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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung synthetischer Edelsteine
Es ist bekannt, synthetische Edelsteine dadurch herzustellen, daß Metalloxyde mittels
Knallgasgebläse geschmolzen werden und auf einem sich drehenden Tragkegel kristallisieren.
Bei diesem Verfahren werden aber nur Schmelztemperaturen von etwa #22oo° C erreicht,
die z. B. zur Herstellung künstlicher Smaragde nicht ausreichend sind.
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Es ist deshalb schon vorgeschlagen worden, die Metalloxyde in einem
elektrischen Ofen zu schmelzen. Bei diesem Verfahren bildeten sich jedoch nur kleine
Kristalle .an den Wandungen des Tiegels.
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Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird ähnlich wie
beim Knallgasverfahren (nach Verneuil) ein Tragkegel angeordnet, auf dessen oberes
Ende das pulverige Schmelzgut fällt und auf dem sich .der Stein bildet. Die Schmelzung
erfolgt jedoch nicht durch Knallgasflamme, sondern durch einen elektrischen Lichtbogen,
welcher die Spitze des Tragkegels umspült.
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In der beiliegenden Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform
einer Maschine zur Ausführung des Verfahrens dargestellt.
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Abb. i zeigt einen Vertikalschnitt durch die Maschine.
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Abb.2 zeigt einen Horizontalschnitt durch die Maschine.
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Abb. 3 zeigt einen weiteren Vertikalschnitt. Abb. q. und 5 zeigen
eine Kupplungsvorrichtung.
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Abb. 6 bis 12 zeigen weitere Einzelheiten der Maschine.
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Die im Beispiel gezeigte Maschine ruht auf einem Sockel i, auf welchem
zwei Wände 2 .und 2a montiert sind. Auf diese zwei Wände aufgeschraubt ist die Zwischenplatte
3. Diese Zwischenplatte 3 trägt das Gehäuse q., auf welchem .der Support 5 aufgebaut
ist. In dem Support 5 ist das Pochwerk 6 eingebaut.
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Das Pochwerk 6 besitzt einen Behälter ; , in welchem sich das Schmelzgut
befindet. Der Behälter 7 ist durch° ein Sieb S unten abgeschlossen. Durch Drehen
der Welle 9 wird vermittels eines Schraubenrades das Zahnrad io betätigt. Die Zähne
des Zahnrades io schlagen beim Drehen desselben auf den Hebel i i, welcher um den
Zapfen 12 eine schwingende Bewegung ausführt und in regelmäßigen Intervallen an
den Behälter 7 anschlägt. Dadurch wird das Schmelzgut im Innern des Behälters 7
locker und fällt durch das Fallrohr 13 in das Mundstück 1q. -und von dort in den
Lichtbogen 15 des Brennraumes 16 auf den Tragkegel 17, um dort den Stein zu bilden.
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Der Brennraum 16 ist mit Schamottesteinen 17a ausgekleidet. Zwischen
dem Gehäuseq.
und den Schamottesteinen ist ein Luftzwischenraum
vorgesehen. Das Gehäuse 4. kann mit Wasserkühlung versehen sein.
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An dem Gehäuse 4 siid zwei Führungen 18 und ig angebracht, in welchen
die Fassungen 2o und 21 für die Elektroden 22 und 23 laufen. Die Fassungen 2o und
21 besitzen eine Zahnung. Die Elektroden sind unter- einem stumpfen Winkel eingebaut,
damit sich - der Lichtbogen auf der vorderen Seite bildet. Über :den beiden Elektroden=
und 23 ist ein Magnet 24 eingebaut, welcher derart auf den Lichtbogen einwirkt,
daßderselbe eine Sichelform bekommt und die Flammenzone des Lichtbogens das Oberteil
des Tragkegels 17, auf dem sich der Stein bildet, umspült.
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Der Vorschub der, Elektroden 22 und 23, entsprechend ihrem Abbrand,
geschieht mechanisch vermittels der Zahnkolben 25 und 25a, die ,durch je ein Kegelräderpaar
27, 28 und 27a, 28a angetrieben werden. -Die Räder 28 und 28a der Kegelräderpaare
sind starr verbunden mit den Stirnrädern 29 und 29a, welche wieder durch die Zwischenräder
30 und 30a von den Zahnrädern 31 und 31a, die mit der Welle 32 verbunden sind, angetrieben
werden. Auf der Welle 32 ist lose das Zahnrad 33 gelagert.
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Dasselbe steht durch das Zwischenrad 34 mit dem Zahnrad 35 in Antriebsverbindung,
das fest auf der Welle 36 sitzt, die an ihrem äußeren Ende das Zahnrad 37 trägt.
Das Rad 37 wird durch die Räder 38, 39 und 40 von einer Motorwelle aus angetrieben.
Auf der Welle 32 ist ein Kupplungsstück 4-2' verschiebbar- angeordnet, welches durch
das Gegen,-stück 43 und die Feder 44 mit dem Zahnrad 33 gekuppelt werden kann. Das
Kupplungsstück 42 weist eine Nut 45-.auf, in welche die Zapfen 46 des Hebels q.7
eingreifen. Der Hebel 47 ist auf der Achse 48 drehbar gelagert und wird mit der
Feder 49, die stärker als die Feder 44 ist, von dem Eisenkern 5o des Elektromagneten
51. weggezogen. Dreht sieh nun .die Motorwelle 41, so wind durch die Zahnradübertragung
das Zahnrad 33 gedreht. Der Magnet.-5i ist mit dem Stromkreis der Elektroden 22
und 23 in Verbindung. Sobald Strom in die Elektroden .gelassen wird; wird der Eisenkern
50 magnetisch und zieht das Eisenstück 52 an. Dadurch wird -die Feder 44
für .die Kupplung q.2 freigegeben- und .das Rad 33 wird mit der Welle 32
fest gekuppelt. I)ä:durch werden die -Elektroden @22 und 23 vermittels der Zahnräder
31, 3ö und 29 bzw. 31a 30a und 2ga der Kegelräderpaare 27 und 28 sowie der
Zahnkolben 25 und- 25ä und der Zahnstangen an .den Fassungen 2o und 2r vorgeschoben.
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Durch-.das Handrad 53 kann vermittels der Kegelrä@übertragung' 54,
- 55, 56 und 57 die Zündung der Elektroden eingeleitet werden. Ebenso ist es .möglich,
damit den" Nachschub der Elektroden von Hand zu betätigen. Das Kegelrad 28 bzw.
28a sitzt lose auf der Achse 58 bzw. 58a, wird aber durch das als Reibungskupplung
ausgebildete Stück 59 vermittels der Feder 6o mitgenommen. Dadurch ist es möglich,
vermittels der Scheibe 61 bzw. Eia jede Elektrode für sich zu verstellen, damit
bei verschiedenen Elektrodenlängen oder bei evtl. ungleichmäßigem Abbrand der Berührungspunkt
der Elektrodenachsen immer auf das Zentrum des Tragkegels gerichtet werden kann.
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Um einen ruhigen Lichtbogen zu bekommen, ist es vorteilhaft, Gleichstrom
zu verwenden. Der Magnet 24 kann .beispielsweise im Hauptstromkreis. eingeschaltet
werden, und der Magnet 51 ist, zur Ausschaltung des Vorschubes der Elektroden, im
Nebenschluß angeschlossen. Die Stromquelle zur Betätigung, des Flammenbogens kann
von derj enigen zum Antrieb des Motors verschieden sein.
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Der Stein, der sich sukzessive auf dem Tragkegel bildet, wird immer
länger, und man ist erfahrungsgemäß genötigt, den Trag kegel17 je nach dem raschen
Aufbau des Steines zurückzuschieben, um das Ende des Steines immer in einer bestimmten
Flammenzone zu haben. Der Rückschub des Tragkegels geschieht selbsttätig.
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,Der Tragkegel 17 ist vermittels einer Klemmvorrichtung 62 mit der
Achse 63 verbunden. Zwischen zwei Tragringen 69, die fest mit der Achse 63 verbunden
sind, ist das Zwischenstück 64. Dasselbe ist lose auf der Achse 63 montiert. Dieses
Zwischenstück 64 besitzt zwei Nuten, in welche die Zäpfen 66 des Hebels 67 eingreifen.
Der Hebel 67 ist mit der Welle 68 fest verbunden. Die Achse 68 kann vermittels einer
Klemmvorrichtung des Hebels 69 bewegt werden, um damit die Anfangsstellung des Tragkegels
17 genau festzulegen. Der Hebel 7o ist vermittels einer Reibkupplung 7i und
der Feder 72a mit der Welle verbunden, in der Weise, daß, wenn der Hebel 7o durch
die Regulierstange 71a bewegt wird, derselbe die Welle 68 dreht. Die Stange 7.1a
wird durch den Hebel 72 bewegt, der mit der Achse 73 fest verbunden ist. Mit der
Achse 73 fest verbunden sind ebenfalls die Rollenhebel 74 und 75, welche an den
Nocken 76 und Gegennocken 77 zwangsläufig ablaufen. Beim Verstellen der Achse
68 durch den Hebel 69 schleift das Kupplungsstück 71 auf Hebel 7o, da sich der Hebel
71ä nur durch Nocken 76 und 77 bewegen läßt.
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Um den Rückschub des Tragkegels 17 während einer Nockenumdrehung verändern
zu können, ist in dem Hebel 70 ein Schlitz 78 vorgesehen, in welchen die
Stange 71a geschoben
weiden kann.- Die Verschiebung der Stange
7i11 geschieht beispielsweise von Hand durch die Hebelverbindung 79, 8o, 81, 82,
83 und 84. Diese Verschiebung kann . auch zwangsläufig im Verhältnis zur Umdrehung
der Nocken geschehen.
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Die Nocken 76 und 77 sind auf der Welle 85 befestigt. Auf der Welle
85 ist zugleich ein Reibrad 86 befestigt, das vermittels der Reibräder 87 und 37
angetrieben wird. Die Geschwindigkeitsänderung de:- Nockenwelle 85 geschieht dadurch,
daß das Reibrad 87 verschoben wird, wodurch sich ein anderes Übersetzungsverhältnis
der Reibräder 87 und 37 ergibt. Die Verschiebung des Reibrades 87 geschieht durch
Drehen des Handrades 88 und durch das Hebelwerk 89, 9o"9i und 92. Der Antrieb des
Reibrades 37, das zugleich als Zahnrad ausgebildet ist, erfolgt, wie bereits beschrieben,
durch eine Zahnradübersetzung von der Motorwelle 41 des Motors 93 aus.
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Um der Schmelzperle eine bestimmte Form geben zu können und tun. dieselbe
nach ihrer Fertigstellung von dem Tragkörper 17 abspringen zu lassen, kann
der Tragkegel mit der Welle 63 in eine rotierende Bewegung versetzt werden. Die
Welle 63 ist in den Supports 94 und 95 gelagert. Im Lager 94 ist eine Büchse 96
eingelegt, welche mit der Seilscheibe 97 durch die Saite 98 gedreht werden kann.
Damit die Achse 63 von der Büchse 96 mitgenommen wird, ist in dieser ein Keil vorgesehen.
Die Saite 98 wird durch die Scheibe ioo bewegt, welche wiederum vermittels zweier
Friktionsräder i o i und i o2 angetrieben wird. Das Reibrad io2 ist verschiebbar
auf der Welle 103 angeordnet. Auf der Welle 103 sitzt die Seilscheibe -io4,
welche durch die Saite io5 von der Seilscheibe io6 des Motors 93 angetrieben wird.
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Die Regulierung der Umdrehungszahl der Welle 63 geschieht durch Verschieben
des Reibrades io2 auf dem Reibrad ioi. Die Verschiebung kann mit dem Handgriff 117
durch das Hebelwerk 1o7 bis iog bewerkstelligt werden. Auch ist es-möglich, durch
Verschieben des Reibrades io2 bis in das Zentrum des Reibrades i.o i die Umdrehung
der Welle 63 zum Stillstand zu bringen.
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Auf der Welle 9, die im Support 5 und im Support 112 gelagert ist,
ist das Reibrad i ii befestigt. Dasselbe wird durch das Reibrad i io angetrieben.
Dieses ist verschiebbar auf der Welle 113 angeordnet, welche die -Seilscheibe 114
trägt. Die Seilscheibe 114 wird durch die Saite 115 vom Rad j 15a angetrieben.
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Damit mehr oder weniger Material in den Lichtbogen fallen kann, ist
die Anzahl der Umdrehungen der Welle g ebenfalls regulierbär, und zwar durch Verschieben
des Reibrades i iö auf der Welle 113; Die .Verschiebung kann vermittels des Handgriffes
I17, und durch das Hebelwerk i 18, 119, 12ö, r21 und 122 vorgenommen werden. Auch
kann durch Verschieben des Reibrades i io bis in das Zentrum der Scheibe i i i das
Pochwerk-6 zum Stillstand gebracht werden.
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Das Handrad 123 hat den Zweck, vermittels :der Kettenräder 124 und
125 und der Kette 126 die Maschine von Hand zu drehen und die Nocken 76 und 77 in
die richtige Anfangslage bringen zu können.
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Mit Hilfe der beschriebenen Maschine ist es möglich, synthetische
Edelsteine auf elektrischem Wege herzustellen, und zwar unter ausschließlicher Verwendung
eines elektrischen Lichtbogens. Dies geschieht z. B. in folgender Weise: Der Behälter
7 des Pochwerkes 6 wird vorbereitend mit. einem Schmelzpulver gefüllt, welches je
nach der Zusammensetzung des herzustellenden Steines aus an sich bekannten Stoffen
besteht, in der Hauptsache aus Tonerde mit Beimengungen anderer Metalloxyde. Alsdann
werden die Elektroden von Hand durch Drehen an den Stellscheiben 61 und 61a, jede
für -sich, so eingestellt, daß der elektrische Lichtbogen genau im Zentrum der Kammer
16 entstehen kann. Unter Einschaltung des Stromes wird mittels Handrad 53 die`Zündung
der Elektroden eingeleitet, deren gleichmäßiger Abstand im übrigen durch die beschriebene
elektromagnetische Kupplung (Abb. 12) selbsttätig reguliert wird. Es entsteht ein
nach vorn und abwärts gerichteter Lichtbogen im Zentrum der Kammer 16, die von außen
durch Luft, Wasser oder andere Kühlmittel abgekühlt und deren Inneres durch Absaugen
der Luft (durch bekannte, nicht dargestellte Mittel) in einen luftverdiinnten Raum
umgewandelt werden kann. Das obere Ende des Tragkegels 17, welches spitz, rund,
stumpf oder in bekannter Weise mit einer Metallspitze versehen sein kann, wird nun
durch Heben oder Senken der Achse .63 bzw. durch Heben oder Senken der Elektrodenspitzen
relativ zu dem Flammenbogen so eingestellt, daß es bis in die violette Zone des
Lichtbogens hineinragt. Durch Kupplung mit dem Motor wird nun der Tragkegel 17 in
Umdrehung versetzt und gleichzeitig das Pochwerk 6 betätigt. Das elektrische, _
magnetische Gebläse beeinflußt den Lichtbogen in der Weise, daß er sich stark nach
abwärts krümmt und ausbreitet und dabei ständig die Spitze des Tragkegels umspült.
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Unter Einfluß des Pochwerkes fällt das Schmelzgut aus dem Behälter
7 durch das Fallrohr 13 und das Mundstück 14 annähernd im rechten Winkel durch den
Lichtbogen hindurch auf die Spitze des konzentrisch oder
auch exzentrisch
umlaufenden Tragkegels 17. Es ist dabei wesentlich, daß das Pulver durch eine bestimmte
Zone des Lichtbogens hindurchgeführt wird, damit es sofort zum Schmelzen gebracht
und für die Bildung des Steines auf der Tragspitze geeignet wird. Sobald, die Kristallisation
der Schmelzperle auf oder an der Tragspitze begonnen hat, muß das Pulver so geleitet
werden, daß der Stein ununterbrochen wächst. Wächst der Stein von unten nach oben,
so muß selbsttätig oder von. Hand die Tragspitze nach Maßgabe dieses Wachsens gesenkt
oder der Lichtbogen gehoben werden. Wächst der Stein in die Breite, so muß darauf
geachtet werden, daß das Pulver an den äußeren Rand des wachsenden Steines gelangt.
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Der Lichtbogen könnte statt nach abwärts zwischen stumpfwinklig zueinander
stehenden Elektroden auch nach aufwärts gerichtet sein, jedoch ist diese Anordnung
weniger empfehlenswert, weil dadurch die von den Elektroden abgesprengten Kohleteilchen
leicht den Stein verunreinigen. Anstatt den Tragkegel zwischen den Elektrodenspitzen
umlaufen zu lassen, können natürlich auch die Elektroden, wie an sich bekannt, um
den Tragkegel kreisen.
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Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens und der dargestellten Maschine
ist es möglich, aus Metalloxyden unmittelbar (d. h. ohne Umwandlung in Alaune) synthetische
Edelsteine herzustellen, welche höhere Qualitäten aufweisen als die seither bekannten
Gassteine. Insbesondere ist es möglich, synthetische Smaragde herzustellen.