vorteil besteht wenigstens die Wandung des Entladungsgefäßes aus einem Werkstoff, der hochtemperaturfest ist, keine merklichen dielektrischen Verluste bzw. Wirbelstromverluste und einen möglichst geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist. Ebenso ist es vorteilhaft, daß die Wandung des Entladungsgefäßes, z. B. durch Wasser, kühlbar .ist. Ferner ist es von Vorteil, daß zur Einschnürung der Heizzone und damit zur Vergrößerung ihres Wandabstandes ein mehratomiges Gas, z. B. Stickstoff, in Förderrichtung des Korn-oder Staubringes eingeleitet wird, das unter dem Einfluß der gekühlten Entladungsgefäßwandung nicht dissoziiert. Auf diese Weise kann das Gas auch keine übermäßig hohe Temperatur annehmen. Mit Vorteil ist die Wandung des Entladungsgefäßes durch an sich bekannte Schnellverschlüsse leicht auswechselbar angeordnet. Ferner ist es vorteilhaft, daß zur Bildung der Korn- oder Staubsäule ein Drehströmungsgerät dient. Außerdem ist die Vorrichtung nach der Erfindung zwecks Regelung der Vorschubgeschwindigkeit der Korn- oder Staubsäule vorteilhaft durch Regelmittel gekennzeichnet, welche die Gasgeschwindigkeit im Drehströmungsgerät beeinflussen. Schließlich ist es von Vorteil, daß das den Werkstoff zu einer ringförmigen Korn- oder Staubsäule bildende Gerät und der Hochfrequenz-Plasmabrenner eine Baueinheit bilden.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt.
  • F i g. 1 zeigt einen schematisch dargestellten Hochfrequenz-Plasmabrenner bekannter Art; F i g. 2 zeigt den Temperaturverlauf innerhalb des Hochfrequenz-Plasmabrenners gemäß F i g. 1; F i g.:3 stellt in Ansicht den Hochfrequenz-Plasmabrenner einschließlich des den Werkstoff zu einer ringförmigen Korn- oder Staubsäule bildenden Gerätes gemäß der Erfindung und F i g. 4 die entsprechende Draufsicht dar; F i g. 5 zeigt den Temperaturverlauf innerhalb des Hochfrequenz-Plasmabrenners gemäß der Erfindung. Bei dem in Fi g. 1 dargestellten, zum Stand der Technik gehörigen Hochfrequenz-Plasmabrenner ist das Entladungsgefäß mit 1 und die dieses umgebende Hochfrequenzinduktionsspule mit 2 und das beispielsweise als Trägerwerkstoff für eine Aufschmelzung dienende Werkstück mit 3 bezeichnet. Mit Hilfe der Hochfrequenzinduktionsspule 2 wird eine Heizzone mit fast kugelförmigem heißem Kern erzeugt, dessen äußeren Zonen - wie in F i g.1 dargestellt - sich lanzettenförmig in Strömungsrichtung verzerren. In diesen heißen Kern wird durch das Rohr 4 ein Metallpulver oder auch körniges Gut beliebiger Zusammensetzung mit Hilfe eines Gases, z. B. Argon, unter Druck eingeführt und hier erwärmt. Da infolge der räumlichen Streuung des Pulverstrahles nicht alle Teilchen den heißen Kern des Hochfrequenz-Plasmabrenners passieren, werden nur etwa 50 bis 60% des Pulverwerkstoffes auf die gewünschte Temperaturhöhe gebracht. Andererseits ist die Durchsatzleistung des Pulverwerkstoffes durch den kugelförmigen Plasmakern relativ gering, da der Durchmesser des Plasmabrenners infolge des Skin-Effektes nicht mehr vergrößert werden kann. In F i g. 2 ist der Temperaturverlauf innerhalb des Entladungsgefäßes über den Durchmesser D dargestellt.
  • In F i g. 3 ist die Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt. Auch bei dieser Vorrichtung ist das aus nichtmetallischem Werkstoff, z. B. aus Quarzglas, bestehende Entladungsgefäß mit 1 und die Hochfrequenzinduktionsspule mit 2 bezeichnet. Mit an sich bekannten Mitteln, beispielsweise durch entsprechende Bemessung des Entladungsgefäßd`urchmessers, der Höhe dier Betriebsfrequenz der Hochfrequenzinduktionsspule und der Wahl des Druckgases hat man es in der Hand, innerhalb des Entladungsgefäßes eine großflächige Heizzone zu erzeugen, die beispielsweise die Form eines Hohlzylinders haben kann. In F i g. 3 und 4 ist die Heizzone mit 5 bezeichnet und gestrichelt angedeutet. In diese Heizzone wird eine Korn- oder Staubsäule S gleichen oder etwas kleineren Querschnitts so eingebracht, daß sie entsprechend dem die Heizzone verlassenden geschmolzenen Gut G stetig nachgeführt wird. Die Korn- oder Staubsäule wird gemäß dem Ausführungsbeispiel durch ein Drehströmungsgerät erzeugt, indem das kornartige oder staubartige Gut einem Vorratsbehälter 16 entnommen und durch tangential schräg angeordnete Düsen 6 und 7 unter Verwendung eines mehratomigen Gases, z. B. Stickstoff, in den Strömungskanal 8 eingeblasen wird. Durch Einstellung der Düsen 6 und 7 kann man die Geschwindigkeit der Abwärtsbewegung der Korn- oder Staubsäule regeln. Von wesentlicher Bedeutung ist die Tatsache, daß die Korn- oder Staubsäule S nicht mit der Innenwand des Strömungskanals 8 bzw. mit der Innenwand des Entladungsgefäßes 1 in Berührung kommt. Auf diese Weise wird eine Abbremsung der äußeren Teilchen bzw. eine Wärmeübertragung auf die Wand des Entladungsgefäßes weitgehend vermieden. Trotzdem kann es insbesondere bei großen Einheiten vorteilhaft sein, den Mantel des Strömungskanals 8 und/oder den Mantel des Entladungsgefäßes 1 aus Quarz oder aus einem flüssigkeitsgekühlten Doppelmantelrohr, z. B. aus Metall, herzustellen. Hierbei ist zu beachten, daß die Wandung des Entladungsgefäßes aus einem Werkstoff besteht, der hochtemperaturfest ist, keine merklichen dielektrischen Verluste bzw. Wirbelstromverluste und einen möglichst geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist. In vielen Fällen wird es sich als vorteilhaft erweisen, daß die Wandung des Entladungsgefäßes 1, z. B. durch Wasser, kühlbar ist. Hierzu kann das vorerwähnte Doppelmantelrohr verwendet werden.
  • In F i g. 5 ist der Temperaturverlauf innerhalb des Entladungsgefäßes 1 über den Durchmesser D' dargestellt.
  • Da es sich hierbei um verhältnismäßig hohe Temperaturen handelt, kann es vorkommen, daß die Wandung des Entladungsgefäßes beschädigt wird und ausgewechselt werden muß. Um die hierdurch bedingte Betriebsunterbrechung auf ein Mindestmaß zu reduzieren, sind- an sich bekannte Schnellverschlüsse 9 vorgesehen.. Ebenso ist es aus baulichen Gründen vorteilhaft, daß das den Werkstoff zu einer ringförmigen Korn- oder Staubsäule bildende Gerät und der Hochfrequenz-Plasmabrenner eine Baueinheit bilden. Hierdurch wird eine platzsparende und gedrängte Bauweise ermöglicht.
  • Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung ist folgende: Durch die Düsen 6 und 7 wird der Stoff für die Korn- oder Pulversäule in den Strömungskanal 8 eingeblasen, in dem sich dann die Korn- oder Staubsäule S bildet. Diese Korn- und Staubsäule bewegt sich stetig nach unten in die Heizzone 5 innerhalb des Entladungsgefäßes. In. der Heizzone findet der Schmelzvorgang statt, so daß der Stoff in Tropfenform, wie bei G angedeutet, abfällt und sich im unteren Topf 10 ansammelt. Die Gase werden bei 11 abgesaugt und durch einen Wärmeaustauscher 12 geleitet; alsdann werden sie einem Reinigungsgerät 13 zugeführt. Die motorisch angetriebene Umwälzpumpe 14 führt das Gas über die Rohrleitung 15 dem Vorratsbehälter 16 für den korn- oder pulverförmigen Stoff zu, und von hier wird das Gemisch von Gas und Stoff den Düsen 1 und/oder den Düsen 7 wieder zugeführt, so daß sich der Kreislauf wieder schließt.

Claims (7)

  1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Glühen bzw. Schmelzen von hochtemperaturfesten korn- oder pulverförmigen Werkstoffen metallischer oder nichtmetallischer Art unter Verwendung eines Hochfrequenz-Plasmabrenners, durch dessen Heizzone die Werkstoffe mit Hilfe eines Gases hindurchgeblasen werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff zu einer ringförmigen Korn- oder Staubsäule (S) aufgebaut und die so gebildete Korn- oder Staubsäule im Entladungsgefäß (1) des Hochfrequenz-Plasmabrenners einer die Form der Korn-.oder Staubsäule annehmenden Heizzone (5) gleicher oder nahezu gleicher Querschnittsabmessungen zugeführt wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Wandung des Entladungsgefäßes (1) aus einem Werkstoff besteht, der hochtemperaturfest ist, keine merklichen dielektrischen Verluste bzw. Wirbelstromverluste und einen möglichst geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch -gekennzeichnet, daß die Wandung des Entladungsgefäßes (1), z. B. durch Wasser, kühlbar ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einschnürung der Heizzone (5) und damit zur Vergrößerung ihres Wandabstandes ein mehratomiges Gas, z. B. Stickstoff, in Förderrichtung des Korn- oder Staubringes eingeleitet wird, das unter dem Einfluß der gekühlten Entladungsgefäßwandung nicht dissoziiert.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Entladungsgefäßes durch an sich bekannte Schnellverschlüsse (9) leicht auswechselbar angeordnet ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Korn- oder Staubsäule (S) ein Drehströmungsgerät dient.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Regelmittel (R), welche die Gasgeschwindigkeit im Drehströmungsgerät beeinflussen. B. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das den Werkstoff zu einer ringförmigen Korn- oder Staubsäule bildende Gerät und der Hochfrequenz-Plasmabrenner eine Baueinheit bilden. In Betracht gezogene Druckschriften: Journal of Applied Physics, Mai 1961, S. 821 bis 824.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2006037991A2 (en) * 2004-10-04 2006-04-13 C-Tech Innovation Limited Microwave plasma apparatus with vorticular gas flow

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2006037991A2 (en) * 2004-10-04 2006-04-13 C-Tech Innovation Limited Microwave plasma apparatus with vorticular gas flow
WO2006037991A3 (en) * 2004-10-04 2006-06-08 C Tech Innovation Ltd Microwave plasma apparatus with vorticular gas flow

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