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Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer Stichflamme hoher Temperatur
mittels eines elektrischen Lichtbogens und eines Wasserwirbels Es ist bekannt, daß
sich Temperaturen, die höher als die im normalen Kohlenlioht!bogen oder auch im
s@agenannten Beckbogen erreichten Temperaturen sind, dadurch erzeugen lassen, daß
man einen in Luft brennenden Kohlelichtbogen durch eine ihn einschnürende Düse hindurchführt.
Um das Verbrennen der Düse zu vermeiden, wird entweder die Düse von einem als Wirbel
geführten Gas- oder Wasserstrom überspült, oder es werden an der einen Seite einer
Kammer eine Kohleelektrode und an der gegenüberliegenden Seite eine nachstellbare
Ringelektrode angeordnet, durch die ein wirbelbildendes, in die Kammer eingeleitetes
Gas wieder austritt.
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Beide bekannten Verfahren lassen sich technisch nicht anwenden. Bei
dem erstgenannten Verfahren können die Werkstücke zum Schweißen, Schneiden oder
Schmelzen nicht an die hohen Temperaturen in und dicht vor der Düse herangebracht
werden, weil die einander gegenüberstehenden" Kohlenstäbe im Wege sind. Wie durch
Versuche bekannt wurde und aus der Literatur hervorgeht, kann man zwar die in den
Lichtbogen zwischengeschaltete Düse etwas verkanten, so daß der aus der Düse austretende
Plasmastrahl dicht neben den Kohleelektroden vorbeibläst, aber nicht so weit, daß
der Plasmastrahl völlig frei von den Kohlen wird, denn bei weiterem Verkanten der
Düse erlischt der Lichtbogen, und damit verschwindet auch der Plasmastrahl. Außerdem
ist der Abbrand der in Luft brennenden Kohlenstäbe sehr hoch.
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Bei -dem zweitgenannten Verfahren ist- die erreichbare Temperatur
zu niedrig, .und der Abbrand
der Ringelektrode ist derart stark,
daß sie ständig nachgestellt bzw. häufig ausgewechselt werden muß. Außerdem können
bei diesem Verfahren nur Gase zur Kühlung verwendet werden, dagegen keine Flüssigkeiten,
die allein eine ausreichende Kühlung ermöglichen. Versuche, hierbei zur Kühlung
Flüssigkeiten zu verwenden, scheiterten, weil sich der Wirbelkanal nur bildet, wenn
die Düse eine ganz glatte Oberfläche hat. Das ist aber bei einer nachstellbaren
und noch dazu als Gegenelektrode dienenden Düse nicht möglich, da sich an dieser
innerhalb weniger Sekunden Schmorstellen bilden.
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Demgegenüber betrifft die Erfindung ein Verfahren für Erzeugung eines
für technische Zwecke verwendbaren Lichtbogen-Plasma-Gebläses hoher Temperatur und
Leistung unter Anwendung eines Flüssigkeitswirbels. Die Erfindung besteht darin,
daß der Lichtbogen zwischen einer in einer Wirbelkarrimer angeordneten Kohleelektrode
und einer außerhalb der Kammer angeordneten. Gegenelektrode gebildet wird und daß
die Plasmasäule innerhalb der Kammer in einem vom Flüssigkeitswirbel gebildeten
Kanal verläuft und beim Austreten unter Überdruck aus der Kammer durch eine isoliert
eingebaute, nicht stromführende Düse eingeschnürt wird. Dabei können beim Schmelzen
metallischer Werkstoffe diese selbst als Gegenelektrode verwendet werden, während
beim Schmelzen nicht stromleitender Stoffe diese dicht neben. den zu schmelzenden
Stellen mit einer als Gegenelektrode dienenden Hilfselektrode versehen werden. In
jedem Falle wird der zwischen der Kohleelektrode und der außerhalb der Wirbelkammer
angeordneten Gegenelektrode .gezogene Lichtbogen durch die Düse und den sich in
der Kammer bildenden Wirbelkanal eingeschnürt.
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Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen einmal darin, daß der Abbrand
der Kohleelektrode wegen der intensiven Kühlung durch das die Elektrode umspülende
Wasser selbst bei zehnfach stärkerer Strombelastung als bisher wesentlich geringer
ist als in Luft und daß die Einschnürdüse praktisch nicht angegriffen wird, da ihre
Oberfläche stets von einem dünnen Flüssigkeitsschleier bedeckt ist. Theoretisch
könnte diese Düse aus einem brennbaren Material bestehen; man wählt jedoch am besten
ein Metall bzw. Sintermaterial, da mitunter Metallspritzer vom Werkstück zurückgeschleudert
werden, die auch die Düse treffen können.
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Wie bereits erwähnt, wird die Temperatur des Lichtbogens bereits durch
seine Einschnürung erhöht. Einen wesentlich größeren Anteil an der Temperatursteigerung
des wirksamen Strahles hat aber die Tatsache, daß das Wasser an der Oberfläche des
Wirbelkanals durch den Lichtbogen verdampft und atomar zerlegt wird. Das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch,
das hinter, also außerhalb der Einschnürdüse sofort in statu nascendi verbrennt,
Plasmastrahl genannt, besitzt eine Temperatur, die etwa das Fünf- bis Zehnfache
der Temperatur des Lichtbogens selbst betragen kann.
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Iniolge des Verdampfens und der atomaren Zerlegung eines Teils der
Kühlflüssigkeit in der Kammer entsteht in dieser ein Überdruck bis zu 5 atü, der
den brennenden Plasmastrahl wie bei einem Autogenbrenner als scharfe Stichflamme
aus der Düse ausstößt. Dieser Plasmastrahl kann wegen seiner hohen Temperatur und
wegen seiner stich-. flammenartigen Richtwirkung zum Schmelzen, Schneiden oder Schweißen
benutzt werden.
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Da der Kohlelichtbogen auch brennt, wenn er nicht den kürzesten geraden
Weg zwischen den Elektroden nimmt, sondern einen Bogen beschreibt, und daher keine
ausgesprochene Richtwirkung besitzt, braucht die Gegenelektrode nicht genau in der
Achse der Düse und damit der Achse des Plasmasträhls angeordnet zu sein. Das ist
dann von Bedeutung, wenn elektrisch nichtleitende Stoffe geschmolzen oder geschnitten
werden sollen. In diesem Falle wird ein stromleitendes Material, z. B. Stahl oder
Nichteisenmetall, eventuell wassergekühlt, als Gegenelektrode dicht neben der Schneid-
und Schmelzzone angeordnet, und das Lichtbogen-Plasmagebläse wird so eingestellt,
daß der Plasmastrahl nicht.die Gegenelektrode trifft. Die Gegenelektrode wird nur
leicht angeschmolzen lind kann daher mehrmals verwendet werden, denn der Plasmastrahl
mit seiner hohen Temperatur von etwa 35 000° K besitzt eine so große Schneidgeschwindigkeit,
daß der Lichtbogen mit seiner Temperatur von etwa 4ooo° K keine Zeit hat, die neben
der Schmelzstelle liegende Gegenelektrode zu schmelzen. Wird das Plasmagebläse,
z. B. zum Schmelzen nichtleitender Stoffe, feststehend über einem Tiegel benutzt,
so muß natürlich die Gegenelektrode bewegt werden, damit sie nicht wegschmilzt.
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Wichtig ist, daß die aus der Düse austretende Flüssigkeit nicht das
Werkstück an der Schmelzstelle benetzt, weil sonst ein großer Teil der Schmelzwirkung
durch Verdampfen der Flüssigkeit aufgehoben würde. Um das zu. verhindern, wird die
Düse besonders geformt, vorzugsweise nach außen gewölbt, so daß die Flüssigkeit
infolge Zentrifugalwirkung quer zur Längsachse des Plasmastrahles bzw. der Kammer
weggeschleudert wird. Sie wird durch eine Auffangschale mit beispielsweise seitlich
angesetztem Abflußrohr abgeleitet.
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In den Zeichnungen ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung dargestellt. Dabei zeigt Fig. i einen Längsschnitt durch die
erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 2 einen Querschnitt durch diese in der Höhe der
den Wirbel erzeugenden Ringdüse.
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Die Vorrichtung besitzt einen Kammermantel i mit kreisrundem Querschnitt,
in den zentrisch eine Kohle 2 mit einer Mittelbohrung hineinragt. Die Kohle :2 wird
in einem Isolierstück 3 geführt, nach außen durch einen Dichtungsring q. abgedichtet
und in jeder Lage mittels einer Schraubkappe 5 festgehalten. Diese Verschraubung
dient gleichzeitig zur Stromzuführung und besitzt zu diesem Zweck ein Anschlußstück
6, an welches ein Stromzuführungskabel angeschlossen werden kann. Ein Kupferring
7 leitet den elektrischen Strom von der Kappe 5 zur
Kohle 2. Da
der Plasmastrahl aus jeder eventuell vorhandenen Öffnung austreten und die Kohle
bzw. die Kammer in kurzer Zeit verbrennen würde, muß die Kohle, insbesondere ihre
Bohrung, nach außen abgedichtet sein. Aus diesem Grunde wird auf sie ein Verschlußstück
8 aus Gummi oder einem anderen geeigneten Stoff stramm aufgesetzt.
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Konzentrisch zur Elektrode :2 und zur Kammer ist eine Ringdüse 9 angeordnet,
aus der mittels eines Ansatzes io Wasser oder eine andere Flüssigkeit in die Brennkammer
tangential zur Elektrode eintritt. Die Flüssigkeit wird der Ringdüse 9 durch das
Zuflüßrohr i i zugeleitet und bildet in der Kammer einen Wirbel mit einem zylindrischen
Luftkanal 12 in der Mitte. Der Durchmesser 'dieses Luftkanals hängt von der Bohrung
der A.usflußdüse 13 ab, er ist um etwa o,2 bis 0,3 mm kleiner als der Durchmesser
der Düsenbohrung. Die Ausflußdüse 13 ist an der Austrittsseite derart balli.g gestaltet,
daß sich die Ausflußöffnung allmählich erweitert. Infolgedessen wird die Überschußflüssigkeit
quer zur Längsachse abgelenkt und bedeckt die Düsenoberfläche mit einem dünnen Film.
Eine Auffangschale 14 fängt die Überschußflüssigkeit auf, die durch den Abfluß 15
aus dem Schmelzbereich abgeleitet wird oder, auch abgesaugt werden kann.
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Die Ausflußdüse 13 und die Auffangschale 14 sind mit dem Mantel i
durch einen Isolierstoffboden 16 bzw. einen Isolierstoffring 17 verbunden.
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Der Lichtbogen kann mit Hilfe eines -besonderen Hochfrequenzlichtbogens
gezündet werden. Zum gleichen Zweck kann auch in die Bohrung der Kohle 2 ein Messing-
oder Zinkdraht eingesetzt werden, der die Gegenelektrode berührt. Er verdampft beim
Einschalten des Stromes und ionisiert die Luft zwischen Kohleelektrode und Gegenelektrode,
so daß der Lichtbogen zündet. An. sich sind sowohl Gleich- als auch Wechselstrom
für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet. Bei Gleichstrom können jedoch die Vorgänge
leichter beherrscht und mit geringerer Spannung aufrechterhalten werden.