DE202015009154U1

DE202015009154U1 - Vorrichtung zur Lichtbogen-Plasma-Oberflächenreinigung von Metallerzeugnissen und eine Einrichtung hierfür

Info

Publication number: DE202015009154U1
Application number: DE202015009154.7U
Authority: DE
Original assignee: Ooo Gazprom Transgaz Sankt Petersburg
Current assignee: Ooo Gazprom Transgaz Sankt Petersburg
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2025-10-22
Also published as: DE102015117888A1

Abstract

Vorrichtung zur Lichtbogen-Plasma-Oberflächenreinigung von Metallerzeugnissen mit der Erzeugung eines Plasmastrahls mit Hilfe von mindestens einem Plasmatron, wobei der Plasmastrahl handbetätigt oder mechanisch an den zu reinigenden Bereich auf der Oberfläche des Erzeugnisses ausgerichtet ist, wobei die Oberfläche des Erzeugnisses durch eine thermische Einwirkung des Plasmastrahls auf die Oberflächenverschmutzungen gereinigt wird, indem diese erweicht, aufgeschmolzen, verdampft oder sublimiert und somit von der zu reinigenden Oberfläche entfernt werden, und wobei der Plasmastrahl im Zuge der Reinigung auf die jeweiligen benachbarten Stellen weiter versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasmatron mit übertragenem Lichtbogen zur Erzeugung eines Plasmastrahls vorgesehen ist, dass zu dieser Plasmastrahlerzeugung ein Pluspotential von einer Stromversorgung des Plasmatrons an das zu reinigende Metallerzeugnis angelegt ist, dass ein Anodenbereich der Entladung an den zu reinigenden Bereich ausgerichtet ist und dass die Reinigung durch Inbewegungssetzen des Plasmatrons oder des Erzeugnisses ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lichtbogen-Plasma-Oberflächenreinigung von Metallerzeugnissen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die vorliegende Vorrichtung zur Reinigung von Metallerzeugnissen bezieht sich auf den Maschinenbau und die Metallurgie, die Instandsetzung von Ausrüstungen für die Leitungsförderung sowie die Versorgungs- und Wasserwirtschaft und betrifft Vorrichtungen zur Entfernung von Schmutz, Zunder und Altisolierung von der Außenfläche von Rohrleitungen.
Die vorliegende Vorrichtung kann bei Instandsetzungsarbeiten für Erdöl- und Gasfernleitungen eingesetzt werden.
Um Reparaturarbeiten vorzunehmen, wird die Rohrleitung dem Leitungsgraben entnommen. Für die Diagnose muss die Rohrleitung als erstes gereinigt werden. Dabei handelt es sich um die Entfernung von altem Bitumen-, Gummi-Bitumen-, Kunststoff- und anderem Dichtungsmaterial. Dabei dürfen keine Reste der Altisolierung auf der Rohraußenfläche übrigbleiben. Nach der Reparatur der Rohrleitung wird diese mit einer neuen, isolierenden Deckschicht versehen. Um eine zuverlässige Adhäsion der Schutzschicht an der Rohroberfläche zu erreichen, muss das Rohr bis auf die blanke Metalloberfläche gereinigt werden, das heißt, jegliche Oxide (auch Rost und Zunder) sowie alle Öl- und Fettstellen müssen entfernt werden.
Die Absperrarmatur und die anderen Metallgeräte und -Baugruppen müssen der gleichen Reinigung unterzogen werden. Dabei muss eine solche Reinigung ggf. bei normalen sowie bei niedrigen Temperaturen, bei starker rel. Luftfeuchtigkeit, bei vereisten bzw. verschneiten Oberflächen erfolgen. Die vorliegende Vorrichtung gilt für solche Reinigungsverhältnisse.
Den bekannten Vorrichtungen zur Oberflächenreinigung von Rohrleitungen und sonstigen Metallerzeugnisse liegen folgende Reinigungsweisen zugrunde:

– Einsatz von Bürsten und einem Rahmen mit einem eingebauten Antrieb. Dabei wird eine hin- und hergehende Bewegung des Bürstenapparats entlang des Rohrs sichergestellt. Alternativ können diverse Mittel eingesetzt werden, die sich das zu reinigende Rohr hin und her bewegen lassen (Erfinderschein UdSSR 640.772, Patente RU 2.093.280 , RU 2.145.911 , RU 2.212.959 , Patent US 4.771.499 usw.)
– Einsatz von Schabern, einem Rahmen, einem Antrieb und Knielagerungen (Erfinderschein UdSSR 1.645.048, Patente RU 2.113.288 , 2.219.004 , Patent US 6.158.074 usw.)
– Einsatz von Gerüsten mit darin eingebauten, mit einem Werkzeug versehenen Schruppwalzen, die dabei mit einem Drehantrieb versehen sind (Erfinderscheine UdSSR 168.894, 192.152, 607.863, 668.576, Patent RU 2.383.403 usw.)
– Einsatz von Strahlgeräten sowie Einrichtungen zur automatischen Ausrichtung einer selbstfahrenden Rohrtrassenmaschine (Erfinderschein UdSSR 112.900, 333.030, 1.549.735, Patente RU 2.134.191 , 2.148.522 , 2.165.350 , 2.170.167 , 2.173.650 , 2.240.223 , 2.281.850 , Patente US 2.128.092 , 2.132.245 , 2.163.172 , Patent US 5.603.136 usw.)
– Einsatz eines Rahmens mit Laufrädern, einem Antriebswerk für Werkzeuge und einem Bedienpult (Erfinderschein UdSSR 995.908, Patente RU 2.145.911 , 2.219.003 , Patent US 4.306.914 usw.)
– Einsatz der Lichtbogenreinigung von Rohren und anderen Metallerzeugnissen mittels Kathodenbrennflecken unter Vakuum (Patente RU 2.139.151 , 2.374.046 , 2.158.784 , 2.347.010 , 2.152.454 , 2.145.643 , 2.139.152 , 2.171.721 ).

Alle vorgenannten Reinigungsvorrichtungen sind zur Oberflächenreinigung von Fernleitungen und anderen Metallerzeugnissen vorgesehen und weisen folgende Mängel auf:

– Keine mechanische Reinigung (Bürsten, Molche, Sand, Schrotstrahlreinigung, Schleifbearbeitung) ergibt eine hohe Reinigungsqualität. Besonders in der Winterzeit bleiben viel Schmutz und alte Schutzschichtreste auf der Rohroberfläche zurück. Auch in der heißen Jahreszeit wird keine gute Reinigungsqualität erreicht, denn der Anstrich aus Bitumen ist sehr weich und klebrig. Mechanische Teilchen (Schrot, Sand, Schleifmittel) haften in der alten zu entfernenden Schutzschicht. Bürsten und Molche setzen sich mit der zähen Bitumenmasse zu, so dass diese Masse die bereits gereinigte Oberfläche verschmiert.
– Die mechanische Reinigung führt zu mechanischen Schäden auf der Rohroberfläche; dabei werden Strichmarken und Risse gebildet, und die Schweißraupe wird teilweise abgeschnitten, wodurch wiederum die Festigkeit des Rohrs beeinträchtigt wird.
– Die mechanische Reinigung mit Molchen und Metallbürsten setzt häufigen Austausch des Schneidwerkzeugs voraus.
– Das Bestrahlen mit Schrot, Sand und Schleifmitteln setzt die Verwendung von viel Verbrauchsmaterial voraus, wobei viel Material verloren geht und die Umwelt verschmutzt wird.
– Alle mechanischen Vorrichtungen für die Rohrreinigung sind leistungsschwach, stellen keine hohe Bearbeitungsqualität sicher und sind für das Bedienungspersonal und für die Umwelt schädlich (feindisperse Aerosole gelangen in die Lungen der Bediener über Atemschutzgeräte).
– Die Lichtbogen-Plasma-Reinigung im Vakuum zeigt gute Ergebnisse, aber diese Reinigungsart ist für die Reinigung von Öl- und Gasausrüstungen und Fernleitungen absolut ungeeignet. Auch in der Metallurgie und im Maschinenbau ist es nicht immer anwendbar.

Als nächstkommender Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Vorrichtung wird das Gebrauchsmuster RU 143.764 B08B 9/023, veröffentlicht am 09.08.2013, angesehen, das als Prototyp gewählt ist.
Die vorliegende Vorrichtung und der Prototyp haben folgende gemeinsame wesentliche Merkmale:

– Die Reinigungsart nach dem Prototyp beruht auf der Einwirkung eines Plasmastrahls aus Plasmatronen mit einem nichtübertragenen Lichtbogen (S. N. Zhiznyakov, V. I. Mel'nik. Schweißen und Schneiden im Bauwesen, M. Stroyizdat, 1995. S. 35) mit einer hohen Energiedichte pro zu reinigender Oberfläche.
– Dieses kalte Plasma wird mit Hilfe von Plasmatronen generiert, denen ein plasmabildender Arbeitskörper (Gas, Dampf, Flüssigkeit) und elektrischer Strom von einer Außenquelle zugeführt werden.

Die dem Prototyp zugrundeliegende und mit der vorliegenden Vorrichtung zusammenfallende Wesen der Reinigung ist die Anwendung eines prinzipiell neuen Vorrichtung zur Entfernung von alten und neuen isolierenden Rohrumhüllungen und beliebigen anderen Verschmutzungen auf Metallrohren. Diese Vorrichtung besteht in der kurzzeitigen Einwirkung eines kalten Plasmas mit einer Temperatur von 10000–20000°C und einer Energiedichte von 10¹¹ W/m² pro zu reinigender Rohroberfläche.
Die wesentlichen Vorteile dieser Vorrichtung sind die Verwendung von kalten Plasmageneratoren, Plasmatronen als Werkzeug zur Entfernung von alten und neuen isolierenden Rohrumhüllungen und von beliebigen anderen Verschmutzungen auf Fernleitungen und anderen Metallerzeugnissen anstelle von Strahlanlagen oder Schleuderturbinen, die eine sehr schnelle Strömung von Metallschrot oder Schleifmittelteilchen oder Sand ausbilden.
Bei einer solchen Temperatur und Dichte der Wärmeenergie werden alle bekannten chemischen Elemente und ihre Verbindungen weich, schmelzen auf, verdampfen augenblicklich oder sublimieren von der Oberfläche der Metallerzeugnisse, wodurch die Oberfläche sauber wird. Dabei wird die Reinigungsqualität der Oberfläche auf atomarer Ebene erreicht.
Eine solche Reinigung ist von Wetterbedingungen (Hitze, Frost) unabhängig und umweltfreundlich, denn alle organischen Moleküle der alten oder der neuen Isolierungsschicht (hauptsächlich Polyäthylen und Bitumen, Öl, alte Farbe u. a. m.) dissoziieren unter Hochtemperatur (10000–20000°C), das heißt, sie zerfallen in ihre Bestandteile: C-, O₂-, H₂-Atome. Infolge einer Rekombination (nachfolgender Verbrennung) bilden diese die einfachsten, gefahrlosen Verbrennungsprodukte wie CO₂ und H₂O aus zusammengesetzten, krebserzeugenden Molekülen.
Zu dieser Verwandlung der krebserzeugenden Moleküle in die einfachsten, ungefährlichen Verbindungen trägt die Nutzung von Kohlenwasserstoffen und Wasserstoff als plasmabildende Arbeitskörper bei.
Dieser Grundsatz liegt heutzutage dem Betrieb von wärmetechnischen Anlagen für die Entsorgung von chemischen Waffen und giftigen chemischen Verbindungen zugrunde (M. N. Bernadiner. A. Shuryguin. Abfallverwertung mit Feuer und Entsorgung von Industrieabfällen. M.: Khimiya, 1990.)
Der Einsatz von Propangas- oder Azetylenbrennern ergibt bei der Reinigung von Metallerzeugnissen keinen solchen Effekt aufgrund der niedrigen Temperatur und Energiedichte im Strahl der Verbrennungsprodukte dieser Brenner. Im Gegenteil: es führt zur Vergasung von schadhaften, zusammengesetzten, organischen Molekülen. Eine solche Situation liegt z. B. bei einer kalten (konventionellen) Müllverbrennung vor, wobei nur eine Umweltverschmutzung verursacht wird.
Somit besteht das Wesen der bekannten Reinigung nicht darin, dass die Oberflächenreinigung von Metallerzeugnissen durch die rein mechanische Schmutzentfernung erfolgt, bei der feste Teile in einem Druckluftstrahl gegen die Oberfläche aufprallen. Bei dieser Reinigung handelt es sich darum, dass zuerst eine Hochtemperatureinwirkung eines Plasmastroms auf die Schmutzteilchen auf der Oberfläche vorgenommen wird und dass eine Plasmaflamme anschließend diese Schmutzteilchen von der Oberfläche wegbläst (mittels Verdampfung oder Sublimation). Der gesamte auf der Rohroberfläche vorhandene Schmutz wird vergast und von der Oberfläche entfernt. Dabei erfolgt die Oberflächenreinigung praktisch auf der molekularen oder atomaren Ebene. Allerdings hat der Prototyp einige wesentliche Mängel:

– eine niedrige Leistungsfähigkeit,
– eine kurze Laufzeit der Plasmageneratoren (Plasmatronen) ohne Ersatzelektroden,
– hohe Reinigungskosten aufgrund beachtlicher Energieverluste während der Reinigung nach dem Prototyp.

Alle vorgenannten Nachteile werden durch die vorliegende Vorrichtung behoben. Gemäß der Erfindung wird an dem zu reinigenden Metallerzeugnis ein Pluspotential von einer ein Plasmatron versorgenden Stromquelle angelegt. Ein Minuspotential wird an eine nichtabschmelzbare Kathode des Plasmatrons angelegt. Solche Schaltpläne des Plasmatrons werden als Plasmatron mit übertragenem Lichtbogen bezeichnet. Die vorliegende Erfindung schlägt zum ersten Mal vor, einen solchen Schaltplan (S. N. Zhiznyakov, V. I. Mel'nik. Schweißen und Schneiden im Bauwesen. M. Stroyizdat, 1995, S. 35) für die Lichtbogen-Plasma-Oberflächenreinigung von Metallerzeugnissen anzuwenden. Das heißt, die Reinigung wird mit Hilfe von Plasmatronen mit übertragenem Lichtbogen durchgeführt.
Bei einer solchen Einwirkung des Plasmastrahls auf die Oberfläche des zu reinigenden Erzeugnisses wird infolge der Lichtbogenentladung viel mehr Energie abgegeben. In diesem Fall kommt eine beachtliche Energiemenge, die im Anodenbereich des Lichtbogens freigesetzt wird, zu der Plasmastrahlenergie hinzu, die für die Oberflächenreinigung des Erzeugnisses sorgt. Der Anodenbereich der Entladung gemäß der vorliegenden Reinigung befindet sich auf der zu reinigenden Oberfläche des Metallerzeugnisses. Bei dieser Energiezunahme handelt es sich um ca. 40% und mehr (s. V. L. Likhachev. Elektroschweißen. Handbuch. M. Salon-press, 2004, S. 31) der am elektrischen Lichtbogen angelegten Leistung. Die Temperatur innerhalb des Anodenbereichs beträgt 2600°C (R. A. Kissarimov: Schweißertaschenbuch, M. Radiosoft, 2006, S. 41) und innerhalb des Plasmastrahls ca. 6000°C und mehr. Eine Hochtemperatur von Plasma im Anodenbereich, eine hohe Wärmeenergiedichte des Anodenplasmas und die Erhöhung der Energiefreisetzung im Reinigungsbereich steigern die Reinigungsleistung im Vergleich zur Reinigung nach dem Patent RU 143764 (Prototyp). Dieser Leistungsunterschied beträgt mindestens 20–30% gemäß den Versuchsangaben der Erfinder.
Die Laufzeit der Plasmatronen mit nichtübertragenem Lichtbogen (Prototyp) wird im Wesentlichen durch die Nutzdauer einer Anodenkassette (Anodenbaugruppe) festgelegt. Bei der Anodenbaugruppe handelt es sich in der Regel um eine wassergekühlte Kupfer-Anodenbaugruppe. Sie stellt ein Bauteil mit der höchsten Wärmedichte in der Konstruktion dar. Ihre Nutzdauer beträgt nur einige Stunden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung dient die zu reinigende Oberfläche des Metallwerkstücks als Anode. Eine leichte Erosion dieser Oberfläche ist dabei zulässig und sogar erwünscht, um eine hohe Adhäsion zu erreichen, denn nach der Reinigung wird die Oberfläche mit Schutzschichten versehen. Somit ist die Laufzeit des Plasmatrons gemäß der vorliegenden Erfindung von der Kathodenbaugruppe abhängig. Diese wird in der Regel aus schwerschmelzenden Metallen gefertigt oder während des Betriebs mit einer schwerschmelzenden Keramikschicht auf der Basis von Zirkon- oder Hafniumoxiden und -nitriden versehen. Somit ist die Nutzdauer der Kathodenbaugruppe um eine Größenordnung höher als die der Anodenkassette. Da erfindungsgemäß mehr der am Plasmatron angelegten Energie beim Oberflächenreinigungsvorgang verwendet wird, steigt auch der Nutzeffekt der vorliegenden Vorrichtung wesentlich an, und die Selbstkosten der Reinigung sinken.
Jedoch beschränkt sich die vorliegende Erfindung nicht auf den Wechsel auf die Plasmatronen mit übertragenem Lichtbogen allein. Es ist zu beachten, dass eine schlagartige Steigerung der Energiedichte im Reinigungsbereich das Aufschmelzen der Oberfläche des Metallerzeugnisses bzw. die thermischen Veränderungen seines Kristallgefüges (Anlassen, Härten, Martensitbildung usw.) verursachen kann. Um dies zu vermeiden, sieht die vorliegende Vorrichtung vor, dass der Plasmastrahl und der Anodenbereich der Entladung mit zwei Bewegungsarten überlagert werden (V. L. Likhachev. Elektroschweißen. Handbuch. M. Solon-press, 2004, S. 20 und 38).
Bei der ersten Bewegungsart handelt es sich um die Bewegung eines Anodenflecks mit einer hohen Geschwindigkeit und einer kleinen Bewegungsweite, ähnlich wie die Elektrodenbewegung, die die Schweißer quer über die Schweißnaht ausführen.
Bei der zweiten Bewegungsart handelt es sich um die Bewegung des gesamten Plasmatrons im Zuge der Werkstückoberflächenreinigung.
Es ist bekannt, dass man trotz riesiger Energiedichten in einem Laser- oder Elektronenstrahl immer eine solche Oberflächenabtastgeschwindigkeit für das zu behandelnde Erzeugnis wählen kann, bei der die Oberfläche verdampfen und aufschmelzen kann oder einer leichten thermischen Einwirkung ausgesetzt sein wird (A. G. Grigor'yants, A. N. Safonov. Grundlagen der Laser-Ausscheidungshärtung von Legierungen, M. Vysshaya shkola, 1988, Kapitel I). So wird auch der Anodenbereich der Entladung auf der Oberfläche des zu reinigenden Erzeugnisses erfindungsgemäß mit einer solchen Geschwindigkeit abgetastet, die kein Aufschmelzen oder keine andere negative Wärmeeinwirkung verursacht. Die Bewegung des Anodenflecks gemäß der vorliegenden Vorrichtung wird dadurch erreicht, dass das Plasmatron mechanisch in Bewegung versetzt wird. Das Plasmatron kann sowohl handbetätigt oder mechanisch, z. B. durch einen Roboter, bewegt werden. Die Bewegungen des Anodenflecks über die zu reinigende Oberfläche nach dem ersten Typ können auch mit Hilfe von magnetischen Feldern ausgeführt werden. Dabei wird der sogenannte Effekt des Einfrierens von Plasma im magnetischen Feld eingesetzt. Ein magnetisches Gleichfeld, ein pulsierendes Magnetfeld u. ä. m. werden mit dem Plasmastrahl oder mit dem Anodenbereich der Entladung oder mit beiden gleichzeitig überlagert (in Deckung gebracht).
Um die Leistung und den Nutzeffekt der Plasmareinigung mit Hilfe des Plasmatrons mit übertragenem Lichtbogen zu erhöhen, wird die Plasmastrahlachse während der Reinigung in einem spitzen Winkel zu der zu reinigenden Oberfläche in Richtung des Reinigungsgebiets ausgerichtet. Neben einer Düse des Plasmatrons wird eine Saugvorrichtung eines Rauchabsaugers oder einer Entlüftungsanlage im Reinigungsbereich angebracht, um gasförmige und aerosolartige Abfallprodukte der Reinigung abzuführen.
Am Plasmatron oder daneben wird ein Temperatursensor für die gereinigte Oberfläche angebracht. Die Messdaten werden auf einer Anzeige visuell dargestellt, wenn die Plasmatronbedienung manuell erfolgt, oder es wird ein Signal über die gereinigte Oberflächentemperatur in eine elektronische Einrichtung (nicht abgebildet) gesendet, die für die mechanische oder magnetische Abtastung der zu reinigenden Oberfläche mittels des Plasmastrahls oder des Anodenbereichs oder beider zuständig ist. Dabei werden solche Geschwindigkeiten der Bewegung nach der 1. und 2. Bewegungsart aufrechterhalten, die eine hohe Reinigungsqualität sicherstellen und die Überhitzung der zu reinigenden Oberfläche über die maximal zulässige Temperatur verhindern.
Um einen konstanten Abstand zwischen der Plasmatrondüse und der zu reinigenden Oberfläche während der manuellen Reinigung zu erreichen, kann ein gleitbares Zwischenstück eingesetzt werden, welches über die zu reinigende Oberfläche gleiten kann. Dieses Zwischenstück ist in der Figur nicht abgebildet. Wird ein mechanischer Antrieb (z. B. Roboter) verwendet, so wird der Abstand durch dieses technische Mittel sichergestellt. Erfindungsgemäß ist es auch sinnvoll, dass das jeweilige zu reinigende Werkstück selbst die Bewegungen nach der 1. und der 2. Bewegungsart in Bezug auf das Plasmatron ausführt, wobei ein Fahrwerk eingesetzt wird. Es ist auch sinnvoll, die Reinigung unter gleichzeitigen Bewegungen des Plasmatrons und des zu reinigenden Werkstücks zueinander durchzuführen.
Die Figur zeigt ein Übersichtsbild der vorliegenden Vorrichtung zur Reinigung eines Metallerzeugnisses mit Hilfe eines Plasmatrons mit übertragenem Lichtbogen. Es zeigen:
Bezugszeichenliste

1: Kathodenbaugruppe des Plasmatrons, bei der der Emissionsteil je nach Abnutzung austauschbar ist
2: Isolator
3: Düse bzw. Zündelektrode, bei der der Düsenteil je nach Abnutzung austauschbar ist
4: Temperatursensor der gereinigten Oberfläche des Erzeugnisses
5: das zu reinigende Erzeugnis
6: Schmutzschicht auf der Oberfläche des Erzeugnisses
7: Saugvorrichtung des Rauchabsaugers oder der Entlüftungsanlage
8: magnetisches System zur Bewegung des Plasmastrahls und des Anodenflecks
9: mechanisches Antriebssystem zur Bewegung des Plasmatrons
10: Fahrwerk zur Bewegung des Erzeugnisses in Bezug auf das Plasmatron
A: Plasmastrahl
B: Anodenbereich der Entladung
α: Neigungswinkel des Plasmastrahls zu der zu reinigenden Oberfläche

Die Entfernung von beliebigen Schmutzarten erfolgt manuell, mit Robotern oder mit anderen mechanischen Anlagen. Roboter oder mechanische Anlagen können einen oder mehrere solche Plasmatronen verwenden.
Vor der Arbeit wird ein Plasmatron in einem vorgegebenen Abstand zur Erzeugnisoberfläche angeordnet. An einer Kathodenbaugruppe des Plasmatrons 1 wird ein Minuspotential von einer Stromversorgung angelegt. Ein Pluspotential wird an dem zu reinigenden Erzeugnis 5 angelegt. Ein Kältemittel (normalerweise Wasser) wird einem Kühlsystem der Kathodenbaugruppe und einer Düse bzw. Zündelektrode 3 zugeführt. Ein plasmabildender Arbeitskörper (PAK) wird einem Raum zwischen der Kathodenbaugruppe und der Düse bzw. Zündelektrode zugeführt, die mit einem Isolator 2 voneinander getrennt sind. Normalerweise wird an dieser Stelle ein Wirbelerzeuger angeordnet, um einen besseren Plasmastrahl A zu bilden. Die Abluftanlage wird eingeschaltet, um Abfallprodukte 7 der Reinigung (Abgase, Aerosole) über ein System von Industriefiltern abzuführen. Die Abfallprodukte werden danach entsorgt. Es wird ein Temperatursensor 4 der gereinigten Oberfläche und seine Rückkopplung zum Antriebssystem 8, 9 für Bewegungen des Plasmatrons und/oder des Erzeugnisses 10 eingeschaltet. Das Minuspotential einer Stromversorgung (nicht abgebildet) wird an die Kathode 1 und das Pluspotential an das zu reinigende Erzeugnis 5 und an die Düse/Zündelektrode 3 (Stromzuleitung ist auf dem Übersichtsbild nicht abgebildet) angelegt. Mittels der Zündelektrode 3 wird ein elektrischer Zünd-Lichtbogen zwischen Kathode 1 und Düse bzw. Zündelektrode 3 erregt. Ein Plasmastrom in Form eines Strahls A schließt einen Stromkreis zwischen Kathode 1 und der zu reinigenden Oberfläche des Erzeugnisses 5. Dies führt zur Entladung zwischen Kathode 1 und dem zu reinigenden Erzeugnis 5. An dieser Stelle entsteht ein Anodenbereich der Entladung B auf dem zu reinigenden Erzeugnis 5. Der Lichtbogen zwischen Kathode 1 und der Düse bzw. Zündelektrode 3 wird ausgeschaltet. Unter der Wirkung von leistungsstarken Hochtemperatur-Plasmaströmen aus dem Anodenbereich B und dem Strahl A kommen das Aufschmelzen, die Verdampfung oder die Sublimation beliebiger Verschmutzungen 6 zustande, die sich auf der Oberfläche des Erzeugnisses 5 befinden.
Um eine intensivere und hochwirksamere Reinigung zu erreichen, wird der Plasmastrahl in einem spitzen Winkel α zu der zu reinigenden Oberfläche in Richtung des Reinigungsgebiets ausgerichtet.
Ein Temperatursensor 4 der gereinigten Oberfläche gibt ein Steuersignal ab, um die Geschwindigkeit und die Bewegungsbreite des Anodenflecks B und die Abtastgeschwindigkeit mit dem Plasmastrahl A über die zu reinigenden Oberfläche zu steuern, ohne dass ein Aufschmelzen oder eine unzulässige Überhitzung dieser Oberfläche zustande kommt. Bei manueller Reinigung wird die Abtastgeschwindigkeit von einem Bediener aufgrund dessen beruflicher Erfahrung oder anhand der Anzeigen des Temperatursensors 4 gewählt. Das Abschalten des Plasmatrons erfolgt in umgekehrter Reihenfolge.
Die wissenschaftlichen und Forschungsarbeiten auf dem Bereich der Lichtbogen-Plasma-Reinigung von Metallerzeugnissen werden bei ZAO PETROPLASMA (Aktiengesellschaft Petroplasma) bereits 26 Jahre lang durchgeführt. Die vorliegende Vorrichtung zur Plasma-Reinigung von Metallerzeugnissen wurde bereits geprüft. Diese Arbeit wurde zusammen mit OOO Gasprom Transgas St. Petersburg geleistet. Für Prüfungszwecke wurden Plasmatronen mit übertragenem Lichtbogen gefertigt. Die Lichtbogen-Plasma-Reinigung unter Anwendung von zwei Bewegungsarten wurden ausgearbeitet. Dabei wurden alte und neue isolierende Deckschichten (Bitumen, Polyethylenbeschichtung) von der Rohroberfläche entfernt. Es wurden auch alte Epoxidschutzschichten von der Absperrarmatur entfernt.

Als plasmabildender Arbeitskörper wurde Druckluft von einem Verdichter verwendet:

Luftdruck in atm.	8,0
Verbrauch, m³/Stunde	4,0
Wasserdruck in atm.	3,0
Verbrauch m³/Stunde	2,0

Kenndaten des Plasmatrons:

– Entladungsstrom, A	100,0
– Leerlaufspannung, V	250,0
– Betriebsspannung, V	130,0
– Aufnahmeleistung, W	13,0
– Wärmestrom in Kathode, kW	0,43
– Wärmestrom in Düse, kW	1,86
– Plasmastrahlenergie und Energie, die im Anodenbereich der Entladung im Reinigungsbereich freigesetzt wird, kW	10,71

– Kathode	Hafnium mit Kupferummantelung
– Düse bzw. Zündelektrode	Kupfer

Die Versuche haben eine hohe Effizienz der vorliegenden Vorrichtung gezeigt. Die Reinigungsleistung gegenüber dem Prototyp (Patent RU 143764 , veröffentlicht am 09.08.2013) wurde um 20 bis 30% und bei manchen Erzeugnissen noch höher übertroffen. Die Laufzeit wird nur durch die Nutzdauer der Kathode begrenzt und beträgt Hunderte von Stunden.
Die Reinigungskosten sind niedriger aufgrund der sinnvolleren Ausnutzung der dem Plasmatron zugeführten Energie, der kürzeren Stillstandzeit wegen des Elektrodenaustausches, der Kosten der Elektroden selbst, der erhöhten Reinigungsleistung, der billigeren PAK und des Einsatzes eines Verdichters anstelle der Flaschen mit gasförmigen PAK, z. B. Argon.
Die vorliegende Vorrichtung zur Lichtbogen-Plasma-Reinigung hat im Rahmen der Versuche eine höhere Leistungsfähigkeit, längere Laufzeiten ohne Elektrodenaustausch und niedrigere Selbstkosten der Reinigung im Vergleich zum Prototyp gezeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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RU 2145911 [0006, 0006]
RU 2212959 [0006]
US 4771499 [0006]
RU 2113288 [0006]
RU 2219004 [0006]
US 6158074 [0006]
RU 2383403 [0006]
RU 2134191 [0006]
RU 2148522 [0006]
RU 2165350 [0006]
RU 2170167 [0006]
RU 2173650 [0006]
RU 2240223 [0006]
RU 2281850 [0006]
US 2128092 [0006]
US 2132245 [0006]
US 2163172 [0006]
US 5603136 [0006]
RU 2219003 [0006]
US 4306914 [0006]
RU 2139151 [0006]
RU 2374046 [0006]
RU 2158784 [0006]
RU 2347010 [0006]
RU 2152454 [0006]
RU 2145643 [0006]
RU 2139152 [0006]
RU 2171721 [0006]
RU 143764 [0008, 0019, 0036]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. N. Zhiznyakov, V. I. Mel'nik. Schweißen und Schneiden im Bauwesen, M. Stroyizdat, 1995. S. 35 [0009]
M. N. Bernadiner. A. Shuryguin. Abfallverwertung mit Feuer und Entsorgung von Industrieabfällen. M.: Khimiya, 1990 [0015]
S. N. Zhiznyakov, V. I. Mel'nik. Schweißen und Schneiden im Bauwesen. M. Stroyizdat, 1995, S. 35 [0018]
V. L. Likhachev. Elektroschweißen. Handbuch. M. Salon-press, 2004, S. 31 [0019]
R. A. Kissarimov: Schweißertaschenbuch, M. Radiosoft, 2006, S. 41 [0019]
V. L. Likhachev. Elektroschweißen. Handbuch. M. Solon-press, 2004, S. 20 und 38 [0022]
A. G. Grigor'yants, A. N. Safonov. Grundlagen der Laser-Ausscheidungshärtung von Legierungen, M. Vysshaya shkola, 1988, Kapitel I [0025]

Claims

Vorrichtung zur Lichtbogen-Plasma-Oberflächenreinigung von Metallerzeugnissen mit der Erzeugung eines Plasmastrahls mit Hilfe von mindestens einem Plasmatron, wobei der Plasmastrahl handbetätigt oder mechanisch an den zu reinigenden Bereich auf der Oberfläche des Erzeugnisses ausgerichtet ist, wobei die Oberfläche des Erzeugnisses durch eine thermische Einwirkung des Plasmastrahls auf die Oberflächenverschmutzungen gereinigt wird, indem diese erweicht, aufgeschmolzen, verdampft oder sublimiert und somit von der zu reinigenden Oberfläche entfernt werden, und wobei der Plasmastrahl im Zuge der Reinigung auf die jeweiligen benachbarten Stellen weiter versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasmatron mit übertragenem Lichtbogen zur Erzeugung eines Plasmastrahls vorgesehen ist, dass zu dieser Plasmastrahlerzeugung ein Pluspotential von einer Stromversorgung des Plasmatrons an das zu reinigende Metallerzeugnis angelegt ist, dass ein Anodenbereich der Entladung an den zu reinigenden Bereich ausgerichtet ist und dass die Reinigung durch Inbewegungssetzen des Plasmatrons oder des Erzeugnisses ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl in einem spitzen Winkel zum Reinigungsgebiet ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl und der Anodenbereich der Entladung mit zwei Bewegungsarten überlagert sind, dass die eine Bewegungsart eine hohe Geschwindigkeit und eine kleine Bewegungsweite vorsieht, wobei die Überhitzung der zu reinigenden Oberfläche oberhalb einer jeweils zulässigen Temperatur vermieden wird, und dass die zweite Bewegungsart die Bewegung über die zu reinigende Oberfläche mit einer Reinigungsgeschwindigkeit vorsieht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rauchabsauger oder eine Abluftanlage vorgesehen ist, die die bei der Reinigung entstehenden Abgase aus dem Reinigungsbereich direkt abführen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetisches Feld für die Bewegung mit einer höheren Geschwindigkeit und einer kleinen Bewegungsweite vorgesehen ist und dass die zweite Bewegung manuell oder mechanisch vorgegeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bewegungen mechanisch oder manuell vorgegeben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der gereinigten Oberfläche ein Temperatursensor vorgesehen ist, dessen Messdaten die Geschwindigkeit der ersten Bewegung zur Abtastung eines Anodenflecks der Entladung und die Bewegungsweite bei der Bewegung über die zu reinigende Oberfläche manuell, mittels eines magnetischen Feldes oder mechanisch mit Hilfe eines elektronischen Systems beastimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmatron in Bezug auf das zu reinigende Erzeugnis manuell bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmatron und/oder das Erzeugnis in Bezug zueinander mit Hilfe eines mechanischen Antriebs bewegbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem magnetischen System versehen ist, um die Bewegung des Plasmastrahls des Plasmatrons über die zu reinigende Oberfläche zu ermöglichen.