DE2100474A1

DE2100474A1 - Verfahren zum Erregen eines, eine mitgeschleppte kondensierte Phase enthal tende, fließfähigen Mediums mittels einer Lichtbogenentladung Korman, Samuel, Hewlett, N Y , (V St A )

Info

Publication number: DE2100474A1
Application number: DE19712100474
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-01-08
Filing date: 1971-01-07
Publication date: 1971-07-29
Also published as: US3644781A

Description

Samuel Korman
Hewlett, Ν.3Γ., V.St.A.

Verfahren zum Erregen eines, eine mitgeschleppte kondensiertePhase enthaltende»fließfähigen Mediums mittels einer

Lichtbogenentladung

Die Erfindung betrifft die Erregung eines fließfähigen Mediums, das eine mitgeschleppte kondensierte Phase enthält, mittels einer Lichtbogenentladung zwischen einer Anode und einer Kathode mit konischer Spitze, wobei diese Bogenentladung eine Einschnürung des stromführenden Bereiches der Obergangszone in der Nähe dieser Kathode derart bewirkt, daß die Biegungspunkte dieser Einschnürung des stromführenden Bereiches in der Verlängerung einen Winkel χ bilden. DaA erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein fließfähiges Medium gewaltsam entlang dieseij/konischen Spitze der Kathode in diese Einschnürung des stromführenden Bereiches in der Übergangszone in der Nähe der Kathode und durch diese Einschnürung hindurch bewegt wird,

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und zwar mit einer hinreichend hohen Mengenstromdichte bei im wesentlichen konstanter Konvektionsgeschwindigkeit, um einen Anstieg der Temperatur dieser Bogensäule bei kon stanter Stromhöhe zu erzielen, und bei einer geringeren Gesamtkonvektionsgeschwindigkeit des strömenden Mediums bei im wesentlichen konstanter M engenst romdichte als der, die ausreicht, um den Winkel α bei konstanter Stromhöhe auf einen Wert von unter 40 zu bringen, und daß ein feinver teiltes, nichtgasfönniges Medium, das in der Lage ist, eine Vergrößerung des Winkels α zu bewirken, diesem fließfähigen Medium zugesetzt wird, welches mit einer solchen Ge samtkonvektionsgeschwindigkeit des fließfähigen Mediums bei im wesentlichen konstanter Gesamtmengenströmungsdichte gewaltsam entlang der konischen Spitze bewegt wird, daß diese Geschwindigkeit unterhalb des Wertes liegt, der ausreicht, um diesen vergrößerten Winkel α unter 40 bei konstanter Stromhöhe zu verringern.

Es ist bekannt, zwischen einer Kathode und einer Anode eine elektrische Entladung von solcher Intensität durchzuführen, daß das Material der Anodenoberfläche verdampft und in einen Plasmastrahl umgewandelt wird, der in den freien Raum schießt, ohne die Kathode zu treffen. Ein solcher Lichtbogen wird häufig als Anodenzerstäubungsbogen (hierarc) bezeichnet.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, Energie auf fließfähige Materialien zu übertragen, indem diese Ma terialien der Energie eines hierarcs ausgesetzt werden. Das US-Patent 3 209 194 beschreibt ein neues Verfahren, bei dem ein solches fließfähiges Medium kontinuierlich durch eine poröse Anode geleitet wird, so daß es durch die aktive Anodenoberfläche in die Entladung eintritt; d.h., daß diese Oberfläche als Lichtbogenkopf wirkt. In dieser Patent-

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schrift ist bereits angegeben,-daß bei Beachtung bestimmter Voraussetzungen beim Betrieb einer solchen Vorrichtung einzigartige und wertvolle Ergebnisse erzielt werden können.

Diese kritischen Verfahrensbedingungen bestehen in folgendem:

(1) Der mittlere Durchmesser der Poren an der Oberfläche der Anode soll kleiner sein als die Breite des Anodenfall räume s» der sich normalerweise in Abwesenheit eines Strömungsflusses in der Nähe des aktiven Bereiches ausbildet; d.h., kleiner als die Fallraumbreite eines herkömmlichen, unter strömungsfreien Bedingungen betriebenen Lichtbogens.

(2) Das fließfähige Medium wird derart durch die Durchlässe in der porösen Elektrode gezwungen, daß das Medium direkt aus der Elektrodenoberfläche in den Fallraum oberhalb des mit dem Lichtbogenkopf an der porösen Elektrodenoberfläche kongruenten Bereiches, und vorzugsweise nirgends sonst, austritt.

(3) Die Oberflächenverteilung der Öffnungen, durch welche aas Medium aus der Elektrode in den Fallraum aus tritt, soll genügend gleichmäßig sein, so daß die einzelnen Ströme aus jeder Öffnung sich seitlich zerstreuen und mit den anderen Nachbarströmen zu einem homogenen Strom zusammenfließen, als ob das Medium wie ein Dampf aus einer festen Oberfläche austräte, und außerdem soll der durch schnittliche Porenabstand auf der aktiven Überfläche ge nügend klein sein, so daß eine im wesentlichen vollkommene Strömungshomogenität erreicht ist, bevor das Medium eine nennenswerte Entfernung im Fallraum zurückgelegt hat.

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(4) Bei vorgegebenem Lichtbogenstrom, Elektroden abstand und Umgebungsdruck soll die Geschwindigkeit des Austritts des Mediums aus der porösen Anode so eingestellt werden, daß sie größer ist als der Wert, der erforderlich ist, um ein Übergang zu einem hierarc-Betrieb zu bewirken.

Das US-Patent 3 214 623 beschreibt eine Ver besserung dieses Verfahrens, wobei die Bogenentladung eine im wesentlichen konische Gestalt annimmt. Die Kathode, die poröse Anode und die isolierenden Halterungen sind dabei geometrisch so zueinander angeordnet, daß die leitende Säule die Gestalt eines axialsymmetrischen Kegelmantels annimrat.

Diese Technik der Einführung eines Mediums durch eine poröse Anode wird als "fluid transpiration are" bezeichnet (FTA) und ist ein zweites Beispiel für die Ver wendung eines hierarcs zur Übertragung von Energie auf Materialien.

Die FTA-Technik unterscheidet sich durch mehrere interessante Merkmale von anderen Plasma-Generatoren und bietet viele Möglichkeiten der Verwendung als zusätzliches Mittel in Hochtemperaturanlagen. Eine der hervorstechendsten Eigenschaften der PTA ist seine Energieübertragungswirksamkeit (Verhältnis der abfließenden Strahlenthalpie zu der aufgenommenen Leistung). Dies Ergebnis beruht hauptsächlich darauf, daß die Notwendigkeit entfällt, die Lichtbogensäule mit einer thermischen Einfassung zu ver sehen, die das grundsätzliche Mittel zur Stabilisierung der Säule gegen Strömungen im wandstabilisierten Licht bogen ist. Bei der letztgenannten Vorrichtung geht ein großer Teil (z.B. 30-60%) der aufgenommenen Leistung unvermeidlicherweise durch Wärmeübertragung auf den Kühl -

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kreislauf des einfassenden Kanals verloren. Im Falle des FTA wird, wenn das aus der porösen Anode austretende Medium den Anodenmantel durchdringt, ein großer Überschuß an Ionen erzeugt, der dazu dient, unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit den Lichtbogen zu stabilisieren. Somit entfällt die Notwendigkeit eines wassergekühlten, einfassenden Kanals, der eine bedeutende Energiefalle darstellt. Bin weiterer Faktor ist die Rückgewinnung der dem . Anodenkörper zugeführten Wärme, von der ein Teil auf das eintretende Gas übertragen wird, wenn dieses die Anode durchdringt, und in den Lichtbogenstrom zurückgeführt wird. Dadurch wird die Energie verringert, die an den Kühlkreislauf der Anodenhaiterung verloren geht, so daß die Gesamtwirksamkeit weiter verbessert wird. Das Endergebnis ist ein Plasmagenerator, der selbst bei den kleinen Laboratoriumsanlagen mit Wirksamkeiten im Bereich von 80-90 i» arbeitet.

Eine andere Folge des Wegfalls einer Säulenein fassung ist die quasi frei brennende Natur des FTA. Der einzige Zwang, der dieser Vorrichtung auferliegt, ist das Erfordernis, daß das Arbeitsmedium den Anodenmantel durchdringen muß, um aus der Anode auszutreten. Da der Mantel eine dünne Schicht ist, die der Anodenoberfläche anliegt, ist die Säule, die von dem Strom gebildet wird, nachdem dieser den Mantel verlassen hat, völlig uneingeschlossen. Dies ist von besonderem Interesse für solche Anwendungen, bei denen ein unbehinderter Zutritt zur Säule wichtige praktische Vorteile mit sich bringt. Von Interesse ist auch der quasi eindimensionale Charakter des austretenden Pias mas innerhalb einer nennenswerten Strecke entlang der Säule. Dank der Form und Lage des Anodenmantels (dünne, flache Scheibe), durch welchen das Medium dringt, sind die Plasmaeigenschaften der austretenden Säule in radialer Richtung

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weitgehend unveränderlich. Diese radiale Unveränderlichkeit besteht auf einer Strecke von mehreren Säulendurchmessern stromabwärts und stellt ein bedeutendes Volumen dar, das nur durch eine achsiale Veränderlichkeit der Plasmaparameter gekennzeichnet ist. Dies bedeutet, daß ein kleines achsiales Inkrement der Säule ale ein gleichförmiges Medium angesehen werden kann, wodurch die theoretische Interpretation der Beobachtungswerte erleichtert wird.

Eines der interessantesten Merkmale des PTA ist die abnormal hohe elektrische Leitfähigkeit des abfließenden Plasmas, insbesondere in dem Bereich nahe der Anode. Hier beobachtet man eine makroskopische Plasmazone, die durch ein hohes Maß an Ungleichgewicht gekennzeichnet ist. Ins besondere ist überall in diesem Bereich die Elektronentemperatur viel höher als die Gastemperatur. Diese Er scheinung ist zwar schon in Niderdruckentladungen (< 0,1 atm.) beobachtet worden, jedoch noch, nie bei Atmosphärendruck. Diese hohe Elektronentemperatur ist an sich noch nicht ausreichend, um die beobachtete elektrische Leitfähigkeit zu erklären (Zwei-Temperaturen-Modell). Spektroskopische Messungen ergeben ein höheres Maß an Ionisierung, als zu der Saha-Gleichung in Beziehung ge .-setzt werden kann. Die hohe Dichte an freien Elektroden in einem relativ dichten Plasma läßt eine Erhöhung der Kontinuum-Strahlung vermuten und stellt die Basis für eine wirksame Strahlungsquelle dar.

Es wurden auch bereits Versuche unternommen, ein Arbeitsmittel an anderen Stellen als an der Anode in das Innere einer Lichtbogensäule einzuführen. Hierbei traten viele Schwierigkeiten auf. Es wurde z.B. in einer eingefaßten Lichtbogensäule mit herkömmlichem, wandstabilisiertem Bogen und einem unterteilten, wassergekühlten Ein fassungskanal, der lang genug ist, um das Entstehen einer

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völlig entwickelten Säule zu gewänrleisten, das einge führte Gas gezwungen, achsial, konzentrisch und parallel zur leitenden Säule zu strömen. Da die Säule bei dieser Vorrichtung einer erheblichen thermischen Einschnürung unterworfen ist, sollte man annehmen, daß das Gas durch die Säulengrenzflache hindurch in die primäre Energie Zerstreuungszone gezwungen würde. Es wurde jedoch gefun den, daiS selbst im voll entwickelten Bereich, außerhalb dessen die radialen Veränderlichkeiten der Strömungspara meter konstant bleiben, bei weitem der größte Teil der Strö- * mung den dünnen, kühlen, nichtleitenden Gasfilm durch quert, der der Kanalwandung benachbart ist. Nur etwa 10 $> der Massenströmung betritt den heißen Kern. Die viel höhere Dichte und niedrigere Viskosität des kühlen Gases in der Wandschicht sowie die Tatsache, daß selbst ein sehr dünner Film eine erhebliehe Querschnittsbreite in der Nähe der Wandung haben kann, gleichen die niedrigere Geschwindigkeit der kühlen Gasschicht aus und gelten für fast den gesamten Massenfluß. Zu beachten ist, daß die radiale Temperatur quer zum voll entwickelten Teil der Säule einen Wert von mehr als 10 OOQ°K für über 80 # des Kanaldur cn messers hat, so daß das Plasma den Kanal recht gut aus füllt. Die Folgerung "ist, daß der größte Teil des Arbeite- " mittels die Säule nicht durchdringt und daher der Zone maximaler Energiezerstreuung nicht ausgesetzt ist.

Der gleiche Effekt wird bei anderen Strömungskonfigurationen beobachtet. Wenn z-.B. ein Gasstrom im rechten Winkel zu der Säule eines frei brennenden Bogens einge führt wird, wird der Bogen bei sehr niedrigen Strömungs- - geschwindigkeiten ausgeblasen. Jedoch kann die Säule durch ein magnetisches PeId von geeigneter Stärke stabilisiert werden, das in der Normalen sowohl*zur Säule als auch zur Gasströmung orientiert ist, so daß die Konvektionskraft

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genau ausbalanciert wird. Selbst wenn dieses Gleichgewicht bei sehr hohen Strömungsgeschwindigkeiten eingestellt wird, tritt das Gas nicht in die Säule ein, sondern wird rund um die Säule abgelenkt, so daß es sich mehr wie ein fester Zylinder benimmt. Eine Untersuchung aller existierenden Bogenplasmastrahlvorrichtungen zeigt, daß in fast allen Fällen das Arbeitsmittel nicht der Zone direkter Energieübertragung ausgesetzt wird. Die einzige bisher bekannte Ausnahme ist das I¹TA, bei welchem das Ar-

™ beitsmittel zunächst in der Anodenummantelung erregt wird und dann vollkommen die Säule in der Nähe der Anode durchdringt. Selbst bei dieser Vorrichtung kollidiert bei Verwendung einer herkömmlichen, konisch zugespitzten Kathode der natürliche Kathodenstrahl mit dem Austrittsgas an einer Stelle zwischen den Elektroden. Das eingeführte Gas durchdringt somit nur die "positive Säule", d.h., den Teil der leitenden Säule zwischen der Anode und der Stelle des Zusammenpralls der beiden Strahlen. Die "negative Säule" zwischen der Kathodenspitze und der Stelle des Zusammenpralls ist durch die Strömung von Umgebungsgas gekennzeichnet, welches ein anderes als das eingeführte Gas sein

_ kann.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Einführung steigender Mengen eines nichtgasföimigen Arbeitsmittels in die von der Kathodenspitze sich erstreckende negative Säule.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zum Erregen eines fließfähigen Mediums, das eine mitgeschleppte kondensierte Phase enthält, mittels einer Lichtbogenentladung zwischen einer Anode und einer Kathode mit konischer Spitze, wobei diese Bogenentladung eine Einscnnürung des stromführenden Bereiches in der Übergangs -

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zone in der Fähe dieser Kathode derart bewirkt, daß die Biegungspunkte dieser Einschnürung des stromführenden Bereiches in der Verlängerung einen Winkel α bilden. Das erfindungsgeinäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein fließfähiges Medium gewaltsam entlang dieser konischen Spitze der Kathode in diese Einschnürung des stromführenden Bereiches in der Übergangszone in der Nähe der Kathode und durch diese Einschnürung hindurch bewegt wird, und zwar mit einer hinreichend hohen Mengenstromdichte bei im wesentlichen konstanter Konvektionsgeschwindigkeit, um einen Anstieg der Temperatur dieser Bogensäule bei konstanter Stromhöhe zu erzielen, und bei einer geringeren Gesamtkonvektionsgeschwindigkeit des strömenden Mediums bei im wesentlichen konstanter Mengenstromdichte als der, die ausreicht, um den Winkel α bei konstanter Stromhöhe auf einen Wert von unter 40 zu bringen, und daß ein feinverteiltes, nichtgasförmiges Medium, das in der Lage ist, eine Vergrößerung des Winkels α zu bewirken, diesem fließfähigen Medium zugesetzt wird, welches mit einer solchen Gesamtkonvektionsgesehwindigkeit des fließfähigen Mediums bei im wesentlichen konstanter Ge- *

samtmengenströmungsdichte gewaltsam entlang der konischen ' ™ Spitze bewegt wird, daß diese Geschwindigkeit unterhalb des Wertes liegt, der ausreicht, um diesen vergrößerten Winkel α unter 40° bei konstanter Stromhöhe zu ver ringern.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 ist eine schematische Darstellung der Säulenkontraktion und der Winkel α in der Nähe der Ka thode.

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Figur 2 zeigt in einer vergrößerten Darstellung die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 3 ist eine graphische Darstellung des Temperaturanstiegs bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens , und

Figur 4 ist eine graphische Darstellung der Reduzierung des Winkels α mit zunehmender Konvektionsgeschwindigkeit bei konstanter Stromhöhe und konstanten Mengen stromdichten.

Es ist seit langem bekannt, daß dann, wenn ein Lichtbogen zwischen einer Anode und einer Kathode mit koni scher Spitze, wie es in Figur 1 dargestellt ist, erzeugt wird, eine Kontraktion des stromführenden Bereiches in der Übergangszone zwischen der Kathode Γ und der Säule 2 eintritt. Diese Kontraktion ist als Kontraktionszone 3 dargestellt. Die Kontraktion des stromführenden Bereiches in der Übergangszone zwischen der Kathode 1 und der Säu«- Ie 2 kann auch als der Winkel α definiert werden, der gebildet wird, wenn man die an die Säulengrenzfläche an den Beugungspunkten 25 der Kontraktion gelegten Tangenten verlängert. Diese Kontraktion bewirkt den nachstehend erläuterten, natürlichen Kathodenstrahl effekt.

Wie man aus Figur 1 erkennt, nehmen das auf dem Lichtbogenstrom beruhende, eigene magnetische Feld und die Stromdichte in Richtung zur Kathode infolge der Kontraktion zu. Dieses ungleichmäßige Magnetfeld übt eine Foimkraft auf das leitende Plasma aus und drängt es in die Richtung maximaler Schwächung des Magnetfeldes, d.h., entlang der Bogenachse von der Kathodenspitze weg. Dieses Wegströmen

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des Plasmas von der Kathodenspitze verringert den örtlichen Druck in der unmittelbaren Nachbarschaft der Kathoaenspitze und läßt den Lichtbogen Gas aus der umgebenden Atmosphäre ansaugen. Dieser Mechanismus führt zur Ausbildung des bekannten, natürlichen Kathodenstrahls, der in allen Lichtbögen, die durch eine Kontraktionszone nahe der Kathode gekennzeichnet sind, entlang der Achse der Säule von der Kathodenspitze weg fließt.

In der Patentanmeldung ist gezeigt ™

worden, daß diese Kontraictionszone 3 als ein "Einschieß fenster" dienen kann, durch welches ein Gas direkt in die Bogensäule 2 bei Strömungsgeschwindigkeiten eingeführt werden kann, die alles übertreffen, was seitlich durch die zylindrische Säulengrenzfläche des Bogens eingebracht werden kann. Grasströmungsgeschwindigkeiten von einer Größenordnung, die die natürlich angesaugten Gasmengen weit übertrifft, können in die Säule eingeführt werden, ohne die Stabilität des ßogens zu zerstören, wenn das Gas gezwungen wird, der konischen Konfiguration aer Kathodenspitze zu folgen. Jedoch beeinflußt die Zunahme der Gaskonvektionsgeschwindigkeit den Winkel α, und wenn der Win- .m kel α unter 40 fällt, können keine nennenswerten Mengen an Zusatzgas in die Bogensäule 2 eingeführt werden. Die Wirkung der forcierten Konvektion besteht darin, daß der Spannungsgradient in und nahe der Übergangszone zunimmt, wodurch die Volumengeschwindigkeit der Energiezerstreuung wächst und die zusätzliche Energie verfügbar wird, die erforderlich ist, um die erhöhte Menge an bei der Säulentemperatur eingeführtem Gas zu erhitzen. Die Einführung eines kräftigen Gasstromes in die Säule durch das Ein schießfenster ist nicht nur möglich, sondern erhöht sogar die Wäraieübertragungswirksamkeit dieses Teils des Bogens, so lange nicht die Konvektionsgeschwindigkeit über -

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schritten wird, die den Winkel tx auf unter 40 fallen läßt.

Die Grenzflächen des Gasstromes, der der konischen Konfiguration der Kathodenspitze zu folgen gezwungen wird, werden einerseits durch die Kathodenoberfläche und anderseits durch eine Linie gebildet, die parallel zu der Oberfläche der Kathode verläuft und die Kathodensäule an der äußersten Grenze der Kontraktionszone 3 schneidet. Vorzugsweise wird das Gas gezwungen, der konischen Konfiguration der Kathoaenspitze in einer Weise zu folgen, daß es in seiner Gesamtheit die Kontraktionszone im Bereich maximaler Konvergenz betritt. Dieser Bereich kann durch Versuche ermittelt werden.

In der vorstehend genannten Anmeldung wird unter einem "Kegel" mit Bezug auf die Kathode ein konvergierendes Segment verstanden, dasein echter Kegel mit kreis fönnigein Querschnitt sein oder die Form einer Pyramide haben kann, die die aus einer Zanl von konvergierenden ebenen Oberflächen besteht, deren Querschnitt ein Polygon α mit beliebiger Seitenzahl ist. Mit dem Ausdruck "Kegelwinkel" soll der Scheitelwinkel des konvergierenden Segments bezeichnet werden.

Obgleich viele Lichtbogensysteme Anwendung finden, bei denen das Arbeitsmittel in den Bogen durch einen ringförmigen, zur Kathode konzentrischen Durchgang eingeführt wird, ist der vorstehend beschriebene Effekt noch nie beobachtet worden, weil es der speziellen Bedingungen der Gaseinführung gemäß der vorliegenden Erfindung bedarf, um eine maximale Wirkung zu erzielen. Zu diesem Zwecke muß das Gas in einer Höchstgeschwindigkeitsschicht entlang der konischen Kathodenoberfläche eingeschossen werden.

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Durch geeignete Einstellung der Gasgeschwindigkeit und des Kegelwinkels der Kathode kann erreicht werden, daß das Gas die Säulengrenzfläche im wesentlichen in der gleichen allgemeinen Sichtung durchquert, als dies das angesaugte Umgebungsgas in Abwesenheit einer forcierten Konvektion tun würde. Der optimale Kegelwinkel für diesen Zweck liegt offenbar zwischen 45° und 60°.

Der Kegelwinkel ist ein wichtiger Parameter. Es können Jj Kegelwinkel von 20 bis 135 angewendet werden, was zum Teil vom Kathodenmaterial, der Natur des eingeführten Gases und dem Verwendungszweck der Anlage abhängt. Kegel winkel im Bereich von 30 bis 60 und insbesondere von 45 bis 60° werden bevorzugt und bringen die besten Ergebnisse.

Ein zweiter kritischer Parameter ist die Injektionsgeschwindigkeit. Diese kann variiert werden, ohne die Gesamtmengenstrom-(Konvektionsgeschwindigkeit) zu verändern, indem die Fläche der ringförmigen Öffnung variiert und der Eingangsgasdruck in dem erforderlichen Maße verändert wird, um eine vorgegebene Strömungsgeschwindig - M keit einzuhalten. Es wurde z.B. beobachtet, daß mit wechselnder Inöektionsgeschwindigkeit (Mengenstromdiente) die Säulentemperatur durch ein Maximum geht, wobei die Höchsttemperatur auf das 2- bis 3-fache des Wertes steigt, der erreicht wird, wenn die Geschwindigkeit um ein Mehrfaches größer oder kleiner als der Optimalwert ist. Die Ausbildung einer HÖchstgeschwindigkeits-GrasBchicht, die entlang der Oberfläche der Kathode strömt, hat außerdem die Wirkung* daß ein Teil der durch thermische fiückleitung von der Kathodenspitze verloren gegangenen Wärme zurückgewonnen wird.

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Ein dritter kritischer Parameter ist der Gesamt mengenstrom des ei ng e führt en Mediums. Da der G-es aintm enge nstrom des eingeführten Gases bei weitgehend konstanten Stromhöhen und i^viengenstromdichte variiert wird, tritt eine Veränderung der Gestalt der Kontraktionszone 3 ein. denn. der Gesamtmengenstrom oder die Konvektionsgeschwindigkeit des eingeführten strömenden Mediums vom Werte Null an erhöht wird, wird nur eine geringe oder keine Änderung in der Gestalt der Konvektionszone 3 beobachtet, und im wesentlichen das gesamte eingeführte Gas betritt die Bogensäule durch das Einschießfenster. Wenn jedoch der Gesamtmengenstrom des eingeführten Gases weiter erhöht wird, beginnt an einer Stelle, die von dem eingeführten Iiedium abhängt, die Kontraktionszone sich zu verlängern, v/odurch sich die Raumgeschwindigkeit der Kontraktion des ßogensäulendurchmessers verringert. Diese Raumgeschwindigkeit der Kontraktion kann als der Fensterwinkel bezeichnet werden und ist in Figur 1 als Winkel α dargestellt. Wenn der Winkel α stark verkleinert ist, z.B. auf 40 oder weniger, tritt der Hauptteil des Stromes des fließfähigen Mediums nicht in die Bogensäule ein.

Die vorstehend beschriebene Technik der Einführung des Arbeitsmittels in die Kontraktionszone der Säule wird im nachfolgenden als "forcierte Konvektions-Kathode " (FGG) bezeichnet. Mit ihr wird eine ausgezeichnete Verfahrensstabilität erreicht ohne energietilgende, thermische Zwangsmaßnahmen, sondern unter einem ausgezeichneten Wirkungsgrad, und zugleich ein Zugang geschaffen zu der primären Energieübertragungszone. Zusammen mit dem FTA stellt sie ein Mittel dar, durch welches das Arbeitsmittel dazu gebracht werden kann, im wesentlichen alle Abschnitte der leitenden Säule von der Anode zur Kathode zu durchdringen, die in den Elektrodenübergangszonen sonst unausgenützte

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Energie zu absorbieren und einen Teil der normalerweise an die EleKtroaen verloren gegangenen Wärme zurückzuge winnen.

Durch Anwendung der FCC können viele chemische und physikalische Reaktionen auf praktische Weise durchgeführt werfen. So kann z.B. ein Gas, wie stickstoff, Ar- ^on oaer wasserstoff in aas "Einschießfenster" eingeführt una in hocri erregtem Zustand so vorangetrieben werden, diaii es die Anoae berührt. Der austretenüe Plasmastrahl kann dazu verwendet werden, um andere Materialien, z.B. ■beim Schneiden oaer Schweißen, zu erhitzen.

Zusatz j icn kann ein reaktives G-as, wie Stickstoff oder Wasyerstofι, auf die oben beschriebene Weise in das ¹¹ Einschieß fenster" ein^efünrt weraen, um einen hoch er regten Placing st re.nl üu bilaen, aer in den Strahl aus Plasinadaiiipf hineingescnossen viira, welcher von der Anode eines Anodenzerstäubungsiiierarcs ausgeht. Wenn diese Anode eine Kohlenstoffanoae ist, und wenn wasserstoff durch die FCC eingeführt wird, dann fördert das Gemisch der beiden Strahlen die Bildung von Kohlenwasserstoffen. Andererseits vereinigen, wenn die sich aufbrauchende Anode ein Metall oder Metalloid enthält, und wenn Wasserstoff oder Stickstoff durch die FCC eingeschossen werden, die voranbewegten Gase sich mit dem Plasma des hierarcs unter Bildung des entsprechenden Nitrids oder Hydrids des Metalls der Anode.

Durch Anwenaung einer Kombination aus der FCC und dem FTA können auch zwei unterschiedliche Gase in das "Einschießfenster" der Kathode, bezw. in den Anodenfallraum eingeführt werden, um solche Reaktionen zu durchlaufen, wie die Synthese und Reformation organischer Verbindungen und anorganischer Verbinaungen, wie" z.B. Ammoniak.

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Die Vorrichtung kann, -wie im Falle eines FTA, auch, auf anderen Gebieten angewendet werden.

Es wurde weiter gefunden, daß zusätzlich zu einem homogenen Strom aus einem oder mehrerer Gasen ein heterogener Strom eingeschossen werden kann, der aus einem Trägergas besteht, welcher Flüssigkeitströpfchen oder feste Partikeln mitschleppt, und das diese flüssigen oder festen Partikeln zusammen mit dem Trägergas so durch das Ein schießfenster eingetragen werden, daß sie sich mit der Säule vermengen und den darin herrschenden, hohen Temperaturen wirksamer und unter größeren Materialdurchsatzgeschwindigkeiten ausgesetzt werden, als dies mit herkömmlichen Vorrichtungen möglich ist, die mit vergleichbarer Energie arbeiten. Hieraus ergibt sich eine Vielzahl nützlicher Anwendungsmöglichkeiten. So kann z.B. bei Verwendung eines Inertgases, wie Argon, im wesentlichen jedes beliebige pulverförmige Material, einschließlich Metallen, Oxiden usw., mit solcher Geschwindigkeit mit Bezug auf das Energieniveau durch den Lichtbogen geführt werden, daß das Material während des Durchgangs durch die Säule und den austretenden Strahl schmilzt, jedoch nicht in nennenswerter Weise verdampft. Wenn man solche Materialien nach dem Austreten aus dem Strahl kondensieren läßt, erstarren sie in kugelförmiger Gestalt, die für die Pulvermetallurgie und für andere Anwendungsgebiete sehr nützlich ist. Läßt man die geschmolzenen Tröpfchen auf ein Substrat aufprallen, dann wird der bekannte Flammsprüh-Effekt unter größeren Materialdurchsatzgeschwindigkeiten und unter Erzielung besserer Überzüge erreicht, als dies mit anderen Methoden möglich wäre.

Desgleichen kann man durch Verringerung des Materialdurchsatzes mit Bezug auf das Energieniveau erreichen, daß die mitgeschleppten Partikeln bei ihrem Durchgang durch die

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Liehtbogenzone verdampfen. Beim Austreten aus dem Strahl rekondensieren die Dämpfe zu extrem feinen Partikeln von submirkoskopischer Größe, woraus sich, ein wirksames Verfahren für die Zerkleinerung gröberen, pulverfönnigen Materials ergibt.

Es wurde nun gefunden, daß dann, wenn die FCC auf die oben beschriebene Weise in stationärem Zustand betrieben wird, wobei das einzuführende Gas mit konstanter Konvektionsgeschwindigkeit zugeführt wird, eine Zunahme in der Konvektionsgeschwindigkeit des heterogenen Materials zu einer Vergrößerung des Fensterwinkels α führt. Wie Pi gur 1 zeigt, ist nach Erreichen eines Dauerzustand-Gleichgewichts bei jeder Konvektionsgeschwindigkeit bei konstanter Stromhöhe und bei einer optimalen Mengenstromdichte der Fensterwinkel der Winkel α. Die Einführung eines feinteiligen, nichtgasförmigen Materials in das eingeschossene fließfähige Medium bewirkt eine Vergrößerung des Fensterwinkels, die mit a₂ bezeichnet ist.

Dieser Effekt beruht auf einer Vergrößerung der Bogensäule, die immer dann beobachtet wird, wenn der eingeführte Gasstrom erhebliche Mengen an flüssigem oder festem Material enthält, das in Form kleiner Tröpfchen oder Partikeln in dem Gas mitgeschleppt wird. Vermutlich wird dies durch den Dampfdruck hervorgerufen, der durch verdampfende Partikeln im Säulenkern erzeugt wird und eine radiale Expansion der Säule bewirkt. Diese Annahme wird durch die Beobachtung gestützt, daß mit Ausnahme des Bereiches in dichtester Nähe der Kathode die Säule bei der Einführung einer heterogenen Beschickung sich über ihre ganze Länge radial vergrößert, und daß diese Vergrößerung mit zu -nehmendem Abstand von der Kathode zunimmt, d.h*, daß ston die Qäulengestalt von der eines Zylinders zu der eines

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mehr oder weniger divergierenden Kegels verändert, wie in Figur 1 in gestrichelten Linien angedeutet ist. Von besonderem Interesse ist die Tatsache, daß der Bereich des Kathodenflecks mit einer heterogenen Beschickung sich nicht ändert. Deshalb nimmt die Raumgeschwindigkeit des Säulendurchmessers in der Kontraktionszone ab, weshalb der Fensterwinkel mit einer heterogenen Beschickung zunimmt, wie der Winkel 0Cp und die gestrichelten Linien in Figur zeigen.

Diese Vergrößerung des Fensterwinkels tritt, wie erwähnt, nach der Einführung von feint eiligen Flüssigkeiten oder Feststoffen in die gasförmige Beschickung ein, welche im Säulenkern verdampfen und daher in der Lage sind, den Fensterwinkel zu vergrößern. Da die Temperatur im Säulenkern bei über 10 000 K liegt, erleiden die meisten feinteiligen Feststoffe ein gewisses Maß an Verdampfung. Die Vergrößerung des Winkels α hängt von dem eingeführten Material ab und variiert deshalb ein wenig. Diese Vergrößerung des Fensterwinkels ist überrasenend, weil dann, wenn ein heterogenes Beschickungsmaterial, wie z.B. ein gas förmiges Trägermaterial plus einem darin dispergierten, ™ feinverteilten, nichtgasförmigen Material ursprünglich durch die FCC eingeführt wird, ein optimaler Betriebszustand innerhalb des Bereiches erzielt wird, in dem die Geschwindigkeit der Beschickung bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit und konstanter Stromhöhe hoch genug ist, um einen Anstieg der Temperatur der Bogensäule zu bewirken, und unterhalb einer G-esamtgaskonvektionsgeschwindigkeit bei konstanter M engen stromdichte und konstanter Stromhöhe ist, die ausreicht, um den Winkel unter 40° zu bringen. Danach bewirkt die Einführung einer weiteren Menge an fein-

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verteiltem, nichtgasförmigem Medium in die heterogene Beschickung und damit Erhöhung der Gesamtkonvektionsge schwindigkeit auch die Vergrößerung des Fensterwinkels α, woraus sich die Möglichkeit einer Zunahme der Partialkonvektionsgeschwindigkeit des nichtgasförmigen Materials bis zu einem Punkt, bei dem der vergrößerte Winkel Q^ auf unter 40° verkleinert wird, ergibt. Es wurde gefunden, daß es schwierig ist, eine stabile Bogensäule zu erhalten, wenn eine heterogene Beschickung ursprünglich bei einer Gesamt -

konvektionsgeschwindigkeit eingeführt wird, die gleich der *

nach dem vorstehenden Verfahren erzielten ist.

Figur 2 ist ein Querschnitt durch eine Kathoden düse 4, di.e dazu bestimmt ist, die Einführung eines Gases in die Bogensäule 2 durch das Einschießfenster an der Kontraktionszone 3 am Ende der Kathode 1 zu optimalisi eren. Zu diesem Zwecke bildet die Düse 4 eine enge, ringförmige Öffnung 6 stromaufwärts der konischen Kathodenspitze 7, welciie das Gas 5 in einer Schicht hoher Geschwindigkeit entlang der konischen Kathodenoberfläche fließen läßt.

Die Injektionsgeschwindigkeit des eingeführten, fließfähigen Mediums kann variiert werden, indem die Fläche der M engen, ringförmigen Öffnung 6 verändert wird.

Diese Zusammensetzung beruht auf der folgenden bekannten Gleichung:

* A

wobei: 9 = Dichte des Gases an der Öffnung, ν = Geschwindigkeit des Gases an der Öffnung,

M = Gesamtmengenstrom des Gases durch die Öffnung , und

A = Fläche der Öffnung.

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Es ist klar, daß durch Einstellung der achsialen Lage der Düse der Öffnungsquerschnitt A verändert wird. Es ist einfach, den Mengenstrom M konstant zu halten, indem der Eingangsdruck eingestellt und die Fließgeschwindigkeit mit einem Strömungsmesser gemessen wird. Hiermit erhält man die Änderung in der Größe ^v, die im Effekt das Moment pro Volumeneinheit des aus der Öffnung austretenden Gasstromes darstellt und gleich der Mengenstromdichte, bezogen auf die Düsenöffnung,ist. Dies ist eigentlich der fundamentale Parameter, der den erläuterten Effekt beherrscht. Es wurde jedoch gefunden, daß unter den meisten Bedingungen, unter denen diese Vorrichtung betrieben wird, einschließlich denen dieses Versuchs, die zur Konstant haltung von M erforderlichen Änderungen im Staudruck sehr gering sind, so daß während des Versuchs nur eine geringe Änderung in der Dichte 9 eintritt. Die Mengenstromdichte ist deshalb eine gute Anzeige für die Gasgeschwindigkeit an der Düsenöffnung und wegen ihrer dichten Nähe, für die Geschwindigkeit, mit der das Gas das Einschießfenster betritt. Da jedoch die gemessenen Größen M und A sind, wird definiert:

' M

m = ——
A

und werden die Ergebnisse eines jeden Versuchs als graphische Darstellung von m gegen die Intensität des Monochromator-Ausgangs wiedergegeben. Die Ergebnisse sind in Figur 7 dargestellt, in welcher ά in g/sek./cm aufgeführt ist. Beide Kurven zeigen deutlich ein Maximum, welches die Existenz einer optimalen Einschießgeschwindigkeit beweist. Die spezifischen Verfahrenswerte dieser Tests dind wie folgt:

1 0 9 8 3 1 / U 0 5

Argon	Stickstoff
100 amps.	100 amps.
44 Volt	118 Volt
2 cm	3 cm

- 21 -

Test 1 Test_2

Bogenstroin

Bogenspannung

Bogenspaltbreit e

Gesamtmengenfluß 4,5 g/min. 13 g/min.

Magnetfeldintensität 2400 Gauss 2400 Gauss..

Um den lensterwinkel α zu bestimmen, wird der Gesamtmengenstrom oder die Konvektionsgeschwindigkeit M bei konstantem Bogenstrom und konstanter Mengenstromdichte variiert. Die Konfiguration der Bogensäule 2 in der Kontraktionszone 3 wird visuell beobachtet, während der Gesamtmengen strom M variiert wird.

Wenn M bei konstantem m von Null an vergrößert wurde , wurde keine oder nur eine geringe Änderung in der Gestalt der Kontraktionszone 3 beobachtet; im wesentlichen das gesamte eingeführte Medium betritt die Säule durch das Einschießfenster. Wenn M weiter erhöht wird, beginnt an einer bestimmten Stelle die Kontraktionszone 3 sich zu verlängern, wodurch sich die Raumgeschwindigkeit der Kontraktion des Säulendurchmessers verringert. Diese Kontraktionsgeschwindigkeit wird am ^uFensterwinkel" gemessen» der in figur 1 dargestellt und mit "α" bezeichnet ist.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß mit zunehmendem M α abnimmt* und daß mit abnehmendem α die Wirksamkeit des Fensters mit Bezug auf die !Einführung der voranbewegten Gase in die Säule hinein verringert wird. Wenn α erheblich verringert ist, z.B. auf etwa 40° oder darunter» tritt der Hauptanteil des Stromes nicht in die Säule e±n und verringert sich der Nut«en der Vorrichtung als Wäimelibertretgungsvorrichtung.

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Ein Beispiel für aen Einfluß von M auf α ist in Figur 4 dargestellt. In dieser Figur sind 2 Kurven gezeichnet, die eine für 50 und die andere für 100 amps., welche die Veränderung von α in Abhängigkeit von M zeigen. Diese Ergebnisse zeigen, daß der maximale Gesamtgasdurchsatz an Argon, 'der durch Einschießen in die Bogen säule in der hier beschriebenen V/eise erregt werden kann, bei Verwendung einer Kathode mit einem Kegel winkel von 30 und Anwendung eines Bogenstromes von 50 amps, etwa 30 g Argen/Minute beträgt. Dieser Wert kann aus der 50 amps.-Kurve von Figur 4 dort entnommen werden, wo α =
für m betrug 4,5 g/sek./cm.

dort entnommen werden, wo α = 40 ein Minimum ist. Der Wert

Dieser Effekt ist relativ unabhängig von m, der Mengenstromdichte mit Bezug auf die ringförmige Düsenöffnung 6. Dies ergibt sich aus dem Verhältnis M/A, wobei A der Öffnungsquerschnitt ist, und ist angenähert proportional der Geschwindigkeit des eingeführten Gases (s. Beispiel 2). Die nachstehende Tabelle erläutert den Einfluß von m auf α für einen fixen Bogenstrom von 150 amps, und einen fixen Gesamtmengenstrom M von 12 g/min, bei Verwendung von Argon.

m (g/sek./cm²) α (°)

2,5 83

5,0 86

20,0 85.

Innerhalb der experimentellen Fehlergrenze kann der Wert von et als für eine fast zehnfache Zunahme von m unverändert geblieben angesehai werden. Wenn A unterhalb des Maximalwertes für eine wiiksame Einführung gehalten wird, ist

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es möglich, m auf seinen optimalen Wert für maximale Ener gieüb ertragung auf aas Gas einzustellen, ohne α zu an üern, d.h., ohne das Ausmaß des Eindringens der Beschickung in aie Bogensäule zu stören.

Um die Vorteile auszunützen, die auf dem Einfluß aer Vergrößerung aes Fensterwinkels α bei Einführung eines nichtgasförmigen Materials beruht, das in der Lage ist, den Fensterwinkel α und die Bogensäule zu vergrößern, wird der Bogen vorzugsweise mit einer nur gasförmigen (homo genen) Beschickung gestartet. Dann wird, wenn die optimalen Bedingungen erreicht sind (Düsenöffnung eingestellt auf maximale Säulentemperatur, wobei M weit unterhalb des Wertes liegt, der erforderlich ist, um α bei über 40 zu halten), das feste oaer flüssige Material in das Gas eingetragen (heterogene Beschickung), wobei man mit einer geringen Menge an Feststoffen (z.B. 1 oder 2 g/min.) beginnt und diesen Anteil erhöht, bis der Mengenstrom der Feststoffe dem des Trägergases vergleichbar ist (z.B. bis 30 g/min.). An dieser-Stelle gestattet es die Ver größerung des Fensterwinkels, den Gesamtmengenstrom (mitgeschleppte Feststoffe plus Trägergas) noch weiter zu ver- ^ großem, ohne daß das Eindringen in die Säule nennenswert \ beeinträchtigt wird. Das Maß der wirksamen Erhöhung der Materialbeschickung in die Bogensäule hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich des Bogenstroms, des Verhältnisses von Trägergas zu mitgeschlepptem Material und der Natur sowohl des Trägergases als auch der festen oder flüssigen Partikeln. Bei relativ wenig feuerfesten, festen Materialien und bei den meisten flüssigen Materialien kann eine zweifache oder größere Partialkonvektionsgeschwindigkeit (nichtgasföimiges Material) erzielt werden. Bei mehr feuerfesten» festen Materialien kann eine Verbesserung der

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Partialkonvektionsgeschwindigkeit (nichtgasförmiges Material) von 25 bis 50 $ erreicht werden.

Für jede Kombination von Trägergas und kondensierter Phase muß die obere Grenze von ίΐ für einen vorgegebenen Bogenstroia experimentell bestimmt werden. Wenn dies richtig geschieht, und wenn die richtige Startprozedur angewendet wird, wird die Kapazität der Vorrichtung für das Erhitzen heterogener Beschickungen auf Plasmatemperaturen bedeutend erhöht.

Bei anderen chemischen Anwendungen der Vorrichtung kann ein reaktives Gas, wie Wasserstoff, als Trägergas verwendet werden, um gepulverte Kohle mitzuschleppen, so daß ein Gemisch aus aktivem Wasserstoff und Kohlenstoffdampf entsteht, aus welchem Acetylen und andere Kohlen Wasserstoffe auskondensiert werden können. Desgleichen können Tröpfchen aus flüssigen Kohlenwasserstoffen mitgeschleppt und einer Kohlenwasserstoff-Reformation züge -führt werden. In ähnlicher Weise können Metall- oder Metalloidpulver in Wasserstoff oder Stickstoff mitgeschleppt und dabei Hydride oder Nitride gebildet werden. Die Einführung von Metalloxiden zusammen mit Wasserstoff zum Zwecke der Gewinnung von Metallen, oder von Ammoniak zum Zwecke der Bildung von Nitriden ist ebenfalls möglich. Viele weitere Anwendungen der Vorrichtung für chemische Zwecke sind möglich, wobei größere Wirksamkeiten und höhere Ausbeuten als mit anderen Behandlungsmethoden erreicht werden. Es wurde gefunden, daß dann, wenn ein feinteiliger Feststoff durch die ringförmige Öffnung eingeführt wird, keine Strömungsschwierigkeiten auftreten, solange die Größe der Partikeln kleiner als die Breite der ringförmigen Öffnung bleibt und vorzugsweise 1/3 bis 1/4

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der Breite der ringföimigen Öffnung ausmacht.

Das Prinzip, nach welchem dieser Kathodengasstrom angewendet wird, ist in Figur 2 erläutert, in welcher eine konische Kathode 1 dargestellt ist, über die das Kathodengas 5 über die'konische Oberfläche der Kathode 1 und jeweils der Spitze 7 strömen gelassen wird. Es wurde gefunden, daß bei einer solchen Konstruktion einTeil der Wärmeenergie vom Kathodenkörper 1 auf den Gasstrom 5 über- % tragen wird, wenn der Gasstrom mittels der ringföimigen Düse 6 gezwungen wird, sich der konischen Kathode mechanisch anzuschmiegen.

Das folgende Beispiel erläutert die Erfindung, ohne sie jedoch einzuschränken.

Beispiel ;

Die verwendete Vorrichtung ist schematisch ohne die Anode in Figur 2 dargestellt.

Die Kathode besteht aus einem Wolframstab von 1 cm ™

Durchmesser mit einer konischen Spitze mit einem Kegelwinkel von 60 . Die Kathode ist umgeben von einer Düse 4 mit einem konischen Abschnitt, dessen Innen oberfläche ebenfalls einen Kegelwinkel von 60° hat, so daß sie mit der konischen Kathodenoberfläche übereinstimmt. Der konische Abschnitt der Düse ist abgestumpft, so daß er mehrere Millimeter hinter der Kathodenspitze 7 endet und auf diese Weise eine ringförmige Öffnung 6 um die Kathode bildet. Der ringförmige Durchgang zwischen der Düse und Kathode hat die Wirkung, daß der Strom des eingelassenen Gases 5 in Form einer konvergierenden» konischen Schicht dicht an der Kathodenoberfläche fließt und schließlich im wesentli chen am Einschießfenster der Kontraktionszone 3 auf die

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Lichtbogensäule 2 aufprallt.

Bei vorgegebenem Offnungsquerschnitt Kann die kengenstromgeschv/indigkeit des Gases durch Einstelxen aes Einlaßdruckes geregelt werden; bei dem hier besenr±ebenen Versuch wurde diese Geschwindigkeit zwischen 2 g .Argongas/Minute und mehr als 50 g/Minute verändert.

Die Düse selbst war ursprünglich aus Bornitrid-Keramik hergestellt, jedoch wurde es wegen ihrer Fähe zum Lichtbogen später für zweckmäßig erachtet, die Düse aus einem Metall, wie Messing herzustellen und mit einer separaten Wasserkühlung zu versehen, um ein Überhitzen zu vermeiden. In letzterem Falle wurde jedoch dafür Sorge getragen, die Düse elektrisch von der Kathode zu isolieren, um die Ausbildung von unerwünschten sekundären Lichtbogen zu vermeiden.

Der Offnungsquerschnitt der Kathodendüse wird variiert, indem der Düsenabschnitt mit Bezug auf die Kathode in achsialer Richtung bewegt wird. Zu diesem Zwecke ist die Düse selbst auf einer Mikrometerschraube aufmontiert. Durch Rotation der Düse in einer Richtung wird die letztere mit Bezug auf die stationäre Kathode horizontal be wegt, wobei die Düsenöffnung geöffnet oder geschlossen wird.

In den vorliegenden Beispielen wurden verschiedene Düsen -

2 öffnungen verwendet, die zwischen 1,00 und 4,5 mm lagen, entsprechend Ringbreiten von 0,18 bis 1,16 mm.

Die nichtgezeigte Anode des Lichtbogens besteht bei dieser Vorrichtung aus einem 2,5 cm-Kupferrohr mit 3,2 mm Wandstärke, das an dem einen Ende mit einer abgerundeten Kappe verschlossen ist, die als stromaufnehmende Zone dient. Das Innere des Rohres ist mit Wasserleitungen ausgerüstet,

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und die Anode wird stark gekühlt', um die Zerstörung der Oberfläche währ en α des Betriebs zu verhindern. Die Lage der Anoae mit Bezug auf die Kathode kann verändert werden, so daß die Lichtbogenbreite wirksam variiert werden kann. Es wurde gefunden, daß es zweckmäßig ist,- beim Zünden des Lichtbogens Mittel vorzusehen, mit denen sowohl der Winkel als auch ctie Lage des Anodenstabs mit Bezug auf die Kathodenachse verändert werden können. Der Lichtbogen wird wie folgt gezündet:

Die Anode wird um etwa 45 geschwenkt unü so hoch gesetzt, daß das abgerundete Ende der Anode auf die Kathodenspitze zeigt und die Kathodenachse den Anoaenstab in der Nähe seines Zentrums schneidet. Zugleich wird der Anodenstab so nahe an die Kathodenspitze gebracht, daß ein Spalt von etwa 5 mm bleibt. Nachdem der Kathodendüsen-Öffnungsquerschnitt auf einen geeigneten Wert, gewöhnlich etwa

3 mm gebracht woraen ist, wird ein mäßig.er Gasstrom angestellt. Bei Argon wurde gewönnlich ein Anfangsgasstrom von 10 bis 15 g/min, angewendet. Der Lichtbogen wird dann ge zündet, wozu eine momentane Hochfrequenzentladung verwendet wird, um eine leitende Strecke zwischen den Elektroden ₍ bei eingeschaltetem Hauptstrom zu erzeugen, worauf ein % schneller Übergang von Funken zu Bogen eintritt. Diese Technik der Lichtbogenzündung ist allgemein bekannt.

Sobald der Lichtbogen gezündet ist, im allgemeinen mit" einem Anfangsstrom von etwa 50 amp., wird die Lichtbogenspaltbreite durch Wegziehen der Anode auf den gewünschten Wert gebracht. Die Anode wird in eine zweckmäßige Seitenlage geschwenkt, vorzugsweise senkrecht zur Bogenachse, und soweit zurückgezogen, daß sich die Endkappe gerade unter dem Plasmastrom befindet. In dieser Konfiguration verläßt der austretende Strahl die leitende Säule im wesentlichen

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in achsialer Richtung. Bei hohen Strömungsgeschwindig keiten muß dafür Sorge getragen werden, daß das Ende der Anode ausreichend nahe an der Säule ist, damit ein Ausblasen des Bogens verhindert wird.

Nachstehend sind die entscheidenden Verfahrensparameter für den Start zur Erzielung eines stabilen Bogens zusammengestellt:

Bogenstrom 50 bis 300 amps.

Bogenspannung 35 bis 165 Volt

Bogenspaltbreite 1 bis 12 cm

G-esamtmengenstrom Argon 2 bis 50 g/min.

Kathodendüsen-Üffnungsquer - _?

schnitt ' 1,00 bis 4,5 mm .

Wenn optimale Bedingungen erreicht sind (Düsenöffnung eingestellt auf maximale Säulentemperatur, -wobei M weit unterhalb des Wertes liegt, der erforderlich ist, um α über 40° zu halten), wird das feste oder flüssige Material in das Argon eingebracht (heterogene Beschickung), wobei man mit einer geringen Menge an Feststoffen beginnt (z.B. 1 oder 2 g/min.) und diesen Anteil erhöht, bis der Mengenstrom an Peststoffen den des Argons vergleichbar ist (z.B. 10 bis 30 g/min.). An dieser Stelle gestattet es die Vergrößerung des Fensterwinkels, den Gesam-taengenstrom (mitgeschleppter Feststoffe plus Trägergas) weiter zu erhöhen, ohne das Maß des Eindringens in die Säule zu beeinträchtigen. Der Betrag der wirksamen Erhöhung der Materialbe Schickung in die Bogensäule hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich des Bogenstromes, des Verhältnisses von Trägergas zu mitgeschlepptem Material und der Natur sowohl des Trägergases als auch der festen oder flüssigen Partikeln. Bei Verwendung eines relativ wenig feuer-

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festen Feststoffs, wie B₂O-* in Argongas bei 150 amps. Bogenstrom konnte eine Zunahme der Trägergasgeschwindigkeit keit auf das Doppelte erreicht werden, bevor nennens werte Mengen an Beschickungsmaterial von der Säule abgebeugt wurden»

Bei einem mehr feuerfesten Material, wie SiQp unter den gleichen Bedingungen, lag die Verbesserung in der Größenordnung von 30 bis 40 $. TPür jede Kombination von Trägergas und kondensierter Phase muß die obere Grenze Jj

von M für einen vorgegebenen Bogenstrom experimentell bestimmt werden. Wenn dies exakt geschieht, und wenn die richtige Startprozedur angewendet wird, wird die Kapazität der Vorrichtung zum Erhitzen von heterogenen Beschickungen auf Plasmatemperaturen bedeutend erhöht.

Das vorstehende Beispiel soll die Durchführung der Erfindung erläutern, jedoch diese nicht einschränken.

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Claims

Patentansprüche:

lv

Verfahren zum Erregen eines fließfähigen Kediums einer Lichtbogenentladung zwischen einer Anode und einer Kathode mit konisch er Spitze, wobei diese Lichtbogenentladung eine Kontraktion des stroiüfünrenden üereicnes in aer Übergangszone in der Nähe dieser Kathode aufweist, so daß die Beugungspunicte dieser Kontraktion des stromführenden Bereiches in der Verlängerung einen Winkel α bilden, dadurch gekennzeichnet, daß man gewaltsam ein fließfähiges Medium entlang aer konischen Spitze dieser Kathode in diese Kontraktion des stromführenden Bereiches in der Nähe dieser Kathode hinein und durch sie hindurch, bei einer Mengenstromdicnte bei im wesentlichen konstanter Strömungsgeschwindigkeit einführt, die zumindest unzu reichend ist, um einen Anstieg der Temperatur dieses stromführenden Bereiches (Bogensäule) bei konstanter Strom höhe zu bewirken, und bei einer geringeren G-esamtkonvektionsgeschwindigkeit des fließfähigen Mediums bei im wesentlichen konstanter Mengenstromdichte als der, die ausreichend ist, um den Winkel α bei konstanter Stromhöhe unter 40° zu bringen, und daß man ein feinverteiltes, nichtgasförmiges Medium, das in der Lage ist, eine Ver größerung des Winkels α zu bewirken, diesem fließfähigen Medium zusetzt, das gewaltsam entlang der konischen Spitze bei einer G-esamtkonvektionsgeschwindiekeit des fließfähigen Mediums bei im wesentlichen konstanter Mengenstromdichte eingeführt wird, die kleiner ist als die, welche ausreicht, um diesen vergrößerten Winkel bei konstanter Stromhöhe unter 40° zu bringen.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als fließfähiges Medium ein Gas verwendet wird.
3« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als fließfähiges Medium ein reaktives Gas verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichr net, daß als feinverteiltes, nichtgasförmiges Medium eine Flüssigkeit verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als feinverteiltes, nichtgasförmiges Medium ein nichtfeuerbeständiger Peststoff verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als feinverteiltes, nichtgasförmiges Medium ein feuerbeständiger Peststoff verwendet wird.

Für: Charles Sheer und Samuel Korman

Rechtsanwalt

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