-
-
VAKUUM-LICHTBOGEN-ERWÄRMUNGSEINRICHTUNG
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Erwärmungseinrichtungen,
die eine direkte Lichtbogenerwärmung ausnutzen, insbesondere auf Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtungen.
-
Diese Einrichtungen können als Wärme quellen in metallurgischen Prozessen
zum Schmelzen, Raffinieren, Entgasen, zur Wärmebehandlung,zum Schweißen, Desoxidieren
von Metallen und Legierungen sowie bei anderen unter hoher Temperatur verlaufenden
Prozessen bei der Bearbeitung von elektrisch leitenden Werkstoffen im Vakuum Anwendung
finden.
-
Der Wirkungsweise derartigen Einrichtungen beruht auf der Ausnutzung
des Lichtbogens im Vakuum zwischen einer hohlen, heißen Katode aus einem Glühemissionsmaterial
und dem zu erwärmenden Werkstück aus einem elektrisch leitenden Material.
-
Das Prinzip der direkten Lichtbogenerwärmung besteht in der Erregung
und der Aufrechterhaltung eines leistungsstarken
elektrischen Lichtbogens
zwischen zwei Elektroden, nämlich zwischen dem zu erwärmenden bzw zu bearbeitenden
Werkstück aus einem elektrisch leitenden Material und einer sich nicht verbrauchenden
bzw. nichtschmelzbaren Elektrode. Die elektrischen Lichtbogen zeichnen sich gewöhnlich
durch hohe Ströme (einige hundert und tausend Ampere) und niedrige Spannungen (einige
zehn Volt) aus. Die sich nicht verbrauchenden Elektroden unterteilt man in "heiße"
Elektroden, bei denen der Lichtbogen durch die Thermoemission von einer stark erwärmten
Elektrode sichergestellt und aufrechterhalten wird, und "kalte" Elektroden, bei
denen der Lichtbogen in Dämpfen des erwärmten Maierials existiert.
-
Die heißen Elektroden werden gewöhnlich mit dem Minuspol einer Gleichspannungsquelle
verbunden, d.h. sie sind als Katoden ausgeführt. Die kalten Elektroden werden mit
einer Wechsel-Stromquelle oder mit dem Pluspol einer Gleichspannungsquelle verbunden,
d.h. sie sind als Anoden ausgeführt.
-
Die kalten, sich nicht verbrauchenden Elektroden werden gewöhnlich
aus Kupfer hergestellt und intensiv mit Wasser gekühlt.
-
Um eine Zerstörung der Elektrode an deren Berührungspunkt mit dem
Lichtbogen zu verhindern, ist eine schnelle Wanderung des Lichtbogens bezüglich
der Oberfläche der Elektrode notwendig.
-
Dies wird durch Drehung der Elektrode, welche als eine Scheibe oder
ein Kegel ausgebildet ist (z.B. "Rotatroden, die in der USA-Patentschrift Nr 3651239
beschrieben ist) oder durch Drehen des Lichtbogens mittels eines Magnetfeldes an
der kreisringförmigen Oberfläche der Elektrode (z.B. "Durarc", angewendet von der
Firma Westinghouse Electric Gorp. nach der USA-
-Patentschrift 3
505 460 erzielt. Alle kalten Elektroden bedürfen eines komplizierten Kühlsystems,
eines Systems der Elektroenergiezufuhr und ihrer Bewegung bezüglich des zu erwärmenden
Werkstückes0 Außerdem ermöglichen die kalten Elektroden nur eine geringe Länge des
elektrischen Lichtbogens (einige Zentimeter), was ihre Anwendungsmöglichkeiten begrenzt,
z.B. bei der Beförderung des umzuschmelzenden Materials in die Erwärmungszone des
Lichtbogens.
-
Die heißen sich nicht verbrauchenden Elektroden als ein Stab aus einem
hochschmelzenden Glüheemissionsmateria 1 beispielsweise aus Graphit oder Wolfram
hergestellt, erlauben es nicht, im Vakuum einen stabilen und im Raum beständigen
Lichtbogen größerer Länge (einige zehn Zentimeter) zu erhalten. Bei der Arbeit mit
elektrischen Lichtbögen mit einer Länge von einigen Zentimeter werden sie mit Dämpfen
und Sprftzern des zu bearbeitenden Materials bedeckt, was zur schnellen Erosion
und zum Übertragen des Materials der Elektrode auf das zu bearbeitende Werkstück
führt.
-
Im Jahre 1956 wurde eine neue wart des elektrischen Licht bogens
von J.S. Luce entwickelt, der im Vakuum von einer heißen aus Glühemissionskatode/entsteht,
welche als ein Rohr ausgebildet ist, das mit seinem offenen Ende dem zu erwärmenden
Werkstüc, d.h.der Anode zugekehrt ist (siehe USA-Patentschriften 2 920 234, 2 927
232. und 2 956 195.
-
Die bekannte Einrichtung weist eine Vakuumkammer
auf,
in der ein Rohr angeordnet ist, welches in einem gekühlten Halter befestigt ist,
durch den ein Edelgas in das Innere des Rohres eingeführt wird, welches ein Druckgefälle
zwischen der Vakuumkammer und den Hohlraum des Rohres erzeugt, das eine hohle,heiße
Katode darstellt. Das Gas im Innenraum des Rohres, der einen Kathodenhohlraum darstellt,
wird durch Elektronen ionisiert, die von der inneren Oberfläche der hohlen,heißen
Katode emittiert werden. Danach wird auch das ionisierte Gas (Plasma) selbst zu
einem leistungsstarken Emitter, d.h. zu einer Elektronenquelle, die den elektrischen
Lichtbogen zwischen der rohrförmigen (hohlen) heißen Katode und der zu erwärmenden
Werkstück-Anode aufrechterhält. Der Lichtbogen wird außerdem durch das längsmagnetfeld
stabilisiert, das gleichachsig mit der Säule des Lichtbogens ist.
-
Der erzeugte Lichtbogen zeichnet sich durch hohe Stabilität der elektrischen
Parameter und räumliche Beständigkeit bei wesentlicher Entfernung der hohlen heißen
Katode von der Anode (mehrere zehn nentimeter), einen hohen energetischen Leistungsfaktor
(über 5G$) und eine große Lebensdauer der hohlen,heißen Katode aus, was auf das
Ausbleiben eines konzentrierten Katoden brennfleckes zurückzuführen ist, der das
Material der Katode zerstört. Derartiger Lichtbogen werden als "Entladung mit hohleer,
heißer Katode" oder als t'Elektronenplasmastrahl", und die Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtungen,
die diese Entladung ausnutzen, als "Eiorichtungen mit hohler, heißer Katode" oder
als "Elektronen-Plasmastrahlkanonen" bezeichnet.
-
Eine weitere bekannte Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung mit
hohler, heißer Katode ist in der USA-Patentschrift 3 210 454 beschrieben worden.
Diese Einrichtung enthalt Vakuumeine Vakuumkammer, die mit einemlPumpsystem verbunden
ist, welches in der Vakuumkammer einen Unterdruck von 10-2 + 5.10-3 Torr sicherstellt.
In der Vakuunkammer ist ein stromleitender Halter des zu bearbeitenden Werkstückes
in Gestalt eines wassergekühlten Kristallisators angeordnet, in dem sich das zu
bearbeitende Werkstück befindet, nämlich ein in Gußblöcke umzuschmelzendes, stromleitendes
Material in pulverartiger oder gekörnter Form. Innerhalb der Vakuumkammer ist gleichachsig
mit dem stromleitenden Halter des zu bearbeitenden Werkstückes und in einem vorgegebenen
Abstand von diesem eine hohle, heiße Katode aus einer Glühemissionslegierung (Wolfram
oder Tantal) untergebracht, die als ein Rohr ausgebildet ist. Mit einem Ende ist
die hohle,heiße Katode an wassergekühlten aus einem stromleitenden Werkstoff bestehenden
Katodenhalter befestigt, während das andere Ende der hohlen, heißen Katode, das
einen offenen Katodenhohlraum darstellt, dem zu bearbeitenden Werkstück zugekehrt
ist. Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Lichtbogens ist zwischen der hohlen,
heißen Katode und dem zu bearbeitenden Werkstück eine Gleichspannungsquelle geschaltet,
deren Pluspol an den stromleitenden Halter des zu bearbeitenden Werkstückes und
deren Minuspol an den Katodenhalter angeschlossen ist.
-
Die Einrichtung weist eine Spule auf, die ein konstantes mit der
Lichtbogensäule gleichachsiges Magnetfeld erzeugt, welches das Auftreten von elektrischen
Störentladungen zwischen dem Katodenhalter und den das Potential der Anode führenden
Elementen der Einrichtung verhindert und außerdem die Lichtbogensäule bündelt.
-
Die Vorrichtung für die Zufuhr des Gases in den Katodenhohlraum umfasst
einen Kanal, der im Katodenhalter ausgeführt ist.
-
Das durch diesen Kanal zugeführte Edelgas erzeugt ein Druckgefälle
zwischen den Kathodenhohlraum und der Vakuumkammer. Dieses dem Kathodenhohlraum
zugeführte Edelgas wird vorher durch eine HF-Entladung ionisiert. Danach wird die
Gleichspannungsquelle eingeschaltet, die den Lichtbogen zwischen der hohlen,heißen
Katode und dem zu bearbeitenden Werkstück aufrechterhält, welches einen Gußblock
darstellt, der beim Umschmelzen des Materials entsteht, das dem stromleitenden,als
Kristallisator dienenden Halter des zu bearteitenden Werkstückes zugeführt wird.
-
Einer der Hauptkennwerte, welche die Leistungsfähigkeit des Bearbeitunsprozesses
mittels der Einrichtung mit hohler, heißer Katode charakterisieren, ist die zulässige
Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und somit die Leistung der Vakuum -Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung.
Die zulässige Stromstärke ist durch die Abmessungen der hohlen heißen Katode aus
Glühemissionslegierungen begrenzt, So werden z.B in der Einrichtung
nach
der USA-Patentschrift 3 210 454 hohle heiße Katoden mit einem Durchmesser von 1,6
+ 16,0 mm und einer Längs von 75 mm angewendet, was die Erhaltung eines Lichtbogens
bei einer Spannung von ca. 50V und einen Strom von einigen hundert Ampere einer
von ermöglicht. Ein Lichtbogen mitAHöchstleistung/400 kW und einem Strom von 5000A
ist in Japan an einer hohlen, heißen Katode mit einem Durchmesser von 40 mm und
einer Länge von ca. 300 mm (siehe Prospekt der aapanischen Firma U1 vac Kr. 4510-01,
Tokio, 1971) erzielt worden.
-
Zur Erhöhung des Lichtbogenstroms muß man die Abmessungen der hohlen
heißen Katode,nämlich den Durchmesser, die Länge und die Wandstärke des Rohres,
vergrößernX Aber die Kosten der Rohre aus Glühemissionslegierungen sind sehr hoch,
wodurch die Anwendung von Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtungen mit hohler,
heißer Katoden insbesondere bei der Arbeit mit leistungsstarken Lichtbögen, z.Z.
unrentabel ist.
-
Beim Betrieb der Einrichtungen mit hohlen, heißen Katoden wird die
Anwendung eines mit dem Lichtbogen gleichachsigen Magnetfeldes notwendig. Beim Ausbleiben
des Magnetfeldes wird die Ionisation des verdünnten Gases innerhalb der Vakuumkammer
und das Auftreten von parasitären Lichtbogenentladungen vom aus einem stromleitenden
Material gefertigten Katodenhalter an die stromleitende Wandung der Vakuumkammer
beobachtet, die gewöhnlich mit dem zu bearbeitenden Werkstück elektrisch verbunden
ist. Das Magnetfeld wird mittels einer Spule erzeugt, die auf
die
Vakuumkammer aufgewickelt oder in dieser untergebracht ist.
-
Die Verwendung der Spule begrenzt die Abmessungen der Vakuum kammer,kompliziert
die Ausführung der Operationen und verhindert die Beobachtung der Vorgänge der Bearbeitung
des Wate n B.
-
Die Form der hohlen,heißen,aus einem Rohrabschnitt gefertigten Katode
bedingt die runde Form der Erwärmungszone an der Oberfläche des zu bearbeitenden
Werkstückes, Ist eine Erwärmungszone mit einer länglichen, ovalen Form notwendig,
so werden oft mehrere hohle,heiße Katoden angewendet, was außer der sperrige Konstruktion
auch wegen des Umstandes unerwünscht ist, daß die Lichtbögen der benachbarten hohlen,
heißen Katoden voneinander angezogen werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuum--Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung
zu entwickeln, die es dank der Ausführung der hohlen, heißen Katode aus einer vorgegebenen
Anzahl von Stäben ermöglicht, die zulässige Stromstärke und die Leistung des Lichtbogens
zwischen der hohlen, heißen Katode und dem zu bearbeitenden Werkstück wesentlich
zu erhöhen sowie die Erhaltung einer nicht nur kreisförmigen sondern auch ovalen
Erwärmungszone an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks zu gewährleisten.
-
Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der Einrkhtung,mit
einerVakuumkammer, in welcher ein stromleitender Halter mit dem zu bearbeitenden
Werkstück, eine hohle, heiße aus einer Glühemissionslegierung gefertigte Katode,
die
in einem Abstand vom zu bearbeitenden Werkstück angeordnet
ist und einen diesem zugekehrten Katodenhohlraum aufweist, und ein mit der hohlen,
heißen Katode mechanisch verbundener, aus einem stromleitenden Material hergestellter
Katodenhalter untergebracht sind, einer Anordnung für die Gaszuführung in denKathoinhohlraum
und eine Gleichspannungsquelle, die an den Katodenhalter und den stromleitenden
Halter des zu bearbeitenden Werkstückes zur Erzeugung des Licht4pgens zwischen der
hohlen, heißen Katode und dem zu bearbeitenden Werkstück angeschlossen ist, in der
erfindungsgemäß die hohle, heiße Katode aus Stäben ausgerührt ist, wobei die Tiefe
des Katodenhohlraums sein minimales Quermaß mindestens um das 1,5fach übersteigt.
-
Es ist vorteilhaft, daß die Stäbe der hohlen, heißen Ratode am Katodenhalter
an einem ihrer Enden befestigt sind, währen das andere Ende jedes Stabes dem zu
bearbeitenden Werkstück zugekehrt ist.
-
Es ist zweckmäßig, die im Katodenhalter befestigten Enden der Stäbeauf
einem Kreisumfang anzuordnen.
-
Möglich ist es auch, wenn die im Katodenhalter befestigten Enden
der Stäbe an Abschnitten von zwei parallelen Geraden liegen, die in einem Abstand
voneinander angeordnet sind.
-
Es ist zulässige wenn die Stäbe der hohlen heißen Katode mit ihrer
seitlichen Oberfläche mit stromleitenden, mit dem Katodenhalter verbundenen Befestigungsvorrichtungen
starr verbunden und mindestens in zwei Ebenen angeordnet sind.
-
Vorteilhaft ist ein Spalt zwischen mindestens einem Paar der benachbarten
Stäbe.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausuhrung sieht vor, daß der Spalt zwischen
den dem zu bearbeitenden Werkstück zugekehrten Enden der benachbarten Stäbe geringer
als der Spalt zwischen den abgekehrten im Katodenhalter befestigten Enden dieser
Stabe ist.
-
Noch vorteilhafter ist die Ausführung, bei der die hohle, heiße Katode
innerhalb eines aus einem wärmebeständigen Material gefertigten Gehäuses untergebracht
ist, das in unmittelbarer Nähe von der hohlen,heißen Katode angeordnet ist, wobei
die dem zu bearbeitenden Werkstück zugekehrte Wand des aus dem wärmebeständigen
aten.ai gefertigten Gehäuses eine Öffnung zum Durchlassen des Lichtbogens von der
hohlen, heißen Katode zum zu bearbeitenden Werkstück aufweist.
-
Vorteilhaft ist die Befestigung des Gehäuses am Katodenhalter.
-
Es ist durchaus möglich, den Katodenhalter innerhalb eines stromleitenden
Rohres unterzubringen, welches sowohl vom Katodenhalter als auch vom stromleitenden
Halter des zu bearbeitenden Werkstückes elektrisch isoliert ist.
-
Es ist zweckmäßig, das Gehäuse am stromleitenden Rohr zu befestigen.
-
Vorzugsweise können das stromleitende Rohr und das Gehäuse als ein
einheitliches Bauelement aus einem wärmebeständigen Material gefertigt werden.
-
Vorteilhaft ist die Ausführung, bei der mindestens eine Öffnung in
der Wandung des Gehäuses für die Gaszuführung in den Katodenhohlraum dient.
-
Noch vorteilhafter ist die Ausführung, bei der für die Gaszuführung
in den Katodenhohlraum mindestens ein Kanal zwischen dem stromleitenden Rohr und
dem Katodenhalter vorhanden ist.
-
Die voriegende Erfindung ermöglicht eine Steigerung der Produktivität
des Bearbeitungsvorganges des Werkstückes dank der Erhöhung der Leistung des elektrischen
Lichtbogens, der zwischen der hohle heiße aus Stäben bestehenden Katode und dem
stromleitenden zu bearbeitenden Werkstück entsteht.
-
Die Kosten der Einrichtung werden dank der Anwendung von Baugruppen
und Teilen aus preisgünstigen Werkstoffen gesenkt.
-
So ist die vorgeschlagene, mit der hohlen, heißen Kathode versehene
Einrichtung gegenüber bekannten Einrichtungen gleicher Leistung mehrfach billiger.
Dank der Vergrößerung von einfachen und gleichartigen Elementen (Stäben), die die
hohle, heiße Katode bilden, ist eine wesentliche Erhöhung der Leistung der Erwärmungseinrichtung
möglich. Beispielsweise wurde eine erfindungsgemäße Einrichtung bei Strömen von
ca. 16000A und Leistungen über 1000 kW betrieben, was die Leistungen von z.Z. bekannten
Vakuum-Lichtbogen-Wärmequellen beträchtlich übersteigt Die beschriebene Einrichtung
ermöglicht die Regulierung der Leistungskonzentration in der Erwärmungszone an der
Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes durch Änderung der
Lichtbogenlänge
und des Druckes in der Vakuumkammer sowie durch Änderung der Form der Erwärmungszone
mit einfacheren Mitteln als die gegenwärtig angewendete magnetische Bündelung und
Ablenkung des Lichtbogens.
-
Dank diesen Besonderheiten wird der explosionssichere Schmelzvorgang
von Metallen, besonders Titan, gewährleistet, bei dem die Leistungskonzentration
in der Erwärmungszone so gewählt wird, daß sie zum Schmelzen des Metalls,nicht aber
für die Zerstörung der gekühlten Metaliwand des als ein Tiegel oder ein Kristallisator
ausgebildeten Halters des zu bearbeiteten Materials ausreicht. Die durch diese Einrichtung
sichergestellte verlängerte Form der Erwärmungszone ermöglicht die oaltung von flachen
Gußblöcken in Kristallisatoren, die Wärmebehandlung von großen Oberflächen und andere
moderne technologische Prozesse.
-
Diese Einrichtung i ist bei einem Unterdruck von 0,5+ 5,0 Torr in
der Vakuumkammer funktionsfähig, was für viele ander bei hohen Temperaturen arbeitende
Vakuum-Erwärmungseinrichtungen z.B. für Elektronenstrahlkanonen, Einrichtungen mit
brauchenden, sich nicht ver-/ heißen Kathoden, Lichtbogen-Plasmatronen praktisch
unmöglich ist. Zur Speisung der vorgeschlagenen Einrichtung eignen sich Gleichstromquellen,
die in herkömmlichen Vakuum-Lichtbogenöfen zur Metallschmelzung verwendet werden,
was sowohl die Herstellung von neuen Vakuum-Gieß-und Schmelzaggregaten als auch
die Ausstattung von in Betrieb
befindlichen Aggregaten mit VakuumLichtbogen-Erwärmung
5-einrichtungen nach dieser Erfindung erleichtert.
-
Nachstehend wird der Erfindungsgegenstand an einem Ausführungsbeispiel
anhand der beigelegten Zeichnungen naher erläutert.
-
Es zeigen: Fig. 1 die Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung
zur Bearbeitung von Werkstücken aus stromleitenden Werkstoffen (Längsschnitt); Fig.
2 eine Erwärmungszone an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes nach der
Erfindung (Draufsicht im Schnitt der Ebene II-II aus Fig. 1); Fig. 3 eine Variante
der Erwärmungszone an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes nach der Erfindung
(Draufsicht); Fig. 4 einen Katodenhalter mit in diesem befestigten Stäben nach der
Erfindung (Querschnitt längs der Linie IV-IV aus Fig. 1) Fig. 5 eine Variante der
Anordnung der Stäbe im Katodenhalter nach der Erfindung (Querschnitt); Fig. 6 eine
weitere Variante der Anordnung der Stäbe im Katodenhalter nach der Erfindung (Querschnitt);
Fig. 7 einen Teil des Katodenhalters mit in diesem befestigten Stäben nach der Erfindung
(Längsschnitt);
Fig. 8 einen Teil des Katodenhalters, in dem die
Stäbe mittels Stützen befestigt sind, nach der Erfindung (Längsschnitt); Fig. 9
einen Schnitt längs der Linie I£-IX in. Fig. 8; Fig. 10 eine weitere Variante der
Gesamtansicht der Vakuum-Licht bog en-Erwä rmungseinri chtung nach der Erfindung
im Längsschnitt; Fig. 11 einen Teil des Katodenhalters mit Stäben und einem an ihm
befestigten aus einem wärmebeständigen Material gefertigten Gehäuse nach der Erfindung
(Längsschnitt); Fig. 12 eine andere Variante der Gesamtansicht der Vakuum-Lichtbog
en-Erwärmungseinrichtung nach der Erfindung (Längsschnitt); Fig. 13 einen Katodenhalter
mit innerhalb des Gehäuses untergebrachten Stäben, die als ein Ganzes mit dem stromleitenden
Rohr ausgebildet sind, nach der Erfindung (Längsschnitt); Fig. 14 Schnitt längs
der Linie IIV-XIV aus Fig.
-
13; Fig. 15 eine Variante der Anordnung der Stäbe innerhalb des Gehäuses
im Querschnitt nach der Erfindung; Fig. 16 eine weitere Variante der konstruktiven
Ausführung der Vakuum-Lichtbog en-Erwärmung se inrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken
aus stromleitenden Werkstoffen nach der Erfindung (Längsschnitt).
-
Die Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung für die Bearbeitung von
Werkstücken aus stromleitenden Werkstoffen enthält eine Vakuum'kammer 1 (Fig. 1)
mit aus einem stromleitenden Werkstoff gefertigten Wänden 2, in der ein stromleitender
Halter 3 mit einem zu bearbeitenden aus einem strom leitenden Werkstoff gefertigten
Werkstück 4 und eine hohle, heiße, aus einer Glühemissionslegierung gefertigte Katode
5, die in der zu beschreibenden Variante aus Wolfram mit Zusätzen von Thorium-,
Lanthan oder Yttriumoxid hergestellt ist, untergebracht sind, Die hohle heiße Katode
5 besteht aus Stäben 6, die in/aus einem stromleitenden Werkstoff gefertigten Katodenhalter
7 befestigt sind. Die Stäbe 6 sind mit dem Katodenhalter 7 unmitteLbar mittels eines
ihrer Enden befestigt, während das andere Ende jedes Stabes 6 dem zu bearbeitenden
Werkstück e5 zugekehrt ist. Die Stäbe 6 bilden einen Katodenhohlraum 8, der dem
zu bearbeitenden Werkstück 4 zugekehrt ist. Die Tiefe des durch die Stäbe 6 begrenzten
Katodenhohlraums ist mindestens um das 1,5fache schnittsabmessung.
-
größer als sein e minimale Quer-/ Der Katodenhalter 7 weist einen
Kanal 9 für die Gaszuführung in den Katodenhohlraum in der Pfeilrichtung 10 auf.
-
In der Vakuumkammer 1 ist eine Öffnung 11 vorgesehen, «irch welche
das Evakuieren des Gases in der Pfeilrichtung 12 erfolgt, wodurch innerhalb der
Vakuumkammer 1 ein vorgegebener Unterdruck aufrechterhalten wird. Der Kanal 9 gewährleistet
das
erforderliche Druckgefälle zwischen dem Katodenhohlraum 8 und dem Innenraum der
Vakuumkammer 1.
-
Der Katodenhalter 7 ist mit dem Minuspol der Gleichspanzlungsquelle
13 und der stromleitende Halter 3 des zu bearbeitenden Werkstückes 4 mit dem Pluspol
der Gleichspannungsquelle 13 verbunden. Durch die Energie der Gleichspannungsg.uelle
13 wird die Erzeugung des Lichtbogens 14 zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück
4 und der hohlen heißen Katode 5 sichergestellt. Das zu bearbeitende Werkstück 4
wird einer Erwärmung durch den Lichtbogen 14 in der Erwärmungszone 15 unterzogen.
-
Der stromleitende Halter 3 des zu bearbeitenden Werkstückes 4 ist
von den Wänden 2 der Vakuumkammer 1 mit Hilfe des Isolators 16 elektrisch isoliert.
Der andere als eine Isolierbuchse 17 ausgeführte Isolator isoliert den Katoden halter
7 von den Wänden 2 der Vakuumkammer 1 und gewährleistet die hermetische Verbindung
des Katodenhalters 7 mit der Vakuumkammer 1.
-
In Fig. 2 ist eine runde Erwärmungszone 15 dargestellt, die an der
Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 unter der Wirkung der entwickelten
Energie des Lichtbogens 14 (Fig. 1) gebildet wird.
-
Fig. 3 zeigt eine ovale Erwärmungszone 15, die an der Oberfläche
des zu bearbeitenden Werkstückes 4 bei Zünden des Lichtbogens 14 (Fig. 1) gebildet
wird.
-
Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 1, in dem
eine der möglichen Varianten der Befestigung der Stäbe 6 der hohlen,heißen Katode
5 im Katodenhalter 7 dargestellt ist, der den Kanal 9 für die GaszutUhrung in den
Satodenhohlraum 8 (Fig. 1) aufweist. Die Stäbe 6 (Fig. 4) sind im Katodenhalter
7 an einem Ende befestigt, und diese befestigten Enden der Stäbe 6 sind am Umfang
des Kreises halt angeordnet und liegen dicht aneinander. Bei dieser Anordnung der
Stäbe 6 hat die Erwärmungszone 15 (Fig. 2) an der Oberfläche des zu bearbeitenden
Werkstückes 4 die Form eines Kreises.
-
Die Erwärmungszone 15 (Fig. 2) ist ebenfalls kreisförmig, wenn die
Stäbe 6 (Fig. 5) im Katodenhalter 7 so befestigt sind, daß ein Spalt 18 zwischen
mindestens einem Paar der benachbarten Stäbe 6 vorhanden ist. Der Katodenhalter
7 weist ebenfalls den Kanal 9 für die Gaszuführung in den Katodenhohlraum 8 (Fig.
1) auf.
-
Sind die im Katodenhalter 7 (Fig. 6) befestigten Enden der Stäbe
6 längs der Abschnitte "b" und"b 1 '" von zwei parallelen, in einem Abstand voneinander
liegenden Geraden angeordnet, so hat die Erwärmungszone 15 (Fig. 3) an der Oberfläche
des zu bearbeitenden Werkstückes 4 eine verlängerte Form, die einem Oval ähnlich
ist. Der Katodenhalter 7 (Fig. 6) weist drei Kanäle 9 zur gleichmäßigeren Gasverteilung
im Kathodenhohlraum 8 (Fig. 1) auf. Zwisohen
den Paaren vonbenachbarten
Stäben 6 der hohlen heißen Katode 5 sind die Spalte 18 vorhanden.
-
Fig. 7 zeigt noch eine mögliche Variante der Befestigung der Stäbe
6 im Ratodenhalter 7, der mit Kühlräumen 19 und dem Kanal 9 für die Gaszuführung
in den Katodenhohlraum in der Pfeilrichtung 10 ausgestattet ist.
-
Die unbefestigten Enden der Stäbe 6 werden näher aneinander geführt,
wodurch der Spalt 18' zwischen den unbefestigten dem zu bearbeitenden Werkstück
4 (Fig. 1) zugekehrten Enden der Stäbe 6 geringer als der Spalt 18 zwischen den
im Katodenhalter befestigten abgekehrten Enden der Stäbe 6 ist.
-
In Fig. 8 ist eine der möglichen Varianten der Verbindung der Stäbe
6 mit dem Katodenhalter 7 gezeigt, die mittels zwei als Stützen 20 ausgebildeten
Vorrichtungen ausgeführt ist.
-
Jede der Stützen 20 verbindet mit dem Katodenhalter 7 eine Gruppe
aus vier Stäben 6, die in einer der Längsebenen "p" oder "h" liegen Die Stäbe 6
liegen in zwei Ebenen "p" und "b", die in einem Abstand voneinander angeordnet sind.
-
Durch die Kanäle 9 im Katodenhalter 7 wird ein Gas in den Katodenhohlraum
8 in der Pfeilrichtung 10 eingeführt. Aus Fig. 9, die einen Schnitt längs der Linie
IK-IX in Fig.8 darstellte ist ersichtlich, daß der Katodenhalter 7 drei Kanäle 9
für die Gas zuführung in den Katodenhohlraum 8
aufweist. Eine solche
Befestigung der Stäbe 6 im Katodenhalter 7 ermöglicht die Erhaltung einer verlängerten
Erwärmungszone 15 (Fig. 3) an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4,
ohne dabei di.e Querabmessungen des Katodenhalters 7 zu vergrößern, wie es in der
auf Fig. 6 gezeigten Konstruktion der Fall ist.
-
In Fig. 10 ist ein Längsschnitt der Gesamtansicht einer Variante
der Vakuum-Tichtbogen Brwärmungseinrichtugg gezeigt, wie sie zur Erwärmung von flüssigen
stromleitenden Werkstoffen z.B. von Metallschmelzen angewendet wird.
-
In der Vakuumkammer 1 mit den Wänden 2 sind ein stromleitender Halt
er in Form eines stromleitenden Bechers 21 mit dem zu bearbeitenden (zu erwärmenden)
Werkstück in der Art eines flüssigen stromleitenden Materials 22 sowie die hohlet
heiße Katode 5 untergebracht, deren Stäbe 6 im Katodenhalter 7 befestigt sind und
den Katodenhohlraum 8 bilden. Der Katoden trisch halter 7 ist achsensymme-/ innerhalb
eines Abschnittes des strom leitenden Rohres 23 angeordnet, das mit Kühlräume 24
versehen ist.
-
Die Isolierbuchse 17 gewährleistet die starre und hermetische Verbindung
des Eatodenhalters 7 mit dem stromleitenden Rohr 23 und isoliert sie elektrisch
voneinander. Die andere Isolierbu1se 25 isoliert das stromleitende Rohr 23 von den
Wänden 2 der Vakuumkammer 1 und vom die Wände 2 berührenden stromleitenden Becher
21 mit dem zu erwärmenden flüssigen
stromleitenden Material 22.
Das elektrisch neutrale stromleitende Rohr 23 hat die Funktion einer elektrischen
Abschirmung, was das Auftreten von elektrischen Storentladungen zwischen dem negativ
geladenen Katodenhalter 7 und den positiv dem geladenen flüssigem Material 22,/stromleitendem
Becher 21 und den Wänden 2 der Vakuumkammer 1 verhindert.
-
Außer der elektrischen Isolation zwischen dem stromleitenden Rohr
23 und den Wänden 2 der Vakuumkammer 1 erfüllt die Isolierbuchse 25 auch die Funktion
einer Vakuumdichtung nischen ihnen. Das ermöglicht eine fortschreitende Bewegung
des stromleitenden Rohres 23 mit dem Katodenhalter 7zu bzw.von dem zu erwärmenden
Material 22 (in der Pfeilrichtung 26). Die fortschreitende Bewegung des stromleitenden
Rohres 23 und des Katodenhalters 7 erfolgt mit Hilfe einer Einstellanordnung .(in
Fig. 10 nicht dargestellt) welches nötigenfalls auch die feste Einstellung des stromleitenden
Rohres 23 mit dem Katoden halter 7 in der Vakuumkammer 1 ermöglicht.
-
Der Katodenhalter 7 ist mit Kühlräumen 19 und dem Kanal 9 fUr die
Gaszuführung in den Katodenhohlraum 8 in der Pfeilrichtung 10 ausgestattet. Durch
die Offnung 11 in der Wand 2 der Vakuumkammer 1 erfolgt das Evakuieren des Gases
aus der Vakuumkammer 1 in der Pfeilrichtung 12 mittels eines Pumpsystems (in Fig.
10 nicht abgebildet).
-
Fig. 11 zeigt einen Teil des Katodenhalters 7 (Längsschnitt) mit
dem Ktthlraum 19. Mit dem Katodenhalter 7 sind
die Stäbe 6 der
hohlen1 heißen Katode 5 verbunden, die den Katodenbohlraum 8 begrenzen. Die hohle,
heiße Katode 5 ist von einer Haube 27 aus einem wärmebeständigen Werkstoff umgeben,
wobei die Haube 27 am Katodenhalter 7 befestigt ist.
-
In der Wand 28 der Haube 27 ist die erste Öffnung 29 vorgesehen,
die dem zu bearbeitenden Werkstück 4 (Fig. 1) zugekehrt ist. Durch diese Öffnung
29 geht der Lichtbogen 14 zwischen der hohlen heißen Katode 5 und dem zu bearbeitenden
Werkstück 4 (Fig. 1) hindurch.
-
Die Wand 28 (Fig. 11) der Haube 27 weist eine zweite Öffnung 30 auf.
Durch diese zweite Öffnung 30 wird das Gas in der Pfeilrichtung 31 eingeführt, das
in den Eatodenhohlraum 8 durch die Spalte 18' und 8 zwischen den benachbarten Stäben
6 eindringt. Die Haube 27 schützt die hohle, heiße Katode 5 vor Spritzern des schmelzflüssigen
zu bearbeitenden Materials (Fig. 10) und leitet die Gasströmung aus der Öffnung
30 durch den Spalt 18' zwischen den Stäben 6 in den Katodenhohlraum 8.
-
In Fig. 12 ist die Gesamtansicht einer Vakuum-Lichtboh gen-Erwärmungseinrichtung
(Längsschnitt) dargestellt, in deren Vakuumkammer 1 mit den Wänden 2 ein stromleitender,
als Schmelztiegel 32 ausgebildeter Halter mit dem umzuschmelzenden harten stromleitenden
Material 33 untergebracht ist. Um die herum hohle heiße Katode 5/ist eine Haube
27 aus Graphit angeordnet, die am stromleitenden Rohr 23 befestigt und elektrisch
damit verbunden ist. Das Gas wird in den Eatoderiohlraum
8 durch
den Kanal 34 in der Pfeilrichtung 35 und durch die Spalte 18 und 18' zwischen den
Stäben 6 eingeführt.
-
In Fig. 13 sind die Stäbe 6 in der Richtung zum zu bearbeitenden
Werkstück 4 (Fig. 1) näher zusammengeführt, wodurch der Spalt 18' (Fig. 13) zwischen
den dem zu bearbeitenden Werkstück 4 (Fig. 1) zugekehrten Enden der Stäbe 6 geringer
als der Spalt 18 zwischen den abgekehrten im Katodenhalter 7 (Fig. 13) befestigten
Enden derselben Stäbe 6 ist.
-
Die Haube 27 ist aus einem stromleitenden wärmebeständigen Material
gefertigt und stellt ein einheitliches Bauteil mit dem stromleitenden Rohr 23 dar.
-
Die Haube 27 schützt zugleich die hohlerheiße Katode 5 vor Spritzern
des schmelzflüssigen Materials 33 (Fig. 12) und verhindert das Auftreten von elektrischen
Störentladungen zwischen dem Katodenhalter 7 und den Wänden 2 (Fig. 1) der Vakuumkammer
1 und leitet die Gasströmung aus der Öffnung 30 (Fig. 13) durch die Spalte 18 und
18'zwischen den Stäben 6 in den Katodenhohlraum 8.
-
In Fig. 14, die einen Querschnitt längs der Linie IIV-XIV aus Fig.
13 (Ansicht von unten) dargestellt, sind die an einem Ende im Katodenhalter 7 befestigten
Stäbe 6 so eingestellt, daß der Spalt 18' (Fig. 13) zwischen den dem zu bearbeitenden
Werkstück 4 (Fig. 1) zugekehrten Enden der Stäbe 6 geringer als der Spalt 18 zwischen
den im Katodenhalter 7 (Fig. 14) befestigten Enden der Stäbe 5 ist.
-
Die durch diese hohle heiße Katode sichergestellte Zone 15 (Fig.
2) an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 hat eine runde Form, weil
die im Katodenhalter 7 (Fig. 14) befestigten Enden der Stäbe 6 an einem Kreisumfang
"a angeordnet sind.
-
Die Wände 28 der Haube 27 weisen eine erste Öffnung 29 f(Lr den Durchgang
des Lichtbogens 14 (Fig. 1) und die zweite Öffnung 30 (Fig. 143 für die Gaszuführung
in die Haube 27 und dann durch die Spalte 18 und 18'(Fig.13) zwischen den Stäben
6 in den Katodenhohlraum 8 auf.
-
Fig. 15 stellt einen Querschnitt der Haube 27 mit in dieser untergebrachten
Stäben 6 dar. Die Stäbe 6 sind an einem Ende im Katodenhalter 7 so befestigt, daß
der Spalt 18'(Zig.13) zwischen den dem zu bearbeitenden Werkstück 4 (Fig. 1) zugelehren
Enden der Stäbe 6 geringer als der Spalt 18 zwischen den im Katodenhalter 7 (Fig.
15) befestigten Enden der Stäbe 6 ist und die Stäbe 6 in der Richtung zum zu bearbeitenden
Werkstück 4 (Fig. 1) näher zusammengeführt sind. Die durch die Katode dieser Form
sichergestellte Erwärmungszone 15 (Fig. 3) an der Oberfläche des zu bearbeitenden
Werkstückes 4 hat eine verlängerte Form, weil die im Katodenhalter 7 (Fig. 6) befestigten
Enden der Stäbe 6 an Abschnitten "b" und von von zwei parallelen Geraden liegen.
Die erste Offnung 29 (Fig. 15) in den Wänden 28 der Haube 27 dient dem Durchgang
des Lichtbogens 14 (Fig. 1) und hat eine rechtwinklige Form. Die zweite
Öffnung
30 (Fig. 15) ist für die Gaszuführung in den Katodenhohlraum 8 durch den Spalt 18
zwischen den Stäben 6 vorgesehen.
-
In Fig. 16 ist der Längsschnitt der Gesamtansicht einer Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung
dargestellt, die für den Kristallisationsprozeß angewendet wird. In der mit einer
Öffnung 11 zum Evakuieren des Gases in der Pfeilrichtung 12 versehenen Vakuumkammer
1 ist ein als ein wassergekühlter Eristallisator 36 ausgebildeter Halt er mit dem
zu schmelzenden Gußblock 37 untergebracht, der nach der Beendigung des Kristallisationsvorganges
aus der Vakuumkammer 1 durch die Öffnung 38 in der Pfeilrichtung 39 entfernt wird.
Die Isolierbuchse 17 weist den Kanal 34 für die Gaszuführung in den Katodenhohlraum
8 in der Pfeilrichtung 35 auf.
-
Die hohle, heiße Katode 5 ist innerhalb der Haube 27 untorgebracht
t die am stromleitenden Rohr 23 befestigt ist. Die Haube 27 schützt die hohle1 heiße
Katode 5 vor Spritzen des im Kristallisator 36 zu erschmelzenden Metalls des Gußblocks
37 und leitet den Gasfluß aus dem Kanal 34 in den Eatodenhohlraum 8.
-
Der mit dem stromleitenden Rohr 23 mittels der Isolierbuchse 17 starr
verbundene Katodenhalter 7 kann längs der Isolierbuchse 25, welche als eine Vakuumdichtung
dient, in der Pfeilrichtung 26 bewegt werden. Die Bewegung des Eatodenhalter£ 7
mit dem stromleitenden Rohr 23 erfolgt mit Hilfe einer Einstellvorrichtung, das
in der Zeichnung nicht dargestellt, ist.
-
ordnung In Fig. 1 ist eine An-/ für die Gaszuführung dargestellt,
das das System 40, z.B. einen Behälter mit Druckgas, darstellt, welches für die
Einführung des Gases in den Katodenhohlraum 8 durch die Öffnung 9 in der Pfeilrichtung
10 dient. Gleichartige ordnungen An-/ für die Gaszuführung enthalten auch die übrigen
Varianten der Einrichtung, in Fig. 2-16 sind sie aber nicht gezeigt.
-
Die erfindungsgemäße Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung funktioniert
folgenderweise.
-
Die Luft wird aus der Kammer 1 (Fig. 1) mit Vakuumpumpen (auf Fig.
1 nicht dargestellt) durch die Öffnung 11 in der Pfeilrichtung 12 so lange evakuiert,
bis der Druck in der Va-Vakuumkammer 1 unter 20 Torr, -vorzugsweise aber bis auf
einen Druck von 10 1 - 10-3 ³ Torr absinkt. Durch den Kanal 9 im Katodenha lt er
7 wird in den Katodenhohlraum 8 in der Pfeilrichtung 10 ein Gas, vorzugsweise ein
Edelgas z.B. Argon oder Helium, in einer solchen Menge zugeführt, die zum Erreichen
eines Druckgefälles zwischen dem Katodenhohlraum 8 und dem Innenraum der Vakuumkammer
1 ausreicht. Gewöhnlich ist der Druck innerhalb des Katodenhohlraums 8 um einige
10 mal größer als der Druck in der Kammer 1, wobei der Volumenverbrauch des Gases
umso größer je höher der Arbeitsdruck in der Kammer 1 ist und 0,01 - 1,0 m3/h beträgt.
-
Das durch den Katodenhalter 7 über den Kanal 9 zugefuhrte Gas wird
aus der Vakuumkammer 1 durch die Öffnung 11 in der Pfeilrichtung 12 ununterbrochen
evakuiert, wodurch ininnerhalb
der Kammer 1 ein zur Bearbeitung
des Werkstückes 4 erforderlicher Unterdruck, vorzugsweise im Druckbereich 20 + 10-2
Torr, aufrechterhalten wird.
-
Zur Erzeugung des Lichtbogens 14 zwischen der hohlen, heißen Katode
5 und dem zu bearbeitenden Werkstück 4 ist die Vorionisation des Gases innerhalb
des Katodenhohlraums 8 und die Eruärmung der Stäbe 6 bis auf die Temperatur der
Glühemission, d.h. gewöhnlich über 20000C, erforderlich. Dies wird folgenderweise
erreicht. Zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück 4 und der hohlen, heißen Katode
5 wird eine Gleichspandie nung &ii /Quelle 13 angelegt, wobei der Pluspol der
Gleichspannungsquelle 13 an den stromleitenden Halter 3 mit dem zu bearbeitenden
Werkstück 4 und der Minuspol der Quelle 13 an den Katodenhalter 7 mit der in diesem
befestigten hohles heißen Katode 5 angeschlossen wird. Die Spannung der Quelle 13
liegt gewöhnlich im Bereich 30 + 100 V.
-
Die Zündung des Lichtbogens 14 erfolgt dank der Zuführung von einer
liF-Spannung/einer Hilfszpeisequelle (nicht gezeigt) zwischen dem Katodenhalter
7 und dem stromleitenden Halter 3, die nach dem Entstehen des Haupt lichtbogens
14, der durch die Gleichspannungsquelle 13 aufrechterhalten wird, abgeschaltet wird.
-
Nach der Erwärmung der Stäbe 6 der hohler4 heißen Katode 5 bis auf
die Temperatur, die die aktive Glühemission hervorruft, nach der Beendigung des
Ionisationsvorganges des
Gases im durch die Stäbe 6 begrenzten
Katodenhohlraum 8 und nach dem Anschluß des Minuspols der Gleichspannungsquelle
13 an den Katodenhalter 7 und des Pluspols der Quelle 13 an den stromleitenden Halter
3 mit dem zu bearbeitenden Werkstück 4 wird der Lichtbogen 14 zwischen den Stäben
6 und dem zu bearbeitenden Werkstück 4 selbständig aufrechterhalten. Die Elektronen
werden von der seitlichen Oberfläche der Stäbe 6, die dem Katodenhohiraum 8 zugewandt
ist, emittiert, durch die positiven Ionen des Plasma im Raum 8 angezogen und rufen
eine zusätzliche Ionisation von neutralen Atomen und Molekülen des Gases, das dem
Katodenhohlraum 8 ununterbrochen zugeführt wird, hervor. Das im Katodenhohlraum
8 ionisierte Gas (Plasma) strahlt seinerseits die Elektronen in der Richtung zum
zu bearbeitenden die Werkstück 4 aus und schafftAToraussetzungen für die Aufrechterhaltung
des Lichtbogens 14 zwischen den Stäben 6 der hohlen heißen Katode 5 und dem zu bearbeitenden
Werkstück 4.
-
Die Anzahl der Stäbe 6 der hohlen heißen Katode 5, ihr messungen
Querschnitt und die Querab-/ des Satodenhohlraums 8 werden hauptsächlich durch die
maximale Stromstärke des Lichtbogens 14 bestimmt. Experimentell wurde festgestellt,
daß ein aus Wolfram mit Lantanzusatz (W + 1% Pa203) gefertigter Stab 6 mit einem
Durchmesser von 10 mm Ströme von ca. 1000A aushalten kann. Mit der Erhöhung des
Stromes des Lichtbogens 14 müssen nicht nur der Querschnitt der Stäbe 6 sondern
auch die Quermessungen ab-/ des Katodenhohlraums vergrößert werden. FUr die Arbeit
im
Strombereich 500 + 2000 A genügt es z.B. die Stäbe 6 (Fig.4)
an einem Kreis "a" mit einem Innendurchmesser von 10 + 12 mm anzuordnen, während
für Ströme des Lichtbogens im Bereich 8000 + 15000 A der Innendurchmesser des Katodenhohlraums
8 (Fig. 1) 45 + 50 mm betragen muß.
-
Mit der Vergrößerung der Stromstärke des Lichtbogens 14 steigt die
Spannung des Lichtbogens 14 in dieser Einrichtung um 3 - 5 V je 1000A an. Die Spannung
des Lichtbogens 14 steigt wesentlich auch mit der Herabsetzung des Druckes in der
Vakuum kammer 1 an und kann beispielsweise 100 V übersteigen.
-
Da das Vakuumsystem Luft oder Gas, gewöhnlich in konstanter Menge
aus der Vakuumkammer 1 evakuiert, so läßt sich der Druck in der Vakuumkammer 1 und
folglich auch die Spannung und Leistung des Lichtbogens 14 durch die Änderung des
Verbrauchs des Gases regulieren, das durch den Kanal 9 im Katodenhalter 7 zugeführt
wird. So entsteht bei einer gleichbleibenden Förderleistung der Vakuumpumpe bei
einem Gasverbrauch von 0,8 m3/h ein Lichtbogen 14, der bei einem Unterdruck in dç
Vakuumkammer von 1,0 morr eine Stromstärke von 3000 A und eine Spannung von 28 V
aufweist, während bei einem Gasverbrauch von 0,05 m3/h der Lichtbogen 14 bei einem
Druck von 0,1 Torr eine Stromstärke von 3000 A und eine Spannung von 45 V hat. Bei
einer Drucksenkung in der Vakuumkammer 1 wird der Lichtbogen 14 verschwommener und
übt fast keine Kraft einwirkung auf das zu bearbeitende Material aus. Auf diese
Weise kann man
durch die Regulierung des Druckes in der Vakuumkammer
1 und des Gasverbrauchs weitgehend die energetischen und technologischen Möglichkeiten
der vorgeschlagenen Vakuum-Lichtbogen--Erwärmungseinrichtung regulieren.
-
Die Stäbe 6 (Fig. 4) der hohlen heißen Katode 5 sind im Katodenhalter
7 an einem Kreisumfang "a" befestigt, wodurch die Erwärmungszone 15 (Fig. 2) an
der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 eine runde Form besitzt. Die Länge
der den Katodenhohlraum 8 bildenden Stäbe 6 (Fig. 1) ist mindestens um das 1,5fache
größer als die minimale Querabmessung des Katodenhohlraums 8, weil die Zone des
ionisierten Gases innerhalb des Katodenhohlraums 8 sich über dem unbefestigten Ende
der Stäbe 6 in einem Abstand befindet, der annähernd gleich der Querabmessung des
Katodenhohlraums 8 ist. Ist die Länge der Stäbe um mehr als das 5fache größer als
die Querabmessung des Katodenhohlraums 8, so wird die Gasbeblasung der ionisierten
Zone innerhalb des Katodenhohlraums 8 schwieriger, jedoch bleibt die Einrichtung
arbeitsfähig.
-
Sind die im Katodenhalter 7 (Fig. 6) befestigten Enden der Stäbe
6 längs der Abschnitte "b und 'be von zwei parallelen Geraden angeordnet, so weist
die Erwärmungszone 15 (Fig. 3) an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes
4 eine ovale Form auf.
-
Die Erhöhung der Leistungskonzentration in der Erwärmungszone 15
(Fig. 1) kann man erreichen, wenn man die Stäbe 6
(Fig. 7) so einstellt,
daß sie sich in der Richtung zum zu bearbeitenden Werkstück 4 (Fig. 1) annähern.
Das führt zu einer Bündelung der Säule des Lichtbogens 14, was eine Verminderung
der Fläche der Erwärmungszone 15 an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes
4 und eine Erhöhung der Dichte des Wärmeflusses zur Erwärmungszone 15 hervorruft.
Sind die im Katodenhalter 7 (Fig. 14) befestigten Enden der Stäbe 6, die sich in
der Richtung zum zu bearbeitenden Werkstück 4 (Fig.1) annähern, an einem Kreisumfang
"a" angeordnet, so weist die Erwärmungszone 15 (Fig. 2) an der Oberfläche des zu
bearbeitenden Werkstückes 4 eine runde Form auf.
-
Sind aber die befestigten Enden der Stäbe 6 (Fig. 15), die sich in
der Richtung zum zu bearbeitenden Werkstück 4 (Fig. 1) annähern, längs der Abschnitte
"b" und "b'" (Fig. 15) von zwei Geraden angeordnet, so hat die Erwärmungszone 15
(Fig. 3) an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 eine langgestreckte
Form.
-
Im durch die in parallelen Ebenen liegenden Stäbe 6 begrenzten Katodenhohlraum
8 (Fig. 8) verlaufen die Vorgänge der Ionisierung und Entstehung des Lichtbogens
14 (Fig. 1) auf die oben beschriebene Weise. Eine solche Anordnung der Stäbe 6 (Fig.
8), die am Katodenhalter 7 mit Hilfe von aus einem stromleitenden Werkstoff gefertigten
Stützen 20 befestigt sind, ermöglicht eine Vergrößerung der emittierenden Oberfläche
des durch die Stäbe 6 gebildeten Katodenhohlraums 8 gegenüber der
auf
Fig. 6 gezeigten Befestigungsvariante. Das ermöglicht seinerseits die Erhaltung
einer Erwärmungszone 15 (Fig. 1) an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes
4, die die Form eines stark gedehnten Ovals (in der Zeichnung nicht dargestellt)
aufweist.
-
Dank der Änderung der Form und der Fläche der Erwärmungszone 15 an
der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 kann man Werkstücke verschiedener
Form bearbeiten und im Kristallisator 36 (Fig. 16) GuBblöcke 37 sowohl mit rundem
als auch mit langgestrecktem Querschnitt (der Querschnitt ist nicht gezeigt) erschmelzen.
-
In Fig. 10 ist die Gesamtansicht einer Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung
gezeigt, die zur Erwärmung des flüssigen stromleitenden Materials 22 angewendet
wird.
-
Nach dem Evakuieren des Gases aus der Vakuumkammer 1 durch die Öffnung
11 in der Pfeilrichtung 12» der Zuführung des Edelgases durch den Kanal 9 (Pfeil
10) in den Katodenhohlraum 8 und dem Anschluß der Gleichspannungsquelle 13 an die
hohle heiße Katode 5 und den Becher 21 wird der Lichtbogen 14 zwischen der hohlen
heißen Katode 5 und dem zu erwäsenden flüssigen stromleitenden Material 22 durch
Berührung des letzteren mit mindestens einem der Stäbe 6 gezündet, was durch eine
Bewegung des Katodenhalters 7 und des mit ihm starr verbundenen stromleitenden Rohres
23 längs der Isolierbuchse 25 in der Richtung zum obengenannten Material 22 erfolgt.
Die Einstellvorrichtung, die
mit dem Katodenhalter 7 verbunden
ist und die Bewegung des letzteren längs der Isolierbuchse 25 ausführt, ist in Fig.
10 nicht dargestellt.
-
In einzelnen Fällen wird bei der Arbeit der Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung
eine Ionisation des Gases innerhalb der Vakuumkammer 1 selbst beobachtet, was zum
Auftreten von Stromleckverlusten vom Katodenhalter 7 an die mit dem Becher 21 elektrisch
verbundenen Wände 2 der Vakuum kammer 1 beiträgt, deswegen dient das stromleitende
Rohr 23 mit Kühlräumen 24, das elektrisch sowohl vom Katodenhalter 7 als auch vom
stromleitenden Becher 21 mit dem flüssigen stromleitenden Material 22 isoliert ist,
als eine elektrische Abschirmung. Mit Hilfe des stromleitenden Rohres 23 wird der
Katodenhalter 7 mit der Katode 5 in die Vakuumkammer 1 eingeführt, und, indem man
das Rohr 23 mit dem Katodenhalter 7 und der hohles heißen Katode 5 längs der Achse
des Lichtbogens 14 bewegt, ändert man die Länge des Lichtbogens 14. Dieses ist nicht
nur zum Zünden des Lichtbogens 14, sondern auch zur Änderung der Leistungskonzentration
in der Erwärmungszone 15 (Fig. 2) sowie zur Erleichterung des Einbringens und Ausbringen
des zu bearbeitenden flüssigen Materials 22 (Fig. 10) erforderlich. Der Abstand
zwischen der hohlen heißen Katode 5 und dem zu bearbeitenden Material 22, d.h. die
Länge des Lichtbogens 14, läßt sich in einem großen Bereich von 5 bis 100 cm ändern.
-
Die Änderung der Länge des Lichtbogens 14 ermöglicht die Regulierung
der
Energiemenge, die in der Erwärmungszone 15 (Fig. 2) ausgelöst wird, was die Möglichkeiten
der erfindungsgemäßen Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung erweitert. So kann
die vorgeschlagene Einrichtung bei der Arbeit mit Lichtbögen 14 mit einer Länge
von 5 + 20 cm als eine hochintensive Wärmequelle zum Schmelzen von hochschmelzenden
Metallen und bei der Arbeit mit Lichtbögen 14 mit einer Länge über 20 cm als eine
Quelle der nichtfokussierten Wärme, die das zu bearbeitende Werkstück 4 (Fig. 1)
nicht bis zum Schmelzen bringt, was bei einer Wärmebehandlung des Werkstückes 4
erforderlich ist, angewendet werden.
-
Beim Schmelzen von harten1 stromleitenden Werkstoffen 33 (Fig. 12)
wirken Spritzer und Dämpfe des geschmolzenen Werkstoffes 33 auf die hohle heiße
Katode 5 ein. Deshalb ist sie zur Erhöhung ihrer Lebensdauer mit der Haube 27 (Fig.
11) aus einem wärmebeständigen Material oder mit der Haube 27 (Fig. 12) aus einem
wärmebeständigen'stromleitenden Material umgeben.
-
Daß Gas wird in den Katodenhohlraum 8 durch den in der Isolierbuchse
17 ausgeführten Kanal 34 in der Pfeilrichtung 35 zugeführt. Dabei ist das Vorhandensein
des Spaltes 18 zwischen mindestens einem Paar der benachbarten Stäbe 6 (Fig. 5)
erforderlich, welcher den Zutritt des Gases zum Eatodenhohlraum 8 aus der Öffnung
34 (Fig. 12) sicherstellt. Die Haube 27 leitet das Gas aus dem Kanal 34 durch den
Spalt 18 zwischen den Stäben 6 in den Katodenhohlraum 8 (Fig. 5). Die erste Öffnung
29
(Fig. 11) in den Wänden 28 der Haube 27, die dem zu bearbeitenden Werkstück 4 (Fig.
1) zugekehrt ist, dient dem Durchgang des Lichtbogens 14 (Fig. 11).
-
Da die Haube 27 (Fig. 13) aus einem stromleitenden Werkstoff hergestellt
wird, ist ihre konstruktive VereInigung mit dem stromleidenden Rohr 23 möglich.
Dabei wird das Gas in der Pfeilrichtung 31 durch die zweite Öffnung 30, die in der
Wand des stromleitenden Rohres 23 ausgeführt ist, welches eine Fortsetzung der Wand
28 der Haube 27 darstellt, zugeführt. Eine solche konstruktive Losung ist in dem
Fall zweckmäßig, wenn der Katodenhalter 7 der hohlen heißen Katode 5 vollständig
innerhalb der Vakuumkemmer 1 untergebracht ist.
-
Die Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungs einrichtung zum Schmelzen von hartenl
im Schmelztiegel 32 befindlichen Werkstoffen 33 (Fig. 12) funktioniert auf die oben
beschriebene Weise, nur erfolgt die Gaszuführung nicht durch den Katodenhalter 7
sondern durch den Kanal 34 zwischen dem Katodenhalter 7 und dem stromleitenden Rohr
23 in der Pfeilrichtung 35. Dank dem Vorhandensein der aus einem stromleitenden
Werkstoff gefertigten Haube 27 kann der Lichtbogen 14 zwischen der Katode 5 und
dem zu bearbeitenden Werkstück 4 durch vorhergehende Erregung eines leistungsarmen
Lichtbogens (nicht dargestellt) zwischen der hohlen, heißen Katode 5 und der Haube
27 von einer lIilfs-Gleichspannungsquelle (in der Zeichnung nicht dargestellt) erzeugt
werden, die nach dem Entstehen des Haupt lichtbogens
14, der durch
die Gleichspannungsquelle 13 aufrechterhalten wird, abgeschaltet wird.
-
Die in Fig. 16 gezeigte Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung wird
beim Erschmelzen des Gußblock 37 im stromleitenden Kristallisator 36 angewendet.
In diesem Fall erfolgt die Gas zuführung in den Katodenhohlraum 8 durch den Kanal
9 im Katodenhalter 7, in welchen das Gas in der Pfeilrichtung 10 gelangt, und durch
den Kanal 34 zwischen dem Katodenhalter 7 und dem stromleitenden Rohr 23 in der
Pfeilrichtung 35.
-
Das ermöglicht die Zuführung eines Gases mit einem niedrigen Ionisationspotential,
s.B. Argon, in den Katodenhohlraum 8 und die Zuführung von anderen Gasen, die für
metallurgische Vorgänge erforderlich sind, z.B. Wasserstoff, Stickstoff, Ammoniak
oder Methan, in die Vakuumkammer 1 über den Kanal 34.
-
Nach dem Evakuieren des Gases durch die Öffnung 11 in der Pfeilrichtung
12 und dem Anschluß der Gleichstrosquelle 13 an den Katodenhalter 7 und den stromleitenden
Kristallisator 36 mit dem Gußblock 37 wird der Lichtbogen 14 zwischen der Katode
5 und dem Gußblock 37gezündet, indem man den zu bearbeitenden Gußblock 37 mit mindestens
einem der Stäbe 6 berührt. Die Berührung erfolgt durch die Bewegung des stromleitenden
Rohres 23 längs der Isolierbuchse 25 in der Pfeilrichtung 26. Nach dem Zünden des
Lichtbogens 14 wird das stromleitende Rohr 23 in der Richtung vom Gußblock 37 bewegt
und in einem vorgegebenen Abstand von diesem mit Hilfe einer Stellvorrichtung (in
Fig.16
nicht gezeigt) befestigt. Im weiteren verläuft der Bearbeitungsvorgang
des Gußblockes 37 auf die oben beschriebene Weise. Nach der Beendigung des Kristallisationsvorganges
wird der Gußblock 37 aus der Vakuumkammer 1 durch die Öffnung 38 in der Pfeilrichtung
39 entfernt.
-
Die Funktionsweise der Erfindung wird an folgenden Beispielen erläutert.
-
Beispiel 1 In der Vakuumkammer 1 (Fig. 1) mit Wasserkühlung (die
Wasserkühlung ist in Fig. 1 nicht dargestellt) wird das zu bearbeitende Werkstück
4 in der Art eines Molybdängußblokkes mit einem Durchmesser von 250 mm und einer
Höhe von 270 mm auf einer von den Wänden 2 der Vakuumkammer 1 isolierten Kupferplatte
aufgestellt. Die hohlelheiße Katode 5 wird aus acht Stäben 6 mit einer Länge von
120 mm und einem Durchmesser von 10 mm ausgeführt, die aus Wolfram mit Lanthanzusatz
(W+1% La203) bestehen. Die Enden der Stäbe 6 (Fig. 6) sind im Katoden halter 7 an
zwei Abschnitten "b" und 1'b"' von parallelen Geraden mit einer Länge von 45 mm
befestigt, die voneinander mit einem Abstand von 25 mm angebracht sind. Der Spalt
zwischen den benachbarten Stäben 6 beträgt in jeder Reihe 6 mm.
-
Der kupferne, wassergekuhlte Katodenhalter 7 (Fig. 1) ist in die
Vakuumkammer 1 durch die Isolierbuchse 17 eingeführt.
-
Dem Katodenraum 8 wird Argon zwischen zwei Reihen der Stäbe 6 durch
zwei Kanäle 9 im Katodenhalter 7 zugeführt.
-
Der Lichtbogen 14 wird mittels eines Kurzschlusses zwischen der hohle7
heißen Katode 5 und.der flachen Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 gezündet
und während 15 min bei folgenden Parametern aufrechterhalten: Unterdruck in der
Vakuumkammer 1 - 0,8 Torr, Argonverbrauch 0,3 m3/h, Lichtbogenlänge 14-180 mm, Lichtbogenstrom
14-6000A, Lichtbogenspannung 14-42 V.
-
Dadurch bildet sich an der Oberfläche des zu bearbeitender Werkstückes
4 eine Wanne mit geschmolzenem Metall, das durch eine zuvor im zu bearbeitenden
Werkstück 4 ausgeführte Bohrung herausfließt. Die Wanne hat eine Tiefe von 40 mm
und ihr horizontaler Querschnitt hat die Form der in Fig. 3 gezeigten Erwärmungszone
15 mit einer Länge von 180 mm und einer Breite von 100 mm.
-
Beispiel 2 In der Vakuumkammer 1 (Fig. 12) mit Wasserkühlung (nicht
eingezeichnet) wird ein Graphittiegel 32 mit eingeschütteter Charge in der Art von
zerstückelten Abgängen einer Eitanlegierung aufgestellt. Die hohlel heiße Katode
5 besteht aus zwölf Stäben 6 mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von
120 mm, die aus Wolfram mit Lanthanzusatz hergestellt und im kupfernen Katodenhalter
7 mit Wassertuhlung befestigt sind, welche mittels des Kühlraums 19 ausgeführt wird.
Die im Katodenhalter 7 (Fig. 5) befestigten Enden der Stäbe 5 sind in einem Kreis
"a" mit einem Durchmesser von 60 mm angebracht.
-
Das stromleitende gekühlte Rohr 23 (Fig. 12) mit einem Durchmesser
von 150 mm dient als elektrische Abschirmung und ist starr mit dem Katodenhalter
7 mittels der Isolierbuchse 17 verbunden. Die aus Graphit gefertigte Haube 27 ist
am Rohr 23 derartig befestigt, daß die Stäbe 6 auf 20 mm aus der ersten Öffnung
29 der Haube 27 herausragen, die dem umzuschmelzenden, harten, aus zerstückelten
Abgängen einer Titanlegierung bestehenden Material 33 zugekehrt ist. Der Durchmesser
der Öffnung 29 beträgt 85 mm. In den Kanal 34 zwischen dem Katodenhalter 7 und dem
stromleitenden Rohr 23 wird ein Edelgas, u.zw. Argon, eingeführt.
-
Der Lichtbogen 14 wird zwischen der hohlen, heißen Katode 5 und der
umzuschmelzenden Charge im Tiegel 33 gezündet und während elf Minuten bei folgenden
Parametern aufrechterhalten: Unterdruck in der Vakuumkammer 1 gleich 0,5 Torr>
Argonverbrauch 0,5 m3/h, Lichtbogenlänge 600 mm, Lichtbogenstrom 16000A, Lichtbogenspannung
66V.
-
Als Ergebnis der Schmelzung bildet sich im harten Material 33 eine
runde Wanne des geschmolzenen Metalls mit einem Durchmesser von 650 mm, die der
runden Erwärmungszone 15 (Fig. 2) entspricht. Aus der erzeugten Schmelze wurde ein
Gußblock mit einer Masse von ca. 100 kg gegossen.
-
Beispiel 3 In der Vakuumkammer 1 (Fig. 16) mit der Wasserkühlung
(nicht eingezeichnet) ist ein kupferner wassergekühlter
Kristallisator
36 zur Erhaltung eines Gußblocks 37 mit einem Durchmesser von 280 mm aus Titanspänen
durch stetiges Aufschmel zen und Herausziehen des Gußblocks 37 aus dem Kristallisator
36 aufgestellt. Die hohleßheiße Katode 5 besteht aus sechs Stäben 6 mit einem Durchmesser
von 10 mm und einer Länge von 80 mm, die aus Wolfram mit Lanthanzusatz gefertigt
sind. Die Enden der Stäbe 6 sind im Katodenhalter 7 (Fig. 5) in einem Kreis "a"
mit einem Durchmesser von 25 mm befestigt. Der Katodenhalter 7 (Fig. 16) ist innerhalb
des wassergekühlten,stromleitenden Rohres 23 mit einem Durchmesser von 125 mm untergebracht.
an dessen unterem Ende die kupferne Haube 27 mit Wasserkühlung (die Kühlung ist
nicht eingezeichnet) befestigt ist. Die erste Öffnung 29 der Haube 27 mit einem
Durchmesser den von 42 mm liegt in einer Ebene mit/unteren unbefestigten Enden der
Stäbe 6.
-
Über den Kanal 9 im Katodenhalter 7 wird Argon und über den Kanal
34 Helium zugeführt.
-
Der Lichtbogen 14 wird während 1,4 + 2 h folgenden Parametern aufrechterhalten:
Unterdruck in der Vakuumkammer 1 gleich 0,3 + 0,6 Torr, Argonverbrauch 0,15 m3/h,
Heliumverbrauch 0,1 m3/h, Lichtbogenlänge 200 + 350 mmt Lichtbogenstrom 3500 + 4500
A, Lichtbogenspannung 32 + 38 V.
-
Als Ergebnis wurde ein Gußblock 37 einer Titanlegierung mit einer
Länge von 1,5 m hergestellt.
-
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die oben
beschriebenen Beispiele. Die erfindungsgemäße Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung
kann auch in anderen Prozessen und Apparaten Anwendung finden, die für ihr Bunktionieren
hohe Temperaturen in Verbindung mit niedrigen Drücken des Gasmediums (under 20 Torr)
erfordern. Insbesondere kann die vorliegende Erfindung für die Anwendung in folgenden
fertigungstechnischen Prozessen empfohlen werden: Umschmelzen, Raffination und Fertigung
von vorzugsweise hochreinen, hochaktiven aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzten
Legierungen in Gießereien und Schmelzaggregaten, die sowohl mit keramischen oder
mit metallischen Tiegeln ausgestattet sind; Umschmelzen der Abgänge von hochaktiven
Begierungen, z.B.
-
Titanlegierungen, sowohl in Schmelzöfen mit Garnissage-Tiegeln als
auch in diesen mit Kristallisatoren; Erzeugung von Gußblöcken sowohl mit rundem
als auch mit rechtwinkligem Querschnitt die sowohl endgültige Halbzeuge als auch
Rohlinge für die nachfolgende Umschmelzung darstellen, in Kristallisatoröfen; Schmelzung
von Metallen und Legierungen sowie Erwärmung von Schmelzen in Gieß- und Schmelzaggregaten
mit ununterbrochener Arbeitsweise; Erwärmung des Kopfteiles der Gußblöcke sowohl
mit rundem als auch mit rechtwinkligem Querschnitt, die in Vakuum in
Blockformen
gegossen sind> zwecks der Beseitigung von Schwindungshohlräumen; Erwärmung des
gaschmolzenen Metalls in PSannen und Mischern beim Vakuumieren außerhalb des Ofens;
Raffinieren und Legieren von Metallen und Legierungen unter Anwendung von aktiven
Gasen, z.B. Stickstoff, Methan; lektrothermische Reduzierungsvorgänge in der flüssigen
und der gasförmigen Phase, insbesondere bei der Erzeugung von Reduktionsprodukten
in der Art der Gußblocke von Metallen und Legierungen, z.B. für die karbothermische
und Wasserstoffreduktion, Erwärmung von Rohlingen aus hochaktiven Legierungen unter
Schutzatmosphäre zu ihren nachfolgenden plastischen Verformung; Wärmebehandlung
von Werkstücken in Vakuum, insbesondere in ununterbrochen funktionierenden Aggregaten;
bei hoher Temperatur verlaufende Sinterung von Rohlingen aus hochschmelzenden Metallen
und Legierungen, die mit Methoden der Pulvermetallurgie hergestellt werden; Schweißung,
Aufschweißen und Oberflächenbearbeitung von Werkstücken im Vakuum.
-
Die vorliegende Erfindung gewährleistet die Erhaltung von leistungsstarken
Lichtbögen 14, die auf das zu bearbeitende Werkstück 4 an der Fläche der Erwärmungszone
15 veränderlicher Form einwirken. Die Erfindung ermöglicht die Regulierung der Leistungskonzentration
in der Erwärmungszone 15, was die Kzplosionsgefahr bei der Durchführung von Prozessen
in den wasser gekühlten Haltern 3 vermindert.