SE447076B - Ickesmeltande ljusbagselektrod - Google Patents

Description

447 076 En ickesmältande elektrod, företrädesvis en katod, är känd (jäm- för exempelvis den amerikanska patentskriften 3 198 932), vilken katod är avsedd för arbete i olika plasmaalstrande medier.

Denna ickesmältande elektrod består av en vattenkyld elektrodhâl- lare med en däri infäst mantel av koppar, i vilken är infäst, exempelvis genom lödning eller pressning, ett aktivt insatsstyc~ ke, som har formen av en cylindrisk stång.

När det aktiva insatsstycket har denna form, arbetar den ickesmäl- tande elektroden stabilt och funktionssäkert vid en bågström av högst 300 A. Om denna strömstyrka överstiges, överhettas elektro- den till en temperatur överstigande den tillåtna gränstemperaturen, vilket resulterar i att elektroden sönderdelas.

Den kända ickesmältande elektrodens funktionsduglighet eller drift- säkerhet kan ökas genom ökning av den kylda ytan hos det inre hål- rummet i manteln.

Ytterligare en ickesmältande elektrod är känd (jämför exempelvis det sovjetiska uppfinnarcertifikatet 420 222), vilken elektrod be- *står av ett vattenkylt, elektriskt ledande hus, i vilket är infäst en mantel av material med hög värmeledningsförmåga med ett i man- teln infäst aktivt insatsstycke med cylindrisk form. Mantelns vat- tenkylda yta har formen av en parabel.

Genom att mantelns vattenkylda yta är parabelformad, kyles den in- tensivare, vilket resulterar i att det aktiva insatsstycket bort- brännes långsammare, livslängden för det aktiva insatsstycket blir större och elektrodens driftsäkerhet ökar.

En ökning av ytan hos de partier av manteln, som ligger närmast värmebortledningsytan och står under de förhållanden, som är nära de kritiska förhållandena med avseende på tätheten för värmeflö- det i riktning mot kylvätskan, resulterar emellertid i en minskning av denna kända ickesmältande elektrods funktionssäkerhet.

Samtliga kända ickesmältande elektroder uppvisar låg värmestabili- tet och kan användas för plasmaskärning i luftström vid en ström- styrka av högst 300 A.

Den ickesmältande elektrodens värmestabilitet karakteriseras i det- 447 076 ta fall av ett gränsvärmeflöde, dvs den sammanlagda värmemängd, som tillföres den ickesmältande elektroden och som denna elektrod kan motstå vid flerdubbla inkopplingar utan att den förstöres.

Den ickesmältande elektrodens värmestabilitet kan ökas genom ök- ning av kontaktytan mellan det aktiva insatsstycket och den kylda manteln.

En katod för en likströmsplasmabrännare är vidare känd (jämför exempelvis den österrikiska patentskriften 271 653), vilken katod innefattar dels en elektrodhâllare, dels en i densamma infäst man- tel, varvid elektrodhållaren och manteln är framställda av värme- ledande och elektriskt ledande material och försedda med ett gemen- samt hålrum för kylvätsketillförseln till elektrodhållaren och man- teln, och dels ett aktivt, i manteln stelt infäst insatsstycke i form av en stympad kon, vars basyta är vänd mot kylhâlrummet och försedd med en fördjupning, som har formen av en kon, vars skarpa spets är vänd mot den del av ljusbâgen, som är belägen i närheten av elektroden och som gränsar till insatsstycket.

Då det aktiva insatsstycket i form av en stympad kon användes, upp- när man - förutom ökning av kontaktytan mellan insatsstycket och den kylda manteln - samtidigt en ytterligare positiv effekt, som består i att de mest värmebelastade (vad beträffar de värmepåkän- ningar, som skall upptas) delarna av mangelns vattenkylda yta av- skärmas av det aktiva insatsstycket, som utvidgar sig i riktning . mot denna yta, varvid insatsstycket alltid uppvisar låg värmeled- ningsförmåga jämfört med mantelmaterialet.

En ökning av de radiella dimensionerna hos det aktiva insatsstyc- ket minskar emellertid kyleffektiviteten för det aktiva insatsstyc- kets centrumdel till följd av att konen utvidgar sig. För att kun- na kompensera denna effekt är den yta på insatsstycket, som är vänd mot kylhâlrummet, försedd med en fördjupning i form av en kon, u vars skarpa spets är vänd mot den del av ljusbâgen, som ligger i närheten av elektroden och som gränsar till insatsstycket.

Förekomsten av denna fördjupning leder till en minskning av avstån- det (längs normalen mot ytan) mellan den anliggningsyta hos det om- råde av ljusbågen, som ligger i närheten av elektroden, vilken prak- 447 076 tiskt taget upptar hela värmeflödet från ljusbâgen, och manteln, samt till en samtidig ökning av kontaktytan mellan insatsstycket och manteln.

Det är allmänt känt, att vid en sådan form hos fördjupningen alst- ras - på grund av förekomsten av den skarpa spetsen - kring spet- sen ett omrâde, där höga temperaturgradienter och höga, av dessa gradienter förorsakade, mekaniska spänningar uppträder, vilket re- sulterar i ëtbinsatsstycket förstöres snabbare under elektrodens arbetsförlopp, speciellt då elektroden arbetar med upprepade kort- variga inkopplingar vid plasmaskärning, svetsning och liknande tek- niska förlopp.

Det huvudsakliga syftet med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en ickesmältande elektrod för genomförande av bågförlopp, vid vilken fördjupningen i det aktiva insatsstycket är så utformad, att värmeflödet är fördelat mer likformigt över den kylda ytan i hålrummet och över den yta av det aktiva insatsstycket, som är vänd mot hålrummet, vilket är avsett att matas med en kylvätska, varvid detta resulterar ien ökning av elektrodens funktionsduglighet vid arbete med bâgströmmar överstigande 500 A.

Detta uppnås medelst en ickesmältande elektrod för genomförande av bâgförlopp, vilken elektrod innefattar dels ett hus av värmeledan- de och elektriskt ledande material och försett med ett utrymme för inmatning av en kylvätska däri och dels ett aktivt insatsstycke, som är stelt infäst i husets arbetsyta och är utformat som en stym- pad kon, vars basyta är vänd mot det kylande utrymmet och försedd med en fördjupning, kännetecknad av att fördjupningen har formen av ett kulsegment.

Genom att fördjupningen har formen av ett kulsegment, kan man eli- minera det omrâde, där temperaturgradienter och av desamma föror- sgëge höga mekaniska spänningar är koncentrerade, vilket bidrar till en mer likformig, värmeflödesfördelning över ytan i det kylande utrymmet samt över den yta i det aktiva insatsstycket, vilken är vänd mot hålrummet.

Det är lämpligt, att parametrarna hos kulsegmentet bestämmes av höjden på könen, som bildar det aktiva insatsstycket, samt av dia- metern hos konens toppyta enligt följande samband: 447 076 = 0,3 - 0,7; D + 2H > d > 0,8D, MIU där H är höjden pâ det aktiva insatsstycket, h är kulsegmentets höjd, D är diametern hos konens toppyta som är vänd mot ljusbågen och d är diametern hos kulsegmentets basyta.

Ovanstående gränser för dimensionsförhällandet mellan kulsegmentet och det aktiva insatsstycket härrör från följande, genom försök bekräftade, överväganden.

Om kulsegmentets höjd understiger 0,3 av konens höjd och diametern hos kulsegmentets basyta understiger 0,8 av diametern hos konens toppyta, blir kontaktytan mellan manteln av koppar med hög lednings- förmåga och det aktiva insatsstycket liten, vilket resulterar i en ineffektiv kylning av det aktiva insatsstycket.

Den mest värmeflödestäthetsbelastade ytan i det aktiva insatsstyc- ket över den del av ljusbâgen, som ligger i närheten av elektroden och som gränsar till insatsstycket, dvs konens toppyta, överhettas därför till en temperatur överstigande den tillåtna temperatur, som bestämmes aÖ°smältpunkten för det material, varav det aktiva insatsstycket är framställt (3700°C för grafit).

Detta resulterar i att det aktiva insatsstycket av grafit bortbrän- nes, den ickesmältande elektrodens stabila funktion störes, värme- pâkänningen på elektroden ökar och denna förstöres.

Om kulsegmentets höjd är större än 0,7 av det aktiva insatsstyckets höjd, uppfylles kylbetingelserna för insatsstycket med hänsyn till högsta möjliga tillåtna temperatur. Temperaturen hos kontaktytan mellan manteln eller huset och insatsstycket blir emellertid hög- re än smältpunkten för mantelmaterialet (1083°C för koppar), på grund av att avståndet mellan kylvätskan och kontaktytan är stort och att kontaktytan ligger nära den del av ljusbâgen, vilken är belägen i närheten av elektroden och gränsar till insatsstycket. Detta re- sulterar i en minskning av elektrodens mekaniska hâllfasthet, vari- genom elektroden blir funktionsoduglig.

Det är klart, att den största diametern hos kulsegmentets basyta är begränsad av diametern hos den yta av det aktiva insatsstycket, som är vänd mot kylhâlrummet, dvs konens toppyta. 4479 076 Man har genom försök kunnat konstatera, att en vinkel u vid ko- nens basyta lämpligen är lika med 45-60°, vilket med andra ord in- nebär att den största diametern d hos kulsegmentets basyta inte får överstiga D + 2H.

Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till bifoga- de ritning, pâ vilken fig. 1 schematiskt visar ett längdsnitt ge- nom en ickesmältande elektrod enligt uppfinningen och fig. 2 sche- matiskt i förstorad skala visar ett aktivt insatsstycke enligt upp- finningen.

Den i fig. 1 visade utföringsformen av en ickesmältande elektrod enligt uppfinningen för genomförande av bâgförlopp består av ett vattenkylt hus 1 (fig. 1) och en i huset 1 infäst vattenkyld man- tel 2, som är framställd av värme- och elektriskt ledande material, i regel koppar med hög renhetsgrad.

För att kunna kyla den ickesmältande elektroden är i huset 1 och manteln 2 upptagna ett centrumhålrum 3 och ett sidohâlrum 4, vilka är koaxiella med varandra och inte är förbundna med varandra.

En kylvätska'är avsedd att inmatas i centrumhålrummet 3 genom en rörstuts 5 och att avledas genom ett hâlrum 6 och en rörstuts 7.

Kylvätskan inmatas i sidohâlrummet 4 genom en rörstuts 8 och bort- föres genom ett hâlrum 9 och en rörstuts 10.

I manteln 2 är tätt infäst, exempelvis genom inpressning eller löd- ning, ett aktivt insatsstycke 11 i form av en stympad kon, vars basyta är vänd mot kylhâlrummen 3 och 4, som bildar det kylande ut- Illmmêt.

Basytan på konen, som bildar insatsstycket 11 (fig. 2), är försedd med en fördjupning 12, som har formen av ett kulsegment.

H och D betecknar höjden på konen, som bildar insatsstycket 11 respektive diametern.hos konens toppyta. h och d betecknar höjden respektive diametern hos basytan av den kulsegmentsformade fördjupningen 12. a är vinkeln vid konens basyta. 447 076 En elektrisk strömkällas 13 minuspol är ansluten till huset 1, medan dess pluspol är ansluten till en anod 14, som är försedd med ett hålrum 15 för kylning därav.

Kanaler 16, vilka är upptagna i en hylsa 17 av värmeledande och elektriskt ledande material, är avsedda för inmatning av en plasma- alstrande blandning i ett mellanrum mellan elektroderna (en båg- sträcka).

Elektroden enligt uppfinningen fungerar på följande sätt.

Kylvattnet inmatas genom rörstutsarna 5 och 8 i centrumhâlrummet 3 respektive sidohålrummet 4 för kylning av huset 1 resp. manteln 3.

Kylvattnet inmatas i centrumhålrummet 3 2-3 gånger mindre snabbt än i sidohálrummet 4.

Vattnet avledes från centrumhâlrummet 3 genom hålrummet 6 och rör- stutsen 7. Från sidohâlrummet 4 avledes vattnet genom hålrummet 9 och rörstutsen 10.

För att kyla anoden inmatas kylvätska i hâlrummet 15.

Den plasmaalstrande gasblandningen inmatas genom hylsans 17 kanaler 16 i utrymmet mellan elektroderna. Sedan strömkällan 13 inkopplats, alstras en ljusbåge.

Genom att den yta av det aktiva insatsstycket 11, som är vänd mot det kylande utrymmet, är försedd med fördjupningen 12 i form av ett kulsegment, förbättras kylbetingelserna för insatsstycket 11, var- vid elektroden fungerar utan att det bortbrännes samt utan att smältpunkten för det vattenkylda mantelmaterialet överstiges.

För att bestämma inverkningen av kulsegmentets parametrar på för- delningsmönstret för maximitemperaturer samt på högsta möjliga tem- peratur i den ickesmältande elektroden har man genomfört en under- sökning.

I följande tabell redovisas de temperaturer vid insatsstyckets 11 typiska punkter, vilka uppmätta vid användning av den ickesmältan- de elektroden som katod för âstadkommande av en likströmsbâge vid en strömstyrka av 1000 A i ett plasmaalstrande medium, bestående av naturgas och koldioxid. Värmeavgivningstalet (mot kylvattnet) 447 076 är 2.105 w/m2 °c.

För att bestämma tillståndet hos katoden använder man två typiska, mest värmebelastade punkter, dvs en punkt A (fig. 2), som ligger i centrumet för den arbetsyta-hos insatsstycket 11, som gränsar till det område av ljusbågen som ligger i närheten av elektroden, och en punkt C, som ligger-vid spetsen hos fördjupningens 12 kul- segment.

De i tabellen redovisade värdena har erhållits för en katod, vars aktiva insatsstycke har följande dimensioner: insatsstyckets höjd H = 3.10-3 m, diametern D hos toppytan på konen, som bildar insatsstycket, = -3 2.10 m.

Parametrarna hos kulsegmentet visas i relativa enheter i följande tabell: Tabell Parametrar Utf~ - hos kul_ oringsform segmentet l 2 3 4 5 6 7 h=0,35H 'h=0,65H h=0,5H h=0,5H h=0,25H h=0,75H h=O,SH d=l0,5D d=l0,5D d;0,85D d=D d;l,05D d=l,05D d=0,75D Temperatur vid typis- ka punkter, °c TA _ 3680 3520 3680 3640 3730 3480 3710 Tc sao 1070 820 830 490 1095 eos _Av tabellen framgår, att temperaturen vid punkten A - i de fall villkoret h > 0,3H eller d > 0,8D (exempel 5, 7) inte uppfylles - blir högre än smältpunkten för grafit (3700°C), varigenom det akti- va insatsstycket 11 bortbrännes, vilket förhindrar att katoden fun- gerar under de gynnsammaste driftförhâllandena för kontinuerlig för- nyelse från det plasmabildande mediet.

Om villkoret h < 9,7H (exempel 6) inte uppfylles, blir temperaturen vid punkten C högre änsmältpunkten för koppar (koppars smältpunkt är 108300), vilket resulterar i mekanisk förstörelse av katoden. (7 447 076 I de fall villkoret h = 0,3H - 0,7H uppfylles (exempel 1-4), överstiger de vid punkterna A och C uppträdande temperaturerna ej den tillåtna högsta temperaturen för de material, som det akti- va insatsstycket 11 och manteln 3 är framställda av.

Nedan beskrives några få exempel på provning av den ickesmältan- de elektroden vid genomförande av olika bâgförlopp under olika för- hâllanden.

Exempel 1 För plasmasvetsning i en blandning av CH4 och C02 användes den i fig. 1 visade ickesmâltande elektroden, som emellertid saknar det extra koaxiella hålrummet 9 för sidokylning. Provningen sker un- der följande förhållanden: Den plasmaalstrande blandningen består av metan och koldioxid Strömstyrka 500 A Gasblandningens flödeshastighet 1500 liter/h Vattenförbrukning i centrumkylhàlrummet 200 g/s De geometriska parametrarna är: det aktiva insatsstyckets höjd 3.10-3m diameter hos insatsstyckets toppyta 2,2.10_3 m diameter hos insatsstyckets basyta 5,2.10_3 m kulsegmentets höjd 10-3 m diameter hos kulsegmentets basyta 2.10_3 m.

De vid provningen erhållna resultaten visar, att katoden fungerar stabilt utan att det aktiva insatsstyckets geometriska parametrar ändras, samtidigt som värmeflödet mot katoden är konstant och li- ka med 1,2 kW.

Exempel 2 För alstrande av en reducerande atmosfär av metan och koldioxid användes en s.k. plasmatron (en anordning för åstadkommande av en plasmabåge) med den ickesmältande, i fig. 1 visade katoden utan det extra koaxiella hålrummet 9 för sidokylning. Provningen genom- föres under följande förhållanden: Den plasmaalstrande blandningen består av naturgas och koldioxid Strömstyrka 800 A Gasblandningens flödeshastighet ' 5000 liter/h 447 076 10 Vattenflödeshastighet i centrum- kylhâlrummet 300 g/s De geometriska parametrarna är: det aktiva insatsstyckets höjd 3.10-3 m diameter hos insatsstyckets toppyta 2,2.10-3 m diameter hos insatsstyckets basyta 5,2;10-3 m kulsegmentets höjd_ 1,5.10-3 m diameter hos kulsegmentets basyta 3,5.10_3 m.

De vid provningen erhållna resultaten visar, att katoden fungerar stabilt utan att insatsstyckets geometriska parametrar ändras, samtidigt som värmeflödet mot katoden är konstant och lika med 3,2 kW.

Exemgel_§ För plasmaskärning användes en s.k. plasmatron med den ickesmältan- de, i fig. 1 visade katoden utan det extra koaxiella hâlrummet 9 för sidokylning av katoden.

Provningsförhâllandena är följande: Den plasmaalstrande blandningen består av naturgas och luft Strömstyrka 500 A Gasblandningens flödeshastighet 6000 liter/h Vattenflödeshastighet i centrum- kylhâlrummeta 450 g/s De geometriska fiarametrarna är: det aktiva insatsstyckets höjd 4.10_3 m diameter hos insatsstyckets toppyta 2,2.10_3 m diameter hos insatsstyckets basyta 6,5.10_3 m kulsegmentets höjd 2,6.10-3 m diameter hos kulsegmentets basyta 4,5.10_3 m.

Provningsresultaten visar, att katoden fungerar stabilt utan att det aktiva insatsstyckets geometriska parametrar ändras, samtidigt som värmeflödet mot katoden är konstant och lika med 2 kW.

Genom att den yta på det aktiva insatsstycket, vilken är vänd mot kylhàlrummet, är försedd med fördjupningen i form av ett kulseg- ment, kan man alltså, å ena sidan, förbättra kylbetingelserna för det aktiva insatsstyckets centrumdel genom minskning av avståndet från insatsstyckets arbetsyta till den vattenkylda manteln, och, 447 076 11 å andra sidan, säkerställa en mer likformig temperaturfördelning över mantelns vattenkylda yta genom ökning av kontaktytan mellan manteln och insatsstycket.

Kulsegmentets parametrar påverkar således väsentligt temperatur- fördelningsbilden i det aktiva insatsstycket och i den vattenkylda manteln samt på högsta möjliga temperaturer i dessa mest värmebe- lastade konstruktionselement hos elektroden. Genom att på lämpligt sätt välja parametrarna hos kulsegmentet kan man säkerställa att elektroden fungerar utan att högsta möjliga temperaturer för det aktiva insatsstycket och manteln överstiges.

Uppfinningen gör det möjligt att öka den ickesmältande elektrodens värmebeständighet och funktionsduglighet vid höga värmepâkänningar.

Claims (2)

447 076 Patentkrav

1. Ickesmältande elektrod för genomförande av bâgförlopp, vilken elektrod innefattar dels ett hus (1) av värmeledande och elektriskt ledande material och försett med ett utrymme (3 resp. 6) för inmat- ning av en kylvätska däri och dels ett aktivt insatsstycke (11), som är stelt infäst i husets arbetsyta och är utformat som en stympad kon, vars basyta är vänd mot det kylande utrymmet och för- sedd med en fördjupning (12), k ä n n e t e c k n a d av att för- djupningen (12) har formen av etäkulsegment.

2. Elektrod enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att para- metrarna hos kulsegmentet bestämmas av höjden på konen, som bildar det aktiva insatsstycket (11), samt diametern hos konens toppyta, som är vänd mot bâgen, enligt följande samband: h = 0,3H - 0,7H; D + 2H > d > 0,8D, där' är konens höjd kulsegmentets höjd diametern hos konens toppyta IIUITE diametern hos kulsegmentets basyta. ff'