DE2560542C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen von Material durch einen auf dieses in diesem Bereich einer Be­ handlungszone einwirkenden, elektrisch leitenden Plasma­ strahl, der vor der Behandlungszone der Einwirkung des Magnetfeldes einer Magnetfelderzeugungseinrichtung ausge­ setzt ist.

Wird bei einer Vorrichtung dieser Art (GB-PS 10 19 848) ein einziger Plasmastrahl verwendet, so nimmt das geschmol­ zene Metall in einem 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 metallischen Materials ver­ bunden. Enthält das zu schmelzende Metall auch nichtmetal­ lische Komponenten, so werden bei Verwendung dieser be­ kannten Vorrichtung in dem Schmelzbad die nichtmetalli­ schen Komponenten durch Kristallisationsflächen in die inneren Bereiche des Rohlings gedrängt, was zu einer Ein­ schnürung nnd Rißbildung des Rohlings führt und dessen mechanische Bearbeitung erschwert.

Die GB-PS 10 19 848 befaßt sich mit dem Problem, bei einem Plasmabrenner, der mit Wechselstrom betrieben wird, zu verhindern, daß der Lichtbogen beim Nulldurchgang aus­ gelöscht wird. Zu diesem Zweck wird ein Gleichstromlicht­ bogen überlagert, der gewährleistet, daß der Wechselstrom­ lichtbogen bei jeder Halbwelle sicher gezündet wird. Die Gleichstromquelle kann hierbei wesentlich kleiner als die Wechselstromquelle sein, so daß die Leistungszufuhr und damit die Erhitzung des zu schmelzenden Materials im we­ sentlichen durch den Wechselstrom erfolgt. Der für den wiederholten Zündprozeß verantwortliche Gleichstrom­ lichtbogen verläuft von der Mündung einer Düse zu einem Ring innerhalb der Düse. Um eine Zündung über den gesam­ ten Querschnitt innerhalb der Düse zu erreichen, soll der Gleichstromlichtbogen um den Ring herumlaufen, was entweder durch eine geeignete Führung des Gasstromes oder durch ein magnetisches Feld bewirkt wird. Das magne­ tische Feld wird hierbei durch eine Spule erzeugt und durch Ausbildung der Innenseite der Düse aus unmagneti­ schem Material auf den Bereich des Ringes konzentriert. Die Feldlinien des magnetischen Feldes schneiden hier­ bei den von der Düsenmündung zum Ring verlaufenden Gleichstromlichtbogen und bewirken damit dessen Umlauf um den Ring. Eine Rotation des gesamten die Düse ver­ lassenden Plasmastrahls wird weder angestrebt noch er­ reicht. Der Plasmastrahl trifft nach Verlassen der Dü­ se konzentriert auf das Material auf, denn außerhalb der Düse wird der Plasmastrahl durch die Spule nicht mehr beeinflußt.

Die US-PS 15 62 825 betrifft einen Lichtbogenofen. Ein mit hoher Geschwindigkeit auf die Badoberfläche gerich­ teter Plasmastrahl ist nicht vorgesehen. Der Schmelz­ tiegel ist von einer Spule umgeben, durch die ein magne­ tisches Feld erzeugt wird, das auf den Lichtbogen ein­ wirkt und diesen veranlaßt, eine schraubenlinienförmi­ ge Form einzunehmen und zu rotieren. Außerdem beginnt aufgrund der Einwirkung des durch die Spule erzeugten magnetischen Feldes das flüssige Metall im Tiegel zu ro­ tieren, so daß ein Rühreffekt erzielt wird. Dieser Rühr­ effekt wird dadurch erhalten, daß der Strom durch das Bad hindurchgleitet und unter der Einwirkung des Ma­ gnetfeldes der den Tiegel umgebenden Spule eine Kraft­ komponente in Umfangsrichtung erzeugt wird.

Schließlich ist bereits bekannt (DE-PS 4 28 003), bei ähnlichen elektri­ schen Lichtbogenöfen eine Erweiterung des Bogens zu errei­ chen, wenn man den Lichtbogen durch Einwirkung eines Magnetfeldes in Bewegung setzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Vorrich­ tungen der im Gattungsbegriff des Anspruchs 1 genannten Art den elektrisch leitenden Plasma­ strahl gezielt zu verbreitern und damit durch eine gleich­ mäßigere Erwärmung über einen größeren Querschnitt des Materials eine verbesserte Homogenität zu erzielen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Bei der Vorrichtung nach Anspruch 1 wird der Plasmastrahl einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt und von diesem mittels induzierter Ströme um Drehung versetzt. Als Folge dieser Drehung wird eine Zentrifugalkraft auf das Plasma ausgeübt, was wiederum eine Verbreiterung des Plasmas bewirkt. Ein sol­ ches verbreitertes Plasma kann vorteilhaft dort angewandt werden, wo das Plasma auf einen großen, für die Wärmebe­ handlung vorgesehenen Bereich gerichtet werden soll. Wer­ den beispielsweise für die Wärmebehandlung vorgesehene, metallische oder nichtmetallische Materialien geschmol­ zen, so können sie damit in ihrer Gesamtheit 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 verbreitert wird, kann bereits ein schwaches, rotierendes Magnetfeld, das lediglich dazu ausreicht, das Plasma in Rotation zu versetzen, das Plasma in erheblichem Ausmaß verbreitern. Andererseits kann durch rotierededas Magnetfeld ein zusätzlicher Energiebetrag in das Plasma einge­ leitet werden.

Während nach der Erfindung die Rotation auf im Plasma indu­ zierten Strömen und nicht auf dem ggf. hindurchgeleiteten Heizstrom beruht, handelt es sich bei den Lichtbögen nach dem Stand der Technik um den Heizstrom füh­ rende elektrische Leiter, bei denen der Heizstrom selber mit dem Magnetfeld elektrodynamisch zusammenwirkt und die Rotation hervorruft.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen ge­ mäß den Fig. 1 bis 6 näher erläutert; im einzelnen zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung, teilweise im Schnitt, Mittel zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes;

Fig. 2 in gestraffter schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung, welche mit einem rotierenden Magnetfeld arbeitet;

Fig. 3 in schematischer Darstellung eine Anordnung zur Verbreiterung von induktiv erzeugtem Plasma;

Fig. 4 in gestraffter perspektivischer Darstellung ein Beispiel für eine Schmelzvorrichtung;

Fig. 5 in gestraffter schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktio­ nen; und

Fig. 6 in perspektivischer Darstellung eine andere Aus­ führungsform der Mittel zur Erzeugung des rotie­ renden Magnetfeldes.

In den Fig. 1 und 2 ist mit der Bezugsziffer 41 ein Plas­ mabrenner bezeichnet, aus dem bei hohen Temperaturen ein elektrisch leitendes Gas austreten kann. Es können ver­ schiedene bekannte Plasmabrenner verwendet werden, wozu etwa Plasmabrenner vom Transfer-Typ oder Nicht-Transfer- Typ gehören. Mit der Bezugsziffer 42 wird das aus dem Plas­ mabrenner 41 austretende Plasma bezeichnet, und mit der Bezugsziffer 43 wird die Behandlungszone bezeichnet, in der das Plasma auf ein Objekt gerichtet wird, das dadurch erwärmt wird. Im folgenden wird eine Einrichtung 44 zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes beschrieben, wel­ che in der Nachbarschaft des Plasmas 42 befestigt ist. Ein Eisenkern 45 entspricht im wesentlichen den Eisenkernen, die als Statoren in Elektromotoren verwendet werden. Die Wicklungen 46 sind in bekannter Weise auf den Kern 45 aufgebracht, wobei die Spulen in der Weise miteinander ver­ knüpft und angeschlossen sind, 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 Wicklun­ gen 46 erzeugt wird, und diese Richtung dreht sich im Sin­ ne des gekrümmten Pfeils 48 infolge der Phasenänderungen des Stromes der Stromquelle, welche die Wicklungen 46 speist. Die mit dem gekrümmten Pfeil 48 bezeichnete Dreh­ richtung kann nach einer bestimmten Zeitspanne oder einem bestimmten Drehwinkel umgekehrt werden. Mit der Bezugszif­ fer 49 wird eine übliche Stromquelle für 3-Phasen-Wechsel­ strom bezeichnet.

Nachfolgend wird die Steuereinrichtung zur Festlegung der Eigenschaften des rotierenden Magnetfeldes beschrie­ ben. Mit der Bezugsziffer 50 ist eine Einrichtung zur Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit bezeichnet, wel­ che in der Weise ausgestaltet ist, daß sich die Rota­ tionsgeschwindigkeit des rotierenden Magnetfeldes mit der Frequenz des Stromes, welcher aus der Stromquelle der Einrichtung 44 zugeführt wird, ändert, wobei ein Frequenzwandler oder ein Schalter zum Umschalten der Wicklungsanschlüsse, um die Anzahl der Pole zu verän­ dern, vorgesehen sein können. Mit der Bezugsziffer 51 ist eine Einrichtung zur Einstellung der Feldstärke be­ zeichnet, um die Spannung oder die Stromstärke des Stro­ mes zu verändern, welcher von der Stromquelle der Ein­ richtung 44 zugeführt wird, um die Intensität des er­ zeugten Magnetfeldes zu steuern.

Bei der beschriebenen Vorrichtung wirkt ein rotierendes Magnetfeld, das gemäß dem gekrümmten Pfeil 48 rotiert, auf das Plasma 42 ein, und zwar in einer Richtung, wel­ che die Achse des Plasmas kreuzt, wie das mit dem Pfeil 47 in Fig. 1 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 be­ kannten Induktionsmotors folgt. Nachdem das Plasma 42 auf diese Weise in Rotation versetzt worden ist, unter­ liegt dieses einer Zentrifugalkraft, die das Plasma nach außen zu erweitern sucht, und das Plasma 42 wird gegen einen größeren Behandlungsbereich gerichtet, wie das in Fig. 2 dargestellt ist. Das Ausmaß der Erweite­ rung des Plasmas 42 hängt von der Rotationsgeschwindig­ keit des Plasmas 42 ab, und diese Rotationsgeschwindig­ keit hängt wiederum von der Intensität und der Rotations­ geschwindigkeit des rotierenden Magnetfeldes ab. Das heißt, das Volumen, das infolge des rotierenden Magnetfeldes vom erweiterten Plasma eingenommen wird, kann allein durch irgendeine beliebige der folgenden Größen, näm­ lich die Größe und die Frequenz der Wechselstrom-Quelle, die Anzahl der Phasen oder die Anzahl der Pole, welche die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung 44 aufweist, gesteuert werden.

Mit Fig. 3 wird eine Ausführungsform erläutert, bei der ein induktiv hergestelltes Plasma erweitert wird. Im Plas­ mabrenner 41 e dieser Ausführungsform wird ein Gas, das über ein wärmefestes 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 eine Hochfrequenz-Stromquelle 64 gespeist wird. Hierdurch wird das Gas in ein Plasma 42 e umgewandelt, das schließ­ lich aus dem Brenner austritt. Auch dieses Plasma 42 wird durch das oben beschriebene rotierende Magnetfeld in Dre­ hung versetzt und durch die dabei auftretende Zentrifu­ galkraft erweitert. Wenn auf das Plasma 42 e das rotie­ rende Magnetfeld einwirkt, das von den Mitteln 44 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 Er­ wärmung das Plasma an seiner Oberfläche stärker erwärmt als im Inneren, so daß das rotierende Magnetfeld neben der Erweiterung des Plasmas auch eine Erwärmung der na­ turgemäß etwas kühleren Oberflächenbereiche des Plasmas bewirkt. Auch dieser Effekt trägt zur homogenen Erwär­ mung des Plasmas bei; d. h., das erweiterte Plasma 42 e trifft mit einer breiten und homogenen Temperaturver­ teilung, wie das mit den Kontur-Linien dargestellt ist, auf die Behandlungszone 43 e. Bei dieser Ausführungsform haben diejenigen Teile, welche den analogen Teilen aus den Fig. 1 und 2 entsprechen, den Zusatz e erhalten, wobe eine wiederholte Beschreibung dieser Teile wegge­ lassen wurde (bei der Erläuterung der folgenden Figuren wird in gleicher Weise verfahren und mit den Zusätzen f oder g ausgedrückt, daß es sich um analoge Teile han­ delt, die bereits erläutert worden sind).

Mit Fig. 4 wird ein Beispiel für eine Vorrichtung er­ läutert, bei der das zu behandelnde Objekt geschmolzen wird. Bei dieser Ausführungsform ist ein Behälter 71 vor­ gesehen, dessen zentraler Abschnitt die Behandlungszone darstellt. Dieser Behälter besteht aus wärmefestem Ma­ terial oder Kupfer und kann mit einem Kühlmittel wie et­ wa Wasser gekühlt werden. Mit der Bezugsziffer 72 wird das zu schmelzende Material, wie etwa Zinn oder ein an­ deres Metall, oder ein anderes zu schmelzendes Rohmate­ rial bezeichnet, das sich in dem Behälter 71 befindet. Bei dieser Vorrichtung wird das erweiterte Plasma 42 in breitem Umfang gegen das zu schmelzende Material gerich­ tet, und das Material 72 wird homogen erschmolzen, wo­ bei weder Siedeerscheinungen durch örtliche Überhitzun­ gen beobachtet werden noch irgendwelche ungeschmolzene Anteile zurückbleiben. Wird Material 72 geschmolzen, wäh­ rend es in den Behälter 71 chargiert wird, so wird das neu eingeführte Material 72 schnell durch nicht-erweiter­ tes Plasma aufgeheizt und anschließend nochmals als Gan­ zes und homogen durch erweitertes Plasma erhitzt. In die­ sem Falle wird das Plasma 42 f zunächst dadurch auf das aufzuschmelzende Material 72 gerichtet, daß kein rotie­ rendes Magnetfeld verwendet wird, oder daß kein rotie­ rendes Plasma 42 mit einem nicht-rotierenden Magnetfeld durchgeführt wird.

Mit Fig. 5 wird eine Vorrichtung erläutert, in der pul­ verförmiges oder körniges Material behandelt und einer chemischen Reaktion unterworfen wird. Bei dieser Aus­ führungsform wird ein Plasmabrenner 41 g 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 das 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 be­ handelnde Material 85 fällt durch die Rohmaterial-Zufüh­ rung 86 nach unten und wird mit dem aus dem Brenner 41 g austretenden Plasma 42 g vermischt. Bei dem zu behandeln­ den Material kann es sich um Kohle handeln, wenn die Kohle durch Wärmeeinwirkung zersetzt werden soll, oder wenn Acetylen, Kohlenmonoxid oder Wasserstoff erzeugt werden sollen aufgrund von Synthese- oder Reduktions­ reaktionen, wenn Kohle mit Wasserstoff, Kohlendioxid, Luft oder Wasserdampf reagiert; oder bei dem zu behandeln­ den Material kann es sich um Aluminium handeln, wenn aus pulverförmigem Aluminium in einem Stickstoff-Plasma Alu­ miniumnitrid erzeugt werden soll. Das in das Plasma 42 g eingeführte Material 85 (in diesem Falle stellt der ge­ samte Bereich des Plasmas 42 g die Behandlungszone dar) reagiert innerhalb des Plasmas, und das erhaltene 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 erwei­ tert, so daß die Schichten mit niedriger Temperatur, wel­ che bei Abwesenheit des rotierenden Magnetfeldes zwi­ schen dem Plasma und der positiven Elektrode vorliegen, vermindert werden, und die im Plasma konzentriert enthal­ tene 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 Berührung kommt, als bei der Ver­ wendung von nicht-erweitertem Plasma, und unterschiedli­ che Reaktionsbedingungen für das pulverförmige Material, welche sich daraus ergeben können, daß ein Teil des pul­ verförmigen Materials durch den zentralen Bereich des Plasmas und ein anderer Teil durch den äußeren Bereich des Plasmas fällt, werden durch diese homogene Temperatur­ verteilung vermindert. Im Ergebnis wird deshalb ein Pro­ dukt erhalten, das im Ganzen sehr homogen ist. Die glei­ che Wirkung wird auch ohne Verwendung der ringförmigen positiven Elektrode erhalten, wenn die Mittel zur Erzeu­ gung des rotierenden Magnetfeldes rund um die Düse eines Plasmabrenners vom Nicht-Transfer-Typ (bei dem ein Plasma als Folge der Entladung zwischen der Düse und der negati­ ven 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. 4 dargestellt ist.

Mit Fig. 6 wird eine weitere Ausführungsform der Einrich­ tung 44 h zur Erzeugung des rotierenden Magnetfeldes er­ läutert, welche aus einem Halterahmen 92 besteht, der in 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 den Magneten 93 kann es sich um Permanent-Magneten oder um Elektro-Magneten handeln, wo­ bei letztere von einer Stromquelle über übliche Schleif­ ringe gespeist werden. Auf der Außenfläche des Halterah­ mens 92 ist ein Zahnkranz 94 vorgesehen, auf den der An­ trieb 95 einwirkt, welcher seinerseits von einem Elektro­ motor oder dergleichen angetrieben wird.

In diesem Falle wird die Rotationsgeschwindigkeit des ro­ tierenden Magnetfeldes durch den Elektro-Motor oder die sonstigen Antriebsmittel gesteuert, und die Intensität des rotierenden Magnetfeldes wird durch die Steuerung des Stromes festgelegt, welcher den Elektro-Magneten 93 zu­ geführt wird.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Erhitzen von Material durch einen auf dieses in dem Bereich einer Behandlungszone einwirken­ den, elektrisch leitenden Plasmastrahl, der vor der Behand­ lungszone der Einwirkung des Magnetfeldes einer Magnet­ felderzeugungseinrichtung ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (44, 44 e, 44 f) zum Erzeugen eines steuerbaren Magnetfeldes, das in einer Ebene senkrecht zum Plasmastrahl (42, 42 e) verläuft und in dieser Ebene derart rotiert, daß der Plasmastrahl mittels induzierter Ströme zum Rotieren gebracht und infolge von Zentrifugalkräften erweitert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (44 h) zum Erzeugen des steuerbaren Magnetfeldes aus Magnetpolen (N, S) gebildet ist, die um den Plasmastrahl drehbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung (44) zum Erzeugen dieses steuerbaren Magnetfeldes (H′) eine Mehrphasenwechselstrom­ quelle (49), einen Frequenzwandler (50) und einen Strom­ steller (51) enthält, mit denen die Frequenz und die Stärke des rotierenden Magnetfeldes steuerbar sind.