Неплавящийся электрод для дуговых процессов

 

Союз CoBcTcKHx

Сециаюктмчесиин

Респубяии

ОП ИСАНИЕ

И ЗОВееЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (((,919839 (81) Дополнительное к авт. свид-ву Ф 841871 (53)M. Кл. (22)Заявлеио 14.02,79 (21) 2718551/25-27

В 23 К 35/06 с присоединением заявки,Ие

9кудвфетненный квмнтет

СССР ае авнам нзебретеннй в втнрытнй (23) Приоритет (53) УДК 621. 791, . 755 (088. 8) Опубликовано 15. 04 ..82. Бюллетень М 14

Дата опубликования описания 15.04.82 (72) Авторы изобретения

М. Г.Фридлянд, М.Ç.Живов, И.А.Леб

; I

Государственный проектный и научно-исследовательско институт никелевой промышленности-- 1Гипррникель" (71) Заявитель (54) ИЕПЛАВЯЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ДУГОВЫХ

ПРОЦЕССОВ

Изобретение относится к электро.дуговой обработке и может быть применено при плазменной резке, сварке, наплавке металлов, их выплавке. в металлургии., По основному авт. св. 1Н 841871 известен неплавящийся электрод для дуговых процессов, содержащий обойму с расположенной в ней трубкой для подачи охлаждающей среды и закреплен-. ную на торце обоймы активную вставку, !

О выполненную в виде усеченного конуса, сужающегося к рабочему торцу электрода и имеющего со стороны охлаждения углубление. Электрод снабжен корпуI$ сом и размещенной внутри него трубкой, установленными коаксиально обойме и образукецими кольцевые . полости для дополнительного охлаждения вставки, а углубление выполнено в виде шарового сегмента (11.

В описании основного изобретения не указаны параметры заглубления шарового сегмента. Между тем, проведен2 ные дополнительные расчеты температурных полей в неппавящемся электроде при использовании его в качестве катода дуги постоянного тока, горящей на токе 1000 А в смеси природного и углекислого газов, и коэффициенте теплоотдачи к охййкдающей воде

2 ° 10 Вт/м град показали, что размеры шарового сегмента, а именно его высота Н и диаметр основания d, являются важтвими параметрами, вдиякнки-.. ми на характер распределения и максимальные значения температур как в ак тивной вставке, так и в обойме, что в свою очередь определяет величину предельных тепловых нагрузок, выше которых происходит разрушение конструкции:катода вследствие церегрева материала вставки нли обоймы, а также ресурс работы катода.

Целью изобретения является повышение ресурса работы электрода путем увеличения его термостойкости

919Ц39 4 при эксплуатации на повышенных тепловых нагрузках.

Цель достигается тем, что высота шарового сегмента равна 0 3-0,7 высоты активной вставки, а диаметр основания шарового сегмента 0,8-1,05 диаметра рабочего торца активной вставки.

На фиг. l изображена конструкция неплавящегося электрода, на фиг. 2- 10 сечение активной вставки электрода.

Неплавящийся электрод состоит из водоохлаждаемого корпуса 1 и, закрепленной в нем обоймы 2 (на резьбе, на коиусной насадке и т.п.), выпол- 1 ненной из тепло- и электропроводного материала, как правило меди высокой чистоты. Коаксиальные полости

3 и 4 служат для подачи охлаждающей катод жидкости к его рабочему участку. В обойме 2 плотно укреплена запрессовкой или пайкой активная встав ка 5 выполненная в виде усеченного .;конуса, сужающегося к участку привязки на ней приэлектродной области дуги. Поверхность 6 активной вставки

-"5, обращенная к полости охлаждения, выполнена с заглублением в форме ша,рового сегмента 7 ° Н» и 0 — соответственно высота активной вставки и диаметр ее поверхности на участке привязки при электродной области дуги, т.е. со стороны рабочего торца электрода; Н и d — параметры шарового сегмента, соответственно его вы35 сота и диаметр основания. Полости

8 и 9 предназначены для отвода охлаждающей жидкости после съема тепла с рабочего участка электрода.

Изобретение основано на результа46 . тах дополнительных расчетов на ЭВМ М-222 температурных полей в катбде и

,э кспериментальных данных, полученных ,иа укрупненно- лабораторной установке

,института "Жпроникель", Испытываются активные вставки из

45 графика марки С-l, запрессованные в медные водоохлаждаемые обоймы. Расход охлаждающей воды составляет 500 r/ñ.

Для .охлаждения используется проточ.ная водопроводная вода, содержащая как различные примеси (ржавчину, растворенные соли), так и растворенный кислород, Исследуемые электроды служат катодами плазмотрона, анодом которого является медное водоохлаждаемое сопло с внутренним каналом диаметром 9,0 мм. Для испытаний применя1 .ется общепринятая методика повторнократковременных (по 10-15 мин) зажиганий дуги на токе 500-600 А. В к»честве плазмообразующей среды используется смесь природного газа с расходом 3,0 нм /ч и углекислого газа с расходом 5,0 нм /ч, что обеспечиз вает работу катодов в режиме постоянного возобновления из углерода — продукта диссоциации углеводородов этой смеси. Активные вставки из спектрального чистого графита С-1 катодов в виде усеченных конусов с диаметрами оснований 2,0 и 4,5 мм, высотой 3,0 мм запрессованы в обоймы из меди марки

М1. Высота шарового сегмента в активной вставке изменяется от 0,5 до

2,4 мм, а диаметр основания сегмента — от 1 до 4,5 мм. Охлаждение этих электродов осуществляется двумя потоками воды, подаваемыми через центральную полость (со скоростью 12,м/с) и через основную полость (со скоростью 3 м/с). О поведении катодов различных типов судят по величине теплового потока в них, величине выгорания активной вставки, определяемой по ее заглублению в тело медной обоймы и по внешнему виду поверхности прослойки меди, контактирующей с охлаждающей водой.

Активная вставка катодов, выполнен- ных с заглублением по известной схеме, при высоте шарового сегмента более 2,1 мм (т.е. больше 0,7 высоты активной вставки) или менее 0,9. мм (т.е. ° менее 0,3 высоты активной вставки), а также при диаметре основания заглубления менее 1,6 мм (т.е. менее 0,8 диаметра рабочей поверхности вставки) при первых же включениях ю выгорает. При этом глубина выгорания составляет 0,6-1,5 мм. При высоте заглубления 2,4 мм вставка выгорает полностью и катод разрушается. В остальных случаях после выгорания устанавливается режим постоянного возобновления катода. Однако тепловой поток в катод при этом высок и достигает уровня 3,0-4,0 кВт. На поверхности прослойки меди, контактирующей с охлаждающей водой, появляется пленка телесного цвета диаметром 7-9 мм.

Химическим анализом установлено, что в пленке имеются окислы железа и меди с низкой теплопроводностью. В ряде случаев на поверхности медной прослойки, обращенной к активной вставке, имеются следы оплавления. Резуль,таты испытаний показывают, что проис919839 ходит внезапное разрушение катода после 80-120 включений дуги. Катод, выполненный по предлагаемой схеме, при первом же включении без выгорания активной вставки переходит в режим постоянного возобновления. Величина теплового потока в катод не превышает 2,5 кВт. На поверхности меди, контактирующей с охлаждающей водой, диаметр темной пленки не превышает Змм. 10

В таблице представлены данные расчетов температурных полей в электроде в наиболее теплонагруженных точках - в точке А, находящейся в центре рабочей поверхности вставки, 15 и в точке С, расположенной в вершине заглубления.

Приведенные данные получены для катода с диаметрами активной вставки 2 ° 10 м и 4,5 ° 10 м и высотой 3 10 м. 2о

Из данных таблицы следует, что при невыполнении условий Н 0,3 Н или d+ 0,80 (варианты 5 и 7) температура в точке А выше температуры плавления графита (3700 С), что при- 25 в< дит к ее выгоранию. Это исключает воэможность работы электрода в наиболее благоприятном режиме постоянного возобновления. При невыполнении условия Н>< 0,7 Н (вариант б) тем- 5о пература в точке С выше температуры плавления меди (1083 С), что приводит к механическому разрушению конструкции. При соблюдении указанных размеров эаглубления (варианты 1-4) температуры в точке А и в точке С .ие превышают предельно допустимых для материалов вставки и обоймы. Аиапогичнйе зависимости сохраняются и для катодов, имеющих иные геометрические размеры.

Результаты экспериментальной проверки подтверждают правильность определения граничных значений параметров заглубления.

Физически влияние указанных параметров шарового сегмента на характер. распределения температур в активной вставке и водоохааждаемой обойме обьясняется следукщим образом.

3а счет конической формы активной

50 вставки тепловой поток от дуги, первоначально направленный вдоль оси катода, как бы "отражается" от боковых поверхностей конуса и значительная его часть направляется радиально, что позволяет эффективно использовать дополнительное боковое охлаждение катода, осуществляемое наряду с центральным, в связи с наличием двух полост ей охлаждения. Однако увеличение линейных размеров активной вставки, обусловленное расширением конической поверхности по мере удаления от рабочей поверхности, помимо положительного эффекта экранирования центральной части водоохлаждаемой поверхности обоймы приводит к перегреву центральной части активной вставки вследствие значительно более низкой теплопроводности ее материала по сравнению с материалом обоймы. Наличие заглубления на поверхности активной вставки, обращенной к полости охлаждения, позволяет с одной стороны улучшить условия охлаждения центральной части активной вставки за счет уменьшения расстояния от рабочей поверхности вставки до водоохлаждаемой обоймы, с другой стороны приводит к более равномерному распределению температуры на центральной водоохлаждаемой поверхности обоймы за счет увеличения поверхности ее контакта с активной вставкой.

Таким образом, параметры шарового сегмента оказывают влияние как на характер распределения температур в активной вставке и водоохлаждаемой обойме, так и на значения максималь" ных температур в этих наиболее теплонагруженных элементах конструкции электрода. Выбирая параметры шарового сегмента соответствующим образом, можно обеспечить работу электрода без превышения предельных температур как для материала активной вставки, так и для материала обоймы.

Использование изобретения позволяет увеличить термостойкость конструкции неплавящегося электрода и ресурс его работы иа повышенных тепловых нагрузках. Число включений без разрушения катода увеличивается до 280-320.

919839. Параметры шарового сегмента, отн. ед., по вариантам

1 2 3 4 5 6 в Н О, 3 Н1, Н * О, 7 Н1,8p0,5 Н 11 Н 0.5 Н1, Н -0,25 Н, Н О, 75 Н1, Н 0,5 Н

Температура нарактерннх точках, С

d t,050; dl,05014-0,80; d 1,0D; d 1,05D1 б1,0501 d 0,750

3640 3730 3480 3710

550 490 1095 805

3610 3700

1085 710

3700

510

Формула изобретения

Неплавящийся электрод для дуговых, процессов по авт. св.. В 841871, о т— л и ч а ю. шийся тем, что, с це"

:aiio повышения ресурса работы электрода путем увеличения его термостойкости при эксплуатации на повышенаах тепловых нагрузках, высота шарового сегмента равна 0,3-0,7 высоты активной вставки, а диаметр основания шарового сегмента 0,8-1,05 диаметра рабочего торца активной вставки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Авторское свидетельство СССР по заявке 9 263065 1/25-27, 1978.

919839

Фиг.2

Составитель Л.Суханова

Редактор M.Дылын Техред А, Ач Корректор .Заказ 2228 12 Тираж 1151 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4