DE2643369C2 - Entladevorrichtung - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung !-,•zieht sich auf eine Entladevorrichtung mit einrr gasdurchlässigen Elektrode, an der eine elektrische Entlaf';ng ihren Ausgang nehmen kann und die von einem Gehäuse mit Abstand umgeben ist, wodurch ein Zwischenraum gebildet ist, in den ein Gas mit Zusatz von emissionsaktiven Stoffen wie Kalium, Natrium oder Rubidium einleitbar ist Eine solche Entladevorrichtung ist aus der US-PS 32 75 860 bekannt

Das Gas mit emissionsaktiven Stoffen tritt an der Oberfläche der Elektrode, von der die Entladungen ausgehen, aus und bildet eine elektrisch leitende Grenzschicht an der Entladefläche, was eine gewisse Verteilung der Entladungen bewirkt und die Erosion dieser Elektrode herabsetzt

Andererseits handelt es sich bei dieser bekannten Ausbildung um eine Entladevorrichtung für einen MHD-Generator, wobei eine Mehrzahl von solchen Entladevorrichtungen in der Kanalwand des MHD-Generators eingebaut sind und das den Generatorkanal durchströmende ionisierte Arbeitsgas die Elektrodenoberfläche der Entladevorrichtungen unmittelbar bespült. Dies hat wiederum zur Folge, daß die Grenzschicht nur mit erheblichem Durchsatz an Gas mit emissionsaktiven Stoffen überhaupt erhalten werden kann und selbst dann nur in unzureichendem Maße, so daß die Strombelastbarkeit der Elektrode doch recht eo begrenzt ist und eine besonders hohe Erosionsfestigkeit doch nicht erzielt wird.

Bei der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise gedacht an die Verwendung der Entladevorrichtung in Plasmabrennern, wie sie in der chemischen Industrie und Metallurgie verwendet werden, sowie als Elektrode von Lichtbogenschmelzöfen oder auch als Schweißelektrode bei Stromstärken von über 500A. In solchen Anwendungsfällen treten üblicherweise an der Entladefläche der Elektrode im Brennfleck des Bogens Temperaturen in der Größe von etwa 4000" C und Stromdichten bis zu einigen Tausend Ampere je cm² auf. Die verwendeten Werkstoffe Kupfer, Stahl, Wolfram, Graphit, Zirkondioxid und andere zeichnen sich durch einen Erosionswert von 10~² bis 10~⁶ g/Coulomb und mehr aus. Die Lebensdauer der bekannten Elektroden erreicht damit nur 50 bis 200 Stunden, was ihren häufigen Austausch notwendig macht und ihre Anwendung in kontinuierlich betriebenen Fließfertigungen ausschließt

Ein anderer Weg zur Lösung des Problems der Erhöhung der Lebensdauer der Elektroden ist die nichtstationäre Einwirkung des Lichtbogens auf die Elektrodenoberfläche. Aus der DE-OS 25 13 098 ist eine kammerartige Entladevorrichtung mit gegenüber dem Innenraum der Kammer verengter Austrittsöffnung für den Lichtbogen bekannt bei der zwischen Entladungskammer und Austrittsöffnung Argon tangential zugeführt wird. Es handelt sich hierbei um einen Plasmabrenner für einen Lichtbogen-Schmelzofen zur Erzeugung eines übertragenen Argon-Plasmastrahls. Durch die tangentiale Einführung des Argons entsteht ein Wirbel, der den Lichtbogen rotieren läßt so daß der Brennfleck über die Entladeoberfläche der Kammer wandert

Eine ähnliche Ausbildung, allerdings ohne verengte Austrittsöffnung, ist aus der SE-AS 3 54 /66 bekannt, bei der die Elektrodenkammer von gasdurchlässigen, nämlich porösen Wänden begrenzt ist, durch die Argon, hier als Kühlgas, verteilt eingeleitet wird. Die Rotation des Lichtbogens *ird unterstützt und verstärkt durch das Magnetfeld einer die Elektrodenkammer umfassenden Spule.

Bei diesen bekannten Entladevorrichtungen wird aber die Hauptursache für die Zerstörungen der Elektrode, nämlich die konzentrierte Belastung im Brennfleck, nicht beseitigt und die Elektrodenerosion wird nur wenig herabgesetzt und die Lebensdauer der Elektroden nur unbedeutend, nämlich um etwa 20 bis 30% erhöht. Die Temperaturen im Brennfleck des Lichtbogens an der Entladefläche der Elektrode überschreiten den Schmelzpunkt des Elektrodenwerkstoffs immer noch beträchtlich und auch durch das Wandern des Brennflecks können die damit verbundenen Zerstörungen der Elektrode (Verdampfung, Verspritzen des geschmolzenen Werkstoffes, Abbrand der Legierungszuschläge) nicht verhindert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Entladevorrichtung zu schaffen, an deren Entladefläche die Entladung ohne Bogenbrennfleck aufrechterhalten wird, um auf diese Weise eine Verminderung der Erosion der Entladefläche der Elektrode zu erzielen und die Lebensdauer wesentlich zu erhöhen.

Ausgehend von der eingangs genannten bekannten Ausbildung, bei der eine Verteilung der elektrischen Entladung durch die Zufuhr eines Gases mit emissionsaktiven Stoffen angestrebt wird, wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Elektrode mindestens einen Teil der Innenfläche einer Entladungskammer bildet, deren Austrittsöffnung für die von der Elektrode verteilt ausgehende Entladung eine Verengung gegenüber dem Innenraum der Entladungskammer darstellt.

Die kammerartige und einen verengten Austritt aufweisende Ausbildung der Elektrode hat bei einer solchen erfindungsgemäßen Ausbildung die Wirkung,

daß das zugeführte Gas mit den emissionsaktiven Stoffen in* hoher Konzentration die Entladungsoberfläche der Elektrode umspült und deshalb eine wirkungsvolle Verteilung der elektrischen Entladungen stattfindet Dabei sind nicht einmal sehr hohe Gasdurchsätze erforderlich.

Eine weitere Herabsetzung des notwendigen Durchsatzes an Gas mit emissionsaktiven Stoffen ist möglich, wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Austrittsöffnung einen aus gasdurchlässigem Werkstoff ausgeführten Hals bildet, durch den ein Schutzgas in den Entladungskanal einführbar ist

Bei einer solchen Ausbildung ist die Elektrodenkammer noch besser von dem Arbeitsbereich der Entladungsvorrichtung, also z. B. dem Werkstück oder der Schmelze getrennt und das einen Schleier bildende Schutzgas verhindert zuverlässig das Eindringen von aggressiven Dämpfen in die Entladekammer.

Um die Entladung in Gang zu bringen, ist schließlich in einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung in der Entladungskammer eine innerhalb der Kammer verschiebbar ausgebildete Stabelektrode zur Lichtbogenzündung angeordnet, die mit der gasdurchlässigen Elektrode elektrisch parallel schaltbar ist.

Diese wird dann zur Zündung des Lichtbogens zum die Anode darstellenden Werkstück bzw. zu bearbeitenden Material vorgeschoben und kann dann nach erfolgter Zündung zurückgezogen oder abgeschaltet werden.

Die vorgeschlagene Konstruktion der elektrischen Entladevorrichtung gewährleistet in bisher nicht erreichter Weise eine verteilte Entladung, d. h. eine Entladung ohne Bogenbrennfleck auf der Entladefläche der Elektrode und eine beträchtliche Herabsetzung der Erosion der Oberfläche, nämlich um einige Größenordnungen. Die Lebensdauer der vorgeschlagenen Vorrichtung ist beträchtlich höher und kann einige zehntausend Stunden erreichen.

Es werden wesentlich höhere Strombelastungen im Vergleich zu den bei bekannten Entladevorrichtungen zulässigen Strombelastungen möglich, und zwar bei verhältnismäßig einfacher Konstruktion, niedrigem Gewicht und kleinen Abmessungen, so daß die Anwendung der erfindungsgemäßen Entladevorrichtung besonders vorteilhaft ist in Plasmabrennern der chemischen Industrie und Metallurgie, als Elektrode von Lichtbogenschmelzöfen, als Schweißelektrode bei Stromstärken von über 500 A und auch als Elektrode von magnetohydrodynamischen Stromerzeugern.

Die vorgeschlagene Entladevorrichtung kann nicht nur in neutraler sondern auch in oxidierender oder reduzierender Atmosphäre betrieben werden. Verunreinigungen der Arbeitszone durch verdampfte Bestandteile des Eiektrodenwerkstofl'es sind wesentlich herabgesetzt, was das Problem der Schrottverwertung von Nickel, Wolfram, Molybdän, Titan und anderen schwer schmelzbaren Stoffen, deren Verarbeitung zur Zeit beträchtliche Schwierigkeiten bereitet, zu lösen gestattet Auch beim Einschmelzen von Stahl ist die erzielbare Stahlgüte wesentlich verbessert.

Auf der Grundlage der Erfindung ist die Schaffung von leistungsstarken Aggregaten von 10 bis 20 MW und mehr für den Dauerbetrieb in der Plasmachemie in einem Block möglich, was: mit den gegenwärtig bekannten Entladevorrichtungen unerfüllbar schien.

Nachstehend wird die Erfindung durch Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert Es zeigt

Fig. 1 die zur Hälfte geschnittene Ansicht einer Entladevorrichtung;

Fig.2 eine kugelige Entladungskammer, teilweise weggeschnitten;

F i g. 3 ebenso eine torodiale Entladungskammer;

F i g. 4 ebenso eine zylinderförmige Entladungskammer;

Fig.5 ebenso eine weitere zylinderförmige Entladungskammer;

in F i g. 6 ebenso eine Entladungskammer in Form eines Parallelepipeds.

Die Entladevorrichtung gemäß F i g. 1 enthält eine gasdurchlässige Elektrode 1, die in einem Gehäuse 2 befestigt ist Die Elektrode 1 ist aus porösem Zirkondiborid Zi"B2 ausgeführt

Gemeinsam mit dem Deckel 3 und dem Boden des Gehäuses 2 bildet die Elektrode 1 eine zylinderförmige Entladungskammer 4. Die Kammer 4 weist eine Austrittsöffnung 5 für die Entladung auf.

Zwischen dem Gehäuse 2 und den Wänden der Entladungskammer 4 bleibt ein Zwischenraum, in den ein Gas mit Zusatz von emissionsak*^:ven Stoffen durch eine Rohrleitung 5 zugeführt wird. AIc Gus können z. B. Argon, Stickstoff oder andere und als emissionsaktive Stoffe Kalium, Natrium, Rubidium oder andere verwendet werden.

An der Außenfläche des Gehäuses 2 ist ein Erhitzer 7 angeordnet, der zur Vorerwärmung der Entladungskammer 4 bestimmt is;.

jo Alle Elemente der Entladevorrichtung sind von einem Mantel 8 mit Außendeckel 9 umschlossen. Der Raum zwischen dem Mantel 8 und dem Gehäuse 2 ist mit einem Wärmedämmstoff, z. B. Korund, Bornitrid oder dergl. ausgefüllt.

Am Boden des Gehäuses 2 ist ein Flansch 11 mit einem Kühlkanal 12 angeschlossen. Auf der einen Seite grenzt an den Flansch 11 der Mantel 8 und auf der anderen Seite über einen Isolator 13 eine Platte 14 an, die einen zur Trennung der Entladungskammer 4 von der Arbeitszone der elektrischen Enlladeeinrchtung bestimmten Hals 15 an die Öffnung 5 der Entladungskammer 4 andrückt.

Zu diesem Zweck ist der Hals 15 gasdurchlässig ausgeführt, und zwischen der Außenfläche des Halses 15 und der Platte 14 bleibt ein Raum, in der» durch eine Rohrleitung 16 ein inertes Schutzgas, z. B. Argon, Stickstoff oder andere, eingeleitet wird. Dieses tritt auf der Innenseite des Halses 15 gleichmäßig verteilt aus und bildet einen Gasschleier in Form eng zusammendrückender Grenzschichten, wodurch auch ein Eindringen von aggressiven Stoffen in die Entladungskammer 4 verhindert wird.

Der Deckel 3 weist eine öffnung auf, durch die in die Entladungskammer 4 eine Stabelektrode 17 eingeschoben «-erden kann, die dabei an zwei Stellen geführt ist, nämlich durch einen im Deckel 3 befestigten Ring 18 und durch eine innerhalb einer mit der EntiadungskaTimer 4 elektrisch verbundene Stromzuführung 20 befindliche Dich'ung 19. In die Stromzuführung 20 ist eine Schraube 21, eingeschraubt die zum Einstellen des Spiels der Dichtung 19 bestimmt ist.

Die Form der Entladungskammer kann verschieden sein. Sie hängt vom konkreten Einsatzfall ab, wobei auch Überlegungen zur Fertigungsgerechthe;t der Entladungskammer und der Verwendungszweck der Entladeeinrichtung berücksichtigt werden. Auf jeden Fall muß die Konstruktion der Entladungskammer die Einleitung eines Gases mit emissionsaktiven Stoffen ermöglichen.

Hierzu können einzelne öffnungen oder die poröse Ausbildung wenigstens eines Teils der Wandung der Kammer dienen. Als Elektrode zählt dabei derjenige Teil der Entladungskammer, der elektrisch leitend und mit der Stromzuführung elektrisch verbunden ist.

F i g. 2 zeigt eine in Form einer Kugel ausgeführte Entladungskammer 22, die eine Austrittsöffnung 23 tür die Entladung aufweist. Sie ist einstückig aus elektrisch leitendem Material gefertigt und stellt deshalb gleichzeitig die Elektrode dar. Zur Zufuhr der emissionsaktiven Stoffe zur Innenfläche der Kammer 22 ist diese durchgehend porös ausgeführt.

F i g. 3 zeigt eine toroidale Entladungskammer 24, deren Austrittsöffnung 25 für die Entladung als umlaufender Schlitz ausgebildet ist. Zur Zufuhr der emissionsaktiven Stoffe zur Innenfläche der Kammer sind die Wände durchgehend porös ausgeführt.

Zur Zufuhr der emissionsaktiven Stoffe genügt es auch, wenn nur ein Teil der Kammerwände gasdurchläs-

, -j Urivj ν/ ZCi^Cm uCISpiCiC.

In F i g. 4 ist eine zylinderförmige Entladungskammer 26 dargestellt, die einen Deckel 27 und einen Boden 28 mit einer Austrittsöffnung 29 für die Entladung aufweist. Deckel und Boden sind hierbei elektrisch leitend und zählen deshalb mit zur Elektrode, sie sind aber nicht gasdurchlässig. Gasdurchlässig ist hier nur die Zylinderwand 30, die zu diesem Zweck porös ausgebildet ist.

F i g. 5 zeigt eine zylinderförmige Entladungskammer 31, deren kreisscheibenförmige Stirnfläche 32 gasdurchlässig, nämlich porös ausgeführt ist, während die Zylinderwand 33 Öffnungen 34 aufweist und dadurch gasdurchlässig ist. Der Boden 35 der Entladungskammer 31 ist nicht zum Durchlassen des Gases mit emissionsaktiven Stoffen bestimmt und weist nur die Austrittsöffnung 36 für die Entladung auf.

F i g. 6 zeigt eine Entladungskammer 37 in Form eines Parallelepipeds, und zwar eines Prismas mit quadratischer Grundfläche. Zur Einleitung der emissionsaktiven Stoffe ist eine öffnung 38 in der Wand der Entladungskammer 37 vorgesehen. Außerdem weist die Entladungskammer 37 eine Austrittsöffnung 39 für die Fntladungauf.

Der Betrieb der beschriebenen Entladevorrichtung verläuft wie folgt:

Mit Hilfe des Erhitzers 7 wird das Gehäuse 2 zusammen mit der Entladungskammer 4 vorgewärmt. j Nach der Vorwärmung wird durch die Rohrleitung 6 eine gewisse Menge an emissionsaklive Stoffe mitführendem inertem Gas in den Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 2 und der Entladungskammer 4 eingeleitet. Danach wird die Elektrode 17 in die untere ίο Stellung abgesenkt und zwischen der (nicht dargestellten) Anode der Entladevorrichtung und der Stabelektrode 17 wird eine Entladung ge/ündet. Durch ein Rückziehen der Stabelektrode 17 nach oben wird der Entladungsbogen durch den Hals 15 in die F.ntladungsii kammer 4 eingeführt.

Danach wird der Stromkreis zwischen der Stromzuführung 20 und der Anode geschlossen, wobei die Elektrode 1 einen Teil der Strombelastung übernimmt und parallel zur Stabelektrode 17 betrieben wird. Die

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und in der Entladungskammer 4 entsteht eine über deren Innenfläche verteilte Entladung.

Darauf beginnt die kontinuierliche Zufuhr von z. B. Argon und Kalium in den Zwischenraum zwischen dem

.¹I Gehäuse 2 und der Elektrode 1.

Durch entsprechende Steuerung der fließenden Ströme läßt man die Entladungskammer 4 die Nennstrombelastung mit verteilter Entladung an der Innenfläche aufnehmen, während die .Elektrode 17

in abgeschaltet wird.

Falls es beim Betrieb in reduzierender oder oxydierender Atmosphäre notwendig oder erwünscht ist, wird Argon durch die Rohrleitung 116 in der Raum zwischen dem Hals 15 und der Platte 14 eingeleitet,

)i welches an der Innenseite des Halses als Schutzschleier austritt.

Um die Temperaturen der Vorrichtung in zulässigen Grenzen zu halten, sind Kühlkanäle 10 bildende U-Profilringe um den Mantel 8 herumgelegt und im

4n Flansch 11 ist ein Kühlkanal 12 vorgesehen. Die Temperatur der Entladevorrichtung wird durch Änderung der Kühlintensität geregelt.

Hicr/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Entladevorrichtung mit einer gasdurchlässigen Elektrode, an der eine elektrische Entladung ihren Ausgang nehmen kann und die von einem Gehäuse mit Abstand umgeben ist, wodurch ein Zwischenraum gebildet ist, in den ein Gas mit Zusatz von emissionsaktiven Stoffen wie Kalium, Natrium oder Rubidium einleitbar ist, dadurch gekenn- to zeichnet, daß die Elektrode mindestens einen Teil der Innenfläche einer Entladungskammer bildet, deren Austrittsöffnung für die von der Elektrode verteilt ausgehende Entladung eine Verengung gegenüber dem Innenraum der Entladungskammer darstellt

2. Entladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (5) einen aus gasdurchlässigem Werkstoff ausgeführten Hals (15) bildet, durch den ein Schutzgas in den Entladungskanal einführbar ist

3. Entladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Entladungskammer (4) eine innerhalb der Kammer verschiebbar ausgebildete Stabelektrode (17) zur Lichtbogenzündung angeordnet ist, die mit der gasdurchlässigen Elektrode elektrisch parallelschaltbar ist.