DE521139C - Verfahren zur Waermeuebertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung hoher Temperaturen, insbesondere für das Schmelzen oder Schweißen von Metallen. Das neue Verfahren besteht darin, daß ein zwei- oder mehratomiges Gas, ζ. Β. Wasserstoff, unter Wärmeaufnahme zur Dissoziation gebracht und an die zu erhitzende Stelle geleitet wird, wo das Gas unter Abgabe der latenten Wärme aus dem atomisfischen Zustand wieder in den molekularen Zustand übergeht. Als erste Wärmequelle, die eine Dissoziation des Wasserstoffes herbeiführen kann, wird zweckmäßig ein elektrischer Lichtbogen verwendet. Das neue Verfahren kann mit der Anwendung von Heizdampf verglichen werden, wobei auch Wasser durch eine erste Wärmequelle in Dampf verwandelt wird und der Dampf beim Niederschlagen die latente Wärme wieder abgibt. Ein großer praktischer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß die an sich örtliche Erhitzung eines Lichtbogens in eine gleichmäßige ausgedehnte Erhitzung durch ein Gas umgewandelt werden kann; überdies kommt die starke reduzierende Wirkung atomistischen Wasserstoffs vorteilhaft zur Geltung.

Es ist zwar bekannt, Schmelz- oder Schweißprozesse in Gegenwart einer Wasserstoffatmosphäre durchzuführen, doch hat man es noch nicht unternommen, atomistischen Wasserstoff als Wärmeträger zu benutzen.

Das neue Verfahren kann beispielsweise in einem Metallschmelzofen zur Anwendung kommen. Dieser besitzt Elektroden zur Erzeugung des Lichtbogens, und von dem Lichtbogen wird der atomisierte Wasserstoff durch die Wirkung eines Stroms von molekularem Wasserstoff zur Charge des Ofens geblasen. Diese Charge kann z. B. wegen ihrer größeren AuS'dehnung oder ihrer eigenartigen Zusammensetzung zur unmittelbaren Erhitzung durch einen elektrischen Lichtbogen ungeeignet sein; z. B. trifft dies zu für Metallabfälle, die durch unmittelbare Einwirkung eines Lichtbogens nur stellenweise erhitzt, aber nicht gleichmäßig geschmolzen werden konnten, die nach dem neuen Verfahren aber ganz gleichmäßig zur Schmelzung gebracht werden können.

In der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Durchführung des neuen Verfahrens 'dargestellt.

Abb. ι zeigt einen Ofen zum Schmelzen von Metallabfällen im Schaubild und

Abb. 2 einen waagerechten Schnitt durch diesen Ofen.

Abb. 3 veranschaulicht eine Vorrichtung zum Schweißen, teilweise geschnitten, und

Abb. 4 einen Lötofen im Schaubild, teilweise geschnitten.

Der Ofen gemäß Abb. ι und 2 ist aus feuerfesten Ziegeln gebaut und enthält die Schmelzkammer ι mit dem kaminartigen Aufsatz 2, in den Eisenabfälle oder ähnliches Material eingefüllt wird. Der Kamin kann sich ίο gegen die Schmelzkammer hin erweitern.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Elektrodenpaare vorgesehen, doch können je nach den Umständen auch mehr Elektrodenpaare oder nur ein einziges Paar zur Anwendung kommen. Das eine Elektrodenpaar 5 und 6 reicht durch einen waagerechten Kanal 4 in die Schmelzkammer 1 hinein, aus der eine Abflußrinne 3 ins Freie führt, während das andere Elektrodenpaars', 6' in den Auf satz 2 hineinragt. Das Elektrodenpaar 5,6 dient hauptsächlich dazu, um das geschmolzene Gut auf einer höheren Temperatur als der Schmelztemperatur zu halten. An Eck--. platten 9, 10 des Ofens sind Handregelvorrichtungen 7, 8 für die Elektroden angebracht. Der Wasserstoff strom wird durch Leitungen 11, 11' quer durch die Lichtbogen dem Schmelzgut zugeführt. Die Leitungen 11, 11' und die Durchführungsplatten 12, 12' sind ■ gekühlt. Die Zuführungs- und Abführungsleitungen für das Kühlmittel sind mit 13 bezeichnet. Zweckmäßig werden an den Wasserstoffzuführungseinrichtungen 11 Düsen aus sehr hitzebeständigem Baustoff, z. B. Molybdän, vorgesehen. Zur Beobachtung des Schmelzvorganges dient ein Schaurohr 14.

Die Elektroden müssen ebenfalls sehr hitzebeständig sein und werden zweckmäßig aus Wolfram hergestellt. Bei Verwendung von Elektroden mit einem Durchmesser von etwa 10 mm und einer Lichtbogenlänge von etwa 3 bis 6 mm kann der Ofen etwa 25 kW aufnehmen, und die Spannung des Lichtbogens beträgt 100 Volt, doch kann durch die Blaswirkung des Wasserstoffstromes der Lichtbogen verlängert und eine viel größere Leistung erzielt werden. Überdies wird der Lichtbogen in der Wasserstoffhülle, deren Druck gleich oder höher ist als Atmosphärendruck, konzentrierter und gestattet die Anwendung hoher Spannungen. So wird es wirtschaftlich sein, eine Lichtbogenspannung von etwa 600 Volt zu wählen und die Leistungsaufnahme des Ofens bis auf mehrere hundert Kilowatt zu steigern. Die Elektroden erleiden dabei so gut wie keinen Abbrand. Es kann Gleich- oder Wechselstrom zur Anwendung kommen; im ersten Fall werden Vorschaltwiderstände und im letzteren Fall Vorschaltreaktanzen verwendet. Eine andere Möglichkeit besteht in der Anwendung von Wechselstrom- und Gleichstromumformern.

Versuche haben ergeben, daß für die Dissoziation von ι g Wasserstoff etwa 42 000 Kaiorien aufzuwenden sind. Diese Wärme wird wieder frei, wenn der atomistische Wasserstoff in Berührung mit dem Schmelzgut in den molekularen Zustand zurückkehrt. Um die reduzierende Wirkung in allen Teilen des Sehmelzbades stets aufrecht zu halten, kann noch überdies durch Leitungen 15 Wasserstoff von niederem Druck in den Ofen eingeführt werden.

Die Schweiß vorrichtung nach Abb. 3 besitzt zwei geneigte Elektroden 28 und ein Wasserstoffblasrohr 26. Die Elektroden bestehen in diesem Fall aus Wolfram oder Molybdän, doch können auch wassergekühlte Elektroden aus anderen Metallen von niederem Schmelzpunkt Verwendung finden. Die Elektroden sind an Eisenkernen 16 befestigt, die durch Spulen 17 magnetisch geregelt werden. Diese Spulen sind mit den Elektro- den in Reihe geschaltet, so daß die Kerne 16 mit den Elektroden 28 gehoben werden, sobald ein Strom, durch die Spulen fließt. Zwischen den Kernen 16 und Kappen 21 sind Federn 20 angeordnet, deren Spannung durch Schrauben 22 geregelt werden kann. Auf diese Weise kann durch entsprechende Einstellung eine selbsttätige Regelung des Lichtbogens erzielt werden. Auf der dem Werkstück zugekehrten Seite der Schweiß vorrichtung ist eine Metallplatte 23 mit Seitenplatten 31 angebaut. Durch die Platte 23 wird mittels der Kanäle 24 Wasserstoff von niedriger Pressung der Schweißstelle zugeführt, um zu verhindern, daß der aus dem Blasrohr 26 austretende Wasserstoff strom Luft aus der Umgebung ansaugt. Die Platten 23 und 31 schützen die dahinterliegenden Teile der Schweißvorrichtung vor der hohen Hitze der Schweißstelle und dienen gleichzeitig zur Aufrechterhaltung einer möglichst ruhenden Wasserstoffhülle rings um die S chweiß stelle. Die Elektroden 28 sind durch Hülsen 27 isoliert und durch hoch feuerfeste Zwischenteile 29 an einer Tragplatte 30 befestigt. Diese kann z. B. aus Asbest mit einem mineralischen Bindemittel bestehen.

Die neue Schweißvorrichtung bringt nicht nur das Schweißmetall 34, sondern auch die angrenzen'den Ränder der zu verschweißenden Platten 32,33 zum Schmelzen. Es entsteht eine Legierung, und derartig ausgeführte Schweißungen, sind haltbarer, besser schmiedbar und dehnbarer als die durch gewöhnliche Lichtbogenschweißung oder Gasschweißung hergestellten Verbindungen. Die Bildung von Oxyden, Nitriten oder anderen Verunreinigungen wird vermieden, da das zur Schmel-

zung kommende Metall durch die reduzierende Wirkung des Wasserstoffs tatsächlich gereinigt wird.

Durch die neue Schweißvorrichtung können daher auch leicht oxydierende Metalle, wie Chrom, Zirkon, Aluminium, geschmolzen und geschweißt werden.

Abb. 4 zeigt einen Lötofen, bei welchem die Arbeitsstellen nicht direkt in der Blasrichtung des Wasserstoffstromes liegen. In den feuerfesten Ofen 37 wird durch eine Leitung 38 Wasserstoff eingeführt. Die Lichtbogen werden zwischen den schematisch dargestellten Elektroden 43, 44 und 45, 46 erzeugt. Um den für die Wärmeübertragung notwendigen Umlauf des Wasserstoffs im Ofen hervorzurufen, wird eine Wasserstoffausströmöffnung am Ofen angebracht, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Die zu verlötenden Eisenzylinder 39, 40 werden auf eine Unterlagsplatte 41 gestellt, und zwischen sie wird als Lötmaterial eine Kupferlage 42 eingebracht. Die Ausbildung und Anbringung der Elektroden selbst stimmt mit den früher beschriebenen Beispielen im wesentlichen überein. Die zugespitzten Enden der, Elektroden eines Paares liegen in diesem Fall einander gegenüber. Zum Ziehen des Lichtbogens und zu dessen Regelung können bekannte Vorrichtungen, die von Hand bedient oder selbsttätig geregelt sein können, Anwendung finden.

Die Wärmeübertragung vom Lichtbogen zur Lötstelle erfolgt in diesem Fall sowohl durch Thermaldissoziation als auch durch Wärmeleitung durch den atomistischen Wasserstoff.

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Wärmeübertragung, insbesondere zum Schmelzen oder Schweißen von Metallen, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwei- oder mehratomiges Gas über bzw. durch eine Hochtemperaturwärmequelle, z. B. einen Lichtbogen, geleitet wird, der stark genug ist, um einen wesentlichen Anteil des Gasstromes zu dissoziieren, und daß dieser Gasstrom den zu erhitzenden Stellen zugeleitet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger Wasserstoff verwendet wird und der atomistische Wasserstoff durch einen Strom von molekularem Wasserstoff bewegt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff unter atmosphärischem Druck oder höherem Drück dissoziiert wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wasserstoffstrom von höherem als Atmosphärendruck quer durch den elektrischen Lichtbogen und gegen das Werkstück geführt wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem dissoziierten Gasstrom eine Wasserstoffhülle von geringerem Druck in die Umgebung des Lichtbogens bzw. der zu erhitzenden Stelle geleitet wird.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Lichtbogen mit den zu erhitzenden Gegenständen, gegebenenfalls ohne diese zu berühren, in einem geschlossenen Ofen untergebracht sind, wobei. Wasserstoff von höherer Pressung quer durch den Lichtbogen und gegebenenfalls überdies Wasserstoff von niederer Pressung in den Ofenraum eingeführt wird.
7. 7. Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 auf freiliegende Werkstücke, gekennzeichnet durch schräg gestellte Elektroden, eine Düse, um Wasserstoff quer durch den Lichtbogen gegen das Werkstück zu blasen, und Kanäle zur Zuführung von niedrig gespanntem Wasserstoff in die Umgebung des Werkstücks.
8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode oder die Elektroden aus Wolfram bestehen.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen