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Verfahren zum Schmelzen von reaktiven, mindestens bei erhöhter Temperatur
elektrisch leitenden Stoffen Zusatz zum Patent: 1066 676 Das Hauptpatent 1066 676
betrifft ein Verfahren zum Erhitzen, Schmelzen, Schneiden u. dgl. eines den elektrischen
Strom leitenden Werkstücks unter Anwendung einer Lichtbogenentladung zwischen einer
nicht abschmelzenden Elektrode und dem Werkstück, wobei die Bogenentladung in einer
zwischen Elektrode und Werkstück angeordneten Düse eingeschnürt und fokussiert wird,
sowie die Einschnürung der Plasmasäule zur Erzielung eines gegenüber dem nicht eingeschnürten
Lichtbogen erhöhten Spannungsabfalls je Längeneinheit bewirkt wird, und zwar durch
einengende Düsenboh ngen und durch das Hindurchblasen eines hierbe -in den Lichtbogen
eintretenden und ihn stützenden Gasstromes, und wobei die Einschnürung der Plasmasäule
dem Wärmebedarf hinsichtlich Aufschmelzung bzw. Verdampfung des Werkstoffs an der
Arbeitsstelle durch die Wahl des Düsendurchmessers und/oder durch Regelung der durchströmenden
Gasmenge je Zeiteinheit angepaßt wird.
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Hierbei bezieht sich das Patent 1066 676 unter anderem auch auf das
Schmelzen von Werkstoffen. Es vermittelt die Lehre, den Lichtbogenquerschnitt mittels
einer Düse einzuschnüren, durch die gleichzeitig ein in den Bogen eintretender Gasstrom
hindurchgeblasen wird.
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Die vorliegende Erfindung hat eine Weiterbildung speziell des Verfahrens
zum Schmelzen von reaktiven, mindestens bei erhöhter Temperatur elektrisch leitenden
Stoffen zum Gegenstand, wofür das Schmelzgut in einen geschlossenen Tiegel eingebracht
und im elektrisch leitenden Zustand von einem bzw. mehreren von oben in den Tiegel
ragenden Lichtbogenfiammenbrennern erhitzt wird, deren Elektrode(n) in bekannter
Weise in Serienverbindung mit dem Schmelzgut an eine einphasige (bzw. mehrphasige)
Schmelzstromzuführung geschaltet ist (bzw. sind), wobei die im Tiegel befindliche
Luft durch ein aus dem (den) Brenner(n) austretendes, gegenüber dem Schmelzgut inertes
oder damit in gewünschter Weise reagierendes Gas verdrängt und dieses Gas durch
nachströmendes Gas ständig erneuert wird. Hierdurch wird in dem Tiegel eine sich
ständig selbst erneuernde Schutzgasatmosphäre oder eine Atmosphäre mit erwünschten
Reaktionseigenschaften aufrechterhalten, d. h., das Schmelzgut wird ausschließlich
dem aus dem Lichtbogenbrenner selbst ausströmenden Gas ausgesetzt.
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Das zur Abschirmung des Schmelzgutes verwendete Schutzgas braucht
also nicht gesondert in verhältnismäßig kaltem Zustand zugeführt zu werden, wodurch
dem Schmelzgut Wärme entzogen würde. Vielmehr wird das Schutzgas zur Vereinigung
mit dem Bogen gebracht - es tritt, wie das Hauptpatent lehrt, in den Bogen ein -,
wodurch eine intensiv aufgeheizte Ausströmung gebildet wird, die richtungsstabil
ist und nicht nur gegenüber herkömmlichen Lichtbogen gesteigerte Wärmemengen an
das Schmelzgut abzugeben imstande ist, sondern zugleich auch eine heftige Badbewegung
(Umrührung des Bades) verursacht. Die Brennerelektroden sind allseitig gegen Spritzer
und Abgase aus dem Schmelzgut geschützt - von oben und der Seite durch den Lichtbogenbrenner
und dessen Düse, von unten durch das aus der verengten Düsenöffnung ausströmende
Gas. Die Erosion der Elektroden und damit eine Verunreinigung des Schmelzbades sind
infolgedessen weitestgehend vermieden.
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Durch die deutsche Patentschrift 954 816 ist bereits ein Verfahren
zur Erzeugung eines für technische Zwecke verwendbaren Lichtbogen-Plasma-Gebläses
hoher Temperatur und Leistung unter Anwendung eines Flüssigkeitswirbels vorgeschlagen
worden, bei welchem der Lichtbogen zwischen einer in einer Wirbelkammer angeordneten
Kohleelektrode und einer
außerhalb der Kammer angeordneten Gegenelektrode
gebildet wird und die . Plasmasäule innerhalb der Kammer in einem vom Flüssigkeitswirbel
gebildeten Kanal verläuft und beim Austreten unter überdruck aus der Kammer durch
eine isoliert eingebaute, nicht stromführende Düse eingeschnürt wird. Der deutschen
Patentschrift. 954 816 ist jedoch nicht zu entnehmen, daß das dort geschilderte
Verfahren in einem geschlossenen Tiegel durchgeführt und mittels der aus dem Brenner
austretenden Gase unter Verdrängung der zunächst vorhandenen Luft eine inerte oder
in gewünschter Weise reaktionsfähige Atmosphäre geschaffen werden soll. Die wahlweise
Einstellung einer gewünschten Atmosphäre über dem Schmelzgut würde bei dem bekannten
Verfahren überhaupt schon deshalb unmöglich sein,.. weil dieses Verfahren zwangsweise
-in einer'@dürch Verdampfung von Teilen der Wasserfüllungi des Btenners entstehenden
Wasserdampfatmosphäre abläuft.
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Die deutsche Patentschrift 572704 und die dieser im wesentlichen
entsprechende österreichische Patentschrift 119 328 zeigen-Brenner--zur Erzeugung
nicht übertragener Lichtbogen, bei welchen der Bogen von Gas umhüllt ist und ohne
Einschnürung seines Querschnittes zwischen der Mittelelektrode und einer Ringelelektrode
brennt. Auch bei dem Brenner nach der USA.-Patentschrift 1587197 findet schon deshalb
keine Einschnüruug: des Lichtbogenquerschnittes statt, weil die Elektrode über -die
der Zuleitung eines brennbaren Gemisches dienende Düse vorsteht. Die Kombination
der Bogeneinschnürung und des hierbei in den Lichtbogen eintretenden Gasstromes
stellen demgegenüber, Wie:-Üeieits erwähnt, das wesentliche Kennzeichen des"init
der vorliegenden Erfindung weitergebildeten Verfahrens nach dem Hauptpatent dar.
Zwar gibt die USA.-Patentschrift 1587197 die Lehre, den. kombinierten Lichtbogen-
und Brennstoffbrenner unter anderem "auch zum Schmelzen .von Schmelzgut in einem
geschlossenen Tiegel zu verwenden, doch unterscheidet sich .das dort geschilderte
Verfahren sehr wesentlich von dem hier vorliegenden.
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Das Verfahren riddlPatent 1587197- arbeitet mit normalem, nicht eingeschnürtem
Lichtbogen; dieser geht von einer Elektrode aus, die aus der Gasdüse hervorsteht,
und brennt in- einer Gasflanune, die durch ein brennbares Gas:_genährt wird. Bei
unserer Erfindung sitzt die Elektrode in Strömungsrichtung vor der Gasdüse, der
Lichtbogen wird durch die Gasdüse ein= geschnürt, es entsteht-,.-eine Plasma-Ausströmung,
zu deren wesentlichen Eigenschaften die Richtungsstabilität zählt, während" ein
nicht eingeschnürter, frei brennbarer Lichtbogen ;bekanntlich nicht richtungsstabil
ist. Im Patent-1587197 ist ferner ausschließlich die- Verwendung .eines brennbaren
Gases (oder eines sonstigen Brennstoffes), das ja als Hauptwärmequelle dient, vorgesehen,
während in der Erfindung ein inertes bzw. ein in gewünschter Weise mit dem Schmelzgut
reagierendes Gas Verwendung finden soll. Bei dem Verfahren. nach Patent 1587197
wird nicht nur Brenngas, A.ondern auch Luft in den Lichtbogenraum eingeführt (1.
Spalte, Z. 37/38, 2. Spalte, Z. 84). Ein derartiges Gemisch von brennbaren Substanzen
und Luft führt zu Erosionen an der hocherhitzten Elektrode,- ferner auch zu unerwünschten
chemischen Veränderungen des Schmelzgutes durch die Einwirkung des. Brenngases,
des Sauerstoffes und des Stickstoffes der--Luft und schließlich der Verbrennungsprodukte,-:
:_.. Das Verfahren nach Patent 1587197 verwendet in erster Linie die Verbrennung
von gasförmigen oder flüssigen, gegebenenfalls pulverförmigen Brennstoffen in Luft
als Wärmequelle und ergänzt diesen Vorgang durch Hinzufügen eines nicht eingeschnürten,
daher nicht richtungsstabilen Lichtbogens. Die mit diesem offenen Lichtbogen erreichbaren
Temperaturen können niemals an die Temperaturen herankommen, die bei der mittels
des eingeschnürten Lichtbogens erzeugten Plasma-Ausströmung erzielt werden.
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Die bei dem entgegengehaltenen Verfahren bestehenden, relativ geringen
Gasaustrittsgeschwindigkeiten und der nicht richtungsstabile Lichtbogen sind nicht-in
der Lage, die erwünschte Bewegung (Umrühren) des Schmelzbades in entsprechender
Stärke zu bewirken.
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Ein Bericht des. November-Heftes 1955 des »Welding Journal«, S. 1097,
beschäftigt sich mit Schneiden von Aluminium unter Schutzgas bei eingeschnürtem
Lichtbogen. Diese Veröffentlichung.geht auf den Erfinder selbst zurück, jedoch offenbart
sie nicht die Merkmale der vorliegenden Erfindung. Es heißt dort zwar, daß durch
die Strahlwirkung das geschmolzene Metall mechanisch entfernt wird und daß die Gesamtatmosphäre
eine Oxydation der geschnittenen Oberfläche verhindert. Da es sich bei der vorliegenden
Erfindung jedoch nicht um Schneiden von Metall handelt, kann diese Angabe dem Fachmann
die Erfindung nicht nahe legen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung unter Anwendung der an sich bekannten
Verfahren (z. B. USA: Patentschriften 1562 825, 2 040 215. und 2 011872) zum Schmelzen
von Gut, das im kalten Zustand elektrisch nicht leitend ist und bei dem das den
Strom leitende Schmelzgut in den Stromkreis zwischen zwei Lichtbogenflammen gebracht
wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenflammen zum Vorerhitzen und
Leitendmachen des Gutes zuerst zu einem Treffpunkt direkt über dem Schmelzgut gerichtet
werden. Nachdem das Schmelzgut hierdurch ausreichend vorerhitzt ist, um elektrisch
leitend zu sein, werden die Lichtbogen zurück verschwenkt.
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Wie weiter gefunden wurde, können die Lichtbogenflammen als gasförmiger,
leitender Pfad füz. einen Lichtbogen mit höherer Stromstärke zwischen dem Schmelzgut
und einer den Brenner umgebenden; verschiebbaren Kohlenelektrode verwendet werden.
Ferner kann in an sich bekannter Weise dem Brenner ein reaktives Gas zugeführt werden,
das erfindungsgemäß stromabwärts von der Elektrode in den den Lichtbogen einengenden
Teil des Brennerauslasses eingeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt F i g. 1 einen schematischen
Querschnitt durch ein bekanntes Gerät, F i g. 2 einen ähnlichen Schnitt eines Ofens
mit zwei Lichtbogenbrennern nach der Erfindung, F i g. 3 einen ähnlichen Schnitt
einer Dreiphasenausführung, F i g. 4 einen ähnlichen Schnitt einer konvergenten
Doppel-Quasielektrodenausführung, F i g. 5 und 6 Querschnitte durch Ausführungsformen
von anderen Lichtbogenbrennern und F i g. 7 den Querschnitt eines Ofens nach der
Erfindung zum, Schmelzen eines reaktionsfähigen Metalls wie z. B. Titanschwamm.
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In F i g. 1 ist ein alter Typ eines Ofens 10 gezeigt, bei
dem Kohleelektroden 12, 12 über der Schmelze 14 zur Erzeugung der Lichtbögen 16,
16 angebracht sind und diese Lichtbögen 16 von einem Dreiphasentransformator 18
über entsprechende mit den Elektroden und der Schmelze verbundenen Leitern 20, 22
und 24 gespeist werden. In einem solchen Fall schwankt der Lichtbogen 16 nicht nur
schnell hin und her, sondern hat auch keine bestimmte Gestalt oder Richtung, und
Elektroden und Schmelze sind der Vergiftung ausgesetzt. Es ist ein Drei-Zwei-Phasenkreis
in Schottschaltung gezeigt, doch kann auch jede andere entsprechende Schaltung angewendet
werden.
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F i g. 2 zeigt schematisch eine Anordnung mit einer Mehrfachelektrodeneinrichtung
mit Brennern 26 und Ströme 28 nach der Erfindung als direkten Ersatz für die Kohleelektroden
12. Eine automatische Elektrodenvorschubeinrichtung zur Aufrechterhaltung der Höhe
der abbrennenden Kohlen über der Schmelze ist nicht gezeigt und für den Lichtbogenbrenner
nicht notwendig.
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F i g. 3 zeigt noch ein weiteres Beispiel einer Mehrfachelektrodeneinrichtung
mit Lichtbogenbrennern 26 und Quasielektroden 28 nach der Erfindung. Auch ist eine
Dreiphasen-Y-Y-Kraftquellenschaltung 30 wiedergegeben.
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In F i g. 4 sind die Brenner 26 so gerichtet, daß die ausströmenden
Gas-Lichtbogensäulen 28 direkt über dem Werkstück 14 aufeinandertreffen. Eine Gleichstromserienschaltung
wird gezeigt, bei welcher das Werkstück selbst nicht im Stromkreis liegt. Es leuchtet
ein, .daß nichtleitendes Material auf diese Weise geschmolzen werden kann. Viele
»nichtleitende« Stoffe werden aber bei höherer Temperatur leitend. Größere Hitzeleistungsfähigkeit
läßt sich erreichen, wenn diese Eigenheit durch Zurückrichten der erfindungsgemäßen
Ströme ausgenutzt wird, nachdem das nichtleitende Werkstück so weit erhitzt ist,
um leitend zu sein, so daß zwei in Serie liegende Lichtbögen gebildet werden: Erstens
negative Polschmelze, zweitens schmelzpositiver Pol.
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F i g. 5 zeigt eine zweckentsprechende Abwandlung der Erfindung, bei
der zwei oder mehrere Gase angewendet werden. Ein Gas wie Stickstoff oder Argon
dient dazu, die Elektrode 32 vor Zerstörung zu schützen, während ein anderes reaktionsfähigeres
(oder vielleicht billigeres) Gas weiter unten in die Gassäule 34 eingeführt wird.
Ein Beispiel der Verwendbarkeit dieser Einrichtung ist die Stahlerzeugung mittels
eines Sauerstoffgasverfahrens wie die Linz Donawitz-Methode. Der Hauptnachteil eines
solchen Verfahrens besteht in dem niederen Verhältnis von Schrott zu heißem Metall,
das angewendet werden kann. Zusätzliche in den Sauerstoffstrom nach der vorliegenden
Erfindung eingeführte Hitze würde den nutzbaren Bereich der Schrottverwendung erweitern.
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Noch eine weitere zweckdienliche Abwandlung ist im wesentlichen dadurch
gekennzeichet, daß der Brenner nach der Erfindung einen gasförmigen leitenden Pfad
(mit Richtung, Länge und Steifheit wie gewöhnliche solide Leiter) liefert, zu dem
der Strom von einer .anderen Elektrode (oder mehreren Elektroden) durch einen Kraftlichtbogen
und dann zum Werkstoff bzw. zur Schmelze übertreten kann. F i g. 6 zeigt z. B. einen
Lichtbogenbrenner nach der Erfindung konzentrisch umgeben von einer hohlen abbrennenden
Kohleelektrode 36, die automatisch vorgeschoben wird, um ihre Lage in bezug auf
den in der Mitte liegenden Brenner beizubehalten. Es kann ein verhältnismäßig kleiner
zentraler Lichtbogenbrenner verwendet werden, z. B. eine 500- oder 1000-Ampere-Einheit,
und Tausende oder Zehntausende von Ampere vereinigen sich dann außerhalb des zentralen
Brenners mit der leitenden Strömung 38.
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Es versteht sich von selbst, daß bei den obigen Beispielen, wenn nötig,
das Prinzip des Hilfslichtbogens verwendet werden kann, das im Hauptpatent 1.066
676) offenbart wurde.
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Wie in F i g. 7 gezeigt wird, bildet ein wassergekühlter Mantel 44
eine abgeschlossene Kammer 46, innerhalb deren ein wassergekühlter Tiegel
40 auf einer geeigneten Hebebühne 42 angebracht ist.
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Über der im Tiegel 40 befindlichen Schmelze 52 ist ein Lichtbogenbrenner
48 in einem Gelenklager 50 auf dem Deckel 51 des Gehäuses 44 angebracht. Es ist
wünschenswert, die Brenneranordnung in einer beweglichen Halterung gelagert zu haben,
so daß die Bogenflamme auf jeden Punkt der Oberfläche des Metalls oder eines anderen
sich im Tiegel befindenden Materials gerichtet werden kann.
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Der Lichtbogenbrenner weist eine Metalldüse 54 auf, die mit einem
ringförmigen Durchlaß 56 versehen ist, in dem eine zwangläufige Wasserzirkulation
aufrechterhalten wird, um die innere Wand eines in der Mitte liegenden, die Lichtbogenwand
stabilisierenden Durchtritts 57 kühl zu halten; über diesem Durchtritt ist in axialer
Ausrichtung mit ihm eine Wolframelektrode 60 angebracht. Die Düse ist mittels eines
Ringes 62 aus Isoliermaterial gegen den Brennerkörper 58 isoliert. Die Elektrode
60 steht in elektrischer Verbindung mit dem negativen Pol einer Gleichstromkraftquelle,
wie z. B. eine Schweißstromquelle, deren positiver Pol mit dem Tiegel und über einen
Vorwiderstand 64 mit der Düse verbunden ist. über das Rohr 66 kann unter Druck ein
geeignetes inertes Gas, wie Argon, in den Brenner eingeführt werden, so daß ein
solches Gas unter Druck durch den Lichtbogendurchtritt in der Düse ausströmt. Körniges
(Schwamm-) Metall kann dem Tiegel über ein Rohr 68 zugeführt werden.
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Im Betrieb wird zuerst ein Hilfslichtbogen zwischen dem unteren Ende
der Elektrode 60 und der Innenwand der Düse 54 angelegt. Dann wird ein Hauptlichtbogen
zwischen dieser Elektrode und der Schmelze 52 hergestellt, um nach der Erfindung
die Quasielektrode 70 zu schaffen.
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Ein Hauptproblem beim Lichtbogenschmelzen reaktionsfähiger Metalle,
wie Titan, bei Verwendung nicht abschmelzender Elektroden ist die durch Aufspritzen
des Metalls auf die Elektrode hervorgerufende Vergiftung. Die Düse des Lichtbogenbrenners
verhindert zusammen mit der hohen Geschwindigkeit der Lichtbogengasströmung eine
solche Vergiftung. Diese Vorteile ergeben sich beim Schmelzen jedes Metalls, sei
es reaktionsfähig oder nicht.