DE2643369A1 - Elektrodeneinheit einer elektrischen entladeeinrichtung - Google Patents

Elektrodeneinheit einer elektrischen entladeeinrichtung

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DE2643369A1 DE19762643369 DE2643369A DE2643369A1 DE 2643369 A1 DE2643369 A1 DE 2643369A1 DE 19762643369 DE19762643369 DE 19762643369 DE 2643369 A DE2643369 A DE 2643369A DE 2643369 A1 DE2643369 A1 DE 2643369A1
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Description

'& Of7 —2.—
Moskovsky Gosudarstvenny TJniversitet £ Q H ο O O cf imeni M. V. Lomonosova
Institut Tekhnicheskoi Teplofiziki Akademii Nauk Ukrainskoi SSR
ELSlLTRODEHBIMIIEI'i1 JSUlES EXEEDHIbCiHBN
Die vorliegende Eüfindung betrifft elektrische Entladgeinrichtunveil, insbesondere die Elektrodeneinheit einer elektrischen Entladeeinrichtung·
Vorzugsweise kann die vorliegende Elektrodeneinheit als
in der
Elektrode von Plasmabrennern, die v ohe mi sehen Industrie und Metallurgie verwendet werden, sowie als Elektrode von Lichtbogenschmelzöfen, als Schweißelektrode bei Stromstärken von über 5OO A, alsElektrode von magnetohydrodynamischen Stromerzeugern und bei sonstigen elektrischen Entladeeinrichtungen zum Einsatz gelangen, wo elektrische Gasentladung Verwendung findet
Die bekannten iypen der Elektrodeneinheiten der elektrischen Ent lade einrichtungen z.B. die Elektrodeneinheiten von Piasmatronen, magnethydrodynamischen Stromerzeugern, Lichtbogenschmelzöfen und anderen weisen bei aller Mannigfaltigkeit ihrer Verwendungszwecke und Konstruktionsmerkmale einen wesentlichen Nachteil auf: sie haben eine geringe Lebensdauer
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der Elektrode aufgrund der Zarstorung durch Lichtbogenerosion, weil an der Entladefläche der Elektrode der Brennfleck des Bogens eine Temperatur in der Größe von etwa 4O00eC erreicht. Die Stromdichte liegt bei diesem Fleck auf einer Höhe von einigen tausend Ampere je QuadratZentimeter (5OOO i/cm )·
Der Betrieb der zur Zeit bestehenden Elektroden der Elektrodeneinheiten aus Kupfer,Stahl, Wolfram , Graphit, Zirkondioxid und anderen Werkstoffen zeichnet sich dusch einen Erosionswert von 10" bis 10" g/O und mehr aus. Die Lebensdauer, bekannter Elektroden erreicht 5O bis 200 Stunden, was
die Notwendigkeit ihres häufigen Austausches bei den elektrischen Entladeeinrichtungen herbeiführt und keine Möglichkeit bietet, sie in technologische Straßen mit kontinuierlichem Verfahren aufzunehmen.
Die Erhöhung der Einzelleistung der Lichtbogenerhitzer kann sowohl den Weg der Erhöhung des Potentialunterschieds zwischen den Elektroden, als auch den der Steigerung der Strombelastung gehen. Zur Zeit sind elektrische Entlade einrichtungen (Plasma^» rennDekannt, die bei einer Potentialdifferenz von 1»°; 3t5i 6,0 und 10 kV arbeiten. Mit dem Anstieg der Potentialdifferenz nehmen jedoch die Anforderungen der Arbeitsschutzteohnik stark zu. Außerdem wird sowohl die Konstruktion, als auch die Bedienung der elektrischen Entladeeinrichtungen wesentlich verteuert und kompliziert.
Die Steigerung der Strombelastung führt zur Vergrößerung der Erosion der Elektroden an den Kontaktstellen dar Brennenden
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des Lichtbogens (Bogen^flesfce) und der Elektrodenoberfläche· EÜr die' Zerstörung der Elektrode sind die wärme- und elektrischen Prozesse in den Kontaktbereichen des Lichtbogens von ausschlaggebender Bedeutung·
Traditionell bestanden zwei Wege zur Lösung des Problems der Erhöhung der lebensdauer der Elektroden» Ausnutzung des Effekts der nichtstationären Einwirkung und Verwendung der "heißen" Elektroden·
Der erste Weg steht mit der Wärmeflußverteilung von dem Brennfleck des Lichtbogens über eine beträchtliche Pladie in Verbinl ung·
Bekannt ist die Elektrodeneinheit eines Plasmabrenners , ( schwedische Patentschrift Nr · 35**- 766), deren Konstruktion eine ein Magnetfeld zur Verschiebung des Brennflecks des Lichtbogens über die Innenfläche der Elektrode erzeugende Spule zur Herabsetzung der Elektrodenerosion aufweist·
Der zweite Weg ist mit der Verwendung von schwerschmelzbaren Werkstoffen z.B. Wolfram, Wolfram mit Zuschlägen von Lanthan, Thorium und anderen verbunden, was zur Erhöhung der Schmelztemperatur des Elektrodenwerkstoffes und zum Betrieb bei dem Schmelzpunkt dieser Werkstoffe nahen Temperaturen führt Dabei nimmt die Wärmeströmung zur Elektrode über den Bogenfleck aufkosten der Verminderung des Temperaturunterschieds zwischen der Lichtbogensäule unweit der Elektrode und der eigentlichen Elektrode ab»
Außerdem gibt es Wege zur Herabsetzung der Erosion, die
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auf der Aufspaltung des Lichtbogens in den Elektrodengebieten und der Stromverteilung über einige elektrisch getrennte Elektroden beruhen·
Den Elektroden mit diffusem Lichtbogen wird auch viel Aufmerksamkeit geschenkt·
Durch alle aufgezählten Verfahren zur Herabsetzung der Elektrodenerosion wird die Lebensdauer der Elektroden jedoch nur unbedeutend, um 20 bis JPyh erhöhte
Den gemeinsamen Hauptnachteil samtlicher oben behandelten Wege zur Herabsetzung der Elektrodeneuosion der Elektrodeneinheiten bildet das Vorhandensein des Brennflecks des Lichtbogens an der Entladefläche der Elektrode und somit eine beträchtliches den Schmelzpunkt des Elektrodenwerkstoffes überschreitende Tem-
1 Zerstörung
peratur in der Bogenfleckzone und die damit verbundene ν dex:
Elektrode (Verdampfung, Verspritzen des geschmolzenen Werkstoffes "Abbrand" der Legierungszuschläge).
Das Problem der qualitativen Erhöhung der Lebensdauer der Elektrodeneinheiten kann erst durch die Beseitigung der Hauptquelle der Zerstörung .-.dee Brennflecks - gelöst
werden.
Bekannt ist die Elektrodeneinheit eines magnetohydrodynamischen Stromerzeugers (s· US-Patentschrift ITr· 3 275 260), die eins porige Flächenelektrode enthalt, durch die ein Schutzgas mit Zusatz von emissionsaktiven Stoffen zugeführt wird· Eine der Oberflächen dieser Elektrode ist Entladefläche, die zweite hingegen steht mit einem Mittel zur Zuführung des Schutzgases mit
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Zuschlagstoffen durch die porige Elektrode in Verbindung,
Beim Durchgang durch die Elektrode bildet das Schutzgas mit den emissionsaktiven Zuschlagstoffen eine elektrisch .^leitende Grenzschicht zwischen der Entladefläche und der Schicht Betriebsflüssigkeit, was den Stromdurchgang gewahrleistet und die Erosion dieser Elektrode herabsetzt.
Diese Konstruktion der Elektrodeneinheit ist jedoch mit einer Eeihe von Nachteilen behaftet.
Sie wird betrieben bei geringen Strombelastungen, was keine Möglichkeit bietet, sie als Elektrode von Plasmabrennern^ichtbogenschmelzöfen, als bchweißelektrode, als Elektrode von magnetohydrodynamischen Stromerzeugern und sonstigen elektrischen Entladeeinrichtungen zu verwenden, weil eine unbedeutende Einzelleistung in eine dl .Aggregat bei begrenzter Strombelastung und gegebener Quelle erzeugt werden kann. Die Spannungszunahme der Speisequelle ist durch die Anforderungen der irbeitsschutztechnik und ökonomische Zweckmäßigkeit beschränkt.
Die Entladefläche der Elektrode kommt pit der irbeitszone des magnetohydrodynamischen Stromerzeugers, wo ein Strom von Verbrennungsprodukten, darunter auch Sauerstoff vorhanden ist, unmittelbar in Berührung, Zur Bildung einer wirkungsvollen Grenzschicht, die den genügenden Erosions- und Korrosionsschutz der Elektrode zu gewährleisten vermag, ist daher ein großer Gasverbrauch und zur Aufrechterhaltung der erforderlichen elektrischen
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Leitfähigkeit der Grenzschicht ein beträchtlicher Verbrauch an emissionsaktiven Stoffen notwendig·
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Konstruktion der Elektrodeneinheit einer elektrischen Entladeein»;'.·,. richtung zu schaffen) an deren Entladefläche die Entladung ohne Bogenbrennfleck aufrechterhalten wird, was die Verminderung der Erosion der Entladefläche der Elektrode zu gewährleisten vermag und die lebensdauer der Elektrodeneinheiten wesentlich zu
erhöhen gestattet.
Diese .Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei der Elektrodeneinheit einer elektrischen Entladeeinrichtung, die nämlich eine fluiddurchlässig ausgeführte Elektrode enthält, durch die ein Gas mit Zusatz von emissionsaktiven Stoffen durchströmt, erfindungsgemäß die Elektrode in form einer Kammer ausgebildet ist, an deren Innenfläche eine verteilte elektrische Entladung auf*» rechterhalten wird und die eine üusfuhrungsöffnung für den Entladekanal aufweist«
Es ist möglich, nur einen Teil der Kammer fluiddurchlässig auszuführen«
Sur Herabsetzung des Verbrauchs an Gas und eraissionsaktiven Stoffen und zur Trennung der Kammer von der Arbeitfsone der elektrischen Entladeeinrichtung ist es zweckmäßig, einen aus gasdurchlässigem Werkstoff ausgebildeten Hals, der mit einem Mittel zur Zuführung des Schutzgases, das einen Schleier bildet, der des Eindringen von aggressiven Bestandteilen in die Kammer verhindert, versiahen ist, mit der Ausführungsöffnung für den
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Entladekanal auf Stoß zu verbinden. In der Kammer kann eine Öffnung vorgesehen werden, in der eine innerhalb der Kammer verschiebbar ausgeführte Stabelekfcfc.ode zur Lichtbogenzündung befestigt ist.
Die vorliegende Konstruktion der Llektrodeneinfeeit einer elektrischen Entladeeinrichtung bot die Möglichkeit, eine verteilte Entladung d. he eine Entladung ohne Bogenibrennfleck an der Entladefläche der Elektrode zu erzeugen.
Im Vergleich zu den besten der bekannten Konstruktionen der Elektrodeneinheiten setzt das Vorhandensein einer verteilten Entladung an der üntladafläche der Elektrode die Erosion der Oberfläche um einige Größenordnungen herab.
Dies liefert die Möglichkeit, die Lebensdauer der vorgeschlagenen Einrichtung beträchtlich zu erhöhen, indem sie bis auf einige zehntausend ■ Stunden gebracht wird.
lÄTesentlioh höhere Strombelastungen im Vergleich zu den Strombelastungen bei den bestehenden Elektrodeneinheiten, Konstruktionseinfachheit, Keine Masse und iußenabmessungen boten die Möglichkeit, die vorliegende Elektrodeneinheit als Elektrode
der
von Plasmabrennernfdie invchemischen Industrie und Metallurgie verwendet werden, sowie als Elektrode von Lichtbogenschmelzöfen, als Schweißelektrode bei Stromstärken von über 5OO At als Elektrode von magnetohydrodynamischen Stromerzeugern und sonstigen elektrischen Entladeeinrichtungen, wo elektrische Gasentladung Verwendung findet, auszunutzen.
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Die vorliegende Elektrodeneinheit gelangt bei den elektrischen Entladeeinrichtungen mit verschiedenartigen Medien mit neutralem, oxydierendem, reduzierendem Mittel - zum Einsatz.
Die vorgeschlagene Konstruktion bot die Möglichkeit, den Kreis der Konstruktionswerkstoffe für die Hochtemperatur-Elektrodeneinheit der elektrischen Ent lade einrichtung wesentlich auszudehnen.
In der Metallurgie werden die Stahlgüte und die technologischen Schmelzvorgänge unter Verwendung der vorliegenden Elektrodeneinheiten verbessert.
Durch die zu verwendende Konstruktion der Elektrodeneinheit wird die Verunreinigung der Arbeitszone durch Beimischungen des Elektrodenwerkstoffes wesentlich herabgesetzt, was das Problem der Schrottverwertung von Nickel, Wolfram, Molybdän, Titan und anderen schwerschmelzbaren Werkstoffen, deren Verarbeitung zur Zeit beträchtliche Schwierigkeiten bereitet, zu lösen gestattet.
Auf der Grundlage der Erfindung . ist die Schaffung von leistungsstarken, 10 bis 20 mW und mehr Aggregaten für Dauerbetrieb in derPlasmachemie in einem Block möglich, was mit dan gegenwärtig bekannten Typen der Elektrodeneinheiten grundsätzlich unerfüllbar ist*
Zu den Vorteilen der vorliegenden Elektrodeneinheit zählt auch die Möglichkeit ihres Anschlusses an kontinuierlich oder dauernd (Tausende Stunden lang) wirkende Systeme und die Benut-
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zungsmöglichkeit bei den jetzt vorhandenen Systemen ohne durchgreifenden Umbau der ausrüstung·
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführung sbeispieIeη und den beigefugten Zeichnungen naher erläutert} es zeigt:
Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitit durch die erfindungsgemäse Elektrodeneinheit einer elektrischen Entladeeinrichtung,
Pig. 2 einen Teilschnitt durch die sphärische knüladungskammer gemäß der Erfindung einer elektrischen entlade einricht ung ,
Fig. 3 eine torodiale Entladungskammer, Pig. 4 eine zylinder for tnige Bntladungskammer,
weitere
Fig. 3 eine^zylinderförmige Entladungskammer,
Fig. 6 eine Entladungskammer in Form eines Parallelepipeds.
Die Elektrodeneinheit einer elektrischen Entlädeeinrichtung enthält die fluiddurchlässige Elektrode 1 (Fig. 1), die in einem Gehäuse 2 befestigt ist, Dia Elektrode 1 ist mit durchgehender Porosität aus Zirkondiborid ZrB2 ausgeführt. Gemeinsam mit dem Deckel 3 und dem Boden des Gehäuses 2 bildet die Elektrode 1 eine zylinderförmige Entladungskammer 4·» Die Kammer 4 weist eine Ausführungsöffnung 5 für den Entladekanal auf.
Zwischen dem Gehäuse 2 und den Wänden der Entladungskammer 4 besteht ein Hohlraum, dem ein Gas mit Zusatz von emissionsaktiven Stoffen durch eine Rohrleitung 6 zugeführt wird. Als Gas können z.B. Argon, Stickstoff oder andere und als emissions-
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aktive Stoffe Kalium, Natrium, Rubidium oder andere verwendet weiden.
An die Außenfläche des Gehäuses 2 grenzt ein Erhitze*. 7 an, der zur Vorerwärmung der Entladungskammer 4 bestimmt ist·
Alle Elemente der Elektrodeneinheit sind von einem Mantel 8 mit Außendeckel 9 umschlossen. Der Zwischenraum zwischen dem Mantel 8 und dem Gehäuse 2 ist mit einem Wärmedämmstoff z.B· Korund, Bornitrid oder anderen ausgefüllt.
Der Boden des Gehäuses 2 ist mit einem mit einem Kühlkanal 12 versehenen Flansch 11 verbunden. Von einer Seite grenzt an den Flansch 11 der Mantel 8 und von der anderen Seite - über einen Isolator 13 - eine Platte 14 an, die den zur Trennung der Entladungskammer 4 von der Arbeitszone der elektrischen Entladeeinrichtung bestimmten Hals 15 an die öffnung 5 der Entladungskammer 4 andrückt« Außerdem verhindert der Hals 15 das Eindringen von aggressiven Stoffen in die Entladungskammer 4, was durch die Schaffung eines Gasschleiers in Form eng zusammenruckender Grenzschichten erreicht wird·
Zu diesem: Zweck ist der Hals 15 gasdurchlässig ausgeführt, und zwischen der Außenfläche des Halses 15 and. der Platte 14 besteht ein Raum, der einen Sammelbehälter für gleichförmige Schutzgasverteilung bildet. Als Schutzgas finden z.B. Argon, Stickstoff oder andere Verwendung Das Gas wird durch eine Rohrleitung 16 diesem Raum zugeführt.
Der Deckel 3 weist eine öffnung auf, durch die in die Entladungskammer 4 eine Stabelektrode 17 eingeführt wird, deren eines
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Ende sich gegen einen im Deckel 3 befestigten Bing 18 und das andere gegen eine innerhalb einer mit der Entladungskammer 4 elektrisch verbundenen Stromzuführung 20 befindliche Dichtung 19 abstützt· In die Stromzuführung 20 ist eine Schraubenmutter 21 nineingeschraubt, die zum Einstellen des Spiels . der Dichtung 19 bestimmt ist.
Die Form der Entladungskammer 4 kann verschieden sein.
Sie wird aus der notwendigen Bedingung der Zusammenwirkung des zu erhitzenden Stoffes gewählt und ist von Fertigungsgerechtheitsforderungen an die Kammer und dem Verwendungszweck der elektrischen Entladeeinrichtung abhängig.
Durch die Konstruktion der Entladungskammer 4 wird die Möglichkeit der Zufuhr von emissions aktive η Stoffen an die Innenfläche der Kammer gewährleistet. Dazu ist es zweckmäßig, die Entladungskammer 4 fluiddurchlässig auszuführen·
Fig. 2 zeigt eine in Form einer Kugel, ausgeführte Entladungskammer 22, die eine üusführungsöf fnung 23 für den Entladekanal aufweist. Zur Zufuhr der emissionsaktiven Stoffe an die Innenfläche der Kammer 22 sind ihre wände aus einem Werkstoff mit durchgehender Porosität ausgeführt·
Fig. 3 zeigt eine toroddale Entladungskammer 24, deren Ausführungsoffnung 25 für den Entladekanal schlitzförmig ausgebildet ist· Zur Zufuhr der emissionsaktiven Stoffe an die Innenfläche der Kammer sind ihre Wände aus einem Werkstoff mit durchgehender Porosität ausgefuhrtJ~Zur Zufuhr der emissionsaktiven
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Stoffe kann nur ein Teil deJt? Kammerwände fluiddurchlässig ausgebildet werden, wie Fig. 4·, 5t 6 zeigen.
In Fig. 4 ist eine zylinderförmige Entladungskammer 26 dargestellt, die einen Deckel 27 und einen Boden 28 mit einer Ausführungsöffnung 29 für den Entladekanal aufweist, die aus einem fluidundurchlässigen Werkstoff bestehen«, Fluiddurchlässig sind hierbei - nur Wände 3° der Kammer 26.
Fig. 5 zeigt eine zylinderförmige Entladungskammer 31» deren Stirnfläche 32 fluiddurchlässig ausgeführt ist, wozu sie aus einem Werkstoff mit durchgehender Porosität besteht.
Die Fluiddurchlässigkeit der Zylinderwand 33 wird durch öffnungen 3^· gewährleistet. Der Boden 35 der Entladungskammer 31 weist eine Ausfuhrungsöffnung 36 für den Entladekanal auf.
Fig. 6 zeigt eine Entladungskammer 37 in Form eines Parallelepipeds d. h. sie setzt sich aus Flächenelementen - Wänden zusammen. Zur £uf#hr der emissionsaktiven Stoffe an die Innenfläche ist eine öffnung 38 in der Wand der Entladungskammer 37 vorgesehen» Außerdem weist die Entladungskammer 37 eine Ausführungsöffnung 39 für den Entladekanal auf»
Die Elektrodeneinheit der elektrischen Entlade einrichtung arbeitet*wie folgt»
Mit Hilfe des Erhitzers 7 wird das Gehäuse 2 zusammen mit der Entladungskammer 4 vorgewärmt» Hach der Vorerwärmung wird durch die Eohrleitung 6 eine gewisse Menge an emissionsaktiven Stoffen dem Baum zwischen dem Gehäuse 2 und der Entladungskammer 4- zugeführt. Danach senkt sich die Elektrode 17 in die untere
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Stellung^zwischen der (nicht dargestellten) Anode del! elektrischen Jintladeeinricht ung und der Stabelektrode 1? wird eine Entladung gezündet, die durch die Verschiebung der Stabelektrode 17 durch den Hals 15 in die Ent ladung ska mmer 4 eingeführt wird.
Der Stromkreis zwischen der Stromzuführung 20 der Elektrodeneinheit und der inode der elektrischen EntladeeinEichtung wird geschlossen, wobei die Elektrode 1 einen Teil der Strombelastung übernimmt· In diesem .Augenblick arbeiten zwei Elektroden - die Stabelektrode 17 und die Elektrode 1 der Entladungskammer 4 - parallel« Die Stabelektrode 17 arbeitet im Bogenbrennfleckbetrieb, und in der Entladungskammer 4 entsteht eine über die Innenfläche der Entladungskammer 4 verteilte Entladung·
Darauf beginnt die kontinuierliche iiUf uhr von Argon und Kalium zum Hohlraum zwischen dem Gehäuse 2 und der Elektrode 1·
Durch die Steuerung der (nicht dargestellten) Regelglieder des Stromkreises laßt man die Elektrodeneinheit die Kennstrom— belastung mit verteilter Entladung an dar Innenfläche aufnehmen, wahrend die Elektrode 17 abgeschaltet wird·
Falls notwendig (beim Betrieb mit reduzierendem oder oxydierendem Mittel) wird Argon durch die fiohrleitung 16 dem Hohlraum zwischen dem Hals 15 und der Platte 14 zugeführt.
Zum ungestörten Temperatürbetriebezustand der Elektrodeneinheit ist ein Wärmeaustauschapparat 10 und ein Kanal 12 des Flansches 11 vorgesehen. Die Temperatur der Elektrodeneinheit wird durch Änderung der Kühlintensität geregelt.
Leerseite

Claims (4)

  1. I Λ J Elektrodeneinheit einer elektrischen Ent la dee inr i chining, die eine fluiddurchlässig ausgeführte Elektrode enthält, durch die ein Gas mit Zusatz von emissionsaktiven Stoffen durchströmt, dadurch gekennzeichnet ,daß die Elektrode (1) in Form einer Entladungskammer (4) ausgebildet ist, an deren Innenfläche eine verteilte elektrische Entladung aufrechterhalten wird und die eine Ausführungsöffnung (5) für den Entladekanal aufweist.
  2. 2. Elektrodeneinheit einer elektrischen Entladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Ent ladung ska miner (4) fluiddurchlässig ausgeführt isto
  3. 3. Elektrodeneinheit einer elektrischen Entladeeinrichtung nach .Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ,daß ein aus gasdurchlässigem Werkstoff ausgeführter Hals
    einen (15)» der mit einem Mittel zur Zufuhrung ν Schutzgases, das einen Schleier bildet, der das Eindringen von aggressiven Bestandteilen in die Entladungskammer (4) verhindert, versehen ist, mit der Ausführungsöffnung (5) für den Entladekanal auf Stoß verbunden ist.
  4. 4. Elekirodeneinheit einer elektrischen Entlade einrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichne t ,daß die Kammer (4) eine öffnung aufweist, in der eine innerhalb der Kammer verschiebbar ausgeführte Stabelektrode (17) zur Lichtbogenzündung befestigt ist.
    609813/0318
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