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PLASMALICHTBOGENOFEN
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Beschreibung Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die spezielle
Elektrometallurgie, im besonderen auf die Plasmametallurgie, und betrifft die bauliche
Gestaltung eines Plasmalichtbogenofens.
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Mit dem höchsten Nutzeffekt kann die vorliegende Erfindung bei der
Herstellung von Plasmalichtbogenöfen mit keramischer Ausfütterung, Garnisageöfen,
Ofen mit wassergekühltem Kristallisator und dergleichen verwendet- werden. Sie kann
ihre Verwendung in den Fällen finden, wenn das Er- und Umschmelzen von Metallen
sowie die Erhitzung bzw. das Abschmelzen von Gußblöcken, Walzgut, Schmiedestücken
und anderen Metallwerkstücken an der Luft und mit kontrollierter Schutzgasatmosphäre
zwecks Beseitigung von Randschichtfehlern erforderlich sind.
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Gegenwärtig werden zum Erschmelzen, Umschmelzen, zur Erhitzung sowie
zum Abschmelzen von Metallen Plasmalichtbogenöfen mit Gleichstrom- oder Wechselstromplasmabrennern
verwendet. Dabei haben eine weite Verbreitung Öfen mit Wechselstromplasmabrennern
gefunden, weil die Verwendung von solchen Brennern im Vergleich zu Gleichstromplasmabrennern
eine Reihe von Vorteilen bietet.
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Die wichtigsten davon sind: - das Ausbleiben der magnetischen Zusammenwirkung
zwischen den Plasmalichtbögen der benachbarten Brenner, welche zur Senkung des Wirkungsgrades
der Ofen und zum Ausfall der Brenner führt; - billigere und einfachereSpeisequellen;
- eine geringe Neigung zur doppelten Lichtbogenbildung, unter welcher hier die Verlagerung
des Plasmalichtbogens auf die Brennerdüse verstanden wird, so daß der Lichtbogen
nicht nur zwischen der Brennerelektrode und dem zu erhitzenden Metall, sondern auch
zwischen der Elektrode und der Düse brennt,
wodurch die Verkürzung
der Nutzungsdauer der letzteren und die Senkung des Wirkungsgrades des Ofens verursacht
wird.
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Neben den erwähnten Vorteilen weisen die Öfen mit Wechselstromplasmabrennern,
besonders mit Einphasenstrombrennern, auch Nachteile, vor allem eine niedrige Brennstabilität
der Plasmalichtbögen, auf. In derartigen Öfen ist die Quelle des Einphasenwechselstromes
an die Elektrode des Plasmabrenners und an die Bodenelektrode angeschlossen, welche
mit dem zu erhitzenden Metall in Berührung steht. Die Brenninstabilität des Lichtbogens
zwischen diesen Elektroden findet ihren Niederschlag in den Pausen beim Brennen,
welche durch den mehrmaligen Wechsel der Elektrodenpolarität beim Durchfluß des
Wechselstromes bedingt werden. Dadurch werden erhebliche Schwierigkeiten bei der
Durchführung einer ganzen Reihe metallurgischer Vorgänge hervorgerufen, wenn eine
sichere Lichtbogenerregung während der jeweiligen Stromhalbperiode bei einer wesentlichen
(von etwa 1 m) Lichtbogenlänge gewährleistet werden soll.
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Hier und weiter wird mit der Länge des Plasmalichtbogens eine Größe
gemeint, welche dem Abstand zwischen der Arbeitsstirnfläche der Elektrode des Plasmabrenners
und der zu bearbeitenden Oberfläche entspricht.
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Es sind Plasmalichtbogenöfen mit Einphasenwechselstrombrennern bekannt,
bei denen zur Erhöhung der Lichtbogenbrennstabilität zusätzliche Hochspannungsstromquellen
verwendet werden, die elektrische Schwingungen von hoher Frequenz erzeugen, welche
dem Wechselstrom der Hauptquelle zu dem Zeitpunkt, zu dem die Stromstärke annähernd
gleich null ist, überlagert wird (s. A.
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V. Donskoj, V.S. Klubnikin: Eltroplasmennyje prozessy i ustanovki
v maschinostroenii. Leningrad, Maschinostroenie, Leningradskoe otdelenie, 1979,
S. 99). Es liegt auf der Hand, daß durch das
Vorhandensein von zusätzlichen
Speisequellen die Konstruktion kompliziert und die Baukosten eines Plasmalichtbogenofens
erhöht werden.
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Ferner sind Öfen anderen Typs bekannt, bei welchen der Versuch unternommen
wurde, die Brennstabilität des Einphasenwechselstromlichtbogens mittels eines durch-die
Erhitzung des in den Brenner geförderten plasmabildenden Gases durch einen zusätzlichen
Gleichstromlichtbogen, welcher zwischen der Elektrode und der Brennerdüse gezündet
wird, gewonnenen Plasmastrahls zu erhöhen (s. z.B.
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G.A. Farnassov, A.G. Fridman, V.N. Karinskij: Plasmennaja plavka,
Moskau, Metallurgija, 1968, S. 83, Bild 41; sowie M.F. Shukov, V. Ja Smolkov, B.A.
Urjukov: Elektrodugovyje nagrevateli toka (plasmotrony), Moskau, Nauka, 1973, S.
40, 41). Zur Bildung des Hilfslichtbogens wird an die Elektrode und an die Düse
des Plasmabrenners eine zusätzliche Speisequelle, nämlich eine Gleichstrom-Speisequelle
angeschlossen. Durch den Plasmastrahl wird die dauernde Ionisierung des Elektrodenzwischenraumes
(des Abschnitts zwischen der Brennerelektrode und dem zu erhitzenden Metall) gewährleistet,
was zur Erhöhung der Brennstabilität des Plasmalichtbogens beiträgt.
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Durch das Vorhandensein einer zusätzlichen Speisequelle in solchen
öfen wird aber deren Konstruktion ziemlich kompliziert. Darüber hinaus kann die
Brennstabilität in den Öfen der vorstehend erwähnten Typen lediglich bei einer verhältnismäßig
geringen Lichtbogenlänge (nicht über 200 mm) gesichert werden, da in den öfen vom
ersten Typ für die Bildung eines Lichtbogens von gröBerer Länge komplizierte, kostspielige
und im Betrieb gefährliche Hochspannungsquellen erforderlich sind, und in den öfen
vom zweiten Typ die Bogenstabilisierung mittels Plasmastrahls durch den niedrigen
Wirkungsgrad des letzteren praktisch unmöglich ist. Ein
niedriger
Wirkungsgrad ist unter anderem durch große Verluste an Wärmeenergie bedingt, welche
mit dem die Brennerdüse abkühlenden Wasser abgeführt und durch Ausstrahlung sowie
Konvektion an die Umgebung abgegeben wird.
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Von höherer Effektivität ist ein Plasmalichtbogenofen mit dreipolig
geschalteten Brennern (US-pS 3 147 329). Dieser Ofen weist einen Mantel und darin
bezüglich seiner Vertikalachse symmetrisch angeordnete Plasmabrenner auf, von welchen
jeder ein Gehäuse mit einer Düse und einem axialen Kanal zur Zuführung des plasmabildenden
Gases sowie eine in diesem Kanal angeordnete Rundstabelektrode zum Anschließen'an
eine Dreiphasenstromquelle aufweist. Darüber hinaus enthält dieser Ofen, wie die
vorstehend erwähnten, eine G]eichstromquelle für die Zündung von Hilfslichtbögen.
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Die dreipolige Einschaltung von Plasmabrennern gestattet es, auf die
Verwendung einer Bodenelektrode zu verzichten und die Neigung der Brenner zur doppelten
Lichtbogenbildung in noch höherem MaBe zu vermindern. Eine solche Einschaltung ermöglicht
es auch, die dem zu erhitzenden Metall zugeführte Leistung zu vergrößern, wodurch
der Wirkungsgrad erhöht und der technologische Ablauf intensiviert wird.
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Zugleich enstehen beim Betrieb des bekannten Ofens erhebliche Schwierigkeiten.
Vor allem ist hervorzuheben, daß der Hilfslichtbogen zu dem Zeitpunkt, wenn die
Stromstärke des Hauptlichtbogens nahe Null ist, das plasmabildende Gas nur auf einem
verhältnismäßig geringen Abschnitt des Hauptlichtbogens in der Nähe der Elektrode
des Plasmabrenners ionisiert. Der größte Teil der Gassäule des Hauptlichtbogens
wird jedoch im Raum zwischen der Brennerdüse und dem zu erhitzenden Metall vom Hilfslichtbogen
nicht ionisiert, da die Leistung und der Wirkungsgrad des Plasmastrahls, welcher
durch den Hilfslichtbogen gebildet wird, verhältnismäßig gering sind.
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Zu dem Zeitpunkt, wenn der Strom und die Spannung des Plasma-Hauptlichtbogens
(des Wechselstromlichtbogens) ihre Nullwerteerreichten, hört der Ausgleich der Energie,
welche aus der Säule an die Umgebung abgegeben wird, auf, infolgedessen im Elektrodenzwischenraum
dieses Lichtbogens Deionisieurungsvorgänge vor sich gehen. Da das Problem der optimalen
gegenseitigen Anordnung der Brenner bei dem erwähnten Ofen nicht gelöst ist, wird
dabei die Leitfähigkeit des Elektrodenzwischenraumes soweit vermindert, daß die
Lichtbogenerregung in der nächsten Stromhalbperiode außerordentlich erschwert oder
oar unmöglich wird.
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Es ist auch zu erwähnen, daß beim Brennen des Hilfslichtbogens zwischen
der Elektrode und der Brennerdüse eine intensive Erhitzung der kalten Gas schicht
an den Wänden der Düse erfolgt, welche als Elektro- und Wärmeisolation zwischen
dem Plasmafluß und den Wänden des Düsenkanals funktioniert.
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Die Erhitzung hat eine rapide Beeinträchtigung der elektrischen Isolationseigenschaften
der erwähnten Gasschicht zur Folge, wodurch die allmähliche Zerstörung der Düse
bei der Verlagerung des Lichtbogens auf diese verursacht und die wärmeisolierenden
Eigenschaften der Schicht beeinträchtigt werden, was infolge deren intensiver Erhitzung
ebenfalls zur Zerstörung der Düse beiträgt. Dabei entsteht ein doppelter Lichtbogen,
welcher auf dem einen Abschnitt, zwischen der Elektrode und der Brennerdüse, und
auf dem anderen Abschnitt, zwischen der Düse und dem zu erhitzenden Metall, brennt,
so daß die Düse der Einwirkung der konzentrierten Energie des Haupt- und des Hilfslichtbogens
ausgesetzt ist.
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Zuletzt ist zu erwähnen, daß durch den Bedarf an Hilfslichtbögen die
Speiseschaltung des Ofens und die Schaltung der
Brennersteuerung
kompliziert werden sowie die Düsenkühlung bei diesen Brennern intensiviert werden
muß.
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Alle vorstehend ausgeführten Schwierigkeiten gefährden eine breite
Verwendung des beschriebenen P.asmalichtboqenofens in der Praxis.
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Der Zweck dieser Erfindung besteht darin, die angegebenen Nachteile
zu beseitigen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmalichtbogenofen
zu entwickeln, in welchem durch die optimale gegenseitige Anordnung der Plasmabrenner
ein einheitliches thermodynamisches System der Plasmalichtbögen geschaffen wird,
welches die Brennstabilität der Lichtbögen erhöht, insbesondere bei einer bedeutenden
Länge der letzteren, ohne hierbei einen erhöhten Verschleiß der erwähnten Brenner
zu verursachen.
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Die gestellt Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Plasmalichtboqenofen,
enthaltend einen Mantel und die darin bezüglich seiner Vertikalachse symmetrisch
angeordneten Plasmabrenner, von welchen jeder ein Gehäuse mit einer Düse und einem
axialen Kanal zur Zuführung des palsmabildenden Gases sowie eine in diesem Kanal
angeordnete Rundstabelektrode zum Anschließen an eine Dreiphasenstromquelle aufweist,
die Plasmabrenner erfindungsgemäß derart angeordnet sind, daß der Abstand zwischen
den Mittelpunkten der Arbeitsstirnflächen der Elektroden der benachbarten Brenner
nicht mehr als 15 Elektrodendurchmesser beträgt.
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Wie. Untersuchungen ergeben haben, bilden bei einer derartigen gegenseitigen
Anordnung der Plasmabrenner die Lichtbögen der letzteren ein einheitliches thermodynamisches
System aus, welches
es gestattet, die Energieverluste eines Lichtbogens
(bei dem Brenner, wo zu dem Zeitpunkt der Strom und die Spannung gleich Null sind)
durch die Konvektions- und Ausstrahlungsenergie anderer Lichtbögen auszugleichen
(in den Brennern, wo die Strom- und Spannungsvektoren in Bezug auf entsprechende
Vektoren des ersten Plasmabrenners um 1200 und 240° verlagert und zu dem gegebenen
Zeitpunkt nicht gleich Null sind).
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Das Gesagte kann durch folgendes erläutert werden. Die maximale Energiequantität,
welche durch die einen Lichtbogen (bezeichnet als "brennend") zu einem anderen Lichtbogen
(bezeichnet als "erlöschend") übertragen werden kann, um dessen Energieverluste
auszugleichen und darin die Vorgänge der Gas-Deionisierung zu dämpfen, steht in
direktem Abhängigkeitsverhältnis zu der Stromstärke in diesen brennenden Lichtbögen
und im reziproken Verhältnis zum Abstand zwischen diesen und dem erlöschenden Lichtbogen.
Je größer also der Strom im brennenden Lichtbogen ist, kann dessen Energie über
einen umso größeren Abstand zu dem erlöschenden Lichtbogen übertragen werden. Dabei
wird im Elektrodenzwischenraum des Plasmabrenners, in welchem der erlöschende Lichtbogen
brennt, die erforderliche Leitfähigkeit erreicht und der Strom fließt ohne Nullpausen.
Anders ausgedrückt, kann mit der Vergrößerung der Lichtbogenstromstärke der Abstand
zwischen den Plasmabrennern ohne Beeinträchtigung deren Betriebssicherheit vergrößert
werden.
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Da die Lichtbogenstärke dem Elektrodendurchmeser des Plasmabrenners
direkt proportional ist, ist dieser Durchmesser für einen Parameter genommen worden,
welcher den maximalen Abstand zwischen den Brennern (qenauer-zwischen den Mittelpunkten
der Arbeitsstirnflächen deren Elektroden) bestimmt, bei welchem das stabile Brennen
ihrer Lichtbögen noch gewährleistet wird.
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Die Anordnung der Plasmabrenner unter Einhaltung des vorstehend
empfohlenen
Maximalabstandes zwischen deren Elektroden bildet eine notwendige Voraussetzung
für das stabile Brennen sämtlicher Plasmalichtbögen, wobei diese Stabilität sogar
bei einer verhältnismäßig großen Lichtbogenlänge (ca. 1 m) erreicht wird.
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Wenn dieser Abstand mehr als 15 Elektrodendurchmesser beträgt, so
erfolgt, wie Versuche erwiesen haben, in einem Lichtbogen, in welchem zum gegebenen
Zeitpunkt der Strom und die Spannung gleich Null sind, eine bedeutende Ausstrahlung
von Energie in die Umgebung. Bei solch einem großen Abstand zwischen dem erlöschenden
und den brennenden Lichtbögen ist der Energiezufluß zu dem jeweiligen von den letzteren
so gering, daß er für den Ausgleich dessen Energieverluste unzureichend erscheint.
Infolgedessen treten im erwähnten Lichtbogen Deionisierungsvorgänge intensiv zum
Vorschein, wodurch dessen Brennstabilität beeinträchtigt wird.
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Der minimale Abstand zwischen den Elektroden der benachbarten Plasmabrenner
ist in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung absichtlich nicht vorbehalten,
da diese Brenner ohne jegliche Beeinträchtigung ihrer Betriebssicherheit bis zur
Berührung ihrer Gehäuse einander angenähert werden können.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch den Vertikalschnitt eines Plasmalichtbogenofens
mit senkrecht angeordneten Plasmabrennern, Fig. 2 die Draufsicht auf den Plasmalichtbogenofen
der Fig. 1, Fig, 3 schematisch den Vertikalabschnitt eines Plasmalichtbogenofens
mit unter einem Winkel zueinander angeordneten Plasmabrennern und Fig. 4 die Draufsicht
auf den Plasmalichtbogenofen der Fig. 3.
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Der erfindungsgemäße Plasmalichtbogenofen enthält einen Mantel 1 (Fig.
1) und darin bezüglich seiner Vertikalachse symmetrisch angeordnete Plasmabrenner
2. Die Anzahl der Brenner 2 wird als teilbar durch drei (gegebenenfalls gleich drei)
genommen; die Speisung erfolgt von einer dreiphasigen Stromquelle.
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Der jeweilige Plasmabrenner 2 enthält ein Metallgehäuse 2a mit einer
Düse 2b und einem axialen Kanal 2c für die Zufuhr des plasmabildenden Gases von
der entsprechenden Quelle (nicht gezeigt) in den Brenner. Im Kanal- 2c des Brenners
2 ist eine Rundstabelektrode 4 angeordnet, welche an die entsprechende Phase der
vorstehend erwähnten Dreiphasenstromquelle 3 angeschlossen wird.
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Für die Zündung der Plasmalichtbögen enthält-der Ofen drei zusätzliche
(nach der Anzahl der Plasmabrenner 2) Zündvorrichtungen 5, welche im besonderen
elektrische Oszillatoren darstellen, von denen jeder mit der Elektrode 4 und dem
Gehäuse 2a des entsprechenden Plasmabrenners 2 verbunden ist.
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Derartige Oszillatoren sind bekannt (DE-PS 1 011 095 und 1 095 095)
und werden aus diesem Grunde hier nicht ausführlicher erläutert. Es ist zu erwähnen,
daß Zündvorrichtungen 5 keine obligatorischen Elemente des erfindungsgemäßen Ofens
sind, da die Zündung der Lichtbögen auch ohne diese Vorrichtungen erfolgen kann,
zum Beispiel durch Annäherung der unter Spannung stehenden Plasmabrenner 2 bis zum
elektrischen Durchschlag des Luftraumes zwischen diesen und bis zur Zündung der
Plasmalichtbögen durch den entstehenden Funken, wonach die Brenner 2 in die Ausgangsstellung
gebracht werden. Nichtsdestoweniger -ist das Vorhandensein der Zündvorrichtungen
5 sehr erwünscht, weil dadurch die Zuverlässigkeit der Anfangszündung (des Anlaufs)
der Plasmalichtbögen erhöht wird.
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Erfindungsgemäß beträgt der Abstand L zwischen den Mittelpunkten
der
Arbeitsstirnflächen der Elektrode 4 der benachbarten Plasmabrenner 2 (beim Einsatz
von drei Brennern ist das der Abstand zwischen zwei beliebigen Elektroden) nicht
mehr als 15 Durchmesser d der Elektrode 4. In Fig. 1 und 2, in welchen die senkrechte
Anordnung der Plasmabrenner gezeigt ist, stimmt dieser Abstand L zwischen den Achsen
-der Kanäle 2c der Plasmabrenner 2 überein. Bei der Anordnung der Brenner 2 unter
einem Winkel zueinander, wie es in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, wird dieser Abstand
zwischen den Mittelpunkten der unteren Stirnflächen der Elektroden 4 bzw. der Stirnflächen
der Düsen 2b gemessen.
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Konkret wird dieser Abstand L in Abhängigkeit von der Art der technologischen
Bearbeitung, von der Fläche und der Form der zu bearbeitenden Metalloberfläche,
von dem Fassungsvermögen und der Leistung des Ofens, von der Gaszusammensetzung
und dem Gasdruck im Schmelzraum, und von sonstigen Bestimmungsgrößen eingestellt.
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Der erfindungsgemäße Ofen arbeitet folgendermaßen: Das Metall 6, welches
durch das Plasma erhitzt werden soll, wird, in den Ofen eingegeben (Fig. 1). Dann
wird durch die Kanäle 2c der Plasmabrenner 2 das plasmabildende Gas, beispielsweise
Argon, zugeführt, die dreiphasige Stromquelle 3 wird eingeschaltet und mittels der
Zündvorrichtungen 5 werden die Lichtbögen 7 gezündet. Während des Betriebs werden
die Düsen 2b der Brenner 2 mit Wasser gekühlt, welches aus einer entsprechenden
Quelle (nicht gezeigt) zugeführt wird.
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Bei dem angegebenen Abstand zwischen den Brenners 2 bilden diese ein
einheitliches thermodynamisches System und der Brennvorgang der Lichtbögen 7 verläuft
stabil, weil zu dem Zeitpunkt, wenn der Strom und die Spannung in einem Lichtbogen
bis auf Null absinken, sich die Konvektions- und Ausstrahlungsenergien zweiter anderer
Lichtbögen, deren Strom und Spannung nicht gleich Null sind, die Energieverluste
des ersten Licht-
bogens in dem Maße ausgleichen, daß die Deionisierungsvorgänge
in diesen gebremst werden und die Leitfähigkeit seiner Säule in-der nächsten Stromhalbperiode
ausreichend hoch für die Lichtbogenerregung bleibt. Ein derart stabiles Brennen
wird bei sämtlichen Plasmalichtbögen erreicht, und dadurch die effektive Erhitzung
und das Einschmelzen der Charge 6 gewährleistet, ohne dabei eine zusätzliche Erhöhung
der Wärmebelastung der Düsen 2b der Plasmabrenner 2 zu verursachen und die Ofenkonstruktion
zu komplizieren.
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Es ist klar, daß vorstehend nur einige konkrete Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben werden konnten. Für den Fachmann auf diesem Gebiet der
Technik dürfte es aber offenkundig sein, daß auch andere Änderungen und Ergänzungen
des erfindungsgemäßen Ofens möglich sind.
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