NO135402B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til frembringelse av et lysbueplasma med høy spenning.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til frembringelse av et lysbueplasma

med høy spenning og høy temperatur ved inn-føring av en gass i et sylindrisk kammer gjennom et antall tangentiialt anordnede innløpsåp-ninger, hvilket kammer har en koaksial utløps-passasje, og tilveiebringelse av en elektrisk lysbue mellom en koppformet elektrode som er anordnet koaksialt i kammerets ene ende, og en

andre elektrode slik at det i kammeret dannes et

hvirvellegeme av lysbueplasma som utlades gjennom utløpspassasjen.

Elektriske lysbuéplasmastråler har funnet

økende anvendelse for skjæring, belegning og

sveising og i de senere år i metallsmelteovner, og

skjøting og kutting av metall. Ved slik anvendelse er det ofte fordelaktig å drive lysbuen sam-men med arbeidsstykket i en lysbuekrets. Denne

driftsmåte har den fordel at varmeenergien fra

lysbuen utnyttes mer fullstendig i arbeidsstykket

enn når en del av varmeenergien går tapt i en ekstra elektrode.

Et verktøy for frembringelse av en plasmastråle som drives i en såkalt overføringstilstand omfatter nødvendigvis en ikke-forbruksstav-elektrode som bæres aksialt inne i en gassdyse med en begrenset åpning, idet enden av en slik elektrode er tilbaketrukket 1 dyseåpningen. En lysbue mellom elektrodestaven og arbeidsstykket kombineres med en gasstrøm i elektrodekanalen for å forme en strømbærende plasmastråle med stor varmeintensitet og retningsstabilitet.

Ved bruk av et slikt apparat er det av stor viktighet at en størst mulig del av kraften som

tilføres apparatet overføres til gassen og arbeidsstykket. Det har imidlertid vist seg at hvis større kraft bare oppnås ved øket strøm, vil den ekstra kraft brukes bare for opphetning av elektroden og de kjølende gasstrømmer. På den annen side vil større kraft som følge av økning av spennln-

gen hovedsakelig overføres som øket varme til lysbuegassen og arbeidsstykket. Tidligere lysbue-plasmaapparater utstyrt med stavelektrode var vanskelig å drive ved spenninger høyere enn 150 volt, særlig hvis i tillegg kraften som skulle leveres til den ytre elektrode krevet strømmer på flere hundre ampére. Under disse forhold blir lysbuen meget ustabil, og vanskelige problemer oppstår som følge av absorbsjon av den konsen-trerte varme som leveres kontinuerlig til et meget begrenset område på enden av elektroden.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe en fremgangsmåte hvor man på tilfredsstillende måte kan anvende høy spenning ved frembringelse av et lysbueplasma som leder elektrisk strøm mellom en innvendig elektrode og en utvendig elektrode som kan være et arbeidsstykke som skal bearbeides med lysbuen.

I forbindelse med lysbuekrakking av hydro-karboner er det kjent apparater for frembringelse av lysbueplasma hvor en isolert vannkjølt koppformet elektrode er anordnet med sin åpne ende rettet inn i et hvirvelkammer som er for-synt med tangentialt anordnede gassinnførings-åpninger. Hvirvelkammere har et aksialt utløp på den motsatte side av elektroden og er forbundet med et utskiftbart vannkjølt stålrør som tje-ner som elektrode med motsatt polaritet. G-ass-strømmen er termisk påvirket av lysbueplasmaet inne i den rørformede elektrode og de produk-ter som således oppnås, undertrykkes ved hjelp av en vannstråler i et 'kjølekammer som er'forbundet med utløpet fra den rørformede elektrode og deretter renses.

Det er nå oppdaget at en koppformet elektrode i forbindelse med et hvirvelkammer på tilfredsstillende måte kan anvendes for frembringelse av en utvendig plasmastråle for lysbuebe-arbeidelse eller opphetning av arbeidsstykker som er forbundet i lysbuekretsen, forutsatt at den anvendte dyse oppfyller bestemte kritiske krav.

En fremgangsmåte til frembringelse av et lysbueplasma med høy spenning og høy temperatur, er ifølge oppfinnelsen karakterisert ved at lysbueplasmaet som dannes i en lysbue som drives med en spenning på over 150 volt mellom en innvendig koppformet elektrode og arbeidsstykket, utlades gjennom en utløpsåpning med et forhold mellom lengde og diameter på mellom 1,2 : 1 og 3 : 1.

Fortrinnsvis føres gassen inn i kammeret

med en innløpshastighet på mere enn 0,25 Mach.

Et utførelseseksempel på oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningen som viser et aksialt snitt gjennom et apparat ifølge oppfinnelsen. Apparatet består av en koppformet elektrode 14 som er anordnet koaksialt med en gassrettende dyse 16 og som er ad-skilt fra denne ved hjelp av et lysbuekammer 10. Kammeret 10 er elektrisk isolert fra elektroden 14 ved hjelp av en isolator. Lysbuegass føres inn gjennom et innløp 13. Fra innløpet 13 passerer lysbuegassen gjennom en kanal 18 til et antall tangentialt rettede åpninger 12 og gjennom disse inn i kammeret 10. Apparatet kjøles ved hjelp av et kjølemedium som føres.inn gjennom et innløp

20 gjennom en kanal 22 og en annen kanal 24

mellom dysen 16 og delen 26. Fra kanalen 24 strømmer kjølemediet gjennom et kammer 28, en kanal 30 til utløpet 32.

Elektroden 14 kjøles også ved innføring av et kjølemedium gjennom innløpet 34, kanalen 36, kanalen 38, kanalen 39 og tilbake gjennom kanalen 41, kanalen 43 og utløpskanalen 40. Den ytre rørdel 42 som begrenser kanalen 36 har og-så hjelpemidler for forbindelse til en kraftkilde. Delen 42 er derfor isolert fra resten av apparatet ved hjelp av isolatoren 44.

I drift føres gass inn i kammeret 10 gjennom åpninger 12 for å frembringe en hvirvelbevegel-se av gassen. Apparatets form tillater at deler av gassen strømmer inn og ut av den bakre elektrode 14 før den går ut gjennom dysen 16 så len-ge gassen føres inn med tilstrekkelig hastighet. Det vil si at hvis innløpshastigheten er større enn 0,25 ganger lydhastigheten, vil det være tilstrekkelig trykktap i kammeret 10 mellom dets yttervegg 60 og apparatets akse for å tvinge be-tydelige deler av gassen inn i elektroden 14. Dette resulterer i en lengre lysbue som øker bue-spennlngen. Dette trykktap hjelper også til å opprettholde hvirveldannelsen av gassen.

En tilstrekkelig kraftkilde (ikke vist) er forbundet med den koppformede elektrode 14 og arbeidsstykket. Arbeidsstykket vil naturligvis va-riere avhengig av anvendelsen av apparatet. Det kan f. eks. være en metallplate som skal behand-les eller en metallfylling i en smelteovn. Uavhen-gig av hva det kan være, vil kombinasjonen av høyspenningsbuen drevet på denne måte gjøre verktøyet meget brukbart for slike anvendelser.

Lysbuen kan startes på vilkårlig måte, f. e<*>ks. av en høyfrekvensstrøm, en elektrisk utladnmg fra en kondensator eller ved innføring av en le-dende stang gjennom dysen. Mengden av gass økes så hvis ønskelig. Den lysbue som sluttelig dannes, vil på grunn av gasstrømmen strekke seg fra området langs den koppformede elektrode og gjennom dysen 16 til arbeidsstykket som dan-ner den annen elektrode.

I den hensikt å oppnå fordelaktig drift av apparatet ifølge oppfinnelsen er utformningen av dysen 16 meget viktig, idet den begrenser og retter lysbuen og bidrar til å øke buespenningen. Det har vist seg at hvis forholdet mellom leng-den L og den indre diameter I.D. av dysen er for lite, vil det bli en utilstrekkelig radial trykkgra-dient i dysen for sentrering av lysbuen og dette resulterer i at lysbuen først vil treffe dysen og deretter arbeidsstykket.

Dette fenomen er kjent som dobling av lysbuen. Man har funnet at hvis L/I.D. er mindre enn 1,2 : 1, vil lavtrykksområdet mot sentret av dysen avta og bevirke buedobling og betydelig erosjon av dysen. På den annen side, hvis L/I.D. er meget større enn 1,2 : 1, er det mere vanskelig å overføre buen og varmeeffekten i lysbuen min-skes. Det er derfor ønskelig at L/I.D. for dysen ligger mellom 1,2 : 1 og 3 : 1, fortrinnsvis 2 : 1.

Selv om likestrøm med den ene eller annen polaritet på elektroden kan anvendes i dette apparat, er det å foretrekke ikke bare for å oppnå større energi ved mindre omkostninger, men og-så for oppnåelse av lengre levetid av den koppformede elektrode, å drive apparatet med enfaset vekselstrøm. Por eksempel når apparatet drives med likestrøm, vil lysbuen lokalisere seg på et bestemt område av den koppformede elektrode, mens ved vekselstrømsdrift vil lysbuen flytte seg over stort sett hele elektrodens lengde. I det hele vil lysbuens utløp veksle mellom et område i nærheten av den lukkede ende av den koppformede elektrode og munningen for hver halv-periode av vekselstrømmen. Det antas at denne veksling eller bevegelse av lysbuen er muliggjort i høy grad av den særlige utformningen av appa-tet, fordi det mellomliggende kammer tvinger en del av gassen som tilføres apparatet til å be-vege seg inn i og ut av den koppformede elektrode. Dette reduserer i høy grad erosjonen av den koppformede elektrode. En slik elektrode reduserer ikke bare materialforbruket, men hin-drer også tilsmussing av arbeidsstykket som apparatet anvendes på.

Som et alternativt hjelpemiddel for å oppnå lenger levetid av elektroden med hensyn til elek-trodeerosjon, kan en vannkjølt kopperfeltspole anbringes rundt den koppformede elektrode for å tilveiebringe et magnetisk felt som bringer lysbuen til å rotere. En slik spole vil ikke bare bevirke at lysbuen roterer, men den vil også bli spredt ut over elektroden, slik at det kan oppnås en større strøm ved gunstig strømtetthet.

Forskjellige elektrodematerialer er funnet brukbare i forbindelse med forskjellige typer gass. Således er kopper, sølv, aluminium, zirkon og molybden brukbare materialer når det anvendes en reaktiv gass som f. eks. luft, oksygen, kar-bondioksyd og karbonmonooksyd. Slike material-ler er hensiktsmessige for å minske elektrode-nedbrytnlngen under tilstedeværelse av oksyder-ende atmosfære som inneholder en blanding av en inert gass og luft, oksygen, eller karbonmonooksyd. Når en inert gass f. eks. hydrogen, argon, helium og nitrogen anvendes foretrekkes wol-fram, wolframinneholdende emisjonsmateriale som f. eks. torium, og karbon som elektrodema-terlale.

Egnede materialer for isolasjon har vist seg å være fenolharpiks med eller uten tilsetning av glimmer, og nylon, og som heteskjold brent sili-sium og sammenpakkede glimmerblandinger. Det kan imidlertid anvendes som isolator og skjold andre materialer med tilsvarende egen-skaper.

De følgende eksempler gir anvisning på bruk av apparatet ifølge oppfinnelsen. I disse eksempler er anvendt apparat av den type som er vist på tegningen.

Eksempel 1.

Oksydasjonsskj æring.

I dette eksempel hadde den koppformede elektrode en lengde på 24 cm og en innvendig diameter på 32 mm. Dysen hadde en lengde på 7 cm og en innvendig diameter på 24 mm. Arbeidsstykket, dvs. et stykke rustfritt stål som dannet den andre elektrode hadde en bredde på 10 cm, en lengde på 30 cm og en tykkelse på 19 mm. Oksygen ble tilført apparatet med 28,2m<3>/t for å tilveiebringe oksydasjon av metallet og for bortblåsing av metallrester. Feltspolen hadde en-magnetomotorisk kraft på 16,5 kiloampérevin-dinger og var plasert rundt den bakre del av elektroden og feltet var rettet mot bunnen av den koppformede elektrode. Med arbeidsstykket som katode tilførtes apparatet 665 ampére like-strøm. Buespenningen var 285 volt. Det totale kraftforbruk i apparatet var 190 kW av hvilket ca. 152 kW ble overført til gassen og arbeidsstykket, hvilket tilsvarer en virkningsgrad på ca.

80 pst.

Apparatet var innstillet i en vinkel på 55° med dysen rettet i motsatt retning av arbeidsstykkets bevegelse. Avstanden mellom apparatet og arbeidsstykket var ca. 38 mm. Arbeidsstykket ble beveget med en hastighet på ca. 6,3 m/min.

Under disse forhold hadde skjæringen en bredde på ca. 25 mm og en dybde på 2,3 mm. Det skårne område hadde en overflatekvalitet som ble bedømt valsbart basert på vanlige erfaringer på dette område.

Eksempel 2.

Fusj omskjæring.

Apparatets dimensjoner var i dette eksempel de samme som for eksempel 1. Likeledes var apparatets vinkel og avstand i forhold til arbeidsstykket den samme. Arbeidsstykkets bevegelses-hastighet var 1,3 m/min. Arbeidsstykket var og-så her rustfritt stål med tilnærmet de samme dimensjoner. Også her ble det brukt en feltspole med en magnetomotorisk kraft på 14. 3 kiloam-pérevindinger og retningen av feltet var også her mot bunnen av den koppformede elektrode. I dette eksempel ble det imidlertid anvendt argon som ble tilført med 56,6 m<3>/t for smeltning av metallet og fjerning av metallrester. I dette tilfelle blåses ikke metallet bort, men tillates å størkne.

Med arbeidsstykket som anode ble apparatet tilført 550 ampére likestrøm. Buespenningen var 210 volt. Den totale tilførte kraft til apparatet var 115 kW, av- hvilken tilnærmet 92 kW ble overført til gassen og arbeidsstykket, slik at det ble oppnådd en virkningsgrad på ca. 80 pst.

I dette tilfelle hadde skjæringen en smelte-bredde på tilnærmet 16 mm og en dybde på ca.

1 mm. Overflatekvaliteten var god.

Eksempel 3.

Metallkutting.

I dette utførelseseksempel hadde den koppformede elektrode en lengde på 16 cm og en innvendig diameter på 13 mm. Dysen hadde en lengde på 13 mm og en innvendig diameter på 6,4 mm. Appratet ble tilført oksygen med 21,2 m<3>/t. Arbeidsstykket besto av rustfritt stål på 20 cm. Med arbeidsstykket som katode ble apparatet

tilført 300 ampére. Buespenningen var 650 volt.

Den totale kraft som ble tilført apparatet var

195 kW av hvilken ca. 154 kW ble overført til gassen og arbeidsstykket, slik at det ble oppnådd en virkningsgrad på ca. 79 pst. Apparatet var

rettet mot arbeidsstykket i en vinkel på 90° og avstanden til arbeidsstykket var 13 mm.

Under disse forhold ble det gjort et kutt 13 cm langt gjennom platen med en hastighet på 7,6 cm/min. Kvaliteten av kuttet var god.

Eksempel 4.

Metallsmeltning.

I dette utførelseseksempel hadde den koppformede elektrode en lengde på 25,4 cm og en innvendig diameter på 32 mm. Dysen hadde en lengde på 3,8 cm og en innvendig diameter på 32 mm. Arbeidsstykket besto av 680 kg kullstål-skrap. Appratet ble tilført luft med 17 m<3>/t. Det ble anvendt enfaset vekselstrøm på 1100 ampére. Buespenningen var 400 volt. Den totale krafttil-førsel til apparatet var 440 ikW av hvilken 362 kW ble overført til gassen og arbeidsstykket, hvilket tilsvarer en virkningsgrad på ca. 82 pst. Ettersom apparatets omgivelser ble opphetet (1600° C) falt apparatets virkningsgrad til 40 pst. på grunn av utilstrekkelig termisk isolasjon av apparatet.

Under disse forhold ble skrapstålet smeltet på 2l/ 2 til 3 timer.

Apparatets evne til drift med vekselstrøm i luft praktisk talt uten elektrodeforbruk ble de-monstrert på denne måte.

Eksempel 5.

Vekselstrømdrift i luft.

I dette utførelseseksempel hadde den koppformede elektrode en lengde på 23,5 cm og en innvendig diameter på 32 mm. Dysen hadde en lengde på 3,8 cm og en innvendig diameter på 32 mm. Arbeidsstykket besto av en plate av kull-stål. Apparatet ble tilført luft med 14,2 m<3>/t. Det ble anvendt enfaset vekselstrøm på 1200 ampére. Buespenningen var 320 volt. Kammer-trykket var ca. 1 atmosfære. Den totale kraft som ble tilført apparatet var 375 kW hvorav 300 kW ble overført til gassen og arbeidsstykket, hvilket tilsvarer en virkningsgrad på 80 pst.

Under disse forhold ble apparatet brukt i ca. 10 minutter uten nevneverdig tegn på elek-trodeerosjon.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte til frembringelse av et lysbueplasma med høy spenning og høy temperatur ved innføring av en gass i et sylindrisk kammer gjennom et antall tangentialt anordnede innløpsåpninger, hvilket kammer har en koaksial utløpspassasje, og tilveiebringelse av en elektrisk lysbue mellom en koppformet elektrode som er anordnet koaksialt 1 kammerets ene ende, og en andre elektrode slik at det i kammeret dannes et hvirvellegeme av lysbueplasma som utlades gjennom utløpspassasjen, karakterisert ved at lysbueplasmaet som dannes i en lysbue som drives med en spenning på over 150 volt mellom en innvendig koppformet elektrode og arbeidsstykket, utlades gjennom en utløpsåp-ning med et forhold mellom lengde og diameter på mellom 1,2 : 1 og3 : 1.

2. Fremgangsmåte ifølge krav ^karakterisert ved at gassen føres inn i kammeret med en innløpshastighet på mere enn 0,25 Mach.