DE2255483C2 - Vorrichtung zum Beheizen von Gasen mittels eines Lichtbogens - Google Patents

Description

Sinne des geringstmöglichen Risikos ausgelegt, da der Lichtbogen permanent auf der Zwischenelektrode lokalisiert ist, wobei auch Vakuumpumpen nicht erforderlich sind. Auch ist im Bedarfsfall eine Mehrfacheinbringung von unter hohem Druck stehendem Gas zur Erhöhung des Gasstroms möglich.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Stromfühleranordnung ein an einen Oszillographen anschließbarer Nebenschlußwiderstand sein, womit dann euie visuelle Stromanzeige möglich ist. Andererseits kann aber auch der über den als gesteuerte Siliziumgleichrichter ausgebildeten Steuerschalter fließende Strom direkt gemessen werden, um den Betriebsschalter zur Abschaltung des den gesteuerten Siliziumgleichrichter ansteuernden Signals zu öffnen.

Der Betriebsschalter ist zweckmäßigerweise ein durch einen Hubmagneten betätigbarer Quecksilberschalter. Bei visueller Anzeige des durch die Stromfühleranordnung erfaßten Stroms ist dabei bei Stromabfall im Steuerstromkreis eine manuelle öffnung des Betriebsschalters möglich. Eine öffnung des Betriebsschalters ist bei Strömen von weniger als 200 Milliampere zweckmäßig. Wenn der Strom dann auf Null fällt, schaltet der gesteuerte Siliziumgleichrichter ab.

Zur Vermeidung einer Beschädigung des gesteuerten Siliziumgleichrichters durch eine zu hohe Stromzunahmegeschwindigkeit beim Einschalten liegt gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in Reihe zu diesem ein Begrenzerelement, vorzugsweise in Form einer Drossel.

Zum Schutz des gesteuerten Siliziumgleichrichters gegen Spannungsspitzen liegt diesem in weiterer Ausgestaltung der Erfindung ein Dämpfungsstromkreis parallel.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zum Schwei-Ben oder Schneiden von Metallen, zur Gewinnung heißer schnellströmender Gase oder zur Wärmeerzeugung bei endothermen chemischen Reaktionen verwendbar. Typische chemische Reaktionen sind die Oxidation von Metallhalogeniden (einschließlich Silizium) zu entsprechenden Metalloxiden oder die Herstellung von Metallcarbiden durch Umsetzung von Metallhalogeniden (einschließlich Silizium) in Gegenwart von Kohlenstoff aus der Gasphase. Bei chemischen Umsetzungen sind die beteiligten Gase Inertgase und/oder chemisch trennbare gasförmige Stoffe.

Da aufgrund des Lichtbogens eine gewisse Freisetzung von Elektrodenmaterial unvermeidlich ist, sollte das Elektrodenmaterial zweckmäßig im Sinne einer jeweils geringstmöglichen Verunreinigung der an den chemischen Prozessen beteiligten Stoffe gewählt werden. Als Elektrodenmaterialien kommen daher Aluminium, Kohlenstoff, Kupfer, Gold, Eisen. Platin, Silber, Titan, Wolfram oder Zirkon bzw. Legierungen, wie z. B. Aluminium-Magnesium, Kupfer-Gold, Kupfer-Platin-Silber, Kupfer-Silber, Kupfer-Zirkon oder legierte Stähle in Betracht.

Die offene Hauptelektrode kann Anode oder Kathode sein. Die axial beabstandete andere Hauptelektrode ist dann entweder Kathode oder Anode und vorzugsweise als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet, auf dem eine ein inneres Magnetfeld erzeugende Feldwicklung vorgesehen ist.

Die offene Hauptelektrode besitzt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Bohrung mit einem von der Zwischenelektrode benachbarten Ende zunehmenden Innendurchmesser, so daß die Innenfläche dieser hohlen Hauptelektrode unter einem Winkel von 1

bis 30° C, vorzugsweise 2 bis 20°, konisch ausgebildet ist.

Weiterhin kann auf der offenen Hauptelektrode eine Feldwicklung zur Erzeugung einer magnetischen Betriebs-Spitzenflußdichte von beispielsweise bis 1.0TeHa vorgesehen sein, was zur Vermeidung von Elektrodenerosion zweekmäßig ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Titandioxid in Form einer Gasphasenoxidation. Bei diesem Verfahren wird ein Titanetrahalogenid, z. B. das Tetracblorid, unter Bildung von pigmentartigem Titandioxid, in der Gasphase oxidiert Das Oxidationsverfahren wird bei erhöhter Temperatur durchgeführt, wobei zur Einleitung der Umsetzung eine Vorerhitzung auf eine ausreichend hohe Temperatur erfolgen muß. Dabei wird zur Herstellung von pigmentartigem Titandioxid vorzugsweise Sauerstoff oder ein Inertgas erhitzt

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und

F i g. 2 eine schematische Ansicht eines Steuerstromkreises.

Gemäß F i g. 1 umfaßt die Vorrichtung eine offene Hauptelektrode 1 als Anode und eine davon axial beabstandete weitere Hauptelektrode 2 in Form eines einseitig geschlossenen Hohlzylinders als Kathode. Dazwischen ist eine durch die Isolationsteile 4 und 5 gegenüber den Hauptelektroden elektrisch isolierte, beidseitig offene Zwischenelektroden 3 angeordnet.

Die Hauptelektrode 1 besitzt einen ringförmigen Kanal ö, durch den zu erhitzendes Gas durch Einlaßrohrleitungen 7 und 8 in eine Bohrung 9 in dieser Hauptelektrode geführt wird. Diese Bohrung 9 kann einen von dem der Zwischenelektrode 3 benachbarten Ende zunehmenden Innendurchmesser aufweisen, wobei ihre Innenfläche unter einem Winkel von vorzugsweise 2° bis 20° konisch ausgebildet ist. Die Hauptelektrode 2 besitzt ebenfalls einen ringförmigen Kanal 10, der durch die Einlaßrohrleitungen 11 und 12 beschickt wird. Die Hauptelektroden 1 und 2 sind von einer nicht dargestellten Kammer umgeben, durch welche Kühlwasser geleitet werden kann.

Ein Steuerstromkreis für die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der F i g. 2 dargestellt. Die Hauptelektrode 1 und die Zwischenelektrode sind über einen gesteuerten Siliziumgleichrichter in Form eines Thyristors 13, der zum Kühlen mit einem wassergekühlten Kupferblock 14 versehen ist, elektrisch miteinander verbunden. Das Kühlwasser wird durch eine Einlaßöffnung 15 und die Auslaßöffnung 16 durch den Block 14 im Kreislauf geführt. Im Steuerstromkreis liegen dn als Drossel ausgebildetes Begrenzerelement 17 und eine Stromfühleranordnung 18 in Form eines Oszillographen, der den Stromfluß im Steuerstromkreis visuell anzeigt. Die Drossel 17 verhindert ein zu schnelles Ansteigen des Stromes durch den Thyristor und vermindert damit die Gefahr von dessen Beschädigung (Zerstörung).

Paralle¹ zum Thyristor 13 liegt ein Dämpfungsstromkreis 19, der diesen gegen hohe Spannungsspitzen schützt und durch einen Widerstand 20 in Reihe mit einem Widerstand 21 und einem dazu parallel geschalteten Kondensator 22 gebildet wird. Ein Trigger-Stromkreis 23 für den Thyristor 13 umfaßt eine einen stabilisierten, geglätteten Gleichstrom liefernde Stromauelle 24. einen Betriebsschalter 25 in Form eines

Quecksilberschalters und einen Widerstand 26. Bei geöffnetem Bclriebsschalter 25 ist der Trigger-Stromkreis 23 stromlos. Die geerdete Hauptelektrode I und die Hauptelektrode 2 liegen über Leitungen 27 und 28 an einer Hochspannungsquelle, die eine Spannung von 100 V bis 20 kV und einen Strom 10 A bis 5 kA liefern kann. Der Trigger-Stromkreis 23 wird durch Schließen des Schalters 25 eingeschaltet, so daß über die Hauptelektroden 1 und 2 ein hoher Gleichstrom fließt. Da der Thyristor leitend ist, wird zunächst zwischen der Hauptelektrode 2 und der Zwischenelektrode 3 ein Lichtbogen gezündet.

In die Kammer 10 und in das Innere 29 der Zwischenelektrode wird ein Gas eingeleitet, wodurch der Lichtbogen für einen längeren Zeitraum auf die Hauptelektrode ί geführt wird. Die Stromfühieranordnung 18 zeigt die Überführung des Lichtbogens an, da dann der durch den Steuerstromkreis fließende Strom abfällt. Wenn dieser Strom auf beispielsweise weniger als 200 mA abgefallen ist, wird der Betriebsschalter 25 geöffnet, um den Trigger-Stromkreis 23 abzuschalten. Damit erhält der Thyristor 13 keine Ansteuerung mehr.

so daß der Lichtbogen bei einem Abfall des in der Zwischenelektrode fließenden Stroms auf Null zwischen der Hauptelektrode 1 und der Hauptelektrode 2 stabilisiert wird.

Sodann wird durch die Einlaßöffnungen 7 und 8 Gas eingeführt, das zusammen mit dem durch die Einlaßöffnungen 11 und 12 eingeführten Gas durch den Lichtbogen erhitzt und durch die Hauptelektrode 1 aus der Vorrichtung abgeführt wird. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch mehr als eine Zwischenelektrode vorhanden sein, die dann jeweils Teil eines Steuerstromkreises ist, so daß eine progressive Schaltung des Lichtbogens von einer Zwischenelektrode auf die Hauptelektroden erfolgt.

Weiterhin kann auf der Hauptelektrode 1 eine nicht dargestellte Feidwickiung zur Erzeugung einer magnetischen Betriebs-Spitzenflußdichte von beispielsweise 0,01 bis I.OTesla vorgesehen sein. Auch auf der Hauptelektrode 2 kann eine nicht dargestellte, ein Magnetfeld in ihr erzeugende Feldwicklung vorgesehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Beheizen von Gasen mittels eines Lichtbogens mit zwei axial im Abstand voneinander angeordneten, an eine elektrische Hochstromquelle anzuschließenden Hauptelektroden, von denen eine beidseitig offen ist und einen Gasauslaß aufweist und die andere geschlossen ist, mit einer axial zwischen den Hauptelektroden angeordneten, von diesen elektrisch isolierten, beidseitig offenen Zwischenelektrode, mit einem zwischen einer der Hauptelektroden und der Zwischenelektrode liegenden Steuerstromkreis und mit mindestens einer Gaseinlaßeinrichtung zwischen den Elektroden, gekennzeichnet durch einen Steuerstromkreis der eine zwischen die offene Hauptelektrode (1) und die Zwischenelektrode (3) ohne eigene Spannungsquelle geschaltete Reihenschaltung aus einem elektronischen Steuerschalter (13) und einer Stromfühleranordnung (18) sowie einen Betriebsschalter (25) zum Anlegen einer Steuerspannung an den Steuerschalter (13) aufweist.

2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschalter (13) ein besteuerter Siliziumgleichrichter ist.

3. Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromfühleranordnung (18) ein Nebenschlußwiderstand ist.

4. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsschalter (25) ein durch einen Hubmagneten betätigbarer Quecksilberschalter ist.

5. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem gesteuerten Siliziumgleichrichter (13) ein Begrenzerelement (17), vorzugsweise eine Drossel, zur Begrenzung der Geschwindigkeit der Stromzunahme in Reihe geschaltet ist.

6. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum gesteuerten Siliziumgleichrichter (13) ein Stromkreis (20, 21, 22) zur Dämpfung von Spannungsspitzen geschaltet ist.

7. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die offene Hauptelektrode (1) eine Bohrung mit vom der Zwischenelektrode (3) benachbarten Ende zunehmendem Innendurchmesser aufweist.

8. Heizvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche der hohlen Hauptelektrode (1) unter einem Winkel von vorzugsweise 2° bis 20° konisch ausgebildet ist.

9. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der offenen Hauptelektrode (1) eine Feldwicklung zur Erzeugung einer magnetischen Betriebs-Spitzenflußdichte von 0,01 bis 1,0 Tesla vorgesehen ist.

10. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Hauptelektrode (2) als einseitig geschlossener Hohlzylinder ausgebildet ist.

11. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der geschlossenen Hauptelektrode (2) eine ein Magnetfeld in dieser erzeugende Feldwicklung vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine aus der US-PS 33 60 983 bekanntgewordene Vorrichtung der vorgenannten Art besitzt eine Kathode und eine Anode, wobei benachbart zur Kathode eine Zwischenelektrode vorgesehen ist und ein Einlaß zut Einführung eines Gases dient, das zwischen die Kathode und die Zwischenelektrode strömt. Ein unter hohem Druck stehendes Gas (Luft) strömt zwischen der Zwischenelektrode und der Anode in die Vorrichtung ein. Zur Zuführung von elektrischer Energie zur Heizvorrichtung sind zwei Kreise erforderlich, von denen der erste durch eine Spannungsquelle, einen Schalter und einen Widerstand gebildet wird, welche zwischen die Kathode und die Zwischenelektrode geschaltet sind. Der Hauptkreis zur Energiezuführung umfaßt eine weitere Spannungsquelle und einen Schalter, welche zwischen die Kathode und die Anode geschaltet sind. Der Lichtbogen in dieser Heizvorrichtung wird gemäß einer festgelegten Sequenz gezündet. Über den Einlaß wird Stickstoff in die Vorrichtung eingeleitet und über die Kathode und die Zwischenelektrode Energie zugeführt, so daß ein Bogen zwischen diesen Elektroden gezündet wird. Dieser Bogen bewirkt eine Ionisation des Stickstoffs, welcher mittels einer Vakuumpumpe durch die Vorrichtung gezogen wird, so daß ein Bogen zwischen der Kathode und der Anode gezündet werden kann. Anfänglich sind in dieser Vorrichtung zwei Bögen, nämlich ein Pilotbogen und ein Hauptbogen, vorhanden. Wenn der Hauptbogen gezündet ist, wird der Schalter geöffnet, um die Energiezufuhr zwischen der Kathode und der Zwischenelektrode zu unterbrechen, so daß der Pilotbogen zwischen diesen Elektroden gelöscht und darauf vertraut wird, daß der Hauptbogen zwischen der Kathode und der Anode erhalten bleibt. Nach dem öffnen des Schalters und nach dem Löschen des Pilotbogens kann der Hauptstrom von unter Druck stehendem Gas in die Vorrichtung eingelassen werden. Dabei erfolgt daher die Zuführung von Stickstoff unter geringem Druck zwischen die Zwischenelektrode und die Kathode zur Zündung eines Pilotbogens sowie zur Ionisation des Stickstoffgases, das zur Ermöglichung der Zündung des Hauptbogens dient und das durch einen unabhängigen Energieversorgungszweig zugeführt wird. Der ionisierte Stickstoff wird mittels der Vakuumpumpe durch die Heizvorrichtung gezogen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, mit der eine Gewinnung heißer Gase in einem kontinuierlichen Prozeß mit minimalen Unterbrechungsvorgängen durch Schalter durchführbar ist, wobei ohne Vakuumpumpen unter Ausnutzung des verwendeten Gases ein Lichtbogen zündbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gegenüber der oben erläuterten Vorrichtung nach der US-PS 33 60 988 besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil eines vereinfachten Steuerstromkreises ohne eigene Spannungsquelle mit einem Minimum an manuellem Betrieb. Die Stromfühleranordnung zeigt an, wann sich der Lichtbogen von der Zwischenelektrode wegbewegt, wobei durch Betätigung des Betriebsschalters ein Zustand eingeleitet wird, in dem der Steuerschalter nicht leitend geschaltet wird, wenn der Strom auf Null fällt. Die Vorrichtung schaltet daher automatisch in den Betriebsstand. Sie ist daher im