DE3544605C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmalichtbogens, bei dem durch Anlegen einer ersten Spannungsquelle ein Gasstrahl zumindest teilweise ionisiert wird und bei dem durch Anlegen einer zweiten Spannungsquelle in dem zumindest teilweise ionisierten Gasstrahl ein Lichtbogen erzeugt wird und dabei der zweiten Spannungsquelle Spannungsimpulse überlagert werden, wobei die Spannungsimpulse steile Anstiegsflanken aufweisen, die im Hochfrequenzbereich liegen.

Unter dem Begriff Plasma ist im vorliegenden Fall ein durch Temperaturerhöhung ionisiertes Gas zu verstehen, das aus Molekülen, Atomen, Ionen und Elektronen besteht und das in seiner Gesamtheit elektrisch neutral ist. Die Temperaturerhöhung erfolgt insbesondere durch Stromfluß, wobei das Gas selbst den Strom leitet, d. h. die notwendige Temperaturerhöhung erfolgt durch Gasentladung im Lichtbogen. Ein Plasmabrenner enthält als wesentliche Bestandteile eine Düse, aus der ein Gasstrahl austritt, sowie im Inneren der Düse eine Elektrode, die bis in die Nähe der Düsenöffnung reicht. Als Gas wird insbesondere Argon, da es billig ist und eine geringe Ionisationsspannung besitzt, oder Helium oder Neon verwendet. Auch zweiatomige Gase, wie z. B. N₂ oder H₂, oder Gemische der vorgenannten Gase oder Luft können als Plasmagas eingesetzt werden.

Bei einem gängigen Plasmabrennertyp ist ferner eine erste Spannungsquelle zwischen der Elektrode und der Düse angeschlossen und erzeugt im Bereich der Düsenöffnung zwischen der Düsenwandung und der Elektrode einen Hilfslichtbogen, der je nach Bedarf nur zum Zünden des Hauptlichtbogens oder während des gesamten Betriebs brennt. Der Hilfslichtbogen hat die Aufgabe, den aus der Düse austretenden Gasstrahl mindestens teilweise zu ionisieren.

Eine zweite Spannungsquelle ist zwischen der Elektrode und dem durch den Plasmalichtbogen zu erhitzenden Werkstück angelegt und erzeugt zwischen dem Brenner und dem Werkstück den Hauptlichtbogen (siehe z. B. DD-PS 1 22 908 oder Lehrbuch "Plasmatechnik" C. Hanser Verlag (1984) S. 268).

Im weiteren ist aus dem Fachartikel "A Method of Obtaining High Plasma Temperatures Using Pulsed Constricted Arcs" aus "The Review of Scientific Instruments" Vol. 41, Nr. 5, 1970, bekannt, Plasmalichtbögen in einem gepulsten Modus mit einer Gleichstromquelle und einer überlagerten Wechselstromquelle zu betreiben und damit eine sehr hohe Energieeinspeisung und besonders hohe Plasma-Temperaturen zu erreichen.

Grundsätzlich ist festzuhalten, daß das ionisierte Gas, das aus der Brennerdüse austritt, sich in instabilem Zustand befindet, d. h. es hat die Tendenz, zu rekombinieren. Dadurch nimmt die Zahl der freien Ladungsträger ab und der Hauptlichtbogen zündet und brennt unsicher. Die Rekombination ist um so stärker, je kälter das Gas ist und je mehr ungeladene Atome (Verunreinigungen, wie z. B. Wasserdampf) in dem Gasstrahl enthalten sind. Je größer der Abstand zwischen der Elektrode und dem zu behandelnden Werkstück ist, desto größer muß die Austrittsgeschwindigkeit des Gasstrahls aus der Düse gewählt werden, um dem Lichtbogen die nötige Richtungsstabilität zu verleihen. Durch die erhöhte Gasgeschwindigkeit wird aber einerseits mehr Wärme aus dem Lichtbogen abgeführt und andererseits aufgrund von Verwirbelungen die Zahl der Fremdatome im Plasma stark erhöht. Aus diesen Gründen läßt sich ein Plasmalichtbogen nur bei relativ kurzen Distanzen zwischen Elektrode und Werkstück sicher aufrechterhalten, während bei größeren Abständen der Lichtbogen schlecht zündet und unsicher brennt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem ein Plasmalichtbogen sicher gezündet und über relativ große Distanzen aufrechterhalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem - wie eingangs beschriebenen - Verfahren auch die zweite Spannungsquelle selbst eine Wechselspannung erzeugt und die Spannungsimpulse nur während der positiven und/oder negativen Spannungsscheitel oder kurz davor überlagert werden.

Der eingangs eingeführte Begriff "Hochfrequenz" bezieht sich auf die Flankensteilheit der Impulse, nicht auf den zeitlichen Abstand der Impulse, d. h. die Flankensteilheit der Impulse entspricht in der Steilheit einer Hochfrequenzwelle. Als Hochfrequenz werden im vorliegenden Fall Frequenzen im Bereich von Kilohertz bis Megahertz bezeichnet. Die Flankensteilheit sollte möglichst groß sein, sie ist jedoch in der Praxis durch die Induktivitäten im Spannungsimpulsgenerator begrenzt.

Gemäß der Erfindung erzeugt die zweite Spannungsquelle eine Wechselspannung und die Spannungsimpulse werden nur während der positiven und/oder negativen Spannungsscheitel oder kurz davor überlagert.

Bei Wechselspannung ändert sich ständig die Stromrichtung in dem Lichtbogen. Die überlagerten Spannungsimpulse erfolgen entweder nur bei einer positiven Halbwelle oder bei einer negativen Halbwelle der zweiten Spannungsquelle oder bei beiden Halbwellen. Bei einer dreiphasigen Drehstromschaltung ergeben sich die Möglichkeiten, daß die Impulse nur bei einer Phase, bei zwei oder bei allen drei Phasen überlagert werden, und zwar jeweils wieder bei der positiven und/oder bei der negativen Halbwelle.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Spannungsimpulse direkt und/oder invers gepolt. Dies bedeutet, daß entweder ausschließlich negative oder positive oder aber abwechselnd negative und positive Impulse überlagert werden. Vorzugsweise werden bei Wechselspannung der zweiten Spannungsquelle bei einer positiven Halbwelle positive Spannungsimpulse, bei einer negativen Halbwelle negative Spannungsimpulse überlagert.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden pro Halbwelle der zweiten Spannungsquelle 1 bis 10 Spannungsimpulse überlagert.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden dem Lichtbogen der ersten Spannungsquelle Spannungsimpulse einer zusätzlichen Hochfrequenz-Spannungsquelle überlagert.

Bei einer bevorzugten Anwendung der Erfindung wird ein entsprechender Plasmalichtbogenbrenner mit seiner Elektrode bzw. Elektroden in einen Schmelztiegel eingesetzt, der an seiner Innenseite mit einer in die Schmelze reichenden, auf Masse gelegten Leitspur versehen ist.

Der Schmelztiegel weist eine metallische Außenseite sowie eine schlecht elektrisch leitende Innenseite (z. B. Keramik) auf. An der Innenseite des Schmelztiegels ist eine Leitspur, z. B. eine streifenförmige Schicht aus Aufschlämmung von Graphit- und Ausmauerungsmasse oder eine z. B. autogen aufgespritzte Metallschicht) aufgebracht. Die Leitspur ist mit der leitenden Außenwand des Tiegels verbunden. Die Leitspur hat den Zweck, daß die Spannungsimpulse, die von der Elektrodenspitze zum Fußpunkt des Lichtbogens in der Schmelze gelangen, über die Leitspur von der Schmelze an die Außenwand des Tiegels und von dort zum Spannungsimpulsgenerator zurückgeleitet werden, wenn der zweite Pol des Spannungsimpulsgenerators an der Außenwand anliegt.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 2 einen Plasmalichtbogenbrenner mit drei Elektroden in Drehstromanordnung

Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Spannungsimpulsgenerators.

Fig. 4 ein Spannungs-Phasen-Diagramm.

Das Verfahren gemäß Fig. 1 dient zum Erhitzen eines metallischen Werkstücks 1 mit Hilfe eines Plasmalichtbogens 2. Zur Erzeugung des Plasmalichtbogens 2 ist ein Plasmalichtbogenbrenner 3 mit einer Düse 4 vorgesehen, die an ihrem Ende eine Öffnung 5 aufweist. Dem Plasmalichtbogenbrenner 3 wird ein Inertgas, vorzugsweise Argon, zugeführt, das durch Pfeile 6 angedeutet ist. Das Gas strömt durch die Öffnung 5 aus der Düse 4 in Richtung auf das zu erhitzende Werkstück 1 aus. Im Inneren der Düse 4 befindet sich eine stabförmige Elektrode 7, die knapp oberhalb der Öffnung 5 endet. Zwischen der Elektrode 7 und der Düse 4 ist eine erste Spannungsquelle 8 angeschlossen, die eine Spannung in der Größenordnung von 100 bis 500 V effektiv liefert. Die erste Spannungsquelle 8 erzeugt zwischen der Elektrode 7 und der Düse 4 im Bereich der Öffnung 5 einen ersten Lichtbogen (Hilfslichtbogen) 9. Durch die angelegte Spannung wird zumindest ein Teil des Gasstroms 6 ionisiert, so daß aus der Öffnung 5 ein zumindest teilweise ionisierter Gasstrahl austritt. Eine zweite Spannungsquelle 10 ist einerseits an die Elektrode 7 und andererseits an das zu erhitzende Werkstück 1 angeschlossen. Die Spannungsquelle 10, die wahlweise Gleich- oder Wechselspannung liefert, erzeugt einen Plasmalichtbogen 2 in der ionisierten Gaswolke, die aus der Öffnung 5 ausströmt, zwischen der Elektrode 7 und dem Werkstück 1. Durch den Lichtbogen 2 wird das Werkstück erhitzt und beispielsweise geschmolzen. Zum Zünden und Stabilisieren des Lichtbogens 2 werden der zweiten Lichtbogenspannung Spannungsimpulse überlagert, die von einem Spannungsimpulsgenerator 11 geliefert werden. Der Spannungsimpulsgenerator 11 ist ebenso wie die zweite Spannungsquelle 10 einerseits an die Elektrode 7 und andererseits an das Werkstück 1 angeschlossen. Der Impulsgenerator 11 liefert Spannungsimpulse, die im Bereich zwischen 2 und 60 kV liegen. Vorzugsweise betragen die Spannungsimpulse etwa 20 kV. Die Impulse besitzen eine sehr hohe Flankensteilheit, wobei der Anstiegwinkel etwa in der Größenordnung des Anstiegs einer Ultrakurzwelle liegt

Um die Spannungsimpulse über die Lichtbogenstrecke zu zwingen und zu verhindern, daß die Spannungsimpulse in die zweite Spannungsquelle 10 laufen, ist in der Elektrodenleitung der zweiten Spannungsquelle 10 eine Hochfrequenz-Sperrdrossel 12 angeordnet. Die Hochfrequenz-Sperrdrossel 12 weist eine Induktivität in der Größenordnung 800 µHy auf.

Bei Bedarf wird der ersten Lichtbogenspannung 8 ein zusätzlicher Spannungsimpulsgenerator 13 überlagert, der unter Zwischenschaltung einer Hochfrequenz-Sperrdrossel 14 parallel zur ersten Spannungsquelle 8 geschaltet ist. Der Spannungsimpulsgenerator 13 liefert Spannungsimpulse in der Größenordnung von 2 bis 10 kV, vorzugsweise 6 kV, die der ersten Spannungsquelle 8 zum Zünden des ersten Lichtbogens 9 überlagert werden.

In Fig. 2 ist ein Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem mit Hilfe von Plasmalichtbogenbrennern beispielsweise Schrott eingeschmolzen wird. Im Gegensatz zu dem Prinzipschaltbild gemäß Fig. 1 sind drei Einzelbrennersysteme vorgesehen, deren Elektroden in Drehstromschaltung geschaltet sind. Die Gaszuführungen zu den Elektroden sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden. In der gewählten Schnittdarstellung sind zwei Elektroden 7a, 7b zu sehen. Die Elektroden 7a, 7b sind in einen Schmelztiegel 15 eingesetzt. Der Schmelztiegel 15 ist aus einem äußeren Stahlmantel 16 sowie einer inneren Auskleidung 17, z. B. aus Keramik, zusammengesetzt. In dem Schmelztiegel 15 wird Schrott geschmolzen. Der Spiegel des Schmelzbades 18 befindet sich in einem Abstand von 30 bis 200 cm, vorzugsweise ca. 50 cm unterhalb der Elektrodenspitzen. An der Innenseite der Auskleidung 17 ist eine streifenförmige Leitspur 19 vorgesehen, die bis zum Boden des Schmelztiegels 15 reicht und die am oberen Rand des Tiegels mit dem Mantel 16 verbunden ist. Der Mantel 16 ist auf Masse gelegt.

Die Elektroden 7a, 7b sind mit den Anschlüssen S, T einer Spannungsquelle 20 in Drehstromschaltung verbunden. Die im Bild nicht dargestellte dritte Elektrode ist mit dem Anschluß R der Spannungsquelle 20 verbunden. Die Spannungsquelle 20 entspricht der in Fig. 1 schematisch dargestellten zweiten Spannungsquelle 10. (Die erste Spannungsquelle 8 ist in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber weggelassen worden). Die an den Anschlüssen S, T anliegende Wechselspannung erzeugt Lichtbögen 2a, 2b zwischen den Elektroden 7a, 7b und der Schmelze 18. Der Stromfluß in den Lichtbögen ist dabei je nach Phasenlage von der einen Elektrode zur Schmelze und von der Schmelze zur nächsten Elektrode bzw. in umgekehrter Richtung. Die Scheitelspannung der Spannungsquelle 20 beträgt vorzugsweise 300 bis 800 V. Aufgrund des relativ großen Abstandes zwischen der Brennerspitze und der Schmelze brennen die Lichtbögen 2a, 2b unstabil und zünden schlecht. Zur Stabilisierung der Lichtbögen und zur Verbesserung des Zündverhaltens sind der Spannungsquelle 20 Spannungsimpulsgeneratoren 11a, 11b überlagert. Je nach den jeweiligen Verfahrensbedingungen ist ein einziger, mit einer der Elektroden verbundener Spannungsimpulsgenerator ausreichend, oder es sind zwei oder sogar drei Spannungsimpulsgeneratoren vorgesehen.

Jeder der beiden dargestellten Spannungsimpulsgeneratoren 11a, 11b, die in Prinzip und Wirkungsweise dem Spannungsimpulsgenerator 11 gemäß Fig. 1 entsprechen, ist zur Spannungsversorgung an die Anschlüsse S, T der Spannungsquelle 20 angeschlossen, wobei der Spannungsimpulsgenerator 11b zur Korrektur der Phasenlage umgekehrt wie der Spannungsimpulsgenerator 11a verpolt ist. Ausgangsseitig sind die Spannungsimpulsgeneratoren 11a, 11b einerseits mit der Elektrode 7a bzw. 7b verbunden, über die die erzeugten Spannungsimpulse den Lichtbögen 2a bzw. 2b zugeführt werden sollen und andererseits mit dem Mantel 16 des Tiegels 15 verbunden. Die Spannungsimpulse laufen von den Generatoren 11a bzw. 11b zu den Elektroden 7a bzw. 7b und durch die Lichtbögen 2a bzw. 2b in die Schmelze 18. Von dort gelangen die Impulse durch die Leitspur 19 und die Masseverbindung des Mantels 16 zurück in die Spannungsimpulsgeneratoren 11a bzw. 11b.

Um zu verhindern, daß die Spannungsimpulse in die Spannungsquelle 20 laufen, ist zwischen dem Elektrodenanschluß und der Spannungsquelle 20 jeweils eine Hochfrequenz-Sperrdrossel 12a, 12b vorgesehen. Die Sperrdrosseln 12a, 12b sind für die steilen Spannungsimpulse der Generatoren 11a, 11b undurchlässig, während sie die relativ niederfrequente Wechselspannung der Spannungsquelle 20 (z. B. 50 Hz) ungehindert passieren lassen.

In den Rücklaufleitungen der Spannungsimpulsgeneratoren 11a, 11b ist jeweils eine Leuchtstoffröhre 21 vorgesehen, die ein Kontrollinstrument für das Funktionieren der Generatoren darstellt. Die Leuchtstoffröhren 21 leuchten bei Funktionieren der Spannungsimpulsgeneratoren auf. Sie können ebenso in den Vorlaufleitungen angeordnet sein.

Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltbild eines Spannungsimpulsgenerators gemäß der Erfindung. Der Spannungsimpulsgenerator ist an zwei Wechselspannungsanschlüsse S, T angeschlossen, die beispielsweise Teile eines Drehstromanschlusses sind. Der Spannungsimpulsgenerator enthält drei Primärwicklungen 23a, 23b, 23c, die parallel an die Anschlüsse S, T angeschlossen sind. Dem Spannungsimpulsgenerator ist an dem Anschluß S eine Dämpfungsdrossel 22 vorgeschaltet, die bewirkt, daß eventuelle Stromspitzen gedämpft werden.

Parallel zu den Primärwicklungen 23a, b, c sind Dioden 24a, b, c eingesetzt, zwischen den Primärwicklungen 23a, b, c und dem Anschluß T sind Dioden 25a, b, c vorgesehen. Die Dioden 25a, b, c bewirken, daß nur eine Halbwelle der Wechselspannung zwischen S und T den Spannungsimpulsgenerator erreicht. Die Dioden 24a, b, c besitzen die Funktion von Freilaufdioden.

Über Sekundärwicklungen 26a, 26b, 26c, die den Primärwicklungen 23a, b, c zugeordnet sind, werden drei in Serie geschaltete Kondensatoren 28a, 28b, 28c einzeln aufgeladen. Die auf die Kondensatoren 28a, b, c übertragene Spannung beträgt beispielsweise 2,5 kV. Die Kondensatoren 28a, 28b, 28c besitzen eine Kapazität von jeweils beispielsweise 0,02 µF. Die Kondensatoren 28a, b, c sind über eine Funkenstrecke 29, die beispielsweise sechs hintereinanderliegende Spalten mit jeweils 0,5 mm Spaltbreite aufweist, mit den Primärwicklungen dreier in Serie geschalteter Impulstransformatoren 30a, 30b, 30c verbunden. Die Primärwicklungen weisen beispielsweise 50 Windungen auf. Diesen sind drei in Serie geschaltete Sekundärspulen mit beispielsweise jeweils 300 Windungen zugeordnet, deren freie Enden an den Spannungsimpulsausgängen 31, 32 des Spannungsimpulsgenerators anliegen. Den Sekundärwicklungen des Impulstransformators 30a ist ein Koppelglied (z. B. 1 µF) mit einem Entladewiderstand von z. B. 200 kOhm nachgeschaltet, um die Impulstransformatoren von der Niederfrequenz der Spannungsversorgung (z. B. 50 Hz) abzukoppeln.

Im Primärkreis des Impulstransformators ist zwischen den Kondensatoren 28a, b, c und den Primärwicklungen 30a, b, c ein RC-Glied 34 angeordnet mit einem Kondensator von z. B. 0,01 µF und drei parallel dazu geschalteten ohmschen Widerständen mit jeweils beispielsweise 100 kOhm. Das RC-Glied 34 bewirkt eine Erhöhung der Flankensteilheit des in dem Spannungsimpulsgenerator erzeugten Impulses.

Der oben beschriebene Spannungsimpulsgenerator funktioniert wie folgt: Vorausgeschickt sei, daß der obengenannte Impulsgenerator eine Kippschwingung liefert. Die dem Transformator 20 entnommene Spannung - angeklemmt hier zwischen den Polen S und T -, wird entweder mit beiden Halbwellen (keine Dioden) oder nur eine Halbwelle (mit Dioden) auf die parallel geschalteten Primärwicklungen 23a, b, c geführt und höher gespannt. Die höheren Sekundärspannungen - Wicklungen 26a, b, c - laden die Kondensatoren 28a, b, c parallel und phasengleich. Die Kondensatorserie wird über einige Serienfunkenstrecken bestehend aus 6 Einzelstrecken mit entsprechenden dI/dt über die in Reihe geschalteten Primärwicklungen der Impulstransformatoren 30a, b, c entladen. Diese Entladung erfolgt umso schneller (steilflankiger), je geringer die Induktivität des Entladekreises gewählt wird. Die Sekundärwindungen des Impulstransformators liegen ihrerseits in Reihe und werden über einen Koppelkondensator mit parallelem Entladewiderstand auf den Lichtbogen geführt. Die Serienschaltung dient der Erzielung einer hohen Gesamtspannung ohne Entladung bereits im Transformator.

Fig. 4 zeigt den Verlauf der Spannung U in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel ϕ in den Lichtbögen eines Plasmabrenners mit drei Elektroden, die in Drehstromschaltung geschaltet sind. Die drei Phasen, die den Anschlüssen R, S, T zugeordnet sind, sind um jeweils 120° gegeneinander phasenverschoben. Der dem Anschluß T zugeordneten Phase sind Spannungsimpulse überlagert, die mit dem Bezugszeichen 35 bezeichnet sind. Die Impulse erfolgen im Scheitel der Wechselspannung oder kurz davor. Der oberen Halbwelle sind positive Spannungsimpulse, der unteren Halbwelle negative Spannungsimpulse überlagert (direkte Polung).

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt daneben die Möglichkeiten, daß die Spannungsimpulse nicht nur bei einer Phase, sondern bei zwei oder bei drei Phasen überlagert werden, daß ferner die Spannungsimpulse nur jeweils bei der oberen oder bei der unteren Halbwelle erfolgen und daß die Spannungsimpulse jeweils nur positiv oder nur negativ sind (abwechselnd direkte und inverse Polung).

Claims (6)

1. Verfahren zum Erzeugen eines Plasmalichtbogens, bei dem durch Anlegen einer ersten Spannungsquelle ein Gasstrahl zumindest teilweise ionisiert wird
und bei dem durch Anlegen einer zweiten Spannungsquelle in dem zumindest teilweise ionisierten Gasstrahl ein Lichtbogen erzeugt wird
und dabei der zweiten Spannungsquelle Spannungsimpulse überlagert werden, wobei die Spannungsimpulse steile Anstiegsflanken aufweisen, die im Hochfrequenzbereich liegen,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannungsquelle selbst eine Wechselspannung erzeugt und die Spannungsimpulse nur während der positiven und/oder negativen Spannungsscheitel oder kurz davor überlagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse direkt und/oder invers gepolt sind.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß pro Halbwelle der zweiten Spannungsquelle 1 bis 10 Spannungsimpulse überlagert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der Spannungsimpulse zwischen 2 und 60 kV beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lichtbogen der ersten Spannungsquelle Spannungsimpulse einer zusätzlichen Hochfrequenz- Spannungsquelle im Frequenzbereich zwischen Kilohertz und Megahertz überlagert werden.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 zum Schmelzen von Gut in einem Schmelztiegel.