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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.
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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.
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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.
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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.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt.
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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.
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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.
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In F i g. 5 ist der Temperaturverlauf innerhalb des Entladungsgefäßes
1 über den Durchmesser D' dargestellt.
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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.
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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.