RU2222121C2 - Электродуговой плазмотрон - Google Patents

Электродуговой плазмотрон Download PDF

Info

Publication number
RU2222121C2
RU2222121C2 RU2001134154/06A RU2001134154A RU2222121C2 RU 2222121 C2 RU2222121 C2 RU 2222121C2 RU 2001134154/06 A RU2001134154/06 A RU 2001134154/06A RU 2001134154 A RU2001134154 A RU 2001134154A RU 2222121 C2 RU2222121 C2 RU 2222121C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plasma
anode
interelectrode insert
interelectrode
cathode
Prior art date
Application number
RU2001134154/06A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2001134154A (ru
Inventor
Станислав Владимирович Петров (UA)
Станислав Владимирович Петров
Валентин Александрович Сааков (UA)
Валентин Александрович Сааков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ТОПАС"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ТОПАС" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ТОПАС"
Publication of RU2001134154A publication Critical patent/RU2001134154A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2222121C2 publication Critical patent/RU2222121C2/ru

Links

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

Изобретение относится к конструкции электродуговых плазмотронов с межэлектродными вставками (МЭВ), предназначенных для нанесения покрытий или плазменной закалки в труднодоступных местах, например для нанесения защитных покрытий на внутренние поверхности труб, диаметр которых в свету соизмерим с дистанциями, принятыми для напыления (100-300 мм). Технический результат - возможность работы плазмотрона на разных плазмообразующих газах, в том числе и активных (воздух с добавкой углеводородного газа), и повышение удельной мощности плазмотрона при сокращении его осевого габарита. Электродуговой плазмотрон включает последовательно установленные водоохлаждаемый торцевой катод, электрически изолированную с обеих сторон полую межэлектродную вставку с кольцевым каналом, который сообщается с источником плазмообразующего газа, полый водоохлаждаемый анод, штуцера для подвода плазмообразующего газа в зазорах МЭВ-анод, МЭВ-катод. Штуцер для подвода всего плазмообразующего газа непосредственно подключен к кольцевому каналу в межэлектродной вставке, а дополнительно установленные завихрители делят поток плазмообразующего газа на две части и выполнены на межэлектродной вставке в виде каналов, образованных многозаходной резьбой, имеющей выходы по обе стороны межэлектродной вставки в зазоры межэлектродная вставка - катод и межэлектродная вставка - анод, при этом указанные зазоры открываются в осевой (дуговой) канал плазмотрона, причем соотношение длины межэлектродной вставки к ее диаметру находится в пределах 0,5-3 и отношение суммарного сечения проходных каналов, по которым проходит плазмообразующий газ, выходящих в зазор межэлектродная вставка-катод к суммарному сечению проходных каналов, выходящих в зазор межэлектродная вставка-анод, находится в пределах 1-5. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к конструкции электродуговых плазмотронов с межэлектродными вставками (МЭВ), предназначенных для нанесения покрытий или плазменной закалки в труднодоступных местах, например, для нанесения защитных покрытий на внутренние поверхности труб, диаметр которых в свету соизмерим с дистанциями, принятыми для напыления (100-300 мм).
Плазмотроны для этих нужд должны удовлетворять двум трудно совместимым требованиям: иметь высокую удельную мощность и (вместе с коммуникациями для подвода плазмообразующего газа, напыляемого порошка, подвода и отвода хладагента) быть малогабаритными и удобными в работе.
Раздельное выполнение этих требований не представляет особых затруднений.
Например, известны однокамерные плазмотроны (см. Жуков М.Ф., Смоляков В. В. , Урюков Б.А. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). - М.: Наука, 1973, с. 16), имеющие корпус, стержневой катод, трубчатый анод и штуцер для подачи плазмообразующего газа через завихритель в камеру между катодом и трубчатым анодом. Осевой габарит такого плазмотрона лимитируется длиной дуги, самоустанавливающейся при заданных входных параметрах (токе дуги, расходе и составе плазмообразующего газа и интенсивности вихря).
Повышение удельной мощности таких плазмотронов может быть достигнуто за счет роста тока и напряжения на дуге, что связано с удлинением самоустанавливающейся дуги, нестабильностью ее горения и ростом осевого габарита.
Пространственная стабилизация столба дуги и фиксация ее средней длины были достигнуты в электродуговых плазмотронах с МЭВ (см. Жуков М.Ф. Электродуговые генераторы с межэлектродными вставками. - Новосибирск: Наука, 1981, с. 137). В таких плазмотронах практически во всех случаях имеются контуры водяного охлаждения электродов и МЭВ. Однако удлинение МЭВ (например, выполнение ее многосекционной, о чем можно прочесть там же) постепенно приводит к обратному эффекту (росту осевого габарита при снижении удельной мощности), поскольку требуется интенсивное охлаждение электродов и МЭВ в каждой секции. Тепловой КПД электродуговых плазмотронов с МЭВ снижается до уровня, характерного для традиционных плазмотронов, при использовании в качестве хладагента воды и даже газов от внешнего источника (см. Жуков М. Ф. и др. Электродуговые генераторы с межэлектродными вставками. - Наука, Сибирское отделение, Новосибирск, 1981, с. 141). Кроме того, с удлинением МЭВ существенно возрастают осевой габарит и количество шлангов для подвода свежего и отвода нагретого хладагента, а надежность работы плазмотрона снижается.
Тем не менее электродуговые плазмотроны с МЭВ наиболее перспективны для решения задачи напыления покрытий высокого качества с воспроизводимыми свойствами, в том числе в труднодоступных местах.
Из числа известных плазмотронов (плазменных горелок) такого типа к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близок электродуговой плазмотрон ("плазменная горелка") по а.с. СССР 503601, МПК 7 Н 05 Н 1/26, опубл. 25.02.1976, 2 стр. Такой плазмотрон содержит последовательно установленные водоохлаждаемый катод, электрически изолированную с обеих сторон полую МЭВ с кольцевым каналом, который сообщается с источником плазмообразующего газа, полый водоохлаждаемый анод, штуцера для подвода плазмообразующего газа, подключенные к зазорам между катодом и МЭВ и МЭВ и анодным соплом таким образом, что большая часть газа поступает в зазор катод-МЭВ, а меньшая, в смеси с порошковым материалом, поступает в зазор МЭВ-анодное сопло.
Такая конструкция плазмотрона позволяет эффективно работать только на инертных плазмообразующих газах. В плазмотронах такой конструкции происходит преимущественная фиксированная привязка анодного опорного пятна на внутренней поверхности канала анода, что вызывает большие тепловые локальные нагрузки в зоне опорного пятна и ускоренное разрушение анода. Жесткая стабилизация столба дуги на участке МЭВ в данной конструкции плазменной горелки требует повышенной длины осевого канала втулки полого анода для перемешивания пристеночного холодного и приосевого горячего газов и выравнивания параметров течения плазмы на срезе сопла. Таким образом, работа на режимах, близких к предельным (с уровнем удельной мощности 8-9 кВт•ч/нм3), заставляет конструкторов и эксплуатационников существенно увеличивать осевой габарит (до 50% от расчетного).
Основной задачей изобретения является возможность работы плазмотрона на разных плазмообразующих газах, в том числе и активных (воздух с добавкой углеводородного газа) и повышение удельной мощности плазмотрона при сокращении его осевого габарита. Она решается за счет непосредственного подключения всего плазмообразующего газа к системе охлаждения МЭВ, наличия завихрителей, которые расположены по обеим сторонам МЭВ, оптимальных соотношений длины МЭВ к ее диаметру и суммарного сечения проходных каналов, по которым проходит плазмообразующий газ, выходящий в зазор МЭВ-катод к суммарному сечению проходных каналов, выходящих в зазор МЭВ-анод.
Поставленная задача достигается тем, что в электродуговом плазмотроне, включающем последовательно установленные водоохлаждаемый катод, электрически изолированную с обеих сторон полую межэлектродную вставку с кольцевым каналом, который сообщается с источником плазмообразующего газа, полый водоохлаждаемый анод, штуцера для подвода основного и вспомогательного плазмообразующего газа, согласно изобретению штуцер для подвода всего плазмообразующего газа непосредственно подключен к кольцевому каналу в межэлектродной вставке, дополнительно установленные завихрители делят поток плазмообразующего газа на две части и выполнены на межэлектродной вставке в виде каналов, образованных многозаходной резьбой, имеющей выходы по обе стороны межэлектродной вставки в зазоры МЭВ-катод и МЭВ-анод, при этом указанные зазоры открываются в осевой (дуговой) канал плазмотрона, причем соотношение длины межэлектродной вставки к ее диаметру находится в пределах 0,5-3 и отношение суммарного сечения проходных каналов, по которым проходит плазмообразующий газ, выходящих в зазор межэлектродная вставка-катод к суммарному сечению проходных каналов, выходящих в зазор межэлектродная вставка-анод, находится в пределах 1-5.
Таким образом, весь поток плазмообразующего газа поступает сначала на охлаждение в МЭВ, далее проходя через завихрители, выполненные на корпусе МЭВ в виде многозаходной резьбы, нагревается и в подогретом виде через кольцевые коллекторы в зазорах МЭВ-катод, МЭВ-анод попадает в дуговой канал на вихревую стабилизацию дуги: в зазоре МЭВ-катод для использования гафниевых и циркониевых катодов и стабилизации дуги в МЭВ, в зазоре МЭВ-анод (антизавихритель) для гашения остаточной крутки, быстрого выравнивания параметров потока плазмы в анодном канале и обеспечения диффузной привязки анодного опорного пятна.
Возврат тепла, отбираемого при охлаждении МЭВ в зону генерирования плазмы, создает техническую предпосылку для повышения удельной тепловой мощности в струе при минимальных размерах плазмотрона. В этом случае удается повысить удельную мощность плазмотрона по отношению к осевому габариту.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен предложенный плазмотрон в продольном разрезе.
Плазмотрон имеет цилиндрический электрод (анод), содержащий полый водоохлаждаемый корпус 1 с установленной в нем медной цилиндрической втулкой (анодом) 2 с осевым каналом. К корпусу анода 1 через кольцевой изолятор 3 жестко прикреплен электрически изолированный корпус 4 с полой межэлектродной вставкой (МЭВ) 5, плотно зафиксированной в осевом и радиальном направлениях с зазором между катододержателем 12 и анодом. Корпус МЭВ 4 имеет кольцевой коллектор 6, непосредственно подключенный к штуцеру 7 для подачи плазмообразующего газа, который через завихритель 8, выполненный на МЭВ 5 в виде многозаходной прямоугольной резьбы, и кольцевые коллекторы 9, 10 в зазорах МЭВ-катод, МЭВ-анод поступает в осевой (дуговой) канал плазмотрона.
К корпусу МЭВ 4 через кольцевой изолятор 11 жестко прикреплен катододержатель 12 с водоохлаждаемым катодом 13. Торцевой водоохлаждаемый катод 13 жестко связан с катододержателем 12 и расположен на геометрической оси плазмотрона. По оси катода 13 плотно установлена активная вставка 14 из циркония или гафния.
Смежные поверхности катододержателя 12, изолятора 11, корпуса МЭВ 4 образуют первую вихревую камеру на входе в МЭВ 5 в зоне привязки катодного опорного пятна на поверхности активной вставки 14, а смежные поверхности корпуса МЭВ 4 со стороны изолятора 3 и корпуса анода 1 образуют вторую вихревую камеру у входной стороны анода 2.
Плазмотрон работает следующим образом. Катод и анод охлаждаются традиционным способом - водой. Плазмообразующий газ через штуцер 7 подают в кольцевую коллекторную полость 6, откуда через завихритель 8, выполненный на МЭВ 5 в виде многозаходной прямоугольной резьбы, газ поступает через кольцевые коллекторные полости 9, 10 в осевой (дуговой) канал плазмотрона. При этом многозаходная прямоугольная резьба, выполненная на МЭВ 5, способствует ее интенсивному охлаждению и выступает в роли завихрителя первой вихревой камеры и антизавихрителя второй вихревой камеры. Большая часть плазмообразующего газа (55-80% от суммарного расхода) проходит через участок многозаходной прямоугольной резьбы, расположенный вблизи катододержателя и обеспечивающий крутку, например, против часовой стрелки, поступает в кольцевую коллекторную полость 9 и далее на обдув катода, стабилизируя привязку катодного пятна в зоне активной вставки термохимического катода 14. Другая, меньшая часть плазмообразующего газа (20-45% от суммарного расхода), проходит через участок многозаходной прямоугольной резьбы, расположенной вблизи анода и обеспечивающей крутку в противоположную сторону, поступает через кольцевую коллекторную полость 10 в канал сопла анода 2. Далее, смешиваясь, газы проходят через осевой канал полого анода 2 и истекают в атмосферу. Электрическая дуга постоянного тока горит в осевом канале МЭВ 5. Катодное опорное пятно располагается неподвижно на активной вставке 14 катода, анодное опорное пятно в виде плазменного облака примыкает к внутренней поверхности осевого канала полого сопла анода 2. При возбуждении электрической дуги под действием теплового потока от плазмы к стенкам полой межэлектродной вставки 5 она нагревается и расширяется. Благодаря этому она плотно прижимается к корпусу МЭВ 4, обеспечивая проход плазмообразующего газа только через каналы прямоугольной многозаходной резьбы.
Вдув в дуговой канал горячего (300-600oС) плазмообразующего газа способствует гашению остаточной крутки, расщеплению прианодного участка дуги, жесткой ее пространственной фиксации независимо от уровня тока, расхода и состава плазмообразующего газа и выравниванию профиля скоростей и температур в радиальном сечении плазменной струи. Это позволяет уменьшить длину анодного канала на 50-100%.
Рекуперативное охлаждение МЭВ и уменьшение требуемой из условия формирования плазменной струи длины анодного канала на 50-100% обеспечивают повышение термического КПД плазмотрона на 20-30%.
Вдув в дуговой канал горячего (300-600oС) плазмообразующего газа способствует также размыванию анодного опорного пятна на внутренней поверхности медной цилиндрической втулки (сопла анода) 2, что увеличивает ее стойкость в 6-8 раз.
Кроме того, благодаря сообщающимся через многозаходную прямоугольную резьбу на МЭВ кольцевым коллекторам 9 и 10, наблюдается эффект саморегулирования процесса генерирования плазмы. При увеличении тока дуги возрастет газодинамическое сопротивление в канале МЭВ и происходит перераспределение потоков плазмообразующего газа с увеличением расхода в сторону кольцевого коллектора 10, что в свою очередь увеличивает диэлектрическую прочность зазора МЭВ-анод и способствует смещению зоны привязки анодного опорного пятна в глубину канала сопла анода 2. Это способствует защите плазмотрона от двойного дугообразования и увеличивает область устойчивой работы плазмотрона при малых расходах плазмообразующего газа на 20-30%.
Длину осевого канала МЭВ выбирают в зависимости от требуемого уровня номинальной мощности плазмотрона в пределах 0,5-3 калибра. Длина 0,5 калибра определяет нижний уровень мощности, дальнейшее снижение невозможно конструктивно, поскольку по длине МЭВ необходимо разместить кольцевую коллекторную полость и завихрители.
Длина канала МЭВ 3 калибра определяет верхний уровень мощности плазмотрона и удельной мощности струи, дальнейшее увеличение невозможно из-за резкого роста теплового потока, перегрева и разрушения МЭВ.
Соотношение суммарного сечения проходных каналов, по которым проходит плазмообразующий газ, выходящий в зазор МЭВ-катод к суммарному сечению проходных каналов, выходящих в зазор МЭВ-анод, выбирают в пределах 1-5. Соотношение проходных сечений практически определяет соотношение гидравлических сопротивлений, т.е. расходы газов в зазоры катод-МЭВ и МЭВ-анод. Соотношение суммарных сечений проходных каналов 1-5 обеспечивает соответственно расход газа в зазор катод-МЭВ 55-80%, а в зазор МЭВ-анод - 20-45%. Снижение расхода газа в зазор катод-МЭВ - менее 55% (соответственно при соотношении проходных сечений менее 1) приведет к ухудшению стабилизации катодного опорного пятна дуги, снижению уровня напряжения на дуге, перегреву МЭВ, снижению достижимого уровня максимальной мощности плазмотрона и удельной мощности струи.
Увеличение расхода газа в зазор катод-МЭВ более 80% (соответственно при соотношении проходных сечений более 5) приведет к снижению диэлектрической прочности зазора МЭВ-анод (соответственно двойному дугообразованию), нарушению условий расщепления прианодного участка дуги, ослаблению ее пространственной стабилизации и выносу за срез сопла-анода.
Таким образом, выход за пределы заявляемых соотношений в конечном счете приведет к невозможности получения высокой удельной мощности плазменной струи с минимальными габаритами плазмотрона.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявленный плазмотрон использовался для нанесения износостойкого покрытия из оксида хрома на внутреннюю поверхность цилиндров буровых насосов с последующей шлифовкой алмазным инструментом. Диаметр цилиндра в свету - 150 мм, длина - 750 мм. Нанесение покрытия из оксида хрома осуществлялось при следующих параметрах работы плазмотрона: ток дуги, А - 250, напряжение на дуге, В - 250, расход плазмообразующих газов, нм3/ч - 5, содержание метана в смеси с воздухом, % - 11, КПД плазмотрона - 0,85, удельная мощность в плазменной струе, кВт•ч/нм3 - 11. Диаметр осевого канала анода, мм - 7, диаметр осевого канала МЭВ, мм - 6, длина осевого канала МЭВ, мм - 20, длина осевого канала анода, мм - 18.
Было получено покрытие Сr2О3 толщиной 500 мкм с пористостью 0% и микротвердостью, Hv 03-2500.
Заявляемая взаимосвязь элементов в МЭВ и их соотношения обеспечивают длительную (20 и более часов) устойчивую работу плазмотрона без замены теплонагруженных деталей.
Наличие отличительных признаков приводит к повышению КПД, удельной мощности и надежности, упрощению конструкции и эксплуатации плазмотрона с МЭВ, и уменьшению габаритов плазмотрона.
Указанный плазмотрон может быть использован в установках плазменного напыления и закалки.

Claims (3)

1. Электродуговой плазмотрон, включающий последовательно установленные водоохлаждаемый катод, электрически изолированную с обеих сторон полую межэлектродную вставку с кольцевым каналом, который сообщается с источником плазмообразующего газа, полый водоохлаждаемый анод, штуцера для подвода плазмообразующего газа в зазорах, межэлектродная вставка - анод, межэлектродная вставка - катод, отличающийся тем, что штуцер для подвода всего плазмообразующего газа непосредственно подключен к кольцевому каналу в межэлектродной вставке, а дополнительно установленные завихрители делят поток плазмообразующего газа на две части и выполнены на межэлектродной вставке в виде каналов, образованных многозаходной резьбой, имеющей выходы по обе стороны межэлектродной вставки в зазоры межэлектродная вставка - катод и межэлектродная вставка - анод, при этом указанные зазоры открываются в осевой - дуговой канал плазмотрона.
2. Электродуговой плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что соотношение длины межэлектродной вставки к ее диаметру находится в пределах 0,5-3.
3. Электродуговой плазмотрон по п.1 или 2, отличающийся тем, что соотношение суммарного сечения проходных каналов, по которым проходит плазмообразующий газ, выходящий в зазор межэлектродная вставка - катод к суммарному сечению проходных каналов, выходящих в зазор межэлектродная вставка - анод, находится в пределах 1-5.
RU2001134154/06A 2001-07-06 2001-12-19 Электродуговой плазмотрон RU2222121C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UA2001074738 2001-07-06
UA2001074738 2001-07-06

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2001134154A RU2001134154A (ru) 2003-08-10
RU2222121C2 true RU2222121C2 (ru) 2004-01-20

Family

ID=34391160

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2001134154/06A RU2222121C2 (ru) 2001-07-06 2001-12-19 Электродуговой плазмотрон

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2222121C2 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2524173C1 (ru) * 2013-02-13 2014-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный технический университет" Плавильный плазмотрон
RU2715054C1 (ru) * 2019-04-15 2020-02-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Липецкий государственный технический университет" (ЛГТУ) Электродуговой плазмотрон

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2524173C1 (ru) * 2013-02-13 2014-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный технический университет" Плавильный плазмотрон
RU2715054C1 (ru) * 2019-04-15 2020-02-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Липецкий государственный технический университет" (ЛГТУ) Электродуговой плазмотрон

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1195077B1 (en) Anode electrode for plasmatron structure
US8921731B2 (en) Protective nozzle cap, protective nozzle cap retainer, and arc plasma torch having said protective nozzle cap and or said protective nozzle cap retainer
US7375302B2 (en) Plasma arc torch having an electrode with internal passages
US4570048A (en) Plasma jet torch having gas vortex in its nozzle for arc constriction
CA2739643C (en) Electrode for a plasma torch
EP0244774B1 (en) Improved plasma flame spray gun method and apparatus with adjustable ratio of radial and tangential plasma gas flow
US4764656A (en) Transferred-arc plasma apparatus and process with gas heating in excess of anode heating at the workpiece
US4311897A (en) Plasma arc torch and nozzle assembly
EP0775436B1 (en) Plasma torch with axial injection of feedstock
CS218814B1 (en) Method of generating the plasma in the plasma electric arc generator and device for executing the same
EA021709B1 (ru) Плазменная горелка с боковым инжектором
US20140326703A1 (en) Extended cascade plasma gun
JPH08339893A (ja) 直流アークプラズマトーチ
RU2320102C1 (ru) Плазмотрон для напыления
JPH0514399B2 (ru)
KR102036815B1 (ko) 플라즈마 절단 토치용 전극 및 그의 용도
RU2222121C2 (ru) Электродуговой плазмотрон
KR100262800B1 (ko) 아크플라즈마토치,아크플라즈마 토치용전극 및 이들의 작동방법
RU2092981C1 (ru) Плазмотрон для напыления порошковых материалов
RU142250U1 (ru) Плазмотрон для напыления
KR950012485B1 (ko) 플라즈마 아크 용해용 토치
UA57171C2 (ru) Электродуговой плазматрон
RU190126U1 (ru) Плазмотрон для напыления
Anshakov et al. Material processing using arc plasmatrons with thermochemical cathodes
KR100493731B1 (ko) 플라즈마 발생장치

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20041220