PL101256B1 - Plazmotron lukowy duzej mocy - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest plazmotron lukowy duzej mocy przekraczajacej 100 kW, stosowany np. do ciecia plazmowego plyt, rygli lub nadlewów me¬ talowych o grubosciach rzedu 150-^200 mm.

Znany stan techniki. Znane plazmotrony lukowe duzej mocy zasilane sa zwykle, ze wzgledów techno¬ logicznych, mieszanka gazów jedno i dwuatomo- wych stanowiaca medium stabilizujace wyladowa¬ nie lukowe oraz tworzaca strumien o odpowiednio duzej energii kinetycznej potrzebnej do usuniecia roztopionego w szczelinie metalu. Przy mocach rze¬ du 100 do 200 kW doprowadzanych do plazmotronu, prad kolumny lukowej osiaga wartosci okolo 1000 A.

Przy takich wartosciach pradu, gazem stabilizuja¬ cym wyladowanie lukowe w obszarze plamki kato¬ dowej moze byc praktycznie tylko argon, z uwagi na niewielkie zuzycie katody wolframowej, które zapewnia wielogodzinna eksploatacje plazmotronu bez wymiany katody. Przy kazdym innym gazie lub mieszance — za wyjatkiem bardzo drogiego he¬ lu — zuzycie katody jest na tyle duze, ze wyklucza mozliwosc wlasciwej eksploatacji plazmotronu w w warunkach przemyslowych.

Znane plazmotrony lukowe o mocy powyzej 100 kW stosowane zwlaszcza do ciecia grubych plyt i nadlewów wyposazone sa w dysze wewnetrzna, i zewnetrzna, przy czym obydwie dysze wykonane sa z materialu przewodzacego. Gazem stabilizuja¬ cym wyladowanie lukowe w obszarze plamki kato¬ dowej jest argon wprowadzany pomiedzy katode i dysze wewnetrzna, natomiast gazem roboczym bedacym nosnikiem energi kinetycznej i cieplnej niezbednej w procesie ciecia jest mieszanina azotu z wodorem, powietrza z tlenem itp., wprowadzana kanalem pomiedzy dysze wewnetrzna i zewnetrzna.

Parametry elektryczne znanych plazmotronów du¬ zej mocy zawarte sa w nastepujacych granicach: spadek napiecia kolumny lukowej 200-H350 V oraz prad 500^-1000 A.

W powyzszym obszarze parametrów, zwlaszcza przy napieciach powyzej 200 V, wystepuje zjawisko tak zwanego „luku podwójnego", które powoduje bardzo szybkie zniszczenie obu dysz plazmotronu, a nierzadko równiez uszkodzenie katody. Zjawisko to polega na powstaniu dodatkowego wyladowania pomiedzy katoda i obu dyszami, a nastepnie pomie¬ dzy dysza zewnetrzna i przecinanym materialem.

„Luk podwójny" uniemozliwia prawidlowa eksploa¬ tacje plazmotronu.

Dla zabezpieczenia plazmotronu przed niszczacym dzialaniem „luku podwójnego" wylot dyszy zew¬ netrznej musi byc umieszczony w odpowiednio du¬ zej odleglosci od przecinanego materialu, co z ko¬ lei powoduje znaczny wzrost strat cieplnych, gdyz odcinek kolumny lukowej zawarty pomiedzy wylo¬ tem dyszy zewnetrznej a materialem nie jest wy¬ korzystany, a jest to odcinek o najwyzszej tempe¬ raturze i gestosci energii, której znaczna czesc roz¬ prasza sie do otoczenia poprzez konwekcje i pro-101 256 3 mieniowanie. Tak wiec konieczne zwiekszenie tej odleglosci jest nieekonomiczne.

Znane sa równijez dwudyszowe plazmotrony lu- ; kowe duzych mocy w których wyeliminowanie „lu¬ ku podwójnego" osiagniete zostalo przez zastosowa¬ nie dyszy zewnetrznej z materialu nieprzewodza- cego oraz wytworzenie silnego przeplywu wirowego azotu w dyszy wewnetrznej. Wada tego rozwiazania jest to, ze srednica wylotowa dyszy zewnetrznej musi byc ze wzgledów technologicznych znacznie wieksza od srednicy wylotowej dyszy wewnetrznej (kolumny lukowej) co z kolei wplywa na obnizenie temperatury luku plazmowego, poniewaz nie ma mozliwosci wprowadzenia gazu roboczego do wne¬ trza luku plazmowego, a ponadto istnieje mozli¬ wosc latwego mechanicznego zniszczenia dyszy ze¬ wnetrznej wykonanej z materialu ceramicznego.

Dodatkowa wada dwudyszowych plazmotronów lu¬ kowych jest duza odleglosc katody od przecinanego materialu, która wynosi okolo 25 mm, co uniemozli¬ wia wykorzystanie najgoretszej czesci luku plazmo¬ wego, a ponadto czesc energii kinetycznej strumie¬ nia gazu stabilizujacego kolumne lukowa przy ka¬ todzie na skutek przeplywu wirowego zostaje rozproszona w kierunku promieniowym za wylotem z dyszy wewnetrznej.

Istota wynalazku. Plazmotron wedlug wynalazku wyposazony w dysze wewnetrzna i zewnetrzna za¬ wiera katode, której zakonczenie usytuowane jest na zewnatrz dyszy wewnetrznej w odleglosci S<1 mm od tworzacej stozka bedacego powierz¬ chnia zewnetrzna dyszy wewnetrznej, przy czym powierzchnia zewnetrzna dyszy wewnetrznej oraz powierzchnia wewnetrzna dyszy zewnetrznej two¬ rza kanal stozkowy, dla przeplywu gazu roboczego, którego kat wierzcholkowy zawarty jest w grani¬ cach 20-^70°. Na wylocie dyszy wewnetrznej znaj¬ duje sie szczelina pierscieniowa zawarta pomiedzy srednica wylotowa dyszy wewnetrznej a katoda, przy czym iloczyn srednicy wylotowej D dyszy wewnetrznej przez szerokosc tej szczeliny h — mie¬ rzony w plaszczyznie wylotu dyszy wewnetrznej — wynosi D*h<2,5 mm2 dla przeplywów argonu Q>2,5 nms. Komora mieszania obu strumieni ga¬ zowych zostala tak uksztaltowana, aby nastepowalo zasysanie gazu stabilizujacego.

Korzystne skutki techniczne wynalazku. W plaz- motronie wedlug wynalazku zostalo wyeliminowane zjawisko „luku podwójnego" dzieki odpowiedniemu uksztaltowaniu obszaru mieszania gazu stabilizuja¬ cego i gazu roboczego oraz odpowiedniemu usytuo¬ waniu katody w stosunku do obu dysz. Dodatkowe zabezpieczenie przed „lukiem podwójnym" uzyska¬ no przez pokrycie obu dysz materialem ceramicz¬ nym. Rozwiazanie wedlug wynalazku umozliwia zaplon plazmotronu do dyszy zewnetrznej. Skrócono w ten sposób niewykorzystana czesc luku plazmo- 4 wego. Plazmotron wedlug wynalazku umozliwia lepsze przekazywanie energi kolumny lukowej do strumienia gazu roboczego dzieki zmniejszeniu sred¬ nicy kanalu wylotowego dyszy wewnetrznej. Od- powiednia konfiguracja obszaru otaczajacego plam¬ ke katodowa, znajdujaca sie w atmosferze argonu, powoduje minimalne zuzycie katody.

Objasnienie rysunku. Plazmotron wedlug wyna¬ lazku pokazany jest w przykladzie wykonania od¬ tworzonym na rysunku, przedstawiajacym dysze wewnetrzna i zewnetrzna wraz z katoda w prze¬ kroju podluznym.

Przyklad wykonania wynalazku. Katoda 1 jest tak usytuowana, ze odleglosc jej zakonczenia od two¬ rzacej stozka bedacego powierzchnia zewnetrzna dyszy wewnetrznej 2 wynosi S = 0,8 mm. W celu zabezpieczenia dyszy wewnetrznej 2 przed przesko¬ kiem „luku podwójnego" z katody, stosuje sie duza predkosc latwo jonizujacego sie argonu w szczeli¬ nie pomiedzy katoda 1, a dysza wewnetrzna 2.

Predkosc ta wynosi powyzej 100 m/sek.

W przykladowej konstrukcji srednica wylotu dy¬ szy wewnetrznej wynosi D = 5 mm, przy czym sze¬ rokosc szczeliny, mierzonej w plaszczyznie wylotu A-A dyszy wewnetrznej, wynosi h = 0,4 mm. Dla podanych powyzej wymiarów oraz przeplywu argo¬ nu Q = 2,5 nm3/h — predkosc argonu w szczelinie wynosi 120 m/sek. Gaz roboczy wprowadzany ^est szczelina stozkowa o kacie wierzcholkowym a = 60° utworzona przez powierzchnie zewnetrzna dyszy wewnetrznej 2 oraz powierzchnia wewnetrzna dy¬ szy zewnetrznej 3. Takie wprowadzenie gazu robo¬ czego do luku plazmowego stabilizowanego argonem zapewnia wnikniecie gazu roboczego do jadra ko¬ lumny lukowej w najgoretszej strefie przykatodo¬ wej, a tym samym przejecie porcji energii równiez i przez strumien gazu roboczego.

Claims (2)

Zastrzezenia patentowe

1. Plazmotron lukowy duzej mocy, wyposazony w dwie dysze i katode, znamienny tym, ze zakon¬ czenie katody (1) plazmotronu usytuowane jest na zewnatrz dyszy wewnetrznej (2) w odleglosci s chnia zewnetrzna dyszy wewnetrznej (2), przy czym powierzchnia zewnetrzna dyszy wewnetrznej (2) oraz powierzchnia" wewnetrzna dyszy zewnetrznej (3) tworza kanal stozkowy dla przeplywu gazu ro¬ boczego, którego kat wierzcholkowy (a) zawarty jest w granicach 20-^70°.

2. Plazmotron wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze iloczyn srednicy wylotowej (D) dyszy wewnetrz¬ nej (2) przez szerokosc szczeliny (h) — mierzonych w plaszczyznie wylotu (A-A) dyszy wewnetrznej (2) — wynosi D»h<2,5 mm2 dla przeplywów argonu Q>2,5 nm3/h. 20 25 30 35 40 45 50101 256 AH60N GAZ ROBOCZY