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Diese Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von
Plasmabrennern wie zum Erhitzen eines Gases, und, insbesonders
zur Herstellung von Plasmabrennerelektroden.
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Plasmabrenner, die von der vorliegenden Erfindung verbessert
werden sollen, enthalten typischerweise zwei rohrförmig
geformte, wassergekühlte Elektroden, die kolinear entlang einer
Achse angeordnet sind. Bei Gleichstrombetrieb liegt eine
Elektrode auf einem hohen Potential und die andere
normalerweise auf Erdpotential. Zwischen benachbarten Enden der
Elektroden, wo ein Lichtbogen während des Anlasses eingeleitet
wird, ist ein kleiner Spalt vin typischerweise ungefähr 1 mm
vorhanden. Gas, das erhitzt werden soll, wird durch diesen
kleinen Spalt in das Innere der rohrförmigen Elektroden
gezwungen, was verursacht, daß der Lichtbogen in ihren inneren
Durchmesser verlängert wird. Feldspulen, die die Elektroden
umgeben, verursachen, dar der Lichtbogen sich in den
Elektrodenbohrungen mit hoher Geschwindigkeit dreht. Das kalte
Gas, das durch den kleinen Spalt und dann durch den sich
schnell bewegenden Lichtbogen kommt, wird so von dem Lichtbogen
erhitzt.
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Eine Elektrode wird Stromaufelektrode genannt und hat
normalerweise ein geschlossenes Ende und ist normalerweise die
Elektrode, auf die ein hohes Potential angewandt wird. Die
andere Elektrode auf Erdpotential hat ein offenes Ende von dem
das erhitzte Gas abgeht und sie wird Stromabelektrode genannt.
Das erhitzte Gas kann für irgendeine Anzahl von
Erhitzungszwecken benutzt werden, einschließlich chemischen
Prozessen wie Erzreduktion.
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Weiterer Hintergrund aber sachbezogene Brenner kann in der
Beschreibung der U.S. Patentnummern 3705975 und 4214736
gefunden werden.
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Elektrodenlebensdauer, insbesonders auf der Stromaufseite der
Hochspannungselektrode, stellt bei den vorhergehenden und
ähnlichen Brennergestalten ein Problem dar, insbesonders, wenn
man mit einem oxidierenden Gas wie Luft arbeitet, wie das
Brennergas mit Kupferelektroden.
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Folglich hat eine begrenzte Lebensdauer der Elektroden für eine
gegebene Stromhöhe und Brennergröße die Benutzung von Brennern
in kommerziellen Anwendungen begrenzt.
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Es ist ein anderer wichtiger Faktor, daß der Ersatz von
abgenutzten Elektroden bei den meisten industriellen
Brenneranwendungen eine hohe versäumte Betriebszeit für den
Prozeß ergibt. Daher sind länger haltbare Elektroden sogar mit
ein wenig erhöhten Kosten für solche Elektroden wünschenswert.
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Während eines normalen Gleichstrombetriebs auf
Kupferelektroden, wobei die Stromaufelektrode die Anode ist,
kann die Lebensdauer der Stromaufelektrode kleiner als ungefähr
Stunden sein, und die Lebensdauer der Stromabelektrode
kleiner als 300 Stunden sein. Oxidteilchen, die von den
Stromaufelektroden kommen, neigen dazu, einen unstabilen
Brennerbetrieb zu verursachen. Kupferoxid ist bei hohen
Temperaturen stabil. Diese kleinen Teilchen treten in den Spalt
zwischen den Elektroden ein, was periodische Kurzschlüsse und
Schaden an dem Spaltgebiet verursacht. Umkehrung der Polarität
vermeidet dieses Problem nicht. Brennerbetrieb bei Wechselstrom
erleichtert das Spaltkurzschließen um einiges, aber die
Elektrodenlebensdauer der beiden Elektroden wird nur im
wesentlichen gleich gemacht, mit ungefähr 200 Stunden oder
weniger.
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Während Kupfer das allgemein benutzte Elektrodenmaterial
(typischerweise OFCH-Kupfer mit einer höheren Reinheit als 99%)
war, was die oben erwähnten Abnutzungsprobleme zeigte, sind
einige Brennerelektroden mit einer längeren Lebensdauer aus
Silber- und Kupferlegierungen in einem Bereich von 72% bis 90%
Silber hergestellt worden. Während die Benutzung von Elektroden
einer solchen Zusammensetzung mit Bezug auf Lebensdauer günstig
befunden wurde, wenn sie mit Luft oder Sauerstoff arbeiten,
hemmten die Kosten der Elektroden weit verbreitete Benutzung.
Die relativ hohen Kosten ergeben sich von den Kosten des
Silberelektrodenmaterials selbst, und auch von den benötigten
Herstellungsbetrieben.
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Einige Elektroden in kleinen Brennern, die von Westinghouse
hergestellt werden, bestanden ganz aus einer
Silberkupferlegierung mit der eutektischen Zusammensetzung von
72% Silber-28% Kupfer. Die Elektroden wurden durch Extrudieren
des Materials von einem Stab hergestellt. Die 72%-28%-
Silberkupferlegierung wurde empfohlen; bestimmte kommerzielle
Lichtbogenerhitzerelektroden wurden aus der 80%-20%-
Silberkupferlegierung hergestellt. Die Anode und die Kathode
hatten beide einen Kupferring auf einem Endehartgelötet, um
eine Gewindeverbindung zu gestatten. Es wird auch berichtet,
daß eine Stufenverbindung und ein Silberlötmittel benutzt
wurden, um an sich verschlechternden Elektroden eine neue Nase
anzubringen, um das beschädigte Gebiet von derselben 80%-20%-
Legierung zu ersetzen. Im Falle einiger hinterer Elektroden ist
auch berichtet worden, dar diese Verbindungstechnik unter
Benutzung einer Länge von Silberlegierungsrohr dort, wo die
Lichtbogenbefestigung erwartet wurde, und Kupferrohr an beiden
Enden, benutzt wurde. Das für diese Elektroden benutzte
Silberlegierungsrohr bestand aus Gußmaterial. Es wird erwähnt,
daß sie am Ende ihrer Lebensdauer von 5000-10000 Stunden (mit
einem Lichtbogenentzug um 550 Ampere) mit einem neuen Abschnitt
eines Silberlegierungsrohrs repariert werden können, das das
erodierte Teil ersetzt, was eine noch höhere Länge einer
nützlichen Lebensdauer ergibt.
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Das Vorhergehende ergibt beträchtliche Materialkosten und auch
Bedenken betreffs der Integrität von gelöteten Verbindungen,
die wasserdicht sein müssen. In einigen Brennern mit besonderem
Strominteresse ist der entzogene Strom in einem Bereich von
ungefähr 1000-2000 Ampere, was das Problem der
Elektrodenlebensdauer erhöht.
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Im allgemeinen ist Silberelektrodenmaterial typischerweise um
einen Faktor von ungefähr 30 teurer als Kupfer. Weiterhin
könnte die Herstellung von Silber in die Gestalt, die zur
Herstellung von Elektroden benötigt wird, dieses ungünstige
Verhältnis verdoppeln. Tatsächliche Testdaten, die Abnutzung
auf einer Anode messen, zeigen Elektrodenlebensdauern an, die
durch Faktoren von ungefähr 7 bis 10 mal in dem hohen
Abnutzungsgebiet der Elektrodenoberfläche verlängert sind, wenn
ein Silberlegierungsmaterial verglichen mit Kupfer benutzt
wird.
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BE-A-0896446 zeigt eine Plasmabrennerelektrode, die aus einem
äußeren rohrförmigen Mantel besteht, der aus Kupfer hergestellt
ist, mit einem inneren rohrförmigen Element, das aus Silber
hergestellt ist. Das Silberteil wird durch elektrolytische
Ablagerung oder durch Dampfablagerung, oder durch Sprühen
aufgetragen.
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Die vorliegende Erfindung besteht aus einem Verfahren zur
Herstellung einer Plasmabrennerelektrode, das die Schritte
umfasst, einen äußeren rohrförmigen Mantel aus einem ersten
leitenden Metall vorzusehen, ein inneres Auskleidungsrohr mit
dem äußeren Mantel mit einem erreichbaren Volumen zwischen
ihnen zu verbinden, das Volumen mit einem anderen Metall mit
einer Zusammensetzung zu beliefern, die von dem ersten
leitenden Metall verschieden ist, um einen Aufbau zu bilden,
den Aufbau zu behandeln, um ein Lichtbogenbildungsteil aus
einem zweiten leitenden Metall zu bilden, das eine längere
Haltbarkeit gegenüber Lichtbogenbildung als das erste leitende
Metall von dem Metall hat, mit dem das Volumen gefüllt wird.
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Eine Brennerelektrode umfasst bequemerweise einen rohrförmigen
äußeren Mantel aus einem ersten Material wie Kupfer. Auf der
inneren Oberfläche des äußeren Mantels, oder vorzugsweise auf
nur einem Teil der inneren Oberfläche, wird ein
Lichtbogenbildungsteil aus einem zweiten, haltbareren Metall
wie einer Silberkupferlegierung direkt hergestellt. Das zweite
Metall ist wenigstens in dem Gebiet vorgesehen, wo der
Lichtbogen sich normalerweise an der Elektrodenoberfläche unter
den Betriebszuständen, die angetroffen werden, befestigt. Bei
einem Verfahren wird ein Silberlegierungspulver auf dem Mantel
durch einen heilen isostatischen Pressprozeß verdichtet. Bei
einem anderen Verfahren kann die Silberlegierung in Gestalt
eines Pulvers oder in einer anderen Gestalt wie eines Drahts in
einen Hohlraum zwischen den Mantel und einer Auskleidung
gebracht werden, und dann in einem Ofen geschmolzen werden, um
eine Gußschicht der Legierung an der richtigen Stelle zu
bilden. Das Auftreten der Silberlegierung kann durch solche
Techniken in axialer Ausdehnung als auch in der Dicke minimal
gehalten werden. Eine Silberlegierungsdicke, die nicht höher
als ungefähr 6 mm auf dem äußeren Kupfermantel ist, reicht aus,
um eine Lebensdauerverlängerung von ungefähr 7 bis 10 mal
verglichen mit Kupfer bei wirtschaftlichen Kosten zu liefern.
Die Silberlegierungsdicke ist im allgemeinen nicht höher als
ungefähr die Hälfte der gesamten Elektrodendicke. Dieses
verlängert die Lebensdauer bei geringen Materialkosten. Eine
ganze Elektrode oder ganze Dicke der Silberlegierung sieht nur
eine geringe Lebensdauerverbesserung vor, aber mit beträchtlich
höheren Kosten. Während man aus solchen Elektroden, die in
einer einheitlichen integralen Struktur vorgesehen werden,
bedeutenden Vorteil ziehen kann, ist es auch ein geeigneter
Aufbau, um den Kupfermantel mit abnehmbaren Abschnitten
vorzusehen, dadurch, dar er Enden mit Gewinden hat, mit
Benutzung von O-Ringen, falls erwünscht, um die Ersetzung von
nur einem Abschnitt des Mantels zu gestatten, wenn der
Abschnitt mit dem Lichtbogenbildungsteil abgenutzt ist.
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Die Erfindung wird nun beispielsweise mit Bezug auf die
begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Figur 1 eine allgemeine Ansicht eines Plasmabrenners mit einer
Elektrode ist, die von dem Verfahren in Übereinstimmung mit der
vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
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Figur 2 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines
Plasmabrenners bei einer vorbereitenden Stufe ihrer Herstellung
ist;
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Figur 3 eine Querschnittsansicht der Ausführungsform von Figur
2 mit vervollständigter Herstellung ist;
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Figur 4 eine Querschnittsansicht einer Elektrode ist, die von
dem Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung
bei einer vorbereitenden Stufe ihrer Herstellung hergestellt
worden ist; und
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Figur 5 eine Querschnittansicht eines Elektrodenaufbaus ist,
der durch das Verfahren der Erfindung hergestellt worden ist.
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Wenn man auf die Figuren Bezug nimmt, dann zeigt Figur 1 einen
Plasmabrenner, der zwei rohrförmig gebildete Elektroden 10 und
12 enthält, die kolinear entlang einer Achse angeordnet sind.
Die Elektroden sind mit einer wasserkühlenden Ausrüstung 14 auf
ihrer äußeren Oberfläche vorgesehen (hier nicht genau gezeigt).
Eine Elektrode 10 hat ein geschlossenes Ende 16 und wird
Stromaufelektrode genannt; sie wird normalerweise mit einem
hohen positiven Potential betrieben, relativ zur
Stromabelektrode 12 mit offenem Ende, die normalerweise auf
Erdpotential liegt; wobei Strom von einem
Stromversorgungsmittel 18 geliefert wird. Zwischen
benachbarten Enden der Elektroden, wo ein Lichtbogen während
des Anlassens eingeleitet wird, wenn die Elektroden von der
Stromversorgung erregt werden, ist ein kleiner Spalt 20 von
typischwerweise ungefähr 1 mm vorhanden. Gas, das erhitzt
werden soll, das von einer Gasquelle (nicht gezeigt) geliefert
wird, wird durch diesen schmalen Spalt in den inneren
Durchmesser der Elektroden gezwungen, was verursacht, daß der
Lichtbogen in den Elektrodeninnenraum verlängert wird.
Feldspulen 22 und 24, die die entsprechenden Elektroden
umgeben, verursachen, dar der Lichtbogen sich in den
Elektrodenbohrungen mit hohen Geschwindigkeiten bewegt. Das
kalte Gas, das durch den kleinen Spalt und dann durch den sich
schnell bewegenden Lichtbogen kommt, wird so von dem Lichtbogen
erwärmt. Das Gas schreitet aus der Bohrung der Stromabelektrode
(rechts in der Figur) fort, wo es für irgendeinen Prozeß
benutzt werden kann. Weitere Information bezüglich des Aufbaus
und des Betriebs des grundlegenden Brenners ist wohlbekannt,
wie in der Beschreibung von U.S. Patent Nr. 3705975 gezeigt
wird.
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Vorteilhafterweise hat die Hochspannungselektrode 10 einen
äußeren Mantel 30 aus einem ersten leitenden Material wie
Kupfer, das sich entlang der axialen Länge der Elektrode
erstreckt, und ein inneres Lichtbogenbildungsteil 32 aus einem
zweiten leitenden Material wie Silber oder einer
Silbekupferlegierung, die in dem Gas, mit der Brenner
betrieben wird, haltbarer ist. Das Lichtbogenbildungsteil 32
kann auf ein Gebiet der Elektrode beschränkt sein, das den
Betriebszuständen des Brenners von dem Lichtbogen am meisten
betroffen wird. Weiterhin kann die Dicke des zweiten Materials
in dem Lichtbogenbildungsteil auf eine Dicke begrenzt sein, die
nicht höher als ungefähr die Hälfte der Elektrodendicke ist,
wie ungefähr 6 mm. Daher ist die Menge des zweiten Materials
verglichen mit dem billigeren ersten Material beträchtlich
geringer. Es kann wünschenswert sein, diese
Hochspannungselektrode mit einer hohen Gleichspannung relativ
zur zweiten Elektrode zu betreiben.
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Die Erfindung kann auch in Brennern ausgeübt werden, in denen
beide Elektroden den Aufbau haben, der das
Lichtbogenbildungsteil 32 mit begrenztem Oberflächengebiet
benutzt. Dieses wäre wünschenswert, wenn man zum Beispiel mit
einem Wechselstrom arbeitet.
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Der äußere Mantel 30 ist grundsätzlich aus Kupfer, wie er auch
im wesentlichen in Übereinstimmung mit bisherigem Brauch für
Plasmabrennerelektroden hergestellt wurde. Das innere
Lichtbogenbildungsteil 32 des zweiten haltbareren Metalls kann
irgendeine Zusammensetzung von einem weiten Bereich sein,
einschließlich Silber und Silberlegierungen, wenn man in Luft
arbeitet. Unter den geeigneten Zusammensetzungen befinden sich
Silberkupferlegierungen im Bereich von der eutektischen
Zusammensetzung von 72 Gewichts% Silber-28 Gewichts% Kupfer,
bis zu ungefähr 80% Silber-20% Kupfer. Die
Zusammensetzungsauswahl hängt teilweise von dem besonderen
ausgewählten Herstellungsverfahren ab, wie im folgenden genauer
erklärt wird. Irgendwelche solche Zusammensetzungen können
zusätzliche Bestandteile wie Wolfram enthalten, um noch längere
Nutzung in Luft zu liefern.
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Figur 2 zeigt eine Herstellungstechnik für die verbesserte
Elektrode. Der äußere Mantel 30 ist mit einem inneren
Auskleidungsrohr 40 angeordnet, das zum Beispiel aus Kupfer mit
einer Dicke von nur 2 mm ist. Das Auskleidungsrohr 40 ist an
seinen entsprechenden Enden mit dem äußeren Mantel durch
Schweißverbindungen 42 verbunden. Der äußere Mantel und das
Auskleidungsrohr sind so aufgebaut, um ein erreichbares Volumen
44 dazwischen zu liefern. In dem Beispiel von Figur 2 ist der
äußere Mantel von seiner maximalen Dicke in dem Gebiet
zurückgesetzt, wo das Lichtbogenbildungsteil hergestellt werden
soll, und das Auskleidungsrohr hat einen stärker
eingeschränkten inneren Durchmesser in dem Teil der Struktur.
Nach dem Aufbau des Auskleidungsrohrs wird das Volumen 44
zwischen dem äußeren Mantel und dem Auskleidungsrohr mit
Legierungsmetall für das Lichtbogenbildungsteil gefüllt. In
Figur 2 ist der Raum mit einem Legierungspulver 46 mit einer
wie vorher erwähnten ausgewählten Zusammensetzung gefüllt. Der
Aufbau wird dann behandelt, um ein Lichtbogenbildungsteil des
zweiten Metalls mit längerer Haltbarkeit gegenüber der
Lichtbogenbildung als das erste leitende Metall zu bilden, aus
dem der Mantel gebildet ist. Im Fall des Aufbaus von Figur 2
findet die Behandlung in Gestalt von heißem Pressen statt, wie
heißem isostatischen Pressen, um das pulverisierte Metall in
ein relativ dichtes, im wesentlichen hohlraumfreies Material zu
verdichten und zu verschmelzen. Vor dem Pressen wird ein
Füllund
Evakuierungsrohr 48 benutzt, um das pulverisierte Material
46 zum inneren Volumen zu liefern, um Luft aus dem Raum zu
entfernen, und um das Volumen 44 abzudichten.
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Nach der Durchführung des Pressbetriebs wird die Auskleidung 40
und das Innenoberflächenteil des Lichtbogenbildungsteils zu
einem gleichförmigen Durchmesser des äußeren Mantels 30 und des
Lichtbogenbildungsteils 32 maschiniert, was nun, wie in Figur 3
gezeigt, ein dichtes, verschmolzenes Metall ist.
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In einer anderen wie in Figur 4 gezeigten Form ist das
Auskleidungsrohr 40' aus einem gleichmäßigen Innendurchmeser
aufgebaut, und nur an einem Ende von einer Schweißverbindung 42
mit dem äußeren Mantel verbunden, was eine Offnung 50 an dem
gegenüberliegenden Ende für den Zugang zu dem Volumen 44'
zwischen dem Auskleidungsrohr und dem Mantel hinterläßt. Das
zweite Metall, wie eine Silberkupferlegierung, wird zu dem
Volumen 44' geliefert, entweder in Gestalt eines pulverisierten
Materials oder Drahtstücken oder dergleichen, und dann wird der
Aufbau erwärmt, was eine geschmolzene Legierung 52 ergibt, die
dann abgekühlt wird, um eine Gußschicht an der richtigen Stelle
auf der Schale zu bilden. Danach wird die Auskleidung entfernt
und die Oberfläche geglättet.
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Die Auskleidung 40 in Figur 2 ist so aufgebaut, um Verdichtung
zu gestatten, die zum Gußbetrieb von Figur 4 nicht nötig ist.
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Bei der Bildung eines gegossenen Lichtbogenbildungsteils 32
nach dem in Figur 4 gezeigten Verfahren können verschiedene
Legierungßzusammensetzungen benutzt werden, aber es wird
angenommen, dar es günstig ist, eine nicht eutektische
Zusammensetzung zu benutzen, obwohl die eutektische
Zusammensetzung geeignet ist. Der Grund dafür ist, dar eine
nicht eutektische Zusammensetzung wie 80% Ag-20% Cu, statt der
eutektischen Zusammensetzung, 72% AG-28% Cu, mit geringerer
Wahrscheinlichkeit Schrumpfhohlräume während der Verfestigung
von dem geschmolzenen Zustand zum festen Zustand bilden wird.
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Figur 5 zeigt eine andere Gestaltung, in der das Mantelteil
30a, auf das das haltbarere Lichtbogenbildungsteil gepresst
oder gegossen wird, mit einem oder mehreren anderen
Mantelteilen 30b des ersten Metalls Kupfer verbunden wird. Die
verschiedenen Mantelabschnitte 30a und 30b haben zu diesem
Zweck ineinander passende Gewindeelemente 60, um sie
miteinander zu verbinden, und O-Ring-Dichtungen an ihren
Verbindungen. In der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform ist
nur der mittlere Abschnitt 30a der äußeren Schale mit dem
verbesserten Lichtbogenbildungsteil 32 vorgesehen. Wenn die
Lichtbogenbildung auf diesem Teil eine Abnutzungsgrenze
erreicht, muß nur er selbst, statt die ganze Elektrode ersetzt
werden, was zusätzliche Einsparungen realisiert.
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Es ist daher klar, dar neue Prozesse zur Herstellung von
Plasmabrennerelektroden vorgesehen sind, die eine wesentliche
Erhöhung der Betriebslebensdauer verglichen mit konventionellen
Kupferelektroden ergeben, während die Materialkosten und
Herstellungskosten, die einem Lichtbogenteil zugeschrieben
werden, das haltbarer als Kupfer ist, minimal gehalten werden.