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Einrichtung für die Herbeiführung einer selbsttätigen Formierung an Lichtbogenelektroden.
Durch ältere Untersuchungen an Lichtbogenstromrichtern bzw. an Elektroden für Lichtbogenschweissung ist bereits bekannt, dass die Bedingungen für die Existenz des Lichtbogens dann am günstigsten sind, wenn die Elektroden mit einer Oxydschicht bedeckt sind. Da eine derartige Oxydschicht aber während des Betriebes durch Durchschläge, Abbau usw. leicht zerstört werden kann, ist dafür Sorge zu tragen, dass während des Betriebes die Oxydschicht auf den Elektroden immer wieder neu gebildet (neu formiert) wird.
Die Erfindung ermöglicht dies dadurch, dass als Elektrodenmaterial eine Legierung aus mindestens zwei Metallen vorgesehen ist, von denen hauptsächlich das eine die Formierung durch Bildung dünner Oberflächenschichten bewirkt und das andere nicht oder nur wenig zur Bildung von Formierungschichten neigt und damit einen übermässig starken Abbrandverlust verhindert.
Gemäss der Erfindung kann beispielsweise die Elektrode aus zwei Metallen in feinster Verteilung (z. B. aus einer eutektischen Legierung) hergestellt werden. Eine der Komponenten soll hiebei die Eigenschaft aufweisen, im Zusammenwirken mit dem Betriebsgas bei Erhitzung durch den Lichtbogen dünne Formiersehichten zu bilden, die hinsichtlich elektrischer und Wärmeleitfähigkeit von reinem Metall abweichen. Die andere Komponente der Legierung muss eine geringere Neigung zur Bildung solcher Formierungsschichten besitzen bzw. bei ihr müssen diese Schichten leichter abbaufähig sein als bei der ersten Komponente. Besonders vorteilhaft ist die Wirkung des zweiten Legierung bestandteils dann, wenn er nicht nur den Abbrandverlust des andern Bestandteils einschränkt, sondern auch als Überträger des aggressiven Gases wirkt.
Diese Wirkung ist deshalb möglich, weil die Schichten beim zweiten Legierungsbestandteil leichter abbaufähig sind als beim ersten. Das Betriebsgas besteht zweckmässigerweise ebenfalls aus einer Mischung, beispielsweise Luft, deren eine Komponente möglichst inaktiv ist, während die andere auf die vorbeschriebene Schichtenbildung hinwirkt. Der Anteil des aggressiven Mischungsbestandteiles soll hiebei jedoch möglichst nicht grösser sein als für eine hinreichende Sehiehtenbildung erforderlich ist, um sonstige zerstörende Wirkungen (Korrosion, ver-
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Anlage mit reinem inaktivem Gas zu betreiben, wenn an einer beliebigen Stelle, etwa durch den Hauptoder den Hilfslichtbogen, ein aggressives Gas aus einem festen Körper, beispielsweise aus Kupferoxyd, oder einer Flüssigkeit freigemacht wird.
Bei der Abstimmung sämtlicher veränderlicher Grössen ist die für die Formierung zur Verfügung stehende Zeit (Brennpausen beim Stromrichterbetrieb) zu berücksichtigen, ferner die während der Belastungszeit an der Formierschicht auftretende Beanspruchung. Auf diese Weise ermöglicht die Erfindung, dass auf dem reinen Elektrodenmaterial sehr dünne Schichten verschiedener elektrischer und Wärmeleitfähigkeit gebildet werden und dass diese Schichten, soweit sie durch den Betrieb zerstört werden, beim Einsetzen jedes neuen Betriebsvorganges, für den die Formierschichten benötigt werden, bereits wieder erneuert sind. Dadurch kann die Lebensdauer der Elektroden, die beispielweise beim Lichtbogenstromrichter eine grosse Rolle spielt und im wesentlichen massgebend ist für die Dauer eines unausgesetzten Betriebes, wesentlich vergrössert werden.
Um den Erfindungsgedanken an einigen Beispielen besser erläutern zu können, sei angenommen, die Elektroden bestehen aus einer Legierung von Silber oder Gold mit Kupfer, Mangan und/oder Erdalkalimetallen, Metallen der seltenen Erden usw. Anderseits bestehe das Betriebsgas aus einer Mischung von Stickstoff und Sauerstoff mit oder ohne einen bestimmten Anteil an Kohlenoxyden oder aus Kohlensäure allein. In allen Fällen wird ein bestimmter Sauerstoffanteil im Gasumlauf vorhanden sein, der auf die angreifbare Komponente der Legierung, also beispielsweise das Kupfer oder das Erdalkalimetall einwirkt und eine Schicht von Oxyd über dem Elektrodenmetall zu bilden bestrebt ist.
Die Bildung dieser Schicht wird anderseits durch die Anwesenheit des andern Legierungsbestandteiles Silber oder Gold o. ä. beschleunigt, da insbesondere Silber als Sauerstoffüberträger wirkt, jedoch in bestimmten und durch die Zusammensetzung der Legierung genau zu beherrschenden Grenzen gehalten.
Abgesehen von den bereits erwähnten Vorteilen erhält man durch die Bildung von Formierungschichten auf der Oberfläche der Elektroden gemäss der Erfindung noch den Vorteil, dass der Licht-
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bogen nicht so leicht an einer Stelle der Elektroden festbrennen kann. Besteht die Elektrode nämlich aus einem einzigen Metall, beispielsweise aus Kupfer, so wird beim Vorhandensein von Sauerstoff zwar die Elektrodenoberfläche von einer Oxydschicht (Kupferoxydschicht) bedeckt, die die Existenz des Lichtbogens begünstigt. Das Oxyd, also beispielsweise das Kupferoxyd, hat aber eine viel geringere Wärmeleitfähigkeit als das reine Metall, also beispielsweise das Kupfer. Es kann daher an der von dem Oxyd bedeckten Stelle der Elektrode eine Wärmestauung eintreten, die ein Festbrennen des Lichtbogens begünstigt.
Werden auf der Oberfläche der Elektrode jedoch gemäss der Erfindung nicht eine Oxydschicht eines einzigen Metalles, sondern mit Hilfe von zwei Metallen Formierungsschichten gebildet, welche aus Metallen und Metalloxyden bestehen können, so wird zwar durch das Metalloxyd die Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem reinen Metall ebenfalls verringert. Man kann aber hiebei durch entsprechende Abstimmung zwischen den einzelnen Komponenten erreichen, dass die die Wärmeleitfähigkeit herabsetzende Metalloxydschicht gering und damit die Verringerung der Wärmeleitfähigkeit in zulässigen
Grenzen bleibt.
Durch die Formierungsschichten gemäss der Erfindung wird das Kathodenfallgebiet so stark vermindert, dass eine Ersetzung thermischer Emissionsbedingungen durch vorwiegend feldmässig bestimmte Emissionsbedingungen eintritt.
Der für eine Bildung der Formierungsschichten nach dem erwähnten Beispiel günstigste Sauerstoffgehalt liegt etwa zwischen 1 und 3%. Bei Verwendung eines Gasgemisches von höherem Sauerstoffgehalt als 3% kann man auch fortlaufend oder periodisch einen Teil des Umlaufgases abblasen, um eine Anreicherung mit Stickoxyden, die sich unter der Einwirkung des Lichtbogens bilden, zu vermeiden. Um die schädlichen Einwirkungen eines zu hohen Sauerstoffgehaltes während der Oxydbildung zu verhindern, kann auch der Anteil desjenigen Bestandteiles, der die Abbrandverluste herabsetzt, also beispielsweise des Silbers, vergrössert werden. Hiedurch verschiebt sich der höchstzulässige Sauerstoffgehalt nach oben.
Anderseits kann auch, wenn solche Substanzen oder Gase, beispielsweise Kohlendioxyd, mit dem Lichtbogen in Berührung kommen, die selbst Sauerstoff abspalten, der Gehalt an freiem Sauerstoff im Umlaufgas geringer als vorstehend angegeben sein. Wesentlich für die Verwirklichung der
Erfindung ist, an den Liehtbogenfusspunkten die hinreichende Menge Sauerstoff bzw. Oxyd zur Bildung der Formierungsschichten und diese Menge in möglichst konstanter Grösse zur Verfügung zu haben.
Hiebei soll der restliche Teil der Gasmischung aus solchen Gasen bestehen, die nicht durch zusätzliche
Reaktionen den Betrieb der Lichtbogenstromrichter gefährden. Falls unerwünschte Reaktionen des
Gases nicht ganz zu vermeiden sind, so kann man durch bekannte Mittel diesen Reaktionen derart entgegenwirken, dass das Gas an der Zuströmseite zum Lichtbogenraum, also nachdem das Gas den gesamten Umlauf durchlaufen hat, wieder die ursprüngliche Zusammensetzung in annähernder Konstanz erhält. Zu diesem Zweck kann man beispielsweise zur Verringerung des Sauerstoffgehaltes beheizte Kupferspiralen in die Gasumlaufleitung einschalten.
Durch die erfindungsgemässen Massnahmen lässt sich der Abbrand der Elektroden ganz wesentlich verringern und die gemäss der Erfindung vorgesehenen Formierungsschichten bilden einen Schutz gegen Zerstäubungserscheinungen und korrodierende und andere chemische Angriffe auf die Elektroden.
Ausserdem wird auch ein der Form nach erwünschter Abbrand erzielt, d. h. der Abbrand ist gleichmässig und findet in der Mitte der Elektroden statt, so dass es möglich ist, die Strömungsverhältnisse des Betriebsgases und gegebenenfalls auch die Zündungsverhältnisse des Hilfslichtbogens gut zu beherrschen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Einrichtung für die Herbeiführung einer selbsttätigen Formierung an Lichtbogenelektroden, die sich in einem gasförmigen Medium befinden, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrodenmaterial eine Legierung aus mindestens zwei Metallen vorgesehen ist, von denen hauptsächlich das eine die Formierung durch Bildung dünner Oberflächenschichten bewirkt und das andere nicht oder nur wenig zur Bildung von Formierungssehichten neigt und damit einen übermässig starken Abbrandverlust verhindert.