Анод электродугового плазмотрона

 

Анод выполнен в виде корпуса с выходным соплом. По длине соплового отверстия выполнены поперечные проточки в форме части поверхности эллиптического тора, диаметр которого равен соответствующему диаметру сопла. Большая полуось тора равна 0,1-0,3 диаметра сопла и направлена вдоль оси, малая полуось тора выбрана равной 0,4-0,9 большой, а расстояние между проточками равно 2,3-2,8 большой полуоси. 2 ил. 1 табл. ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 05 В 7/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4932188/07 (22) 30,04,91 (46) 07.01,93. Бюл. М 1 (71) Черкасское научно-производственное объединение по защите металлов от коррозии, сварочному и раскройно-заготовительному производству "Комплекс", Днепропетровский металлургический институт

I (72) В,М,Меркин, Н,В.Ливитан, А.А.Ефименко и Д.И.Гнатенко (56) Авторское свидетельство СССР

N338175,,кл. Н 05 B 7/06, 1972.

Жуков M.Ô. и др. Прикладная динамика термической плазмы, Новосибирск: Наука, 1975, с. 65, Изобретение относится к области электротехники, а именно к генераторам низкотемпературной плазмы и может. . применяться в металлургической, машиностроительной и других отраслях народното хозяйства, Известен однокамерный плазмотрон, содержащий катод и выходной электроданод. В плазмотронах такого типа длина электрической дуги не фиксирована и зависит как от расхода плазмообразующего газа так и от значений ее электрических параметров. Для такой дуги характерны пульсации длина и напряжения на ней, что является негативным фактором, не способствующим широкому применению таких плаэмотронов для технологических целей, например, плазменной наплавки, напыления и т.д. Кроме того, в таких плаэмотронах анодное пятно, как правило. локализовано в какой-либо области периметра проходного сечения дугового канала, что вызывает интенсивное,, Ы,, 1786692 А1 (54) АНОД ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПЛАЗМОТРОНА (57) Анод выполнен в виде корпуса с выходным соплом. По длине соплового отверстия выполнены. поперечные проточки в форме части поверхности эллиптического тора, диаметр которого равен соответствующему диаметру сопла. Большая полуось тора равна 0.1 — 0,3 диаметра сопла и направлена вдоль оси, малая полуось тора выбрана равной 0,4 — 0,9 большой, а расстояние между проточками равно 2,3 — 2,8 большой полуоси.

2 ил. 1 табл. несимметричное разрушение поверхности анода.

Известны плазмотроны, в которых осуществляется перемещение анодного пятна по периметру проходного сечения канала С помощью магнитного поля, Однако недостатком таких плазмотронов является наличие сложных и громоздких систем магнитного управления дугой, интенсивная закрутка газоплазменного потока на выходе из плэмотрона, что чаще всего является нежелательным (например, при его использовании для газотермического нанесения покрытий).

Наиболее близким по технической сущ. ности к заявляемому является электродуговой плазмотрон, содержащий водоохлаждаемый катод, выходной электроданод, дуговой канал которого имеет участок с внезапно расширенным проходным сечением и выходное сопло, В известном плаэмотроне длина дуги фиксирована, а областью

1786692 шунтирования дуги является зона дугового канала за уступом. Фиксирование длины дуги снижает пульсации тока и напряжения на ней, однако привязка дуги, характерная для данного типа каналов, как правило, s определенной зоне расширенного участка, вызывает интенсивное разрушение поверхности электрода, что снижает ресурс работы плазмотрона и ухудшает стабильность газовой струи.

Кроме того., все рассмотреннные типы плазмотронов характеризуются высоким уровнем тепловых потоков в анод, что отрицательно сказывается на их энергетических показателях и в общем случае способствует снижению ресурсов работы плазмотронов.

Целью изобретения является повышение стабильности горения дуги, снижение тепловых потерь с анода и увеличение его эрозионной стойкости, Поставленная цель достигается тем, что по длине соплового отверстия анода выполнены поперечные проточки в форме части поверхности эллиптйческого тора, диаметр которого равен соответствующему диаметру сопла, большая полуось тора равна 0,10,3 диаметра сопла и направлена вдоль его оси, малая полуось тора выбрана равной

0,4-0,9 большой, а расстояние между проточками равно 2,3-2,8 большой полуоси.

На фиг. 1 представлен продольный разрез заявляемого анода плазмотрона; на фиг, 2 — увеличенное изображение разреза анода в месте расположения проточки.

Заявляемый анод электродугового плазмотрона содер>кит водоохлаждаемый корпус 1 с дуговым каналом 2, в котором располагается электрическая дуга 3. По длине дугового канала 2 анода выполнены поперечные проточки 4, имеющие форму части поверхности эллиптического тора, диаметр которого 0 равен соответствующему диаметру 0О дугового канала, большая полуось тора А равна 0,1-0,3 диаметра дугового канала и направлена вдоль его оси, а малая полуось тора В составляет 0,4-0,9 от ее величины, при этом-расстояние между проточками 4 составляет 2,3-2,8 величины большой полуоси тора.

Анод заявляемого электродугового плазмотрона работает следующим образом.

После поджига электрической длуги 3 она распоЛагается в соответствующих каналах плазмотрона, в том числе в другом канале 2 анода, в котором осуществляется электрическая привязка дуги к его внутренней поверхности. При этом через дугОвой канал проходит поток высокотемпературного газа, омывающий дугу и стенки канала, В цевых проточек, в них образуются кольцевые газовые вихри. В этих вихрях газовая

5 среда имеет меньшую температуру, чем в

10 вляется к одному из кольцевых выступов

20 между проточками, а не располагается гдето в зоне "за уступом", как это происходит в ния в плазмотроне. Наличие системы коль25 ®вых вихрей, расположенных вдоль оси дугового канала, также способствует повы30 Заявляемое расположение и форма проточек в предлагаемом аноде обеспечи35

50 липтического тора выбрать меньшей 0,1 ди55 аметра дугового канала, то размер проточки, определяемые величиной этой по40

45 процессе взаимодействия этого газового потока с газом, находящимся в объеме кольосновном осевом потоке. Конфигурация проточек и их взаимное расположение способствует образованию вдоль стенок анодной части дугового канала, самой теплонапряженной его части, своевременной динамической газовой завесы, отстраняющей центральный высокотемпературный поток от стенок анода, в связи с чем снижаются тепловые потери в одной из самых ответственных конструктивных частей плазмотрона, снижается уровень эрозии стенок анода. Кроме того, привязка дуги в таком аноде осущестизвестных плазмотронах, Это способствует стабилизации длины дуги и условий ее горешению стабильности горения дуги и как следствие — повышению стабильности генерируемого газоплазменного потока вают оптимальные условия для достижения поставленной в изобретении цели, Действительно, если диаметр эллиптического тора, форму поверхности которого имеют проточки, будет отличаться от диаметра дугового канала в месте их расположения, то заявляемые проточки будут либо черезмерно углублены в тело анода, либо иметь недостаточную глубину для образования в них и части пространства дугового канала устойчивых вихревых структур. При равенстве же рассматриваемых диаметров одна половина вихря располагается в теле анода, а вторая — в пространстве дугового канала, чем обеспечивается как его гидрадинамическая устойчивость, так и оптимальное расположение в дуговом канале, Заявляемые параметры эллиптичности тора обеспечивают устойчивость образующихся вихрей в соседстве со сносящим осевым высокотемпературным газовым потоком. Если большую полуось сечения эллуоси, будет недостаточным для образования устойчивого вихревого образования тороидального типа, а следовательно, не будет наблюдаться снижение тепловых пото1786692

25

30 стоянии друг от друга и между ними образу- 35

40 анод электродугового плазмотрона. Для по-: 45 ков в стенки анода, Если же величина большой полуоси проточки будет большей 0,3 диаметра дугового канала, то размер проточек будет необосновано велик, что вызовет увеличение тепловых потерь и повышенную эрозию анода. Размер малой полуоси свя зан с размером большой полуоси и составляет 0,4 — 0,9 его величины. Если это соотношение будет меньше значения 0,4, то проточка будет иметь недостаточную глубину для образования устойчивого газового вихря, в связи с чем увеличатся тепловые потоки в анод и его эрозия. Если же это соотношение будет большим 0,9, то форма поверхности проточки будет приближаться к круговой, что в условиях взаимодействия образующегося в ней вихря с осевым сносящим потоком не будет способствовать достаточной гидродинамической устойчивости вихря с уже отмеченными ранее отрицательными последствиями на характеристики айода плазмотрона.

Последовательное расположение проточек вдоль дугового канала обеспечивает снижение тепловых потерь с анода и его эрозии по своей длине рабочей части анода.

Если разместить проточки на расстоянии, меньшем 2,3 величины большой полуоси тора, то соседние вихри будут взаимодействовать между собой, что отрицательно скажется на их устойчивости. Если же это расстояние будет большим, чем 2,8 соответствующего размера, то отдельные проточки будут размещены на большом расются открытые незащищенные участки поверхности анода. Как в первом, так и во втором случае при этом увеличатся тепловые потоки в анод и возрастает степень его эрозии.

Пример конкретного выполнения. В условиях лаборатории ДМетИ были изготовлены и испытаны для сопоставления результатов анод-прототип и заявляемый следнего было изготовлено несколько типоразмеров анода, соответствующих эая вляемым соотношениями геометрических размеров проточек и за их пределами.

Диаметр анодной части дугового канала для прототипа и заявляемого решения был

15 равен 20 мм. Режимы испытаний были следующие: ток дуги! = 250А, напряжение U =

120В, расход воздуха Q = 1,2 л/с. В зависимости QT размеров проточек их выполнялось в сопловой части анода от 3 до 5 шт. При одних и тех же режимах работы плазмотронов определялись аэрозия анодов и тепловые потери через них. Испытание на эрозию проводили в течение 3-х часов работы плазмотронов с каждым исследуемым анодом. О тепловых потерях судили по изменению температуры воды,"используемой для охлаждения анода, при фиксации ее расхода.

По этим величинам определялась целесообразность использования именно заявляемых пределов изменения соотношений геометрических размеров дополнительных проточек.

Результаты испытаний сведены в таблицу.

Результаты испытаний показывают, что эрозия поверхности анода заявляемого плазмотрона в 1,5 — 2,0 раза меньше по сравнению с прототипом. Величина тепловых потоков в анод снизилась на 20 — 30%. Кроме того, он выгодно отличается от прототипа по газодинамическим характеристикам образуемого плазменного потока, что особенно важно при ведении процессов, например, нанесения покрытий.

Таким образом, применение заявляемого анода в совокупности плазменного оборудования позволит повысить ресурс его работы и улучшить технологические характеристики плазменных процессов..

Формула изобретения

Анод электродугового плазмотрона, выполненный в виде корпуса с выходным соплом, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности горения дуги, снижения тепловых потерь с анода и увеличения его эрозионной стойкости, по длине соплового отверстия выполнены поперечные проточки в форме части поверхности эллиптического тора, диаметр которого равен соответствующему диаметру сопла, большая полуось тора равна 0,1-0;3 диаметра сопла и направлена вдоль его оси, малая полуось тора выбрана равной 0,4-0,9 большой, а расстояние между проточками равно .

2,3-2,8 большой полуоси.

1786692

Опыт

П ототип

5,6 100 8,5 100

2

3 .6

8

11

12

Размер большой полуоси тора А, мм, в скобках-А/Д

1 (0,05)

2 (0,1)

4 (0,2)

6 (0,3)

8 (0,4)

4 (0,2)

6 (0,2)

4 (0,2)

4 (0,2)

4 (0,2)

4 (0,2)

4 (0,2)

4 0,2

Размер малой полуоси тора В,мм, в скобках В/А

0,7 (0,7)

1,4 (0,7)

2,8 (0,7)

4,2 (0,7)

5,6 (0,7)

1,2 (0,3)

1,6 (0,4)

3,6 (0,9)

4,0 (1.0)

2,8 (0,7)

2,8 (0,7)

2,8 (0,7)

2,8 0,7

Расстояние между проточками Н, мм, в скобках-Н/А

2,5 (2,5)

5,0 (2,5)

10,0 (2,5)

15,0 (2,5)

20,0 (2,5)

1 0,0 (2,5)

10,0 (2,5)

10,0 (2,5)

10,0 (2,5)

8,8 (2,2)

9,2 (2,3)

1 1,2 (2,8)

1 1,6 2,9

Эрозия анода, (г/Кл) 10, в скобках— относительно и ототипа, 5,4 (96)

3,7 (66)

3,6 (64)

3,4 (60)

5,5 (98)

5,2 (92)

3,5 (62)

3,2 (57)

5,3 (94)

5,1 (91)

3,0 (54)

3,1 (55)

5,2 93

Тепловой поток в анод,вКт, в скобках - относит. прототипа о

8,3 (97)

7,1 (83)

6.8 (80)

6,9 (81)

8,4 (98)

8,2 (96)

6,9 (81)

7,0 (82)

8,3 (97)

8,2 (96)

7,1 (83)

6,9 (81)

8,4 98

1786692

Составитель С. Тростина

Техред М.Моргентал Корректор М.Максимишинец

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 258 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5