DE1255833B

DE1255833B - Verfahren und Einrichtung zum Aufheizen von Gasen in einem Plasmabrenner

Info

Publication number: DE1255833B
Application number: DES86681A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinz Froehlich
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1963-08-10
Filing date: 1963-08-10
Publication date: 1967-12-07
Also published as: US3343027A; GB1010688A; CH410206A; NL6408430A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIj

Deutsche KL: 21h -30/01

Nummer: 1255 833

Aktenzeichen: S 86681 VIII d/21 h

Anmeldetag: 10. August 1963

Auslegetag: 7. Dezember 1967

Die Erfindung betrifft in erster Linie ein Verfahren zum Aufheizen von Gasen in einem Plasmabrenner mit zwischen ringförmigen Elektroden in einem Magnetfeld rotierendem Lichtbogen.

Bei Plasmabrennern, die zum Erhitzen von Gasen dienen, werden in einem Gleich- oder Wechselstromlichtbogen die Gase ionisiert, wodurch ein Plasma entsteht. Plasmabrenner haben ein weites Anwendungsgebiet. Sie lösen in der Plasmachemie chemische Prozesse aus und können zu Auftragschweißen und für Schneidprozesse gebraucht werden. Wird das heiße Plasma durch eine Düse geleitet, so entstehen hohe Strömungsgeschwindigkeiten, die sich zur Beschickung von Windkanälen oder bei Raumfahrtantrieben verwenden lassen. Bei Plasmabrennern ist es erforderlich, über die Elektroden hohe elektrische Leistung zuzuführen, die das Plasma erzeugt. Die Elektroden sind deshalb ausreichend zu kühlen und so zu konstruieren, daß sie betriebsbeständig sind.

Eine bekannte Ausführungsform von Plasmabrennern hat stab- oder stiftförmige Kathoden, bei denen aus Materialien, wie thoriertem Wolfram, Elektronen auf Grund sogenannter thermischer Feldemission austreten können (USA.-Patentschrift 3 016447). Als Elektrodenwerkstoff wurde auch schon mit Siliziumnitrid beschichtetes Titankarbid in Betracht gezogen (Soviet Inventions Illustrated, Nr. 1, Oktober 1962, 7 Metallurgy — S. 7, Nr. 147266). Die Spitze der Kathode erwärmt sich dabei so weit, daß ein Teil der Elektronen thermisch, der andere Teil durch Feldemission, also durch hohe Feldstärke, im Kathodenfall des Lichtbogens emittiert wird. Der Wärmeabfuhr von einer solchen Kathode sind wegen der beschränkten geometrischen Abmessungen Grenzen gesetzt. Solche Kathoden lassen sich nur bis zu relativ kleinen Stromstärken belasten. Wird diese Grenze überschritten, schmilzt die Kathode ab, was eine kurze Lebensdauer bedingt. Die Verwendung der Wolframelektrode wurde dabei nicht zum Zwecke der Erhöhung der Stromstärke eingesetzt, weshalb auch der Hinweis fehlt, die Wolframelektrode in einem Temperaturbereich oberhalb 1000° C zu betreiben.

Es sind deshalb Plasmabrenner entwickelt worden, bei denen ein Lichtbogen zwischen ringförmigen Elektroden brennt und bei Gleichstrom oder Wechselstrom in einem transversalen Magnetfeld rotiert. Diese ringförmigen Elektroden sind bei den bekannten Plasmabrennern intensiv gekühlt, z. B. als wassergekühlte Kupferkathoden ausgebildet worden. Dafür muß ein schlechterer Wirkungsgrad des Plasmabrenners in Kauf genommen werden. Ferner Verfahren und Einrichtung zum Aufheizen von
Gasen in einem Plasmabrenner

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. Heinz Fröhlich, Erlangen

hat sich gezeigt, daß bei großen Stromstärken im Brennfleck das Material anschmilzt, was zu einer Verdampfung und einer Herabsetzung der Lebensdauer der Elektroden führt.

ao Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufheizen von Gasen in einem Plasmabrenner anzugeben, mit dem zur Leistungs-Steigerung bei Ringelektroden der Lichtbogenfußpunkt auf den Ringelektroden möglichst groß gehalag ten werden kann. Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß durch die starke Abkühlung der als Kathode wirkenden Elektrode der Lichtbogen sich im Gebiet des Kathodenfalls stark kontrahieren muß, um in einem kleinen Brennfleck in sehr kurzen Zeiten so hohe Temperaturen zu erreichen, daß auch thermische Emission stattfinden kann. Dabei erhitzt sich das Elektrodenmaterial bei großen Stromstärken wegen hoher Leistungsdichte in dem kleinen Brennfleck so weit, daß die Elektrode anschmilzt und Material verdampft.

Die geschilderten Schwierigkeiten werden gemäß der Erfindung mit einem Verfahren zum Aufheizen von Gasen in einem Plasmabrenner mit zwischen ringförmigen Elektroden in einem Magnetfeld rotie-

.₀ rendem Lichtbogen dadurch überwunden, daß die Elektroden aus einem Grundmaterial mit einem Schmelzpunkt über 1200° C und aus einem Zusatz von Stoffen bestehen, deren Elektronenaustrittsarbeit in einem Bereich von 0,15 bis 0,7 der Elektronenaustrittsarbeit des Grundmaterials liegt, und daß die Elektroden auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Elektroden und oberhalb 1000° C gekühlt werden.

Es wird also mit einer geringeren Kühlung gearbei-

So tet, so daß sich eine Elektrodentemperatur von mindestens 1000° C ergibt. Dazu wird mit hochschmelzendem Elektrodenmaterial gearbeitet. Durch die

709 707M75

Claims

Ausbildung als Ringelektroden ist für die Entstehung des Lichtbogenfußpunktes eine große Fläche, nämlich die Ringfläche, zur Verfügung gestellt. Bei den bekannten Stiftelektroden tritt dagegen das Problem der Vergrößerung des Lichtbodenfußpunktes in dieser Form nicht auf, da der Lichtbogen in jedem Falle an der Spitze ansetzt. Zur Erzielung einer großen Elektrodenleistungsbelastbarkeit durch einen großen Lichtbogenfußpunkt bei Ringelektroden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere das aufzuheizende Gas selbst als Kühlmittel dienen. Dafür und für die Gegenstände der weiteren einzelnen Unteransprüche wird kein selbständiger Schutz begehrt. Die weitere Erläuterung des Erfindungsgegenstandes soll an Hand eines Ausführungsbeispiels, bei dem zwischen ringförmigen Elektroden ein Gleichstromlichtbogen rotiert, vorgenommen werden. In der Zeichnung ist ein solcher Plasmabrenner schematisch in Längsschnitt dargestellt. Eine Spule 1 erzeugt ein Magnetfeld, dessen zum Lichtbogen 10 transversaler Feldlinienverlauf mit 2 angedeutet ist. Dieses Magnetfeld verursacht die Rotation des Lichtbogens. In einem Isolierkörper 3 für elektrische Isolierung und Wärmeisolation befindet sich eine zylindrische Elektrode 4, die z. B. für einen Gleichstromlichtbogen als Anode dienen soll und aus hochschmelzendem Stahl oder anderem Metall wie Wolfram, Molybdän, Tantal oder aus einer Legierung oder einem Sinterkörper aus hochschmelzenden Metallen bestehen kann. Außerdem eignen sich die leitenden Verbindungen dieser Metalle wie Karbide, Boride und Suizide. Durch einen oder mehrere isolierende Zentrierkörper 5, wie aus der Zeichnung ersichtlich mit Löchern versehen, wird die andere zylindrische und topfförmig abgeschlossene Elektrode 6, hier die Kathode, koaxial zur ersten Elektrode gehalten. Das Grundmaterial der Elektroden kann ein hochschmelzender, korrosionsfester Stahl mit einem Schmelzpunkt über 1200° C sein, dem für die Kathode Stoffe mit einer Elektronenaustrittsarbeit in einem Bereich von 0,15 bis 0,7 der Austrittsarbeit des Grundmaterials als Zusatz beigegeben sind. Solche Zusätze sind z. B. ThO2, K2O, BaO, SrO, UO3, UC, LaB6. Sie sollen maximal 20% der Masse des Grundmaterials ausmachen. Als Grundmaterial der Kathode eignet sich auch jedes andere für die Anode brauchbare Material. Durch die Rotation des Lichtbogens und die Geometrie der Elektrode läßt sich die mittlere Leistungsdichte so beschränken, daß auch bei größten Stromstärken die Elektroden weitgehend unversehrt bleiben, was eine lange Lebensdauer ergibt. Durch Wahl der Stärke des Magnetfeldes und der Bogenstromstärke, der Gasart bzw. des Gasdruckes läßt sich die Umlaufgeschwindigkeit des Lichtbogens in bekannter Weise einstellen. Das Magnetfeld kann durch Elektromagnete oder durch Permanentmagnete erzeugt werden. Für Betrieb mit einem Wechselstromlichtbogen ist es günstig, wenn das Material beider Elektroden die gleichen Bestandteile enthält. Bei einem Gleichstromlichtbogen kann die Anode auch nur aus hochschmelzenden Metallen oder Legierungen bestehen. Die Kühlung der Elektroden läßt sich bei Bedarf durch Wärmeabstrahlung über Kühlrippen an den Elektroden verstärken. Außerdem lassen sich auch sonst bekannte Kühlmittel einsetzen. Zwischen Kathode 6 und Anode 4 liegt ein ringförmiger Spalt, in dem der Lichtbogen 10 radial brennt. Am lichtbogenseitigen Ende ist die Kathode 6 in Form eines Lochkranzes 7 durchbrochen. Zut Bildung eines zweiten Kühlkanals ist die innere Elektrode (6) hohl ausgebildet. Durch den zylindrischen Hohlraum der Kathode 6 und im zylindrisch begrenzten Hohlraum zwischen Kathode und Anode 4, die zwei Kühlkanäle darstellen, strömt das durch den ίο Lichtbogen 10 zu erhitzende Gas, das bei 11 zugeführt wird. Die Strömung ist mit den Strömungspfeilen 12 angedeutet. Beim Entlangstreichen des Gases an den Elektrodenwänden wird jede Elektrode für sich gekühlt. Durch entsprechende Dosierung des Gasdurchsatzes kann die Arbeitstemperatur jeder Elektrode auf einen von der anderen Elektrode unabhängigen Wert eingestellt werden. Als zusätzliche Kühlmittel können z. B. wendeiförmige Kühlrohre 8 vorgesehen sein, durch die ein Kühlmittel, wie Was- »0 ser, geleitet werden kann. Beim Kühlen der Elektroden erwärmt sich das Gas, bis es zu dem Elektrodenringspalt gelangt, in dem der Lichtbogen brennt. Durch dosierte Kühlung läßt sich die mittlere Tem^ peratur der Elektroden in diesem Bereich unterhalb des Schmelzpunktes der Elektroden und oberhalb von 1000° C einstellen, wodurch sich ein hoher Wirkungsgrad des Plasmabrenners ergibt. Der um die Achse 9 rotierende Lichtbogen 10 überführt das vorerhitzte Gas in den Plasmazustand. Der Lichtbogen wird dazu mit bekannten Mitteln der Elektrodentechnik gespeist, auf deren Darstellung verzichtet ist. Im Ausführungsbeispiel brennt der Lichtbogen senkrecht zu seiner Rotationsachse. Die Erfindung ist auch auf Plasmabrenner anwendbar, deren Lichtbogen parallel zur Rotationsachse brennt. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen also insbesondere darin, daß durch brennfleckvergrößernde Maßnahmen bei Ringelektroden eine größere Leistungsbelastbarkeit der Elektroden des Plasmabrenners ermöglicht wird. Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufheizen von Gasen in einem Plasmabrenner mit zwischen ringförmigen Elektroden in einem Magnetfeld rotierendem Lichtbogen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus einem Grundmaterial mit einem Schmelzpunkt über 1200° C und aus einem Zusatz von Stoffen bestehen, deren Elektronenaustrittsarbeit in einem Bereich von 0,15 bis 0,7 der Elektronenaustrittsarbeit des Grundmaterials liegt, und daß die Elektroden auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Elektroden und oberhalb 1000⁰C gekühlt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung im wesentlichen nur das aufzuheizende Gas verwendet wird.

3. Plasmabrenner für das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial der Elektrode ein hochschmelzender korrosionsfester Stahl ist.

4. Plasmabrenner für das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Grundmaterial der Elektrode elektrisch leitende SiIizide, Karbide und Boride verwendet werden.