DE2927997C2

DE2927997C2 - Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen

Info

Publication number: DE2927997C2
Application number: DE2927997A
Authority: DE
Inventors: Michail Gerschenovitsch Leningrad Fridljand
Original assignee: GPNII NIKEL KOBALT OLOV PROMY
Current assignee: GPNII NIKEL KOBALT OLOV PROMY
Priority date: 1978-07-11
Filing date: 1979-07-11
Publication date: 1985-12-19
Also published as: CS210354B1; AU4932679A; SE446316B; US4317984A; SE7905971L; FR2431240A1; FR2431240B1; AU529680B2; DE2927997A1; CA1137443A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

— die !einführung des Oxidationsmittels im Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt (n), bei dem der in die Elektrode (2,3), an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, eintretende Wärmestrom (Q) seinen maximalen Wert erreicht, bis zu dem Zeitpunkt (r₃), an dem der Wärmestrom (Q) einen statinären Wert angenommen hat, begonnen wird, und daß

— in Abhängigkeit von der chemischen Affinität des Oxidationsmittels zur kohlenstoffhaltigen Verbindung die letztere in einer Menge von (0,5 · 10-3)//jI/As bis (6 · 10-ψπ l/As eingeführt wird, wobsi η du Zahl der Atome des Kohlenstoffs in der verwendeten kohlenstoffhaltigen Verbindung ist.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einführung des Oxidationsmittels in Form von Sauerstoff oder Luft dieses in Jner Menge von 0,4 bis 03 Volumenanteilen der Mengen zugeführt wird, die theoretisch der vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nachdem der Wärmestrom (QJ den stationären Wert erreicht hat, das Oxidationsmittel in Form von Sauerstoff oder Luft in einer Menge eingeführt wird, die kleiner ist als 0,4 Volumenanteile der Menge, die theoretisch der vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einführung des Oxidationsmittels in Form von Kohlendioxid dieses in einer Menge zugeführt wird, die die theoretisch der vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entsprechende Menge volumenmäßig um das 1,05- bis 2^fache überschreitet.

5. Verfahren nach Ansprugh 1, dadurch gekennzeichnet, daß nachdem der Wärmestrom (Q)den stationären Wert erreicht hat, das Oxidationsmittel in Form von Kohlendioxid in einer Menge eingeführt wird, die kleiner ist als 1,05 Voiumenanteile der Menge, die theoretisch der vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.

b. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ansteigen des Wärmesiroms (Q) um 10 bis 15% über den stationären Wert das Oxidationsmittel in Form von Sauerstoff oder Luft in einer Menge von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen der Menge zugeführt wird, die theoretisch der vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht

7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ansteigen des Wärmestroms (Q) um 10 bis 15% über den stationären Wert das Oxidationsmittel in Form von Kohlendioxid in einer Menge zugeführt wird, die die theoretisch der vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entsprechende Menge volumeni.jäßig um ίο das 1,05- bis ZSfache überschreitet

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel (15) und das kohlenstoffhaltige Verbindungen enthaltende plasmabildende Gemisch (6) getrennt in den Raum (1) zwi-

If sehen den Elektroden (2, 3) eingeführt werden, wobei die kohlenstoffhaltigen Verbindungen unmittelbar in die Zone eingeführt werden, die mit der Arbeitsoberfläche einer der Elektroden (2, *,) in Kontakt ist

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführung des Oxidationsmittels zu einem Zeitpunkt (Γ2) beginnt, bei dem sich der Wärmestrom (Q) von seinem maximalen Wert um 10% vermindert hat

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Verfahren ist aus der US-PS 33 07 011 bekannt,

Derartige Verfahren werden insbesondere beim Schmelzen von Erzen, Schmelzen, Umschmelzen. Schneiden und Schweißen von Metallen sowie beim Auftragen von Überzügen angewendet.

Um die Anwendung der Plasmabearbeitung in der Metallurgie zu ermöglichen, und damit die Plasmabearbeitung mit dem traditionellen jnrometallurgischen Verfahren erfolgreich konkurrieren kann, ist die Erfüllung einer Reihe von Bedingungen erforderlich. Dazu gehören insbesondere:

1. Verwendung von plasmabildenden Gemischen aus billigen, in ausreichender Menge verfügbaren und zu chemischen Reaktionen mit den zu bearbeitenden Werkstoffen fähigen Gasen, in erster Linie kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Gasen, die das Ablaufen von Reduktionsreaktionen in den Schmelzen gewährleisten.

2. Gewährleistung eines über lange Zeiträume zuverlässigen Betriebs sämtlicher Elemente der entsprechenden Lichtbogeneinrichtungen, in erster Linie der besonders wärmebeanspruchten Elektroden, bei Strömen von mehr als 500 Ampere und einer Leistung von mehreren hundert Kilowatt.

Aus der DE-PS 12 06 531 ist ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen bekannt, das die liinführung eines plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogencinrichtiing vorsieht, das aus Wasserstoff mit einem Zusatz von Kohlenwasserstoffen bei einem Verhältnis der Anzahl der Atome des Kohlenstoffs zu denen des Wasserstoffs

b·) von 1 : 6 bis 1 : 25 besteht. Das pla.smabildemle Gemisch wird dem Bereich der Brennzonc des elektrischen Lichtbogens in einer hohlen Katode bei einem Verhältnis der Betriebsspannung (in Voll) zum Betricbsstrom (in Am-

pere) von 5 bis 15 zugeführt.

Infolge der Ablagerung einer dünnen Kohlenstoffsehieht an der Arbeitsoberfläche der Katode beim Brennen des Lichtbogens unmittelbar hinter dem Katodenfallgebicl dieses Verfahrens ermöglicht eine Erhöhung der Standzeit der Katode vcn 30 Sekunden auf bis zu 100 Stunden bei einem Strom von 100 Ampere und einer Lichtbogcnleistung von 100 Kilowatt.

Die Anwen-Jdng dieses Verfahrens ist jedoch begrenzi. da das plasmabildende Gemisch nur aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen zusammengesetzt sein kann.

Außerdem kann dieses Verfahren bei einer Reihe von technologischen Vorgängen nicht verwendet werden, /.. B. nicht beim Schweißen, Schneiden und Schmelzen von elektrisch leitenden Werkstoffen, die eine Lokalisierung der elektrodennahen Gebiete erfordern, wenn sich eines von ihnen auf dem zu bearbeitenden Werkstoff befindet.

Schließlich kann bei diesem Verfahren der Strom des elektrischen Lichtbogens einen Wert in der Größenordnung von 100 Ampere nicht überschreiten, während zum stabilen Zünden und Brennen des elektrischen Lichtbogens eine elektrische Speisequelle mit einer Spannung von mindestens 100 Volt erforderlich ist, wodurch die industrielle Anwendung dieses Verfahrens begrenzt ist.

Das eingangs genannte, aus der US-PS 33 07 011 bekannte Verfahren sieht die Einführung eines p'asmabildcndcn Gemisches in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogcncinrichtung vor, das kohlenstoffhaltige Verbindungen, die aus der Klasse der Kohlenwasserstoffe oder des Kohlenmonoxids gewählt sind und beim Brennen des elektrischen Lichtbogens einen Niederschlag von Kohlenstoff mindestens an einer der Elektroden gewährleisten, und das in bezug auf den Werkstoff der Elektroden inerte Gase enthält.

Als Gase, die in bezug auf den Werkstoff der Elektroden inert sind, werden z. B. Argon oder Helium, wenn die Elektrode aus Kohlenstoff, Kupfer oder Aluminium gefertigt ist, oder Stickstoff oder Luft, wenn die Elektrode aus Kupfer besteht, verwendet.

Dieses Verfahren gestattet es, die Erosion der Elektroden herabzusetzen und dadurch deren Standzeit bei stabilem Zünden und Brennen des elektrischen Lichtbogens bei Strömen von 400 bis 1000 Ampere zu erhöhen.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß sich kein Gleichgewicht zwischen der Menge des sich εη der Arbeitsoberfläche niederschlagenden Kohlenstoffs und der Menge des von dieser Oberfläche abgetragenen Kohlenstoffs einstellt, d. h. daß die Elektroden nicht ständig unicr Beibehaltung konstanter Parameter erneuert werden. Das Gewicht der Elektroden nimmt entweder stets ab (die Elektroden erodieren) oder stets zu (die Abmessungen der Elektroden wachsen an). Im ersten Fall wird die Elektrode letzten Endes zerstört, im /weiten Fall wird die Lokalisierung des Katodenfallgebicts an der Arbeitsoberfläche der Elektrode ausgeschlossen, was zu einer Störung des stabilen Brennens des elektrischen Lichtbogens führt.

Außerdem kann mit diesem Verfahren keine hohe Güte des Plasmaschweißens, -schneidens und ähnlicher technologischer Bcarbeitungsvorgänge an elektrisch leitenden Werkstoffen erzieh werden, weil dabei Lichtbogeneinrichtungon mit Elektroden verwendet werden müssen, die entweder hohl (aus Kupfer) oder in Form von Blöcken (aus Kohlenstoff) gefertigt sind, was die Möglichkeit der Lokalisierung der Lichtbogensäule bzw. des Plasmastrahls an der Bearbeitungsstelle ausschließt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine ständige Erneuerung der Elektrode aus dem plasmabildenden Gemisch erfolgt und ein dauernder und sicherer Betrieb der Elektroden der Lichtbogeneinrichtung bei stabilem und stetigem Zünden und Brennen des elektrischen Lichtbogens und eine hohe Bearbeitungsgute der Werkstoffe sichergestellt ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichenden Merkmalen des Patentsanspruchs 1 gelöst.

Der Beginn der Einführung des Oxidationsmitteis in den Raum zwischen den Elektroden während eines bestimmten Zeitintervalls, das nach dem in die eine der Elektroden eintretenden Wärmestrom bestimmt wird, gewährleistet eine ständige Erneuerung der Elektroden, an denen sich beim Brennen des elektrischen Lichtbogens der Kohlenstoff niederschlägt.

Die (im Fall der Katode emittieren;'!·) Arbeitsoberfläche aus Kohlenstoff wird nach dem Durchgang des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms durch das Maximum formiert, wenn zur Arbeitsoberfläche eine Schicht wird, die der sich aus dem plasmabildenden Gemisch niederschlagende Kohlenstoff bildet. Gerade von diesem Moment an ist die Zuleitung des Oxidationsmittels in das plasmabildende Gemisch ohne Gefahr einer Zerstörung der Elektrode möglich.
Also bleiben bei einem Beginn der Einführung des Oxidationsmittels in den Raum zwischen den Elektroden im Zeitintervall vom Moment an, wenn der in die eine der Elektroden, an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht, bis zu dem Moment, wenn sich der genannte Wärmestrom auf den stationären Wert reduziert, die Abmessungen der Elektrode im Laufe der gesamten Zeitdauer der Plasmabearbeitung konstant, wodurch eine hohe Stabilität des elektrischen Lichtbogens bei einer theoretisch unbegrenzten Standzeit der Elektrode gewährleistet wird.

Dabei wird die Katode bei der Festlegung des Zeitintervalls für die Einführung des Oxidationsmittels bevorzugt, da der Niederschlag von Kohlenstoff an der Arbeitsoberfläche der Katode praktisch mit der Zündung des elektrischen Lichtbogens beginnt, während der Niederschlag von Kohlenstoff an der Arbeitsoberfläche der Anode erst später, nach Ablauf einer Zeit, die mit einigen zehn Sekunden bemessen wird, einsetzt. Dies bezieht sich auf den Gleichstromlichtbogen. Im Falle eines

so Wechselstromlichtbogens befinden sich alle Elektroden hinsichtlich des Niederschlags von Kohlenstoff unter gleichen Bedingungen, da jede von ihnen entsprechend der Kommutierung des Stroms periodisch mal als Katode, mais als Anode dient.

Eine Einführung -es Oxidationsmittels in den Raum zwischen den Elektroden, bevor der in die Elektrode eintretende Wännestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, führt zn einer intensiven Erosion der Elektrode, da bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht die ganze

so Arbeitsoberfläche der Elektrode mit einer Schicht aus Kohlenstoff überzogen ist, der den direkten Kontakt des Oxidationsmitteis mit dieser Oberfläche verhindert.

Ein Beginn der Einführung des Oxidationsmittels

nach dem Zeitpunkt der Abnahme in die Elektrode ein-

■35 tretenden Wärmestroms auf den stationären Wert ist nicht zweckmäßig, da sich von diesem Moment an am Umfang der mit der Kohlenstoffschicht überzogenen Arbeitsoberfläche der Elektrode überschüssiger Koh-

lenstoff niederschlägt. Durch die Vergrößerung der Abmessungen des Kohlenstoffgebildes steigt die Labilität des sich dieser Elektrode anschließenden Bereichs des elektrischen Lichtbogens.

Das führt einerseits zu einer Verschlechterung der Bearbeitungsgüte, besonders bei maßhaltiger Bearbeitung (Schweißen, Schneiden, Auftragsschweißen), und andererseits zum möglichen Erlöschen des elektrischen Lichtbogens.

Erfindungsgemäß wird die kohlenstoffhaltige Verbindung in einer Menge von

0,5 · 10-^J ... . . 6 · 10-³ ... —■ l/As bis l/As

eingeführt. Bei einer geringeren chemischen Affinität, die durch die freie Energie der Bildung entsprechender Produkte bei der Reaktion kohlenstoffhaltiger Verbin-

ι/ i__ _i_„

uiiu/uu<;f uca

o πια uciii

mittel gekennzeichnet ist. werden dabei die kohlenstoffhaltigen Verbindungen in einer der unteren Gren/c, d. h.

naheliegenden Menge, und bei einer größeren chemischen Affinität in einer der oberen Grenze, d. h.

6 ■ 10"³

l/As.

naheliegender Menge eingeführt.

Bei einer Einführung der kohlenstoffhaltigen Verbindungen in einer Menge unter

0.5

l/As

wird die Elektrode zerstört, weil die Menge des sich auf der Elektrode niederschlagenden Kohlenstoffs für die ständige Erneuerung dieser Elektrode unzureichend ist. Bei einer Einführung der kohlenstoffhaltigen Verbindungen in einer Menge über

6 ·

■I/As

würden die Abmessungen der Elektrode unbegrenzt ansteigen, was zu einer Störung sowohl der Stabilität und Beständigkeit des Brennens des elektrischen Lichtbogens als auch c^r Bearbeitungsgüte der Werkstoffe führt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen gewährleistet eine ständige Erneuerung der Elektroden der Lichtbogeneinrichtung aus dem plasmabildenden Gemisch. Dies gestattet es wiederum, kontinuierliche Vorgänge der Plasmabearbeitung, in erster Linie metallurgrische, ohne Abschaltung des elektrischen Lichtbogens und Unterbrechung des Vorgangs für das Auswechseln von Elektroden durchzuführen. Die Folge ist eine Herabsetzung der Kosten und eine Verbesserung der Güte der Plasmabearbeitung und eine Einsparung an kostspieligen Werkstoffen für die Elektroden, wie z. B. von Wolfram, Molybdän, Hafnium. Zirkonium, da diese durch billigen Graphit ersetzt werden können.

Die Möglichkeit der Verwendung von plasmabildcnden Gemischen, die neben Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmonoxid auch Kohlendioxid enthalten, gestaltet es, in das Verfahren auch das Plasmaschweißen von Konstruktionsstählen in K.ohlcndioxidmediiim, das eine von den besonders verbreiteten Arten der Plusmabcarbeitung ist, einzubeziehen.

Die mögliche Verwendung von Abgasen ilcr chemisch-metallurgischen Produktion, die Kohlenmonoxid, Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf!.· enthüllen, erhöht einerseits die wirtschaftliche Effektivität dos

ίο Verfahrens dank der Verwertung kostenloser Abgase und vermindert andererseits die Umweltbelastung durch eben diese Abgase.

Die Unteransprüchc 2 bis 9 beschreiben vorteilhafte Maßnahmen und Weiterbildungen des erfindungsgenni· Ben Verfahrens.

Das Über- bzw. Unterschreiten der in den Ansprüchen 2 und 4 angegebenen Grenzen im Zeitintervall während der Verminderung des in die Elektrode eintreietiuen Wärmcstrortis vom maximalen auf den siaiioiiii ren Wert führt zu einer Störung des Gleichgewichts /wischen dem Niederschlag und der Abtragung des Kohlenstoffs an der Arbeitsoberfläche der lilektrmle.

Der durch den sich niederschlagenden Kohlenstoff gebildete Arbeitsbereich der Elektrode wird infolge eines Mangels an Kohlenstoff entweder intensiv /erstört, wenn die Menge des Oxidationsmittels die obere Grenze der angegebenen Bereiche überschreitet, oder es beginnt t.-ne Vergrößerung seiner Abmessungen bei Verminderung der Menge des Oxidationsmitels unterhalb der unteren Grenze dieser Bereiche.

Nachdem der in die Elektrode eintretende Warniestrom den stationären Wert erreicht hat, ist gemäß den Maßnahmen der Ansprüche 3 und 5 eine Verminderung der Menge des Oxidationsmitels im plasmabildcndcn Gemisch unterhalb des Werts von 0,4 Volumenanieilen von der Menge, die der theoretisch vollständigen KonygrciQn yofj Kohlsnwssserstoffsii be! der Verwendung von Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel entspricht, oder unterhalb des Werts von 1,05 Volumenanteilen von der Menge, die theoretisch der vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe bei der Verwendung von Kohlendioxid als Oxidationsmittel entspricht, möglich.

Dabei wird mit den Maßnahmenen der Ansprüche b und 7 eine Vergrößerung der Abmessungen des Arbeitsbereichs der Elektrode, die durch eine Vergrößerung des in dieselbe eintretenden Wärme.stroms begleitet wird, mittels einer wiederholten kurzzeitigen Vergrößerung des Gehalts des Oxidationsmittels im plasmabildenden Gemisch bis auf einen Wert von 0,4 bis 0,9 Volumenanteile (Oxidationsmittel ist Sauerstoff oder Luft) oder von 1.05 bis 2,5 Volumenanteile (Oxidationsmittel ist Kohlendioxid) der Menge, die der theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen im Gemisch entspricht, bei einer Vergrößerung des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms um 10% bis 15% über den stationären Wert, der bei sonst gleichen Begingungen der Stromstärke dieses elektrischen Lichtbogens entspricht, verhindert.

Eine solche Einhaltung des Vorgangs ermöglicht die Durchführung der Plasmabearbeitung, wenn das Gasmedium im Bearbeitungsbereich möglichst reduzierend sein soll, d h, wenn eine maximale Menge von Kohlenwasserstoffen und Pyrolyseprodukten enthalten sein muß, wie z. B. beim Reduktionsschmelzen von Metallen.

Die getrennte Einführung des Oxidationsmittels und der kohlenstoffhaltigen Verbindungen nach Anspruch 8 gestattet es, den Betriebszustand jeder der I-lekiroden separat zu regeln, was bei der Bearbeitung von Werk-

Stoffen mil einem Plasmasirahl besonders wichtig ist, wenn sämtliche Elektroden einer Lichtbogeneinrichtung unter irgendeinem Potential stehen (im Fall des Glcichstromlichtbogcns unter dem jeweiligen Potential der Katode und der Anode) und demzufolge unter unterschiedlichen Bedingungen wirken.

Die Frfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestchicM Ausführungsbcispiele näher erläutert: Es zeigt

F i g. I den Längsschnitt einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von vorzugsweise nicht elektrisch leitenden Werkstoffen mit Hilfe eines beim Brennen eines elektrischen Lichtbogens zwischen den Elektroden einer Lichtbogeneinrichtung erhaltenen Plasmastrahls;

l^; i g. 2 den Längsschnitt einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von vorzugsweise elektrisch leitenden Werkstoffen mit einem herausgetragenen Lichtbogen, wenn als eine der Elektroden der zu bearbeitende Werkstoff dient;

I" i g. 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Wertes des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms von der Brenndauer des elektrischen Lichtbogens charakterisiert;

F i g. 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Wertes des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms von der Brenndauer des elektrischen Lichtbogens zeigt und ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen illustriert;

F i«;. 5 den Längsschnitt einer weiteren Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen.

Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß der in die Elektroden einer Lichtbogeneinrichtung eintretende Wärmestrom grundsätzlich abhängig davon ist. ob im plasmabildenden Gemisch kohlenstoffhaltige Verbindungen enthalten sind oder nicht, bei deren Zersetzung im elektrischen Lichtbogen Kohlenstoff ausgeschieden wird, der sich an den Elektroden niederschlägt.

Beim Fehlen solcher Verbindungen erreicht der in die Elektroden eintretende Wärmestrom einen bestimmten Wert beim Zünden des elektrischen Lichtbogens und steigt bei gleichbleibender Stromstärke weiter mit einer Geschwindigkeit an, die von der Zusammensetzung des plasmabildcndcn Gemisches, dem Werkstoff und den geometrischen Abmessungen tier Elektroden abhängt. Der Anstieg des Wärmestroms ist durch die Erosion der Elektroden bedingt. Diese Erscheinung macht sich besonders ausgeprägt an der Katode der Lichtbogeneinrichiung bemerkbar.

Ein minimaler zeitlicher Anstieg des in die Katode eintretenden Wärmestroms und also auch eine minimale Erosion wird für Wolframkatoden in einem Edelgas, z. B. Argon, beobachtet Der Anstieg des in die Katcde eintretenden Wärmestroms und die Erosion der Katode erreichen jedoch für die gleiche Wolframkatode in chemisch aktiven Gasen, z. B. in Sauerstoff oder Luft, katastrophale Ausmaße.

In Anwesenheit von aus der Klasse der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenmonoxids ausgewählter kohlenstoffhaltiger Verbindungen im plasmabildenden Gemisch entsteht beim Brennen des elektrischen Lichtbogens infolge der Zersetzung (Pyrolyse und Dissoziation) dieser Verbindungen neben anderen Komponenten auch freier Kohlenstoff:

— nC + (n+\)H₂

2CO-CO₂H-C
CO-C + O

Die Zersetzung (Pyrolyse) von Kohlenwasserstoffen, insbesondere der Grenzkohlenwasserstoffe nach Formel (1), erfordert nur einen geringen Energieaufwand (z. B. für Methan CH₄ = 7 · 10" J/mol). Deshalb läuft die Zersetzung bereits bei relativ niedrigen Temperaturen vollständig ab (für Methan -1200°C).

Die Zersetzung (Dissoziation) von Kohlenmonoxid nach Formel (2) läuft desebenso im Bereich mäßiger Temperaturen ab, was dadurch gekennzeichnet wird, daß sowohl die Gleichgewichtskonstante Kc, dieser Reaktion

Pco, Pco

wobei

Pco, und Pco die Partialdrücke des Kohlendioxids bzw. Kohlenmonoxids im plasmabildenden Gemisch sind,

als auch entsprechend der Logarithmus \gKc dieser Konstante,

^rco

wobei

T die Temperatur des Gasgemisches ist,

mit Erhöhung der Temperatur steil abfallen.

Die Dissoziation von Kohlenmonoxid nach Formel

(3) erfolgt dagegen im Bereich hoher Temperaturen, worauf die Vergrößerung der Gleichgewichtskonstante um viele Größenordnungen in diesem Bereich hinweist:

Kr.

Pc P<

ο .

hierin sind Pc, Po. Pco die Partialdrücke des Kohlenstoffs, des atomaren Sauerstoffs und des Kohlenmonoxids im plasmabildenden Gemisch.

Der freie Kohlenstoff aus dem plasmabildenden Gemisch schlägt sich an den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung nieder, wobei der Kohlenstoff überwiegend in Form positiv geladener Ionen an die Katode gelangt. Da die Arbeitsoberfläche der Elektrode (für die Katode ist das ihre emittierende Oberfläche) mit einer Kohlen-Stoffschicht überzogen wird, beginnt der in die Elektrode eintretende Wärmestrom, der bei der Zündung des elektrischen Lichtbogens seinen vom Bogenstrom abhängenden maximalen Wert erreicht hat, in der Folge abzufallen. Gerade das unterscheidet den elektrischen Lichtbogen, in dessen plasmabildendem Gemisch Kohlenstoff vorhanden ist, der die Fähigkeit besitzt, sich an den Elektroden niederzuschlagen, vom elektrischen Lichtbogen mit einem plasmabildenden Gemisch, das solchen Kohlenstoff nicht enthält.

Die Verminderung des Wärmestroms dauert so lange an, bis die ganze Arbeitsoberfläche der Elektrode mit Kohlenstoff überzogen ist Beim weiteren Brennen des elektrischen Lichtbogens ändert sich der in die Elektrode eintretende Wärmestrom, nachdem er einen bestirnnHen stationären Wert, der von der Stromstärke abhängt, erreicht hat, weiterhin mit der Zeit so lange nicht bis die Abmessungen der durch den sich aus dem plasmabildenden Gemisch niederschlagenden Kohlen-

stoff gebildeten Arbeitsoberfläche der Elektrode so stark anwachsen, daß erneut ein Anstieg des Wärmestroms beginnt.

So bildet sich z. B. im Fall einer Katode am Umfang der (emittierenden) Arbtitsoberfläche, die den aus dem plasmabildenden Gemisch niedergeschlagenen Kohlenstoff umfaßt und die tatsächliche Katode der Lichtbogeneinrichtu-.g darstellt, ein in seinen Abmessungen wachsendes Kohlenstoffgebilde in Form einer Krone aus. Mit dem Wachsen dieses Gebildes steigt auch die Labilität des sich an die Kaiode anschließenden Abschnitts des elektrischen Lichtbogens an. Das führt zu einer Störung der Lokalisierung dieses Abschnitts und zur Vergrößerung des in die Katode eintretenden Wärmestroms.

Der elektrische Lichtbogen wird instabil und erlischt schließlich.

In der Regel geht diesem ein Anstieg des in die Katode eintretenden Wärmestroms um mehr als 15% im Vergleich mit dem stationären Wert des Wärmestroms voraus, der bei sonstigen gleichen Bedingungen durch die Stromstärke des elektrischen Lichtbogens bestimmt wird.

Es wurde festgestellt, daß es zweckmäßig ist, das Oxidationsmittel nicht gleich einzuführen, sondern erst dann, wenn sich der in die Elektrode eintretende Wärmestrom, nachdem er den maximalen Wert erreicht hat, von diesem maximalen Wert um 10% vermindert hat.

Bei der Wahl der Beziehungen zwischen don Kohlenwasserstoffen und dem Oxidationsmittel in Form von Sauerstoff oder Luft bzw. zwischen den Kohlenwasserstoffen und dem Oxidationsmitel in Form von Kohlendioxid in dem plasmabildenden Gemisch wurde von folgenden Voraussetzungen ausgegangen:

Erstens muß das plasmabildende Gemisch zwecks Ermöglichung der Existenz von Kohlenstoff in freiem Zustand, der die ständige Erneuerung der Elektrode gewährleistet, in der Zone seines Kontakts nut der Elektrode, an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, einen gewissen Mangel an Oxidationsmittel aufweisen. Besonders einfach können solche Gemische durch Konversion der Kohlenwasserstoffe mittels Oxidationsmitteln erhalten werden.

Zum Beispiel läuft die Konversion von Grenzkohlenwasserstoffen durch verschiedene Oxidationsmittel nach folgenden Reaktionen ab:

= nCO + (n+\)H₂

(7)

50

Cn H_2n+2+ /7 CO₂ = 2nCO + (n+\)H₂ (8)

C_nH_2n+2-HnH₂O = η CO+(2 n+ I)H₂ (9)

Wenn man den Volumenverbrauch des Oxidationsmittels, der zur theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen des Gemisches erforderlich ist, als eins annimmt, so wird bei einem gewissen Mangel an Oxidationsmittels die Konversionsreaktion nicht vollständig ablaufen, und es wird im Gemisch neben CO ω und H₂ auch der zur ständigen Erneuerung der Elektroden erforderliche Kohlenstoff vorhanden sein.

Zweitens ist bekannt, daß in jedem sich in einem Volumen befindenden nichthomogenen Gasgemisch unter Einwirkung von Zentrifugalkräften und Temperatur- «■: gradienten eine mechanische und thermodiffuse Verteilung der Komponenten des Gemisches erfolgt. Dabei verteilen sich die Gase entsprechend ihren Molekulargewichten: die Peripherie und die kälteren Bereiche des Volumens wer Jen mit schwereren Gasen angereichert, während das Zentrum und die wärmeren Bereiche mit leichteren Gasen angereichert werden.

In jedem elektrischen Lichtbogen wird beim Vorhandensein von bedeutenden Tcmpcralurgradienien, die bei seiner Stabilisierung in der Lichtbogeneinrichiung steil ansteigen, stets eine chemische Nichthoniogenität des plasmabildenden Gemisches über den Querschnitt und die Länge des elektrischen Lichtbogens beobachtet. Gase mit hohen Molekulargewichten werden an die Periphere des elektrischen Lichtbogens und Gase mit geringeren Molekulargewichten zu seiner Achse verdrängt, was unterschiedliche Funktionsbedingungen der Lichtbogensäule und der elektrodennahen Bereiche des elektrischen Lichtbogens bedingt.

In Gemischen mit Kohlenwasserstoffen haben sowohl der Sauerstoff als auch die Luft und das Kohlendioxid, die als Oxidationsmittel verwendet werden, höhere Molekulargewichte als der Kohlenstoff, dessen Molekulargewicht gleich 12 ist, während es bei Luft 29. bei Sauerstoff 32 und bei Kohlendioxyd 44 ist.

Entsprechend den Beziehungen zwischen den Molekulargewichten der Oxidationsmittel und des Kohlenstoffs wird das Oxidationsmittel an die Peripherie der Lichtbogensäule verdrängt, während der Mittelteil der Säule mit Kohlenstoff angereichert wird.

Die Intensität dieser Trennung wird mit dem Anstieg des Lichtbogenstroms und der Vergrößerung der Zufuhrgeschwindigkeit des plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung infolge einer Vergrößerung der Temperaturgradienten und der Drücke in dem durch die Zwischenelektrodenstrecke begrenzten Gasvolumen erhöht.

Bei Verwendung von leichteren Oxidationsmitlein wie Sauerstoff oder Luft liegt ihre Menge im plasmabildcnden Gemisch in den Gren/.cn von 0.4 bis 0,9 Voiumenantcilen von der Menge, die theoretisch /ur vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe des Gemisches erforderlich ist; sie verschiebt sich mit der Vergrößerung der Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und des Verbrauchs (der Zufuhrgeschwindigkeit) des plasmabildenden Gemisches im Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung zur oberen Grenze.

Bei Verwendung eines schwereren Oxidationsmittels wie Kohlendioxid muß dessen Menge im Gemisch volumenmäßig um das 1,05- bis 2,5fache die Menge überschreiten, die theoretisch der vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe des Gemisches entspricht: sie verschiebt sich gleichfalls mit der Vergrößerung der Stromsiärke des elektrischen Lichtbogens und des Verbrauchs des plasmabildenden Gemisches zur oberen Grenze.

Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß in einer Re!he von Fällen sogar bei Einhaltung der Beziehungen zwischen den Mengen der kohlenstoffhaltigen Verbindungen und des Oxidationsmittels im plasmabildenden Gemisch kein Betriebszustand der ständigen Erneuerung der Elektrode beobachtet wird. Das geschah unabhängig vom Stromwert des elektrischen Lichtbogens bei geringer Zufuhr von kohlenstoffhaltigen Verbindungen (unterhalb 1/As), wobei die

Elektrode zerstört wurde, und bei hoher Zufuhr an solchen Verbindungen (über

b ■ 10-5

I/As), wobei die Abmessungen des Arbeitsabschnitts der Elektrode unbe-

grenzt vergrößert und die Stabilität des elektrischen Lichtbogens gestört wurden.

Zur Festlegung der Wege zur Bekämpfung dieser Erscheinung wurde die Tatsache ausgenutzt, daß der Niederschlug des Kohlenstoffs an der Katode im Gleichsiionilichtbogen die ganze Zeit und an der Elektrode im Wechselst mmliehtbogcn periodisch, und zwar während der Zeitabschnitte, während deren sie als Katode wirkt, in Form von positiv geladenen Ionen geschieht und dem /weilen l'araday.schen Gesetzt für die Elektrolyse folgt.

Entsprechend diesem Gesetz ist die Menge G des an der Elektrode niedergeschlagenen Kohlenstoffs dem chemischen Äquivalent A, dadurch gekennzeichnet, daß Λ -■ 12 des einmalig ionisierten einatomigen Kohlenstoffs, der Stromstärke /und der Zeit rdcsStromdurchflusses proportional, d. h.

,. 12

worin /·' die raraday-Konstante ausdrückt, die gleich 4,6¹J ■ WOGrammäquivalent ist.

Durch Einsetzen des Werts Fin Formel (10) wird erhallen

C,

12

9,b5 · 10*

Ir = 1,243 · 10-"/rg/As

dep.den Gemisch, die dem Durchfließen des vorgegebenen Stroms entspricht, der Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindung, bei dem der Betrieb der Elektrode im Zustand einer ständigen Erneuerung gewährleistet wird, in den Grenzen von

1 · 10-³... .. b · Kr³...
l/As bis l/As

Das gestaltet es. den Verbrau·.h der kohlenstoffhaltigen Verbindung, d. h. der Kohlenstoffquelle, die den Ionenstrom zur Elektrode gewährleistet, mit dem Strom des elektrischen Lichtbogens zu verbinden und bei Kenntnis der Menge von Kohlenstoff in dieser Verbindung theoretisch den Verbrauch zu bestimmen, der zum Durchfluß des vorgegebenen Stroms erforderlich ist.

Der Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindungen unterscheidet sich 'edoch in der Ργηχϊξ, wie Exⁿerimcntc gezeigt haben, vom theoretisch berechneten Verbrauch und hängt auch von der chemischen Natur des in das plasmabildcndc Gemisch eingeführten Ox^; tionsmittcls ab.

Das erklärt sich damit, daß ein Teil der kohlenstoffhaltigen Verbindung und/oder des freien Kohlenstoffs mil dem sich im plasmabildenden Gemisch befindenden Oxidationsmittel reagiert und zu chemischen Verbindungen (CO. C₅H₂, CO₂. C. HC. C₂H₂ usw.) gebunden wird, wodurch er sich an der Elektrode nicht mehr niederschlagen und die tatsächliche Kohlenstoffelektrode nicht formieren kann.

F.S ist bekannt, daß in Gemischen, die aus chemisch zusammenwirkenden Komponenten bestehen, die Möglichkeit der Bildung dieser oder jener Reaktionsprodukte durch das isobar-tsothermische Potential (Gibbs-Energie) oder durch die chemische Affinität dieser Komponenten bestimmt wird.

In den in Betracht gezogenen plasmabildenden Gemischen ist eine chemische Zusammenwirkung sownhl der in diese eingeführten kohlenstoffhaltigen Verbindungen (CO, CH4 und anderer Kohlenwasserstoffe) als auch des freien Kohlenstoffs C mit dem gleichfalls in dieses Gemisch eingeführten Oxidationsmittel möglich.

Thermodynamische Berechnungen zeigen, daß die chemische Affinität sowohl der kohlenstoffhaltigen Verbindungen als auch des Kohlenstoffs sich beim Obergang von O2 zu CO2 vermindert Auf Grund dieser theoretischen Voraussetzung und experimenteller Untersuchungen wurde der Schluß gezogen, daß zur Sicherstellung einer Menge des freien Kohlenstoffs im plasmabilliegen soll, wobei η die Zahl der Atome des Kohlenstoffs in einem Molekül der entsprechenden kohlenstoffhaltigen Verbindung ist.

Bei Verwendung eines Oxidationsmittels mit geringerer chemischer Affinität zur kohlenstoffhaltigen Verbindüng und/oder zum Kohlenstoff sowie bei einer Vergrößerung der Rolle von Einflußfaktoren, die zu einer stärkeren Trennung der Komponenten des Gemisches nach ihren Molekulargewichten führen (Erhöhung der SiröüiSiäike des elektrischen Lichtbogens und Sieigtrung der Einführungsgeschwindigkeit des plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung), wird der Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindungen näher an der unteren Grenze des genannten Bereichs und bei umgekehrten Bedingungen näher an dessen oberer Grenze genommen.

Das Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen wird anhand der Fig. 1 dargestellten Einrichtung erläutert.

In den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 der einer Gleichstromquelle 4 zugeschalteten Lichtbogeneinrichtung wird durch eine Buchse 5 ein plasmabildendes Gemisch 6 eingeführt, das kohlenstoffhaltige Verbindungen in Form von Kohlen-Wasserstoffen und/oder Kohlenmonoxid enthält. Es wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen der Katode 2 und der hohlen Anode 3 °ezündet. !n ein Rohr 7. das im Innern eines Katodenhalters 8 angeordnet ist, und in den Kühlhohlraum 9 der Arode 3 wird Kühlflüssigkeit zugeführt.

Danach wild die zeitabhängige Änderung des in die Katode 2 eintretenden Wärmestroms überwacht. Diese Überwachung erfolgt z. B. nach dem Wert der Tl srmo-EMK, die der Temperaturdifferenz der Kühlflüssigkeit an ihrem Austritt aus dem Hohlraum des Katodenhalters 8 und am Eintritt in das Rohr 7 proportional ist. Die Temperaturdifferenz wird mit Hilfe eines vorher geeichten Differeniiahhermoelementes registriert. Die genannte Thermo-EMK wird entweder visuell nach der Anzeige eines Millivoltmeters festgestellt oder sie wird in einen selbstschreibenden Kompensator mit Aufzeichnung auf ein Diagrammband eingegeben.

Nachdem der in die Katode 2 eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, sich zu vermindern beginnt und etwa um 10% von diesem Maximalwert abgefallen ist, jedoch nicht später als zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der Wärmestrom bis auf einen stationären Wert reduziert hat, wird in den Raum 1 zwischen der Katode 2 und der hohlen Anode 3 das

ω Oxidationsmittel eingeführt.

Die Einführung des Oxidationsmittels, d. h. eines in bezug auf den Kohlenstoff chemisch aktiven Stoffs neben den kohlenstoffhaltigen Verbindungen in den Raum 1 zwischen der Katode 2 und der Anode 3 gewährleistet die Bindung des Kohlenstoffüberschusses zu flüchtigen Verbindungen. Das sichert seinerseits die Konstanz der Abmessungen der sich bildenden tatsächlichen Kohlenstoffelektrode und deren Betrieb im Zustand der ständi-

gen Erneuerung, wenn der Vorgang des Niederschlags von Kohlenstoff an der Katode 2 aus dem plasmabildenden Gemisch 6 durch die Vorgänge der Verdampfung und Forttragung von Kohlenstoff in Form von Verbindungen mit dem Oxidationsmittel ausgeglichen ist.

Bei der Registrierung des injiie Katode 2 eintretenden Wärmestroms nach der Änderung der Thermo-EMK des Differentialthermoelements kann die Einführung des Oxidationsmittels in den Raum 1 zwischen der Katode 2 und der Anode 3 automatisiert werden, wozu Signale vom Thermoelement über ein Automatiksystem an Stellglieder in den Gasleitungen durchgegeben werden.

Bei der Ausführung des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen mit Hilfe der in der Fig.2 dargestellten Einrichtung wird zur Stabilisierung des elektrischen Lichtbogens an die Speisequelle 4 über ein Schütz 10 und einen Widerstand 11 eine Düse 12 zugeschaltet. Der Widerstand 11 begrenzt den Strom für die Zeitdauer der Zündung des elektrischen Lichtbogens.

Als Atiode 3 dient der zu bearbeitende Werkstoff.

Bei der Ausführung des Verfahrens zur Plasmabearbeitung des Werkstoffs mit Hilfe dieser Einrichtung wird eine ständige Erneuerung aus dem plasmabildenden Gemisch nur der sich in der Lichtbogeneinrichtung befindenden Katode 2 gewährleistet

Wird bei den in den F i g. 1 und 2 dargestellten Einrichtungen die Lichtbogeneinrichtung an eine Wechselstromquelle 4 angeschlossen, so erfolgt die Erneuerung der Elektroden vorzugsweise in den Zeitabschnitten, wenn sie als Katoden wirken.

In dem in F i g. 3 angeführten Diagramm ist eine Kurve 13 dargestellt, die die Abhängigkeit des Werts des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms von der Brenndauer des elektrischen Lichtbogens kennzeichnet, wobei an der Ofdiftäienaehse der in die Elektrode eintretende Wärmestrom Q in Kilowatt und an der Abszissenachse die Brenndauer r des elektrischen Lichtbogens in Sekunden aufgetragen sind.

Aus der Kurve 13 ist ersichtlich, daß im Zeitpunkt η nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens der in die Elektrode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht, dem der Punkt »A« auf der Kurve 13 entspricht. Weiterhin beginnt der in die Elektrode eintretende Wärmestrom sich zu vermindern, und im Zeitpunkt tt. ist sein Wert etwa 10% vom maximalen Wert des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms abgefallen; diesem Zustand entsprichi der Punkt »B« auf der Kurve 13. Im Zeitpunkt rj ist der in die Elektrode eintretende Wärmestrom bis auf den stationären Wert vermindert, der dem Punkt »Of entspricht

Das Oxidationsmittel wird im Zeitintervall von r\ bis η in den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 eingeführt.

Falls man als Oxidationsmittel Sauerstoff und/oder Luft verwendet, wird es in den Raum 1 zwischen der Katode 2 und der Anode 3 im Zeitintervall von T\ bis rj in einer Menge von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen von der Menge des Oxidationsmittels eingeführt, die der theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen entspricht.

Falls man als Oxidationsmittel Kohlendioxid verwendet, wird es in den Raum I zwischen der Katode 2 und der Anode 3 im Zeitintervall von r\ bis π in einer Menge eingeführt, die volumenmäßig um das 1.05- bis 2,5fachc die Menge des Oxidationsmittels überschreitet, die der theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen entspricht.

Im folgenden kann das Verfahre 1:1 zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen in zwei Vaitianten durchgeführt werden.

Wenn die Menge des Oxidationsmittels in den oben genannten Grenzen gehalten v/iird, so bleibt vom Zeitpunkt rj an der in die Katode 2 eintretende Wärmestrom, der sich auf den stationärem Wert reduziert hat, der bei sonstigen gleichen Bedingungen der Stromstärke des elektrischen Bogens entspricht, weiterhin im Laufe der ganzen Brenndauer des elektrischen Lichtbogens unverändert.

Wenn jedoch, bedingt durch technologische Anforderungen, der Vorgang der Plasmabearbeitung vom Zeitpunkt 2-4 (F i g. 4) an mit geringeren Mengen des Oxidationsmittels als oben angegeben weitergeführt werden muß, so wird vom Zeitpunkt r< an das Oxidationsmittel im Fall der Verwendung von Sauerstoff oder Lufi in einer Menge eingeführt, die geringer ist als 0,4 Volumenanteile von der Menge, die zur theoretisch vollMändigen Konversion von Kohlenw-'ssserstoffen im Gemisch erforderlich ist, oder wenn als Oxidationsmittel Kohlenstoffdioxid verwendet wird, in einer Menge, die geringer ist als die l,05fache Menge des Oxidationsmittels, die zur theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe erforderllich isx

Vom Zeitpunkt Γ5 an beginnt erneut eine Vergrößerung der Abmessungen der tatsächlichen Kohlenstoffkatode, was von ?inen Anstieg des in diese eintretenden Wärmestroms begleitet wird.

Das dem normalen Betrieb der Katode 2 mit vermindertem Verbrauch des Oxidationsmittels entsprechende Zeitintervall von r« bis τ=, hängt bei sonst gleichen Bedingungen vom Verminderungsgxjid des Oxidationsmittelverbrauchs ab und wird minimal bei vollständiger Ausschaltung des Oxidationsmittels; aus der Zusammensetzung des plasma bildenden Geuisehes.

Zum Zeitpunkt r_b überschreitet der Wert des in die Katode 2 eintretenden Wärmestroms. der dem Punkt »D« auf der Kurve 13 entsprichi., den stationären Wert um 10— !5%, der, wie oben angegeben, dem Punkt »C'« entspricht.

In diesem Zeitpunkt wird die Vlenge des Oxidationsmittels im plasmabildcndcn Gcmitch wieder bis auf die Menge vergrößert, die im Zciliinlrrvall von η bis r, zugeführt wurde, und sie wird so liiingc auf diesem Pegel gehalten, bis sich der in die Kaloch.: 2 eintretende Wärmestrom im Zeitpunkt η bis auf den dem Punkt »('« entsprechenden stationären Wert, vermindert, wonach man die Menge des Oxidationsmittels im plasmabildcnden Gemisch wieder bis auf den den technologischen Anforderungen entsprechenden Wert herabsetzt.

Nachfolgend wird der Änderun|i;$vorgang der Menge des Oxidationsmittels in gleicher Weise weitergeführt, d. h. diese Menge wird während -tier gesamten Dauer der Plasmabearbeitung periodi;ch i;cändcrt.

Somit ist die Möglichkeit gegeben, während der größten Zeit die Plasmabearbeitung iiti einem Gasmedium mit hohem reduzierendem Vermögen durchzuführen, wobei gleichzeitig der Betriebszustand der ständigen Erneuerung der Katode nicht gcsttfrt wird,

Eine Erhöhung der Menge des Oxidationsmittels vor der Vergrößerung des in die Katode eintretenden Wiirmestroms um 10% ist nicht zweckmäßig, (la dies /u einer Verminderung des Anteils der Dcai-hcilungs/cii

b'i mit einem Gasmccliuni mit crhülhlcm reduzierendem Potential führt, während eine Änderung der Katoden geometrie, die dieser Vergrößerung des Wärmcsiroms entspricht, aus dem Gcsichlspiinti des stabilen Bren-

ncns des elektrischen Lichtbogens und der Bearbeitungsgütc ungefährlich ist

Eine Vergrößerung der Menge des Oxidationsmittels, nachdem sich in der Katode 2 eintretende Wärmestrom um 15% im Vergleich zum stationären Wert vergrößert hat, ist nicht erwünscht, da die geometrischen Abmessungen der Katode 2 dabei so stark anwachsen, daß eine bedeutende Verlängerung des Zeitintervalls von re bis r; geschieht, in dessen Verlauf die den Zustand der Katode 2 kennzeichnenden Paramter, d. h. ihre Abmessungen und der in diese eintretende Wärmestrom, zu den ursprünglichen stationären Werten zurückkehren.

Die Änderung der Menge des Oxidationsmittels kann automatisiert werden, wozu man die Thermoelemente, die die Änderung der Temperatur des die Katode 2 kühlenden Wassers, d. h. bei einem konstanten Wasserdurchsatz die Änderung des in die Katode 2 eintretende Wärmestroms registrieren, mit einem Stellmechanismus in der Hauptleitung für die Zufuhr des Oxidationsmitteis verbindet.

Die Möglichkeit der periodischen Änderung der Zusammensetzung des aus Kohlenwasserstoffen und einem Oxidationsmittel bestehenden plasmabildenden Gemisches, das mit der Arbeiisoberfläche der Katode in Kontakt ist. wurde experimentell festgestellt

Beim Plasmaschmelzen einer Charge Kalziumkarbids mit Kohlenstoff in einem Graphittiegel mittels eines herausgetragenen Gleichstrom-Lichtbogens, bei dem als Anode der zu bearbeitende Werkstoff diente, wurde ein Plasmatron mit einer sich ständig erneuernden Katode verwendet. Ais plasmabildendes Gemisch, das die ständige Erneuerung der Katode gewährleistete, wurde Naturgas im Gemisch mit Luft benutzt, deren volumenmäßige Menge 45% von der Menge betrug, die der theoretisch vollständigen Konversion des Naturgases des Gemisches entspricht. Das Oxidationsmittel wurde ab dem Zeitpunkt in den Raum zwischen den Elektroden eingeführt, bei dem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreichte, und der Verbrauch des Oxidationsmittels wurde bei den ursprünglichen Experimenten konstant auf dem oben angegebenen Pegel eingehalten.

Die Untersuchungen des unter diesen Bedingungen umgeschmoizenen Werkstoffs haben jedoch gezeigt, daU zur Verbesserung seiner Güte eine Erhöhung des reduzierenden Potentials im Gasmedium des elektrischen Lichtbogens an der Bearbeitungsstelle erforderllich ist. Das konnte unter Berücksichtigung der Notwendigkeit einer ständigen Erneuerung der Katode des Plasmatron* nur durch eine Herabsetzung der Zufuhr so an Oxidationsmittel bis zu einer vollständigen Ausschaltung desselben gewährleistet werden. Die Versuche, die Menge des Oxidationsmittels bis auf ein Minimum zu reduzieren oder dasselbe für die ganze Dauer des Schmelzens vollständig auszuschalten, zeigten kein posi lives Ergebnis wegen der Vergrößerung der Abmessungen des Kohlenstoffgebildes, das als tatsächliche Kohlcnstoffkatode wirkte, und den dadurch bedingten Erscheinungen: Erhöhung der Labilität des Katodenbercichs, t!ntstabilisierung des elektrischen Lichtbogens, t>o Änderung an dessen geometrischer Ausmaße und wärmephysikalischcr Kenndaten, deren Folge entweder das Erlöschen des elektrischen Lichtbogens oder eine bedeutende Verschlechterung der Bearbeitungsgüte war. d. h. es wurden die bekannten Nachteile des Betriebs der Katode in Kohlenwasserstoffen ohne Oxidationsmittel bestätigt.

Deswegen wurde ein Versuch unternommen, den gesamten Schmelzvorgang in einem periodischen Betriebszustand durchzuführen: den größten Teil der Zeit brannte der elektrische Lichtbogen bei minimalem Gehalt an Oxidationsmittel, und periodisch, zu den Zeitpunkten eines Anstiegs des Wärmestroms, wurde das plasmabildende Gemisch mit Luft in einer Menge angereichert, die dem normalen Betrieb der Katode im Zustand der ständigen Erneuerung entsprach, d. h. es wurden 0,4—03 Volumenanteile von der Luftmenge zugesetzt die zur theoretisch vollständigen Konversion des Naturgases erforderlich ist Die Zeitintervalle F₆ bis Γ7, in denen Verlauf als plasmabildendes Gemisch ein Gemisch von Naturgas und Luft im angegebenen Verhältnis diente, überschritten 60 Sekunden nicht während die Zeitintervalle des Brennens des elektrischen Lichtbogens bei minimalem Gehalt an Oxidationsmittels 200 bis 300 Sekunden betrugen.

Durch zahlreiche Experimente wurde der optimale Wert für die Überschreitung des in die Katode eintretenden Wärmestroms gegenüber dem stationären Wert festgestellt, der dem Zeitpunkt einer Erhöhung der Menge des Oxidationsmittels um 10—15% entspricht

Experimente haben gezeigt daß eine periodische Änderung der Menge des Oxidationsmittels im plasmabildenden Gemisch nicht nur beim Brennen des elektrischen Lichtbogens mit einer herausgetragenen Anode, sondern auch bei einer Bearbeitung von Werkstoffen mit einem Plasmastrahl, d h. mit einer Düsenanode des Plasmatrons möglich ist, besonders in den Fällen, wenn die Katode und Anode des Plasmastroms durch eine Zwischendüse getrennt sind, und eine getrennte Zufuhr der plasmabildenden Gase in den katodischen und anodischen Bereichen des elektrischen Lichtbogens möglich ist

Eine getrennte Einführung von Oxidationsmittel und kohlenstoffhaltiger Verbindungen wird dadurch bestimmt daß der Niederschlag von Kohlenstoff an den unter unterschiedlichen Potentialen liegenden Elektroden, d. h. an der Katode und an der Anode, nach verschiedenen Gesetzen verläuft, und das Forttragen des überschüssigen Kohlenstoffs wird sowohl durch die chemische Zusammensetzung mit den in bezug auf ihn aktiven Stoffen als auch durch das Verdampfen desselben infolge der Wärmeeinwirkung des elektrischen Lichtbogens bedingt

Es ist bekannt, daß eine von den Hauptkomponenten des in die Katode eintretenden Wärmestroms beim Vorhandensein von mehratomigen, insbesondere zweiatomigen Molekülen im plasmabildenden Gemisch, darunter auch des Oxidationsmittels, durch Neutralisation von positiven Ionen an der Katode unter Bildung von Atomen und deren nachfolgender Vereinigung zu Molekülen bestimmt wird.

Dabei wird an der Katode die Energie der Ionisation und Dissoziation dieser Gase frei.

Dieser Vorgang verläuft schematisch folgendermaßen:

A* + e- — A + Q,

A + A — A₂ + (?2
Hierin sind:

A* — positiv geladenes lon des Gases,

A — neutrales Atom des Gases,

Q\ — lonisationsenergie des Gases,

(?2 — Dissoziationsenergie des Gases,

e — Elektron.

Für den Stickstoff betragen die Werte <?i und Q₂ 1,4 · 10⁶JZm₀I bzw. 0,9 · 10⁶ J/mol und für den Sauerstoff U · K^J/molbzw.O^ · 10⁶ JZmol.

Es wurde experimentell festgestellt daß beim Brennen eines elektrischen Lichtbogens mit großen Strömen in einzelnen Fällen die Beseitigung des überschüssigen Kohlenstoffs an der Katode nur durch die Wärmeeinwirkung des elektrischen Lichtbogens ohne besondere Zufuhr an Oxidationsmittel in die Kontaktzone mit der Katode möglich ist, was an der Anode niemals beobachtet wird.

Das gestattet es, durch Ausschalten des Oxidationsmittels aus dem mit der Katode kontaktierenden Gasmedium den in die Katode eintretenden Wärmestrom infolge der Ausschaltung der an ihr freiwerdenden Energien der Ionisation und Dissoziation zu vermindern, was seinerseits eine Erhöhung des Arbeitsvermögens der Katode ermöglicht

Die Beseitigung des überschüssigen Kohlenstoffs im tode wird durch ein vorher mit Hilfe von Thermostaten geeichtes Differentialthermoelement durchgeleitet, dessen »kalte« Lötstelle an das Rohr, durch das das Wasser in die Katode eintritt, und dessen »heiße« Lötstelle an das Rohr, durch das das Wasser aus der Katode heraustritt, angelötet ist.

Die der Temperaturdifferenz des Wassers in diesen Rohren proportionale Thermo-EMK wird einem selbstschreibenden elektronischen Kompensator zugeleitet, der eine kontinuierliche Aufzeichnung der Thcrmo-EMK mit einer Geschwindigkeit von 1800 mmZs durchführt

Der Durchsatz des die Katode kühlenden Wassers wird auf einem konstanten Wert von 200 gZs gehalten. Nach dem Wert der Temperaturdifferenz und dem Wasserdurchsatz kann in jedem Zeitpunkt der Wert des in die Katode eintretenden Wärmestroms festgestellt werden.

20 Sekunden nach der Zündung des elektrischen

Kanal der Anode wird durch die Wirkung des Oxida- 20 Lichtbogens erreicht der in die Katode eintretende tionsmittels gewährleistet, das man in den Zwischen- Wärsnestrom seinen maximalen Wert, der "!eich 4,0 kW elektrodenraum unmittelbar im Anodenkanal außer- ist, und weiterhin abzufallen beginnt. Bei einer Verminhalb der Kontaktzone mit der Arbeitsoberfläche der derung des Wärmestroms bis auf einen Wert von Katode einführt. 3.4 kW. d. h. um 15% vom maximalen Wert, was 45 Se-

Die kohlenstoffhaltigen Verbindungen können in den 25 künden nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens Zwischenelektrodenraum entweder vollständig nur in eintritt, wird in den Raum zwischen der Kupferkatode die Kontaktzone mit der Arbeitsoberfläche der Katode, und der hohlen A«)de das Oxidationsmittel, Kohlendi- oder teilweise in diese Zone und teilweise schon in den oxid, eingeführt
Kanal der Anode eingeführt werden. Im folgenden brennt der elektrische Lichtbogen stabil

Die in der F i g. 5 dargestellte Einrichtung ist für das 30 bei ständiger Erneuerung der Katode.
Verfahren zr.^r Bearbeitung vorzugsweise nicht elektrisch ieitender Werkstoffe mit einem Plasmastrahl be- B e i s ρ i e I 2
stimmt.

In den Raum 1 (Fig.5/zwischen der Katode 2 und Analog zum Beispiel 1, jedoch wird das Oxidations-

der hohlen Anode 3 der einer Glt.chstromquelle 4 züge- 35 mittel 10 Sekunden nach der Zündung des elektrischen schalteten Lichtbogeneinrichtung wird durch die Buch- Lichtbogens, d. h. vor dem Zeitpunkt, an dem der Wärse 5 das plasmabildende Gemisch 6 eingeführt, das kohlenstoffhaltige Verbindungen in Form von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmonoxid enthält.

Zwischen der Katode 2 und der hohlen Anode 3 wird ein elektrischer Lichtbogen gezündet.

In das im Inneren des Katodenhalters 8 untergebrachte Rohr 7 sowie in die Kühlhohlräume 9 und 14 der Anode 3 und der Zwischendüse 12 wird eine Kühlflüssigkeil zugeführt. Das Oxidationsmittel 15 oder sein Gemisch mit den kohlenstoffhaltigen Verbindungen wird in den Raum 1 zwischen den Elektroden 2 und 3 durch die Kanäle in der Zwischenbuchse 16, die zwischen Zwischendüse 12 und der Anode 3 angeordnet ist, eingeführt.

Also wird das Oxidationsmittel 15 außerhalb der Kontaktzone des plasmr.bildenden Gemisches 6 mit der mestrom seinen maximalen Wert von 4,0 kW erreicht, eingeführt. Es beginnt eine intensive Erosion des Arbeitsabschnitts der Elektrode.

Beispiel 3

45 Analog zu Beispiel 1, jedoch wird das Oxidationsmittel 180 Sekunden nach dem Erreichen des stationären Werts des in die Katode eintretenden Wärmesiroms, der gleich 2,8 kW ist und der sich 90 Sekunden nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens eingestellt hat. eingeführt.

Bereits in dieser Zeit brennt der Lichtbogen unler Schwankungen der Spannung, der Temperatur und der Abmessungen des Plasmastrahls nicht stabil. Durch die Einführung des Oxidationsmittels erfolgt eine Rückkehr

Arbeitsoberfläche der ständig durch dieses Gemisch er- des Lichtbogens in den stabilen Zustand nach einem neuerbaren Katode 2 zugeführt. relativ langen Zeitabschnitt von 120 Sekunden, in des-

Das ermöglicht es, eine differenzierte Regelung des 55 sen Verlauf die Güte der Plasmabearbeitung des Werk-Bctriebszustands jeder Elektrode, der Katode 3 und der Stoffs gestört ist.
Anode 2, durchzuführen, die infolge der unterschiedlichen Polarität unter verschiedenen Bedingungen funk- Beispiel 4
tionieren.

Beispiel 1

Ein elektrischer Lichtbogen mit einer Stromstärke von 400 A wird in einer Lichtbogeneinrichtung zwischen einer in einen wassergekühlten Katodenhalter eingepreßten Kupferkatode und einer wassergekühlten hohlen Anode in einem Methan enthaltenden plasmabildenden Gemisch gezündet. Das Kühlwasser für die Ka-Ein plasmabildcndes Gemisch, das Mcihan CH4 einhält, wird mit 28ÖÖ l/h in den Raum /wischen einer Katode aus Stabgruphil, die in einen wassergekühlten kupfernen Kalodenhiiltcr eingepreßt ist, der sich in einer Lichtbogeneinrichiung befindet, die auch eine wassergekühlte Kupferdüse enthält, und der Mcinllschmd/x·, die als herausgetragene Anode dient, eingeführt.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 600 A ge-

zündet.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen den Elektroden das Oxidationsmittel, und zwar Sauerstoff mit 630 l/h eingeführt, was 0,45 von der Sauersioffmenge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 2800 k/h Methan, berechnet nach der Formel (7), erforderlich ist.

Wenn danacn bei dieser Zusammensetzung des plasmabildcnden Gemisches der elektrische Lichtbogen in den Zustand des stabilen Brennens beim stationären Wert des in die Katode eintretenden Wärmestroms, der gleich 1.3 kW ist, übergeht, wird der Durchsatz an Sauerstoff auf 315 l/h vermindert, was 0,22 von der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 2800 l/h Methan erforderlich ist.

Dieser Betriebszustand wird bis zum Zeitpunkt der Erhöhung des in die Katode eintretenden Wärmestroms um 15% vom stationären Wert, & h. bis auf 1,5 kW, gehalten, wonach die Sauerstoffzufuhr wieder auf 630 l/h für die Zeitdauer bis zur erneuten Verminderung des in die Katode eintretenden Wärmestroms bis aur den Wert von 1.3 kW vergrößert wird.

Die genannten Vorgänge werden periodisch wiederholt, wodurch die Schmelzung des Metalls den größten Teil der Zeit in einem Gasmedium mit hoher reduzierender Fähigkeit durchgeführt wird.

Beispiel 5

Ein plasmabildcndes Gemisch, das Kohlenmonoxid CO (n- I) enthält, wird mit 1080 l/h, was einem auf einen Lichtbogenstrom von 500 A umgerechneten Sekundenverbrauch an Kohlenmonoxid von 0,6· 10~³l/As entspricht, in die Lichtbogeneinrichtung in den Raum zwischen der Katode aus Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxidationsmittel, und zwar Kohlendioxid mit 1200 l/h eingeführt.

Der niedrige Gehalt des Kohlenmonoxids CO im plusmabildcnden Gemisch ist infolge der geringen chemischen Affinität des Kohlensdioxids CO₂ zum Kohlenstoff C möglich: die freie Bildungsenergie des Kohlenmonoxids CO beim Zusammenwirken des Kohlendioxids CO? mit Kohlenstoff C bei einer Temperatur von 1000 K beträgt 8,2 · 10⁴ J/mol.

Beispiel 6

Ein plasmabildendes Gemisch, das Kohlenstoffmonoxid CO (n=· I) enthält, wird mit 9000 l/h, was einem auf den Lichtbogenstrom von 500 A umgerechneten Sekundenverbrauch an Kohlenmonoxid von 5 · ΙΟ-³ l/As entspricht, in den Raum zwischen der Katode aus spektralreinem Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Kupieranode eingeführt.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxidationsmitte!, und zwar Sauerstoff mit 2000 i/h eingeführt

Die Vergrößerung des Gehalts an Kohlenmonoxid im Vergleich zum Beispiel 5 ist dadurch bedingt, daß der Sauerstoff eine größere chemische Affinität zum Kohlenstoff als das Kohlendioxid hat.

Die freie Bildungsenergie des Kohlenmonoxids CO beim Zusammenwirken des Kohlenstoffs mit Sauerstoff bei einer Temperatur von 1000 K beträgt 18,9 · 10⁴J/ mol.

Beispiel 7

Ein plasmabildendes Gemisch, das Propan C₂He (n=3) enthält, wird mit 1945 l/h, was einem auf einen Lichtbogenstrom von 600 A umgerechneten Sekundenverbrauch des Propans von (2,7 · 10~³)/3 l/As entspricht, in ciie Lichtbogeneinriduung in den Raum zwischen der Katode aus spektralreinenv.jtabgraphit,die in einen wassergekühlten kupfernen Katodr nhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt

Die Luftkonversion des Propans läuft nach folgender Reaktion ab:

C₃H₈ +

3 CO + 4H₂

d.h. zur theoretisch vollständigen Konversion von 1945 l/h Propan sind -2920 l/h Sauerstoff oder ~ 13 900 l/h Luft erforderlich.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 600 A gezündet.

Nachdem der in die Kaiode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wen erreiehi hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxidationsmittel, Luft, mit 9730 l/h eingeführt, was 0,7 von der Menge beträgt, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht

Beispiel 8

Ein plasmabildendes Gemisch, das Methan CH4 (/J=I) enthält, wird mit 3450 l/h, was einem auf einen Lichtbogenstrom von 800 A umgerechneten Sekundenverbrauch des Methans von 1,2 · IO-³ l/h entspricht, in die Lichtbogeneinrichtung in den Raum zwischen der Katode aus spektralreinem Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 800 A gezündet.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxidationsmittel, und zwar Kohlendioxid mit 5500 l/h eingeführt.

to Die Verminderung des Durchsatzes der kohlenstoffhaltigen Verbindung, des Methans, im Vergleich mit dem Beispiel 7 ist deshalb möglich, weil Kohlendioxid chemisch weniger aktiv in bezug auf Kohlenwasserstoffe als Sauerstoff und Luft ist.

65 Beispiel 9
Ein plasmabildendes Gemisch, das Naturgas, welches

zu 90% aus Methan CH₄ besteht, und Argon bei Durchsätzen des Naturgases von 3000 l/h und des Argons von 1000 l/h enthält, wird in den Raum zwischen den Elektroden eingeführt.

Zwischen der in einem Plasmatron angeordneten Katode und einer Unterlage aus spektralreinem Graphit und der Anode im Graphittiegel mit einer Charge Kohlenstoff mit Kalziumkarbid wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 600 A gezündet.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat. wird die Zufuhr des Argons unterbrochen, und es wird das Oxidationsmittel, und zwar Luft mit 3600 l/h eingeführt, was 0,5 der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 3000 l/h Naturgas nach der Reaktion (7):

IO

CH₄

- CO + 2 H₂

erforderlich ist.

60 Sekunden nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom den stationären Wert von 13 kW erreicht hat, wird die Zufuhr der Luft abgeschaltet. 150 Sekunden nach der Abschaltung der Luftzufuhr, rf. h. beim Brennen des elektrischen Lichtbogens in einem Gasmedium, das nur aus Naturgas besteht, beginnt der in die Katode eintretende Wärmestrom anzusteigen und erreicht 200 Sekunden nach der Abschaltung der Luftzufuhr einen Wert von 1,65 kW, d. h. eine Größe, die um 10% den stationären Wert überschreitet. In diesem Zeitpunkt wird in den Raum zwischen den Elektroden erneut Luft in einer Menge von 3600 l/h zugeführt. 30 Sekunden nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom sich auf I^ kW reduziert hat, wird die Luftzufuhr wieder abgeschaltet

Auf diese Weise wird unter periodischer Zufuhr der Luft in das plasmabildende Gemisch für nur kurze Zeitabschnitte im Vergleich mit der Brenndauer des elektrischen Lichtbogens in reinem Naturgas der gesamte Schmelzvorgang durchgeführt. Der elektrische Lichtbogen brennt dabei stabil und die Güte des durch die Schmelzung erhaltenen Werkstoffs ist befriedigend.

Neben den oben angeführten Beispielen, bei denen Oxidationsmittel und kohlenstoffhaltige Verbindungen in die Kontaktzone mit den Elektroden im Zwischenelektrodenraum der Lichtbogeneinrichtung gemeinsam eingeführt werden, ist auch eine getrennte Einführung derselben möglich.

30

35

Beispiel 10

50

Zwischen der in einem Plasmatron angeordneten Katode und einer Unterlage aus spektralreinem Graphit, die in einem wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Anode, die durch eine Zwischendüse voneinander abgetrennt sind, wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet

In die Kontaktzone mit der Katode wird ein plasmabildendes Gemisch zugeführt, das aus Naturgas in einer Menge von 2500 l/h und Argon mit 1000 l/h besteht

In die Kontaktzone mit der Anode, d. h. hinter der Zwischendüse, wird ein plasmabildendes Gemisch zugeführt, das aus Naturgas mit 2000 l/h und Luft mit l/h besteht

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in die Kontaktzone mit der Katode das OxidationsmitteL und zwar Luft mit 3750 l/h eingeleitet, was 0,63 von der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 2500 l/h Naturgas erforderlich! ist, und die Zufuhr des Argons wird abgeschaltet.

60 Sekunden nachdem der in di* Katode eintretende Wärmestrom den stationären Wen von 1,8 kW erreicht hat, wird die Menge der in die HConiaktzone mit der Arbeitsoberfläche der Katode zupiführten Luft bis auf 1250 l/h herabgesetzt, was volumcnmäßig 0,2 I von der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 2500 l/h Naturgas erforderlich ist. 300 Sekunden nach der Verminderung des Lufiverbrauchs beginnt eine Erhöhung des in die Katode eintretenden Wärmestroms, der nach Verlauf vcimnoch 100 Sekunden einen Wert von 2,07 kW erreicht, d. h. den stationären Wert um 15% überschreitet. In diesem Zeitpunkt wird die Luftmenge im mit der Katode kontaktierenden plasmabildenden Gemisch bis auf 3750 l/h erhöhl. 30 Sekunden nachdem SiCu dcf in die Küi.Cniic cifiiicicMÜc WTu- mestrom bis auf 1,8 kW vermindert hat. wird die Zufuhr an Luft in die Kontaktzone mit der Arbeitsobcrfliiehe der Katode erneut herabgesetzt.

Auf diese Weise wird unter periodischer Änderung der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches in der Kontaktzone mit der Arbeinoberfläche der Katode und Beibehaltung einer konstanten Zusammensetzung des plasmabüdenden Gemisches in der Kontaktzone mit ier Arbeitsoberfläche der Anode, wodurch eine Verkokung des Anodenkanals vermieden wird, ein reduzierender Plasmastrahl erhalten, der weiterhin zur Reduktion des Schwefeldioxids ums den Abgasen des Zyklonschmelzes von Sulfidstofi'en verwendet wird.

Der elektrische Lichtbogen brennt dabei stabil bei ständiger Erneuerung der Katode.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen

— durch Einführen eines plasmabildenden Gemisches (6) in den Raum (1) zwischen den Elektroden (2,3) einer Lichtbogeneinrichtung, das kohlenstoffhaltige Verbindungen aus der Klasse der Kohlenwasserstoffe oder des Kohlenmonoxids enthält und beim Brennen des Lichtbogens einen Niederschlag von Kohlenstoff an wenigstens einer der Elektroden (2, 3) bildet, und

— durch Zünden des elektrischen Lichtbogens und Einführen eines Oxidationsmittels in den Ram (1) zwischen den Elektroden (2,3),