Способ газопламенного напыления порошковых покрытий и горелка для его осуществления

 

Изобретение относится к технике высокотемпературного напыления и может быть использовано при газопламенном напылении порошковых покрытий, в частности, при работе на газах-заменителях ацетилена, преимущественно на водородно-кислородной смеси, вырабатываемой электролизерами из воды. Задачей изобретения является уменьшение загрязнения окружающей среды и вредных выбросов в атмосферу, получение в качестве продукта сгорания водяного пара за счет использования в качестве горючего и транспортирующего газов экологически чистой водородно-кислородной смеси, предотвращение обратного удара внутри горелки при использовании в качестве транспортирующего газа водородно-кислородной смеси за счет выравнивания скоростей истечения газов из порошкового канала и выходных отверстий мундштука для горючего газа. Поставленная задача достигается тем, что в способе газопламенного напыления порошковых покрытий в качестве транспортирующего газа и горючих газов используют водородно-кислородную смесь, вырабатываемую электролизом из воды, при этом регулирование пламени нормального характера струи горючих газов осуществляют дополнительной подачей к водородно-кислородной смеси углеродсодержащих газов, например пропан-бутана. Горелка для газопламенного напыления порошковых покрытий снабжена стволовой насадкой, на которой закреплен мундштук, втулкой с каналом, смонтированной в мундштуке соосно с центральным соплом, и краном для регулирования расхода транспортирующего газа. Канал во втулке выполнен в виде цилиндрического отверстия с фаской, которое переходит в конусно-сужающуюся часть, продолжением которой является цилиндрический участок. Предлагаемое соотношение размеров канала и выходных отверстий мундштука соплового наконечника предохраняет горелку от обратного удара по каналу. Использование в качестве транспортирующего газа вместо кислорода или воздуха водородно-кислородной смеси значительно повышает теплоемкость пламени горелки, кроме того, использование предлагаемого решения позволит уменьшить загрязнение окружающей среды. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике высокотемпературного напыления и может быть использовано при газопламенном напылении порошковых покрытий, в частности, при работе на газах-заменителях ацетилена, преимущественно на водородно-кислородной смеси, вырабатываемой электролизерами из воды.

Известны способ и устройство для обработки поверхностей деталей газопламенным напылением, включающий подачу ацетилена и кислорода через смесительную камеру распылительной головки, подачу проволоки через ее центральный канал и подачу сжатого воздуха в одном направлении с проволокой и газопламенной смесью, при этом подачу сжатого воздуха производят через жиклер непосредственно в канал, по которому подают проволоку.

Устройство для газопламенного напыления поверхностей деталей содержит распылительную головку с каналами для подачи кислорода, ацетилена и сжатого воздуха и размещенную в ней направляющую втулку с каналом для подачи проволоки, при этом оно снабжено манжетой, установленной во входной части канала направляющей втулки и закрепленной с помощью пробки для предотвращения выхода воздушного потока навстречу подаваемой по каналу проволоке, и штуцером с жиклером для подачи сжатого воздуха в канал направляющей втулки [1].

Однако известные способ и устройство не позволяют осуществлять подачу порошка и работают только на гибких порошкообразных жгутах и проволоках.

Известен газопламенный метод напыления покрытий, который состоит в формировании на поверхности изделий слоя из частиц напыляемого материала, обладающих достаточным запасом тепловой и кинетической энергии в результате взаимодействия со струей газового пламени. Струя пламени образуется в результате сгорания горючей смеси, вытекающей из сопловых отверстий горелки с большой скоростью. Напыляемый материал подают, как правило, внутрь факела пламени вдоль оси. Температура струи горючий газ - кислород при использовании ацетилена достигает 3200^oС, а скорость истечения 150-160 м/с. Попадая в струю, частицы порошкового материала нагреваются до жидкого или высокопластичного состояния и приобретают скорость 20-80 м/с. Скорость полета частиц порошка зависит от соотношения кислорода и горючего газа в смеси, количества обдувающего газа, расстояния от среза сопла, количества вводимого в пламя порошка и его плотности, гранулометрического состава и др. Материал, используемый для газопламенного напыления покрытий, не должен разлагаться и возгоняться в пламени и должен иметь достаточную разницу между температурами плавления и кипения (более 150-250^oС) [2].

Однако известный метод рассчитан на применение углеродсодержащих горючих газов, что загрязняет окружающую среду продуктами сгорания.

Известна горелка для газопламенного напыления порошковых покрытий, содержащая корпус с каналами для подачи горючего газа, окислителя, несущего газа, горючей и газопорошковой смесей, съемное устройство для подачи порошка с емкостью и промежуточным элементом, имеющим канал для подачи порошка из емкости и запирающий орган подачи порошка, несущую плиту, соединяющую съемное устройство с корпусом инжектора несущего газа, соединенным с выходом канала подачи несущего газа и размещенным перед входом канала для порошковой смеси под выходом канала для подачи порошка, и инжектор для горючего газа и окислителя, инжектор для несущего газа размещен в промежуточном элементе съемного устройства подачи порошка, в котором соответственно выполнены входное отверстие канала для подачи газопорошковой смеси и выходное отверстие проходящего через несущую плиту канала подачи несущего газа [3].

Известна горелка для газопламенного напыления порошков, содержащая корпус с продольно расположенными каналами для подачи горючего газа, окислителя и транспортирующего газа, закрепленный на выходном конце корпуса сопловой наконечник, кран для регулирования расхода транспортирующего газа [4].

Известен наконечник газопламенной горелки, содержащий мундштук с центральным соплом и расположенными вокруг него по окружности сопловыми отверстиями, втулку, смонтированную в мундштуке соосно с центральным соплом, и трубку для подачи газопорошковой смеси, отличающийся тем, что с целью сокращения потерь порошка он снабжен пористой шайбой, установленной между торцом втулки и внутренним торцом мундштука, при этом сопловые отверстия выполнены с наклоном к оси центрального сопла под углом 5-15 [5].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является способ, основанный на нанесении покрытия на детали напылением газовой струей порошка, нагретого пламенем газа до жидкого или вязкотекучего состояния. Порошок подается в зону плавления с помощью транспортирующего газа. В этом случае порошок поступает в горелку, разгоняется потоком транспортирующего газа и на выходе из сопла попадает в пламя, где оплавляется и под действием струи горящих газов направляется на напыляемую поверхность, образуя покрытие [6].

Однако известные горелки не позволяют применять в качестве горючего газа водородно-кислородную смесь, так как она создает окислительное пламя. Применение в них в качестве транспортирующего газа водородно-кислородной смеси может привести к обратному удару в канале для газопорошковой смеси.

Задачей изобретения является уменьшение загрязнения окружающей среды и вредных выбросов в атмосферу, получение в качестве продукта сгорания водяного пара за счет использования в качестве горючего и транспортирующего газов экологически чистой водородно-кислородной смеси, предотвращение обратного удара внутри горелки при использовании в качестве транспортирующего газа водородно-кислородной смеси за счет выравнивания скоростей истечения газов из канала втулки и выходных отверстий мундштука для горючего газа.

Поставленная задача достигается тем, что в способе газопламенного напыления порошковых покрытий, включающем подачу порошка из сопла горелки в зону плавления с помощью транспортирующего газа, оплавление порошка под действием струи горючих газов, напыление на поверхность покрытия, согласно изобретению в качестве транспортирующего газа и горючих газов используют водородно-кислородную смесь, вырабатываемую электролизом из воды, при этом регулирование пламени нормального характера струи горючих газов осуществляют дополнительной подачей к водородно-кислородной смеси углеродсодержащих газов, например пропан-бутана.

Горелка для газопламенного напыления порошковых покрытий, содержащая корпус с расположенными каналами для подачи водородно-кислородной смеси и углеродсодержащего газа, например пропан-бутана, закрепленный на выходном конце корпуса сопловой наконечник, содержащий мундштук с центральным соплом и расположенными вокруг него по окружности сопловыми отверстиями, втулку, смонтированную в мундштуке соосно с центральным соплом, кран для регулирования расхода транспортирующего газа, снабжена стволовой насадкой, на которой закреплен мундштук, втулкой с каналом, смонтированной в мундштуке соосно с центральным соплом, и краном для регулирования расхода транспортирующего газа, при этом канал во втулке выполнен в виде цилиндрического отверстия с фаской, которое переходит в конусносужающуюся часть, продолжением которой является цилиндрический участок, причем площадь выходного отверстия канала втулки равна 0,5-1,3 суммарной площади выходных отверстий мундштука, то есть π(d)²/4 = (0,5...1,3)nπ(d₁)²/4, а длины частей канала имеют следующие размеры: L=(4...6)d; L₁=(7...10)d; L₂=(0,5...0,6)D; где d - диаметр выходного отверстия втулки; D - диаметр входного отверстия втулки; L - длина цилиндрического участка канала втулки; L₁ - длина конусносужающейся части канала втулки; L₂ - длина цилиндрического отверстия с фаской; π(d)²/4 - площадь выходного отверстия втулки; nπ(d₁)²/4 - суммарная площадь сопловых отверстий мундштука для горючего газа, где n - количество отверстий, d₁ - диаметр выходного отверстия мундштука.

Когда D = d и π(d)²/4>1,3nπ(d₁)²/4, то наблюдается обратный удар в горелке через канал втулки для транспортирующего газа. Если же d значительно меньше D и π(d)²/4<0,5nπ(d₁)²/4, то снижается производительность горелки по параметру подачи порошка.

Предлагаемые геометрические параметры соплового наконечника горелки позволяют избежать обратного удара по каналу втулки, повысить качество покрытий за счет увеличения теплоемкости пламени горения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 - общий вид горелки (продольный разрез);
на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 (регулятор сечения подачи газа);
на фиг.3 - сопловой наконечник горелки.

Горелка содержит корпус 1 с каналом 2 для подачи углеродсодержащего газа, например пропан-бутана, каналом 3 для водородно-кислородной смеси, вырабатываемой электролизером из воды, и каналом 4 для транспортирующего газа, в качестве которого используют водородно-кислородную смесь. В качестве горючего и транспортирующего газов используют водородно-кислородную смесь, которую подают через ниппель 5 в канал 3 и 4. В канале 2 подачи углеродсодержащего газа, например пропан-бутана, и канале 3 подачи водородно-кислородной смеси, вырабатываемой электролизером из воды, установлены запорные клапаны 6 и 7, которые управляются рычагом 8, поворачивающимся вокруг оси 9 и имеющим рабочие поверхности 10 и 11, соответственно воздействующие на управляющий элемент 12 запорного клапана 6 и управляющий элемент 13 запорного клапана 7. Рабочие поверхности 10 и 11 выполнены таким образом, что при выключении сначала закрывается клапан 6, а затем клапан 7, в то время как при включении первым открывается клапан 7. Кроме того, в корпусе 1 выполнен канал 14 для подачи водородно-кислородной смеси и углеродсодержащего газа, например пропан-бутана, а в стволовой насадке 15 выполнен канал 16 для подачи газопорошковой смеси, соединенный с каналом втулки 16а, и каналы 17 и 18 для подачи горючей смеси. Канал 14 соединен с инжектором 19 для подачи горючего газа, например водородно-кислородной смеси, и углеродсодержащего газа, например пропан-бутана. Для регулирования подачи подводимого к инжектору 19 углеродсодержащего газа, например пропан-бутана, служит регулятор сечения подачи газа (фиг. 2), который выполнен в виде двух подпружиненных запорных клапанов: соответственно углеродсодержащего газа, например пропан-бутана - 20, и горючего газа, например водородно-кислородной смеси - 21. Клапан 21 установлен в глухом отверстии 22, а клапан 20 - в сквозном отверстии 23 корпуса 1 горелки и закреплены в них втулками 24 и 25. С другой стороны корпуса 1 горелки в сквозном отверстии 23 установлена игла 26 для регулирования подачи углеродсодержащего газа, например пропан-бутана, с регулирующим винтом 27.

Канал 4 для транспортирующего газа, в качестве которого используют водородно-кислородную смесь, соединен с отверстиями инжектора 28 для транспортирующего газа, выполненного в корпусе 1 горелки. Через корпус инжектора 28, кольцевую щель между иглой 29 игольчатого клапана подачи транспортирующего газа и каналом 30 транспортирующий газ проходит через калибровочное отверстие (инжекционное отверстие) 31 с высокой скоростью и пониженным давлением в смесительную порошковую камеру 32, создавая разрежение на выходе порошкового канала 33, что обеспечивает подсос порошка. В корпусе 1 горелки расположена распорная втулка 34 с отверстием для прохода порошка и втулка 35 с каналом 36 для газопорошковой смеси, соединенным с каналом 16 стволовой насадки 15.

Емкость для порошка 37 крепится двумя винтами 41.

Канал 42 в упругой втулке 43 служит для подачи порошка из емкости для порошка 37. Регулирование подачи порошка производится путем изменения проходного сечения в упругой втулке 43 с помощью толкателя 44.

Регулирование подачи транспортирующего газа производится путем изменения проходного сечения кольцевой щели между иглой 29 и каналом 30 с помощью вентиля 52.

К корпусу 1 горелки жестко присоединена рукоятка 53. К стволовой насадке 15 крепится сопловой наконечник 54, а с противоположной стороны корпуса 1 установлены штуцеры 55 и 56, к которым с помощью накидных гаек крепятся ниппели 5 и 57. Ниппели 5 и 57 присоединены к гибким шлангам (не показаны).

Сопловой наконечник 54 состоит из втулки 58 (см. фиг.3) и мундштука 59, которые крепятся к стволовой насадке 15 накидной гайкой. Мундштук 59 выполнен с центральным соплом 60 и расположенными вокруг него по окружности двенадцатью выходными отверстиями 61 для горючего газа. Втулка 58 смонтирована в мундштуке 59 соосно с центральным соплом 60.

Канал 16а во втулке 58 соединен с каналом 16 и выполнен в виде цилиндрического отверстия с фаской, которое переходит в конусносужающуюся часть, продолжением которой является цилиндрический участок, при этом площадь выходного отверстия равна 0,5-1,3 суммарной площади выходных отверстий мундштука, то есть π(d)²/4 = (0,5...1,3)nπ(d₁)²/4, a
L=(4...6)d; L₁=(7...10)d; L₂=(0,5...0,6)D;
где
d - диаметр выходного отверстия канала втулки;
D - диаметр входного отверстия канала втулки;
L - длина цилиндрического участка канала втулки;
L₁ - длина конусосужающейся части отверстия канала втулки;
L₂ - длина цилиндрического отверстия с фаской входного отверстия втулки;
π(d)²/4 - площадь выходного отверстия канала втулки;
nπ(d₁)²/4 - суммарная площадь выходных отверстий мундштука, где n - количество отверстий, d₁ - диаметр соплового отверстия мундштука.

Работа горелки осуществляется следующим образом.

Через ниппель 5 в горелку подается горючий газ, в качестве которого используют водородно-кислородную смесь, а через ниппель 57 - углеродсодержащий газ, например пропан-бутан. Поворотом рычага 8 открывают сначала запорный клапан 7, а затем клапан 6. Водородно-кислородная смесь поступает в инжектор 19 и засасывает углеродсодержащий газ, например пропан-бутан, смешиваясь с ним. Образовавшаяся горючая смесь поступает по каналу 14 через каналы 17 и 18 стволовой насадки 15 в сопловой наконечник 54 горелки. Регулировка характера углеродсодержащего пламени осуществляется регулировочным винтом 27 (фиг.2). Водородно-кислородная смесь поступает через канал 4 и кольцевую щель между иглой 29 и каналом 30 в калибровочное отверстие 31 и, выходя из него, увлекает за собой порошкообразный материал, поступающий через канал подачи порошка 42 в упругую втулку 43, канал 33 и распорную втулку 34. Газопорошковая смесь по каналу 36 втулки 35 поступает в канал 16 стволовой насадки 15 и далее к сопловому наконечнику 54.

Толкатель 44 меняет проходное сечение в упругой втулке 43, что позволяет регулировать подачу порошка и устанавливать оптимальный режим напыления, или перекрывает канал совсем.

Предлагаемое соотношение размеров канала втулки и выходных отверстий мундштука соплового наконечника 54 предохраняет горелку от обратного удара по каналу 16.

В результате такого способа газопламенного напыления порошковых покрытий продуктами сгорания горючей смеси является водяной пар, что позволяет избежать загрязнения окружающей среды от вредных выбросов. Использование в качестве транспортирующего газа вместо кислорода или воздуха водородно-кислородной смеси значительно повышает теплоемкость пламени горелки.

Использование предлагаемого решения по сравнению с прототипом позволяет уменьшить загрязнения окружающей среды и вредных выбросов в атмосферу, получить в качестве продукта сгорания водяного пара за счет использования в качестве горючего и транспортирующего газов экологически чистой водородно-кислородной смеси, вырабатываемой электролизерами из воды, предотвратить образование обратных ударов в горелке по каналу втулки.

Источники информации
1. Патент РФ 2146582. Способ и устройство для обработки поверхностей деталей газопламенным напылением /Казаков В. М. , МКИ В 05 В 7/20, БИ 8, 20.03.2000.

2. Сварка и свариваемые материалы, в 3-х т. Т. II Технология и оборудование. Справ. изд. /Под ред. В.М. Ямпольского. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998, 574 с., с.450 и 451.

3. А.с. СССР 1787568, МКИ В 05 В 7/20, БИ 2, 1993.

4. А.с. СССР 1224009, МКИ В 05 В 7/20, БИ 14, 15.04.86.

5. А.с. СССР 1106543. Наконечник газопламенной горелки /В.К. Бабенко, В. В. Голубев, В.С. Ивашко и И.Л. Куприянов //Белорусское республиканское научно-производственное объединение порошковой металлургии, МКИ В 05 В 7/20, БИ 29, 07.08.84.

6. Батищев А.Н., Голубев И.Г., Лялякин В.П. Восстановление деталей сельскохозяйственной техники. - М.: Информагротех, 1995, 296 с., с.78 - прототип.

Формула изобретения

1. Способ газопламенного напыления порошковых покрытий, включающий подачу порошка из сопла горелки в зону плавления с помощью транспортирующего газа, оплавление порошка под действием струи горючих газов, напыление на поверхность покрытия, отличающийся тем, что в качестве транспортирующего газа и горючих газов используют водородно-кислородную смесь, вырабатываемую электролизом из воды, при этом регулирование пламени нормального характера струи горючих газов осуществляют дополнительной подачей к водородно-кислородной смеси углеродсодержащих газов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего газа используют пропан-бутан.

3. Горелка для газопламенного напыления порошковых покрытий, содержащая корпус, закрепленный на выходном конце корпуса сопловой наконечник, содержащий мундштук с центральным соплом и расположенными вокруг него по окружности отверстиями, отличающаяся тем, что она снабжена стволовой насадкой, на которой закреплен мундштук, втулкой с каналом, смонтированной в мундштуке соосно с центральным соплом, и краном для регулирования расхода транспортирующего газа, при этом канал во втулке выполнен в виде цилиндрического отверстия с фаской, которое переходит в конусно-сужающуюся часть, продолжением которой является цилиндрический участок, причем площадь выходного отверстия канала втулки равна 0,5-1,3 суммарной площади выходных отверстий мундштука, а длины частей канала втулки имеют следующие размеры:
L= (4-6)d; L₁= (7-10)d; L₂= (0,5-0,6)D;
где d - диаметр выходного отверстия канала втулки;
D - диаметр входного отверстия канала втулки;
L - длина цилиндрического участка канала втулки;
L₁ - длина конусносужающейся части канала втулки;
L₂ - длина цилиндрического отверстия с фаской.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3