RU862463C

RU862463C - Device for multi-arc plasma tretment of materials

Info

Publication number: RU862463C
Authority: RU
Inventors: В.С. Клубникин; Ю.П. Кудрявцев
Original assignee: Клубникин Валерий Степанович; Кудрявцев Юрий Павлович
Priority date: 1979-11-29
Filing date: 1979-11-29
Publication date: 1994-09-15

Description

Изобретение относится к устройствам для плазменной обработки материалов (например, для напыления, наплавки, сфероидизации и т.п.), а более конкретно к устройствам, обеспечивающим стабилизацию горения дуг в плазматронах. Оно может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства в процессах сварки, резки, наплавки, обработки порошков и т.п. The invention relates to devices for plasma processing of materials (for example, for spraying, surfacing, spheroidization, etc.), and more particularly to devices for stabilizing the burning of arcs in plasmatrons. It can be used in various sectors of the national economy in the processes of welding, cutting, surfacing, powder processing, etc.

Известны различные устройства, в которых на общую камеру смешения или реактор для обработки материалов установлено несколько идентичных однодуговых плазматронов с электродными узлами. Кроме того, имеются плазматроны с межэлектродными вставками, установленными между электродными узлами. Various devices are known in which several identical single-arc plasmatrons with electrode assemblies are mounted on a common mixing chamber or reactor for processing materials. In addition, there are plasmatrons with interelectrode inserts installed between the electrode assemblies.

Известно устройство для обработки материалов, содержащее несколько идентичных плазматронов, каждый из которых имеет электродные узлы и сопла, причем плазматроны подключены параллельно к источнику питания. A device for processing materials is known, containing several identical plasmatrons, each of which has electrode assemblies and nozzles, the plasmatrons being connected in parallel to a power source.

Среди недостатков этого устройства можно отметить сложность конструкции и зажигания дуги, особенно при использовании плазматронов с секционированной межэлектродной вставкой. Кроме того, при напылении порошковых материалов требуются плазменные аппараты с высокоскоростными газовыми потоками. Такие потоки формируют при малых углах между осями плазматронов и осью плазменного аппарата. Однако указанные устройства в этом случае существенно усложняют конструкцию аппарата. Among the disadvantages of this device can be noted the complexity of the design and ignition of the arc, especially when using plasmatrons with a sectioned interelectrode insert. In addition, when spraying powder materials, plasma devices with high-speed gas flows are required. Such flows form at small angles between the axes of the plasmatrons and the axis of the plasma apparatus. However, these devices in this case significantly complicate the design of the apparatus.

Известно устройство для многодуговой плазменной обработки материалов, содержащее несколько входных электродов (входным электродом считают электрод, со стороны которого подается плазмообразующий газ) и установленные между ними и соплом изолированные одна от другой межэлектродные вставки, каждая из которых выполнена с отверстием для образования каналов для формирования дуги. A device for multi-arc plasma processing of materials is known, containing several input electrodes (the input electrode is considered to be the electrode from which plasma-forming gas is supplied) and inter-electrode inserts are installed between them and the nozzle, each of which is made with an opening for forming channels for forming an arc .

Конструкция известного устройства позволяет изменять длину для формирования дуги без изменения поперечных размеров межэлектродных вставок. Число каналов может быть практически любым и они могут быть расположены под любым углом один к другому, а также к общему каналу. The design of the known device allows you to change the length for the formation of the arc without changing the transverse dimensions of the electrode inserts. The number of channels can be almost any and they can be located at any angle to one another, as well as to the common channel.

Недостатками устройства являются его относительно сложная конструкция и большие габариты, так как в таком устройстве каналы для формирования дуги расположены далеко один от другого и сближение их ограничено размерами самих межэлектродных вставок, а также большие потери в области сопла, что снижает КПД устройства. The disadvantages of the device are its relatively complex design and large dimensions, since in such a device the channels for forming the arc are located far from each other and their rapprochement is limited by the dimensions of the interelectrode inserts themselves, as well as large losses in the nozzle region, which reduces the efficiency of the device.

Целью изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение его КПД путем снижения потерь тепла в области сопла. The aim of the invention is to simplify the design of the device and increase its efficiency by reducing heat loss in the nozzle area.

Это достигается тем, что в устройстве для многодуговой плазменной обработки материалов, содержащем несколько входных электродов, подключенных параллельно к источнику питания, и установленные между ними и соплом изолированные одна от другой межэлектродные вставки, каждая из которых выполнена с отверстием для образования каналов для формирования дуги, в каждой межэлектродной вставке выполнены дополнительные отверстия, а общее число отверстий во вставке равно числу входных электродов. This is achieved by the fact that in a device for multi-arc plasma processing of materials containing several input electrodes connected in parallel to a power source, and inter-electrode inserts isolated from each other and installed between them and the nozzle, each of which is made with an opening for forming channels for forming an arc, additional intakes are made in each interelectrode insert, and the total number of holes in the insert is equal to the number of input electrodes.

На фиг.1 схематически изображено устройство для многодуговой плазменной обработки материалов с двумя каналами для формирования дуги; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1. Figure 1 schematically shows a device for multi-arc plasma processing of materials with two channels for forming an arc; figure 2 is a section aa in figure 1.

Устройство для многодуговой плазменной обработки содержит входные электроды (катоды) 1 и 2, через балластные сопротивления 3 и 4 параллельно подключенные к минусу источника питания 5. К плюсу источника питания 5 подключено общее сопло-анод 6. Между входными электродами (катодами) 1 и 2 и соплом-анодом 6 установлены межэлектродные вставки 7, в каждой из которых выполнены два отверстия 8 и 9, образующие в сборе каналы 10 и 11 для формирования сжатой дуги и для ее стабилизации, а также отверстие 12 для подачи материала, например в виде порошка, используемого для напыления покрытия или наплавки. Межэлектродные вставки 7 изолированы одна от другой и от электродов изолирующими прокладками 13. На выходе устройства установлено формирующее сопло 14. A device for multi-arc plasma processing contains input electrodes (cathodes) 1 and 2, through ballasts 3 and 4 connected in parallel to the minus of the power source 5. To the plus of the power source 5 is connected a common nozzle-anode 6. Between the input electrodes (cathodes) 1 and 2 and the anode nozzle 6 has interelectrode inserts 7, in each of which two openings 8 and 9 are made, which assembled channels 10 and 11 for forming a compressed arc and for its stabilization, as well as an opening 12 for supplying material, for example in the form of a powder, use of sputtering coating or surfacing. Interelectrode inserts 7 are isolated from one another and from the electrodes by insulating spacers 13. A forming nozzle 14 is installed at the output of the device.

Многодуговой плазменный аппарат работает следующим образом. Перед зажиганием электрических дуг первая от входных электродов 1 и 2 межэлектродная вставка 7 соединяется с соплом-анодом 6 (на чертежах не показано). Затем после подачи плазмообразующего газа (показано стрелками) между каждым электродом (катодом) 1 и 2 и этой первой межэлектродной вставкой 7 возбуждаются вспомогательные (дежурные) электрические дуги. Величину балластных сопротивлений 4 и 3 выбирают из расчета устойчивой работы параллельно включенных электрических дуг. При достижении стабильного горения вспомогательных дуг первую межэлектродную вставку 7 отключают от сопла-анода 6. Это приводит к возникновению основных электрических дуг в каналах 10 и 11 и к формированию суммарной сжатой дуги 15. После этого через отверстия 12 всех межэлектродных вставок 7 в область суммарной дуги 15 подают материал, например, в виде порошка. Multi-arc plasma apparatus operates as follows. Before ignition of the electric arcs, the first interelectrode insert 7 from the input electrodes 1 and 2 is connected to the anode nozzle 6 (not shown in the drawings). Then, after the plasma-forming gas is supplied (shown by arrows), auxiliary (standby) electric arcs are excited between each electrode (cathode) 1 and 2 and this first interelectrode insert 7. The value of ballast resistances 4 and 3 is selected from the calculation of the stable operation of parallel connected electric arcs. When stable burning of auxiliary arcs is achieved, the first interelectrode insert 7 is disconnected from the anode nozzle 6. This leads to the appearance of the main electric arcs in the channels 10 and 11 and to the formation of the total compressed arc 15. After that, through the holes 12 of all interelectrode inserts 7 into the region of the total arc 15 serves material, for example, in the form of a powder.

Предлагаемое устройство за счет упрощения его конструкции позволяет значительно улучшить характеристики формируемых сжатых дуг. Так, угол между каналами для формирования дуги может быть уменьшен до нуля, а отверстия во вставках могут быть приближены к отверстию для подачи напыляемого или наполняемого материала на сколь угодно малое расстояние. Это значительно уменьшает искривление линий потока газа при переходе от каналов для формирования дуги к общему формирующему соплу, поэтому потери скоростного напора в области зоны смещения сжатых дуг близки к нулю. Кроме того, за счет уменьшения пульсаций потока газа при формировании зоны смещения создаются условия для снижения потерь тепла в области общего сопла, поэтому КПД устройства близок к КПД однодугового плазматрона. The proposed device due to the simplification of its design can significantly improve the characteristics of the generated compressed arcs. So, the angle between the channels for forming an arc can be reduced to zero, and the holes in the inserts can be close to the hole for feeding the sprayed or filled material to an arbitrarily small distance. This significantly reduces the curvature of the gas flow lines during the transition from the channels for arc formation to the common forming nozzle; therefore, the pressure head losses in the region of the displacement zone of the compressed arcs are close to zero. In addition, by reducing the pulsations of the gas flow during the formation of the displacement zone, conditions are created to reduce heat loss in the region of the common nozzle; therefore, the efficiency of the device is close to the efficiency of a single-arc plasmatron.

Экспериментальные исследования проводили на устройстве тремя каналами для формирования дуги. Угол между общей осью устройства и осью каждого канала составлял 15^о, внутренний диаметр каждого канала 5 мм. Длина электрической сжатой дуги в каждом канале составляла 3,5 см. Исследования проводили с использованием аргона при расходе его через каждый канал 0,8-1,2 г/с. Ток каждой сжатой дуги изменялся от 40 до 120 А, а суммарный ток общей дуги от 120 до 360 А, при этом падение напряжения изменялось от 70 до 120 В. КПД устройства составлял ≈ 75%, при этом на токах выше 90 А для каждой сжатой дуги (суммарный ток 270 А) устройство работало без балластных сопротивлений. Устройство для многодуговой плазменной обработки было применено для напыления покрытий из окиси алюминия. В качестве напыляемого материала был взят порошок глинозема с основной фракцией 40-80 мкм. При плазменном напылении формировалась компактная плазменная струя, а полученные покрытия имели высокие адгезионные характеристики, зарастания сопла не наблюдалось.Experimental studies were carried out on the device with three channels for arc formation. The angle between the common axis of the device and the axis of each channel was 15 ^about , the inner diameter of each channel 5 mm The length of the compressed electric arc in each channel was 3.5 cm. Studies were carried out using argon at a flow rate of 0.8-1.2 g / s through each channel. The current of each compressed arc varied from 40 to 120 A, and the total current of the common arc from 120 to 360 A, while the voltage drop varied from 70 to 120 V. The efficiency of the device was ≈ 75%, while at currents above 90 A for each compressed arc (total current 270 A) the device worked without ballast resistances. A multi-arc plasma treatment device has been used to spray aluminum oxide coatings. Alumina powder with a basic fraction of 40-80 microns was taken as the sprayed material. In plasma spraying, a compact plasma jet was formed, and the resulting coatings had high adhesion characteristics; nozzle overgrowing was not observed.

Предлагаемое устройство для обработки материалов за счет упрощения конструкции позволяет значительно улучшить характеристики формируемой сжатой дуги и повысить эффективность технологического процесса нанесения покрытия. The proposed device for processing materials by simplifying the design can significantly improve the characteristics of the formed compressed arc and increase the efficiency of the coating process.

Мощность сжатой дуги можно регулировать в широких пределах за счет разного количества параллельно работающих входных электродов без значительного изменения размеров устройства и за счет изменения длины каналов для формирования дуги без изменения поперечных размеров межэлектродных вставок. The power of the compressed arc can be regulated within wide limits due to the different number of input electrodes operating in parallel without significant changes in the size of the device and by changing the length of the channels for forming the arc without changing the transverse dimensions of the electrode inserts.

Повышается стабильность технологического процесса, так как незначительное искривление линий газового потока в зоне смешения значительно уменьшает выброс на периферию обрабатываемого материала. Это обеспечивает высокий коэффициент использования обрабатываемого материала, особенно при сфероидизации. The stability of the process increases, since a slight curvature of the gas flow lines in the mixing zone significantly reduces the emission to the periphery of the processed material. This provides a high utilization of the processed material, especially with spheroidization.

Устройство просто в эксплуатации. The device is easy to operate.

Указанные технико-экономические показатели предлагаемого устройства для многодуговой плазменной обработки позволяют поднять производительность технологических процессов и повысить качество изделий. These technical and economic indicators of the proposed device for multi-arc plasma processing can increase the productivity of technological processes and improve the quality of products.

Claims

DEVICE FOR MULTI-ARC PLASMA TREATMENT OF MATERIALS, containing several input electrodes connected in parallel to the power source and interconnected electrode inserts installed between them with a nozzle, each of which is made with an opening for forming channels for forming an arc, characterized in that, with In order to simplify the design of the device and increase the efficiency of the device by reducing heat loss in the nozzle area, additional holes are made in each interelectrode insert, and the total The number of holes in the insert is equal to the number of input electrodes.