DD144880A1 - PROCESS FOR PLASMA WORKING OF MATERIALS - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen besteht in der Einführung eines plasmabildenden Gemisches, das kohlenstoffhaltige Verbindungen, die aus der Klasse der Kohlenwasserstoffe oder des Kohlenstoffmonoxids gewählt sind, zur Gewährleistung eines Niederschlags des Kohlenstoffs beim Brennen des elektrischen Lichtbogens wenigstens an einer von den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung enthält, in den Raum zwischen den Elektroden sowie im Zünden des elektrischen Lichtbogens und in der Einführung eines Oxydationsmittels zwecks Erhöhung der Brennstabilität des elektrischen Lichtbogens in den genannten Raum zwischen den Elektroden. Dabei wird das Oxydationsmittel in den genannten Raum zwischen den Elektroden in einem Zeitintervall von dem Zeitpunkt an, zu dem der in die Elektrode, an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der angeführte Wärmestrom bis auf den stationären Wert reduziert hat, zugeführt. - Fig.1 - -The process for the plasma treatment of materials consists in the introduction of a plasma-forming mixture, the carbonaceous Compounds derived from the class of hydrocarbons or of the Carbon monoxide are chosen to ensure a Precipitation of carbon while burning the electric Arc at least at one of the electrodes of the arc device contains, in the space between the electrodes as well as in the Igniting the electric arc and in the introduction of a Oxidizing agent in order to increase the burning stability of the electric Arc in said space between the electrodes. It will the oxidizing agent in said space between the electrodes in a time interval from when it enters the electrode, at which the carbon precipitates, incoming heat flow reaches its maximum value until the time when the has reduced the heat flow to the stationary value, fed. - Fig.1 - -

Description

Berlin, den 30.1.1980 214374 - I' 55 912/ 17Berlin, 30.1.1980 214374 - I '55 912/17

Verfahren zur Plasmabearbeitung von WerkstoffenProcess for the plasma treatment of materials

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Me Erfindung bezieht sich auf die Technologie der elektrischen Lichtbogenbearbeitung von Werkstoffen, insbesondere auf ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen»Me invention relates to the technology of electric arc machining of materials, in particular to a method for plasma machining of materials »

Die vorliegende Erfindung kann besonders vorteilhaft beim Schmelzen von Erzen, Erschmelzen und Umschmelzen, Schneiden und Schweißen von Metallen sowie beim Auftragen von Überzügen verwendet werden.The present invention can be used to particular advantage in the melting of ores, melting and remelting, cutting and welding of metals and in the application of coatings.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Um die Verwendung des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen in der Metallurgie sowie ein Konkurrieren mit dem traditionellen pyrometallurgischen Verfahren zur Bearbeitung von Werkstoffen zu ermöglichen, ist die Erfüllung einer -Reihe von Bedingungen erforderlich. Dazu gehören insbesondere:In order to enable the use of the process for the plasma processing of materials in metallurgy as well as competing with the traditional pyrometallurgical process for the processing of materials, the fulfillment of a series of conditions is required. These include in particular:

1 e Verwendung von plasmabildenden Gemischen, die aus billigen, nicht mangelnden und zu chemischen Reaktionen mit den zu bearbeitenden Werkstoffen fähigen Gasen bestehen, in erster Linie von kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Gasen, die das Ablaufen von Reduktionsreaktionen in den Schmelzen gewährleisten.1 e Use of plasma-forming mixtures consisting of cheap, non-deficient and capable of chemical reactions with the materials to be processed gases, primarily of carbon and hydrogen-containing gases, which ensure the passage of reduction reactions in the melts.

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2. ^ewährleistung eines andauernden und sicheren Arbeitsvermögens sämtlicher Elemente der entsprechenden Lichtbogeneinrichtungen, in erster Linie der besonders wärmebeanspruchten, d. h. der Elektroden bei Strömen von mindestens 500 Ampere und bei einer Leistung von mehreren hunderten Kilowatt.2. ^ guaranteeing a permanent and safe working capacity of all elements of the corresponding arcing equipment, primarily the most heat-stressed, d. H. of the electrodes at currents of at least 500 amperes and at a power of several hundreds of kilowatts.

Es ist ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen bekannt, das darin besteht, daß in den Kaum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung ein plasmabildendes Gas in ^orm von Kohlendioxid eingebracht wird (s. GB-PS 874 970).A method is known for the plasma processing of materials, which consists in introducing a plasma-forming gas in the form of carbon dioxide into the gap between the electrodes of the arc device (see GB-PS 874 970).

Dieses Verfahren ermöglicht die Plasmabearbeitung von Werkstoffen nur in einem oxydierenden Medium, weil als plasmabildendes Gas nur Kohlendioxid verwendet wird.This method allows the plasma processing of materials only in an oxidizing medium, because only carbon dioxide is used as the plasma-forming gas.

Außerdem wird bei diesem Verfahren kein andauerndes und sicheres Arbeitsvermögen der Elektroden bei Strömen über 175 Ampere und Μ einer Leistung über 10 Kilowatt gewährleistet.In addition, this method ensures no lasting and safe working capacity of the electrodes at currents above 175 amps and Μ a power over 10 kilowatts.

Das Arbeitsvermögen der Elektroden kann mittels einer Einführung von Kohlenstoff in das plasmabildende Medium verbessert werden.The working capacity of the electrodes can be improved by introducing carbon into the plasma-forming medium.

Es ist ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen bekannt (s.'GB-PS 1 101 279)> aas im Einbringen von Kohlenstoffstäben in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung besteht, bei deren Abschmelzen dasIt is a method for plasma processing of materials known (see 'GB-PS 1 101 279)> aas in the introduction of carbon rods in the space between the electrodes of the arc device consists in their melting the

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plasmabildende Medium mit Kohlenstoff bereichert wird, der sich weiterhin an einer oder an beiden Elektroden niederschlägt.enriched plasma-forming medium with carbon, which continues to precipitate on one or both electrodes.

Obwohl dieses Verfahren eine Verbesserung des Arbeitsvermögens der Elektroden ermöglicht, fordert es eine komplizierte Apparaturausrüstung wegen der Notwendigkeit des Vorhandenseins von zusätzlichen elektrischen Speisquellen und Mechanismen zum Vorschub der Kohlenstoffst>äbe in den Zwischenelektrodenraum,Although this method makes it possible to improve the working capacity of the electrodes, it requires complicated equipment for the equipment because of the necessity of having additional electrical supply sources and mechanisms for advancing the carbon particles into the interelectrode space.

Das Arbeitsvermögen der Elektroden einer Lichtbogeneinrichtung kann auch mittels eines einfacheren Verfahrens verbessert werden, z. B· durch die Einführung von kohlenstoffhaltigen Verbindungen in die Zusammensetzung des plasmabildenden Mediums.The working capacity of the electrodes of an arc device can also be improved by means of a simpler method, e.g. B · by the introduction of carbon-containing compounds in the composition of the plasma-forming medium.

Das beruht auf der weitbekannten Erscheinung des Dissoziation und Pyrolyse von kohlenstoffhaltigen Verbindungen bei Sjichtbogentemperaturen mit Ausscheidung von freiem Kohlenstoff.This is due to the well-known phenomenon of dissociation and pyrolysis of carbonaceous compounds at free-carbon precipitation temperatures.

Es ist ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen bekannt (s. DE-PS 1206531), das die Einführung eines plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung vorsieht, welches aus Wasserstoff mit einem Zusatz von Kohlenwasserstoffen bei einem Verhältnis der Zahl der Atome des Kohlenstoffs und des Wasserstoffs im plasmabildenden Gemisch von 1:6 bis 1:25 besteht, wobei das plasniabildende ^Gemisch bei einem Verhältnis der Betriebsspannung (in Volt) zum Betriebsstrom (in Ampere) vonA process for the plasma treatment of materials is known (see DE-PS 1206531), which provides for the introduction of a plasma-forming mixture in the space between the electrodes of the arc device, which consists of hydrogen with an addition of hydrocarbons at a ratio of the number of atoms of the Carbon and hydrogen in the plasma-forming mixture of 1: 6 to 1:25, wherein the plasniabildende ^G emisch at a ratio of the operating voltage (in volts) to the operating current (in ampere) of

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5 bis 15 in der hohlen Kathode in den Bereich der Brennzone des elektrischen Lichtbogens zugeführt wird.5 to 15 in the hollow cathode in the region of the burning zone of the electric arc is supplied.

Dieses Verfahren ermöglicht eine Erhöhung des Arbeitsvermögens der Katode von 30 Sekunden bis auf 1.00 Stunden bei einem Strom von 100 Ampere und einer Leistung des Lichtbogens von 100 Kilowatt infolge der Ablagerung eines schmalen Kohlenstoffbändchens an der Arbeitsoberfläche der hohlen Katode beim Brennen des Lichtbogens, unmittelbar hinter dem sich das Katodenfallgebiet des Lichtbogens befand.This method allows the cathode to increase in workload from 30 seconds to 1 hour at 100 amperes and 100 kilowatts of arc power due to the deposition of a narrow carbon ribbon on the working surface of the hollow cathode when the arc burns, just behind the arc the cathode fall area of the arc was located.

Das Verfahren ist jedoch in seiner Verwendung begrenzt, da zur Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches nur Y/asserstoff und Kohlenstoffe gehören können.However, the method is limited in its use since the composition of the plasma-forming mixture may include only hydrogen and carbon.

Außerdem kann dieses Verfahren in einer -Reihe von technologischen Vorgängen nicht verwendet werden, z. B. solchen wie das Schweißen, Schneiden und Schmelzen von elektrisch leitenden Werkstoffen, die eine Lokalisierung der elektrodennahmen Gebiete erfordern, wenn sich solche auf dem zu bearbeitenden Werkstoff befinden.Moreover, this method can not be used in a number of technological processes, e.g. For example, such as welding, cutting and melting of electrically conductive materials that require localization of the electrode areas when they are on the material to be machined.

Schließlich kann bei diesem Verfahren der Ström des elektrischen Lichtbogens einen Wert in der Größenordnung von 100 Ampere nicht überschreiten, während zur Gewährleistung eines stabilen Zündens und Brennens des elektrischen Lichtbogens eine elektrische Speisequelle mit einer Spannung von mindestens 1000 Volt erforderlich ist, wodurch die breite industrielle Verwendung dieses Verfahrens begrenzt wird. . .Finally, in this method, the arc of the electric arc can not exceed a value of the order of 100 amperes, while to ensure a stable ignition and firing of the electric arc, an electrical supply source with a voltage of at least 1000 volts is required, whereby the broad industrial use this procedure is limited. , ,

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Es ist ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen bekannt (s. US-PS 3 246 115), das in der Einführung eines plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen, den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung besteht, welches ein Brenngas (kohlenstoffhaltige Verbindungen) und ein Oxydationsmittel enthält.There is known a method of plasma machining of materials (see U.S. Patent No. 3,246,115) which involves introducing a plasma-forming mixture into the space between the electrodes of the arc device containing a fuel gas (carbonaceous compounds) and an oxidizing agent.

Dieses Verfahren kann nur zur Gasflammenbearbeitung von Werkst offen verwendet v/erden.This method can only be used for gas flame machining by Werkst offen.

Das erklärt sich dadurch, daß der Hauptanteil der sich entwickeinen Energie, wie auch in einem üblichen Gasbrenner, bei der chemischen Verbrennung der brennbaren kohlenstoffhaltigen Gase im Oxydationsmittel entsteht, die in Form eines Gemisches durch diesen Gasbrenner gefördert werden. Dabei dient der zwischen der Düse dieses Gasbrenners und der Düse der Lichtbogeneinrichtung brennende Lichtbogen nur zur Stabilisierung dieses Brennvorgangs und zur Erhöhung der Temperatur der Verbrennungsprodukte.This is explained by the fact that the main part of the energy which is being produced, as in a conventional gas burner, is the chemical combustion of the combustible carbonaceous gases in the oxidizing agent, which are conveyed in the form of a mixture through this gas burner. The arc burning between the nozzle of this gas burner and the nozzle of the arc device serves only to stabilize this burning process and to increase the temperature of the combustion products.

Die Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Verbindungen in einem Oxydationsmittel bei einem bedeutenden Überschuß des letzteren schließt einen Niederschlag von Kohlenstoff an den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung aus.Combustion of carbonaceous compounds in an oxidizer at a significant excess of the latter precludes deposition of carbon at the electrodes of the arc device.

Es ist ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen bekannt (s. US-PS 3307011), das in der Einführung eines plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen den Elektroden der_sLichtbogeneinrichtung besteht, welches kohlenstoffhaltige Verbindungen, die .aus der Klasse der Kohlenwasserstoffe oder des Kohlenstoffmonoxids gewählt sind und beim Brennen des elektrischen Lichtbogens einen Hieder-It is a method for plasma processing of materials known (s. US Patent No. 3,307,011), which consists in introducing a plasma-forming mixture into the space between the electrodes of the _s arc means, which carbon-containing compounds which .from the class of hydrocarbons, or of carbon monoxide are selected and when firing the electric arc

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schlag von Kohlenstoff mindestens an einer, der Elektroden der L^chtbogeneinrichtung gewährleisten und die in beaug auf den Werkstoff der Elektroden inerte Gase enthalteimpact of carbon on at least one which ensures electrodes of the arcuate means and which contains gases inert to the material of the electrodes

Als Gase, die in bezug auf diese oder einen Werkstoff inert sind, werden z. B. Argon und Helium, wenn die Elektrode aus Kohlenstoff, Kupfer und Aluminium gefertigt ist, oder Stickstoff und Luft, wenn die Elektrode aus Kupfer besteht, verwendet .As gases which are inert with respect to this or a material, z. Argon and helium when the electrode is made of carbon, copper and aluminum, or nitrogen and air when the electrode is copper.

Dieses Verfahren gestattet es, die Erosion von Elektroden herabzusetzen und dadurch deren Arbeitsvermögen bei stabilem Zünden und Brennen des elektrischen Lichtbogens mit Strömen von 400 bis 1000 Ampere zu erhöhen.This method makes it possible to reduce the erosion of electrodes and thereby increase their workability with stable ignition and burning of the electric arc with currents of 400 to 1000 amperes.

Das Verfahren gewährleistet jedoch nicht den etrieb der Elektroden im Zustand ihrer ständigen Erneuerung bei Bei-However, the method does not guarantee the operation of the electrodes in the state of their constant renewal in case of

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behaltung konstanter Parameter derselben, d. h., es gewährleistet kein Gleichgewicht zynischen der Menge des sich an der Arbeitsoberfläche niederschlagenden Kohlenstoffs und der Menge des von dieser Oberfläche weggetragenen Kohlenstoffs.maintaining a constant parameter of the same, d. that is, it does not ensure an equilibrium cynical of the amount of carbon precipitated at the working surface and the amount of carbon carried away from that surface.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens nimmt das Gewicht der Elektroden 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 zweiten Fall wird die Lokalisierung des Katodenfallgebiets an der Arbeitsoberfläche der Elektrode gestört, was zu einer Störung des stabilen Brenners des elektrischen Lichtbogens führt.In carrying out this method, the weight of the electrodes either always decreases (the electrodes erode) or always increases (the dimensions of the electrodes grow). In the first case, the electrode is ultimately destroyed, in the second case the localization of the cathode drop region on the working surface of the electrode is disturbed, resulting in a disturbance of the stable electric arc burner.

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Die genannte Erscheinung kann durch folgende Ursachen erklärt werden: erstens durch die Verwendung nur solcher Gase, in der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches neben kohlenstoffhaltigen Verbindungen, die in bezug auf den Werkstoff der Elektroden inert sind, zweitens durch das Fehlen eines quantitativen Zusammenhangs zwischen dein ^utrora des elektrischen Lichtbogens und dem Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindungen in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches und drittens durch das Fehlen eines Zusammenhangs zwischen der Änderung der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches und der Brenndauer des elektrischen Lichtbogens.The publication referred to can be explained by the following reasons: firstly, by the use of only such gases, in the composition of the plasma-forming mixture in addition to carbon containing compounds, which are inert with respect to the material of the electrodes, secondly, by the lack of a quantitative relationship between your ^u trora the electric arc and the consumption of the carbonaceous compounds depending on the composition of the plasma-forming mixture, and thirdly, the absence of a relationship between the change in the composition of the plasma-forming mixture and the burning time of the electric arc.

Außerdem kann dieses Verfahren keine hohe Güte des Plasmaschweißens, -Schneidens und ähnlicher technologischer Bearbeitungsvorgänge elektrisch leitenden Werkstoffe gewährleisten, weil zur -Ausführung des Verfahrens Lichtbogeneinrichtungeii mit Elektroden verwendet v/erden müssen, die entweder hohl (aus Kupfer) oder in i'ona von Blöcken (ais Kohlenstoff) gefertigt sind, was die Möglichkeit der Lokalisierung der Lichtbogensäule oder des Plasmastrahls an der Bearbeitungsstelle ausschließt.In addition, this method can not guarantee a high quality of plasma welding, cutting and similar technological operations of electrically conductive materials, because in order to carry out the process, it is necessary to use arcing means with electrodes either hollow (made of copper) or blocks of blocks (as carbon) are made, which precludes the possibility of localization of the arc column or the plasma jet at the processing site.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen, das ein dauerndes und sicheres Arbeitsvermögen der Elektroden einer Lichtbogeneinrichtung bei stabilem und stetigem B_rennen des elektrischen Lichtbogens gewährleistet.The object of the invention is the development of a process for the plasma treatment of materials, which ensures a permanent and safe working _{capacity of} the electrodes of an arc _device with stable and continuous B _renne n of the electric arc.

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Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werstoffen zu entwickeln, bei dem die Einführung eines Oxydationsmittels in den Raum zwischen den Elektroden zu einem solchen Zeitpunkt geschieht, daß eine ständige Erneuerung der Elektrode aus dem plasmabildenen Gemisch gewährleistet wird, wodurch ein dauerndes Arbeitsvermögen der Elektoden der Lichtbogeneinrichtung bei stabilem und stetigem Zünden und Brennen des elektrischen Lichtbogens und eine hohe Üearbeitungsgüte von Werkstoffen sichergestellt werden können.The invention has for its object to develop a method for plasma processing of materials, in which the introduction of an oxidizing agent in the space between the electrodes happens at such a time that a constant renewal of the electrode is ensured from the plasma-stable mixture, creating a permanent Working capacity of the electric devices of the arc device can be ensured with stable and continuous ignition and firing of the electric arc and a high quality of workmanship of materials.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß beim Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werksüoffen durch die Einführung eines plasmabildenden Gemisches, das kohlenstoffhaltige Verbindungen enthält, die aus der Klasse der Kohlenwasserstoffe oder des Kohlenstoffmonoxids gewählt sind und beim Brennen des Lichtbogens den Niederschlag des Kohlenstoffs wenigstens an einer Elektrode der Lichtbogeneinrichtung gewährleistet, in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung sowie durch das Zünden des elektrischen Lichtbogens und das Einführen eines Oxydationsmittels in den genannten Raum zwischen den Elektroden zwecks Erhöhung der Brennstabilität des elektrischen Lichtbogens, erfinduiigsgemäß die Einführung des Oxydationsmittels im Zeitintervall vom Moment an, in dem der in die Elektrode, an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht, und bis zum Moment, zu dem sich der erwähnte Wärmestrom bis auf den stationären Wert reduziert hat, durchgeführt wird.This object is achieved in that in the process for the plasma processing of factory materials by the introduction of a plasma-forming mixture containing carbonaceous compounds selected from the class of hydrocarbons or carbon monoxide and the burning of the arc, the precipitation of the carbon at least one electrode the arc device ensures, in the space between the electrodes of the arc device and by the ignition of the electric arc and the introduction of an oxidant in said space between the electrodes to increase the burning stability of the electric arc, according to the invention, the introduction of the oxidizing agent in the time interval from the moment in which the heat flow entering the electrode, at which the carbon precipitates, reaches its maximum value, and until the moment when the mentioned heat flow except for the stationary one Value has reduced, is performed.

Die Einführung des Oxydationsmittels in den Raum zwischenThe introduction of the oxidant in the space between

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den Elektroden während eines bestimmten Zeitintervalls, das nach dem in die eine von den Elektroden eintretenden Wärniestrom bestimmt wird, gewährleistet den Betrieb der Elektroden, an denen sich beim ^rennen des elektrischen Lichtbogens Kohlenstoff niederschlägt, im Zustand einer ständigen Erneuerung.The operation of the electrodes, at which carbon is precipitated when the electric arc passes, is assured to the electrodes during a certain time interval determined by the heat flow entering one of the electrodes, in the state of continuous renewal.

Die (im Pail der Katode emittierende) Arbeitsoberfläche aus Kohlenstoff wird nach dem Durchgang des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms durch das Maximum formiert, wenn ein Film zur Arbeitsoberfläche wird, den der sich aus dem plasmabildenden Gemisch niederschlagende Kohlenstoff bildet. Von diesem Moment an ist die Zuleitung des Oxydationsmittels in das plasmabildende Gemisch ohne Gefahr einer Zerstörung der Elektrode möglich.The carbon working surface (emitting in the pail of the cathode) is formed by the maximum upon passage of the heat flux entering the electrode as a film becomes the working surface formed by the carbon precipitating from the plasma-forming mixture. From this moment on, the supply of the oxidizing agent into the plasma-forming mixture is possible without risk of destruction of the electrode.

Also bleiben bei der Einführung des Oxydationsmittels in den Raum zwischen den Elektroden im Zeitintervall vom Moment an, bei dem der in eine von den Elektroden, vorzüglich in die Katode, an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht, und bis zum Moment, bei dem sich der genannte Warmestrom bis auf den stationären Wert reduziert, die Abmessungen der Elektrode im Laufe der gesamten Zeitdauer der Plasmabearbeitung konstant. Dadurch wird eine hohe Brennstabilität des elektrischen Lichtbogens bei einem theoretisch unbegrenzten Arbeitsvermögen der Elektrode gewährleistet.Thus, when the oxidant is introduced into the space between the electrodes in the time interval from the moment when the heat flux entering one of the electrodes, especially the cathode at which the carbon precipitates, reaches its maximum value, and until At the moment when the said heat flux reduces to the steady state value, the dimensions of the electrode become constant over the entire period of plasma processing. This ensures a high burning stability of the electric arc with a theoretically unlimited working capacity of the electrode.

Die Bevorzugung der Katode bei der Festlegung des Zeitintervalls für die Einführung des Oxydationsmittels wird dadurch begründet, daß der niederschlag von KohlenstoffThe preference of the cathode in determining the time interval for the introduction of the oxidizing agent is due to the fact that the precipitation of carbon

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an der Arbeitsoberfläche der Katode praktisch mit der Zündung des elektrischen Lichtbogens beginnt, während der Niederschlag von Kohlenstoff an der Arbeitsoberfläche der Anode später, erst nach Verlauf einer Zeit, die mit dem Zehnfachen von Sekunden gemessen v/ird, ansetzt. Das Gesagte bezieht sich auf den Gleichstromlichtbogen. Im Pall des Wechselstromlichtbogens bestehen bei allen Elektroden vom Gesichtspunkt des Niederschlag von Kohlenstoff gleiche Bedingungen, da jede von iken entsprechend der Kommutierung des Stroms periodisch mal als Katode, mal als Anode dient.at the working surface of the cathode practically begins with the ignition of the electric arc, while the precipitation of carbon at the working surface of the anode starts later, only after the passage of a time measured at ten times the second. The above refers to the DC arc. In the case of the AC arc, the same conditions exist for all electrodes from the point of view of precipitation of carbon, since each of iken according to the commutation of the current periodically serves as a cathode, sometimes as an anode.

Die Einführung des Oxydationsmittels in den Raum zwischen den Elektroden, bevor der in die Elektrode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, führt zu einer intensiven Erosion der Elektrode. Das ist dadurch bedingt, daß bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht die ganze Arbeitsoberfläche der Elektrode mit dem Film aus Kohlenstoff, der den direkten Kontakt des Oxydationsmittels mit dieser Oberfläche verhindert, überzogen ist.The introduction of the oxidant into the space between the electrodes before the heat flow entering the electrode has reached its maximum value results in intense erosion of the electrode. This is due to the fact that the entire working surface of the electrode with the film of carbon, which prevents the direct contact of the oxidizing agent with this surface, is not yet covered by this time.

Die Einführung des Oxydationsmittels in den &aum zwischen den Elektroden nach dem Zeitpunkt der Herabsetzung des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms bis auf den stationären Wert ist nicht zweckmäßig.The introduction of the oxidizing agent in between the electrodes after the time of decreasing the heat flux entering the electrode to the steady state value is not desirable.

Das ist dadurch bedingt, daß sich von diesem Moment an am Umfang der mit dem Kohlenstoffilm überzogenen ^rbeitsoberfläche der Elektrode überschüssiger Kohlenstoff niederschlägt. Bei einer Vergrößerung der Abmessungen des Kohlenstoffgebildes steigt die Labilität des sich dieserThis is due to the fact that excess carbon precipitates from the moment on the circumference of the working surface of the electrode covered with the carbon film. With an increase in the dimensions of the carbon structure, the lability of this increases

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Elektrode anschließenden elektrodennahen Bereiches des elektrischen Lichtbogens an, wodurch die Beständigkeit der elektrischen und geometrischen Kennwerte des elektrischen Lichtbogens verschlechtert wird.Electrode subsequent electrode near the electric arc region, whereby the resistance of the electrical and geometric characteristics of the electric arc is deteriorated.

Das wiederum führt einerseits zu einer Verschlechterung der Bearbeitungsgüte der Werkstoffe, besonders der maßhaltigen Bearbeitung (Schweißen, Sehneiden, Auftragsschweißen), und andererseits möglicherweise Erlöschen des elektrischen Lichtbogens.This in turn leads to a deterioration in the quality of the workmanship of the materials, especially the dimensionally stable machining (welding, chiselling, build-up welding) on the one hand, and possibly the extinction of the electric arc on the other hand.

Es ist zweckmäßig, das Oxydationsmittel in Form von Sauerstoff oder Luft in einer Menge von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen seiner ^enge in den -Raum zwischen den Elektroden einzuführen, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.It is expedient to introduce the oxidizing agent in the form of oxygen or air in an amount of 0.4 to 0.9 parts by volume of its size in the space between the electrodes, which corresponds to the theoretically complete conversion of the hydrocarbons.

Es ist zweckmäßig, nachdem der in die Elektrode eintretende Wärmestrom den stationären Wert erreicht hat, das Oxydationsmittel in Form von Sauerstoff oder Luft in den Raum, zwischen den Elektroden in einer Menge einzuführen, die geringer als 0,4 Volumenanteile von der Menge ist, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.It is expedient, after the heat flow entering the electrode has reached the steady state value, to introduce the oxidant in the form of oxygen or air into the space between the electrodes in an amount less than 0.4 volume of the amount corresponds to the theoretically complete conversion of the hydrocarbons.

Es ist zweckmäßig, bei der Einführung des Oxydationsmittels in Form von Kohlenstoffdioxid in den.Raum zwischen den Elektroden dasselbe in einer ^enge zu nehmen, die volumenmäßig um das 1,05- bis 2,5fache die Menge überschreitet, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.It is expedient, when introducing the oxidant in the form of carbon dioxide, into the space between the electrodes, to keep the same in a range exceeding 1.05 to 2.5 times by volume the quantity corresponding to the theoretically complete conversion of the Hydrocarbons corresponds.

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Es ist zweckmäßig, nachdem der in die Elektrode eintretende Wärmestrom'den stationären Wert erreicht hat, das Oxydationsmittel in Form von Kohlenstoffdioxid in den Raum zwischen den Elektroden in einer Menge einzuführen, die geringer als 1,05 Volumenanteile von der Menge ist, die der theoretisch vollständig'en Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.It is expedient, after the heat flow entering the electrode has reached the steady state value, to introduce the oxidizing agent in the form of carbon dioxide into the space between the electrodes in an amount less than 1.05 volume of the amount theoretically complete conversion of hydrocarbons corresponds.

Das Über- bzw. Unterschreiten dieser Grenzen im Zeitintervall, das der Verminderung des in die Elektrode eintretenden Y/ärmestroms vom maximalen bis zum stationären "ert entspricht, führt zu einer Störung des Gleichgewichts zwischen dem Niederschlag und der Abtragung des Kohlenstoffs an der Arbeitsoberfläche der Elektrode,Exceeding or undershooting these limits in the time interval corresponding to the reduction of the Y / thermal current entering the electrode from maximum to steady state results in a disturbance of the balance between the precipitation and the removal of the carbon on the working surface of the electrode .

Der durch den sich niederschlagenden Kohlenstoff gebildete Arbeitsbereich der Elektrode wird entweder infolge eines Mangels an Kohlenstoff intensiv zerstört, wenn.die volumenmäßige Menge des Oxydationsmittels die obere Grenze der angegebenen bereich überschreitet, oder es beginnt eine Vergrößerung seiner Abmessungen bei einer Verminderung der volumenmäßigen Menge des Oxydationsmittels unterhalb der unteren Grenze dieser Bereiche,The working range of the electrode formed by the precipitating carbon is intensively destroyed due to either a lack of carbon when the volume amount of the oxidizing agent exceeds the upper limit of the specified range, or an increase in its dimensions begins to occur with a decrease in the volume of the oxidizing agent below the lower limit of these ranges,

Hachdem'der in die Elektrode eintretende. Wärmestrom den stationären Wert erreicht hat, ist eine Verminderung der Menge des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch unterhalb:des Werts von 0,4 Volumenanteilen von der Menge, die der theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen bei der Verwendung von Sauerstoff oder Luft als Oxydationsmittel entspricht, oder unterhalb des WertsHachdem'der entering the electrode. Heat flux has reached the steady state value, is a reduction of the amount of the oxidizing agent in the plasma-forming mixture below: the value of 0.4 parts by volume of the amount corresponding to the theoretical complete conversion of hydrocarbons when using oxygen or air as the oxidant, or below of value

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von 1,05 Volumenanteil en von der Menge, die theoretisch der vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe bei der Verwendung von Kohlenstoffdioxid als Oxydationsmittel entspricht, möglich.of 1.05 volume percent of the amount theoretically equivalent to complete conversion of the hydrocarbons using carbon dioxide as the oxidant.

Dabei wird die Vergrößerung der Abmessungen des Arbeitsbereichs der Elektrode verhindert, die durch eine Vergrößerung des in dieselbe eintretenden Warmestroms begleitet wird. Das geschieht durch eine wiederholte kurz-» zeitige Vergrößerung des Gehalts des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch bis auf einen ^ert von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen (Oxydationsmittel ist Sauerstoff oder Luft) oder von 1,05 bis 2,5 Volumenanteilen (Oxydationsmittel ist Kohl ens t of fdi oxid) von der Menge, die der theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen im G_end._scli entspricht, bei einer Vergrößerung des in die Elektrode eintretenden Vrdrmestroms um 10 bis 15 % über den stationären Wert, der bei sonstigen gleichen Bedingungen der Stromstärke dieses elektrischen Lichtbogens entspricht.This prevents the enlargement of the dimensions of the working range of the electrode, which is accompanied by an increase in the incoming heat flow in the same. This is done by a repeated short-term increase in the content of the oxidizing agent in the plasma-forming mixture to a value of 0.4 to 0.9 parts by volume (oxidizing agent is oxygen or air) or from 1.05 to 2.5 parts by volume (oxidizing agent is carbon ens t fdi of oxide) by the amount corresponding to the theoretically complete conversion of hydrocarbons in the G _s d. _Sc li corresponds to a magnification of the entering into the electrode Vrdrmestroms by 10 to 15% above the steady value, which corresponds to the same magnitude of the current strength of this electric arc under other similar conditions.

Eine solche Einhaltung des Vorgangs ermöglicht die Durchführung der Plasmabearbeitung in den Fällen, in denen das Gasmedium am Bearbeitungsbereich möglichst reduzierend sein soll, d. h., wenn sie eine maximale Menge von Kohlenwasserstoffen und Produkte ihrer Pyrolyse enthalten muß, wie z. B, beim Reduktionsschmelzen von Metallen.Such a compliance of the process allows the execution of the plasma processing in cases where the gas medium should be as reducing as possible at the processing area, d. h., If it must contain a maximum amount of hydrocarbons and products of their pyrolysis, such as. B, in the reduction melting of metals.

Es ist zweckmäßig, in Abhängigkeit von der chemischen Verwandtechaft (Affinität) des Oxydationsmittels mit der kohlenstoffhaltigen Verbindung die letztere in einer MengeIt is appropriate, depending on the chemical affinity (affinity) of the oxidizing agent with the carbonaceous compound, the latter in an amount

-14- 30.1.1980-14- 30.1.1980

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-a o-a o

^von 0*5 » 10*" l/As bis 6 . 10~^ρ l/As, in den Raum zwischen den ^{n n from} 0 * 5 »10 *" l / A to 6 ^· 10 ~ ^ρ l / A, in the space between the ⁿⁿ

Elektroden einzuführen, wo η die Zahl der Atome des Kohlenstoffs in der verwendeten kohlenstoffhaltigen Verbindung ist.Inserting electrodes where η is the number of atoms of carbon in the carbonaceous compound used.

Bei einer geringeren chemischen Verwandtschaft, die durch die freie Energie der Bildung entsprechender Produkte der Reaktionen kohlenstoffhaltiger Verbindungen und/oder des Kohlenstoffs mit dem Oxydationsmittel gekennzeichnet wird, werden die kohlenstoffhaltigen Verbindungen in einer Menge, die der unteren Grenze, d. h. 0,5 > 10 l/As, naheliegt,With a lower chemical affinity characterized by the free energy of formation of corresponding products of the reactions of carbonaceous compounds and / or of the carbon with the oxidizing agent, the carbonaceous compounds will be present in an amount lower than the limit, ie 0.5> 10 l / As, near,

und bei einer größeren chemischen Verwandtschaft in einer Menge, die der oberen Grenze, d.h. 6 . 10 l/As, naheliegt, eingeführt. ^Π and at a larger chemical kinship in an amount that is the upper limit, ie 6. 10 l / a, near, introduced. ^Π

Die Einführung der kohlenstoffhaltigen Verbindungen in einer Menge von 0,5 . 10"^ l/As bis 6 . 10"^ l/As inThe introduction of the carbonaceous compounds in an amount of 0.5. 10 " / A to 6. 10" A / A in

η ηη η

den Raum zwischen den Elektroden gestattet es, den Betriebszustand der Elektrode mit ständiger Erneuerung zu gewährleisten. .The space between the electrodes makes it possible to ensure the operating state of the electrode with constant renewal. ,

Bei der Einführung der kohlenstoffhaltigen Verbindungen in einer Menge unterhalb von 0.5 * 10 l/As wird die Elek-When the carbonaceous compounds are introduced in an amount below 0.5 * 10 l / a, the electric

trode dadurch zerstört, daß die Menge des sich auf der Elektrode niederschlagenden Kohlenstoffs für die ständige Erneuerung dieser Elektrode unzureichend ist.destroyed by the fact that the amount of precipitating on the electrode carbon for the permanent renewal of this electrode is insufficient.

Bei der Einführung der kohlenstoffhaltigen Verbindungen inWhen introducing the carbonaceous compounds in

2 I 43/4 .15- 30.1.19802 I 43/4 .15- 30.1.1980

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einer Menge oberhalb von 6 . 10~³ l/As werden die Abmessungenan amount above 6. 10 ~ ³ l / a will be the dimensions

der Elektrode unbegrenzt ansteigen, was zu einer Störung sowohl der Stabilität und Beständigkeit des Brenners des elektrischen Lichtbogens als auch der Bearbeitungsgüte der Werkstoffe mit seiner Hilfe führen wird.the electrode will increase indefinitely, which will lead to a disruption of both the stability and durability of the electric arc torch and the processing quality of the materials with its help.

Es ist zweckmäßig, das Oxydationsmittel und das die kohlenstoffhaltigen Verbindungen enthaltende plasmabildende Gemisch getrennt in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung einzuführen und dabei die kohlenstoffhaltigen Verbindungen unmittelbar in die Zone einzuführen, die an die Arbeitsoberfläche einer der Elektroden, vorzugsweise der Katode, aufgrenzt.It is convenient to introduce the oxidizing agent and the plasma-forming mixture containing the carbonaceous compounds separately into the space between the electrodes of the arc device, thereby introducing the carbonaceous compounds directly into the zone which is adjacent to the working surface of one of the electrodes, preferably the cathode.

Die getrennte Einführung des Oxydationsmittels und der kohlenstoffhaltigen Verbindungen in die Lichtbogeneinrichtung gestattet es, den Betriebszustand jeder der Elektroden separat zu regeln, was bei der Bearbeitung von Werkstoffen mit einem Plasmastrahl besonders wi chtig ist, wenn sämtliche Elektroden einer Lichtbogeneinrichtung unter irgendeinem Potential stehen (im Pall des Gleichstromlichtbogens unter dem Potential der Katode und der Anode) und demzufolge unter unterschiedlichen bedingungen wirken.The separate introduction of the oxidant and the carbonaceous compounds into the arc device makes it possible to regulate the operating state of each of the electrodes separately, which is particularly important in the processing of materials with a plasma jet when all the electrodes of an arc device are under any potential (in the Pall of the DC arc below the potential of the cathode and the anode) and consequently under different conditions.

Ausführungsbeispielembodiment

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail by the description of embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

Pig. 1: eine Einrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabearbeitung von vorzugsweise nicht elek-Pig. 1: a device for the method according to the invention for the plasma processing of preferably non-electrolytic

I -1.6- 30.1.1980I -1.6- 30.1.1980

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trisch leitenden Werkstoffen mit Hilfe eines beim Brennen des elektrischen Lichtbogens zwischen den Elektroden einer Lichtbogeneinrichtung erhaltenen Plasmastrahls in einem Längsschnitt;trisch conductive materials using a plasma jet obtained during the burning of the electric arc between the electrodes of an arc device in a longitudinal section;

Pig. 2: eine Einrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabearbeitung von vorzugsweise elektrisch leitenden Werkstoffen mit einem herausgetragenen Lichtbogen, wenn der zu bearbeitende Werkstoff als eine von den Elektroden dient, in einem Längsschnitt ;Pig. 2 shows a device for the method according to the invention for the plasma treatment of preferably electrically conductive materials with a discharged arc, when the material to be processed serves as one of the electrodes, in a longitudinal section;

Pig. 3: ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Wertes des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms von der Brenndauer des elektrischen Lichtbogens charakterisiert;Pig. FIG. 3 is a graph which characterizes the dependence of the value of the heat flow entering the electrode on the burning time of the electric arc; FIG.

Pig. 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 gemäß der Erfindung;Pig. 4 is a diagram showing the dependence of the value of the entering into the electrode heat flow from the focal length of the electrical arc and an ^A usführungsbeispiel of the method for plasma processing of ^w erkstoffen according to the invention;

Pig. 5: eine Einrichtung für ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt.Pig. 5 shows a device for a further embodiment of the method for the plasma machining of materials according to the invention in a longitudinal section.

Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß sich der in die Elektrode eintretende Wärmestrom grundsätzlich unterschiedlich in Abhängigkeit davon ändert, ob im plasma-Experimental investigations have shown that the heat flow entering the electrode fundamentally changes differently depending on whether in the plasma

21^3/4 -17- -30.1.198021 ^ 3/4 -17- 30.1.1980

56 912 /56 912 /

"bildenden Gemisch kohlenstoffhaltige Verbindungen enthalten sind oder nicht, bei deren Zersetzung im elektrischen Lichtbogen Kohlenstoff ausgeschieden wird, der sich an den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung niederschlägt."containing mixture carbonaceous compounds or not, in the decomposition in the electric arc carbon is precipitated, which is reflected at the electrodes of the arc device.

Beim ^ehlen solcher Verbindungen erreicht der in die Elektrode eintretende Wärmestrom einen bestimmten Wert beim Zünden des elektrischen Lichtbogens und steigt v/eiterhin bei gleichbleibender Stromstärke ständig mit einer Geschwindigkeit an, die von der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches, dem Werkstoff und den geometrischen Abmessungen der Elektrode abhängig ist. Dieses ist durch die Erosion der Elektrode bedingt. Diese Erscheinung tritt besonders ausgeprägt an der Katode der Lichtbogeneinrichtuiig auf·When such compounds are bled, the heat flux entering the electrode reaches a certain value when the electric arc is ignited, and at a constant current level it constantly rises at a rate which depends on the composition of the plasma-forming mixture, the material and the geometrical dimensions of the electrode is dependent. This is due to the erosion of the electrode. This phenomenon occurs particularly pronounced at the cathode of the arcing device.

Ein minimaler zeitgebundener Anstieg des in die Katode eintretenden Wärmestroms und damit auch eine minimale Erosion der letzteren wird bei Wolframkatoden in einem Edelgas, z. B, Argon, beobachtet. Der Anstieg des in die Katode eintretenden Wärmestroms und die Erosion der Katode wachsen jedoch stark an und erreichen katastrophenartige Ausmaße für die gleiche Wolframkatode in chemisch aktiven ^Gasen ,z.B. in Sauerstoff oder Luft.A minimal time-bound increase in the heat flux entering the cathode and thus also a minimal erosion of the latter is in tungsten cathodes in a noble gas, eg. B, argon, observed. However, the increase of the light entering the cathode heat flow and the erosion of the cathode grow strong and reach catastrophic proportions for the same tungsten cathode in chemically active ^G ases, eg oxygen or air.

Bei Anwesenheit von aus der Klasse der Kohlenwasserstoffe und des Kohlenstoffmonoxids gewählter kohlenstoffhaltiger Verbindungen im plasmabildenden Gemisch entsteht beim Brennen des elektrischen Lichtbogens neben anderen Komponenten desselben auch freier Kohlenstoff infolge der Zer-In the presence of carbon-containing compounds selected from the class of hydrocarbons and of carbon monoxide in the plasma-forming mixture, free-carbon, in addition to other components thereof, also forms as a result of the decomposition of the electric arc.

# -18- 30.1.1980# -18- 30.1.1980

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setzung (Pyrolyse und Dissoziation) dieser Verbindungen nach folgenden Keaktionen:tion (pyrolysis and dissociation) of these compounds according to the following reactions:

_{+ 2} —> nC + (η + DH₂ (1) _{+ 2} -> nC + (η + DH ₂ (1)

2CO -—» CO₂ + C (2)2CO - »CO ₂ + C (2)

CO > C + 0 (3)CO > C + 0 (3)

Die Zersetzung (Pyrolyse) von Kohlenwasserstoffen, insbesondere der Grenzkohlenwasserstoffe nach Formel (1) geschieht mit einem geringen Energieaufwand (z. B. für Metahn CH.C^ 17 kcal/mol), und deshalb läuft die Zersetzung vollständig bei genügend niedriegen T_emperaturen ab (für Methan 1200 ⁰C).The decomposition (pyrolysis) of hydrocarbons, especially the saturated hydrocarbons of formula (1) is done with a low expenditure of energy (z. B. for Metahn CH.C ^ 17 kcal / mol), and therefore the decomposition proceeds completely at a sufficiently, low level T _e mperaturen from (for methane 1200 ⁰ C).

Die Zersetzung (Dissoziation) von Kohlenstoffdioxid nach Formel (2) läuft desgleichen im Bereich mäßiger Temperaturen ab, was dadurch gekennzeichnet wird, daß sowohl die Gleichgewichtskonstante dieser ReaktionThe decomposition (dissociation) of carbon dioxide of formula (2) also proceeds in the range of moderate temperatures, which is characterized in that both the equilibrium constant of this reaction

^pco ^p co

wo Κ« die Gleichgewichtskonstante undwhere Κ «the equilibrium constant and

¹ und Pq₀ die Partialdrücke des Kohlenstoffdioxids ¹ and Pq ₀ the partial pressures of the carbon dioxide

bzw. Kohlenstoffmonoxids im plasmabildenden Gemisch sind, als auch entsprechend der Logarithmus dieser Konstante, gleichor carbon monoxide in the plasma-forming mixture, as well as according to the logarithm of this constant, the same

9m I 9m I -»*?# » -19-- »*? #» -19- 113,113 30· 5630 · 56 1.1 9121.1 912 980 / 17980/17 P~P ~ - = 8916 - 9.- = 8916 - 9. (5)(5) tt ^pco ^p co TT

wo T die Temperatur des Gasgemisches dst, mit Erhöhung der Temperatur steil abfallen.where T is the temperature of the gas mixture, steeply decrease with increasing temperature.

Die Zersetzung (Dissoziation) von Kohlenstoffmonoxid nach Formel (3) geschieht im Bereich hoher Temperaturen, worauf auch die Vergrößerung der Gleichgewichtskonstante um viele Größenordnungen in diesem Bereich hinweist:The decomposition (dissociation) of carbon monoxide according to formula (3) occurs in the range of high temperatures, which also indicates the increase of the equilibrium constant by many orders of magnitude in this range:

^pco ^p co

hierin sind Ρ~, P_QJ P„q die Partialdrücke des Kohlenstoffs bzw. des atomaren Sauerstoffs und des Kohlenßtoffmonoxids im plasmabildenden Gemisch.Herein, ΡΡ, P _QJ P "q are the partial pressures of carbon and atomic oxygen, respectively, and carbon monoxide in the plasma-forming mixture.

Die Änderungen der Gleichgewichtskonstante in Abhän gigkeit von der Temperatur sind für die Formel (3) in der Tabelle 1 angeführt:The changes in the equilibrium constant as a function of the temperature are given for the formula (3) in Table 1:

16,57 75,5 738,616.57 75.5 738.6

Tabelle 1 'Table 1 '

Temperatur 3000 4000 5000 6000 7000 8000 lgK_G -11,62 -6,85 -3,97 -2,04 -0,65 0,40 K_G , 2,376.10~¹² 1,415·10~⁷ 1,O75.1O~⁴ 9,192.1O~³ 2,25.10~¹ 2,511Temperature 3000 4000 5000 6000 7000 8000 _G lgK -11.62 -6.85 -3.97 -2.04 -0.65 0.40 K _G, 2,376.10 ~ ¹² 1.415 x 10 ~ ⁷ 1 ~ ⁴ O75.1O 9,192.1O ~ ³ 2.25.10 ~ ¹ 2.511

to Temperatur 9000 10000 12000 f to temperature 9000 10000 12000 f

vo ω οvo ω ο

214374214374

-21- 30.1.1980-21- 30.1.1980

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Der freie Kohlenstoff aus dem plasmabildenden Gemisch schlägt sich an den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung nieder, wobei der Kohlenstoff an die Katode überwiegend in Form positiv geladener Ionen gelangt· Da der Arbeitsteil der Elektrode (für die Katode ist das ihre emittierende Oberfläche) mit einer Kohlenstoffschicht überzogen wird, beginnt der in die Elektrode eintretende Wärmestorm, der bei der Zündung des elektrischen Lichtbogens seinen vom Bogenstrom abhängenden maximalen Wert erreicht hat, weiterhin abzufallen·The free carbon from the plasma-forming mixture is deposited at the electrodes of the arc device, whereby the carbon reaches the cathode predominantly in the form of positively charged ions. Since the working part of the electrode (for the cathode that is its emitting surface) is coated with a carbon layer , the thermal strain entering the electrode, which has reached its maximum value dependent on the arc current at the time of ignition of the electric arc, continues to decrease.

Das unterscheidet den elektrischen Lichtbogen, in dessen plasmabildenden 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·This distinguishes the electric arc, in whose plasma-forming mixture carbon is present, which has the ability to deposit itself on the electrodes, from the electric arc with a plasma-forming mixture which does not contain such carbon.

Die Verminderung de3 Wärmestroms dauert so lange, bis sich die ganze Arbeitsoberfläche der .elektrode mit Kohlenstoff überzieht· Beim weiteren Brennen des elektrischen Lichtbogens wird sich der in die Elektrode eintretende Wärmestrom, nachdem er einen bestimmten stationären Wert erreicht hat, der auch von der Stromstärke abhängt, weiterhin mit der Zeit so lange nicht ändern, bis die Abmessungen der durch den sich aus dem plasmabildenden Gemisch niederschlagenden Kohlenstoff gebildeten Arbeitsoberfläche der Elektrode so stark anwachsen, daß erneut ein Anstieg des Wärmestroms beginnt·The reduction of the heat flow lasts until the entire working surface of the electrode is coated with carbon. As the electric arc burns, the heat flow entering the electrode will be reached, having reached a certain stationary value, which also depends on the current intensity , continue to change over time until the dimensions of the working surface of the electrode formed by the carbon forming the plasma-forming mixture increase to such an extent that an increase in the heat flow begins again.

So bildet sich z. B· im Pail einer Katode am Umfang der (emittierenden) Arbeitsoberfläche derselben, der den ausSo z. B · in the pail of a cathode on the periphery of the (emitting) working surface of the same, the

-22- 30,1.1980-22- 30.1.1980

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dem plasmabildenden Gemisch niedergeschlagenen Kohlenstoff umfaßt und die tatsächliche Katode der Lichtbogeneinrichtung darstellt, ein in seinen Abmessungen wachsendes Kohlenstoffgebilde in Form einer Krone aus. Mit dem Wachsen dieses Gebilde steigt die Labilität des sich der Katode anschließenden Abschnitts des elektrischen Lichtbogens an. Das führt zu einer Störung der Lokalisierung dieses Abschnitts und zur Vergrößerung des in die Katode eintretenden Wärmestroms,comprising carbon precipitated in the plasma-forming mixture and representing the actual cathode of the arc device, a carbon structure of increasing size in the form of a crown. As this structure grows, the lability of the portion of the electric arc adjacent to the cathode increases. This leads to a disruption of the localization of this section and to the increase in the heat flow entering the cathode,

Der elektrische Lichtbogen wird unstabil, und er erlischt letzten Endes.The electric arc becomes unstable, and it eventually goes out.

In der Regel geht diesem Vorgang ein Anstieg des in die Katode eintretenden Wärmestroms um mehr als 15 % im Vergleich zum stationären ^wert des Wärmestroms, der bei sonstigen gleichen Bedingungen durch die Stromstärke des elektrischen Lichtbogens bestimmt wird, voraus.Usually this process is an increase of entering the cathode heat flow by more than 15% compared to the stationary ^w ert of the heat flow, which is determined in other equal terms by the current strength of the electric arc ahead.

Der Erfinder hat auch festgestellt, daß es zweckmäßig ist, das Oxydationsmittel nicht gleich einzuführen, sondern erst dann, wenn sich der in die Elektrode eintretende Wärmestrom , nachdem er den maximalen Wert erreicht hat, um 10 % dieses maximalen Wertes vermindert.The inventor has also found that it is expedient not to introduce the oxidizing agent immediately, but only when the heat flow entering the electrode, after reaching the maximum value, decreases by 10% of this maximum value.

Bei der Wahl der Beziehungen zwischen den Kohlenwasserstoff en und dem Oxydationsmittel in Form von Sauerstoff oder Luft bzw. zwischen den Kohlenwasserstoffen und dem Oxydationsmittel in Form von Kohlenstoffdioxid in dem plasmabildenden Gemisch ging der Erfindung von folgenden Voraussetzungen aus:In choosing the relationships between the hydrocarbons and the oxidizing agent in the form of oxygen or air or between the hydrocarbons and the oxidizing agent in the form of carbon dioxide in the plasma-forming mixture, the invention was based on the following conditions:

214374 __.214374 __.

23- 3Ο·1·198Ο23- 3Ο · 1 · 198Ο

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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 Kontaktes mit der Elektrode, an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, einen gewissen Mangel an Oxydationsmittel aufweisen« besonders einfach können solche Gemische durch eine Konversion der Kohlenwasserstoffe mittels der Oxydationsmittel erhalten werden.First, in order to enable the existence of carbon in the free state, which ensures the constant renewal of the electrode, the plasma-forming mixture must have a certain deficiency of oxidising agent in the zone of its contact with the electrode at which the carbon precipitates Mixtures are obtained by a conversion of the hydrocarbons by means of the oxidizing agent.

Zum Beispiel läuft die Konversion von Grenzkohlenwasserstoffen durch verschiedene Oxydationsmittel nach folgenden Reaktionen ab:For example, the conversion of Border Hydrocarbons by various oxidants proceeds according to the following reactions:

η O₂ = nCO + (n+1)H₂ (7)η O ₂ = nCO + (n + 1) H ₂ (7)

nC0₂ a 2nC0 + (n + I)H₂ (8)nC0 ₂ a 2nC0 + (n + I) H ₂ (8)

C_nH_2n+2 + nH₂0 = nCO + (2n + I)H₂ (9)C _n H _{2n + 2} + nH ₂ 0 = nCO + (2n + I) H ₂ (9)

Wenn man den Volumenverbrauch des Oxydationsmittels, der zur theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen des Gemisches erforderlich ist, als Eins annimmt, so wird bei einem gewissen Mangel des Oxydationsmittels die Konversionsreaktion nicht vollständig ablaufen, und es wird im Gemisch neben CO und H₂ auch der zur ständigen Erneuerung der Elektroden erforderliche Kohlenstoff vorhanden sein·If one assumes the volume consumption of the oxidizing agent, which is required for the theoretically complete conversion of hydrocarbons of the mixture, as one, so with a certain lack of the oxidizing agent, the conversion reaction will not complete, and it is in the mixture in addition to CO and H ₂ and the permanent renewal of the electrodes required carbon ·

Zweitens ist bekannt, daß in jedem sich in einem Volumen befindenden nicht homogenen Gasgemisch unter EinwirkungSecondly, it is known that in each non-homogeneous gas mixture in a volume under the action

-24- 30.1.1980-24- 30.1.1980

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von Zentrifugalkräften und Temperaturgradienten eine mechanische und thermodiffuse Zerteilung der Komponenten des Gemisches auftritt. Dabei verteilen sich die Gase entsprechend ihrer Molekulargewichte:, Die Peripherie und die kälteren Bereiche des Volumens werden mit schweren Gasen bereichert und das Zentrum sowie die mehr erwärmten Bereiche mit leichteren Gasen,centrifugal forces and temperature gradients, a mechanical and thermodiffuse fragmentation of the components of the mixture occurs. The gases are distributed according to their molecular weights :, The periphery and the colder areas of the volume are enriched with heavy gases and the center and the more heated areas with lighter gases,

In jedem elektrischen Lichtbogen wird beim Vorhandensein von bedeutenden Temperaturgradienten, die bei seiner Stabilisierung in der Lichtbogeneinrichtung steil ansteigen, stets eine chemische Hichthomogenüit des plasmabildenen Gemisches über den Querschnitt und die Länge des elektrischen Lichtbogens beobachtet. Gase mit hohen Molekulargewichten v/erden an die Peripherie des elektrischen Lichtbogens und Gase mit geringeren Molekulargewichten zu seiner Achse verdrängt, was unterschiedliche Funktionierungsbedingungen der Lichtbogensäule und der elektrodennahen Bereiche des elektrischen Lichtbogens verursacht.In each electric arc, in the presence of significant temperature gradients which rise sharply as it stabilizes in the arc means, a chemical homogeneity of the plasma-stable mixture over the cross-section and length of the electric arc is always observed. High molecular weight gases are displaced to the periphery of the electric arc and lower molecular weight gases are displaced to its axis, causing different operating conditions of the arc column and the electrode-near portions of the electric arc.

In Gemischen mit Kohlenwasserstoffen haben sowohl der Sauerstoff als auch die Luft und das Kohlendioxid, die als Oxydationsmittel verwendet werden, höhere Molekulargewichte als der Kohlenstoff. Dessen Molekulargewicht ist gleich 12, während es bei Luft 29, bei Sauerstoff 32 und bei Kohlendioxyd 44 beträgt*In mixtures with hydrocarbons, both the oxygen and the air and carbon dioxide used as the oxidant have higher molecular weights than the carbon. Its molecular weight is equal to 12, while it is 29 for air, 32 for oxygen and 44 for carbon dioxide.

Entsprechend der Beziehungen zwischen den Molekulargewichten dieses oder jenes Oxydationsmittels und des Kohlenstoffs wird das Oxydationsmittel an die Peripherie der Lichtbogensäule verdrängt, während der Mittelteil der Säule mit Kohlenstoff angereichert v/ird.According to the relationships between the molecular weights of this or that oxidizer and the carbon, the oxidant is displaced to the periphery of the arc column, while the center portion of the column becomes carbon enriched.

2f4374 -25- 30.1.19802f4374 -25- 30.1.1980

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Sie 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.The intensity of this separation is increased with the increase of the arc current and the increase in the feeding speed of the plasma-forming mixture into the space between the electrodes of the arc device due to an increase in the temperature gradients and the pressures in the gas volume limited by the inter-electrode gap.

Bei Verwendung von leichteren Oxydationsmitteln wie Sauerstoff oder Luft liegt ihre ^enge im plasmabildenden Gemisch in den Grenzen von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen der Menge, die zur theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen des Gemisches erforderlich ist, und verschiebt sich zur oberen Grenze mit der Vergrößerung der Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und des Verbrauchs (der Zufuhrgeschwindigkeit) des plasmabildenden Gemisches im Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung.When lighter oxidants such as oxygen or air are used, their tightness in the plasma-forming mixture is within the limits of 0.4 to 0.9 parts by volume of the amount required for theoretically complete conversion of hydrocarbons of the mixture and shifts towards the upper limit the increase in the electric arc current and the consumption (the supply speed) of the plasma-forming mixture in the space between the electrodes of the arc device.

Bei Verwendung eines schweren Oxydationsmittels wie Kohlendioxid muß dessen Menge im Gemisch volumenmäßig um das 1,05 bis 2,5£ache die Menge überschreiten, die theoretisch der vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen des Gemisches entspricht, und sie verschiebt sich desgleichen zur oberen Grenze mit der Vergrößerung der Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und des Verbrauchs des plasmabildenden Gemisches.When using a heavy oxidizer such as carbon dioxide, its amount in the mixture must exceed the amount by volume of 1.05 to 2.5 pounds, which theoretically corresponds to the complete conversion of hydrocarbons of the mixture, and it also shifts to the upper limit with the increase the current of the electric arc and the consumption of the plasma-forming mixture.

Experimentielle Untersuchungen haben gezeigt, daß in einer Reihe von Fällen sogar bei Einhaltung der Beziehungen zwischen den Mengen der kohlenstoffhaltigen Verbindungen undExperimental studies have shown that, in a number of cases, even in maintaining the relationships between the amounts of carbonaceous compounds and

-26- 30.1.1980-26- 30.1.1980

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des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch kein betriebszustand der ständigen Erneuerung der Elektrode beobachtet wird. Das geschah unabhängig vom Stromwert des elektrischen Lichtbogens bei geringem "Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindungen (unterhalb 0,5 > 10 l/As),the oxidizing agent in the plasma-forming mixture no operating state of the permanent renewal of the electrode is observed. This happened independently of the current value of the electric arc with low consumption of the carbonaceous compounds (below 0.5> 10 l / ace),

als die Elektrode zerstört wurde, und bei großem Verbrauch derselben (über 6,10**·^ l/As), wenn die Abmessungen des Arbeitsabschnitts ⁿ der Elektrode unbegrenzt vergrößert und die Brennstabilität des elektrischen Lichtbogens gestört wurden.when the electrode was destroyed, and at high consumption thereof (over 6.10 ·············································································································· ), when the dimensions of the working portion ^{n of} the electrode were increased indefinitely and the burning stability of the electric arc was disturbed

Zur Festlegung der V/ege zur Bekämpfung dieser Erscheinung griff der Erfinder zur bekannten Tatsache, daß der Niederschlag des Kohlenstoffs an der Katode im Gleichstromlichtbogen die ganze Zeit und an der Elektrode im Wechselstromlichtbogen periodisch, und zwar wahrend der Zeitabschnitte, wenn sie als Katode winkt, in Form von positiv geladenen Ionen geschieht und dem zweiten Faradayschen Gesetz für die Elektrolyse folgt.To establish the purpose of combating this phenomenon, the inventor made use of the known fact that the precipitation of carbon on the cathode in the DC arc occurs periodically throughout the period and at the electrode in the AC arc, during the time periods when it beeps as the cathode. happens in the form of positively charged ions and follows the second Faraday's law for electrolysis.

Entsprechend diesem Gesetz ist die Menge G des an der Elektrode niedergeschlagenen Kohlenstoffs dem.chemischen Äquivalent A=12 des/feinmalig ionisierten einatomigen Kohlenstoffs, der Stromstärke I und der Zeit ^j . des Stromdurchflusses proportional, d, h.,According to this law, the amount G of the carbon deposited on the electrode is the chemical equivalent A = 12 of the / diisomalized monatomic carbon, the current I and the time jj. the flow rate is proportional, d, h.,

(10),(10)

worin F die Faraday-Konstante ausdrückt, die 9»65 · 10 C/Grammäquivalent gleich ist.where F expresses the Faraday constant which is equal to 9x65x10 4 C / gram equivalent.

-27- 30.1,1980-27- 30.1.1980

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Durch das Einsetzen des Wertes F in Formel (10) wird erhalten:By substituting the value F in formula (10), we obtain:

_1|_1 |

9,65 . 10⁴ 9.65. 10 ⁴

Das hat es gestattet, den Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindung, d, h. der Kohlenstoffquelle, die den Ionenstrom zur Elektrode gewährleistet, mit dein Strom des elektrischen Lichtbogens zu verbinden und bei Kenntnis der Menge von Kohlenstoff in dieser Verbindung seinen Verbrauch zu bestimmen, die theoretisch zum Durchfluß des vorgegebenen Stroms erforderlich ist.This has allowed the consumption of the carbonaceous compound, d, h. the carbon source, which ensures the ion current to the electrode to connect with your electric arc current and knowing the amount of carbon in this compound to determine its consumption, which is theoretically required to flow the given stream.

Der Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindungen unterscheidet sich jedoch praktisch, wie das Experimente gezeigt haben, vom theoretisch berechneten Verbrauch und hängt auch von der chemischen Natur des in das plasmabildenden Gemisch eingeführten Oxydationsmittels ab.However, the consumption of the carbonaceous compounds differs practically, as the experiments have shown, from the theoretically calculated consumption and also depends on the chemical nature of the oxidizing agent introduced into the plasma-forming mixture.

Das erklärt sich dadurch, daß ein Teil der kohlenstoffhaltigen Verbindung und/oder des freien Kohlenstoffs mit dem sich im plasmabildenden Gemisch befindenden Oxydationsmittel reagiert und zu chemischen Verbindungen (CO, CpHp, COp$ C, HC, Cp^P ^usw·) gebunden wird, wodurch er sich also an der Elektrode nicht mehr niederschlagen und die tatsächliche Kohlenstoffelektrode nicht formieren kann.This is explained by the fact that part of the carbonaceous compound and / or the free carbon reacts with the oxidizing agent present in the plasma-forming mixture and becomes bound to chemical compounds (CO, CpHp, COp $ C, HC, Cp ^ P, ^etc. ), so that he no longer precipitate at the electrode and the actual carbon electrode can not form.

Es ist bekannt, daß in Gemischen, die aus chemisch zusammenwirkenden Komponenten bestehen, die Möglichkeit der Bildung dieser oder jener Reaktionsprodukte durch das isobarisch-It is known that in mixtures consisting of chemically interacting components, the possibility of the formation of one or more reaction products by the isobaric

214 37'214 37 '

-28- 30.1.1980-28- 30.1.1980

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isothermische Potential (Gibbs-Energie) oder durch die chemische Verwandtschaft dieser Komponenten bestimmt wird.isothermal potential (Gibbs energy) or determined by the chemical relationship of these components.

In den in Betracht gezogenen plasmabildenden Gemischen ist eine chemische Zusammenwirkung sowohl der in diese eingeführten kohlenstoffhaltigen Verbindungen (CO, CEL und anderer Kohlenwasserstoffe) als auch des freien Kohlenstoffs C mit dem desgleichen in dieses ^üemisch eingeführten Oxydationsmittel möglich.In the contemplated plasma-forming mixtures of a chemical interaction, both of these imported in carbon-containing compounds (CO, CEL and other hydrocarbons) and the free carbon C with the likewise emic introduced in this ^ü Oxidant is possible.

Die nach bekannten Verfahren durchgeführten thermodynamischen Berechnungen haben gezeigt, daß sich die chemische Yerwandschaft sowohl der kohlenstoffhaltigen Verbindungen als auch des Kohlenstoffs beim Übergang von Op zu COg vermindert. Auf Grund dieser theoretischen Voraussetzung und experimenteller Untersuchungen wurde der Schluß gezogen, daß zur Sicherstellung einer Menge freien Kohlenstoffs im plasmabildenden 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,The thermodynamic calculations carried out by known methods have shown that the chemical evolution of both the carbonaceous compounds and the carbon in the transition from Op to COg decreases. On the basis of this theoretical assumption and experimental investigations, it was concluded that to ensure an amount of free carbon in the plasma-forming mixture corresponding to the passage of the given current, the consumption of the carbonaceous compound ensures that the operation of the electrode is in a state of permanent renewal becomes,

in den Grenzen von 1 . 10"-³ l/As bis 6«1O""³ l/Aswithin the limits of 1. 10 "- ³ l / A to 6" 10 "" ³ l / A

η ηη η

liegen soll, wo η die Zahl der Atome des Kohlenstoffs in einem Molekül der entsprechenden kohlenstoffhaltigen Verbindung ist.where η is the number of atoms of carbon in a molecule of the corresponding carbonaceous compound.

Bei Verwendung eines Oxydaizbnsmittels mit geringerer chemischer Verwandischaft zur kohlenstoffhaltigen Verbindung und/oder zum Kohlenstoff sowie bei Vergrößerung der Rolle von Einflußfaktoren, die zu einer stärkeren TrennungWhen using an oxidizing agent with less chemical kinking to the carbonaceous compound and / or to the carbon and increasing the role of influencing factors leading to a stronger separation

21^374 -29- 30.1.198021 ^ 374 -29- 30.1.1980

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der Komponenten des Gemisches nach ihren Molekulargewichten führen (Erhöhung der Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und Steigerung der Einführungsgeschv/indigkeit des plasmabildenden Gemisches in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung), wird der Verbrauch der kohlenstoffhaltigen Verbindungen näher zu unteren Grenze des genannten Bereichs und bei umgekehrten Bedingungen näher zu dessen oberer Grenze genommen.If the components of the mixture lead to their molecular weights (increase of the electric arc current and increase in the introduction rate of the plasma-forming mixture into the space between the electrodes of the arc device), the consumption of the carbon-containing compounds becomes closer to the lower limit of said range and to the reverse Conditions closer to its upper limit.

Das Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen wird anhand der in Pig, 1 dargestellten Einrichtung erläutert.The method for plasma machining of materials is explained with reference to the device shown in Pig, 1.

In den Raum 1, der zwischen der Stirnseite einer Katode 2 und der hohlen Anode 3, der an eine Gleichstrom-Speisungsquelle 4 angeschlossenen Lichtbogeneinrichtung liegt, wird durch eine Buchse 5 ein plasmabildendes Gemisch 6 eingeführt, das kohlenstoffhaltige Verbindungen in Form von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenstoffmonoxid enthält. Es wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 gesundet. In das Rohr 7, das im Innern des Katodenhalters 8 angeordnet ist, und in den Kühlhohlraum 9 der Anode 3 wird Kühlflüssigkeit eingeführt.In the space 1, which is located between the end face of a cathode 2 and the hollow anode 3, which is connected to a DC power source 4 arc device, a plasma-forming mixture 6 is introduced through a socket 5, the carbonaceous compounds in the form of hydrocarbons and / or Contains carbon monoxide. An electric arc is recovered between the face of the cathode 2 and the hollow anode 3. In the tube 7, which is arranged in the interior of the cathode holder 8, and in the cooling cavity 9 of the anode 3, cooling liquid is introduced.

Danach wird die 'zeitabhängige Änderung des in die Stirnseite der Katode 2 eintretenden WärmeStroms überwacht. Diese .Überwachung erfolgt z, B, nach dem Wert der Thermo-EMK, die der Temperaturdifferens der Kühlflüssigkeit an ihrem Austritt aus dem Hohlraum des Katodenhalters 8 und am Eintritt in das Rohr 7 proportional ist. Die Teniperaturdifferenz wird mit Hilfe eines vorläufig geeichten Diffe-Thereafter, the 'time-dependent change of the entering into the front side of the cathode 2 heat stream is monitored. This monitoring takes place z, B, according to the value of the thermo-EMF, which is the temperature difference of the cooling liquid at its exit from the cavity of the cathode holder 8 and at the inlet into the tube 7 proportional. The difference in the tenatures is determined by means of a provisionally calibrated differential

^# -30- 30.1.1980 ^# -30- 30.1.1980

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rentialthermoelementes registriert. Die genannte Thermo-EMK wird entweder visuell nach den Anzeigen eines Millivoltnieters festgestellt, oder sie wird in einen selbstschreibenden Kompensator mit Aufzeichnung auf ein Diagrammband eingegeben.Registered rentialthermoelementes. Said thermal emf is either visually detected after the indications of a millivolt riveter, or it is entered in a self-writing compensator with recording on a chart tape.

Nachdem der in die Stirnseite der Katode 2 eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, sich zu vermindern beginnt und etwa um 10 % von diesem Maximalwert abfällt, jedoch nicht später als im Zeitpunkt, zu dem sich der Wärmestrom bis auf den stationären Wert reduziert hat, wird in den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 das Oxydationsmittel eingeführt.After the heat flux entering the face of the cathode 2 has reached its maximum value, begins to decrease and decreases by about 10 % from this maximum value, but not later than at the time when the heat flow has reduced to the steady state value, is introduced into the space 1 between the end face of the cathode 2 and the hollow anode 3, the oxidizing agent.

Die Einführung des Oxydationsmittels, d. h» eines in bezug auf den Kohlenstoff chemisch aktiven Stoffs neben den kohlenstoffhaltigen Verbindungen in dem Raum 1 zwischen der Stirnseite 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 ständigen Erneuerung, wenn der Vorgang des Niederschlags von Kohlenstoff an der Katode 2 aus dem plasmabildenden Gemisch 6 durch die Vorgänge der Verdampfung und Porttragung von Kohlenstoff in Form von Verbindungen mit dem Oxydationsmittel ausgeglichen ist.The introduction of the oxidizing agent, d. h 'a chemically active substance with respect to the carbon next to the carbonaceous compounds in the space 1 between the end face of the cathode 2 and the anode 3 ensures the binding of the carbon surplus to volatile compounds. This, in turn, ensures the constancy of the dimensions of the actual carbon electrode forming and its operation in the state of permanent renewal when the process of precipitating carbon on the cathode 2 from the plasma-forming mixture 6 by the processes of vaporization and port carrying of carbon in the form of compounds is balanced with the oxidizing agent.

Bei der Registrierung des in die Stirnseite der Katode 2 eintretenden Wärmestroms nach der Änderung der Thermo-EMK des Differential thermoelements kann die Einführung desIn the registration of entering the end face of the cathode 2 heat flow after the change of the thermal emf of the differential thermocouple, the introduction of the

«4374"4374

-31- 30,1.1980-31- 30.1.1980

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Oxydationsmittels in den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 automatisiert v/erden, wozu ^öignale des Thermoelementes über ein Automatiksystem an die Stellmechanismen in den Gaskommunikationen gegeben werden.Oxidizing agent in the space 1 between the front side of the cathode 2 and the hollow anode 3 automated v / earth, to which ^ö ignale the thermocouple are given via an automatic system to the adjusting mechanisms in the gas communications.

Bei der Ausführung des Verfahrens zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen mit Hilfe einer in der Fig. 2 dargestellten Einrichtung wird zur Stabilisierung des elektrischen Lichtbogens an die Speisungsquelle 4 über ein Schütz 10 und einem Widerstand 11 eine Düse 12 zugeschaltet. Der Widerstand 11 begrenzt den Strom für die Zeitdauer der Zündung des elektrischen Lichtbogens.In the execution of the method for plasma machining of materials by means of a device shown in FIG. 2, a nozzle 12 is switched on to stabilize the electric arc to the supply source 4 via a contactor 10 and a resistor 11. The resistor 11 limits the current for the duration of the ignition of the electric arc.

Als Anode 3 dient der zu bearbeitende Werkstoff.The anode 3 is the material to be processed.

Bei der Ausführung des Verfahrens zur Plasmabearbeitung des Werkstoffs mit Hilfe dieser Einrichtung wird nur eine ständige Erneuerung der sich in der Lichtbogeneinrichtung befindenden Stirnseite der Katode 2 aus dem plasmabildenden Gemisch gewährleistet.In the execution of the method for plasma processing of the material by means of this device, only a constant renewal of the located in the arc device end face of the cathode 2 is ensured from the plasma-forming mixture.

Wird bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Einrichtungen die Lichtbogeneinrichtung an eine Y/echselstrom-Speisungsquelle 4 angeschlossen, so erfolgt die Erneuerung der Elektroden vorzugsweise in den Zeitabschnitten, in denen sie als Katoden wirken·1 and 2, when the arc device is connected to a Y / AC current supply source 4, the renewal of the electrodes preferably takes place in the periods in which they act as cathodes.

In dem in Fig. 3 angeführten Diagramm ist eine Kurve 13 dargestellt, die die Abhängigkeit des Wertes des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms von der Brenndauer desIn the diagram shown in FIG. 3, a curve 13 is shown, which shows the dependence of the value of the heat flow entering the electrode from the burning time of the

Vim- -32- 30.1.1980 Vim- 32- 30.1.1980

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elektrischen Lichtbogens darstellt, wobei an der Ordinatenachse der in die Elektrode eintretende Wärmestrom Q in Kilowatt und an der Abszissenachse die Brenndauer 0 des elektrischen Lichtbogens in Sekunden aufgetragen sind.represents electric arc, wherein on the ordinate axis of the entering into the electrode heat flow Q in kilowatts and on the abscissa axis, the burning time 0 of the electric arc in seconds are plotted.

Betrachtung der Kurve 13 ist ersichtlich, daß im Zeitpunkt Q- - nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens der in die Elektrode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht, dem der Punkt "A" auf der Kurve entspricht. Danach beginnt sich der in die Elektrode eintretende Y/ärmestrom zu vermindern, um im Zeitpunkt % ρ fällt sein Wert etwa um 10 % vom maximalen Wert des in die Elektrode eintretenden Wärmestroms ab; diesem Zustand entspricht der Punkt "B^!l auf der Kurve 13. Im Zeitpunkt ^C ^ vermindert sich der in die Elektrode eintretende Wärmestrom bis auf den stationären Wert, der dem Punkt "C" entspricht.Considering the curve 13, it can be seen that at the time Q-, after the ignition of the electric arc, the heat flow entering the electrode reaches its maximum value, which corresponds to the point "A" on the curve. Thereafter, the Y / heat flow entering the electrode begins to decrease, at the time % ρ falls, its value decreases by about 10 % of the maximum value of the heat flow entering the electrode; In this state the point "B ^{! l} on the curve 13 corresponds to the point. At time ^ C ^ the heat flow entering the electrode decreases down to the stationary value, which corresponds to the point" C ".

Das Oxydationsmittel wird in den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 im Zeitintervall von I - bis tf2 eingeführt»The oxidizing agent is introduced into the space 1 between the front side of the cathode 2 and the hollow anode 3 in the time interval from I to tf 2.

Falls man als Oxydationsmittel Sauerstoff und/oder Luft verwendet, so wird es in den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 im Zeitintervall von Hj .. bis L ~ in einer Menge von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen von der Menge des Oxydationsmittels eingeführt, die der theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen entspricht. .If oxygen and / or air is used as the oxidizing agent, it will be in the space 1 between the end face of the cathode 2 and the hollow anode 3 in the time interval from Hj .. to L ~ in an amount of 0.4 to 0.9 parts by volume introduced by the amount of oxidizing agent corresponding to the theoretically complete conversion of hydrocarbons. ,

1 I 1 I

I *»«* wmv _33_ 30·1.1980I * »« * wmv _33_ 30 · 1.1980

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Falls man als Oxydationsmittel Kohlenstoffdioxid verwendet, so wird es in den Raum 1 zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 im Zeitintervall von T^₁ bis ^T in einer Menge eingeführt, die volumenmäßig um das 1,05- bis 2,5fache die Menge des Oxydationsmittels überschreitet, die der theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenwasserstoffen entspricht.If carbon dioxide is used as the oxidizing agent, it is introduced into the space 1 between the face of the cathode 2 and the hollow anode 3 in the time interval of T ₁ to T ₁ in an amount which is in the order of 1.05 to 2 in volume terms. 5 times exceeds the amount of oxidizing agent, which corresponds to the theoretically complete conversion of hydrocarbons.

Im folgenden kann das Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen in zwei Varianten durchgeführt, werden.In the following, the process for the plasma treatment of materials can be carried out in two variants.

Wenn die Menge des Oxydationsmittels in den oben genannten Grenzen eingehalten wird, so bleibt vom Zeitpunkt U r> an der in die Stirnseite der Katode 2 eintretende Wärmestrom, der sich bis auf den stationären Wert reduziert hat, der bei sonst gleichen Bedingungen der Stromstärke des elektrischen Bogens entspricht, v/eiterhin im Laufe der gesamten Brenndauer des elektrischen Lichtbogens unverändert.If the amount of the oxidizing agent is maintained within the abovementioned limits, then, from the time U r> on, the heat flow entering the end face of the cathode 2, which has reduced to the stationary value, remains the same under the same conditions Arc corresponds, v / eiter, unchanged over the entire burning time of the electric arc.

Wenn jedoch, bedingt durch technologische Anforderungen, der Vorgang der Plasmabearbeitung vom Zeitpunkt Z λ (Fig, 4) an mit geringeren Mengen des Oxydationsmittels, als das oben angegeben ist, weitergeführt werden muß, so wird vom Zeitpunkt L. an das Oxydationsmittel in den Raum zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode 3 in einer Menge, geringer als 0,4 Volumenanteile von der Menge, die zur theoretisch vollständigen Konversion von Kohlenv/asserstoffen im Gemisch erforderlich ist, im Fall der Verwendung als Oxydationsmittel von Sauerstoff oder Luft in einer Menge, geringer als die 1,05fache Menge des Oxydationsmittels, die zur theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasser-If, however, due to technological requirements, the process of plasma processing from the time Z λ (Fig, 4) on with smaller amounts of the oxidizing agent, as stated above, must be continued, so from time L. to the oxidant in the room between the face of the cathode 2 and the hollow anode 3 in an amount less than 0.4 part by volume of the amount required for theoretically complete conversion of coals in the mixture, in the case of use as an oxidant of oxygen or air in an amount less than 1.05 times the amount of oxidizing agent required for theoretically complete conversion of the hydrocarbons

9 * ß# -34- 30.1.1980 9 * ß # -34- 30.1.1980

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stoffe erforderlich ist, im Fall, wenn als Oxydationsmittel Kohlenstoffdioxid verwendet wird, eingeführt.is required, if carbon dioxide is used as the oxidising agent.

Vom Zeitpunkt i j- an beginnt erneut eine "Vergrößerung der Abmessungen der tatsächlichen Kohlenstoffkatode, was von einen Anstieg des in dieselbe eintretenden Wärmestroms begleitet wird.From time i j, an increase in the dimensions of the actual carbon cathode begins again, which is accompanied by an increase in the heat flux entering it.

Das dem normalen Betrieb der Katode 2 mit vermindertem Verbrauch des Oxydationsmittels entsprechende Zeitintervall von I . bis Lr- hängt bei sonst gleichen Bedingungen vom vom Verminderungsgrad des Oxydationsmittelverbrauchs ab und wird minimal bei vollständigem Weglassen des Oxydationsmittels aus der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches,The time interval of I corresponding to the normal operation of the cathode 2 with reduced consumption of the oxidant . under otherwise identical conditions depends on the degree of reduction of the oxidant consumption and becomes minimal with complete omission of the oxidizing agent from the composition of the plasma-forming mixture,

Zum Zeipunkt {,/- überschreitet der Wert des in die Katode 2 eintretenden Wärmestroms, der dem Punkt "D" auf der Kurve 13 entspricht und TO bis 15 % den stationären Wert des in die Katode 2 eintretenden Warniestroms, der, wie oben angegeben ist, dem Punkt "G" entspricht. ·At the time point {, / - exceeds the value of the heat flow entering the cathode 2, which corresponds to the point "D" on the curve 13 and TO to 15 % the steady state value of the warning current entering the cathode 2, which, as stated above , which corresponds to point "G". ·

In diesem Zeitpunkt wird die Menge des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch wieder bis auf die Menge vergrößert, die im Zeitintervall von C .. bis L 3 zugeführt wurde, und sie wird auf diesem Pegel so lange eingehalten, bis sich der in der Katode 2 eintretende Wärmestrom im Zeitpunkt T₇ bis auf den dem Punkt "G" entsprechenden stationären. Wert vermindert, wonach man die Menge des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch wieder bis auf den den technologischen Anforderungen entsprechenden Wert herabsetzt.At this time, the amount of the oxidizing agent in the plasma-forming mixture is increased again to the amount that was supplied in the time interval of C .. to L 3, and it is maintained at this level until the heat flow entering in the cathode 2 at time T ₇ to the stationary point corresponding to point "G". Reduced value, after which the amount of oxidizing agent in the plasma-forming mixture again reduced to the value corresponding to the technological requirements.

1 α ^ g & -35- 30.1.19801 α ^ g & -35- 30.1.1980

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Danach wird der ÄnderungsVorgang der Menge des Oxydationsmittels im plasmabildenden Gemisch in gleicher Weise weitergeführt, d. h., diese Menge wird während der gesamten Dauer der Plasmabearbeitung periodisch geändert.Thereafter, the process of changing the amount of the oxidizing agent in the plasma-forming mixture is continued in the same manner, i. that is, this amount is periodically changed throughout the duration of the plasma processing.

Somit wird die Möglichkeit gewährleistet, während der größten Zeit die Plasmabearbeitung in einem Gasraedium mit hohem reduzierendem Vermögen durchzuführen, wobei gleichzeitig der betriebszustand der ständigen Erneuerung der Katode nicht gestört wird.Thus, the possibility of performing the plasma processing in a high-reducing-gas-volume gas medium at the largest time is ensured, while at the same time, the state of operation of the continuous renewal of the cathode is not disturbed.

Eine Vergrößerung der Menge des Oxydationsmittels früher als sich der in die Katode eintretende Y/ärmestrom um 10 % vergrößert hat, ist nicht zweckmäßig, da dieses zu einer Verminderung der gesamten Zeitdauer der Bearbeitung im Gasmediuia mit erhöhtem reduzierendem Potential führen würde, während eine Änderung der Katodengeometrie, die dieser Vergrößerung des Wärmestroms entspricht, vom Gesichtspunkt des stabilen Brenners des elektrischen Lichtbogens und der Bearbeitungsgüte ungefährlich ist.An increase in the amount of the oxidizing agent earlier than the Y / heat flow entering the cathode has increased by 10 % is not expedient, since this would lead to a reduction in the total duration of processing in the gas medium with increased reducing potential, while a change in the Katodengeometrie, which corresponds to this increase in the heat flow, is harmless from the standpoint of the stable arc of the electric arc and the processing quality.

Eine Vergrößerung der Menge des Oxydationsmittels, nachdem sich der in die Katode 2 eintretende Wärmestrpm um 15 % im Vergleich zum stationärem Wert vergrößert hat, ist nicht erwünscht, da die geometrischen Abmessungen der Katode 2 dabei so stark vergrößert werden, daß eine bedeutende Verlängerung des Zeitintervalls von T?^ bis ΤΓγ auftritt, in dessen Verlauf die den Zustand der Katode 2 kennzeichnenden Parameter, d. h. ihre Abmessungen und der in diese eintretende Y/ärmestrom, zu den ursprünglichen stationären Werten zurückkehren.Increasing the amount of oxidizing agent after the heat flux entering the cathode 2 has increased by 15% relative to the steady state value is undesirable because the geometric dimensions of the cathode 2 are increased so much that there is a significant lengthening of the time interval from T 1 to ΤΓγ, during which the parameters characterizing the state of the cathode 2, ie their dimensions and the Y / heat flow entering them, return to the original steady-state values.

Φ ® ^ -3β- 30.1.1980 Φ ® ^ -3β- 30.1.1980

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Die Änderung der Menge des Oxydationsmittels kann automatisiert werden, indem man die Thermoelemente, die die Änderung der Temperatur des die Katode 2 kühlendes Wassers, de h, bei einem konstanten Wasserdurchsatz die Änderung des in die Katode 2 eintretenden Wärmestroms registrieren, mit einem Stellmechanismus in der Hauptleitung für die Zufuhr des Oxydationsmittels verbindet.The change in the amount of oxidant can be automated by registering the thermocouples that change the temperature of the water cooling the cathode 2, de h, at a constant water flow rate, the change in the heat flow entering the cathode 2, with an actuator mechanism in the Main for the supply of oxidant links.

Die Möglichkeit der periodischen Änderung der Zusammensetzung des aus Kohlenwasserstoffen und einem Oxydationsmittel bestehenden plasmabildenden Gemisches, das mit der Arbeitsoberfläche der Katode kontaktiert, wurde vom Erfinder experimentell festgestellt.The possibility of periodically changing the composition of the hydrocarbon-forming and oxidizing agent-forming plasma-forming mixture contacting the working surface of the cathode has been experimentally determined by the inventor.

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. Als plasmabildendes Gemisch, das die ständige Erneuerung der Katode gewährleistete, wurde Naturgas im Gemisch mit Luft benutzt, deren volumenmäßige Menge 0,45 % von der Menge betrug, die der theoretisch vollständigen Konversion des Naturgases des Gemisches entspricht. Das Oxydationsmittel wurde in den Raum zwischen den Elektroden zu dem Zeitpunkt eingeführt, zu dem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen V/_ert erreichte, und der Verbrauch des Oxydationsmittels wurde bei den ursprünglichen Experimenten konstant auf dem oben angegebenen Pegel eingehalten.During plasma melting of a batch of calcium carbide with carbon in a graphite crucible by means of a discharged direct current arc, in which the material to be processed served as the anode, a plasmatron with a constantly renewing cathode was used. As a plasma-forming mixture, which ensured the constant renewal of the cathode, natural gas was used in admixture with air whose volume amount was 0.45 % of the amount corresponding to the theoretically complete conversion of the natural gas of the mixture. The oxidizing agent was introduced into the space between the electrodes at the time at which the heat flow entering the cathode reached its maximum V / _e rt, and the consumption of the oxidant was maintained constant at the initial experiments on the above-mentioned level.

Die Untersuchungen des unter diesen Bedingungen umgeschmolzenen Werkstoffs haben jedoch gezeigt, daß zur Ver-However, studies of the material remelted under these conditions have shown that

-37- 30.1.1980-37- 30.1.1980

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besserung seiner Güte eine Erhöhung des reduzierenden Potentials im Gasmedium des elektrischen Lichtbogens an der Bearbeitungsstelle erforderlich ist, und das konnte unter Berücksichtigung der Notwendigkeit einer ständigen Erneuerung der Katode des Plasmatrons nur durch eine Herabsetzung des Verbrauchs des Oxydationsmittels bis zu einen vollständigen Y/eglassen desselben gewährleistet werden. Die Versuche, den Verbrauch des Oxydationsmittels bis auf ein Minimum zu reduzieren oder dasselbe für die ganze Dauer der Schmelzung vollständig wegzulassen, zeigten kein positives Ergebnis wegen der Vergrößerung der Abmessungen des Kohlenstoffgebildes, das als tatsächliche Kohlenstoffkatode wirkte, und der dadurch bedingten Erscheinungen: Erhöhimg der Labilität des Katodenbereichs, Entstabilisierung des elektischen Lichtbogens, Änderung seiner geometrischen Ausmaße und wännephysikalischen Kenndaten, deren Folge entweder das Erlöschen des elektrischen Lichtbogens doer eine wesentliche Verschlechterung der -"earbeitungsgüte war, d. h., es wurden die bekannten Nachteile des Betriebs der Katode in Kohlenwasserstoffen ohne Oxydationsmittel bestätigt.To improve its quality an increase of the reducing potential in the gas medium of the electric arc at the processing point is required, and this could be ensured only by reducing the consumption of the oxidant to a complete Y / eglassen of the same taking into account the need for a constant renewal of the cathode of the plasmatron become. The attempts to reduce the consumption of the oxidizing agent to a minimum or to omit it completely for the whole duration of the melting did not show a positive result because of the enlargement of the dimensions of the carbon structure, which acted as actual carbon cathode, and the consequent phenomena Latency of the cathode region, destabilization of the electric arc, alteration of its geometrical dimensions and characteristics of thermal phenomena, the consequence of which was either the extinction of the electric arc or a significant deterioration in the quality of the workmanship, that is to say the well-known disadvantages of operating the cathode in hydrocarbons without an oxidizing agent approved.

Deswegen wurde ein Versuch unternommen, den gesamten Schmelzvorgang in einem periodischen Betriebszustand durchzuführen; Den größten Teil der Zeit brannte der elektrische Lichtbogen bei minimalen Gehalt an Oxydationsmitteln, und periodisch, an den Zeitpunkten eines .Anstiegs des Wärmestroms, wurde das plasmabildende Gemisch mit Luft in einer Menge bereichert, die dem normalen Betrieb der Katode im Zustand der ständigen Erneuerung entsprach, d. h., es wurden 0,4 bis 0,9 Volumenanteile der Luftmenge zugesetzt, dieTherefore, an attempt has been made to perform the entire melting process in a periodic operating condition; For most of the time, the electric arc burned with minimal content of oxidants, and periodically, at the time points of an increase in heat flow, the plasma-forming mixture was enriched with air in an amount that corresponded to the normal operation of the cathode in the state of permanent renewal , d. h., 0.4 to 0.9 parts by volume of the amount of air was added

21 JS74 -38- 30.1.1980 21 JS74 -38- 30.1.1980

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zur theoretisch vollständigen Konversion des Naturgases erforderlich ist. Die Zeitintervalle TTg ... IT₇, in deren Verlauf als plamabildendes Gemisch ein Gemisch von Naturgas und Luft im angegebenen Verhältnis diente, überschritten nicht 60 s, während die Zeitintervalle des Brenners des elektrischen Lichtbogens bei minimalen Gehalt des Oxydationsmittels 200 ... 300 s betrugen.for theoretically complete conversion of the natural gas is required. The time intervals TTg ... IT ₇ , in the course of which a mixture of natural gas and air in the specified ratio served as a plamative mixture, did not exceed 60 s, while the time intervals of the electric arc burner with a minimum content of the oxidant 200 ... 300 s cheat.

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 &enge des Oxydationsmittels um 10 bis 15 % entspricht.The optimal value for the exceeding of entering the cathode heat flow in relation to the steady state value has been found by numerous experiments, which corresponds to the time an increase in the & narrow the oxidizing agent by 10 to 15%.

Experimente haben gezeigt, daß eine periodische Änderung der Menge des Oxydationsmittels 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, in denen die Katode und Anode des Plasmatrons durch eine Zwischendüse getrennt sind, und eine getrennte Zufuhr der plasmabildenden Gase in den katodischen und anodischen Bereich des elektrischen Lichtbogens möglich ist.Experiments have shown that a periodic change in the amount of oxidant in the plasma-forming mixture not only in the burning of the electric arc with a discharged anode, but also in a processing of materials with a plasma jet, d. H. with a nozzle anode of the plasmatron, is possible, especially in the cases where the cathode and anode of the plasmatron are separated by an intermediate nozzle, and a separate supply of the plasma-forming gases in the cathodic and anodic region of the electric arc is possible.

Beispiel 1example 1

Bin elektrischer Lichtbogen mit einer Stromstärke von 400 A wird in einer Lichtbogeneinrichtung zwischen derAm electric arc with a current of 400 A is used in an arc device between the

d 14 3./4 ₃₉ 30.1.1980 d 14 3./4 ₃₉ 30.1.1980

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Stirnseite der in den wassergekühlten Katodenhalter eingepreßten Kupferkatode und der wassergekühlten hohlen Anode in einem Methan enthaltenden plamabildenden Gemisch gezündet. Das Kühlwasser für die Katode wird durch ein im voraus mit Hilfe von Thermostaten geeichtes Differentialthermoelement hindurchgeleite-c, dessen "kalte" Lötstelle an das Rohr, durch das V/asser in die Katode eintritt, und dessen "heiße" Lötstelle an das Rohr, durch das das Wasser aus der Katode heraustritt, angelötet ist.Front side of the copper cathode pressed into the water-cooled cathode holder and the water-cooled hollow anode ignited in a methane-containing plamabildenden mixture. The cooling water for the cathode is passed through a differential thermocouple calibrated in advance by means of thermostats-c, whose "cold" solder joint penetrates the pipe through which water enters the cathode and its "hot" solder joint to the pipe that the water comes out of the cathode, is soldered.

Die der Temperaturdifferenz des Wassers in diesen Rohren proportionale Thermo-EMK wird einem selbstschreibenden elektronischen Kompensator zugeleitet, der eine kontinuierliche Aufzeichnung der Thermo-EMK mit einer Geschwindigkeit von 1800 mm/s durchführt.The thermal emf, which is proportional to the temperature difference of the water in these tubes, is fed to a self-describing electronic compensator, which performs a continuous recording of the thermal emf at a speed of 1800 mm / s.

Der Durchsatz des die Katode kühlenden T/assers wird auf einem konstanten Wert von 200 g/s eingehalten. Nach dem Wert der Temperaturdifferenz bei diesem Wasserdurchsatz kann zu jedem Zeitpunkt der Wert des in die Katode eintretenden Wärmestroms festgestellt werden,The throughput of the catalyst cooling the cathode is maintained at a constant value of 200 g / s. After the value of the temperature difference at this water flow rate, the value of the heat flow entering the cathode can be determined at any time.

Nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens erreicht der in die Katode eintretende Wärmestrom in 20 s seinen maximalen Wert, der gleich 4,0 kW ist, und weiterhin abzufallen beginnt. Bei einer Verminderung des Wdrmestroms bis auf einen ^wert von 3,4 kW, d. h. um 15 % vom maximalen Wert, was 45 s nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens eintritt, wird in den Raum zwischen der Kupfer-After ignition of the electric arc, the heat flow entering the cathode reaches its maximum value, which is equal to 4.0 kW, in 20 seconds and continues to decrease. With a reduction of up to a Wdrmestroms ^w ert of 3.4 kW, that is to say by 15% of the maximum value, which occurs s after the ignition of the electric arc 45 is in the space between the copper

-40- 30.1.1980-40- 30.1.1980

56 912 /56 912 /

katode und der hohlen Anode das Oxydationsmittel, Kohlendioxid, eingeführt.Katode and the hollow anode, the oxidant, carbon dioxide, introduced.

Im folgenden brenn t der elektrische Lichtbogen stabil beim Betrieb der Katode im Zustand einer ständigen Erneuerung*In the following, the electric arc stably burns during operation of the cathode in a state of permanent renewal *

Beispiel 2Example 2

Alles wie im Beispiel 1. Das Oxydationsmittel wird jedoch in den Raum zwischen der Kupferkatode und der hohlen Anode 10 s nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens, d. h. vor dem Zeitpunkt, in dem der Y/ärmestrom seinen maximalen Wert von 4»0 kV/ erreicht, eingeführt. In diesem !'all begann eine intensive Erosion des Arbeitsabschnitts der Elektrode.Everything as in Example 1. However, the oxidizing agent is introduced into the space between the copper cathode and the hollow anode 10 seconds after the ignition of the electric arc, i. H. before the time when the Y / heat flow reaches its maximum value of 4 »0 kV /. In this! All began an intense erosion of the working section of the electrode.

Beispiel 3Example 3

Alles wie im Beispiel 1. Das Oxydationsmittel, und zwar Kohlendioxid, wurde jedoch in den Raum zwischen der Kupferkatode und hohlen Anode 180 s nach dem Erreichen des stationären Werts des in.die Katode eintretenden Wärmestroms, der gleich 2,8 kW ist und der sich 90 s nach der Zündung des elektrischen Lichtbogens einstellte, eingeführt.Everything as in Example 1. However, the oxidant, namely carbon dioxide, was introduced into the space between the copper cathode and hollow anode 180 s after reaching the steady state value of the heat flux entering the cathode, which is equal to 2.8 kW 90 s after the ignition of the electric arc set, introduced.

Bereits in dieser Zeit brennt der elektrische Lichtbogen nicht stabil beim Vorhandensein von Schwankungen der Spannung, der (Temperatur und der Abmessungen des Plasmaatrahls, und die Einführung des Oxydationsmittels gewährleistet die Rückkehr des elektrischen Lichtbogens in den Zustand des stabilen Brenners nur nach einem langenAlready in this time the electric arc does not burn stably in the presence of fluctuations of the voltage, (temperature and dimensions of the plasma jet, and the introduction of the oxidizing agent ensures the return of the electric arc to the state of the stable burner only after a long time

21^374 -41- 30.1.198021 ^ 374 -41- 30.1.1980

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Zeitabschnitt, der gleich 120 s ist, in dessen Verlauf die Güte der Plasmabearbeitung des Werkstoffs gestört wird,Period equal to 120 s during which the quality of the plasma treatment of the material is disturbed,

Beispiel 4Example 4

Ein plasmabildendes Gemisch, das Methan CH. enthält, wird in einer Menge von 2800 l/h in den Raum zwischen der Katode aus Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, eingeführt. Die Lichtbogeneinrichtung enthält weiterhin eine wassergekühlte Kupferdüse, und eine Metallschmelze, die als herausgeführte Anode dient.A plasma-forming mixture, the methane CH. is introduced in an amount of 2800 l / h in the space between the cathode of bar graphite, which is pressed into a water-cooled copper cathode holder, introduced. The arc device further includes a water-cooled copper nozzle, and a molten metal, which serves as a lead-out anode.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 600 A gezündet·A DC arc with a current of 600 A is ignited between the cathode and the anode.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen "ert erreicht hat, wird in den Raum zwischen den Elektroden das Oxydationsmittel, und zwar Sauerstoff, in einer Menge von 630 l/h eingeführt, was dem O,45fachen der Säuerstoff menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 2800 l/h Methan, berechnet nach der Formel (7), erforderlich ist.After the heat flux entering the cathode has reached its maximum value, the oxidizing agent, namely oxygen, is introduced into the space between the electrodes in an amount of 630 l / h, which corresponds to 0.45 times the amount of acid substance used for the theoretically complete conversion of 2800 l / h of methane, calculated according to formula (7), is required.

Danach, wenn bei dieser Zusammensetzung des plamabildenden Gemisches der elektrische Lichtbogen in den Zustand des stabilen Brenners beim stationären V/ert des in die Katode ' eintretenden Wärmestroms, der gleich 1,3 kW ist, übergeht, wird der Versuch von Sauerstoff bis auf 315 l/h vermindert, was dem 0,22fachen der Menge-eitspricht, die zur theoretischThereafter, in this composition of the plamative mixture, when the electric arc transitions to the stable burner state at the steady state value of the heat flux entering the cathode equal to 1.3 kW, the experiment of oxygen is reduced to 315 l / h, which amounts to 0.22 times the amount-that corresponds to the theoretical

14374 -42- 30.1.198014374 -42- 30.1.1980

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vollständigen Konversion von 2800 l/h Methan erforderlich ist.complete conversion of 2800 l / h of methane is required.

Dieser Betriebszustand wird Ms zum Zeitpunkt der Erhöhung des in die Katode eintretenden Wärmestroms von 15 % vom stationären Wert, d. h. bis auf 1,5 kW, eingehalten, wonach der Säuerstoffverbrauch wieder auf 630 l/h für die Zeitdauer bis zur erneuten Verminderung des in die Katode eintretenden Wärmestroms bis auf den Wert von 1,3 kV/ vergrößert wird.This operating condition is maintained at the time of increasing the heat flux entering the cathode from 15 % of the steady state value, ie to 1.5 kW, after which the consumption of acid substance is restored to 630 l / h for the period until the reduction in the Katode entering heat flow is increased to the value of 1.3 kV /.

Die genannten Vorgänge wiederholt man periodisch, was es ermöglicht, die Schmelzung des Metalls während des größten Seils der Zeit im Gasmedium mit hoher reduzierender Fähigkeit durchzuführen.The above operations are repeated periodically, making it possible to carry out the melting of the metal during the largest part of the time in the gas medium with high reducing ability.

Beispiel 5Example 5

Ein plasmabildendes Gemisch, das Methan CEL enthält, wird in einer Menge von 4000 l/h in den Raum zwischen der Katode aus Sta^bgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, der sich in einer Lichtbogeneinrichtung befindet, die auch eine wassergekühlte Kupferdüse enthält, und der Metallschmelze, die als herausgeführte Anode dient, eingeführt.A plasma-forming mixture containing methane CEL is introduced in an amount of 4000 l / h into the space between the cathode of graphite pressed into a water-cooled copper cathode holder located in an arc device, which is also a water-cooled copper nozzle contains, and the molten metal, which serves as a lead-out anode, introduced.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.Between the cathode and the anode, a direct current arc with a current of 500 A is ignited.

Nachdem der in die Katode eingetretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen derAfter the heat flow into the cathode has reached its maximum value, the space between the

214374214374

-43- 30.1.1980-43- 30.1.1980

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Katode und der Anode das Oxydationsmittel, und zwar Luft in einer Menge von 6500 l/h eingeführt, was den 0,68fachen der Luftinenge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion des Methans, berechnet nach der Formel (7),mit Berücksichtigung des Sauerstoffgehalts in der Luft von 0,21, erforderlich ist.Katode and the anode the oxidizing agent, namely air introduced in an amount of 6500 l / h, which corresponds to 0.68 times the Luftinenge, for theoretically complete conversion of methane, calculated according to the formula (7), taking into account the oxygen content in the air of 0.21.

Beispiel 6Example 6

Ein plasmabildendes Gemisch, das Naturgas enthält, welches mindestens au 90 % aus Methan CH. besteht, wird in einer Menge von 7200 l/h in den Raum zwischen der Katode aus Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, der sich in einer Lichtbogeneinrichtung befindet, die auch eine wassergekühlte Kupferdüse enthält, und der Metallschmelze, die als herausgeführte Anode dient, eingeführt.A plasma-forming mixture containing natural gas containing at least 90 % methane CH. is in an amount of 7200 l / h in the space between the cathode of bar graphite, which is pressed into a water-cooled copper cathode holder, which is located in an arc device, which also contains a water-cooled copper nozzle, and the molten metal, which led out as Anode serves, introduced.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.Between the cathode and the anode, a direct current arc with a current of 500 A is ignited.

Hachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel, und zwar Luft, mit einem Verbrauch von I46OO l/h eingeführt, was dem 0,85fachen der Luftmenge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion der angegebenen Menge des Naturgases, berechnet nach der Formel (7) unter Berücksichtigung des Sauerstoffgehalts in der Luft von 0,21, erforderlich ist.After the heat flux entering the cathode has reached its maximum value, the oxidizing agent, namely air, is introduced into the space between the cathode and the anode, with a consumption of 1400 l / h, which corresponds to 0.85 times the amount of air flowing to the theoretically complete conversion of the stated amount of natural gas calculated according to formula (7) taking into account the oxygen content in the air of 0.21.

-44- 30,1,1980-44- 30,1,1980

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Beispiel 7Example 7

Ein plasmabildendes Gemisch, das Methan CH^, enthält, wird in einer Menge von 3000 l/h.in die Lichtbogeneinrichtung zwischen der Katode aus > >tabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und einer wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt.A plasma-forming mixture containing methane CH 2 is introduced in an amount of 3000 l / h into the arc device between the tabular graphite cathode pressed into a water-cooled copper cathode holder and a water-cooled hollow copper anode.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.Between the cathode and the anode, a direct current arc with a current of 500 A is ignited.

Ilachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und -k_node das Oxydationsmittel, und zwar Kohlenstoffdioxid, in einer Menge von 3300 l/h, d. h, volumenmäßig um das 1,1 fache mehr eingeführt, als das zur theoretisch vollständigen Konversion der angegebenen Menge von Methan, berechnet nach der Formel (8), erforderlich ist»Since the heat flow entering the cathode has reached its maximum value, the oxidant, namely carbon dioxide, in the space between the cathode and -k _no de, becomes 3300 l / h, ie. h, in volume by 1.1 times more than what is required for the theoretically complete conversion of the stated amount of methane, calculated according to the formula (8), »

Danach, wenn sich der Brennvorgang des elektrischen Lichtbogens beim stationären Wert des in die Katode eintretenden Y/ärmestroms, der gleich 1,1kW ist, stabilisiert hat, wird der Verbrauch des Kohlenstoffdioxids bis auf 1600 l/h herabgesetzt, was volurnenmäßig dem O,53fachen der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion des Methans in einer Menge von 3000 l/h erforderlich ist.Thereafter, when the electric arc firing has stabilized at the steady state value of the Y / thermal current entering the cathode, which is equal to 1.1kW, the carbon dioxide consumption is reduced to 1600 l / h, which is 53.3 times by volume corresponds to the amount required for theoretically complete conversion of the methane in an amount of 3000 l / h.

Die Arbeit wird bei dieser Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches so lange wietergeführt, bis der in die Katode eintretende Wärmest rom bis auf 1,25 kV/, d, h,, um'14 % im Vergleich mit dem stationären Wert ansteigt. Danach wirdWith this composition of the plasma-forming mixture, the work continues until the heat radical entering the cathode increases to 1.25 kV / d, h ,, by 14 % in comparison with the steady-state value. After that will

214374214374

-45- 30.1.1980-45- 30.1.1980

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der Verbrauch von Kohlenstoffdioxid v/ieder bis auf 3300 l/h erhöht, und es wird diese Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches bis zur wiederholten Herabsetzung des in die Katode eintretenden Wärmestroms bis auf den stationären Wert von 1,1 kW aufrechterhalten.the consumption of carbon dioxide is increased up to 3300 l / h, and this composition of the plasma-forming mixture is maintained until the repeated reduction of the heat flow entering the cathode up to the stationary value of 1.1 kW.

Danach wird der Änderungsvorgang der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches periodisch im Laufe der gesamten Bearbeitungsdauer wiederholt-, was in diesem Fall das Erhalten eines stark reduzierenden Mediums am Bearbeitungsbereich ermöglicht.Thereafter, the process of changing the composition of the plasma-forming mixture is repeated periodically throughout the processing time, which in this case enables obtaining a highly reducing medium at the processing area.

Beispiel 8Example 8

Ein plasmabildendes Gemisch, das Methan CH- enthält, wird in einer Menge von 4200 l/h in die Lichtbogeneinrichtung in den Raum zwischen der Katode aus Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und die wassergekühlte hohle Kupferanode eingeführt.A plasma-forming mixture containing methane CH 2 is introduced in an amount of 4200 l / h into the arc device into the space between the cathode of bar graphite pressed into a water-cooled copper cathode holder and the water-cooled hollow copper anode.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 6500 A gezündet.Between the cathode and the anode, a DC arc with a current of 6500 A is ignited.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärme3trom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel, und zwar Kohlenstoff dioxid, in einer Menge von 7560 l/h eingeführt, d. h., volumenmäßig um das 1,8fache mehr, als das zur theoretisch vollständigen Konversion der angegebenen Menge von Methan.After the heat current entering the cathode has reached its maximum value, the oxidant, namely carbon dioxide, is introduced into the space between the cathode and the anode in an amount of 7560 l / h. h., In terms of volume by 1.8 times more than that for the theoretically complete conversion of the specified amount of methane.

t 4||f4 -46- 30.1.1980t 4 || f4 -46- 30.1.1980

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berechnet nach der Formel (8), erforderlich ist. Beispiel 9 calculated according to the formula (8) is required. Example 9

Ein plasmabildendes Gemisch, das Naturgas enthält, welches zum größten Teil aus Methan CH. besteht, wird in einer Menge von 6200 l/h in die Lichtbogeneinrichtung in den Kaum zwischen der Katode aus Stabgraphit, die in einem wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hoHen Kupferanode eingeführt«A plasma-forming mixture containing natural gas, which for the most part consists of methane CH. is introduced in an amount of 6200 l / h in the arc device in the little between the cathode of bar graphite, which is pressed into a water-cooled copper cathode holder, and the water-cooled copper high anode «

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 850 A gezündet.Between the cathode and the anode, a direct current arc with a current of 850 A is ignited.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen V/ert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel, und zwar Kohlenstoffdioxid in einer Menge von 14900 l/h eingeführt, was volumenmäßig um das 2,4fache die Menge von Kohlenstoffdioxid überschreitet, die zur theoretisch vollständigen Konversion der angegebenen Menge des Naturgases, berechnet nach der Formel (8), erforderlich ist.After the heat flux entering the cathode has reached its maximum value, the oxidant, namely carbon dioxide, is introduced into the space between the cathode and anode in an amount of 14,900 l / h, which is 2.4 times the volume by volume Exceeds carbon dioxide required for theoretically complete conversion of the stated amount of natural gas calculated according to formula (8).

Beispiel 10Example 10

Ein plasmabildendes Gemisch, das Kohlenstoffmonoxid CO )n = 1) enthält, was einem auf den Lichtbogenstrom von 500 A reduzierten Sekundenverbrauch von Kohlenstoffmonoxid von 0,6.10 l/As entspricht, wird in einer Menge von 1080 l/h in die Lichtbogeneinrichtung in den Raum zwischen der Katode aus Stabgraphit, der in einen wassergekühltenA plasma-forming mixture containing carbon monoxide CO) n = 1), which corresponds to a reduced carbon monoxide consumption of 0.6.10 l / a, reduced to the arc current of 500 A, is introduced into the arc device in an amount of 1080 l / h between the cathode of bar graphite, which is in a water-cooled

214374 _₄₇_214374 _ ₄₇ _

30.1.1980 56 912 / 1730.1.1980 56 912/17

lcupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt.Copper cathode holder is pressed, and the water-cooled hollow copper anode introduced.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.Between the cathode and the anode, a direct current arc with a current of 500 A is ignited.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den ßaum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel,, und zwar Kohlenstoffdioxid, in einer Menge von 120 l/h eingeführt.After the heat flow entering the cathode has reached its maximum value, the oxidant, namely carbon dioxide, is introduced into the space between the cathode and anode in an amount of 120 l / h.

Der niedrige Gehalt des Kohlenstoffmonoxids CO im plasmabildenden Gemisch ist infolge der geringen chemischen Verwandschaft des Kohlenstoffdioxids COg mit dem Kohlenstoff C möglich: Die freie Bildungsenergie des Kohlenstoffmonoxids CO beim Zusammenwirken des Kohlenstoffdioxids COp mit dem Kohlenstoff C bei einer Temperatur von 1000 K beträgt - 19,55 kcal/mol.The low content of the carbon monoxide CO in the plasma-forming mixture is possible due to the low chemical relationship of the carbon dioxide COg with the carbon C: The free energy of formation of the carbon monoxide CO in the interaction of the carbon dioxide COp with the carbon C at a temperature of 1000 K is - 19.55 kcal / mol.

Beispiel 11Example 11

Ein plasmabildendes Gemisch, das Kohlenstoffmonoxid CO (n = 1) enthält, was einem auf den Lichtbogenstrom von 500 A reduzierten Sekundenverbrauch von Kohlenstoffmonoxid von 5ρ 10 l/As entspricht, wird in einer Menge von 9000 l/h, in den Raum zwischen der Katode aus spektralreinem Stabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodenhalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt.A plasma-forming mixture containing carbon monoxide CO (n = 1), which corresponds to a reduced carbon peroxide second consumption of 5ρ 10 l / a, reduced to the arc current of 500 A, becomes 9000 l / h into the space between the cathode of spectrally pure bar graphite pressed into a water-cooled copper cathode holder and the water-cooled hollow copper anode.

F# -48- 30.1.1980F # -48- 30.1.1980

* 56 912 / 17* 56 912/17

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.Between the cathode and the anode, a direct current arc with a current of 500 A is ignited.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel, und zwar Sauerstoff, in einer Menge von 2000 l/h eingeführt.After the heat flux entering the cathode has reached its maximum value, the oxidant, namely oxygen, is introduced into the space between the cathode and anode in an amount of 2000 l / h.

Die Vergrößerung des Gehalts des Kohlenstoffmonoxids im Vergleich zum Beispiel 10 ist dadurch bedingt, daß der Sauerstoff eine größere chemische Verwandtechaft mit dem Kohlenstoff als das Kohlendioxid hat.The increase in the content of the carbon monoxide compared to Example 10 is due to the fact that the oxygen has a greater chemical relationship with the carbon than the carbon dioxide.

Die freie BiIdungsenergie des Kohlenstoffmonoxids COThe free formation energy of carbon monoxide CO

beim Zusammenwirken des Kohlenstoffs mit dem Sauerstoff bei einer Temperatur von 1000 K beträgt -45» 11 kcal /mol.in the interaction of the carbon with the oxygen at a temperature of 1000 K is -45 »11 kcal / mol.

Beispiel 12Example 12

Ein plasmabildendes ^üemisch, das Propan C-JL, ( η = 3) enthält, was einem auf den Lichtbogenstrom von 600 A reduzierten Sekundenverbrauch des Propans von 2,7.10"°^ 1/As entspricht, wird in einer Menge von 1945 l/h 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. A plasma-forming ^ü emic, propane C-JL containing (η = 3), which corresponds to a reduced on the arc current of 600 A seconds consumption of propane from 2,7.10 "° ^ 1 / As, is in an amount from 1945 l / h. the arc device is introduced into the space between the cathode of spectrally pure bar graphite pressed into a water cooled copper cathode holder and the water cooled hollow copper anode.

Die Luftkonversion des Propans läuft nach folgender Reaktion ab: .The air conversion of the propane proceeds according to the following reaction:.

214374214374

-49- 30.1.1980-49- 30.1.1980

56 912 / 1756 912/17

C₃H₈ + 1,5O₂ = 3C0 +C ₃ H ₈ + ₂ = 1.5o + 3C0

d. h., zur theoretisch vollständigen Konversion von 1945 l/h Propan sind <v 2920 l/h Sauerstoff oder ^J 13900 l/h Luft erforderlich.ie, for the theoretically complete conversion of 1945 l / h of propane, <v 2920 l / h of oxygen or ^ 13,900 l / h of air is required.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen mit einer Stromstärke von 600 A gezündet.Between the cathode and the anode, a direct current arc with a current of 600 A is ignited.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zwischen der Katode und Anode das Oxydationsmittel, Luft, in einer Menge von 9730 l/h eingeführt, was dem 0,7fachen der Menge beträgt, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.After the heat flux entering the cathode has reached its maximum value, the oxidant, air, is introduced into the space between the cathode and anode in an amount of 9730 l / h, which is 0.7 times the amount theoretically complete Conversion of hydrocarbons corresponds.

Beispiel 13Example 13

Ein plasraabildendes Gemisch, das Methan CH- (n = 1) enthält, v/as einem auf den Lichtbogenstrom von 800 A reduzierten Sekundenverbrauch des Methans von 1,2,10"^ l/h entspricht, wird in einer Menge von 3450 l/h in die Lichtbogeneinrichtung in den Kaum zv/ischen der Katode aus spektralreinem ^ötabgraphit, die in einen wassergekühlten kupfernen Katodennalter eingepreßt ist, und der wassergekühlten hohlen Kupferanode eingeführt.A plasma-forming mixture containing methane CH- (n = 1), corresponding to a second consumption of methane of 1,2,10 "1 / h reduced to the arc current of 800 A, is used in an amount of 3450 l / h Hardly zv / een the cathode from spektralreinem ^ö tabgraphit, which is pressed into a water-cooled copper Katodennalter, and the water-cooled copper anode hollow introduced into the arc in the device.

Zwischen der Katode und der Anode wird ein Gleichstromlichtbogen.mit einer Stromstärke von 800 A gezündet. /Between the cathode and the anode, a DC arc is ignited with a current of 800A. /

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in den Raum zv/ischen derAfter the entering into the cathode heat flow has reached its maximum value is in the room zv / ischen the

/ I 4 41 'Φ -50- 30.1.1980  / I 4 41 'Φ -50- 30.1.1980

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Katode und Anode das Oxydationsmittel, und zwar Kohlendioxid in einer Menge von 5500 l/h eingeführt.Cathode and anode introduced the oxidizing agent, namely carbon dioxide in an amount of 5500 l / h.

Die Verminderung des auf den Strom reduzierten Verbrauchs der kohlenstoffhaltigen Verbindung, des Methans, im Vergleich zum Beispiel 12 ist deshalb möglich, v/eil das Kohlendioxid in bezug auf die Kohlenwasserstoffe chemisch weniger aktiv ist als der Sauerstoff und die Luft.The reduction of the reduced power consumption of the carbonaceous compound, methane, as compared to Example 12 is therefore possible because the carbon dioxide is less chemically active with respect to the hydrocarbons than the oxygen and air.

Beispiel 14Example 14

Ein plasmabildenes Gemisch, das Naturgas, welches zu 90 % aus Methan CH. und Argon besteht, in Mengen des llaturgases von 3000 l/h und des Argons von 1000 l/h enthält, wird in den Raum zwischen den Elektroden eingeführt.A plasma-stable mixture, the natural gas, which is 90 % methane CH. and argon, contained in amounts of the natural gas of 3000 l / h and argon of 1000 l / h, is introduced into the space between the electrodes.

Zwischen der im Plasmastrom angeordneten Stirnseite der Katode und einer Unterlage aus spektralreinem Graphit und der Anode im Graphittiegel mit einer Charge Kohlenstoff mit einer Stromstärke von 600 A gezündet,Ignited between the face of the cathode arranged in the plasma stream and a substrate of spectrally pure graphite and the anode in the graphite crucible with a charge of carbon with a current of 600 A,

ITachdem der in die Katode eintretende Warmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird die Zufuhr des Argons in den Taum zwischen Elektroden unterbrochen, und es wird das Oxydationsmittel, und zwar Luft, in einer Menge von 3600 l/h eingeführt, was dem 0,5fachen der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 3000 l/h naturgas nach der Reaktion (7):After the heat flux entering the cathode has reached its maximum value, the supply of argon to the interstitial space between electrodes is interrupted, and the oxidant, namely air, is introduced in an amount of 3600 l / h, which is 0.5 times the amount corresponding to the theoretically complete conversion of 3000 l / h of natural gas after the reaction (7):

CH₄ +' 0,5O₂ = CO + 2H₂ erforderlich ist.CH ₄ + '0.5O ₂ = CO + 2H _{2 is} required.

-5 t- . 30.1,1980-5 t. 30.1,1980

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60 s, nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom den stationären Wert von 1,5 kW erreicht hat, wird die Zufuhr der Luft abgeschaltet. 150 s nach der Abschaltung der Luftzufuhr, d. h. beim Brennen des elektrischen Lichtbogens im Gasmedium, das nur aus Naturgas besteht, beginnt der in die Katode eintretende Wärmestrom anzusteigen und erreicht 200 s nach der Abschaltung der Luftzufuhr einen Wert von 1,65 kW, d. h. eine Größe, die um 10 % den stationären Wert überschreitet. Zu diesem Zeitpunkt wird in den Raum zwischen den Elektroden erneut Luft in einer Menge von 36OO l/h zugeführt. 30 s, nachdem sich der in die Katode eintretende .Wärmestrom bis auf 1,5 kW reduziert, wird die Luftzufuhr wieder abgeschaltet.60 s, after the heat flow entering the cathode has reached the stationary value of 1.5 kW, the supply of air is shut off. 150 s after switching off the air supply, ie when burning the electric arc in the gas medium, which consists only of natural gas, the heat flow entering the cathode begins to increase and reaches 200 s after switching off the air supply is 1.65 kW, ie a Size that exceeds the steady state value by 10 % . At this time, air is again supplied in the space between the electrodes in an amount of 3600 l / h. 30 s after the heat flow into the cathode drops to 1.5 kW, the air supply is switched off again.

Auf diese V/eise, v/ird der gesamte Schmelz Vorgang unter periodischer Zufuhr der Luft nur für kurze Zeitabschnitte in das plasmabildende Gemisch im Vergleich mit der Brenndauer des elektrischen Lichtbogens in reinem Naturgas durchgeführt. Der elektrische Lichtbogen brennt dabei stabil, und die ^üüte des durch das Schmelzen erhaltenen Werkstoffs ist befriedigend,In this way, the entire melting process is carried out with periodic supply of the air only for short periods of time in the plasma-forming mixture in comparison with the burning time of the electric arc in pure natural gas. The electric arc burns stable, and the ^ü ute of the material obtained by melting is satisfactory,

lieben den oben angeführten Beispielen, bei denen das Oxydationsmittel und die kohlenstoffhaltigen Verbindungen in die Kontaktzone mit den Elektroden im Zwischenelektrodenraum der Lichtbogeneinrichtung gemeinsam eingeführt werden, ist auch eine getrennte Einführung derselben möglich.Like the examples given above, in which the oxidizing agent and the carbonaceous compounds are introduced together into the contact zone with the electrodes in the interelectrode space of the arc device, it is also possible to introduce them separately.

Das letztere 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 PorttragenThe latter is determined by the deposition of carbon at the electrodes under different potentials, i. H. at the cathode and at the anode, according to various laws, and port carrying

-52- 30.1.1980-52- 30.1.1980

'56 912 /'56 912 /

. '4 , '4

des überschüssigen Kohlenstoffs wird sowohl durch das chemische Zusammenwirken mit den in bezug auf ihijiaktiven Stoffen als auch durch das Verdampfen desselben infolge der Wärmeeinwirkung des elektrischen Lichtbogens bedingt.The excess carbon is due to both the chemical interaction with the in relation to ihijiaktiven substances and by the evaporation of the same due to the action of heat of the electric arc.

Es ist bekannt, daß eine von den Haupt komponenten des in die Katode eintretenden Wärmestroms beim Vorhandensein von mehratomigen, insbesondere zweiatomigen Molekülen im plasmabildenen Gemisch, darunter auch des Oxydationsmittels, durch die Neutralisation von positiven Ionen an der Katode mit Bildung von Atomen und deren nachfolgender Vereinigung zu Molekülen bestimmt wird.It is known that one of the main components of the entering into the cathode heat flow in the presence of polyatomic, especially diatomic molecules in plasmabildenen mixture, including the oxidant, by the neutralization of positive ions on the cathode with formation of atoms and their subsequent union is determined to molecules.

Dieser Vorgang verläuft an der Katode schematisch folgenderweise: \This process follows schematically at the cathode:

A⁺ + e~ -?> A + Q₁ (11)A ⁺ + e ~ -?> A + Q ₁ (11)

A + A _y A₂ + Q₂ (12)A + A _y A ₂ + Q ₂ (12)

Hierin sind:Here are:

A"¹" - positiv geladenes Ion des Gases,A " ¹ " - positively charged ion of the gas,

A - neutrales Atom des GasesA - neutral atom of the gas

Q₁ - lonisationsenergie des Gases,Q ₁ - ionization energy of the gas,

Qp - Dissoziationsenergie des Gases,Qp - dissociation energy of the gas,

e - Elektron.e - electron.

Für den Stickstoff betragen die Werte Q₁ und Q₂ 335 kcal/mol bzw. 225kjal/mol und für den Sauerstoff 313 kcal/mol bzw. 118 kcal/mol.For the nitrogen, the values Q ₁ and Q _{2 are} 335 kcal / mol and 225kjal / mol and for the oxygen 313 kcal / mol and 118 kcal / mol, respectively.

2t43?4 -53- 30.1.19802t43? 4 -53- 30.1.1980

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Es wurde experiment!ell festgelegt, daß beim Brennen eines elektrischen Lichtbogens mit großen Strömen in einzelnen Fällen die Beseitigung des überschüssigen Kohlenstoffs an der Katode nur durch die Wärmeeiwirkung des elektrischen Lichtbogens ohne eine besondere Zufuhr des Oxydationsmittels in die Kontaktzone mit der Katode möglich ist, was an der Anode niemals beobachtet wird.It has been experimentally determined that when burning an electric arc with large currents in individual cases, the elimination of the excess carbon at the cathode is possible only by the thermal action of the electric arc without a special supply of the oxidant in the contact zone with the cathode is never observed at the anode.

Das gestattet es, durch das Weglassen des Oxydationsmittels aus dem mit der Katode kontaktierenden Gasmedium den in die Katode eintretenden Wärmestrom infolge der Ausschaltung der sich an ihr auslösenden Energien der Ionisation und Dissoziation, zu vermindern, was seinerseits eine Erhöhung des Arbeitsvermögens der Katode ermöglicht.This makes it possible to reduce by the omission of the oxidant from the contacting with the cathode gas medium entering the cathode heat flow due to the elimination of their triggering energies of ionization and dissociation, which in turn allows an increase in the working capacity of the cathode.

Die Beseitigung des überschüssigen Kohlenstoffs im Kanal der Anode wird durch die Wirkung des Oxydationsmittels gewährleistet, das man in den Zwischenelektrodenraum unmittelbar im Anodenkanal außerhalb der Kontakt ζ one mit der Arberfcsoberflache der Katode einführt.The elimination of excess carbon in the channel of the anode is ensured by the action of the oxidant introduced into the interelectrode space immediately in the anode channel outside the contact ζ one with the surface of the cathode of the cathode.

Die kohlenstoffhaltigen Verbindungen können in den Zwischenelektrodenraum entweder nur vollständig in die Kontaktzone mit der Arbeitsoberfläche der Katode oder teilweise in diese Zone und teilweise schon in den Kanal der Anode eingeführt werden.The carbonaceous compounds can be introduced into the interelectrode space either completely only in the contact zone with the working surface of the cathode or partially in this zone and partly already in the channel of the anode.

Die in der Pig. 5 dargestellte Einrichtung ist für das Verfahren zur Bearbeitung von vorzugsweise nicht elektrisch leitenden Werkstoffen mit einem Plasmastrahl bestimmt, derThe one in the Pig. 5 device is intended for the method for processing preferably non-electrically conductive materials with a plasma jet, the

f H -54- 30.1,1980f H -54- 30.1.1980

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beim Brennen eines elektrischen Lichtbogens zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung erhalten wird.is obtained when burning an electric arc between the electrodes of the arc device.

In den Raum 1 (Pig. 5) zwischen der Stirnseite der Katode und der hohlen Anode 3 der an eine Gleichstrom-Speisequelle 4 angeschlossenen Lichtbogeneinrichtung wird durch die Buchse 5 das plasmabildende Gemisch 6 eingeführt, das kohlenstoffhaltige Verbindungen in Form von Kohlenwasserstoffen oder Kohlenstoffmonoxid enthält.In the space 1 (Pig. 5) between the end face of the cathode and the hollow anode 3 of the arc device connected to a DC power source 4, the plasma forming mixture 6 containing carbonaceous compounds in the form of hydrocarbons or carbon monoxide is introduced through the bush 5.

Zwischen der Stirnseite der Katode 2 und der hohlen Anode wird ein elektrischer Lichtbogen gezündet.Between the front side of the cathode 2 and the hollow anode, an electric arc is ignited.

In das im Innern des Katodenhalters 8 untergebrachte Rohr sowie in die Kühlhohlräume 9 und 14 der hohlen Anode 3 und der Zwischendüse 12 wird eine Kühlflüssigkeit zugeführt. Das Oxydationsmittel 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 der Zwischendüse 12 und der hohlen Anode 3 angeordnet ist, eingeführt.In the housed inside the cathode holder 8 tube and in the cooling cavities 9 and 14 of the hollow anode 3 and the intermediate nozzle 12, a cooling liquid is supplied. The oxidizing agent 15 or its mixture with the carbonaceous compounds is introduced into the space 1 between the electrodes 2 and 3 through the channels in the intermediate sleeve 16, which is arranged between the intermediate nozzle 12 and the hollow anode 3.

Also wird das Oxydationsmittel 15 außerhalb der Kontaktzone des plasmabildenen Gemisches 6 mit der Arbeitsoberfläche der ständig durch dieses Gemisch erneuerbaren Katode 2 zugeführt.Thus, the oxidizing agent 15 is supplied outside the contact zone of the plasma-stable mixture 6 with the working surface of the continuously renewable by this mixture 2 Katode.

Das ermöglicht es seinerseits, eine differenzierte Regelung des Betriebszustandes jeder der Elektroden, der Katode 3 und der Anode 2, durchzuführen, die infolge der unter-This in turn makes it possible to carry out a differentiated regulation of the operating state of each of the electrodes, the cathode 3 and the anode 2, which as a result of

-55- 30.1.1980-55- 30.1.1980

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schiedlichen Polarität unter verschiedenen bedingungen arbeiten,different polarity work under different conditions,

Beispiel 15 · Example 15

Zwischen der Stirnseite der im 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 Gleichßtromlichtbogen mit einer Stromstärke von 500 A gezündet.Between the front side of the cathode arranged in the plasmatron and a substrate of spectrally pure graphite, which is pressed into a water-cooled copper cathode holder, and the water-cooled hollow anode, which are separated by an intermediate nozzle, a direct current arc with a current of 500 A is ignited.

In die Kontaktaone mit der Katode wird ein plasmabildendes Gemisch zugeführt, das aus 2500 l/h ITaturgas und 1000 l/h Argon besteht.In the Kontaktaone with the cathode, a plasma-forming mixture is fed, which consists of 2500 l / h ITaturgas and 1000 l / h of argon.

In die Kontaktzone mit der Anode, d. h. hinter die Zwischendüse, wird ein plasmabildendes Gemisch zugeführt, das aus 2000 l/h ITaturgas und 3500 l/h Luft besteht.In the contact zone with the anode, d. H. behind the intermediate nozzle, a plasma-forming mixture is fed, which consists of 2000 l / h ITaturgas and 3500 l / h of air.

Nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom seinen maximalen Wert erreicht hat, wird in die Kontaktzone mit der Katode das Oxydationsmittel, und zwar Luft, in einer Menge von 3750 l/h eingeleitet, was dem 0,63fachen der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 2500 l/h ITaturgas erforderlich ist, und die Zufuhr des Argons wird abgeschaltet.After the heat flux entering the cathode has reached its maximum value, the oxidizing agent, namely air, is introduced into the contact zone with the cathode in an amount of 3750 l / h, which is 0.63 times the amount theoretically complete Conversion of 2500 l / h ITaturgas is required, and the supply of argon is turned off.

60. s, nachdem der in die Katode eintretende Wärmestrom den stationären Wert von 1,8 kW erreicht hat, wird die Menge der in die Kontaktzone mit der Arbeitsoberfläche der60. s, after the entering into the cathode heat flow has reached the stationary value of 1.8 kW, the amount of in the contact zone with the working surface of the

Λ A 1 I ««" -» _₅6~ 30.1.1980 Λ A 1 I «« "-» _ ₅ 6 ~ 30.1.1980

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Katode zuzuführenden Luft Ms auf 1250 l/h herabgesetzt, was volumenmäßig dem 0,21 fachen der Menge entspricht, die zur theoretisch vollständigen Konversion von 2500 l/h Naturgas erforderlich ist. 300 s nach der Verminderung der Luftmenge beginnt eine Vergößerung des in die Katode eintretenden Wärmestroms, der nach Verlauf von weiteren 100 s 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 kontakt ierenci en plasmabildenden Gemisch bis auf 3750 l/h erhöht. 30 s, nachdem sich der in die Katode eintretende Warmestrom bis auf 1,8 kW vermindert hat, wird die Menge der in die Kontaktzone mit der Arbeitsoberflache der Katode zuzuführenden Luft erneut herabgesetzt. Auf diese V/eise wird unter periodischer Änderung der Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches in der Kontakt ζ one mit der Arbeitsoberfläche der Katode und Beibehaltung einer konstanten Zusammensetzung des plasmabildenden Gemisches in die Kontaktzone mit der Arbeitsoberfläche der Anode, wodurch eine Verkokung des Anödenkanals vermieden wird, der Erhaltungsvorgang eines reduzierenden Plasmastrakls geführt, der weiterhin zur Redaktion des Schwefeldioxids aus den Abgasen des Zyklonsclmelzens von Sulfidstoffen verwendet wird.The amount of air to be supplied to the cathode Ms is reduced to 1250 l / h, which corresponds in volume to 0.21 times the amount required for the theoretically complete conversion of 2500 l / h of natural gas. 300 s after the reduction of the amount of air begins a magnified version of the light entering the cathode heating current, s ert after the lapse of a further 100 ^w reached of 2.07 kW, that is, the stationary value exceeds by 15%. At this time, the amount of air in the plasma-forming mixture contacting the cathode is increased up to 3750 l / h. 30 seconds after the heat flux entering the cathode has decreased to 1.8 kW, the amount of air to be supplied to the contact zone with the working surface of the cathode is again reduced. In this way, with periodic change in the composition of the plasma-forming mixture in the contact ζ one with the working surface of the cathode and maintaining a constant composition of the plasma-forming mixture in the contact zone with the working surface of the anode, whereby coking of the Anödenkanals is avoided Maintenance process of a reducing plasma treaty, which is also used for editing the sulfur dioxide from the exhaust gases of cyclone melting of sulfide materials.

Der elektrische Lichtbogen brennt dabei stabil bei einer ständigen Erneuerung der Katode. " .The electric arc burns stable with a constant renewal of the cathode. ".

Alis den angeführten konkreten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung erkennt der Pachmann auf diesem Gebiet der Technik eindeutig die Möglichkeit des Erreichens sämtlicher Ziele der Erfindung in einem Umfang, der durch die Patentansprüche festgelegt ist. Es ist jedoch offen-In the specific embodiments of the present invention, the person skilled in the art clearly recognizes the possibility of achieving all the objects of the invention to the extent defined by the claims. It is, however, open

214374214374

-57- 30.1.1980-57- 30.1.1980

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sichtlich, daß unbedeutende Änderungen in den Vorgängen des Verfahrens ohne Abweichung vom Wesen der Erfindung vorgenommen werden können. Alle diese Änderungen werden nicht als die Frenzen des Wesens und Umfangs der Erfindung, die durch die Patentansprüche festgelegt sind, überschreitend betrachtet.It is obvious that insignificant changes in the processes of the process can be made without departing from the essence of the invention. All of these changes are not considered to exceed the limitations of the spirit and scope of the invention as defined by the claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen gewährleistet eine ständige Erneuerung der Elektroden der Lichtbogeneinrichtung aus dem plasmabildenden Gemisch, was es seinerseits gestattet, kontinuierliche Vorgänge der Plasmabearbeitung, in erster Linie metallurgische, ohne Abschaltung des elektrischen Lichtbogens und Unterbrechung des Vorgangs für die Zeit einer A_USWechselung der Elektroden durchzuführen, Eine Folge davon sind die Herabsetzung der Selbstkosten und Verbesserung der Güte der Plasmabearbeitung, die Herabsetzung des Verbrauchs von kostspieligen "erkstoffen, aus denen die Elektroden hergestellt werden, wie z. B. von Wolfram, Molybdän, Hafnium, Zirkonium, sowie deren Ersatz durch billigen Graphit.The inventive method for plasma machining of materials ensures a constant renewal of the electrodes of the arc device from the plasma-forming mixture, which in turn allows continuous operations of plasma processing, primarily metallurgical, without switching off the electric arc and interrupting the process for the time of A _USW A consequence of this is the reduction of the cost price and improvement of the quality of the plasma treatment, the reduction of the consumption of costly materials from which the electrodes are made, such as tungsten, molybdenum, hafnium, zirconium, and their replacement by cheap graphite.

Die Möglichkeit der Verwendung von plasmabildenden Gemischen, die nehen den Kohlenwasserstoffen oder dem Kohlenstoffmonosid auch Kohlenstoffdioxid enthalten, gestattet es, in die Ansahl der Vorgänge, die mit einer ständigen Erneuerung der Elektroden durchgeführt v/erden, auch das Plasmaschweißen von Konstruktionsstählen im Kohlenstoffdioxidmedium, was eine der besonders verbreiteten Arbeiten der Plasmabearbeitung ist, einzubesiehen.The possibility of using plasma- forming mixtures, which also contain carbon dioxide, containing the hydrocarbons or the carbon monoside , also makes it possible to plasma- weld structural steels in the carbon dioxide medium into the number of processes which are carried out with a constant renewal of the electrodes The most common work of plasma processing is to consider.

-58- 30.1.1930-58- 30.1.1930

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Die Verwendung von Abgasen der chemisch-metallurgischen Produktion, die Kohlenstoffmonoxid, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasserdämpfe enthalten, zur Plasmabildung, erhöht einerseits die wirtschaftliche Effektivität der Bearbeitung dank der Verwendung von Abgasen, die ohne Selbstkosten erhältlich sind und verbessert andererseits den Schutz der umgebenden Natur infolge der teilweisen Nutzbarmachung dieser Gase.The use of chemical-metallurgical production exhaust gases containing carbon monoxide, oxygen, carbon dioxide and water vapors for plasma formation, on the one hand, increases the economic efficiency of processing thanks to the use of exhaust gases which are available at no cost and on the other hand improves the protection of the surrounding nature the partial utilization of these gases.

Claims (7)

Erfindungsanspruchinvention claim 1. Verfahren zur Plasmabearbeitung von Werkstoffen durch die Einführung eines plasmabildenden Gemisches, das kohlenstoffhaltige Verbindungen enthält, die aus der Klasse der Kohlenv/asserstoffe oder des Kohlenstoffmonoxids gewählt sind und beim Brennen eines Lichtbogens den Niederschlag des Kohlenstoffs wenigstens an einer Elektrode der Lichtbogeneinrichtung gewährleisten, in den Raum zwischen den Elektroden der Lichtbogeneinrichtung, sowie durch das Zünden des elektrischen Lichtbogens und das Einführen eines Oxydationsmittels zwecks Erhöhung der Brennstabilität des elektrischen Lichtbogens in den genannten Kaum zwischen den Elektroden, gekennzeichnet dadurch, daß die Einführung des Oxydationsmittels in den genannten Raum (1) zwischen den Elektroden (2; 3) im Zeitintervall von dem Zeitpunkt an, zu dem der in die Elektrode (2 oder 3), an der sich der Kohlenstoff niederschlägt, eintretende Wärme3trom seinen maximalen ^ert erreicht, bis zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der angeführte Wärmestrom bis auf den stationären Wert reduziert hat, durchgeführt wird.A method of plasma processing materials by the introduction of a plasma forming mixture containing carbonaceous compounds selected from the class of carbon monoxide or carbon monoxide and which, upon arc burning, provides carbon deposition to at least one electrode of the arc device the space between the electrodes of the arc device, and by the ignition of the electric arc and the introduction of an oxidizing agent for increasing the burning stability of the electric arc in said little between the electrodes, characterized in that the introduction of the oxidizing agent in said space (1) between the electrodes (2, 3) at the time interval from when the heat current entering the electrode (2 or 3), at which the carbon precipitates, reaches its maximum value, up to the point in time at which the appended Heat flow has been reduced to the steady state value. 2 1 4 374 -61- 30.1.19802 1 4 374 -61- 30.1.1980 56 912 /1756 912/17 Abhängigkeit von der chemischen Verwandtschaft des Oxydationsmittels mit der kohlenstoffhaltigen Verbindung die letztere in einer Menge von 0,5.10 Depending on the chemical relationship of the oxidizing agent with the carbonaceous compound the latter in an amount of 0.5.10 l/As bis 6.10 l/As, wo η die Zahl der Atome des Kohn l / As to 6.10 l / As, where η is the number of atoms of Kohn lenstoffs in der verwendeten kohlenstoffhaltigen Verbindung ist, in den 'Raum (1) zwischen den Elektroden (2, 3) eingeführt wird.in the carbonaceous compound used is introduced into the space (1) between the electrodes (2, 3). 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Erfindung des Oxydationsmittels in Form von Sauerstoff oder Luft in den Raum (1) zwischen den Elektroden (1; 3) dasselbe in einer Menge von 0,4 bis 0,9 Volumenanteilen der !.!enge, die der theoretisch vollständigen 2. The method according to item 1, characterized in that in the invention of the oxidant in the form of oxygen or air in the space (1) between the electrodes (1; 3) the same in an amount of 0.4 to 0.9 parts by volume !.! close, that of the theoretically complete 214374 -60- 30.1.1980-214374 -60- 30.1.1980- 56 912 /56 912 / Konversion der Kohlemvasserstoffe entspricht, angeführt wird.Conversion of Kohlemvasserstoffe, is given. 3· Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß, nachdem der in die Elektrode (2 oder 3) eintretende Wärmestrom den stationären Wert erreicht ..hat, das Oxydationsmittel in Form von Sauerstoff oder Luft in den Kaum (1) zwischen den Elektroden (2, 3) in einer Menge eingeführt wird, die geringer als 0,4 Volumenanteile der· Menge ist, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.Method according to item 1, characterized in that, after the heat flow entering the electrode (2 or 3) has reached the steady state value, the oxidant in the form of oxygen or air in the foam (1) between the electrodes (1) 2, 3) is introduced in an amount which is less than 0.4 part by volume of the amount corresponding to the theoretically complete conversion of the hydrocarbons. 4. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei der Erfindung des Oxydationsmittels in iorm von Kohlenstoffdioxid in den -"aum U) zwischen den elektroden (2, 3) dasselbe in einer Menge genommen wird, die volumenmäßig um das 1,05-bis 2,5fache die Menge überschreitet, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht.4. The method according to item 1, characterized in that in the invention of the oxidizing agent in the form of carbon dioxide in the - "aum U) between the electrodes (2, 3) the same is taken in an amount in volume around the 1.05- to 2.5 times the amount that corresponds to the theoretically complete conversion of the hydrocarbons. 5. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß, , nachdem der in die Elektrode (2 oder 3) eintretende Wärmestrom den stationären Wert erreicht hat, das Oxydationsmittel in Form von Kohlenstoffdioxid in den -"aum (1) zwischen den Elektroden ^2, 3) in einer iäenge eingeführt wird, die geringer als 1,05 volumenanteile von der Menge ist, die der theoretisch vollständigen Konversion der Kohlenwasserstoffe entspricht,5. Method according to item 1, characterized in that, after the heat flow entering the electrode (2 or 3) has reached the stationary value, the oxidizing agent in the form of carbon dioxide in the - (a) between the electrodes ^ 2 3) is introduced in an amount less than 1.05 parts by volume of the amount corresponding to the theoretically complete conversion of the hydrocarbons, 6. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in6. The method according to item 1, characterized in that in 7. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Oxydationsmittel (15) und das kohlenstoffhaltige Verbindungen enthaltende plasmabildende Gemisch (6) getrennt in den Baum (1) zwischen den Elektroden (2, 3) eingeführt werden, wobei man die kohlenstoffhaltigen Verbindungen unmittelbar in die Zone einführt, die mit der Arbeitsoberfläche einer von den Elektroden (2 oder 3) kontaktiert.7. The method according to item 1, characterized in that the oxidizing agent (15) and the carbon-containing compounds containing plasma-forming mixture (6) are introduced separately into the tree (1) between the electrodes (2, 3), wherein the carbonaceous compounds directly into the zone that contacts the working surface of one of the electrodes (2 or 3).