DE2544137A1

DE2544137A1 - Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung

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Publication number: DE2544137A1
Application number: DE19752544137
Authority: DE
Inventors: Susumu Hiratake; Mitsuhiro Matsui
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 1974-10-02
Filing date: 1975-10-02
Publication date: 1976-04-15
Also published as: FR2287146B1; DE2544137C2; GB1525394A; DE2560542C2; GB1525393A; FR2287146A1; US4048436A

Description

BLUMBACH . WESER · BERGEN · KRAMER

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

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Daidoseiko Kabushikikaisha
Nagoya, Japan

10.016

1. Oktober 1975

Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung, wobei in verschiedenen Formen (Pulver, Rundstücke oder Rohlinge) vorliegendes Metall mit gasförmigem Plasma geschmolzen wird.

Dem Fachmann sind derartige Vorrichtungen zur Wärmebehandlung gut bekannt, bei denen mit gasförmigem Plasma, das in der Form von Plasmastrahlen aus Düsen austritt,Metalle geschmolzen werden. Wird bei einer solchen Vorrichtung ein einziger Plasmastrahl' verwendet, so nimmt daf: geschmolzene Metall in dem gekühlten Tiegel eine trichterförmige Form an, und auf diese Weise hergestellte Rohlinge zeigen inhomogene Struktur mit charakteristischen Mustern. Mit dieser Inhomogenität der Rohlinge ist eine Abnahme der mechanischen Festigkeit des

München: Kramer ■ Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

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metallischen Materials verbunden. Enthält das zu schmelzende Metall auch nichtmetallische Komponenten, so werden bei Verwendung dieser bekannten Torrichtung in einem Schmelzbad die nichtmetallischen Komponenten durch Kristallisationsflächen in die inneren Bereiche des Rohlings gedrängt, was zu einer Einschnürung und Rißbildung des Rohlings führt und dessen mechanische Bearbeitung erschwert.

Diese Inhomogenität des Rohlings kann beträchtlich vermindert werden, wenn eine Vielzahl von Plasmastrahlen rund um die zentrale Achse der Vorrichtung verwendet und damit die Erwärmung der Schmelze abschnittsweise vorgenommen wird. Diese Inhomogenität kann weiterhin dadurch vermindert werden, daß die Plasmastrahlen in der Weise ausgerichtet und betrieben werden, daß die Strömungsrichtung (jetting velocity) der Vielzahl von Plasmastrahlen Komponenten in der kreisförmig umlaufenden Richtung der Vorrichtung aufweisen. Damit wird gewährleistet, daß das .geschmolzene Metall durch die kinetische Energie der Plasmastrahlen in eine Drehung rund um die Achse der Vorrichtung versetzt wird. Soll jedoch die abschnittsweise Erwärmung und die Drehung des Schmelzbades durch die zahlreichen Plasmastrahlen wirksam erfolgen, so muß die Ausrichtung und Befestigung der Düsen sehr präzise durchgeführt werden, wobei auch das Strömungsbild und die Temperaturverteilung des geschmolzenen Metalls zu berücksichtigen ist. Ferner muß beachtet werden, daß die Betriebsbedingungen der Vorrichtung von den Komponenten des eingesetzten Metalles und

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den Anforderungen an den angestrebten Rohling abhängen, so daß die zahlreichen Düsen erneut ausgerichtet und befestigt werden müssen, um optimale Betriebsbedingungen zu gewährleisten.

Die erfindungsgemäße Torrichtung zur Wärmebehandlung weist nicht nur eine Vielzahl von Plasmastrahlen auf, sondern sie enthält zusätzlich Mittel zur Erzeugung eines magnetischen Feldes, das in einer geeigneten Richtung, jedoch nicht parallel zur Richtung des in Form von Gleichstrom vorliegenden strömenden Plasmas ausgerichtet ist. Der zur Erwärmung vorgesehene Plasmastrom wird durch eine negative Elektrode an die Düse herangeführt und fließt durch den Plasmastrahl, so daß es im Bereich des Plasmastrahles zu einer elektromagnetischen Wechselwirkung mit dem angelegten Magnetfeld kommt. Der Plasmastrahl wird in der Weise abgelenkt, daß seine Strömungsrichtung eine auf einem Kreis rund um die zentrale Achse der Vorrichtung umlaufende Komponente aufweist. Bei Verwendung von zahlreichen Plasmastrahlen ergibt diese durch das magnetische Feld bewirkte Ablenkung einen entsprechenden Effekt, wie er durch die sorgfältige Ausrichtung und Anordnung zahlreicher Düsen erreicht wird. Bei der .erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Ablenkung oder die Ausrichtung der Plasmastrahlen auf einfachem Wege durch Steuerung des Stromes für das Magnetfeld festgelegt werden.

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Die Wechselwirkung des Gleichstromes im Plasma mit einem magnetischen Wechselfeld bewirkt eine oscillierende Ablenkung des Plasmastrahles mit konstanter Amplitude rund um die Strömungsrichtung des nicht abgelenkten Strahles. Die Wechselwirkung des Gleichstroms im Plasma mit einem Wechselstrom, der von einem Gleichstrom überlagert ist, bewirkt eine oscillierende Ablenkung des Plasmastrahles rund um die abgelenkte mittlere Strömungsrichtung des Plasmastrahles. Aus diesen Darlegungen geht bereits hervor, daß die Steuerung der Ablenkung des Plasmastrahles und damit die abschnittsweise Erwärmung und Rotation des Schmelzbades auf einfachem Wege durch Steuerung des Stromes für das Magnetfeld erreicht werden kann. Diese Steuermöglichkeiten erlauben die Herstellung von Rohlingen mit größerer Homogenität und erweitern den Anwendungsbereich entsprechender Vorrichtungen zur Wärmebehandlung.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird das Plasma einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt und gemeinsam mit diesem in Drehung versetzt. Als Folge dieser Drehung wird eine Zentrifugalkraft auf das Plasma ausgeübt, was wiederum eine Verstärkung oder Verdichtung des Plasmas bewirkt. Ein solches verstärktes Plasma kann vorteilhaft dort angewandt werden,wo das Plasma vollständig auf einen großen, für die Wärmebehandlung vorgesehenen Bereich, gerichtet wird. Werden beispiels-

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weise für die Wärmebehandlung vorgesehene, metallische oder nichtmetallische Materialien geschmolzen, so können sie damit vollständig und homogen behandelt werden, und weisen nach der Behandlung eine bessere Qualität auf. Da das Plasma durch das rotierende Magnetfeld in Drehung versetzt wird und durch die daraus resultierende Zentrifugalkraft mechanisch verstärkt wird, kann bereits ein schwaches, rotierendes Magnetfeld, das lediglich dazu ausreicht, das Plasma in Rotation zu versetzen, das Plasma in erheblichem Ausmaß verstärken. D.h., durch das rotierende Magnetfeld kann das Plasma um einen bestimmten konstanten Energiebetrag verstärkt werden. Zusätzlich erlaubt die Einwirkung des rotierenden Magnetfeldes auf ein Plasma, das aus elektrisch leitfähigem Gas besteht, die elektromagnetische Zuführung von Energie zu dem elektrisch leitenden Gas, wodurch dieses auf höhere Temperaturen erwärmt wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen 5 Blatt Abbildungen mit den Figuren 1 bis 14; im einzelnen zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

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Pig. 3 in schematischer Darstellung einen Plasmastrahl, eine Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes und die Stromverteilung in einem Schmelzbad;

Fig. 4 von oben betrachtet die Anordnung nach Pig. 3;

Pig. 5 in entsprechender Darstellung nach Pig. 4 die Wechselwirkung des Plasmas mit einem magnetischen Wechselfeld;

Pig. 6 in schematischer Darstellung Beispiele für solche Ströme, welche ein magnetisches Wechselfeld ergeben;

Pig. 7 in perspektivischer Darstellung, teilweise im Schnitt, Mittel zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes;

Pig. 8 in gestraffter schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Torrichtung zur Wärmebehandlung, welche mit einem rotierenden Magnetfeld arbeitet;

Pig. 9 die Ablenkung des Plasmas nach Pig. 8;

Pig. 10 in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Verstärkung von induktiv erzeugtem Plasma;

Pig. 11 in gestraffter perspektivischer Darstellung ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Schmelzvorrichtung;

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Pig. 12 in gestraffter schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionen;

Fig. 13 in perspektivischer Darstellung eine andere Ausführungsform der Mittel zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes; und

Fig. 14 in gestraffter schematischer Darstellung eine Torrichtung zur Erwärmung von elektrisch leitfähigem Gas mit einem rotierenden Magnetfeld.

Nach Pig. 1 umschließt eine Wand (11) eine gasdichte Schmelzkammer (10), und über das Ventil (12) wird geeignetes Gas in die Kammer (10) eingeführt. Im unteren Bereich der Schmelzkammer (10) ist ein zylindrischer Tiegel (13) vorgesehen,der mit diesem unteren Bereich in Verbindung steht. Der Tiegel (13) "besteht aus einem elektrisch leitenden Bodenstück (14) und einer zweifachen Seitenwand (15), innerhalb der ein ringförmiger Zwischenraum (16) vorgesehen ist, durch den als Kühlmittel Wasser geleitet werden kann. Diese zweifache Seitenwand (15) besteht aus nicht-magnetischem Material und weist vorzugsweise schlechte elektrische Leitfähigkeit auf, wenn

ein magnetisches Wechselfeld benutzt wird. Mit dem Boden (14) ein

ist/vertikal hin- und herbewegbarer Stab (17) verbunden, der durch gut bekannte (nicht dargestellte)Mittel hin- und herbewegt wird. Unterhalb des Tiegels (13) ist eine Kammer (18) für den Rohling vorgesehen. Im oberen, schulterförmig ausge-

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stalteten Teil der Schmelzkammer (10) sind drei Düsen (19) mit gleichem Abstand auf einem Kreis rund um die zentrale Achse (20) des Tiegels (13) angeordnet, wobei jede der Düsen schräg nach unten gerichtet ist. Eine verlängerte gerade Linie durch jede Düse trifft in einem gedachten Kreis auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls (23), was nachstehend noch erläutert wird.Jede Düse (19) enthält eine koaxiale, negative Elektrode (21), so daß ein ringförmiger Zwischenraum (22) zwischen der Elektrode (21) und der Innenwand der Düse (19) gebildet wird, durch den ein geeignetes, neutrales Gas hindurchgeführt wird, das durch Ionisation in ein Plasma überführt werden kann. Dieses Gas wird vorzugsweise in solchen Mengen oder unter einem solchen Druck durch den Spalt geführt, daß das Gas nach Überführung-in ein Plasma beträchtliche kinetische Energie besitzt und auch nach dem Ausströmen aus der Düse (19) seine ursprüngliche Strömungsrichtung mit ausreichendem Beharrungsvermögen beibehält, solange keine äußeren Kräfte einwirken. Die Zahl der Düsen (19) ist nicht auf drei beschränkt; zusammen mit dem erforderlichen Platz zur Befestigung der Düsen, dem Winkel der Düse gegen die zentrale Achse (20) und dem Durchmesser jeder Düse hat sich diese Anzahl jedoch als zweckmäßig erwiesen, um optimale Bedingungen für das Schmelzen von Metall unter den betrachteten Bedingungen zu gewährleisten. Im oberen Bereich des Tiegels (13) wird das geschmolzene Metall (23) gebildet, das schrittweise abgekühlt wird und im unteren Bereich des Tiegels insgesamt den Rohling (24) ergibt. Mit der negativen Elektrode (21) ist

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eine Gleichstromquelle (25) verbunden, welche den Strom zur Erzeugung des Plasmas liefert; der Boden (14) ist als positive Elektrode ausgebildet, so daß ein Plasmastrahl (26) zwischen der negativen Elektrode (21) und dem geschmolzenen Metall (23) entsteht, welcher seinerseits einen Teil des Leiters oder Weges für den Plasmastrom darstellt. Im obersten Bereich der Schmelzkammer (10) ist ein Einlaß (27) für das Rohmaterial vorgesehen, über dem ein Trichter (28) zum Einführen des Rohmaterials befestigt ist. In dem Einfülltrichter (28) befindet sich das pulverförmige Metall (29), das geschmolzen werden soll. Außerhalb des Tiegels (13) ist rund um das geschmolzene Metall (23) eine Hohl- bzw. Luftspule (30) befestigt, welche einen wesentlichen Bestandteil der das Magnetfeld erzeugenden Mittel darstellt. Die Luftspule (30) wird aus einer Quelle (32) zur Erzeugung des magnetischen

Ke speist.

Feldes über eine Stromsteuereinrichtung (31)/' ^Die Stromquelle kann Gleichstrom, Wechselstrom oder einen durch Überlagerung von Gleich- und Wechselstrom erhaltenen Strom liefern.

Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung fällt das pulverförmige Metall (29) durch den Einlaß (27) nach unten und wird durch die Plasmastrahlen (26), welche mit geeigneter Geschwindigkeit aus den Düsen (19) austreten, im oberen Bereich des Tiegels (19) geschmolzen. Während des Schmelzens des Rohmaterials wird der Boden (14) des Tiegels (13) schrittweise mittels der hin- und herbewegbaren Stange (17)

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nach unten geführt. Dementsprechend "befindet sich das Rohmaterial, das zuerst erschmolzen worden ist, im unteren Bereich des Tiegels und wird in dieser Reihenfolge als Rohling (24) aus der Kammer (18) herausgenommen. Wird jetzt der das Magnetfeld erzeugenden Quelle (32) Gleichstrom zugeführt, so wird in der axialen Richtung der Vorrichtung ein

auf Gleichstrom-Magnetfeld (33) aufgebaut, undYden Plasmastrom, der innerhalb der Plasmastrahlen (26) in der mit dem Pfeil (34) bezeichneten Richtung fließt, wirkt als Folge der Wechselwirkung mit dem Magnetfeld (33) eine ablenkende elektromagnetische Kraft ein. Bezeichnet man den Vektor der magnetischen Induktion mit B und den Vektor des Plasmastromes mit I, so ergibt sich die ausgeübte elektromagnetische Kraft F (pro längeneinheit) zu IxB, so daß auf den Strahl (26), bevor er abgelenkt wird, die Kraft F im Uhrzeigersinne einwirkt, wie das in Fig. 4 schematisch dargestellt ist; dies ist letztlich eine Folge der nach außen gerichteten radialen Komponente des Plasmastromes, bevor er abgelenkt wird und der nach oben gerichteten axialen Komponente der magnetischen Induktion. Als Folge dieser Krafteinwirkung wird der Plasmastrahl (26) wenigstens am Anfang in einer kreisförmigen Bahn abgelenkt. Die äußerste Ablenkung des Plasmastrahls (26) ergibt sich insgesamt aus der Verteilung und Intensität des Magnetfeldes, dem Beharrungsvermögen der sich bewegenden Partikel des Plasmastrahles, den Hafteigenschaften des Ansatzpunktes des Strahls auf dem geschmolzenen Metall (23) und aus der Energie des Plasmastrahles.

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Unter der Annahme, daß die Plasmastrahlen (26) bis zum äußersten abgelenkt werden, ergeben sich kreisförmig verlaufende G-eschwindigkeitskomponenten, wie das in Fig. 4 dargestellt ist. Zur Ausrichtung der abgelenkten Plasmastrahlen dienen bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Steuermittel (31). Wie in Eig. 4 dargestellt ist, bewirken die Plasmastrahlen (26) infolge ihres kreisförmig verlaufenden Bewegungsmomentes eine Rotationsbewegung des geschmolzenen Metalls (23) in Uhrzeiger-Richtung. Diese Rotationsbewegung fördert die Homogenisierung des Metalls sowohl in den schmelzflüssigen wie in den bereits verfestigten Bereichen. Andererseits fließt der Strom Io konvergent auf mehrere Brennflecke unterhalb der unteren Endabschnitte der Plasmastrahlen (26) zu, so daß der Strom Io gewöhnlich eine Komponente besitzt, die nicht parallel zum Magnetfeld (33) verläuft. Eine andere Möglichkeit, um das schmelzflüssige Metall in Bewegung zu versetzen, beruht auf der Massenträgheit und der Viskosität des geschmolzenen Metalls und folgt aus der Wechselwirkung dieser Stromkomponente mit dem Magnetfeld, Wenn das geschmolzene Metall beträchtliche elektrische Leitfähigkeit aufweist, dann wird als Folge der Metallbewegung im geschmolzenen Metall ein Wirbelstrom induziert, wobei die Wechselwirkung dieses induzierten Stromes mit dem Magnetfeld die Drehbewegung des geschmolzenen Metalls zu hemmen trachtet. Diese Wirkung wird jedoch im Sinne eines Einfrierens des Plasmas im Magnetfeld interpretiert und geht nicht über die ursprünglichen, von den Plasmastrahlen (26) ausgehenden, die Bewegung des schmelzflüssigen Metalles verursachenden Momente hinaus, wie die Reibungs-

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kraft nicht die, die Bewegung verursachende Kraft übersteigen kann. Wenn es sich "bei dem geschmolzenen Metall um magnetisierbares Material handelt, dann steigt die Intensität der magnetischen Induktion an; hierbei handelt es sich jedoch um einen angestrebten Effekt, denn es wird keine Anziehungskraft auf das geschmolzene Metall ausgeübt.

Wenn es sich bei dem Plasmastrom um gleichgerichteten Strom handelt, und der das Magnetfeld verursachende Strom verläuft sinusförmig, sägezahn-förmig oder rechteckig, wie das mit den Fig. 6a bis 6c angedeutet ist, dann verläuft die Ablenkung des Plasmastrahles (26) oszillierend um dessen mittlere, nichtabgelenkte Richtung. Wenn die Schwingungsdauer der verschiedenen Wechselströme für das magnetische EeId sehr kurz ist, dann vergrößert sich . die Spitze des Plasmastrahles (26) wie das in Fig. 5 gezeigt ist und ein solcher Plasmastrahl (26) kann homogen einen wesentlich größeren Bereich des zu schmelzenden Objektes erwärmen, als das bei inherentem Querschnitt des Plasmastrahles (26) möglich ist. Wird ein sinusförmiger Strom von einem G-leichstrom überlagert, wie das in Fig. 6 d dargestellt ist, und wird dieser zusammengesetzte Strom als !Erreger .-Strom verwendet, so erfolgt die Ablenkung des Plasmastrahles (26) oszillierend um die. mittlere bereits abgelenkte Richtung, was wiederum bedeutet, die Steuerung der bereits abgelenkten Richtung der Spitze des Plasmastrahles und die wirksame Vergrößerung bzw. Erweiterung des Plasmastrahles

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kann gleichzeitig durchgeführt werden. Wird ein magnetisches Wechselfeld verwendet, so muß bedacht werden, daß innerhalb des Bereichs des magnetischen Wechselfeldes keine Bauteile aus elektrisch leitendem Material vorgesehen werden, und daß die magnetische Energie nicht in Form von Wärme durch induktive Aufheizung aufgezehrt wird.

Mit Fig. 2 wird eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Diejenigen Merkmale der Pig. 2, die im wesentlichen ähnlich zu den entsprechenden Merkmalen der Pig. 1 ausgestaltet sind, erhalten die gleiche Bezugsziffer wie in Pig. 1, jedoch mit dem Zusatz a, wobei die wiederholte Beschreibung dieser Merkmale weggelassen wurde. Ein stangenförmiges Rohmaterial (35) reicht durch den Rohmaterial-Einlaß in die Schmelzkammer (10a) hinein, wobei der obere Abschnitt des Rohmaterials von der vertikal hin- und herbewegbaren Haltestange (36) festgehalten wird. Zur vertikalen Hin- und Herbewegung wird die Haltestange (36) innerhalb eines Halterahmens (37) befestigt, welcher seinerseits oberhalb des Rohmaterial-Einlaßes angeordnet ist; ferner ist ein (nicht dargestellter) Absenk-Mechanismus vorgesehen, der am oberen Ende der Haltes tange (36) angreift und diese bewegt. Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das stangenförmige Rohmaterial (35) mittels der Plasmastrahlen (26a) an seinem unteren Ende

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geschmolzen, während das stangenförmige Rohmaterial abgesenkt wird.

Bei den Pig. 7 "bis 9 wird mit der Bezugsziffer 41 eine Vorrichtung "bezeichnet, aus der bei hohen Temperaturen ein elektrisch leitendes Gas austreten kann; eine solche Vorrichtung wird gewöhnlich als Plasmabrenner bezeichnet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können verschiedene, bekannte Plasmabrenner verwendet werden, wozu etwa Plasmabrenner vom Transfer-Typ oder Nicht-Transfer-Typ gehören. Mit der Bezugsziffer 42 wird das aus dem Plasmabrenner 41 austretende Plasma bezeichnet, und mit der Bezugsziffer 43 wird derjenige Behandlungsbereich bezeichnet, wo das Plasma auf ein Objekt gerichtet wird, das dadurch erwärmt wird. Im folgenden v/erden die Mittel 44 zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes beschrieben, welche in der Nachbarschaft des Plasmas (42) befestigt sind. Ein Eisenkern (45) entspricht im wesentlichen solchen Eisenkernen, wie sie als Statoren in Elektromotoren verwendet werden. Die Spulen (46) sind in bekannter, beliebiger Weise um den Kern (45) gewickelt, wobei die Spulen in der Weise miteinander verknüpft und angeschlossen werden, daß sie bei Zuführung von 3-Phasen (oder anderem mehrphasigem) Wechselstrom ein rotierendes Magnetfeld liefern. Mit dem Pfeil (47) wird die Richtung des Magnetfeldes angezeigt, das von den Spulen (46) erzeugt wird, und diese Richtung dreht sich im Sinne des gekrümmten Pfeils (48) infolge der Phasenänderungen der Stromquelle, welche die Spulen (46)

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speist. Die mit dem gekrümmten Pfeil (48) bezeichnete Brehrichtung kann nach einer bestimmten Zeitspanne umgekehrt oder in ihr Gegenteil verkehrt werden oder sie kann um einen gewissen Winkel -verändert werden. Mit der Bezugsziffer 49 wird eine übliche Stromquelle für 3-Phasen-Wechselstrom bezeichnet. Wie bereits angedeutet, kann auch eine andere Mehrphasen-Wechselstrom-Quelle verwendet werden, wobei in einem solchen Falle die oben bezeichneten Spulen entsprechend angeschlossen sein müssen.

Nachfolgend werden die Steuermittel zur Festlegung der Eigenschaften des rotierenden Magnetfeldes beschrieben. Mit der Bezugsziffer 50 werden Mittel zur Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit bezeichnet, welche in der Weise ausgestaltet sind, daß sich die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Magnetfeldes mit der Frequenz des Stromes, welcher von der Stromquelle den Mitteln 44 zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes zugeführt wird, ändert, wobei ein Frequenzwandler, oder Änderungen der Spulenanschlüsse,um die Anzahl der Pole der Mittel 44 zu verändern, vorgesehen sein können. Mit der Bezugsziffer 51 werden Mittel zur Einstellung der Feldstärke bezeichnet, um die Spannung oder die Stromstärke des Stromes zu verändern, welcher von der Stromquelle den Mitteln 44 zugeführt wird, um die Intensität des von diesen Mitteln erzeugten Magnetfeldes zu steuern. Die

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Mittel (50) zur Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit und die Mittel (51) zur Festlegung der Feldstärke können auch in anderer Reihenfolge vorgesehen und elektrisch geschaltet sein.

Bei der oben "beschriebenen Vorrichtung wird ein rotierendes Magnetfeld, das gleichsinnig mit dem gekrümmten Pfeil (48) rotiert, an das Plasma (42) angelegt, und zwar in einer Richtung, welche die Achse des Plasmas kreuzt, wie das mit dem Pfeil (47) in Pig. 7 dargestellt ist. Daraufhin rotiert das elektrisch leitende Plasma (42) in der gleichen Richtung wie das rotierende Magnetfeld (gleichsinnig mit dem. Pfeil 48), was einfach aus dem Arbeitsprinzip des gut bekannten Induktionsmotors folgt. Nachdem das Plasma (42) auf diese Weise in Rotation versetzt worden ist, geht von dem Plasma eine Zentrifugalkraft aus, die das Plasma nach außen zu erweitern sucht, und das Plasma (42) wird gegen einen grösseren Behandlungsbereich gerichtet, wie das in Fig. 8 dargestellt ist. Das Ausmaß der Erweiterung des Plasmas (42) hängt von der Rotationsgeschwindigkeit des Plasmas (42) ab und diese Rotationsgeschwindigkeit hängt wiederum von der Intensität und der Rotationsgeschv/indigkeit des rotierenden Magnetfeldes ab. D.h., das Volumen, das infolge des rotierenden Magnetfeldes vom erweiterten Plasma eingenommen wird, kann allein durch irgendeine beliebige der folgenden Größen,

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nämlich die Kapazität, die Anzahl der Phasen, die !Frequenz der Wechselstrom-Quelle oder die Anzahl der Pole, welche die das Magnetfeld erzeugenden Mittel (44) aufweisen, gesteuert werden.

Handelt es. sich andererseits bei dem Plasma (42) um solches Plasma, wie es von einem Plasmabrenner (41) vom Transfer-Typ erzeugt wird, so fließt der Strom I¹ innerhalb des Plasmas in entgegengesetzter Richtung zur Strömungsrichtung des Plasmas wie das in Fig. 9(A) dargestellt ist. Bei der Wechselwirkung dieses Stromes mit dem Magnetfeld H¹ tritt entsprechend der Fleming'sehen "Linke-Hand-Regel" die Kraft F¹ auf_/ und das Plasma wird als Ganzes abgelenkt, wie das dargestellt ist. Da das Magnetfeld H' beständig rotiert, erscheint das abgelenkte Plasma erweitert, wie das in Fig. 9(B) dargestellt ist, wenn das Plasma über einen langen Zeitraum (langer als eine Periode des rotierenden Magnetfeldes) beobachtet wird, vergleichbar etwa mit der Zeitspanne, innerhalb der die Wärmebehandlung des Objektes erfolgt.

In diesem Falle wird das Ausmaß der Erweiterung des Plasmas (42) sowohl durch den Strom I¹, welcher innerhalb des Plasmas fließt, gesteuert, wie durch die oben bereits in Verbindung mit der anderen Ausführungsform erläuterten Faktoren.

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Mit Pig. 10 wird eine solche Aus f ührungs form der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert, bei der ein induktiv hergestelltes Plasma erweitert wird. Im Plasmabrenner (41e) dieser Ausführungsform wird ein Gas, das über ein warmefestes Rohr (61)(etwa ein Quarzrohr) in der mit dem Pfeil (62) bezeichneten Richtung eingeführt wird, mit der Spule (63) induktiv erwärmt, wobei die Spule (63) um das wärmefeste Rohr (61) gewickelt ist und durch die Hochfrequenz-Stromquelle (64) gespeist wird. Hierdurch wird das Gas in ein Plasma (42e) umgewandelt, das schließlich aus dem Brenner austritt. Auch dieses Plasma (42) wird durch das oben beschriebene rotierende Magnetfeld in Drehung versetzt und durch die dabei auftretende Zentrifugalkraft erweitert. Wenn auf das Plasma (42e) das rotierende Magnetfeld einwirkt, das von den Mitteln (4,4^e) zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes erzeugt wird, dann fließt ein induzierter Strom in dem Plasma und das Plasma wird auch durch diesen induzierten Strom erwärmt. Wegen des Skin-Effektes wird durch diese induktive Erwärmung das Plasma an seiner Oberfläche stärker erwärmt als im Inneren, so daß das rotierende Magnetfeld neben der Erweiterung des Plasmas auch eine Erwärmung der Oberflächenbereiche des Plasmas bei niedrigen Temperaturen bewirkt. Auch dieser Effekt trägt zur homogenen Erwärmung des Plasmas bei; d.h., das erweiterte Plasma (42 e) trifft mit einer breiten und homogenen Temperaturverteilung, wie das mit den Kontur-Linien dargestellt ist, auf

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den Behandlungsbereich (43^. Bei dieser Ausführungsform haben diejenigen Teile > welche den analogen Teilen . aus den Pig. 7 Ms 9 entsprechen, den Zusatz e erhalten, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Teile weggelassen wurde (bei der Erläuterung der folgenden Figuren wird in gleicher Weise verfahre^ und mit den Zusätzen f oder g ausgedrückt, daß es sich um analoge Teile handelt, die bereits erläutert worden sind).

Mit Pig. 11 wird ein Beispiel für eine Vorrichtung erläutert, bei der das zu behandelnde Objekt in geschmolzenem Zustand vorliegt. Bei dieser Aus führungs form ist ein Behälter (71) vorgesehen, dessen zentraler Abschnitt den Behandlungsbereich darstellt. Dieser Behälter besteht aus wärmefestem Material oder Kupfer und kann mit einem Kühlmittel wie etwa Wasser gekühlt werden. Mit der Bezugsziffer 72 wird das zu schmelzende Material, wie etwa Zinn oder ein anderes Metall oder ein anderes zu schmelzendes Rohmaterial bezeichnet, das sich in dem Behälter (71) befindet. Bei dieser Vorrichtung wird das erweiterte Plasma (42) in breitem Umfang gegen das zu schmelzende Material gerichtet, und das Material (72) wird homogen erschmolzen, wobei weder Siedeerscheinungen durch örtliche Überhitzungen beobachtet werden noch irgendwelche ungeschmolzene Anteile zurück bleiben. Wird das Material (72) während es in den Behäl-

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geschmolzen

ter (71) fäll-/, so wird das neu eingeführte Material (72) schnell durch das nicht-erweiterte Plasma erwärmt und anschließend nochmals als Ganzes und homogen durch das erweiterte Plasma erwärmt. In diesem Falle wird das Plasma (42f) dadurch auf das zu schmelzende Material (72) gerichtet, daß kein rotierendes Magnetfeld verwendet wird , oder daß die Ablenkung des Plasmas (42) mit einem nicht-rotierenden Magnetfeld durchgeführt wird .

Mit Pig. 12 wird eine Vorrichtung erläutert, in der pulverförmiges oder körniges Material behandelt und einer chemischen Reaktion unterworfen wird. Bei dieser Ausf ührungsform wird ein Plasmabrenner (41e) vom Transfer-Typ verwendet, wobei die Spannung einer Gleichstrom-Quelle zwischen einer ringförmigen oder zylindrischen positiven Elektrode (81) und einer negativen Elektrode (82) angelegt wird, und Gas zwischen der Düse (83) und der negativen Elektrode (82) hindurchgeführt (wie das mit dem Pfeil 84- angedeutet ist) und ionisiert wird, und anschließend aus dem Brenner austritt. Naturgemäß muß es sich bei diesem Gas um ein solches handeln, das für die Reaktion der zu behandelnden Materialien erforderlich ist. Das zu behandelnde Material (85) fällt durch die Rohmaterial-Zuführung (86) nach unten und wird mit dem aus dem Brenner (41) austretenden Plasma (42g) vermischt. Bei dem zu behandelnden Material kann es sich um Kohle handeln, wenn die

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Kohle durch Wärmeeinwirkung zersetzt werden soll oder wenn Acetylen, Kohlenmonoxid oder Wasserstoff erzeugt werden sollen aufgrund von Synthese- oder Reduktionsreaktionen, wenn Kohle mit Wasserstoff, Kohlendioxid, Luft oder Wasserdampf reagiert; oder bei dem zu behandelnden Material kann es sich um Aluminium handeln,wenn aus pulverförmigem Aluminium in einem Stickstoff-Plasma Aluminiumnitrid erzeugt werden soll. Das in das Plasma (42g) einga-führte Material (85)(in diesem Falle stellt der gesamte Bereich des Plasmas 42g den Behandlungsbereich dar) reagiert innerhalb des Plasmas und das erhaltende Produkt (87) wird abgezogen und in einer Kammer (88) gesammelt. Auch in diesem Falle wird das Plasma durch die Einwirkung des rotierenden Magnetfeldes in Rotation versetzt und erweitert, so daß die Schichten mit niedriger Temperatur, welche bei Abwesenheit des rotierenden Magnetfeldes zwischen dem Plasma und der positiven Elektrode vorliegen, vermindert werden, und die im Plasma konzentriert enthaltene Energie dispers verteilt.wird, so daß eine homogene Temperaturverteilung erreicht wird.Im Ergebnis bestehen größere Möglichkeiten dafür, daß das Material (85) mit dem erweiterten Plasma in Berührur.g kommt, als bei der Verwendung von nicht-erweitertem Plasma, und unterschiedliche Reaktionsbedingungen für das pulverförmige Material, welche sich daraus ergeben können, daß ein Teil des pulverförmigen Materials durch den zentralen Bereich des Plasmas und ein anderer Teil durch

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den äußeren Bereich des Plasmas fällt, werden durch, diese homogene Temperaturverteilung -vermindert. Im Ergebnis wird deshalb ein Produkt erhalten, das im Ganzen sehr homogen ist. Die gleiche Wirkung wird auch ohne Verwendung der ringförmigen positiven Elektrode erhalten, wenn die Mittel zur Erzeugung' des rotierenden Magnetfeldes rund um die Düse eines Plasmabrenners vom Nieht-Transfer-Typ (bei dem ein Plasma als Folge der Entladung zwischen Düse und der negativen Elektrode austritt) befestigt werden, oder rund um die Quelle für ein induktiv erzeugtes Plasma angeordnet werden, das zusammen mit dem Rohmaterial aus der Quelle austritt, wie das in Fig. 10 dargestellt ist.

Mit Fig. 13 wird eine unterschiedliche Ausführungsform der Mittel (44h) zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes erläutert, welche aus einem Halterahmen (92) bestehen, der in gut bekannter Weise drehbar rund um die zentrale Achse des Plasmas gelagert ist, und ferner eine Vielzahl von Magneten (93) vorgesehen sind,welche mit abwechselnden Nord- und Süd-Polen auf der Innenseite des Halterahmens (92) angeordnet sind, Bei dem Magneten (93) kann es sich um einen Permanent-Magneten oder um einen Elektro-Magneten handeln, wobei der letztere von einer Stromquelle über übliche Leitringe gespeist wird. Auf der Außenfläche des Halterahmens (92) ist ein Zahnkranz (94) vorgesehen, auf den der Antrieb (95) einwirkt, welcher seiner-

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seits von einem Elektromotor oder dergleichen angetrieben wird.

In diesem Falle wird die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Magnetfeldes durch den Elektro-Motor oder die sonstigen Antriebsmittel gesteuert, und die Intensität des rotierenden Magnetfeldes wird durch die Steuerung des Stromes festgelegt, v/elcher dem als Magnet (93) dienenden Elektro-Magneten zugeführt wird.

Mit Flg. 14 wird eine Ausführungsform der Vorrichtung erläutert, mit der elektrisch leitendes Gas auf so hohe Temperaturen erwärmt wird, daß es in ein Plasma übergeht. Hier wird elektrisch leitendes Gas von hoher oder niedriger Temperatur über die Leitung (101) zugeführt, wobei auf das Gas die von einem rotierenden Magnetfeld erzeugte Drehkraft einwirkt, wobei die Erwärmung des Gases durch einen Induktionsstrom erfolgt, der durch das rotierende Magnetfeld im Gas induziert wird, während das Gas den Bereich 102 passiert, wo das von den, ein rotierendes Magnetfeld erzeugenden Mitteln (44e), erzeugte rotierende Magnetfeld auf das Gas einwirkt. Als Folge dieser Induktionsheizung wird das Gas erwärmt und in ein Plasma über-

dem
geführt, und tritt an demJ\Behandlungsbereich benachbarten Ende aus der Leitung (101) aus. Es ist ebenfalls möglich, die Erwärmung des elektrisch leitenden Gases und seine Überführung in ein Plasma bei noch höheren Temperaturen durchzuführen, wenn

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hierzu vielpolige Magnetfeld-Erzeugungsmittel verwendet werden, die rund um die geradlinige "Verlängerung des Rohres (101) angeordnet sind, oder wenn Mittel zur Erzeugung eines länglichen Magnetfeldes entlang dieser Linie verwendet werden.

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Claims

BLUMBACH · WESER . BERGEN · KRÄMER

ZWIRNER . HIRSCH 2 b 4 4 IJ /

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237

Daidoseiko Kabushikikaisha
Nagoya, Japan

Patentansprüche

Λ J Verfahren zur Wärmebehandlung, wobei das zu behandelnde Objekt mittels Plasma erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Gas nach seinem Austritt aus einer Düse und vor dem Auftreffen auf dem Objekt der Einwirkung eines rotierenden Magnetfeldes ausgesetzt wird, so daß das elektrisch leitende Gas in Rotation versetzt wird und in diesem Zustand auf dem Objekt auftrifft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Plasmas Gleichstrom fließt, und die das rotierende Magnetfeld erzeugenden Mittel mit Wechselstrom gespeist werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Plasmas Gleichstrom fließt und die das rotierende Magnetfeld erzeugenden Mittel mit einem Strom gespeist

München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner

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werden, der durch Überlagerung von Gleich- und Wechselstrom erhalten wird.
4. Vorrichtung zur Wärmebehandlung, bei der mittels elektrisch leitendem Gas (Plasma) ein Objekt erwärmt wird, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes, das auf das elektrisch leitende Gas einwirken kann und dieses zwischen dem Austritt aus der Düse und dem Auftreffen auf dem zu behandelnden Objekt in Rotation versetzt.
5ν Vorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes rund um das elektrisch leitende Gas angeordnet und drehbar gelagert sind, so daß durch Drehung dieser Mittel das elektrisch leitende Gas in Rotation versetzt wird.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Steuervorrichtungen vorgesehen sind, welche mit den Mitteln zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes verbunden sind, mit denen die Eigenschaften des rotierenden Magnetfeldes gesteuert und festgelegt werden können.

7. Vorrichtung zur Wärmebehandlung, mit einem Tiegel für zu schmelzendes Metall;

mit mehreren Düsen, aus denen Plasmastrahlen austreten, von denen jede mit Bezug auf den Tiegel fest, rund um dessen ζen-

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träle Achse, in der Weise angeordnet ist, daß die verlängerte Düsenachse in verschiedenen Punkten auf der Oberfläche des im Tiegel enthaltenen flüssigen Metalls auftrifft;

mit Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das in dem Bereich, Wo die Plasmastrahlen aus den Düsen austreten, nicht parallel zu deren Austrittsrichtung ausgerichtet ist; und

mit Mitteln zur Steuerung des Stromes, mit dem das Magnetfeld erzeugt wird, welche gewährleisten, daß die Plasmastrahlen durch das angelegte Magnetfeld in der Weise abgelenkt werden, daß ihre Strömungsrichtung im wesentlichen eine auf einem Kreis rund um die zentrale Achse des Tiegels umlaufende Komponente aufweist, und die abgelenkten Plasmastrahlen auf das geschmolzene Metall im Tiegel gerichtet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Plasmas Gleichstrom fließt und die Mittel zur Erzeugung des Magnetfeldes mittels Wechselstrom gespeist werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Plasmas Gleichstrom fließt und die Mittel zur Erzeugung des Magnetfeldes mittels einem Strom gespeist werden, der durch Überlagerung von Gleich- und Wechselstrom erhalten wird.

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