DE69737967T2

DE69737967T2 - Elektrode für plasmagenerator,diese enthaltender generator und verfahren zur erstarrung flüssiger metalle

Info

Publication number: DE69737967T2
Application number: DE69737967T
Authority: DE
Inventors: Pavel Dvoskin; Valery Zlochevsky; Ran Rosen
Original assignee: Netanya Plasmatec Ltd
Current assignee: Netanya Plasmatec Ltd
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1997-01-16
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2017-01-17
Also published as: EP0878115A1; JP2001526589A; BR9707205A; UA54412C2; EP0878115B1; CZ298370B6; TR199801457T2; CA2242862C; ATE369029T1; HU226678B1; ES2292180T3; DE69737967D1; HUP9903291A2; CZ207798A3; NO983318D0; CA2242862A1; AU708603B2; IL124879A; RU2175170C2; PL328070A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Plasmabogengeneratoren sowohl des beweglichen als auch des nicht beweglichen Typs und insbesondere eine Plasmavorrichtung der Art, welche ein Plasma erzeugt, welches in einem geschlossenen Pfad zirkuliert. Die Erfindung betrifft ferner eine Elektrode zur Benutzung in Plasmageneratoren der spezifizierten Art.
Plasmabogengeneratoren werden für die Wärmebehandlung von verschiedenen Objekten in vielen technologischen Prozessen benutzt, z.B. in metallurgischen Prozessen für sogenanntes Wiederschmelzen mit Plasma, Plasmagießen, Plasmasäubern, etc. In einem ihrer Aspekte betrifft die Erfindung einen Prozess zum Heizen eines flüssigen Metalls mit einem zirkulierenden Plasmabogen, welches sich innerhalb einer Schmelze abkühlt und kristallisiert mit dem Ziel, typische Gießdefekte zu beseitigen, wie etwa die Bildung von Gaseinschlüssen oder Porosität, Segregation, Bildung von Kontraktionskavitäten, Inhomogenität einer chemischen Zusammensetzung und einer Kristallstruktur über den Barren, etc.
Hintergrund der Erfindung
Plasmageneratoren umfassend Plasmabogen-Lötlampen sind in der Technik bekannt und allgemeine Beschreibungen ihres Aufbaus und ihre Benutzung für verschiedene metallurgische Anwendungen können in vielen technischen Monografien und Handbüchern gefunden werden, z.B. dem Kapitel "Plasma Melting and Casting" in Metals Handbook, Neunte Auflage, Band 14, Metal Park, Ohio, und dem Monograph "Plasma Metallurgy, The Principles" von V. Dembovsky, Elsevier, 1985, Seiten 314 bis 315.
Grundsätzlich können Plasmageneratoren in zwei Gruppen aufgeteilt werden: Diese, in welchen sowohl Kathode als auch Anode Teil der Vorrichtung bilden, welche als Plasmageneratoren mit nicht beweglichen Bögen oder nicht bewegliche Plasmabogengeneratoren bekannt sind; und diese, welche nur eine Elektrode umfassen, während die Gegenelektrode ein elektrisch leitendes Substrat ist, welche als Plasmageneratoren mit beweglichen Bögen oder bewegliche Plasmabogengeneratoren bekannt sind.
GB 1268843 beschreibt einen nicht beweglichen Plasmabogengenerator, welcher eine wassergekühlte Kathode und zwei ringförmige Anoden umfasst, eine zur Zündung und die andere für regulären Betrieb, welche mit einer Energieversorgung verbunden sind. Die Kathodenspitze ist durch Injektion eines inerten Gases, wie etwa Argon, Helium oder Stickstoff, geschützt.
US-A-4,958,057 beschreibt einen typischen beweglichen Plasmabogengenerator zur Benutzung, um Metall in einem kontinuierlichen Gießprozess zu heizen. Er umfasst ein zylindrisches Element, welches eine Kathode hält, mit Wasserkühlungs-Anordnungen, eine Zündanode und eine ringförmige Kathode, welche einen inneren Kanal zum Zünden eines inerten Schutzgases hat. Eine elektrische Entladung wird zwischen der Kathode und dem zu behandelnden Substrat bewirkt, welches als die Anode gesetzt ist.
Es ist ein intrinsischer Nachteil der herkömmlichen Plasmageneratoren sowohl des nicht beweglichen und als auch des beweglichen Typs, dass für ein angemessenes Funktionieren die Injektion eines Schutzgases oder eine Wasserkühlung erforderlich sind. Wo eine Gaskühlung eingesetzt wird, werden sogenannte Plasma-Lötlampen benutzt, welche eine Plasmazuführungsdüse umfassen. Injektion eines Druck-beaufschlagten inerten Gases in die Lötlampe wird begleitet von der Bildung eines länglichen Plasmajets, welcher mit hoher Geschwindigkeit von der Plasmazuführungsdüse ausgestoßen wird, was im Falle einer Behandlung eines erstarrenden gegossenen Metalls zu dem Ausüben eines örtlichen Druckes auf die Oberfläche des noch erstarrenden Metalls führt, was zu der Bildung von großen Kavitäten während des Abkühlens führt.
Das Vorhandensein einer Wasserkühlung ist gefährlich, weil leckendes Wasser, welches das heiße flüssige Metall erreicht, zu einer Explosion führen kann.
Es gibt auch bekannte Plasmageneratoren, in welchen ein Plasmabogen kontrolliert mit Bezug auf ein behandeltes Substrat in einer offenen, z.B. geraden, oder geschlossenen, z.B. kreisförmigen Weise entlang einer entsprechend geformten Elektrode verschoben wird. Solch ein Verschieben des Bogens vermeidet eine Überhitzung, stellt eine gleichförmigere Behandlung des Substrats bereit und vermindert Erosion der Elektroden, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung verlängert wird. Somit offenbart US 5,132,511 eine nicht bewegliche Plasma-Lötlampe, welche zwei koaxiale, röhrenförmige Elektroden hat, welche axial voneinander beabstandet sind und welche mit einer elektromagnetischen Spule versehen sind, um den Bogen zu rotieren. Diese Spule ist in einer abgedichteten zylindrischen Kammer angebracht, welche zwischen den zwei Elektroden angeordnet ist.
US 5,393,954 beschreibt eine nicht bewegliche Plasma-Lötlampe, welche zwei koaxiale röhrenförmige Elektroden umfasst, wobei mindestens eine von ihnen durch ein magnetisches Feld umgeben ist, welches einem elektronischen Steuermittel zugeordnet ist, wodurch die Plasmabogenbasis in einer kontrollierten Weise verschoben wird. Wenn ein Plasma-erzeugendes Gas in eine Kammer injiziert wird, welche die Elektroden trennt, wird ein Bogen gezündet.
Es ist bekannt, dass der Bogen in einem Plasmagenerator durch die Wirkung einer ponderomotiven Kraft, bekannt als die Lorentz-Kraft, verschoben werden kann. Eine Lorentz-Kraft entsteht, wenn sich eine elektrische Ladung in einem magnetischen Feld bewegt und ist proportional zu der magnetischen Induktion des Feldes, der elektrischen Ladung, ihrer Geschwindigkeit und hängt auch von dem Winkel zwischen den Vektoren der magnetischen Induktion und der Geschwindigkeit der sich bewegenden Ladung ab. Es ist bekannt, dass eine Lorentz-Kraft in einem Plasmagenerator als ein Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen dem Bogen (welcher eine intensive elektrische Entladung ist), seinem magnetischen Feld und dem magnetischen Feld, welches in dem Generator durch den elektrischen Strom erzeugt ist, welcher durch die Elektroden fließt, erzeugt wird. Wenn die Elektroden eine sogenannte Zweileiter-Struktur (two-rail structure) bilden, nimmt die Lorentz-Kraft zu (accelerates) und verschiebt den elektrischen Bogen.
Der Ausdruck "Zweileiter-Struktur", welcher hierin mit Bezug auf die Elektroden in Plasmageneratoren benutzt wird, sollte verstanden werden, zu meinen, zwei parallele Stromleitende Objekte (sogenannte Gleise), welche voneinander beabstandet sind und wobei jedes der Objekte mit Polen einer elektrischen Energieversorgung verbunden ist. Wenn ein elektrischer Bogen zwischen den Elektroden eingeleitet wird, bewegt er sich entlang der Gleise weg von dem Ort seines elektrischen Kontakts mit der Energieversorgung.
In Übereinstimmung mit einer Terminologie aus dem Stand der Technik werden Bogengeneratoren, in welchen die Bogenentladung durch eine ponderomotorische Kraft innerhalb eines Raums zwischen zwei parallelen Elektroden beschleunigt wird, manchmal als elektromagnetische Gleisbeschleuniger (electromagnetic rail accelerators) oder Plasmabeschleuniger mit Gleisgeometrie (plasma accelerators with rail geometry) bezeichnet.
Das Phänomen, durch welches die Lorentz-Kraft den Plasmabogen in einem Plasmabogengenerator mit einer Zweileiter-Struktur beschleunigt und verschiebt, ist als das Prinzip von elektromagnetischer Beschleunigung (electromagnetic acceleration) bekannt. Es wird in der Literatur mit Bezug auf Plasmabeschleuniger oder magnetische hydrodynamische Generatoren erwähnt, zum Beispiel in "Impulse Plasma Accelerators", von Alexandrov et al., Charkov, 1983, Seiten 192, 194 und in "Electroslag Welding and Melting", von J. Kompan und E. Sherbinin, Machinostroenie, 1989, Seiten 191, 192. Eine spezifische Anwendung der Lorentz-Kraft wird in "Scaling Laws for Plasma Armatures in Railguns" by Lindsey D. Tornhill und anderen, Transactions of Plasma Science, Band 21, Nr. 3, Juni 1993, 289-290, beschrieben.
Ein Beispiel eines nicht beweglichen Plasmabogengenerators mit magnetischer Gleisbeschleunigung ist in SU 890567 beschrieben. In diesem Generator sind die Elektroden in Form von zwei koaxialen elliptischen Rohren und der Raum zwischen den Elektroden hält ein dielektrisches Material. Eine Wand jedes der Rohre ist derart axial geschlitzt, dass der Schlitz in einem Rohr einem nicht geschlitzten Wandteil des anderen Rohrs gegenübersteht. Angrenzend an jeden Schlitz ist ein elektrischer Kontakt und auf diese Weise wird eine Zweileiter-Struktur erreicht. Für eine ununterbrochene Zirkulation des Plasmabogens muss er in der Lage sein, die Schlitze zu überqueren und zu diesem Zweck muss die Breite jedes Schlitzes kleiner sein als die Dicke des Bogens. Wenn er jedoch irgendeinen der Schlitze überquert, gelangt der Bogen genau an die Zone des angrenzenden elektrischen Kontakts, wo eine Richtung seiner weiteren Bewegung undefiniert ist und dementsprechend ist die Geschwindigkeit, mit welcher sich der Bogen nahe den Schlitzen bewegt, vermindert und die Entladung wird gelegentlich sogar unterbrochen, was ein offensichtlicher Nachteil ist.
SU 847533 beschreibt einen beweglichen Plasmabogengenerator zum Behandeln eines elektrisch leitenden Substrats. Er umfasst eine Hauptelektrode, welche einen Teil des Generators bildet und das elektrisch leitfähige Substrat ist als eine Gegenelektrode gesetzt. Die Hauptelektrode ist in einer Form eines spiralisch gewundenen holen länglichen Körpers, welcher eine Windung hat, dessen sich teilweise überlappende Enden relativ zueinander im Winkel versetzt sind, um einen Spalt zwischen ihnen zu bilden. Die Kante eines einzigen Endes des Spiralkörpers ist in der Nähe des Substrats angeordnet (proximale Kante) und ist mit einem Pol einer elektrischen Energieversorgung durch ein Verbindungsmittel verbunden, welches nahe dem Spalt angeordnet ist. Die Spiralkonfiguration der Elektrode befolgt die folgende Gleichung: Y = K(X)3/2,wobei Y die Spiralneigung, K ein Proportionalitätskoeffizient und X der lineare Abstand entlang des Spiralumfangs zwischen dem Verbindungsmittel und dem Spiralende ist. Befolgung dieser Gleichung stellt angeblich eine Beschleunigung des Bogens entlang der Spiralelektrode sicher.
Jedoch ist eine Benutzung einer Elektrode, deren Konfiguration die Bedingungen der obigen Beziehung erfüllt, mit einer Zahl von Nachteilen verbunden:

(a) eine Herstellung der Spiralelektrode aus Graphit oder Wolfram oder aus einem anderen Material, welches gewöhnlich zum Fertigen von Elektroden für Plasmabogengeneratoren benutzt wird, ist schwierig und teuer;
(b) aufgrund des exponentiellen Anstiegs von Y als eine Funktion von X fluktuiert der Plasmastrom und ein Plasmabogengenerator gemäß SU 847533 ist folglich in Praxis nur im Stande, zuverlässig zu arbeiten ohne Hilfsmittel bis zu einem Spiraldurchmesser von nicht mehr als 6 cm, während bei größeren Durchmessern Unterbrechungen des Plasmabogens auftreten könnten. Um solchen Unterbrechungen vorzubeugen, muss die Plasmabogenentladung bei jedem Zyklus mittels eines Hochspannungsoszillators wieder gezündet werden;
(c) weil das Plasma ungleichmäßig entlang der spiralförmigen proximalen Elektrodenkante beschleunigt wird, wird die Elektrode in einer nicht gleichmäßigen Weise erwärmt, was ein wirkungsvolles und zuverlässiges Kühlungssystem erfordert mit einer geeigneten Instrumentation für wirkungsvolle Wassertemperatur- und Wasserdrucksteuerung. All dies macht den Plasmagenerator teuer und macht Anwendungen unmöglich für Aufgaben, wo eine Benutzung von Kühlwasser unerwünscht ist, aufgrund der gefährlichen Konsequenzen irgend eines Leckens.

Ziele der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine einfache und kostengünstige Elektrode für einen Plasmabogengenerator bereitzustellen, welche dazu ausgebildet ist, einen kontinuierlich zirkulierenden, selbst stabilisierten Plasmabogen zu erzeugen ohne Bedarf für irgendeine Wasserkühlung oder Injektion eines Schutzgases, und welche mindestens bis zu einer Ausgabeleistung von etwa 50 kW für beträchtliche Zeitspannen arbeitet.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, einen Plasmabogengenerator bereitzustellen, welcher die neue Elektrode umfasst.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen beweglichen Typ eines Plasmabogengenerators bereitzustellen von der Art, welcher geeignet zur Wärmebehandlung von erstarrendem flüssigen Metall in Schmelzformen geeignet spezifiziert ist.
Es ist noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Prozess zur Wärmebehandlung eines erstarrenden flüssigen Metalls in Schmelzformen mit einem zirkulierenden Plasmabogen bereitzustellen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
In der folgenden Beschreibung und Ansprüchen werden die Ausdrücke "longitudinal" in Bezug auf eine Plasmabogen-erzeugende Elektrode mit einem röhrenförmigen Körper mit zwei Abschlusskanten benutzt, um irgendeinen Pfad oder eine Richtung entlang der Wand des röhrenförmigen Körpers zu beschreiben, welche von einer Kante zu der anderen führt; und die Ausdrücke "seitlich" bezeichnen eine Richtung, welche eine longitudinale Linie schneidet.
Durch einen ihrer Aspekte stellt die Erfindung eine Elektrode für einen Plasmabogengenerator bereit, welche in Verbindung mit einer Gegenelektrode eine Zweileiter-Struktur bereitstellt, welche in der Lage ist, eine Plasmabogenentladung zu erzeugen, welche entlang eines geschlossenen Pfades in einer ersten Richtung verschiebbar ist, welche Elektrode ein elektrisches Verbindungsmittel für eine Verbindung mit einer Gleichstromquelle einer elektrischen Energieversorgung hat und einen im wesentlichen röhrenförmigen Körper mit einer ersten Kante, welche einen Teil eines ersten Kantenbereichs bildet, und einer zweiten, Arbeitskante, welche einen Teil eines zweiten Kantenbereichs bildet und für die elektrische Bogenentladung dient, in welcher Elektrode:

(i) das elektrische Verbindungsmittel mindestens eine Verbindungsstelle auf der Elektrode umfasst;
(ii) der röhrenförmige Körper mindestens einen sich longitudinal erstreckenden Spalt hat mit einer Spaltausdehnung des ersten Kantenbereichs, einer Hauptspaltausdehnung und einer Spaltausdehnung des zweiten Kantenbereichs, wobei jeder der Spalten seitlich zwei Wandabschnitte trennt, wobei jeder einen ersten und einen zweiten Kantenteil hat, wobei einer der Wandabschnitte eine Verbindungsstelle trägt, welche dem Spalt zugeordnet ist;
(iii) der zweite Kantenteil eines der Wandabschnitte eine Plasmabogenübertragungszone hat und der zweite Kantenteil des anderen Wandabschnitts, welcher die Verbindungsstelle trägt, eine Plasmabogenempfangszone hat, wobei die Plasmabogenübertragungszone und die Plasmabogenempfangszone durch die Spaltausdehnung des zweiten Kantenbereichs des sich longitudinal erstreckenden Spalts getrennt sind und daran angrenzen, wobei sie somit die zwei Seiten der Spaltausdehnung bilden;
(iv) die dem Spalt zugeordnete Verbindungsstelle so angeordnet ist, dass ihre Projektion auf einen zweiten Kantenteil seitlich von der Plasmabogenempfangszone in einer zweiten Richtung, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, entfernt ist,

Der im Wesentlichen röhrenförmige Körper der Plasmagenerator-Elektrode gemäß der Erfindung kann zylindrisch, prismatisch, vielflächig mit einem sternförmigen Profil und dergleichen sein.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung hat der röhrenförmige Körper einen einzigen Spalt und die zwei Wandabschnitte vereinigen sich in einen einzigen Körper, welcher sich von einer Seite des Spalts zu der anderen Seite erstreckt. Somit hat in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform die Elektrode einen einzigen geschlitzten röhrenförmigen Körper.
In Übereinstimmung mit einer anderen Ausführungsform der Erfindung hat der röhrenförmige Körper mehrere Spalte und mehrere Wandabschnitte, wobei jeder Wandabschnitt sich zwischen zwei Spalten erstreckt.
Der Teil eines Plasmabogens, welcher in Kontakt mit dem zweiten Kantenbereich der Generator-Elektrode ist, wird in der Technik als "Basis" bezeichnet. Im Betrieb einer Plasmabogengenerator-Elektrode bewegt sich gemäß der Erfindung die Plasmabogenbasis in einem geschlossenen Pfad entlang des zweiten Kantenbereichs.
In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Plasmabogengenerator-Elektrode gemäß der Erfindung ist jede Spaltausdehnung des zweiten Kantenbereichs so dimensioniert, um im Wesentlichen nicht breiter zu sein als der kleinste Durchmesser der tatsächlichen Plasmabogensäule; und der Abstand zwischen der Projektion der dem Spalt zugeordneten Verbindungsstelle auf einen zweiten Kantenteil und der elektrischen Bogenempfangszone ist im Wesentlichen nicht kleiner als der größte Durchmesser der Basis der tatsächlichen Plasmabogensäule.
Es ist bemerkt, dass der Durchmesser der Bogensäule und der Durchmesser der Bogenbasis sichtbar bestimmbare Werte sind, welche experimentell gemessen werden können. Werte des kleinsten und größten Bogensäulendurchmessers können außerdem von Werten des größten und kleinsten Bogenstroms mit Hilfe von Gleichungen berechnet werden, welche ausgebildeten Leuten in der Technik bekannt sind. Zum Beispiel wird in einer Gasumgebung bei Atmosphärendruck und bei einem Bogenstrom von ungefähr 300 A der Bogensäulendurchmesser auf einer festen Elektrode ungefähr 5 cm erreichen, und der Durchmesser der Bogenbasis ist gewöhnlich in dem Bereich von 3 bis 5 mm.
Die Bedeutung der obigen Bereitstellungen ist, dass die schmalste mögliche Bogensäule, welche in dem Gerät eingeleitet wird, in der Lage sein sollte, einen Spalt zu überqueren, und die breiteste Basis des Bogens sollte nicht eine Zone überlappen, welche unterhalb einer Verbindungsstelle liegt, während sie eine Spaltausdehnung des zweiten Kantenbereichs überquert, sondern sollte sich lieber durch die elektrische Bogenempfangszone bewegen, welche seitlich von der Verbindungsstelle in der spezifizierten Weise entfernt ist, wodurch eine ununterbrochene Bewegung des elektrischen Bogens sichergestellt ist.
Vorzugsweise sind die Verbindungsstellen in der Nähe des ersten Kantenbereichs angeordnet.
Wenn gewünscht, kann der zweite Kantenbereich der Elektrode abgefast sein, wodurch die Oberfläche der elektrischen Entladung erhöht ist und von der Normalen der Achse des röhrenförmigen Körpers abweicht, wodurch ermöglicht ist, eine Orientierung des Bogens zu steuern.
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Plasmabogengenerator-Elektrode gemäß der Erfindung ist die Hauptausdehnung des mindestens einen sich longitudinal erstrecken Spalts so geformt, dass die Projektion der dem Spalt zugeordneten Verbindungsstelle auf einen zweiten Kantenteil in dem Wandabschnitt angeordnet ist, welcher die elektrische Bogenübertragungszone hält.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Abschnitte des röhrenförmigen Körpers so ausgestaltet, dass die Projektion jeder dem Spalt zugeordneten Verbindungsstelle auf einen zweiten Kantenteil versetzt von dem geschlossenen Pfad angeordnet ist, entweder innerhalb oder außerhalb des Umfangs des geschlossenen Pfades.
Wenn gewünscht können die Wandabschnitte der Plasmabogengenerator-Elektrode gemäß der Erfindung so ausgestaltet sein, dass mindestens die Ausdehnung des zweiten Kantenbereichs jedes Spalts durch einen Überlapp zwischen angrenzenden Wandabschnittsteilen gebildet ist, welche Plasmabogenübertragungs- und Plasmabogenempfangszone umfassen. In solch einer Konfiguration ist die Querschnittsfläche der Elektrode über einen zylindrischen röhrenförmigen Körper hinaus erhöht, dessen Umfang durch die Verbindungsstellen auf der ersten Kante definiert ist. Zum Beispiel kann der röhrenförmige Körper der Elektrode eine sternähnliche, vielflächige Form haben und von einer Mehrzahl von modularen Körpersegmenten zusammengesetzt sein, welche teilweise nahe ihren Kanten überlappen.
Eingeschaltet ist eine Plasmagenerator-Elektrode gemäß der Erfindung, zum Beispiel aus Graphit oder einem feuerfesten Metall, in der Lage, eine Plasmabogenentladung von bis zu 50 kW Leistung zu erzeugen ohne Bedarf für Wasserkühlung. Für Elektroden gemäß der Erfindung mit einer Querschnittsdimension von bis zu 7 cm kann jedoch ein Betrieb mit Unterbrechungen erforderlich sein.
Gemäß eines zweiten Aspektes der Erfindung ist eine Plasmabogengenerator-Vorrichtung bereitgestellt, welche eine Elektrode der spezifizierten Art umfasst. Die Plasmabogengenerator-Vorrichtung kann entweder vom nicht beweglichen oder vom beweglichen Typ sein. Eine nicht bewegliche Plasmabogengenerator-Vorrichtung gemäß der Erfindung kann für die Plasmabehandlung von nicht leitfähigem Substrat benutzt werden, wie etwa für Rohmaterialien für die Bauindustrie, für Abfall oder irgendein anderes dielektrisches Material. Durch eine Ausführungsform stellt die Erfindung eine bewegliche Plasmabogengenerator-Vorrichtung bereit, welche eine Plasmabogengenerator-Elektrode umfasst für eine Kooperation mit einem elektrisch leitfähigen Substrat, welches als eine Gegenelektrode dient, welche Plasmabogengenerator-Elektrode und Gegenelektrode zusammen eine Zweileiter-Struktur bilden, welche in der Lage ist, eine Plasmabogenentladung zu erzeugen, welche entlang eines geschlossenen Pfades in einer ersten Richtung verschiebbar ist, welche Plasmabogengenerator-Elektrode ein elektrisches Verbindungsmittel zur Verbindung mit einer elektrischen Gleichstromenergieversorgungsquelle hat und einen im wesentlichen röhrenförmigen Körper mit einer ersten Kante umfasst, welche Teil eines ersten Kantenbereichs bildet, und eine zweite, Arbeitskante, welche Teil eines zweiten Kantenbereichs bildet und für die elektrische Bogenentladung dient, in welcher Elektrode:

In der folgenden Beschreibung wird eine Plasmabogengenerator-Elektrode gemäß der Erfindung, welche einen Teil einer Plasmabogengenerator-Vorrichtung bildet, gelegentlich als "Hauptelektrode" bezeichnet werden.
In einer Ausführungsform umfasst die bewegliche Plasmabogengenerator-Vorrichtung gemäß der Erfindung ein zylindrisches Gehäuse, welches die Hauptelektrode umgibt und davon beabstandet ist, um so mit ihr eine ringförmige Kammer zu bilden. Wenn gewünscht kann ein Deckel bereitgestellt sein zum Abschließen des Gehäuses von dem Ende, welches nächst der ersten Kante der Elektrode ist. Wenn weiter gewünscht, kann ein Zündmittel zum Zünden einer Plasmabogenentladung innerhalb des ringförmigen Raums zwischen dem Gehäuse und der Hauptelektrode in der Nähe der ersten Kante angebracht sein, wodurch bei Zündung ein Hilfsbogen erzeugt ist, welcher den Hauptbogen einleitet.
Typischerweise umfasst das Zündmittel eine erste Stamm-ähnliche Elektrode, welche innerhalb einer zweiten, koaxialen röhrenförmigen Elektrode in einer beabstandeten Beziehung gehalten ist, welche erste und zweite Elektroden mit zwei Polen der elektrischen Gleichstromenergieversorgung verbindbar sind, eine dritte, stabförmige Elektrode, welche im Wesentlichen normal zu der zweiten röhrenförmigen Elektrode bei ihrem Endteil befestigt ist, welche dritte Elektrode elektrisch mit einem Hochspannungsoszillator verbindbar ist. Vorzugsweise ist der Endteil der Röhre mit einem inneren Vorsprung gebildet, um so einen schmalen Spalt zwischen der Stamm-förmigen und den röhrenförmigen Elektroden in dem Bereich zu definieren, wo die hohe Oszillationsspannung über die dritte stabförmige Elektrode angelegt wird.
Durch eine besondere Ausgestaltung ist das Zündmittel mit dem Deckel des Gehäuses gesichert und erstreckt sich axial zu dem Bereich der zweiten Kante der Hauptelektrode.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der beweglichen Plasmabogengenerator-Vorrichtung gemäß der Erfindung ist ein Mittel zum axialen Verschieben der Hauptelektrode bereitgestellt, wodurch der Abstand der zweiten Kante von dem Substrat eingestellt und im Verlauf eines Betriebs optimiert werden kann.
Eine typische Anwendung einer beweglichen Plasmabogengenerator-Vorrichtung gemäß der Erfindung ist die Wärmebehandlung eines flüssigen Metalls während einer Erstarrung in einer geeigneten Schmelzform, wie etwa einer Barrenschmelzform.
Gemäß noch eines weiteren Aspekts stellt die Erfindung ein Verfahren einer Wärmebehandlung eines erstarrenden flüssigen Metalls innerhalb einer Schmelzform bereit, welches umfasst Bereitstellen einer beweglichen Plasmabogengeneratorvorrichtung, welche eine Hauptelektrode hat für Kooperation mit einem elektrisch leitenden Substrat, welches als eine Gegenelektrode dient, wobei die Hauptelektrode in Verbindung mit dem elektrisch leitenden Substrat eine Zweileiter-Struktur bereitstellt, welche in der Lage ist, eine Plasmabogenentladung zu erzeugen, welche entlang eines geschlossenen Pfades in einer ersten Richtung verschiebbar ist, wobei die Hauptelektrode ein elektrisches Verbindungsmittel hat zum Verbinden mit einer elektrischen Gleichstromenergieversorgungsquelle und einen im wesentlichen röhrenförmigen Körper umfasst mit einer ersten Kante, welche Teil eines ersten Kantenbereichs bildet, und einer zweiten, Arbeitskante, welche Teil eines zweiten Kantenbereichs bildet und der elektrischen Bogenentladung dient, in welcher Elektrode:

(i) das elektrische Verbindungsmittel mindestens eine Verbindungsstelle auf der Elektrode umfasst;
(ii) der röhrenförmige Körper mindestens einen sich longitudinal erstreckenden Spalt mit einer Spaltausdehnung des ersten Kantenbereichs, eine Hauptspaltausdehnung und eine Spaltausdehnung des zweiten Kantenbereichs hat, wobei jeder der Spalte seitlich zwei Wandabschnitte trennt, wobei jeder erste und zweite Kantenteile hat, wobei einer der Wandabschnitte eine Verbindungsstelle trägt, welche dem Spalt zugeordnet ist;
(iii) der zweite Kantenteil eines der Wandabschnitte eine Plasmabogenübertragungszone hat und der zweite Kantenteil des anderen Wandabschnitts, welcher die Verbindungsstelle trägt, eine Plasmabogenempfangszone hat, wobei die Plasmabogenübertragungszone und die Plasmabogenempfangszone durch die Spaltausdehnung des zweiten Kantenbereichs des sich longitudinal erstreckenden Spalts getrennt sind und daran angrenzen, wobei sie somit die zwei Seiten der Spaltausdehnung bilden;
(iv) die dem Spalt zugeordnete Verbindungsstelle so angeordnet ist, dass ihre Projektion auf den zweiten Kantenteil seitlich von der Plasmabogenempfangszone in einer zweiten Richtung, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, entfernt ist,

Die Steuerung des Abkühlungs- und Erstarrungsbereichs eines flüssigen Metalls durch Wärmebehandlung mit einem Plasmabogen in Übereinstimmung mit der Erfindung verbessert die Qualität des erstarrten Metalls. In Übereinstimmung mit der Erfindung wurde gefunden, dass solch eine Verbesserung aufgrund der Verschiebung des Plasmabogens entlang eines geschlossenen Pfades durch Wirkung einer Lorentz-Kraft erfolgt, welche innerhalb des neuen Plasmagenerator erzeugt wird. Es ist weiterhin in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gefunden worden, dass aufgrund einer solchen Behandlung Gießfehler aus dem Stand der Technik, wie etwa Lufteinschlüsse und Porosität, Segregation, Bildung von Kontraktionshohlräumen und Ungleichmäßigkeit von chemischer Zusammensetzung und Kristallstruktur über den Barren vermieden werden. Es ist auch gefunden worden, dass in Übereinstimmung mit der Erfindung die Menge an Abfallmetall vermindert ist. Noch weiter ist gefunden worden, dass als eine Konsequenz der Wärmebehandlung gemäß der Erfindung, die Kristallstruktur des erstarrten Metalls verbessert ist, möglicherweise als Konsequenz der elektromagnetischen Felder, welche zur Erzeugung der Lorentz-Kraft führen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum besseren Verständnis werden nun einige spezifische Ausführungsformen der Erfindung nur zum Zweck eines Beispiels mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben werden, in welchen:
1 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer Ausführungsform einer Plasmabogengenerator-Elektrode gemäß der Erfindung ist;
2A eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer Elektrode gemäß der Erfindung ist, welche auch schematisch eine Gegenelektrode zeigt;
2B eine Draufsicht der in 2A gezeigten Ausführungsform ist;
3 eine schematische dreidimensionale Ansicht noch einer anderen Ausführungsform einer Plasmabogengenerator-Elektrode gemäß der Erfindung, zusammen mit einer Gegenelektrode, ist;
4 eine schematische dreidimensionale Ansicht noch einer weiteren Ausführungsform einer Plasmabogengenerator-Elektrode gemäß der Erfindung ist;
5 eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform einer nicht beweglichen Plasmabogengenerator-Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;
6 eine schematische Querschnittansicht einer Ausführungsform einer beweglichen Plasmabogengenerator-Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;
7A eine schematische Axialquerschnittansicht einer weiteren Ausführungsform der beweglichen Plasmabogengenerator-Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;
7B eine Untenansicht der in 7A gezeigten Ausführungsform ist;
8 eine vergrößerte Querschnittansicht eines Zündmittels in einer Plasmabogengenerator-Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;
9 eine allgemeine Ansicht eines Aufbaus für die Implementation für gesteuerte Abkühlung und Erstarrung eines flüssigen Metalls in einer Schmelzform mittels einer Plasmabogengenerator-Vorrichtung gemäß der Erfindung ist; und
10 erstarrte Barren mit und ohne Behandlung durch den zirkulierenden Plasmabogen gemäß der Erfindung zeigt.
Detaillierte Beschreibung von spezifischen Ausführungsformen
1 illustriert eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Plasmabogen-erzeugenden Elektrode gemäß der Erfindung. Wie gezeigt, umfasst Elektrode 2 einen röhrenförmigen zylindrischen Körper, welcher eine longitudinale Achse, eine erste Kante 3 und eine zweite, Arbeitskante 4 hat, welche für die elektrische Bogenentladung dient und ein Element einer Zweileiter-Struktur bildet, welche im Betrieb einen geschlossenen Pfad zur Bewegung des elektrischen Bogens in Konsequenz einer in dem Gerät erzeugten Lorentz-Kraft definiert. Seitenwand 5 des zylindrischen Elektrodenkörpers ist durch einen einzigen durchgehenden Spalt 6 aufgeschnitten, welcher sich im allgemeinen in der axialen Richtung erstreckt und eine Spaltausdehnung 7 des ersten Kantenbereichs, eine Hauptspaltausdehnung 8 und eine Spaltausdehnung 9 des zweiten Kantenbereichs hat. Wie gezeigt umfasst die Hauptspaltausdehnung 8 zwei Teile, wobei zwischen ihnen ein stumpfer Winkel gebildet ist. Spalt 6 trennt zwei Abschnitte 10 und 11 der Wand 5. Elektrode 2 hat auf der ersten Kante 3 eine dem Spalt zugeordnete Verbindungsstelle 12, welche mit einem Verbindungsstück 13 ausgerüstet ist, welches zur Verbindung mit einem Pol einer Gleichstromenergiequelle (nicht gezeigt) dient. Es wird jedoch bemerkt, dass die Verbindungsstelle nicht notwendigerweise auf der ersten Kante angeordnet sein muss und bei irgendeinem Niveau des röhrenförmigen Körpers positioniert sein kann, aber vorzugsweise in einem angemessenen Abstand von der Arbeitskante 4, um so nicht durch den Plasmabogen und Substratdämpfe beeinflusst zu werden. Der gestrichelte Pfeil 14 in 1 zeigt die Richtung einer Bewegung des erzeugten elektrischen Bogens im Betrieb in Konsequenz der Lorentz-Kraft, das ist die sogenannte erste Richtung. Wie erwähnt ist zum Zwecke dieser Bewegung Elektrode 2 mit der zweiten Kante eine Komponente der erforderlichen Zweileiter-Struktur und die Gegenelektrode 15 bildet die andere Komponente.
Die Spaltausdehnung 9 des zweiten Kantenbereichs trennt eine elektrische Bogenübertragungszone 16 und eine elektrische Bogenempfangszone 17. Die Empfangszone 17 ist auf demselben Wandabschnitt 11 wie die Verbindungsstelle 12.
Wie gesehen ist in dieser Ausführungsform Spalt 6 so geformt, dass die Projektion 19 der Verbindungsstelle 12 auf die zweite Kante der Elektrode 2 nahe an der elektrischen Bogenübertragungszone 16 angeordnet ist und von der Bogenempfangszone 17 in einer Richtung (der sogenannten zweiten Richtung) um einen Abstand L entfernt ist, welche Richtung entgegengesetzt zu der erwähnten ersten Richtung ist. Dieser Abstand ist im Wesentlichen nicht kleiner als der größte Durchmesser der Basis der erzeugten Plasmabogensäule.
Wenn der Bogen zwischen der Elektrode 2 und der Gegenelektrode 15 eingeleitet wird, bildet er einen stromleitenden Plasmakörper, welcher die zwei Elektroden überbrückt. Weil die zwei Elektroden eine Zweileiter-Struktur bilden, erzeugt der elektrische Strom ein magnetisches Feld, welches mit dem Strom in dem Bogen und seinem magnetischen Feld wechselwirkt, um so zu der Erzeugung der Lorentz-Kraft zu führen, welche die Bogensäule entlang der zweiten Kante 4 in der Richtung weg von der Projektion 19 der Verbindungsstelle 12 treibt, das heißt in die Richtung, welche durch den gestrichelten Pfeil 14 angezeigt ist.
Gemäß der Erfindung wird die ununterbrochene Bewegung des Plasmabogens aufgrund der Tatsache erreicht, dass bei jedem Überqueren der Spaltausdehnung 9 der zweiten Kante die Plasmabogenbasis flussabwärts (mit Bezug auf die Bewegung des Bogens in der Richtung des Pfeils 14) einer Zone eines elektrischen Einflusses der Verbindungsstelle 12 ist, das heißt flussabwärts der Projektion 19.
2A und 2B illustrieren eine weitere Ausführungsform einer Elektrode gemäß der Erfindung, welche einen rechteckigen röhrenförmigen Körper 20 umfasst, welcher aus einer Zahl von Segmenten zusammengesetzt ist, welche die Elektrodenwandabschnitte 21 bilden und durch eine Mehrzahl von geneigten Spalten 22 getrennt sind. Die oberen Kanten der Segmente 21 bilden eine erste Kante 24 der Elektrode 20, und die unteren Kanten davon bilden eine zweite Kante 27 davon, wobei jeder der Abschnitte 21 somit erste und zweite Kantenteile hat. Jeder der Elektrodenabschnitte 21 ist mit einer elektrischen Verbindungsstelle bereitgestellt, welche mit seitlich vorstehenden Verbindungsstücken 23 ausgerüstet ist und bei dem oberen inneren Teil der Abschnitte 21 nahe der ersten Kante davon positioniert ist. Alle Verbindungsstücke 23 sind untereinander verbunden durch eine gemeinsame stromführende Platte 25, welche mit einem Pol einer Gleichstromenergiequelle (nicht gezeigt) über einen stromführenden Bus 26 verbindbar ist. Im Wesentlichen ist die Stellung jedes dem Spalt zugeordneten Verbindungsstücks 23 relativ zu dem zugeordneten Spalt 22 und die Stellung der elektrischen Bogenübertragungszone und -empfangszone der zwei Seiten der Spaltausdehnung des zweiten Kantenbereichs sowie die Stellung der Projektion jeder Verbindungsstelle auf einen zweiten Kantenteil alle ähnlich der Anordnung, welche in 1 gezeigt ist, obwohl die Formen und Anzahlen der Abschnitte und Spalten verschieden sind. Wie gesehen werden kann, fällt die Projektion jedes Verbindungsstücks 23, welches einem bestimmten Elektrodenkörperabschnitte 21 zugeordnet ist, auf eine Ebene, welche die zweite Kante 27 der Elektrode 20 hält, auf das angrenzende Elektrodensegment, nahe bei seiner Plasmabogenübertragungszone. In 2A und 2B ist schematisch eine Gegenelektrode 28 gezeigt, welche unter der zweiten Kante 27 der Elektrode 20 positioniert ist. Die Gegenelektrode ist mit einem Anschluss 29 zur Verbindung mit dem entgegengesetzten Pol der Gleichstromenergiequelle (nicht gezeigt) bereitgestellt. Wenn eine elektrische Bogenentladung zwischen den Elektroden 20 und 28 eingeleitet wird, wird eine Lorentz-Kraft erzeugt, durch welche der Plasmabogen ununterbrochen entlang der zweiten Arbeitskante 27 des röhrenförmigen Körpers in der Richtung eines gepunkteten Pfeils in 2B (erste Richtung) verschoben wird.
3 illustriert noch eine weitere Ausführungsform einer Elektrode 30 gemäß der Erfindung, welche eine Stern-ähnliche Form hat und einen im wesentlichen röhrenförmigen Körper umfasst, welcher aus einer Mehrzahl von stumpf-dreieckigen Segmenten zusammengesetzt ist, welche eine Mehrzahl von Wandabschnitten 31 bilden, welche durch sich axial erstreckende Spalten 32 getrennt sind. In der axialen Richtung erstreckt sich der röhrenförmige Körper der Elektrode 30 zwischen einer ersten (oberen) Kante 33 und einer zweiten (unteren) Arbeitskante 34. Die stumpf- dreieckigen Wandabschnitte 31 haben jeder einen ersten Wandteil 35, welcher die Plasmabogenempfangszone und auch ein elektrisches Verbindungsstück 37 hält, und einen zweiten Wandteil 36, welcher die Plasmabogenübertragungszone hält. Die Kante 38 eines ersten Teils 35 eines Abschnitts 31, welcher nahe dem zugeordneten Spalt 32 ist, wird hierin als eine proximale Kante, und die entgegengesetzte Kante 39 eines zweiten Teils 36 eines angrenzenden Abschnitts 31 wird hierin als distale Kante 39 bezeichnet. Das elektrische Verbindungsmittel 37 von allen Elektrodenabschnitten 31 ist mit einer gemeinsamen stromführenden Platte 40 verbunden, welche mit einem Bus 41 zum Verbinden mit einem Pol einer Gleichstromenergiequelle (nicht gezeigt) bereitgestellt ist. Unterhalb der Elektrode 30 ist schematisch eine Gegenelektrode 42 gezeigt mit einem Anschluss 43 zur Verbindung mit dem entgegengesetzten Pol der Gleichstromenergiequelle (nicht gezeigt).
Es kann gesehen werden, dass die Elektrodenabschnitte 31 derart angeordnet sind, dass Projektionen der Verbindungsstücke 37 auf die zweite Kante 34 innerhalb des Umfangs des geschlossenen Pfades der Bogenbewegung in der ersten Richtung gelegen sind, gezeigt durch den gestrichelten Pfeil. Außerdem überlappt jeder erste Teil 35 eines Abschnitts 31 teilweise mid dem zweiten Wandteil 36 eines angrenzenden Elektrodenabschnitts 31 mit dem Bilden der Spalten 32. Somit ist jede proximale Kante 38 mit dem zugeordneten Verbindungsstück 37 von der angrenzenden distalen Kante 39 in einer zweiten Richtung, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, um einen Abstand L entfernt. In dieser spezifischen Ausführungsform ist diese Lücke auch der Abstand zwischen der elektrischen Bogenempfangszone und der Projektion der Stelle des elektrischen Verbindungsmittels 37 auf die zweite Kante 34. (Wie definiert bilden die Bogenübertragungszone und die Bogenempfangszone Seiten jedes der Spalten 32 bei dem Bereich der zweiten Kanten 34.) Infolge dieser Anordnung überträgt jede elektrische Bogenübertragungszone (nicht gesehen) die sich bewegende Bogensäule auf die angrenzende Bogenempfangszone hinweg über die Spaltausdehnung der zweiten Kante bei einer Stelle, welche flussabwärts von der Stelle des Verbindungsstücks 37 ist, um somit die ununterbrochene Bewegung des Bogens in der ersten Richtung des gestrichelten Pfeils sicherzustellen.
4 zeigt schematisch noch eine andere Ausführungsform 44 einer Elektrode gemäß der Erfindung. Darin ähnlich der Ausführungsform der 3, dass die Spalten axial mit ihrer Spaltausdehnung des ersten Kantenbereichs, Hauptspaltausdehnung und Spaltausdehnung des zweiten Kantenbereichs gefluchtet sind, und auch darin, dass die Projektionen des Verbindungsmittels 45 auf eine Ebene P, welche die zweite Arbeitskante 46 der Elektrode 44 hält, von dem geschlossenen Pfad 47 der Plasmabogenbewegung auf derselben Ebene versetzt sind. Jedoch verschieden von der Ausführungsform der 3 fallen die Projektionen des Verbindungsmittels 45 außerhalb des Umfangs des Pfades 47 und die Wandabschnitte 48 überlappen nicht nahe den Spalten 49 miteinander. Ähnlich wie in 3 ist jede Projektion eines Verbindungsstücks 45 auf Ebene P, welche die zweite Kante 46 hält, von einer zugeordneten Plasmabogenübertragungszone in einer Richtung, welche entgegengesetzt zu der der Bewegung des Plasmabogens ist, um einen Abstand L entfernt, wodurch im Betrieb eine ununterbrochene Bewegung des Plasmabogens entlang seines geschlossenen Pfades sichergestellt ist.
Alle Elektrodenausführungsformen, welche in 1 bis 4 illustriert sind, sind dazu ausgelegt, eine ununterbrochene zirkulierende Plasmabogenentladung in Plasmageneratoren bereitzustellen. Wie erwähnt sollte die Breite der Spaltausdehnung des zweiten Kantenbereichs vorzugsweise nicht größer sein als der Durchmesser der schmalsten Bogensäule, welche dazu ausgelegt ist, auf der Elektrode eingeleitet zu werden, und der Abstand L sollte vorzugsweise nicht kleiner sein als die breiteste Basis eines Bogens, welcher auf der Elektrode erzeugt ist. Die erfinderische Konfiguration der Elektrode erlaubt, sie für relativ große Elektroden zu benutzen ohne irgendeine Wasserkühlung und Injektion von Schutzgas zum Stabilisieren der Plasmaentladung und mindestens bis zu einer Ausgabeleistung von ungefähr 50 kW.
5 und 6 illustrieren schematisch und nur beispielhaft Ausführungsformen von Plasmagenerator-Vorrichtungen gemäß der Erfindung vom nicht beweglichen bzw. beweglichen Typ.
Zunächst mit Bezug auf 5 ist eine Ausführungsform einer Plasmagenerator-Vorrichtung 50 in einer axialen Querschnittansicht gezeigt, welche eine röhrenförmige Hauptelektrode 51 gemäß der Erfindung umfasst, welche einen geneigten durchgehenden Spalt 52 hat und mit einem elektrischen Verbindungsmittel 53 bereitgestellt ist. Die Hauptelektrode 51 ist konzentrisch von einem leitfähigen zylindrischen Gehäuse 54 umgeben, welches einen Deckel 55 hat. Es wird bemerkt, dass der Deckel 55 optional ist. Die Hauptelektrode 51 und das Gehäuse 54 sind mit zwei entgegengesetzten Polen einer Starkstrom-Gleichstromenergiequelle 56 verbunden, welche als solches bekannt ist, wobei das Gehäuse 54 als die Gegenelektrode in der Vorrichtung dient. Die Vorrichtung 50 ist auch mit einem Zündmittel 57 zum Einleiten einer Hilfsbogenentladung bereitgestellt. Das Zündmittel umfasst eine Zündelektrode 58, welche von einem Hochspannungsoszillator 59 mit Energie versorgt wird, welcher als solcher bekannt ist, und eine Hervorstehung 60, welche an der inneren Wand des Gehäuses bereitgestellt ist und nahe an der Hauptelektrode 51 positioniert ist, dient dazu, Zündung eines Hilfsbogens 61 zu erleichtern, welcher sich nach Zündung zu dem unteren Kantenbereich der Hauptelektrode bewegt. Die vertikale Verschiebung des Hilfsbogens wird auch durch die Lorentz-Kraft herbeigeführt, welche in diesem besonderen Fall infolge einer stromführenden, Gleis-ähnlichen Struktur erscheint, welche die Hauptelektrode 51 und das Gehäuse 54 umfasst. Die Hauptbogenentladung 62 wird zwischen dem unteren Kantenbereich der Hauptelektrode 51 und der Gegenelektrode 54 etabliert und beginnt um die untere Kante 63 der röhrenförmigen Elektrode 51 zu zirkulieren, um somit Wärmebehandlung eines Substrats 64 (z.B. einer Betonplatte) bereitzustellen.
6 illustriert schematisch eine Querschnittansicht einer beweglichen Plasmabogengenerator-Vorrichtung 70 gemäß der Erfindung. Eine röhrenförmige Hauptelektrode 71 der Vorrichtung hat die oben beschriebene Konfiguration und ist mit einem positiven Pol einer Gleichstromenergiequelle 72 verbunden, und der entgegengesetzte, negative Pol ist mit einem elektrisch leitfähigen Substrat 73 verbunden, welches das zu behandelnde Objekt ist und als Gegenelektrode dient. Der negative Pol der Energiequelle 72 ist auch mit einem zylindrischen Gehäuse 74 verbunden, welches die Hauptelektrode 71 konzentrisch umgibt. Der untere Teil der inneren Wand des Gehäuses 74 ist mit einer Hochtemperaturfesten elektrisch isolierenden Schicht überzogen, zum Beispiel mit einer geeigneten Farbe angestrichen (nicht gezeigt). Eine Zündelektrode 75 ist in dem ringförmigen Raum, welcher zwischen der Hauptelektrode und dem Gehäuse gebildet ist, angebracht. Wenn die Zündelektrode 75 durch einen Hochspannungsoszillator 76 mit Energie versorgt wird, wird ein Hilfsbogen 77 zwischen der Hauptelektrode und der Zündelektrode erzeugt, und wird dann nach unten zu dem unteren Kantenbereich 78 der Hauptelektrode 71 übertragen. Der untere Kanten-78-Bereich ist in einer in der Zeichnung gezeigten Weise abgefast, um somit die gewünschte Form und Orientierung der Hauptbogenentladung 79 bereitzustellen. Der abgefaste Kantenbereich 78 und die angestrichene Wand des Gehäuses 74 führen dazu, dass sich der Bogen 79 von der Kante 78 zu der Oberfläche 73 erstreckt anstatt zu dem Gehäuse 74.
Die 7A und 7B zeigen schematisch eine axiale Querschnittansicht bzw. eine Untenansicht von noch einer weiteren Ausführungsform 80 einer beweglichen Plasmagenerator-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung umfasst eine röhrenförmige Hauptelektrode 81, welche innerhalb eines zylindrischen Gehäuses 82 befestigt ist, welches von oben durch eine Abdeckung 83 abgeschlossen ist, welche Abdeckung optional ist. Der Generator ist mit einer Gleichstromenergieversorgungseinheit 84 verbunden, welche eine Starkstromquelle und einen Hochspannungsoszillator (nicht gezeigt) umfasst, welche dazu dienen, die Haupt- und Gegenelektrode und das Zündmittel 85 der Vorrichtung mit Energie zu versorgen. Die longitudinale Achse der Hauptelektrode 81 ist vertikal zu der Oberfläche des zu behandelnden Objektes, zum Beispiel eines Metallstücks, welches als eine Gegenelektrode 86 gesetzt ist. Das Gehäuse 82, welches die Hauptelektrode 81 aufnimmt, ist in einem Abstand W von der Oberfläche des Metallstücks installiert, um einen Arbeitsraum für eine Plasmabogenentladung bereitzustellen. Die Hauptelektrode 81 gemäß der Erfindung kann aus Graphit oder aus einem elektrisch leitfähigen erosionsresistenten feuerfesten Material gefertigt sein. Das Zündmittel 85 steht von der Abdeckung 83 hervor und ist in dem ringförmigen Raum gelegen, welcher zwischen der Hauptelektrode 81 und dem Gehäuse 82 gebildet ist. Ein elektrisch leitfähiges Verbindungsstück 93 ist abnehmbar in der Abdeckung 83 befestigt und elektrisch an einem Ende mit der Energieversorgungseinheit 84 verbunden, und an seinem entgegengesetzten Ende mit der Hauptelektrode 81, um ihr so elektrische Energie zuzuführen.
Ein in 7A gezeigter Spalt 88 erstreckt sich von der ersten (oberen) Kante 89 der zylindrischen röhrenförmigen Hauptelektrode 81 nach unten zu der zweiten (unteren) Arbeitskante 90 davon, und hat eine Spaltausdehnung des ersten Kantenbereichs 91, eine Hauptspaltausdehnung und eine Ausdehnung 92 des zweiten Kantenbereichs. Wie weiterhin in 7A gezeigt ist, umfasst der Spalt 88 zwei Teile, einen vertikalen, welcher parallel zu der Erzeugenden der zylindrischen Seitenwand der Elektrode 81 ist und einen sich neigenden Teil, welche Teile zwischen ihnen einen stumpfen Winkel aufweisen. Infolge dieser Ausgestaltung des Spaltes 88 sind die Spaltausdehnungen 91 und 92 des ersten und zweiten Kantenbereichs nicht gefluchtet und sind im Winkel verschoben, wie in der 7B gezeigt. Die Elektrode 81 umfasst einen Elektrodenabschnitt, welcher mit einem elektrischen Verbindungsstück 93 ausgestattet ist, welches in einem Deckel 83 durch eine isolierende Buchse befestigt ist und welcher seine Position bei der ersten Kante 89 der Elektrode in unmittelbarer Nähe der Spaltausdehnung 91 des ersten Kantenbereichs hat. Die Projektion des Verbindungsstücks 93 auf die zweite Kante 90 befindet sich zwischen der Spaltausdehnung 92 des zweiten Kantenbereichs und der Projektion der Spaltausdehnung 91 des ersten Kantenbereichs auf die zweite Kante 90, bei einem Abstand L von Ausdehnung 92 in einer Richtung entgegensetzt zu der der Bewegung des Plasmabogens, gezeigt durch Pfeile in der kreisförmigen gestrichelten Linie 94.
8 illustriert eine Ausführungsform des Zündmittels in einer Plasmabogengenerator-Vorrichtung gemäß der Erfindung, z.B. der in 7A gezeigten unter Bezugsnummer 85. Das Zündmittel 85 kann abnehmbar in der Abdeckung 83 der Vorrichtung der 7A und 7B ausgerüstet sein, um so zwischen der Hauptelektrode 81 und der Seitenwand des Gehäuses 82 hervorzustehen. Es sind jedoch andere Positionen des Zündmittels vorstellbar. In der in 8 gezeigten Ausführungsform besteht das Zündmittel 85 aus einer ersten, einer zweiten und einer dritten Elektrode 95, 96 und 97, welche elektrisch mit der Energieeinheit 84 verbunden sind und innerhalb eines hochspannungsisolierenden Aufsatzes 98 gesichert sind. Die Elektrode 95 ist in Form eines länglichen Stamms, welcher teilweise und koaxial innerhalb der zweiten, röhrenförmigen Elektrode 96 in einer beabstandeten Beziehung mit der Bildung eines ringförmigen Raumes 99 aufgenommen ist. Die dritte Elektrode ist in Form eines waagerechten Stabes 97 nahe der oberen Kante der röhrenförmigen Elektrode 96 mit dem inneren Ende nahe der Elektrode 95 angebracht. Die Elektrode 97 ist im Wesentlichen normal zu den Elektroden 95 und 96 und ist elektrisch mit dem Hochspannungsoszillator (nicht gezeigt) verbunden.
Es ist vorteilhaft, wenn der obere Bereich der Röhre 96 mit einem inneren Vorsprung 100 gebildet ist, um so einen geeigneten schmalen Spalt zwischen Elektroden 95 und 96 in dem Bereich, wo die hohe Oszillationsspannung angelegt wird, zu definieren.
Vorzugsweise ist das Zündmittel 85 entfernt von dem Arbeitsraum W befestigt, weil auf diese Weise seine Funktion nicht signifikant durch die heiße und hocherosive Atmosphäre, welche im Arbeitsraum herrscht, beeinflusst wird. In Praxis wird empfohlen, dass das Zündmittel als ein Modul gebildet ist, um so eine schnelle und bequeme Wartung und Ersetzung davon zu ermöglichen.
Die Plasmabogengenerator-Vorrichtung, welche in 7A, 7B und 8 illustriert ist, wird in der folgenden Weise in Betrieb genommen. Die Energie wird eingeschaltet und eine Arbeitsspannung von ungefähr 170 V wird gleichzeitig innerhalb des Arbeitsraumes zwischen der Hauptelektrode 81 und der Metalloberfläche 86 angelegt, zwischen der Hauptelektrode 81 und dem Gehäuse 82, sowie innerhalb des ringförmigen Raums 99 zwischen den Elektroden 95 und 96 des Zündmittels 85. Danach wird der Hochspannungsoszillator eingeschaltet, um so eine oszillierende Hochspannung ausreichend zum Erzeugen einer elektrischen Entladung zwischen Elektrode 97 und dem Vorsprung 100 und auch zum Erzeugen einer Entladung zwischen dem Vorsprung 100 und Elektrode 95 bereitzustellen. Diese Bogenentladung wird gefolgt von der Bildung eines Hilfsplasmabogens innerhalb eines Spalts zwischen den koaxial angeordneten Elektrodenmitteln 95 und 96. Der Plasmabogen wird nach unten entlang der Seitenwand der Hauptelektrode aufgrund der Gleis-Beschleunigung verschoben, welche zwischen entsprechenden parallelen Oberflächen des zylindrischen Gehäuses 82 und der Hauptelektrode 81 bereitgestellt ist, und wird zu der zweiten Kante 90 der Hauptelektrode 81 mit einer Geschwindigkeit von etwa 40 m/s gedrückt. Die Gesamtzeit, welche für den Zündschritt erforderlich ist, überschreitet nicht 0,002 s. Nachdem der Hilfsplasmabogen, welcher durch die Zündentladung gebildet ist, die zweite Kante 90 erreicht hat, nimmt er die Form der Hauptplasmabogenentladung 101 zwischen der zweiten Kante 90 der Hauptelektrode und der Oberfläche 86 des zu behandelnden Metalls an, welcher Hauptplasmabogen in dem Arbeitsraum W rotiert.
9 zeigt schematisch, wie ein Plasmagenerator gemäß der vorliegenden Erfindung für eine Wärmebehandlung eines flüssigen, innerhalb einer Barrenschmelzform erstarrenden Metalls benutzt werden kann.
Der in 9 gezeigte Aufbau umfasst eine Barrenschmelzform 120, welche eine Bodengießanordnung mit einer Gießöffnung 121 hat. Das flüssige Metall 122 wird von einer Kelle (nicht gezeigt) in einen Trichter 124 des Gießöffnungssystems 121 gegossenen, tritt in die Barrenschmelzform 120 durch den Boden davon und füllt sie bis zu einer Höhe, welche durch einen Sensor 125 gesteuert wird. Angrenzend an den oberen Teil der Schmelzform 120 ist eine Plasmabogengenerator-Vorrichtung 126 angeordnet, welche eine Hauptelektrode 127 gemäß der Erfindung enthält, welche in einem Wagen 128 gehalten ist, welcher Räder 135 auf Gleisen 129 montiert hat und somit in der Lage ist, reversibel zwischen einer Parkposition außerhalb einer Ausrichtung mit der Schmelzform 120 und einer Betriebsposition in Ausrichtung mit der Schmelzform verschoben zu werden. Es gibt ein weiteres bereitgestelltes Mittel (nicht gezeigt), was dazu in der Lage ist, die Vorrichtung 126 zu heben und abzusenken. Die Plasmabogengenerator-Vorrichtung 126 umfasst eine Hauptenergiequelle 130, einen Hochspannungsoszillator 131 und eine Steuerungskonsole 132 zum Steuern des Verschiebens der Vorrichtung 126 zu und von der Arbeitsposition sowie zum Steuern ihrer Funktionen während des Arbeitszyklus'. Zu diesem Zweck ist die Steuerkonsole 132 mit einem geeigneten elektronischen Steuerungsmittel (nicht gezeigt) ausgestattet, welches einen Betrieb in einem manuellen Modus oder in Übereinstimmung mit einem vorprogrammierten Ablauf ermöglicht.
Ein Bus 133 mit geeigneten elektrischen Kabeln ist für eine elektrische Kommunikation zwischen den Energiequellen 130, 131 über die Steuerkonsole 132, mit dem Plasmagenerator 126, dem flüssigen Metall 122 über ein Verbindungsstück 134, dem Mechanismus 135 und dem Sensor 125.
In Praxis wird der Plasmagenerator 126 in die Arbeitsposition oberhalb der Barrenschmelzform 120 gebracht, das flüssige Metall wird in die Schmelzform bis zu einem gewissen Level, welcher durch den Sensor 125 gesteuert wird, gegossen, welcher Level die Breite W des Arbeitsraums zwischen der Oberfläche des flüssigen Metalls 122 in der Schmelzform und der zweiten (unteren) Kante der Hauptelektrode 127 definiert. Die Breite W wird gewöhnlich innerhalb des Bereichs von 8 bis 10 mm gehalten, wenn die Betriebsspannung innerhalb des Bereichs von 60 bis 80 V ist. Für Betriebsspannungen höher als 80 V wird die Breite erhöht und bei 170 V ist sie z.B. 25 mm. Nachdem die erforderliche Breite des Arbeitsraums eingestellt ist, werden die Energiequelle 130 und der Hochspannungsoszillator 131 eingeschaltet, wodurch die Bogenentladung gezündet und aufrechterhalten wird, bis die Hauptplasmabogenentladung eingeleitet ist und die Wärmebehandlung der Metalloberfläche beginnt. Der Hochspannungsoszillator wird gewöhnlich in Betrieb belassen, bis die Hauptbogenentladung etabliert ist, was durch einen elektrischen Stromfluss angezeigt ist, welcher der Leistung entspricht, welche für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist. Zum Beispiel kann bei einer Spannung von 170 V eine Hauptbogenentladung mit einem Strom von 300 A erreicht werden, was eine elektrische Leistung von 50 kW bereitstellt. Die Höhe der Hauptelektrode 127 ist ungefähr 40 bis 60 mm für einen Barren, welcher eine Masse von etwa 20 kg hat.
Die Dauer der Hauptbogenentladung, das ist die Zeit, welche für die Wärmebehandlung erforderlich ist, kann mittels eines geeigneten Zeitnehmers (nicht gezeigt) gesteuert werden. In Praxis sollte der Zeitnehmer geeignet für das kontinuierliche oder periodische Anschalten der Energiequelle während der Erstarrung des Barrens innerhalb einer Schmelzform sein.
Nach Beendigung der Wärmebehandlung wird die Plasmabogengenerator-Vorrichtung ausgeschaltet und aus der Arbeitsposition verschoben und nach weiterem Abkühlen kann der gekühlte Barren aus der Schmelzform herausgelöst werden.
Es sollte bemerkt werden, dass es, infolge der stetigen Zirkulation der Hauptbogenentladung, welche in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung erreicht ist, möglich ist, eine erforderliche Wärmebehandlung durchzuführen, während die Breite des Arbeitsraums verändert wird. Somit kann, wenn gewünscht, der Plasmagenerator mit einem Mittel (nicht gezeigt) bereitgestellt sein, zum vertikalen Hin- und Herbewegen der Hauptelektrode 127 innerhalb des Gehäuses 126, wodurch die Breite des Arbeitsraums W (7A) eingestellt wird. Solch eine vertikale Verschiebung kann kontinuierlich durch den Sensor 125 gesteuert werden, welcher den Level des flüssigen Metalls in der Schmelzform überwacht, um somit ein Absinken der Elektrode 127 in Übereinstimmung mit dem Metallschrumpfen sicherzustellen, wodurch die Behandlung, welche zu der Beseitigung von Fehlern in den Barren führt, verbessert wird und die Menge an Abfallmetall reduziert wird.
Das Ergebnis einer Wärmebehandlung gemäß der Erfindung ist in 10 illustriert, welche Fotografien von zwei Barren (a) und (b) einer Aluminiumlegierung A332.0 zeigt, welche ohne (a) und mit (b) Behandlung durch die zirkulierende Plasmabogentechnik gemäß der Erfindung erstarrt wurden. Die Masse der Barren ist 7,2 kg. Der herkömmliche Barren (a) hat einen Lufteinschluss in seinem oberen Teil und folglich muss eine beträchtliche Schicht des Barren von dem Benutzer weggeschnitten werden. Im Gegensatz dazu hat der Barren (b), welcher während der Abkühlung einer Plasmabogenbehandlung gemäß der Erfindung für eine Periode von 50 s ausgesetzt war, eine glatte obere Oberfläche und erfordert keine zusätzliche Behandlung, da er die erforderlichen genauen Abmessungen hat.

Claims

Plasmabogengenerator-Elektrode (2, 20, 30, 44), welche in Verbindung mit einer Gegenelektrode (15, 28, 42, 54, 73, 86, 122) eine Zweileiter-Struktur bereitstellt, welche in der Lage ist, eine Plasmabogenentladung zu erzeugen, welche entlang eines geschlossenen Pfades in einer ersten Richtung (14) verschiebbar ist, wobei die Elektrode ein elektrisches Verbindungsmittel (13, 21, 37, 45, 53, 93) zur Verbindung mit einer elektrischen Gleichstromenergieversorgungsquelle (56, 72, 84) hat und einen im wesentlichen röhrenförmigen Körper mit einer ersten Kante (30, 24, 33, 89) umfasst, welche Teil eines ersten Kantenbereichs bildet, und eine zweite, nämlich Arbeitskante (4, 27, 34, 46, 63, 78, 90), welche Teil eines zweiten Kantenbereichs bildet und für die elektrische Bogenentladung dient, in welcher Elektrode: (i) das elektrische Verbindungsmittel mindestens eine Verbindungsstelle (12) auf der Elektrode umfasst; (ii) der röhrenförmige Körper mindestens einen sich longitudinal erstreckenden Spalt (6, 22, 32, 49, 52, 88) hat mit einer Spaltausdehnung (7, 91) des ersten Kantenbereichs, einer Hauptspaltausdehnung (8) und einer Spaltausdehnung (9, 92) des zweiten Kantenbereichs, wobei jeder der Spalte seitlich zwei Wandabschnitte (10 und 11; 21 und 21; 31 und 31; 48 und 48) trennt, wobei jeder einen ersten und einen zweiten Kantenteil hat, wobei einer der Wandabschnitte (11, 21, 31, 48) eine Verbindungsstelle trägt, welche dem Spalt zugeordnet ist; (iii) der zweite Kantenteil eines der Wandabschnitte eine Plasmabogenübertragungszone (16, 36) hat und der zweite Kantenteil des anderen Wandabschnitts, welcher die Verbindungsstelle trägt, eine Plasmabogenempfangszone (17, 35) hat, wobei die Plasmabogenübertragungszone und die Plasmabogenempfangszone durch die Spaltausdehnung des zweiten Kantenbereichs des sich longitudinal erstreckenden Spalts getrennt sind und daran angrenzen, wobei sie somit die zwei Seiten der Spaltausdehnung bilden; (iv) die dem Spalt zugeordnete Verbindungsstelle so angeordnet ist, dass ihre Projektion auf einen zweiten Kantenteil seitlich von der Plasmabogenempfangszone in einer zweiten Richtung, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, entfernt ist, wobei in Betrieb eine Lorentz-Kraft in der Zweileiter-Struktur erzeugt wird, welche bewirkt, dass sich ein zwischen der Plasmabogengeneratorelektrode und der Gegenelektrode gebildeter Plasmabogen ununterbrochen in einem geschlossenen Pfad in der ersten Richtung entlang dem zweiten Kantenbereich und über jede der Spaltausdehnungen des zweiten Kantenbereichs hinweg bewegt.
Elektrode nach Anspruch 1, wobei jede Spaltausdehnung (9, 92) des zweiten Kantenbereichs so dimensioniert ist, um im Wesentlichen nicht breiter zu sein als der kleinste Durchmesser der tatsächlichen Plasmabogensäule; und dass der Abstand (L) zwischen der Projektion der dem Spalt zugeordneten Verbindungsstelle auf einen zweiten Kantenteil und der elektrischen Bogenempfangszone im Wesentlichen nicht kleiner ist als der größte Durchmesser der Basis der tatsächlichen Plasmabogensäule.
Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, wobei der röhrenförmige Körper der Plasmabogenelektrode (2, 51, 71, 81) einen einzigen Spalt (6, 52, 88) hat und sich die zwei Wandabschnitte in einen einzigen Körper vereinigen, welcher sich von einer Seite des Spalts zu der anderen Seite erstreckt.
Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, wobei der röhrenförmige Körper mehrere Spalten (22, 32, 49) hat und mehrere Wandabschnitte (21, 31, 48), wobei sich jeder Wandabschnitt zwischen zwei Spalten erstreckt.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem mindestens einen sich longitudinal erstreckenden Spalt (6, 22, 52, 88) die Spaltausdehnungen des ersten und zweiten Kantenbereichs (7 und 9, 91 und 92) nicht fluchten.
Elektrode nach Anspruch 5, wobei die Hauptspaltausdehnung (8, 52, 88) zwei Teile hat, welche zwischen ihnen einen stumpfen Winkel aufweisen.
Elektrode nach Anspruch 5, wobei der mindestens eine sich longitudinale erstreckende Spalt (22) geneigt ist.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jede dem Spalt zugeordnete Verbindungsstelle bei oder in der Nähe des ersten Kanten-(3, 24, 33, 89)-bereichs ist.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der zweite Kanten-(4, 27, 34, 46, 63, 78, 90)-bereich abgefast ist.
Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hauptausdehnung des zumindest einen sich longitudinal erstreckenden Spalts (6, 22, 52, 88) so geformt ist, dass die Projektion der dem Spalt zugeordneten Verbindungsstelle auf einen zweiten Kantenteil an dem Wandabschnitt angeordnet ist, welcher die elektrische Bogenübertragungszone (16, 87) hält.
Elektrode nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abschnitte (31, 48) des im wesentlichen röhrenförmigen Körpers so ausgestaltet sind, dass die Projektion jeder dem Spalt zugeordneten Verbindungsstelle auf einen zweiten Kantenteil versetzt von dem geschlossenen Pfad angeordnet ist.
Elektrode nach Anspruch 11, wobei die Abschnitte (31) des im wesentlichen röhrenförmigen Körpers so ausgestaltet sind, dass die Projektion jeder dem Spalt zugeordneten Verbindungsstelle auf einen zweiten Kantenteil innerhalb des Umfangs des geschlossenen Pfades angeordnet ist.
Elektrode nach Anspruch 11, wobei die Abschnitte (48) des im wesentlichen röhrenförmigen Körpers so ausgestaltet sind, dass die Projektion jeder dem Spalt zugeordneten Verbindungsstelle auf den zweiten Kantenteil außerhalb des Umfangs des geschlossenen Pfades angeordnet ist.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 8 bis 13, wobei die Wandabschnitte (31) der Plasmabogengeneratorelektrode gemäß der Erfindung so ausgestaltet sind, dass mindestens die Ausdehnung des zweiten Kantenbereichs jedes Spalts durch einen Überlapp zwischen angrenzenden Wandabschnittteilen gebildet ist, welche die Plasmabogenübertragungszone (36) und -empfangszone (35) umfassen.
Elektrode nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 8 bis 13, wobei der röhrenförmige Körper (30) eine sternähnliche Polyederform hat und aus einer Mehrzahl von modularen stumpf-dreieckigen Segmenten (31) aufgebaut ist, wobei jedes einen Wandabschnitt bildet und teilweise nahe den Spalten überlappt.
Plasmabogengenerator-Vorrichtung (50, 70, 80, 126), welche eine Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 15 umfasst.
Plasmabogengenerator-Vorrichtung (70, 80, 126) nach Anspruch 16, wobei die Plasmabogengeneratorelektrode (71, 81, 127) in der Lage ist, mit einem elektrisch leitenden Substrat (73, 86, 122) zu kooperieren, welches als die Gegenelektrode dient und zusammen mit der Plasmabogengeneratorelektrode die Zweileiter-Struktur bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 17, welche ein zylindrisches Gehäuse (74, 82) umfasst, welches die Elektrode umgibt, welche den Plasmabogen erzeugt, und welches davon beabstandet ist, um so mit ihr eine ringförmige Kammer zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 18, welche einen Deckel (83) umfasst, welcher das Gehäuse von dem Ende abschließt, welches sich nächst der ersten Kante der Elektrode befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, welche ein Zündmittel (75, 85) umfasst, welches innerhalb des ringförmigen Raums zwischen der Elektrode und dem Gehäuse angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Zündmittel in der Nähe der ersten Kante angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, welche ein Mittel (132) zur axialen Verschiebung der Elektrode, welche den Plasmabogen erzeugt, umfasst.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines erstarrenden flüssigen Metalls innerhalb einer Schmelzform, welches umfasst: Bereitstellen einer beweglichen Plasmabogengeneratorvorrichtung (70, 80, 126), welche eine Hauptelektrode (2, 20, 30, 44, 71, 81, 127) hat für Kooperation mit einem elektrisch leitenden Substrat (73, 86, 122), welches als eine Gegenelektrode dient, wobei die Hauptelektrode in Verbindung mit dem elektrisch leitenden Substrat eine Zweileiter-Struktur bereitstellt, welche in der Lage ist, eine Plasmabogenentladung zu erzeugen, welche entlang eines geschlossenen Pfades in einer ersten Richtung (14) verschiebbar ist, wobei die Hauptelektrode ein elektrisches Verbindungsmittel (13, 23, 37, 45, 93) hat zum Verbinden mit einer elektrischen Gleichstromenergieversorgungsquelle (56, 72, 84, 130) und einen im wesentlichen röhrenförmigen Körper umfasst mit einer ersten Kante (3, 24, 33, 89), welche Teil eines ersten Kantenbereichs bildet, und einer zweiten, nämlich Arbeitskante (4, 27, 34, 46, 78, 90), welche Teil eines zweiten Kantenbereichs bildet und der elektrischen Bogenentladung dient, in welcher Elektrode: (i) das elektrische Verbindungsmittel mindestens eine Verbindungsstelle (12) auf der Elektrode umfasst; (ii) der röhrenförmige Körper mindestens einen sich longitudinal erstreckenden Spalt (6, 22, 32, 49, 88) mit einer Spaltausdehnung des ersten Kantenbereichs (7, 91), eine Hauptspaltausdehnung (8) und eine Spaltausdehnung (9, 92) des zweiten Kantenbereichs hat, wobei jeder der Spalte seitlich zwei Wandabschnitte (10 und 11; 21 und 21; 31 und 31; 48 und 48) trennt, wobei jeder erste und zweite Kantenteile hat, wobei einer der Wandabschnitte (11, 21, 31, 48) eine Verbindungsstelle trägt, welche dem Spalt zugeordnet ist; (iii) der zweite Kantenteil eines der Wandabschnitte eine Plasmabogenübertragungszone (16, 36) hat und der zweite Kantenteil des anderen Wandabschnitts, welcher die Verbindungsstelle trägt, eine Plasmabogenempfangszone (17, 35) hat, wobei die Plasmabogenübertragungszone und die Plasmabogenempfangszone durch die Spaltausdehnung des zweiten Kantenbereichs des sich longitudinal erstreckenden Spalts getrennt sind und daran angrenzen, wobei sie somit die zwei Seiten der Spaltausdehnung bilden; (iv) die dem Spalt zugeordnete Verbindungsstelle so angeordnet ist, dass ihre Projektion auf den zweiten Kantenteil seitlich von der Plasmabogenempfangszone in einer zweiten Richtung, welche entgegengesetzt zu der ersten Richtung ist, entfernt ist; Installieren des Plasmagenerators, so dass die zweite Kante nächst der Oberfläche des elektrisch leitenden Substrats liegt, welches ein flüssiges Metall (122) sein kann, bei einem geeignet gewählten Abstand davon; Verbinden der Hauptelektrode mit einem Pol der elektrischen Energieversorgung (130) und des flüssigen Metalls mit dem anderen Pol davon; Entzünden eines elektrischen Bogens, wobei in Betrieb eine Lorentz-Kraft in einer Zweileiter-Struktur erzeugt wird, welche die Hauptelektrode und die Gegenelektrode umfasst, welche Lorentz-Kraft bewirkt, dass sich ein zwischen der Hauptelektrode und der Gegenelektrode gebildeter Plasmabogen ununterbrochen in einem geschlossenen Pfad in der ersten Richtung entlang dem zweiten Kantenbereich und über jede der Spaltausdehnungen des zweiten Kantenbereichs hinweg bewegt; und Fortführen der Behandlung, bis das flüssige Metall Erstarrung erreicht.
Verfahren nach Anspruch 23, welches ein Absenken der Plasmabogen erzeugenden Elektrode (127) umfasst, um so einen konstanten Abstand zwischen der zweiten Kante und der Oberfläche des Metalls (122) innerhalb der Schmelzform aufrechtzuerhalten.