RU2387107C1

RU2387107C1 - Electric arc plasmatron

Info

Publication number: RU2387107C1
Application number: RU2009109546/09A
Authority: RU
Inventors: Роман Владимирович Дробинин (RU); Роман Владимирович Дробинин; Алексей Александрович Ложкин (RU); Алексей Александрович Ложкин
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Корпорация Всмпо-Ависма"
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-04-20

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: proposed electric arc plasmatron includes hollow cylindrical housing, in which there coaxially installed is hollow cylindrical current lead, hollow cylindrical blind electrode, gas swirler, and outlet nozzle. According to invention, blind edge of hollow electrode is isolated from current lead; at that, electric current is supplied to open edge of electrode through contact surface. In addition, between current lead and external surface of hollow electrode there installed is separator so that cooling liquid is supplied to open edge of hollow electrode, and cooling liquid is discharged to blind edge of electrode. ^ EFFECT: providing stability of geometric and energy parametres of arcing, excluding burn-through of hollow electrode wall. ^ 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к конструкции плазмотронов, применяемых в металлургической промышленности в качестве источника нагрева.The invention relates to plasma technology, namely to the design of plasmatrons used in the metallurgical industry as a heating source.

Известен электродуговой плазмотрон, содержащий соосно установленные цилиндрический полый глухой электрод, на внутренней поверхности которого закреплены радиальные стержневые термохимические эмиссионные вставки, завихритель газа и выходное сопло. Внутренняя поверхность полого глухого электрода состоит из двух участков заданных диаметров и длины. Термохимические вставки расположены на начальном участке в одной радиальной плоскости и удалены от завихрителя газа на определенное расстояние (а.с. СССР №1136735, опубл. 27.08.1995 г.) - прототип.Known arc plasma torch containing coaxially mounted cylindrical hollow blind electrode, on the inner surface of which are fixed radial rod thermochemical emission inserts, a gas swirler and an output nozzle. The inner surface of a hollow blank electrode consists of two sections of a given diameter and length. Thermochemical inserts are located on the initial section in one radial plane and are removed from the gas swirl by a certain distance (AS USSR No. 1136735, publ. 08.27.1995) - prototype.

Недостатками известного устройства являются сложность установки на полый электрод дорогостоящих термохимических эмиссионных вставок, малая устойчивость привязки катодных пятен к вставкам, вызывающая перемещение катодных пятен на стенку полого электрода и последующий прожог стенки, а также низкая эффективность системы охлаждения теплонагруженных элементов, что в итоге снижает срок эксплуатации плазмотрона. Кроме того, термохимические эмиссионные вставки изготовляются из твердосплавных материалов, что недопустимо при производстве деталей ответственного назначения, например, в изделиях для авиакосмической промышленности.The disadvantages of the known device are the difficulty of installing expensive thermochemical emission inserts on the hollow electrode, the low stability of the binding of the cathode spots to the inserts, causing the movement of the cathode spots on the wall of the hollow electrode and subsequent burning of the wall, as well as the low efficiency of the cooling system of heat-loaded elements, which ultimately reduces the life of plasmatron. In addition, thermochemical emission inserts are made of carbide materials, which is unacceptable in the manufacture of critical parts, for example, in products for the aerospace industry.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение ресурса работы плазмотрона за счет повышения стойкости полого электрода.The problem to which the invention is directed, is to increase the life of the plasma torch by increasing the resistance of the hollow electrode.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является обеспечение стабильности геометрических и энергетических параметров горения дуги, а также исключение прожогов стенки полого электрода.The technical result achieved by the implementation of the invention is to ensure the stability of the geometric and energy parameters of the arc burning, as well as the exclusion of burn through the walls of the hollow electrode.

Указанный технический результат достигается тем, что в электродуговом плазмотроне, содержащем полый цилиндрический корпус, в котором соосно установлены полый цилиндрический токоподвод, полый цилиндрический глухой электрод, выполненный с внутренней полостью, состоящей из участков различных длин и диаметров, завихритель газа, выходное сопло, глухой торец полого электрода изолирован от токоподвода, при этом электрический ток подается на открытый торец электрода через контактирующую поверхность, причем между токоподводом и полым электродом дополнительно установлен сепаратор таким образом, что подвод охлаждающей жидкости осуществляется к открытому торцу полого электрода в полости между внутренней поверхностью стенки токоподвода и наружной поверхностью стенки сепаратора, а выход охлаждающей жидкости осуществляется к глухому торцу электрода в полости между внутренней поверхностью стенки сепаратора и наружной поверхностью стенки полого электрода. На торце сепаратора, прилегающем к открытому торцу полого электрода, выполнен завихритель охлаждающей жидкости. Контактирующая поверхность открытого торца полого электрода выполнена в виде резьбовой части. Завихритель газа выполнен в виде кольца с тангенциальными сквозными отверстиями, при этом отверстия выполнены с конусным участком, расположенным на входе газа со стороны наружной поверхности стенки завихрителя, и цилиндрическим участком, расположенным на выходе газа со стороны внутренней поверхности стенки завихрителя, причем длина цилиндрического участка выполнена в интервале 2,0÷2,5 диаметров отверстия цилиндрического участка.The specified technical result is achieved in that in an electric arc plasmatron containing a hollow cylindrical body, in which a hollow cylindrical current supply, a hollow cylindrical blind electrode made with an internal cavity consisting of sections of different lengths and diameters, a gas swirl, an output nozzle, a blind end face are coaxially mounted the hollow electrode is isolated from the current lead, while the electric current is supplied to the open end of the electrode through the contacting surface, and between the current lead and the hollow electrode The separator is additionally installed in such a way that the coolant is supplied to the open end of the hollow electrode in the cavity between the inner surface of the current supply wall and the outer surface of the separator wall, and the coolant is released to the blind end of the electrode in the cavity between the inner surface of the separator wall and the outer wall surface hollow electrode. At the end of the separator adjacent to the open end of the hollow electrode, a swirl of coolant is made. The contacting surface of the open end of the hollow electrode is made in the form of a threaded part. The gas swirl is made in the form of a ring with tangential through holes, the holes being made with a conical section located at the gas inlet from the outer surface of the swirl wall and a cylindrical section located at the gas outlet from the inner surface of the swirl wall, the length of the cylindrical section being made in the range of 2.0 ÷ 2.5 hole diameters of the cylindrical section.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлен общий вид устройства. На фиг.2 изображена зона привязки дуги на переходной зоне внутренней полости электрода.Figure 1 presents a General view of the device. Figure 2 shows the zone of the arc binding on the transition zone of the internal cavity of the electrode.

Электродуговой плазмотрон состоит из корпуса 1, в котором соосно установлены цилиндрический полый глухой электрод 2 и выходное сопло 3. Полый глухой электрод 2 имеет внутреннюю полость с участком 4, прилегающим к открытому торцу электрода 5, и участком 6, прилегающим к глухому торцу электрода 7. На границе раздела участков 4 и 6 выполнена переходная зона 8 в виде усеченного конуса. Глухой торец электрода 7 изолирован от токоподвода 9 через изоляционную вставку 10. Подача тока от токоподвода 9 на электрод 2 осуществляется через контактирующую поверхность 11 открытого торца электрода 5. Между полым электродом 2 и соплом 3 установлен завихритель газа 12 со сквозными тангенциальными отверстиями 13. Между токоподводом 9 и полым электродом 2 установлен сепаратор 14 с завихрителем охлаждающей жидкости 15.The arc plasma torch consists of a housing 1, in which a cylindrical hollow blind electrode 2 and an outlet nozzle 3 are coaxially mounted. The hollow blind electrode 2 has an internal cavity with a portion 4 adjacent to the open end of the electrode 5 and a portion 6 adjacent to the blind end of the electrode 7. At the interface of sections 4 and 6, transition zone 8 is made in the form of a truncated cone. The dead end of the electrode 7 is isolated from the current supply 9 through the insulating insert 10. The current from the current supply 9 to the electrode 2 is supplied through the contacting surface 11 of the open end of the electrode 5. Between the hollow electrode 2 and the nozzle 3 there is a gas swirl 12 with through tangential openings 13. Between the current supply 9 and a hollow electrode 2 is installed separator 14 with a swirl of coolant 15.

Устройство работает следующим образом. Плазмотрон подключают к источнику электропитания, к источнику инертного газа, к устройству для подачи воды. После включения источника питания подается напряжение на полый глухой электрод 2 и выходное сопло 3. Между полым электродом и выходным соплом возбуждается дуговой разряд и загорается электрическая дуга. Далее подается поток инертного газа, который проходит через завихритель газа 12 и переносит заряженные частицы плазмы на обрабатываемое изделие. После чего включается автоматически рабочий ток плазмотрона, который подается от токоподвода 9 через контактирующую поверхность 11 открытого торца электрода 5, при этом глухой торец электрода (верхняя часть) 7 изолирован от токоподвода 9. С целью надежности подачи тока на полый электрод контактирующую поверхность открытого торца целесообразно выполнять в виде резьбовой части. В установившемся режиме дуга горит по оси плазмотрона, и катодный ее участок замыкается несколькими стационарными пятнами. Предложенная конструкция токоподвода создает магнитную силу, посредством которой катодные пятна перемещаются с внутренней поверхности участка 4 (нижней части) и стабильно привязываются на поверхности переходной зоны 8. С целью разделения потоков холодной и горячей жидкости охлаждения электрода между токоподводом 9 и полым электродом 2 установлен сепаратор 14 с завихрителем охлаждающей жидкости 15 (в нижней части). Сепаратор установлен таким образом, что подвод охлаждающей жидкости осуществляется в полость между внутренней поверхностью стенки токоподвода и наружной поверхностью стенки сепаратора через завихритель охлаждающей жидкости 15, выполненный на торце сепаратора. Далее следует разворот потока жидкости, после чего она поступает в полость между внутренней стенкой сепаратора и наружной стенкой полого электрода. Посредством подачи холодной жидкости по наружной стенке сепаратора через завихритель охлаждающей жидкости на наружную стенку полого электрода в первую очередь понижается температура полого электрода на участке 4, являющемся наиболее теплонагруженным элементом. Завихритель охлаждающей жидкости за счет регулируемого потока жидкости создает равномерное охлаждение всей наружной поверхности полого глухого электрода, тем самым исключает привязку катодных пятен к наиболее разогретым участкам внутренней поверхности полого электрода.The device operates as follows. The plasma torch is connected to a power source, to an inert gas source, to a device for supplying water. After turning on the power source, voltage is supplied to the hollow blind electrode 2 and the output nozzle 3. An arc discharge is excited between the hollow electrode and the output nozzle and the electric arc ignites. Next, a stream of inert gas is supplied, which passes through the gas swirl 12 and transfers the charged plasma particles to the workpiece. After that, the operating current of the plasma torch is automatically switched on, which is supplied from the current supply 9 through the contacting surface 11 of the open end of the electrode 5, while the blind end of the electrode (upper part) 7 is isolated from the current supply 9. In order to ensure reliable supply of current to the hollow electrode, the contacting surface of the open end is advisable perform in the form of a threaded part. In the steady state, the arc burns along the axis of the plasma torch, and its cathode section is closed by several stationary spots. The proposed current supply design creates a magnetic force by which the cathode spots move from the inner surface of section 4 (the lower part) and are stably attached to the surface of the transition zone 8. In order to separate the flows of cold and hot electrode cooling liquid, a separator 14 is installed between the current lead 9 and the hollow electrode 2 with coolant swirl 15 (in the lower part). The separator is installed in such a way that the coolant is supplied into the cavity between the inner surface of the current supply wall and the outer surface of the separator wall through the coolant swirl 15 made at the end of the separator. This is followed by a turn of the fluid flow, after which it enters the cavity between the inner wall of the separator and the outer wall of the hollow electrode. By supplying cold liquid to the outer wall of the separator through the coolant swirl to the outer wall of the hollow electrode, the temperature of the hollow electrode in section 4, which is the most heat-loaded element, is first reduced. The swirl of the coolant due to the regulated fluid flow creates uniform cooling of the entire outer surface of the hollow deaf electrode, thereby eliminating the binding of cathode spots to the most heated parts of the inner surface of the hollow electrode.

Для уменьшения потерь скорости плазмообразующего газа завихритель газа выполнен в виде кольца с тангенциальными сквозными отверстиями. Конусный участок отверстия на входе газа со стороны наружной поверхности стенки завихрителя позволяет обеспечить величину заданной скорости газа. Цилиндрический участок отверстия длиной, равной 2,0÷2,5 диаметров отверстия цилиндрического участка, на выходе газа со стороны внутренней стенки завихрителя обеспечивает требующуюся ламинарность выходящих потоков газа.To reduce the velocity loss of the plasma-forming gas, the gas swirl is made in the form of a ring with tangential through holes. The conical section of the hole at the gas inlet from the side of the outer surface of the swirl wall allows you to provide the value of the specified gas velocity. The cylindrical section of the hole with a length equal to 2.0 ÷ 2.5 of the diameter of the hole of the cylindrical section at the gas outlet from the side of the inner wall of the swirler provides the required laminarity of the outgoing gas flows.

Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующий пример конкретного выполнения.The industrial applicability of the invention is confirmed by the following example of a specific implementation.

Электродуговой плазмотрон использовали для переплава металлических отходов (например, из сплава Инконель 718). После включения источника питания плазмотрона для возбуждения электрической дуги подавали ток силой 40 А и напряжением 1,2 кВ. В рабочем режиме плазмотрона ток дуги составлял 2,5 кА, напряжение - 300 В, расход инертного газа - 220 литров/мин, давление охлаждающей жидкости - воды - 0,9 МПа. Привязка катодных пятен дуги стабильно осуществлялась на поверхности переходной зоны полого электрода (см. фиг.2). Работа плазмотрона производилась в штатном режиме. Поломок и прожогов электрода не зафиксировано.An electric arc plasmatron was used for remelting metal waste (for example, from Inconel 718 alloy). After turning on the power source of the plasma torch, a current of 40 A and a voltage of 1.2 kV was applied to excite the electric arc. In the plasma torch operating mode, the arc current was 2.5 kA, the voltage was 300 V, the inert gas flow rate was 220 liters / min, and the pressure of the cooling liquid and water was 0.9 MPa. The binding of the cathode spots of the arc was stably carried out on the surface of the transition zone of the hollow electrode (see figure 2). The plasma torch was operating normally. Damage and burn-through of the electrode is not fixed.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известным прототипом позволяет увеличить срок службы плазмотрона в 4 раза, при этом ресурс работы полого электрода достигает 200 часов.The present invention compared with the known prototype allows to increase the life of the plasma torch by 4 times, while the service life of the hollow electrode reaches 200 hours.

Claims

1. An arc plasma torch comprising a hollow cylindrical body in which a hollow cylindrical current supply, a hollow cylindrical blind electrode made coaxially with an internal cavity consisting of sections of various lengths and diameters, a gas swirl, an output nozzle, characterized in that the blind end face of the hollow electrode are coaxially mounted isolated from the current supply, while the electric current is supplied to the open end of the electrode through the contacting surface, and between the current supply and the hollow electrode is additionally installed it is such that the coolant is supplied to the open end of the hollow electrode in the cavity between the inner surface of the current supply wall and the outer surface of the separator wall, and the coolant is output to the blind end of the electrode in the cavity between the inner surface of the separator wall and the outer surface of the hollow electrode wall.

2. The arc plasma torch according to claim 1, characterized in that at the end of the separator adjacent to the open end of the hollow electrode, a swirl of coolant is made.

3. The arc plasma torch according to claim 1, characterized in that the contacting surface of the open end of the hollow electrode is made in the form of a threaded part.

4. The arc plasma torch according to claim 1, characterized in that the gas swirl is made in the form of a ring with tangential through holes, the holes being made with a conical section located at the gas inlet on the outer surface of the swirl wall and a cylindrical section located at the outlet gas from the side of the inner surface of the wall of the swirl, and the length of the cylindrical section is made in the range of 2.0-2.5 diameters of the hole of the cylindrical section.