DE1264641B

DE1264641B - Lichtbogen-Plasmabrenner

Info

Publication number: DE1264641B
Application number: DEK59623A
Authority: DE
Inventors: Tesuo Gejo; Toshikatsu Manabe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1965-06-30
Filing date: 1966-06-29
Publication date: 1968-03-28
Also published as: US3504219A; GB1145570A; JPS441240Y1

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H05h

Deutsche Kl.: 21 g - 61/00

Nummer: 1264 641

Aktenzeichen: K 59623 VIII c/21 g

Anmeldetag: 29. Juni 1966

Auslegetag: 28. März 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Lichtbogen-Plasmabrenner mit zumindest einer Elektrode und einem oxydierenden Arbeitsgas (vgl. die Zeitschrift »Technische Rundschau«, 55. Jahrgang, 1963, Nr. 10, S. 17 bis 21).

Mit der Bogenentladung ist es möglich, einen Plasmastrahl äußerst hoher Energie zu erhalten, und dieser Plasmastrahl wird dann zur Herstellung von Formteilen aus verschiedenen Materialien und ganz allgemein gesprochen zur Zuführung von Wärmeenergie verwendet.

Für das Arbeitsgas wird im allgemeinen ein reduzierendes Gas oder ein inertes Gas verwendet, beispielsweise Argon, Wasserstoff oder Stickstoff. Diese Gase jedoch sind teuer und stellen die Wirtschaftlichkeit des Betriebes in Frage, insbesondere dann, wenn große Mengen an Arbeitsgas benötigt werden, wie es beispielsweise bei der Materialbearbeitung der Fall ist.

Demgemäß besteht in verschiedenen Industriezweigen ein großes Bedürfnis nach Vorrichtungen, mit denen Plasmastrahlen auf der Grundlage von Luft als billiges Arbeitsgas erzeugt werden können.

Bei den bekannten Plasmabrennern mit inerten Gasen als Arbeitsgas wird im allgemeinen Wolfram für die Kathode und vorzugsweise Kupfer für die Anode verwendet. Würde jedoch in diesem Fall ein oxydierendes Gas als Arbeitsgas Anwendung finden, so würden sich die Elektroden infolge der auftretenden Oxydation sehr schnell verbrauchen und in kürzester Zeit unbrauchbar werden. .

Ziel der Erfindung ist es nun, diese Nachteile der bekannten Plasmabrenner zu überwinden und einen Plasmabrenner zu schaffen, bei dem als oder im Arbeitsgas ein oxydierendes Gas, beispielsweise Luft, verwendet werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Plasmabrenners der obigen Eigenschaften, der außerdem einen einfachen Aufbau hat und mit relativ niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Diese Ziele werden erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Elektroden des Plasmabrenners zumindest teilweise aus Zirkonborid (ZrB₂) hergestellt sind. Dadurch ist es möglich, als Arbeitsgas ein oxydierendes Gas, etwa Luft, zu verwenden.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen

Fig. 1 (a) und 1 (b) in vereinfachter Darstellung Längsschnitte durch den Elektrodenaufbau bekannter Plasmabrenner,

F i g. 2 (a) und 2 (b) Längsschnitte durch die Anode und die Kathode eines Plasmabrenners nach der Erfindung, und

Lichtbogen-Plasmabrenner

Anmelder:

Kabushiki Kaisha Hitachi Seisakusho, Tokio

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,

8000 München 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:

Tesuo Gejo,

Toshikatsu Manabe, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 30. Juni 1965 (52 897)

F i g. 3 einen Längsschnitt durch die Elektrodenanordnung einer bevorzugten Ausführungsform des Plasmabrenners.

In den F i g. 1 (a) und 1 (b) sind typische Beispiele bekannter Anordnungen zum Erzeugen von Plasmastrahlen durch Bogenentladung dargestellt. Fig. 1 (a) zeigt einen direkten Plasmabrenner, bei welchem eine Kathode 1 und eine dazu konzentrische Düse 2 vorgesehen sind sowie ein Durchgang 4 für zirkulierendes Kühlwasser. Das Arbeitsgas (Bogengas) wird durch den Kreisringspalt 5 zwischen der Kathode 1 und der Düse 2 zugeführt. Bei diesem Beispiel wird eine Bogenentladung zwischen der Kathode 1 und einem Werkstück 6 aufrechterhalten, und das in den Entladungsraum eingeführte Arbeitsgas bläst den Bogen zusammen mit dem Arbeitsgas durch die Düse hindurch nach außen, wodurch ein Plasmastrahl 3 in Form einer Fackel entsteht.

F i g. 1 (b) zeigt ein Beispiel für einen indirekten Plasmabrenner, bei welchem die Düsenanordnung 2 zusätzlich als Anode dient. Hierbei wird also eine elektrische Entladung zwischen der Düse 2 und der Kathode 1 hervorgerufen, worauf ein Plasmastrahl 3 erzeugt wird."

Nachfolgend sollen nun Beispiele für die Herstellung der Elektroden aus Zirkonborid angegeben werden.

Pulverförmiges Zirkonborid einer Korngröße von 0,04 mm und kleiner wird etwa 5% eines 5°/oigen (Gewichtsprozent) Polyvinylalkohole als Binder beigegeben und dieses Gemisch dann gleichförmig durchgemischt. Das Gemisch wird dann getrocknet,

809 520/55&

in eine Metallform aus hartem, feuerfestem Metall eingegeben und bei Anwendung eines Druckes von etwa 5 kg/cm² in einen Zylinder von 10 mm Durchmesser und 20 mm Länge gepreßt. Dieser Zylinder wird dann auf 2000° C aufgeheizt, und zwar mit einer Erhitzungsgeschwindigkeit von 1000° C/Std. innerhalb eines Tammann-Vakuumofens, in welchem ein Druck von 10~²mm Quecksilbersäule herrscht, worauf der Zylinder bei 2000° C 1 Stunde lang gesintert wird. ίο

Der gesinterte Zylinder wird dann zu einer Kathode bearbeitet, die an einem Ende einen runden Kopf und am anderen Ende einen Vorsprung mit verringertem Durchmesser aufweist, wie in Fig. 2(b) dargestellt ist. Die derart bearbeitete Kathode wird dann nochmals bei 2400° C im Tammann-Ofen 1 Stunde lang gesintert, worauf die Kathode 11 fertig ist.

Auf ähnliche Weise wird aus dem Zirkonborid ein Zylinder mit 55 mm Durchmesser und 30 mm Länge gepreßt und zu einer Anode 12 bearbeitet, die eine zentrale Düse und an ihrem Umfang einen Tragflansch aufweist, wie aus Fig. 2 (a) zu entnehmen ist.

Ein Beispiel eines Plasmabrenners, bei welchem diese Elektroden Anwendung finden, ist in F i g. 3 dargestellt. Dabei ist die Kathode 11 auf einen zentralen Kathodenträger 17 aufgesetzt, der beispielsweise aus Kupfer besteht, und die Anode 12, welche zusätzlich als Düse arbeitet, ist koaxial zur Kathode 11 an einem zylindrischen Anodenträger 18 befestigt, der ebenfalls beispielsweise aus Kupfer besteht. Ein kreisringförmiger elektrischer Isolator 19 ist konzentrisch innerhalb des Anodenträgers 18 angebracht, derart, daß er die Kathode 11 umgibt und an den Innenteil der Düse angrenzt. Ein weiterer kreisförmiger Isolator 20 ist zwischen dem Kathodenträger 17 und dem Anodenträger 18 am untersten Teil des Kathodenträgers 17 zwischengeschaltet. Das Arbeitsgas wird in den Brenner durch den Einlaß 21 eingeführt. Der Anodenträger 18 ist mit einem positiven Anschluß 22 zum Anschließen an eine Stromquelle versehen. Im Gegensatz zu dieser Anordnung werden, wie erwähnt, bei den bekannten Plasmabrennern Wolfram und Kupfer für die Kathode bzw. die Anode verwendet.

Bei einem Vergleichsversuch wurde in einem Zirkonboridelektroden aufweisenden Plasmabrenner ein Plasmastrahl erzeugt, und zwar bei einer Stromstärke von 400 Ampere, einer Spannung von 54 V und einem Elektrodenabstand von 15 mm, wobei als Arbeitsgas ein Gasgemisch diente, das aus Argon (Zuführungsmenge 27 l/min) und Luft (Zuführungsmenge 10 l/min) bestand. Der Versuch ergab, daß an den Elektroden keinerlei Deformationen beobachtet werden konnten.

Zum Vergleich wurde dann unter den gleichen Betriebsbedingungen in einem üblichen Plasmabrenner mit Wolfram und Kupfer als Elektrodenmaterial ein Plasmastrahl erzeugt mit dem Erfolg, daß die Oberfläche der Wolframkathode stark oxydierte und weißes Wolframoxyd an der Kathodenoberfläche entstand. Außerdem zeigte sich, daß der Düsenabschnitt der Kupferanode starke Korrosionserscheinungen aufwies.

Der Plasmabrenner nach der Erfindung weist also eine ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxydation auf, und da außerdem die wirksamen Teile des Brenners aus elektrisch leitendem Keramikmaterial mit hohem thermischem Emissionsvermögen bestehen, führt der Plasmabrenner bei der Verwendung von Luft als Arbeitsgas zu ausgezeichneten Ergebnissen.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf den beschriebenen indirekten Plasmabrenner beschränkt, sondern kann auch bei direktem Plasmabrenner angewendet werden. Da bei einem direkten Brenner keine elektrische Entladung zwischen der Düse und der Kathode auftritt, kann eine Zerstörung der Düse in gewissem Ausmaß auch auf andere Weise verhindert werden. Demgemäß ist es nicht immer erforderlich, die gesamte Düse aus Zirkonborid herzustellen.

Weiterhin hat sich herausgestellt, daß auch Elektroden sehr brauchbar sind, bei welchen nur die wirksamen Oberflächen, insbesondere diejenigen Stellen, welche mit dem Bogen und dem Arbeitsgas in Berührung kommen, sowie die innere Oberfläche der Düse, mit Zirkonborid beschichtet sind. In bestimmten Fällen, beispielsweise wenn ionisiertes Gas negativ aufgeladen und gegen die Anodenoberfläche befördert wird, kann auch lediglich die Anode aus Zirkonborid hergestellt werden, während dann die Kathode in der üblichen Weise aus einem Material wie Wolfram besteht.

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtbogen-Plasmabrenner mit zumindest einer Elektrode und einem oxydierenden Arbeitsgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode oder Elektroden (11, 12) aus Zirkonborid bestehen.

2.. Brenner mit einer Kathode und einer Anode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (11) an ihrer wirksamen Oberfläche mit einer Schicht aus Zirkonborid versehen ist.

3. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Oberflächen der beiden Elektroden mit einer Schicht aus Zirkonborid versehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Technische Rundschau, 55. Jahrgang, 1963, Nr. 10, S. 17 bis 21.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen