Способ стабилизации сжатой дуги

 

СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ СЖАТОЙ .ДУГИ по авт.св. И 479583, от л ичающийся тем, что, с целью повыцения качества обрабатываемого материала путем увеличения восстановительного потенциала используемой плазмообразующей среды и расширения области использования способа путем создания возможности его применения при обработке окисляющихся металлов , подачу окислителя прекращают при установлении постоянства величины теплового потока в катод и последующие подачи окислителя производят периодически в моменты времени , соответствующие увеличению установившегося теплового потока в катод на 10-15%.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ, СОЦИАЛИСТИЧЕСИЙХ

РЕСПЬЬЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фу

° ((<с 9 а 61) 479583 (21) 2721822/25-27 (22) 21.02.79 (46) 23.04.83, Бюл. 9 15 (72) И.Г.Фридлянд (71) Государственный проектный и научно-исследовательский институт

"Гипроникель" (53) 621.791.755(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 479583, кл. В 23 К 9/16. 1973. (54) (57 ) СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ СЖАТОЙ .ДУГИ по авт.св. Р 479583, о т л ич ающи и с я тем, что, сцелью (19(®+(3(l А (Я) В 23 К 9/16, Н 05 В 7/00 повыаения качества обрабатываемого материала путем увеличения восстанови. тельного потенциала используемой плазмообразующей среды и расширения области использования способа путем создания возможности его применения при обработке окисляющихся металлов, подачу окислителя прекращают при установлении постоянства величины теплового потока в катод и последующие подачи окислителя производят периодически в мОменты времени, соответствующие увеличению установивщегося теплового потока в катод на 10-15%.

729930

Предлагаемое изобретение относйтся к области электродуговой, преимущественно плазменной обработки, и может быть применено в машиностроении при сварке, напланке, поверхностной обработке металлов и н металлургии при их ныпланке и переплавке.

По основному авт.св. 9 479583(1). иэнестен сПособ стабилизации сжатой дуги в активной плазмообразующей среде, содержащей углеводороды и контак- 10 тирующей с рабочей поверхностью катода, при котором после выхода дуги на режим стабильного горения в состав плазмообразующей смеси вво- . дят окислитель н количестве 40-90Ъ 15 по объему от количества, соответствующего теоретически-полной конверсии углеводородов, входящих н состав плазмообраэующей смеси. Окислитель в плазмообраэующую среду начинают 2О вводить в интервале времени от момента снижения теплового потока в катод на 10Ъ от величины максимального значения до момента установления постоянной величины теплового потока в катод, преимущественно, в начале интервала.

Недостатком известного способа является ограничение области его применения лишь теми процессами обработки, при которых содержание вос- 30 станонителя в газовой атмосфере дуги и плазменной струи не превышает значений, определяемых указанным соотношением углеводородов и окислителя в смеси. это исключает приме- 35 нение известного способа. в технологических процессах, требующих для своего проведения газовой атмосферы с большим восстановительным потенциалом, т.е. меньшим содержанием окис" лителя, например, при восстановительной-плавке руд, сварке и поверхностной обработке легко окисляющихся металлов.

Целью изобретения является повыше- 45 ние качества обрабатываемого материала путем увеличения восстановительного потенциала используемой плазмообраэующей среды и расширения области использования способа путем создания воэможности его применения 50 при обработке окисляющихся металлов.

Для чего подачу окислителя прекра-. щают при установлении постоянства величины теплового потока н катод и 55 последующие подачи окислителя производят периодически в моменты времени, соответствующие увеличению установившегося теплового потока в катод на

10-15Ъ. 60 !

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен график, хаактериэующий зависимость величины рак теплового .потока в электрод от р т в емени горения электрической дуги. 65

На этом графике по оси ординат отложен тепловой поток н катод, пропорциональный экспериментально определяемой с помощью термопар разности температур охлаждающей катод воды на выходе и входе в ней, измеряемый в кВт, а по оси абсцисс — время горения дуги, измеряемое н секундах.

Так как тепловой поток в катод служит показателем работы постоянно возобновляющегося катода и при зажигании дуги в .смесях, содержащих углеводороды в момент времени с достигает максимальной величины, соответствующей точке 4 на кривой 1. Введение в плаэмообразующую смесь окислителя в количестве 40..90Ъ по объему от количества, соответствующего теоретически полной конверсии углеводородов смеси, в интервале времени от до, когда тепловой

C поток снижается от величины, соответствующей точке 8 на кривой 1, и на 10Ъ меньшей максимальной величины до установившейся величины, соответствующей точке С на кривой 1, приводит к тому, что .размеры истинного углеродного катода и теплового потока в него далее но времени остается неизменным. Если далее, в момент времени с4 уменьшить количество окислителя в смеси, то начиная с момента времени вновь начинается увеличение размеров истинного углеродного катода, сопровождающегося ростом теплового потока н него. Интервал . n и времени от ь 4, до с 5 нормальной работы катода при пониженном расходе окислителя зависит при прочих равных условиях от степени снижения его расхода, становясь минимальным при полном исключении окислителя из состава и смеси. К моменту времени 6 тепловой поток в катод, соответствующий точке З на кривой 1, превосходит на

10-15Ъ установившуюся величину теплового потока в катод, соответствующую, как указывалось выше, точке С на кривой 1. В момент с количество окислителя в смеси вновь увеличивают до 40.;90Ъ от количества, cqoTветствующего теоретически полной конверсии углеводородов смеси и поддерживают его таким до тех пор, пока н момент времени сттепловой поток н катод вновь не снизится до установившейся величины, соответствующей точке С на кривой 1. В основное время горения дуги окислитель может быть введен в количестве, меньшем

0,5 по объему от количества, необходимого для теоретически полной конверсии угленодородов ° Далее процесс изменения количества окислителя в плаэмообразующей смеси ведут таким же образом, периодически в течение всего времени плазменной обработки.

Таким образом, обеспечивается воэможность основную часть времени

729930 плазменной обработки материала вести в .-.аэовой атмосфере " высоковосстановительной способностью, не нарушая в то же время режима постоянного возобновления катода плазмотрона.

Увеличение количества окислителя до того, как тепловой поток в катод возрастает менее чем на 10Ъ, нерационально, так как приведет к уменьшению обцего времени обработки в газовой атмосфере с повышенным 10 восстановительным потенциалом, в то время как изменения геометрии катода, соответствующие такому увеличению теплового потока, не опасны с точки зрения стабильности горения дуги 15 и качества обработки.

Увеличение количества окислителя после того, как тепловой поток в катод возрастает на 15Ъ в сравнении с установившейся величиной, нежелатель- 20 но, так как геометрические размеры катода при этом возрастают настолько, что значительно увеличивается инп л тервал времени от 6 до ьт, в течение которого параметры катода, т.e. его размеры, и тепловой поток в него возвращаются к первоначальным установившимся значениям.

Изменение количества окислителя можно автоматизировать, связав термопары, регистрирующие изменение тем- З0 пературы охлаждаюцей катод воды, т.е. при постоянном ее расходе — изменение теплового потока в,катод, с исполнительными механизмами в магистрали подачи окислителя. 35

Возможность периодического изме-. нения состава плазмообразующей сме си углеводородов и окислителя, контактируюцей с рабочей поверхностью катода, была автором обнаружена экс- 40 периментально.

При плазменной .плавке шихты карбида кальция с углеродом в графитовом. тигле вынесенной дугой постоянного тока, анодом которой служил обрабаты-45 ваемый м=-.териал, применяли плазмотроны с постоянно .возобновляющимся.катодом. В качестве плазмообразующей среды, обеспечивающей постоянное возобновление катода, использовался при50 родный газ B .смеси с воздухом, коли- . чество которого по объему составляло 45Ъ от количества, соответствующего теоретически полной конверсии природного газа смеси. Окислитель вводили в плазмообразующую среду по известному способу и расход его в первоначальных экспериментах поддерживался постоянным, на указанном уровне.

Однако исследования переплавленно-60 го в этих условиях материала показали, что для повышения его качества необходимо повышать восстановительный потенциал в газовой атмосфере дуги на участке обработки, что исходя из необходимости постоянного возобновления катода плазмотрона, моглс быть обеспечено только за счет снижения расхода окислителя вплоть до полного его исключения. Попытки снизить до минимума расход окислителя или полностью его исключить на весь период плавки не привели к положительному результату в связи с увеличением размеров углеродного образования, служащего истинным углеродным катодом, и обусловленными этим явлением: повышением подвижности катодной области, расстабилиэацией дуги, изменением ее геометрических размеров и теплофизических характеристик, следствием чего было либо ее погасание, либо резкое ухудшение качества обработки. Т.е. подтвердились известные недостатки работы катода в углеводородах без окислителя.

Поэтому было сделана попытка вести весь процесс плавки в периодическом режиме, основное время дуга горела при минимальном содержании окислителя и периодически„ в моменты нарастания теплового потока, плазмообразующая среда обогащалась воздухом в количестве, соответств-;ющем нормальной работе катода в режиме постоянного возобновления, т.е. 40..90Ъ по объему от необходимого для теоретически полной конверсии природного и и газа. Интервалы времени с6... в течение которых плазмообразующей средой служила смесь природного газа и воздуха в укаэанном соотношении, не превышали 60 с, интервалы же времени горения дуги при минимальном со-, держании окислителя составляли 200...

300 с.

Многочисленные эксперименты позво лили определить пределы превышения величины теплового потока в катод над установившейся величиной, соответствующей моменту повышения количества окислителя, равные 10-15Ъ.

Эксперименты показали, что периодическое изменение количества окислителя в плаэмообразуюцей смеси возможно при горении дуги не только с вынесенным анодом, но и при обработке материалов плазменной струей, т.е. с анодом-соплом плазмотрона, особенно в тех случаях, когда катод и анод плазмотрона разделены промежуточным соплом и возможна раздельная подача плазмообразуюцих газов в катодную и анодную области дуги.

Пример 1. Зажигают дугу постоянного тока между расположенным в плазмотроне торцовым катодом с подложкой из спектрально чистого гра. фита и анодом, находящимся в графитовом тигле в шихте углерода с кар-. бидом кальция. Ток дуги — 600 А, плазмообразующая смесь — природный

729930

Составитель Л.Суханова

Техред М.Тепер Коррек тор С. Шекмар

Редактор Е.Зубиетова

Заказ 6739/5 Тираж 1104 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретени9 и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r.

Ужгород, ул. Проектная, 4 на 90 состоящий из метана СН ,и аргон. Расход природного газа—

3000 нл/ч„ расход аргона — 1000 .л/ч.

Величина теплового потока в катод постоянно контролируется по показателяь потенциометра КСП-1 и записы5 вается на его диаграммнсй ленте со скоростью 1800 мм/ч. Сигнал на потенциометр подается с дифференциальной медь-константановой термопары, установленной в магистрали охлаждения10 катода, измеряющей разность температур на выходе и входе в катод и предварительно отградуированной с помощью термостатов. После зажигания. дуги в плазмообразующую смесь по- 15 дают окислитель — воздух — в количестве 3600 нл/ч, что соответствует 0,5 от количества, необходимого для теоретически полной конверсии

3000 л/ч природного газа по реакции

СН4 + 0,5 02 = СО + 2H2 а подачУ аргона выключают.

Через 60 с после того, как тепловой поток в катод достигает установившейся величины 1,5 кВт, выклю- 25 чают подачу воздуха. Через 150 с, после выключения подачи воздуха, т.е. при горении дуги в одном природном газе, по показаниям потенциометра регистрируют начало возрастания теплового потока в катод, который достигает величины 1,65 кВт,т.е. на 10% больше установившейся через

200 с, после выключения подачи воздуха. В этот момент в плазмообразующую смесь вновь подают воздух в количестве. 3600 нл/ч. Через 30 с после того, как тепловой поток в катод снижается до 1,5 кВт, подачу воздуха вновь выключают.

Так, периодически подавая воздух 40 в плазмообраэующую среду лишь на короткие моменты в сравнении со временем горения дуги в одном природном газе, ведут весь процесс плавки.

Дуга горит при этом стабильно, а ко- 45 личество полученного при плавке материала удовлетворительное.

Пример 2. Зажигают дугу постоянного тока между расположенными в плазмотроне торцовым катодом с подложкой из спектрально чистого графита и полым медным анодом, разделенными промежуточным соплом. Ток дуги

500 A. В зону контакта с катодом по1 дают плазмообразующую смесь, состоящую из 2500 нл/ч природного газа и 100 нл/ч аргона. В зону контакта с анодом т.е. за промежуточным соплом, подают плазмообразующую смесь состоящую из 2000 нл/ч природного газа и 3500 нл/ч воздуха. Контролируют, как это показано в примере 1, тепловой поток в катод. После зажигания дуги в плазмообразующую смесь, контактирующую с катодом, подают воздух в количестве 3750 нл/ч, что соответствует 0,63 от количества, необходимого для теоретически полной конверсии 2500 нл/ч природного газа, а подачу аргона выключают.

Через 60 с после того, как тепловой поток в катод достигает установившейся величины 1,8 кВт, расход воздуха, подаваемого в зону контакта с рабочей поверхностью катода, снижают до .1250 нл/ч, что соответствует 0,21 по объему от количества, необходимого для теоретически полной конверсии 2500 нл/ч прйродного газа..

Через 300 с после снижения расхода воздуха по показаниям потенциометра регистрируют начинающийся рост теплового потока в катод, который еще через 100 с достигает 2,07, т.е. на

15Ъ выше установившейся величины.

В этот момент увеличивают расход воздуха до 3750 нл/ч в плазмообразующей смеси, контактирующей с катодом. Через 30 с после этого, когда тепловой поток в катод снижается .до 1,8 кВт, расход воздуха, подаваемого в зону контакта с рабочей поверхностью катода, вновь снижают.

Так, периодически изменяя состав плазмообразующей смеси в зоне контакта с рабочей поверхностью Катода и оставляя неизменным состав плазмообразующей смеси в зоне контакта с рабочей поверхностью анода, что исключает закоксование канала анода, ведут процесс получения восстановительной плазменной струи, применяемой далее для восстановления сернистого ангидрида из отходящих газов циклонной плавки сульфидных материалов.

Дуга при этом горит стабильно при постоянном возобновлении катода.

Годовой экономический эффект составляет 70 тыс. руб. и один плазмотрон.