Електродуговий плазмотрон

1 Електродуговий плазмотрон, який містить послідовно встановлені водоохолоджуваний торцевий катод, електрично ізольовану з обох боків порожнисту міжелектродну вставку з кільцевим каналом, який сполучений з джерелом плазмоутворювального газу, порожнистий водоохолоджуваний анод, штуцер для підводу плазмоутворювального газу та завихрювачі цього газу, розташовані з обох боків міжелектродної вставки, який відрізняється тим, що штуцер для підводу плазмоутворювального газу безпосередньо підключений до кільцевого каналу у міжелектродній вставці, а завихрювачі ділять потік плазмоутворювального газу на дві частини і виконані на міжелектродній вставці у вигляді каналів, утворених багатозахідною різзю, що має виходи з обох боків міжелектродної вставки у зазори міжелектродна вставка-катод і міжелектродна вставка-анод, при цьому вказані зазори відкриваються у осьовий (дуговий) канал плазмотрона 2 Електродуговий плазмотрон за п 1, який відрізняється тим, що співвідношення довжини міжелектродної вставки і її діаметра вибране у межах 0,5-3 3 Електродуговий плазмотрон за п 1 або 2, який відрізняється тим, що співвідношення сумарного перерізу прохідних каналів, по яких проходить плазмоутворювальний газ, що виходять у зазор міжелектродна вставка-катод, і сумарного перерізу прохідних каналів, що виходять у зазор міжелектродна вставка-анод, вибране у межах 1-5 Винахід відноситься до конструкції електродугових плазмотронів з міжелектродними вставками (МЕВ), призначених для нанесення покриттів або плазмового загартування у важкодоступних місцях, наприклад, для нанесення захисних покриттів на внутрішні поверхні труб, діаметр яких у СВІТЛІ сумірний з дистанціями, прийнятими для напилення (100-ЗООмм) Плазмотрони для цих потреб повинні задовільняти двом важко сумісним вимогам мати високу питому потужність та (разом з комунікаціями для підводу плазмоутворюючого газу, напилюваного порошку, підводу та відводу холодоагенту) бути малогабаритними і зручними у роботі Роздільне виконання цих вимог не уявляє особливих труднощів Наприклад, ВІДОМІ однокамерні плазмотрони (див Жуков М Ф , Смоляков В В , Урюков Б А Електродугові нагрівачі газу (плазмотрони) М Наука, 1973, с 16), які мають корпус, стержньо вий катод, трубчатий анод та штуцер для подачі плазмоутворюючого газу через завихрювач у камеру між катодом та трубчатим анодом Осьовий габарит такого плазмотрону лімітується довжиною дуги, що самовстановлюється при заданих вхідних параметрах (струму дуги, витратах та складу плазмоутворюючого газу і інтенсивності вихору) Підвищення питомої потужності таких плазмотронів може бути досягнуто за рахунок зростання струму та напруги на дузі, що пов'язано з подовженням самовтановлюваної дуги, нестабільністю її горіння та зростанням осьового габариту Просторова стабілізація стовпа дуги та фіксація и середньої довжини були досягнуті в електродугових плазмотронах з МЕВ (див Жуков М Ф Електродугові генератори з міжелектродними вставками - Новосибірськ Наука, 1981, с 137) У таких плазмотронах практично у всіх випадках є контури водяного охолодження електродів та МЕВ О 1^ ю 57171 Однак, подовження МЕВ (наприклад, виконання її багатосекційною, про що можна прочитати там же) поступово призводить до зворотнього ефекту (зростанню осьового габариту при зменшенні питомої потужності), оскільки це потребує інтенсивного охолодження електродів і МЕВ у кожній секції Тепловий ККД електродугових плазмотронів з МЕВ зменшується до рівня, характерного для традиційних плазмотронів, при використанні в якості холодоагенту води і навіть газів від зовнішнього джерела (див Жуков МФ та ІНШІ Електродугові генератори з міжелектродними вставками Наука, Сибірське відділення, Новосибірськ, 1981,с 141) Окрім того, з подовженням МЕВ суттєво збільшуються осьовий габарит та КІЛЬКІСТЬ шлангів для підводу свіжого та відводу нагрітого холодоагенту, а надійність роботи плазмотрона знижується Проте, електродугові плазмотрони з МЕВ найбільш перспективні для вирішення задачі напилення покриттів високої якості з відтворюваними властивостями, у тому числі у важкодоступних МІСЦЯХ Із числа відомих плазмотронів (плазмових пальників) такого типу до запропонованого по технічній сутності та досягаемому ефекту найбільш близький електродуговий плазмотрон ("Плазмовий пальник") по ас СРСР №1179905Мкл4 Н05Н 1/24 (ДСВ, прототип), Такий плазмотрон містить послідовно встановлені водоохолоджувач и й торцевий катод, електрично ізольовану з обох боків порожнисту МЕВ з кільцевим (що сполучається з джерелом плазмоутворюючого газу) каналом, порожнистий водоохолоджуваний анод, завихрювані, розміщені з обох боків МЕВ, та штуцер для підводу плазмоутворюючого газу, підключений до зазору між катодом та МЕВ таким чином, що більша частина газу, яка пройшла через завихрювач, виходить до осьового (дугового) каналу зразу, а менша частина проходить через кільцевий канал МЕВ і звідти через другий завихрювач також надходить у осьовий (дуговий) канал Ці розгалужені потоки плазмоутворюючого газу служать для вихорової стабілізації стовпа дуги по всій довжині каналу, фіксації и середньої довжини і швидкого вирінювання параметрів потоку плазми за зоною прив'язки анодної опорної плями дуги Граничне значення питомої потужності такого плазмового пальника (ВІДПОВІДНО теплозмісту струмини плазми) обмежено - при заданому струмі (максимальний рівень 300 А з цирконієвою вставкою та 400 А з гафнієвою вставкою) підвищення напруги за рахунок подовження МЕВ можливо до того моменту, коли КІЛЬКІСТЬ виділяючого тепла у дузі на одиницю довжини зрівняється з локальними витратами у стінку МЕВ Жорстка стабілізація стовпа дуги на ДІЛЬНИЦІ МЕВ у даній конструкції плазмового пальника потребує підвищенної довжини осьового каналу втулки порожнистого аноду для ефективного перемішування пристінного холодного та приосьового гарячого газів і вирівнювання параметрів плазми на зрізі сопла Таким чином, робота на режимах близьких до граничних (з рівнем питомої потужності 8-9кВт-г/нм ) примушує конструкторів та експлуатаційників суттєво збільшувати осьовий габарит (до 50% від розраху нкового) Основною задачею винаходу являється підвищення питомої потужності плазмотрону при скороченні його осьового габариту Вона вирішується за рахунок безпосереднього підключення плазмоутворюючого газу до системи охолодження МЕВ, оптимальних співвідношень довжини МЕВ до її діаметру та сумарного перерізу прохідних каналів, по яким проходить плазмоутворюючий газ, що виходить у зазор МЕВ-катод до сумарного перерізу прохідних каналів, що виходять у зазор МЕВанод Поставлена задача досягається за рахунок того, що в електродуговому плазмотроні, який включає послідовно встановлені водоохолоджувальний торцевий катод, електрично ізольовану з обох боків порожнисту міжелектродну вставку з кільцевим каналом, який сполучається із джерелом плазмоутворюючого газу, порожнистий водоохолоджувальний анод, штуцер для підводу плазмоутворюючого газу та завихрювачі цього газу, розташовані з обох боків міжелектродної вставки, згідно винаходу штуцер для підводу плазмоутворюючого газу безпосередньо підключено до кільцевого каналу у міжелектродній вставці, а завихрювачі ділять потік плазмоутворюючого газу на дві частини і виконані на міжелектродній вставці у вигляді каналів, утворених багатозахідною різьбою, що має виходи з обох боків міжелектродної вставки у зазори міжелектродна вставка - катод і міжелектродна вставка - анод, при цьому вказані зазори відкриваються в осьовий (дуговий) канал плазмотрону, причому співвідношення довжини міжелектродної вставки до її діаметру знаходиться у межах 0,5 - 3 і відношення сумарного перерізу прохідних каналів, по яким проходить плазмоутворюючий газ, що виходять у зазор міжелектродна вставка -катод до сумарного перерізу прохідних каналів, що виходять у зазор міжелектродна вставка -анод, знаходяться у межах 1 -5 Таким чином, весь потік плазмоутворюючого газу надходить спочатку на охолодження у МЕВ, далі, проходячи через завихрювачі, виконані на корпусі МЕВ у вигляді багатозахідної різьби, нагрівається і у підігрітому вигляді через кільцеві колектори у зазорах МЕВ-катод, МЕВ-анод потрапляє у дуговий канал на вихорову стабілізацію дуги Повернення тепла, відібраного при охолодженні МЕВ, у зону генерування плазми створює технічну передумову для підвищення питомої теплової потужності у струмині при мінімальних розмірах плазмотрону У цьому випадку вдається підвищити питому потужність плазмотрону по відношенню до осьового габариту Сутність винаходу пояснюється кресленням, на якому зображено запропонований плазмотрон у продольному розрізі Плазмотрон має циліндричний електрод (анод), що містить порожнистий водоохолоджуваний корпус 1 з встановленою у ньому мідною циліндричною втулкою (анодом) 2 з осьовим каналом До корпусу аноду 1 через кільцевий ізолятор З жорстко прикріплений електричне ізольований корпус 4 з порожнистою міжелектродною вставкою (МЕВ) 5, щільно зафіксованою в осьовому та радіальному напрямках із зазором між катодоутриму 57171 вачем 12 та анодом Корпус МЕВ 4 має кільцевий колектор 6, безпосередньо підключений до штуцера 7 для подачі плазмоутворюючого газу, який через завихрювач 8, виконаний на МЕВ 5 у вигляді багатозахідної прямокутної різьби, і кільцеві колектори 9, 10 у зазорах МЕВ-катод, МЕВ-анод надходить до осьового (дугового) каналу плазмотрону До корпусу МЕВ 4 через кільцевий ізолятор 11 жорстко прикріплений катодоутримувач 12 з водоохолоджуваним катодом 13 Торцевий водоохолоджуваний катод 13 жорстко зв'язаний з катодоутримувачем 12 і розташований на геометричній ВІСІ плазмотрону По ВІСІ катоду 13 щільно встановлена активна вставка 14 із цирконію або гафнію Суміжні поверхні катодоутримувача 12, ізолятора 11, корпусу МЕВ 4 утворюють першу вихорову камеру на вході у МЕВ 5 у зоні прив'язки катодної опірної плями на поверхні активної вставки 14, а суміжні поверхні корпусу МЕВ 4 з боку ізолятора З та корпусу аноду 1 утворюють другу вихорову камеру біля вхідного боку аноду 2 Плазмотрон працює наступним чином Катод та анод охолоджуються традиційним способом водою Плазмоутворюючий газ через штуцер 7 подають до кільцевої колекторної порожнини 6, звідки через завихрювач 8, виконаний на МЕВ 5 у вигляді багатозахідної прямокутної різьби, газ надходить через кільцеві колекторні порожнини 9, 10 до осьового (дугового) каналу плазмотрону При цьому багатозахідна прямокутна різьба, виконана на МЕВ 5, сприяє її інтенсивному охолодженню і виступає у ролі завихрювача першої вихоровоі камери та антизавихрювача другої вихорової камери Більша частина плазмоутворюючого газу (55-80% від сумарних витрат) проходить через ділянку багатозахідної прямокутної різьби, розташованої поблизу катодоутримувача і забезпечуючої крутку, наприклад, проти часової стрілки, надходить у кільцеву колекторну порожнину 9 і далі на обдув катоду, стабілізуючи прив'язку катодної плями у зоні активної вставки термохімічного катоду 14 Інша, менша частина плазмоутворюючого газу (20-45% від сумарних витрат), проходить через ділянку багатозахідної прямокутної різьби, розташованої поблизу аноду і забезпечуючої крутку у протилежний бік, надходить через кільцеву колекторну порожнину 10 в канал сопла аноду 2 Далі, змішуючись, гази проходять через осьовий канал порожнистого аноду 2 і витікають у атмосферу Електрична дуга постійного сруму горить у осьовому каналі МЕВ 5 Катодна опірна пляма розташована нерухомо на активній вставці 14 катоду, анодна опірна пляма у вигляді плазмової хмари примикається до внутрішньої поверхні осьового каналу порожнистого сопла аноду 2 При збудженні електричної дуги під дією теплового потоку від плазми до стінок порожнистої міжелектродної вставки 5 вона нагрівається і розширюється Завдяки цьому вона щільно притискується до крпусу МЕВ 4, забезпечуючи прохід плазмоутворюючого газу тільки через канали прямокутної багатозахідної різьби Вдув у дуговий канал гарячого (300-600°С) плазмоутворюючого газу сприяє погашенню залишкової крутки, розщепленню прианодної ділянки дуги, жорсткої и просторової фіксації незалежно від рівня струму, витрат та складу плазмоутворюючого газу та вирівнюванню профілю швидкостей та температур у радіальному перерізі плазмової струмини Це дозволяє зменшити довжину анодного каналу на 50-100% Рекуперативне охолодження МЕВ та зменшення вимагаємої із умов формування плазмової струмини довжини анодого каналу на 50-100% забезпечують підвищення термічного к к д плазмотрону на 20-30% Вдув у дуговий канал гарячого (300-600°С) плазмоутворюючого газу сприяє також розмиттю анодної опірної плями на внутрішній поверхні мідної циліндричної втулки (сопла аноду) 2, що збільшує п СТІЙКІСТЬ у 6-8 разів Крім того, завдяки кільцевим колекторам 9 та 10, що сполучаються через багатозахідну прямокутну різьбу на МЕВ, спостерігається ефект саморегулювання процесу генерування плазми При збільшенні струму дуги підвищується газодинамічний опір у каналі МЕВ І відбувається перерозподіл потоків плазмоутворюючого газу із збільшенням витрат у бік кільцевого колектору 10, що в свою чергу збільшує діелектричну МІЦНІСТЬ зазору МЕВанод і сприяє зміщенню зони прив'язки анодної опірної плями у глиб каналу сопла аноду 2 Це сприяє захисту плазмотрону від подвійного дугоутворення і збільшує область стійкої роботи плазмотрону при малих витратах плазмоутворюючого газу на 20-30% Довжину осьового каналу МЕВ вибирають в залежності від вимагаємого рівня номінальної потужності плазмотрону у межах 0,5-3 калібру Довжина 0,5 калібру визначає нижній рівень потужності, подальше зниження неможливе конструктивно, оскільки по довжині MFB необхідно розмістити кільцеву колекторну порожнину та завихрювачі Довжина каналу МЕВ 3 калібру визначає верхній рівень потужності плазмотрону та питомої потужності струмини, подальше збільшення неможливе з-за різкого зростання теплового потоку, перегрівання та руйнування МЕВ Співвідношення сумарного перерізу прохідних каналів, по яким проходить плазмоутворюючий газ, що виходить у зазор МЕВ-катод до сумарною перерізу прохідних каналів що виходять у зазор МЕВ-анод, вибирають у межах 1-5 Співвідношення прохідних перерізів практично визначають співвідношення гідравлічних опорів, тобто витрати газів у зазори катод-МЕВ та МЕВ-анод Співвідношення сумарних перерізів прохідних каналів 1-5 забезпечує ВІДПОВІДНО витрати газу у зазор катодМЕВ 55-80%, а у зазор МЕВ-анод 20-45% Зниження витрат газу у зазор катод-МЕВ менше 55% (ВІДПОВІДНО при співвідношенні прохідних перерізів менше 1) призведе до погіршення стабілізації катодної опірної плями дуги, зниженню рівня напруги на дузі, перегріву МЕВ, зниженню досягаемого рівня максимальної потужності плазмотрону та питомої потужності струмини Збільшення витрат газу у зазор катод-МЕВ більше 80% (ВІДПОВІДНО при співвідношенні прохідних перерізів більше 5) призведе до зниження діелектричної МІЦНОСТІ зазору МЕВ-анод (ВІДПОВІДНО подвійному дугоутворенню), порушенню умов розщеплення прианодної ділянки дуги, ослаблен 57171 ню и просторової стабілізації та виносу за зріз сопла-анода Таким чином, вихід за межі заявляємих співвідношень в КІНЦІ КІНЦІВ призведе до неможливості отримання високої питомої потужності плазмової струмини з мінімальними габаритами плазмотрону Заявлений плазмотрон використовувався для нанесення зносостійких покриттів із оксиду хрому на внутрішню поверхню циліндрів бурових насосів з послідуючим шліфуванням алмазним інструментом Діаметр циліндру у СВІТЛІ 1 5 0 М М , довжина 750мм Нанесення покриття із оксиду хрому здійснювалось при слідуючих параметрах роботи плазмотрону струм дуги, А 250, напруга на дузі, В 250, витрати плазмоутворюючих газів, нм 3 /г - 5, вміст метану у суміші з повітрям, % - 11, ККД плазмотрону - 0,85, питома потужність у плазмовій Комп'ютерна верстка Е Ярославцева 8 струмині, кВт-г/нм - 11 Діаметр осьового каналу аноду, мм - 7, діаметр осьового каналу МЕВ, мм 6, довжина осьового каналу МЕВ, мм - 20, довжина осьового каналу аноду, мм - 18 Було отримано покриття СГ2О3 товщиною 500мкм з пористістю 0% та мікротвердістю HvO3 2500 Заявлений взаємозв'язок елементів у МЕВ і їх співвідношення забезпечують тривалу (20 і більше годин) сталу роботу плазмотрону без заміни теплонагружених деталей Наявність ВІДМІННИХ ознак призводить до підвищення ККД, питомої потужності та надійності, спрощенню конструкції та експлуатації плазмотрону з МЕВ і зменшенню габаритів плазмотрону Вказаний плазмотрон може бути використаний в установках плазмового напилення та загартування Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна