DE1817602A1

DE1817602A1 - Plasmabehandlungsgeraet

Info

Publication number: DE1817602A1
Application number: DE19681817602
Authority: DE
Inventors: Tylko Jozef Kazimierz; Davis Clive Stuart
Original assignee: Tetronics Research and Development Co Ltd
Current assignee: Tetronics International Ltd
Priority date: 1966-08-24
Filing date: 1968-12-31
Publication date: 1970-07-09
Also published as: GB1201911A; US3584184A

Description

PATENTANWALT	KOLS	EIi
DIPL. IMG. K,	B B U ; ί O
Π9 AUG		QB U

T.

Augsburg, den 27. Dezember 1968

Tetronios Research and Development Company Limited, Lechlade Road, Faringdon, Berkshire, England

Plasmabehandlungsgerät

Die Erfindung betrifft Plasma-Bearbeitungs-bzv/.-Behandlungsgeräte mit auf ein Werkstück übergreifender Bogenentladung.

Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Erzeugung hoher Temperaturen. Das Gerät nutzt hierzu eine eingeschnürte Bogenentladung aus, die insbesondere zur Oberflächenbehandlung geeignet ist.

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Zwecks Erzielung eingeschnürter Bogenentladungen können Plasmageneratoren nach zwei verschiedenen Betriebsweisen arbeiten, nämlich entweder unter Anwendung einer nichtübergreifenden oder unter Anwendung einer übergreifenden Bogenentladung. In letzterem Falle hat das mit dem heißen Strahl des Gerätes zu behandelnde Werkstück elektrische Verbindung mit dem Lichtbogen. Das Werkstück stellt normalerweise den positiven Pol der Schaltung dar, wodurch man die Aufheizung des Werkstücks beträchtlich vergrößert.

Pur die Anwendung der übergreifenden Bogenentladungstechnik muß das Werkstück aus einem Stoff ausreichender elektrischer Leitfähigkeit bestehen, damit es einen Teil des Entladungsstromkreises bilden und den starken Entladungsstrom weiterleiten kann. Wenn das Werkstück nichtleitend ist, dann arbeitet man nach der herkömmlichen Technik mit nichtübergreifender Bogenentladung, wobei möglichst eine Düse, aus welcher der Plasmastrahl austritt, als Elektrode benutzt wird. Bei der nichtübergreifenden Bogenentladungstechnik ist der auf das Werkstück übertragene Wärmeenergieanteil viel geringer als bei der übergreifenden Bogenentladungstechnik.

Die übergreifende Bogenentladungstechnik nutzt somit _/ die Aufheizeinflüsse der Bogenentladung besser aus, doch

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ist diese Technik bislang in der Anwendung auf elektrischleitende Werkstücke beschränkt gewesen.

Aufgabe der Erfindung ist eine Erweiterung des Anwendungsgebiets der übergreifenden Bogenentladungstechnik auf Stoffe, die b*i gewöhnlichen Temperaturen nichtleitend Bind. Im Rahmen der Erfindung wird eine Behandlung solcher Stoffe alt einem Plasmastrahl unter einem möglichst guten Wirkungsgrad erstrebt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Flasmagenerator mit Gas- und Leistungszufuhr sowie eine Gegenelektrode dem Werkstück gegenüberstehen und durch •inen elektrischen Schaltkreis miteinander verbunden sind.

Die Gegenelektrode besteht vorzugsweise aus Kupfer und kann eine Kühlvorrichtung enthalten. Die Kühlvorrichtung weist dann Kanäle auf, durch die im Betrieb eine Kühlwasserströmung geleitet wird.

Die Gegenelektrode kann auf einer Halterung sitzen, damit sie dem Auftreffpunkt des Plasmastrahls auf dem Werk-Stück mit kurzem Abstand gegenübersteht. Die Benutzung einer solchen Halterung bringt eine Verringerung an Verunreini-

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SAD OWGINAL

if-

gungen des Werkstückes durch den Elektrodenwerkstoff und umgekehrt. Eine solche gesonderte Halterung für die Elektrode ermöglicht auch eine Verschiebung des Werkstücks, ohne daß diese Verschiebung die Stellung der Gegenelektrode gegenüber dem Plasmagenerator beeinflußt. Somit kann das Werkstück, soweit nötig, verschoben werden, so daß eine große Werkstückoberfläche jeweils abschnittsweise mit dem Plasmastrahl behandelt werden kann.

Wenn eine ausgedehnte Werkstückoberfläche behandelt werden soll, kann die Gegenelektrode als längliche Platte ausgebildet sein. Der Plasmagenerator ist dann für wiederholte Verschiebung längs einer Bahn parallel zu dieser Elektrodenplatte eingerichtet, so daß die gesamte Werkstückoberfläche jeweils abschnittsweise behandelt werden kann, indem eine Strahldüse des Plasmagenerators längs der Gegenelektrode hin und her bewegt wird.

Diese Technik liefert beispielsweise auf Oberflächen feuerfester Stoffe Hochtemperaturbereiche, innerhalb welcher die Temperatur zur Verdampfung und teilweisen Ionisierung des Oberflächenwerkstoffs ausreicht. Die kinetische Energie des auf die Oberfläche auftreffenden Lichtbogens unterstützt die Bewegung des aufgeschmolzenen bzw. teil-

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weise aufgeschmolzenen Oberflächenwerkstoffes und ergibt somit eine große Eindringtiefe. Auf diese Weise ist die Erzeugung sehr tiefer Ablagerungen von Aufschmelzflächen möglich. Die Eigenschaften dieser Aufschmelzflächen können durch Einbeziehung entsprechender Zusatzstoffe verändert werden.

Die Erfindung betrifft weiter die Herstellung geschichteter oder inhomogener Oberflächen, deren Eigen- ^ schäften sich mit der Eindringtiefe entweder sprunghaft oder allmählich ändern.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert. Es stellen dar:

Pig, 1 eine sehematisehe perspektivische

Ansicht eines erfindungsgemäßen Plasmab.ehandlungsgerätes für feuerfesfee Ziegel nach der Erfindung,

Fig. g einen Querschnitt nach der Linie ΪΙ^Ιϊ

in Fig_s 1,

■* '·£■ *■'

ÖAD OBIGiNAL

Pig. J> eine teilweise aufgebrochene schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Gerätes zur Behandlung zylindrischer feuerfester Körper,

Pig. 4 eine Querschnitt nach der Linie IV-IV

in Pig. 5,

Fig. 5 einen feuerfesten Ziegelstein mit

einer aufgeschmolzenen Oberflächenschicht nach der Erfindung und

Fig. 6 eine feuerfeste Hülse mit einer auf

geschmolzenen Oberflächenschicht nach der Erfindung,

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Plasmastrahl zur Oberflächenschutzbehandlung feuerfester Ziegelsteine benutzt, Lange Zeit ist der Oberflächenschutz; keramischer Körper durch Aufbringung fceramigeher GlLapuren auf die normalerweise poröse Oberfläche erfolgt, worauf Gla§ur gebrannt wurde , um sie in glasige _t undurchiäs*

Ofeerfläehenhaut umzuwandeln. Es sind foereitis fajiren ?ur Erzeugung keramischer Glasuren auf

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von Keramikkörpern an Ort und Stelle vorgeschlagen worden. Die Erfindung betrifft jedoch ein Verfahren zur Bildung viel dickerer Glasüberzugsschichten auf Keramikoberfläohen, die zur Festigkeit der betreffenden Keramikkörper beitragen. Die Erfindung ermöglicht beispielsweise auch die Verbindung zweier in Längsrichtung aneinanderstoßender Keramikelemente längs einer gemeinsamen Kante.

Pig. 1 zeigt einen feuerfesten Ziegelstein 1, der

zwischen zwei Seitenwänden 2 liegt. Die Seitenwände 2 be- M stehen aus Kupfer und werden mittels eines Wasserdurchflusses durch Kühlrohre J5 gekühlt. Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit der Zeichnungen sind die Kühlrohre J5 nur in Fig. 2 dargestellt.

An einem Ende eines kurzen, durch die Seitenwände 2 bestimmten Kanals liegt eine Gegenelektrode 4 elektrisch isoliert auf den Oberkanten der Seitenwände auf. Die Seitenwände 2 sind so hoch« daß die Elektrode etwa 3 mm oberhalb der Oberfläche des feuerfesten Ziegelsteins 1 liegt. ™ Die Gegenelektrode 4 besteht aus einem Kupferblech, das in kastenartige Form gebogen ist und Kühlwasserrohre 5 zur Ableitung der Wärme aus dem Kupfer aufnimmt. Die Gegenelektrode 4 besitzt außerdem einen Anschluß 6 zur Verbindung

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der Elektrode mit dem Plasmagenerator, damit die Bogenentladung von dem Generator übergreifen karn. Pig. I zeigt eine Düse ¹J eines solchen Generators, aus der ein Plasmastrahl 8 austritt. Die übrigen Bauteile des Plasmagenerators sind in der Zeichnung weggelassen.

Die Betriebsweise dieses erfindungsgemäßen Gerätes wird durch die folgende Versuche erläutert.

Beispiel 1

Das Gerät wird zur Ausbildung einer dicken Aufschmelz-Oberflächenschicht auf dem feuerfesten Ziegelstein 1 benutzt, wobei im Rahmen dieses Versuchs ein Schamottestein behandelt wird. Derselbe wird zunächst in einem Muffelofen auf etwa 800°C vorerhitzt und dann zwischen die Seitenwände 2 des Gerätes gestellt. Ein Plasmagenerator mit einer Düse von etwa 4,76 mm Durchmesser und einer in axialer Richtung angeordneten thorierten Wolframelektrode von etwa 6,25 mm Durchmesser wird in einer Winkelstellung zu der Düse auf die Oberfläche des Schamottesteins vor der Gegenelektrode 4 ausgerichtet. Die Anordnung des Gerätes ist im übrigen s_o, wie in Fig.

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BAD ORIGINAL

dargestellt.

Nach Abschluß der Behandlung wird der Schamottestein in den Muffelofen von 800°C zurückgebracht und dann mit einer Geschwindigkeit von etwa 8O°C pro Stunde auf Zimmertemperatur abgekühlt. Eine Untersuchung des Schamottesteins ergibt, daß die Aufschmelzung der Oberflächenschicht zur Bildung einer Verglasungsschicht von 11 mm Dicke geführt hat; dadurch ist die Festigkeit des Schamottesteins beträchtlich vergrößert - worden und seine Oberfläche ist für die meisten Medien undurchdringlich.

Beispiel 2

Ein Schamottestein der Zusammensetzung

SiO₂	52,3 %	CaO	0,2
TiO₂	0,5 %	MgO	1,0
Pe₂O₃	3>Ί %	κ₂ο	0,4
Al₂O₃	36/39 % ■	Na₂O	0,2
		Rest	0,2

mit den Abmessungen 133 χ 98 χ 69 mm wird in das Gerät nach

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den Pig. 1 und 2 eingebracht. Die Oberfläche mit 133 mm χ 98 mm wird 8 Minuten lang durch Überstreichen mit dem Plasmagenerator behandelt. Dadurch erhält man eine glasartige« ebene und sehr festhaftende Oberfläche. Die Verglasungsfläche ist gleichförmig und etwa IO mm dick, wobei die Dickenschwankungen nicht mehr als + 1 mm betragen.

Der Plasmagenerator arbeitet mit folgenden Betriebswerten:

Spannung: 110 V
Stromstärke: 170 A

Entladungsgase: 226 l/h Ar; 991 l/h N₂; keine Zusatzstoffe.

Die Oberfläche ist für alkoholhaltige Farbstoffe undurchdringlich. Es werden keine Ablösungen, Abblätterungen oder andere Risse beobachtet. Der Schamottestein war in einem Heizkasten 3 Stunden lang bis auf eine Temperatur auf etwa 700⁰G vorerhitzt worden. Nach der Behandlung läßt man den Schamottestein in dem Heizkasten etwa innerhalb 6 1/2 Stunden auf Zimmertemperatur abkühlen.

Beispiel 3
Zum Verschweißen von Schamottesteinen werden zwei

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BADORIGINAl

vorerhitzte Sohamottesteine gleicher Abmessungen wie im Beispiel 2 stumpf aneinanderstoßend in das Gerät eingebracht. Zunächst wird der Stoßbereich behandelt, so daß eine reichliche Menge von Werkstoff aufgeschmolzen wird, der über eine Tiefe etwa in der halben Dicke des Schamottesteins eindringt. Danach wird die Qesamtoberflache wie im Beispiel 2 behandelt, so daß man eine ebene, gleichmäßige, verglaste Oberfläche erhält. Eine Verbindung zwischen den beiden Schamottesteinen erweist sich als sehr stabil und behält in Jeder Beziehung die Eigenschaften der übrigen behandelten Oberfläche. Die Zeit zur Verbindung der Schamottesteine beträgt bei der Plasmabehandlung 10 Minuten. Die Plasmabedingungen sind folgende:

Spannung: 100 V
Stromstärke: 185 A
Entladungsgase: 255 i/h Arj II33 l/h Ng.

In entsprechenden Behandlungsstufen wird die Verbindung auf der gegenüberliegenden Oberfläche erzeugt. Schließlich werden alle Oberflächen des Schamottesteins behandelt, so daß man insgesamt einen vollständig behandelten Schamottestein der doppelten Ausgangslänge erhält. Es sind keine Zusatzstoffe notwendig, wenn auch ein kleiner Zusatz von CaO zur Beschleunigung der Aufschmelzung

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förderlich ist.

Beispiel 4

Ein Schamotte.stein gleicher Abmessungen und Zusammensetzungen wie in Beispiel 2 wird auf eine Temperatur von etv:a 7Ou⁰C vorerhitzt und dann im Plasma behandelt. Jj eichzeJ t;^; g vat dieser Behandlung wird ein Pulver aus 1 Teil OaO, 2 1/2 Teilen Al₀O, und 6 Teilen ZrO₀ (jeveils uevicht.';t,ej le) in die Plasmaflamme eingebracht. Das I'..ι!/er '-".'rd mi¹- "If-iehförmiger Al.gabemenge von etwa *^JC ß,- bin ei-ν? a '\ \."L Minuten lang zugegeben, während welcher ""e:;t die r-onnto zu behandelnde Oberfläche vollständig verrlar-t lsi, IIc^rii: dieser Bchai;dlung \·Λ rd die Pulverzugabe abgerr orri", d-■'■;].· die i^Jl<'.-.':mabehandlung noch auf die Dauer -in h Kinut-'.T: '"'^■■■'jcesttzt, in vfelcher Zelt die gesamte Oberfläche nochrriol ο sclinelJ überstrichen v;ird. Diese Behandlung ergibt eine dich ^;:,<i_f aufgebclimolzene Vei'glasunga- ::.?hj.'"-ht \ίλ e"::a Wl mm Diel·:'"-. De?· fertige Schamottestein j zt rißfrei '::'j :-■■; i;-t keJne ^bbl^;:tterungssohichter). Bei äen r.ftor. "rigti.^r;.'- Uritorsi-chungeii ict er gegenüber Ofen-.i'iiil? cke bfs zr «:ner Tonperet'..'·¹ v.^v.- etv;a ]6ij0^oC 2 Stunden

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Bei dieser Behandlung werden folgende Plasmawerte benutzt:

Spannung: 105 V
Stromstärke: l80 A
Entladungsgas: 285 l/h Ar; 991 l/h N₂ Trägergas für die Pulverzugabe: 566 l/h Np.

Die Fig. j5 und 4 zeigen ein Gerät zur Behandlung zylindrischer feuerfester Körper z.B. eines zylindrischen Hohlstabes in Form einer Hülse, wie sie als Schöpfhülsen bzw. Stabummantelungen für den Abstich bei der Stahlherstellung bekannt sind. Das Gerät umfaßt eine feststehende Hauptwelle 10, auf der eine Stabhülse 11 zwischen Aufnehmern 12 und 15 mit einer Patrize und einer Matrizs gehalten ist. Die Aufnehmer 12 und \J> sind auf der Hauptwelle 10 drehbar; der Aufnehmer 12 ist über eine Mitnehmerscheibe 14 an einen Motor I5 mit veränderlicher Drehzahl angeschlossen. Durch Regelung der Motordrehzahl kann die Hülse 11 zwischen den Aufnehmern mit einer Drehzahl bis zu einer Umdrehung pro Minute um ihre Achse gedreht' werden.

Wenn eine Hülse zwischen die Aufnehmer eingepaßt ist,

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wird der Aufnehmer 13 mittels einer federgespannten Gabel 16 gegen das Hülsenende gepreßt, damit bei der Drehung der Hülse kein Schlupf auftreten kann und damit die Hülse konzentrisch zu der Hauptwelle 10 gehalten ist. Der Motor 15 besitzt ein Endlager für die Hauptwelle 10, welch letztere im Betrieb des Gerätes durch Kühlwasser gekühlt werden kann. Eine solche Wasserkühlung ist nicht immer notwendig, jedoch dann zweckmäßig, wenn sehr dünne Hülsen oder Hülsen aus einem guten Wärmeleiter, beispielsweise aus Magnesit bearbeitet v/erden, oder wenn das Gerät kontinuierlich betrieben wird.

Pur das Gerät wird eine Gruppe von Aufnehmern bereitgestellt, damit unter Verwendung entsprechender Abstandsstücke eine Vielzahl von Rohrhülsen verschiedener Länge und Durchmesser behandelt werden kann. Um die Rohrhülse sind innerhalb eines zylindrischen Reflektors elektrische Wärmestrahlerelemente 17 angeordnet. Damit kann während der Behandlungsdauer die Rohrhülse als Ganzes auf einer ausreichend hohen Temperatur gehalten v/erden.

Eine wassergekühlte Gegenelektrode 19 ist in der Nähe der Rohrhülse 11 aufgestellt. In Grobausrichtung auf den tipalt zwischen Elektrode und Rohrhülse befindet

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sich eine Plasmastrahldüse 20, die mit einer elektrischen Leistungsquelle 20a und einer entsprechenden Entladungsgasquelle 20b verbunden ist. Die Plasmastrahldüse ist an ein Kabel 21 angehängt, das mittels eines Antriebsmotors 22 so bewegbar ist, daß die Düse parallel zur Hülsenachse verschoben werden kann. Die Düse ist um eine Lagerbuchse verschwenkber, die ihrerseits längs einer Welle 25 verschiebbar ist, damit die Düse in Höhe und Winkelrichtung auf die Hülse 11 ausgerichtet vferden kann. Die Düse sitzt außerdem auf einer Gleitschiene 24, die eine gleichmäßige Verschiebung der Düse sicherstellt. Die Gleitschiene selbst ist verstellbar. Die Verschiebung der Düse wird weiterhin durch ein verstellbares Gegengewicht 25 erleichtert. Aufgrund dieser Einstellmb'glichkeiten kann r.:-n Jeweils Behandlungsbedingungen einstellen, unter welchen im Betrieb des Geräts die aufgeschmolzene, jedoch sehr viskose Oberflächenschicht der Rohrhülse nicht in einen Fließzue-tand kommt, sondern als gleichmäßige Oberflliclienbeschichtung s"f dem Umfang der RohrhUlse stehenbleibt. In der !Iahe des Au::- trittspunktes des Plasmas tr all Is aus der Düse 2G befindet sich eine Ausgabevorrichtung 25 zum Einspritzer, von Pulvern in den Masmastrahl.

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Das von dem Motor 15 abgelegene Ende der Hauptwelle 10 wird von einer beweglichen Aufnahme 27 getragen, die ein Thermoelement zur Messung der ungefähren Wellentemperatur im Betrieb des Geräts einschließt.

Die Arbeitsweise dieses Geräts wird anhand der folgenden Beispiele erläutert.

Beispiel 5

Eine feuerfeste Hohlhülse von etwa 204 mm Höhe, etwa 101 mm Außendurchmesser und etwa 44,5 mm Innendurchmesser wird auf eine Temperatur von 65O⁰C vorerhitzt und in dem Gerät nach den Fig. 3 und 4 behandelt. Die Aurjgangszusammensetzung des Werkstoffs entspricht dem Beispiel 2. Dem Plasmastrahl werden Zusätze aus 1 Gewichtsteil CaO, 4 Teilen Al₂O^ und 14 Teilen ZrO₂ mittels eines Stickstoffträgergases auf eine Dauer von 9 Minuten zugegeben, während welcher Zeit die Hohldüse eine vollständige Umdrehung ausführt. Die Plasmabehandlung wird während weiterer 9 Minuten fortgesetzt, während welcher Zeit eine weitere vollständige Umdrehung der Hohlhülse erfolgt. Die Hohlhülse wird aus dem Gerät heraus-

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genommen und kann während 8 Stunden innerhalb eines isolierten Wärmekastens auf Zimmertemperatur abkühlen. Die Plasmawerte sind folgende:

Spannung: IJO V

Stromstärke: 250 A

Entladungsgas: 85O l/h Ar; 1133 l/h N₂

Trägergas für die Pulverzugabe: 566 l/h Np.

Beispiel 6

Eine feuerfeste Hohlhülse der gleichen'Art wie Beispiel 5 wird auf etwa 700⁰C vorerhitzt und entsprechend dem vorigen Beispiel behandelt. In den Plasmastrahl werden folgende Zusatzstoffe eingegeben: 1 Gewichtsteil CaO, 2 Gewiehtsteile Aluminiumpulver und l6 Gewichtsteile Zirkoniumpulver (als Mischung ZrOp, SiOp mit einem Gehalt von etwa 65 % ZrO₂ und SiO₂)· Die Zugabe erfolgt etwa 10 Minuten lang, in welcher Zeit eine vollständige Umdrehung der Hohlhülse erfolgt. Die Pulverzugabe erfolgt in einer Menge von 40 g/min. Es erfolgt eine weitere Drehung der Hohlhülse unter Plasmabestrahlung während 8 Minuten, worauf die Hohlhülse in der vorerhitzten, isolierenden Heizkammer

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8 Stunden lang auf Zimmertemperatur abkühlen kann. Die Plasmawerte sind ebenso wie im Beispiel 5.

Beispiel 7

In diesem Beispiel kommt eine unterschiedliche Technik zur Anwendung, wonach eine Färbung der Hülsenoberfläche mit der Stoffzusammensetzung versucht wird, welche der Oberfläche der feuerfesten Hülse zugesetzt φ werden soll.

Die benutzte Hülse war ebenso wie in den Beispielen 5 und β ausgebildet. Eine Mischung aus 1 Gewichtsteil CaO, 3 Teilen MgO und 20 Teilen Monazitsand,mit einem Gehalt von 7 £> Thorium, wird in einer kleinen Wassermenge suspendiert. Leinöl wird der Suspension in einem Anteil von etwa einem Drittel der Wassermenge zugefügt. Die erhaltene Paste wird in einer Menge von etwa 500 g pro Hülse dick auf die Außenfläche der Hohlhülse aufgetragen. Die Hülse wird in die Heizkammer eingebracht und während einer Dauer von 3 Stunden auf etwa 650⁰C vorerhitzt. Danach erfolgt 15 Minuten lang eine Plasmabehandlung mit denselben Plasmagrößen wie in Beispiel 5. Danach wird die Hülse während einer Dauer von 4 Stunden auf Zimmertemperatur abgekühlt. Man erhält eine unter Normalbedingungen sehr gute Be-

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ORIGINAL

ständigkeit«

/5

Der Erfolg dieses Verfahrens bei der Behandlung von normalerweise nichtleitenden Stoffen, wie feuerfeste Keramlka, "unter Anwendung einer Gegenelektrode bei übergreifender Bogenentladung liegt vermutlich in den Emissions- eigensohaften des feuerfesten Stoffes begründet. Bei Temperaturen, auf die der Keramikstoff durch den Plasmastrahl aufgeheizt wird, bildet sich offenbar in dem Keramikstoff ^ aufgrund der Ionisierten Dampf- und Flilssigkeitsphase eine erhebliche elektrische Leitfähigkeit aus. Damit kann ein ausgedehntes Schmelzbad des feuerfesten Keramikstoffes erhalten werden. Dieses ausgedehnte Schmelzbad wird mit Vorteil angewendet, wenn zwei feuerfeste Körper miteinander verbunden werden sollen. Diese werden mit ihren Seitenflächen aneinanderstoßend in das Gerät nach der Erfindung eingebracht. Nach Erzeugung eines großen Schmelzbades des Keramikstoffes längs der Verbindungskante dringt die Keramikschmelze in den Spalt zwischen den beiden Kör- ' pern ein, die dann nach Verfestigung im Spaltbereich fest miteinander' verbunden sind.

Die thorierte Wolframelektrode ist mit einen negativen Pol und der Anschluß β der Gegenelektrode ist mit

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einem positiven Pol einer Spannungsquelle für den Plasmagenerator verbunden. Die Seitenwände 2 des Gerätes sind geerdet. Ein Plasmastrahl wird unter Verwendung eines Gaszustroms aus einer Mischung von 566 l/h Argon und 283 l/h Stickstoff gezündet. Bei stabilem Betrieb dieser Bogenentladung wird ein Entladungsstrom von 200 A und eine Bogenspannung von 100 V gemessen.

Aus der Düse 7 tritt ein langer und stabiler Entladungsbogen aus, der sich über eine Länge von etwa 4 cm über die Oberflache des Schamottesteins ausbreitet und in den Spalt sv.dschen Gegenelektrode 4 und Oberfläche des Schamottesteins eintritt. Die Gegenelektrode stellt eine :iüc>:.:---.^>itung für den Entladungsstrom dar. Die Wärmemenge des Lichtbogens hält einen großen Oberflächenbereich des Schamottesteine auf einer Temperatur wesentlich oberhalb des Schmelzpunktes. Der entsprechend aufgeschmolzene Werkstoff überdeckt die Oberfläche des Schamottesteins in Form eines Steges, doch ergibt sich bei Bewegung des Lichtbogens nach einer Seite des Schmelzflusses eine Vergleichmäßigung, cc da."' nan eine dicke, glatte Oberflächenzone erhält. Wenn de.ε Werkstück zu Beginn der Bearbeitung nicht aufgeschmolzen vrird, tritt der Plasma: tr chi in den Zwischenraum zwischen Gegenelektrode und Jchsmottestein ein, doch

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wird der Schamottestein weiter aufgeheizt, seine Emissionsgrößen steigen offensichtlich an und der Plasmastrahl dringt, dann stärker in den Schamottestein ein; dadurch wird ein größerer Anteil der verfügbaren Wärmemenge in dem Schamottestein umgesetzt.

Die Düse 7 is^fc auf eine Länge von etwa 8 cm längs der Gegenelektrode verschiebbar, damit bei einem Durchlauf der Düse die Gesamtbreite des Schamottesteins durch den Plasma- A strahl behandelt werden kann. Am Ende ,jedes Durchlaufes wird" der Schamottestein auf einem kurzen Abschnitt quer zu dem Spalt zwischen den Seitenwänden 2 bewegt, so daß schließlich die -gesamte Oberfläche des Schamottesteins von dem Plasmastrahl behandelt wird. Auf diese Weise beträgt die Arbeitsleistung etwa βθ cm pro Minute. Ein weiterer Vorteil dieses Behandlungsverfahrens für feuerfeste Ziegelsteine liegt in der Möglichkeit, die AufschmeIzoberflächenschicht mit unterschiedlichen Eigenschaften gegen- - _v über dem leststoff des Ziegelsteines auszustatten. Beispielsweise kann man einen feuerfesten Ziegelstein, der im Gebrauch der Einwirkung einer Stahlschmelze oder Schlackenschmelze ausgesetzt ist, mit einer Oberflächenschicht ausstatten, die einen Zusatz von Zirkoniumoxid enthält. Dieser Zusatz kann in das Keramikschmelzbad entweder durch eine Einspritztechnik in den Gasstrom des Plasmastrahls oder

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durch EinsprUhen einer geeigneten Zirkoniumverbindung in den Spalt zwischen der Gegenelektrode 4 und dem feuerfesten Ziegelstein eingebracht werden. Nach diesem Verfahren erhält man einen Ziegelstein mit einer zirkonium angereicherten Oberfläche, der unter viel geringerem Kostenaufwand als ein Ziegelstein hergestellt werden kann, der vollständig aus einem zirkoniumangereicherten Stoff besteht. Dadurch kann man gewöhnliche feuerfeste Ziegelsteine veredeln, indem man eine Oberfiächenbeschichtung erzeugt, die den betreffenden Ziegelstein mit weit verbesserten feuerfesten Eigenschaften oder entsprechend dem jeweiligen Anwendungszweck mit anderen Eigenschaften ausstattet.

Es wurde festgestellt, daß für feuerfeste Ziegelsteine die wichtigsten Gebrauchseigenschaften eine hohe Dichte und eine geringe Durchlässigkeit sind. Die Oberflächenbehandlung nach der Erfindung liefert Ziegelsteine mit einer dichten Aufschmelzoberflächenschicht, wodurch die obigen Kenngrößen in verbessertem Maße erzielt werden. Hohlhülsen können ebenfalls mit einer gleichmäßig dicken und dichten Oberflächenschicht ausgestattet werden, ohne daß andere Zusatzbehandlungen als die Bestrahlung mit einem Plasmastrahl erforderlich wären. Eine

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Hohlhülse muß jedoch Eigenschaften aufweisen, die einen Kompromiß zwischen der hohen notwendigen Porösität zur Kühlhaltung eines Stahlstabes, der durch die Hülse im ° Gebrauch geschützt werden soll, und einer geringen Porosität im Sinne? einer Beständigkeit gegenüber einer Schlackenschmelze» mit der die Hülse in Berührung ist, darstellen. Es hat sich Jedoch als möglich erwiesen, die Eigenschaften der Oberflächensdaicht durch Einführung bestimmter Zusatzstoffe in der gewünschten Weise abzu- ^ wandeln. Dies kann beispielsweise durch Zusatzstoffe nach einer der im folgenden genannten Verfahrensweisen erfolgen: * '

1. Unmittelbare Eingabe in den aus der Strahldüse austretenden Plasmastrahl oder Eingabe des Zusatzes in einen eingeschnürten Durchgang der Entladungskammer.

2. Eingabe eines oder mehrerer Bestandteile die

innerhalb des Plasmas reagieren, in die Plasmaentladung, (| so daß die Reaktionsprodukte, welche die Oberfläche erreichen, im wesentlichen umgewandelt sind. Beispielsweise kann man einen merklichen Anteil von Aluminiumnitrid erhalten, indem Aluminiumpulver in ein Stickstoffplasma eingeführt wird.

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j5. Durch Imprägnieren der Oberfläche des feuerfesten Körpers mit Stoffen, die in das Gitter des feuerfesten Körpers eingebunüen werden und/oder mit demselben oder mit den Plasmagasen während der sich anschließenden Oberflächenbehandlung reagieren.

Eine Veränderung der feuerfesten Oberfläche durch Zusatz von Zirkoniumoxid' ZrOp, Zirkoniumsilikat ZrSiO^, Aluminiumoxid AIpO-, und Thoriumoxid ThOp ist bereits φ in den vorstehenden Abschnitten erläutert worden, doch betrifft die Erfindung auch die Anwendung anderer Zusatzstoffe einschließlich Kohlenstoff, Aluminiumnitrid AIn^, Titannitrid und Titandiborid sowie Porsterit. Auch Mischungen, z.B. von Aluminiumoxid mit Forsterit, möglicherweise unter Einschluß von Titan- und Aluminiumnitrid, sind brauchbar.

Die vorstehende Beschreibung von Ausführungsbei-

^ spielen der Erfindung gibt nur einige Ausführungsformen an. Eine Vielzahl von Abwandlungen ist im Rahmen des Erfindungsredankens möglich. Beispielsweise kann die Gegenelektrode anstelle der Ausbildung in Kupferblech mit Kühlrohren auch in anderer V/eise als geschlossener Kasten aus dünnem Kupferblech mit einem Wasserumlauf innerhalb der Kastenwandungen ausgebildet sein. Die An-

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wendung der Gegenelektrode ist nicht auf eine übergreifende Bogenentladungsteohnik für Keramikstoffe eingeschränkt. Zahlreiche andere, normalerweise nichtleitende Stoffe, beispielsweise natürliche Mineralien, weisen bei ausreichend hoher Temperatur ebenfalls eine genügende elektrische Leitfähigkeit auf und sind für eine Behandlung mit dem Plasmabehandlungsgerät unter Verxvendung der Gegenelektrode brauchbar.

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β»

Claims

Patentansprüche

1. Plasma-Bearbeitungs-bzw.-Behandlungsgerät mit auf ein Werkstück übergreifender Bogenentladung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmagenerator (7, 20) mit Gas- und Leistungszufuhr (20a, 20b) sowie eine Gegenelektrode (4, 19) dem Werkstück gegenüberstehen und durch einen elektrischen Schaltkreis miteinander verbunden sind.

2. Gerät nach Anspruch 1 zum Aufschmelzen von Oberflächenschichten auf feuerfeste Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits eine Abstützung für den Plasmagenerator gegenüber dem betreffenden Werkstück und andererseits eine Abstützung für die Gegenelektrode gegenüber dem Werkstück vorgesehen sind.

3. Gerät nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine dem Plasmagenerator gegenüberliegende Drehhaiterung für das Werkstück und durch einen Drehantrieb für das Werkstück, mittels welchem einzelne Teilbereiche der Werkstückoberfläche zum Zwecke der Behandlung jeweils nacheinanderauf den Plasmagenerator ausgerichtet werden können.

4. Gerät nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator (20) auf einer Schiene (23) längs

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des Werkstücks (11) verschiebbar ist, so daß der Plasmagenerator über die gesamte Werkstücklänge verschoben werden kann.

5· Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eineAbgabevorrichtung (26) zur Einspeisung von Zusatzstoffen in fein verteilter Form in den Plasmastrahl des Plasmagenerators zwecks Aufbringung auf die Werkstückoberfläche.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5.» gekenn zeichnet durch eine Vorrichtung (17) zur Erhitzung der gesamten Werkstückoberfläche auf eine erhöhte Temperatur mittels Strahlerelementen, die längs des gesamten Werkstücks angeordnet sind.

7. Anwendung des Gerätes n-ich Anspruch 2 zur Erzeugung aufgeschmolzener Oberflächenschichten auf feuerfesten Werkstücken.

8.-Schamottestein mit unter Anwendung eines Gerätes nach Anspruch 2, aufgeschmolzener Oberflächenschicht.

9. Feuerfeste Muffe mit unter Anv.'endung des Gerätes nach Anspruch 2 aufgeschmolzener Oberflächenschicht.

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10. Keramischer Körper mit unter Anwendung des Gerätes nach Anspruch 2 aufgeschinolzener Oberflächenschicht.

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Le e rs e i te