ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН Российский патент 2004 года по МПК H05H1/26 C23C4/12 

Изобретение относится к конструкции электродуговых плазмотронов с межэлектродными вставками (МЭВ), предназначенных для нанесения покрытий или плазменной закалки в труднодоступных местах, например, для нанесения защитных покрытий на внутренние поверхности труб, диаметр которых в свету соизмерим с дистанциями, принятыми для напыления (100-300 мм).

Плазмотроны для этих нужд должны удовлетворять двум трудно совместимым требованиям: иметь высокую удельную мощность и (вместе с коммуникациями для подвода плазмообразующего газа, напыляемого порошка, подвода и отвода хладагента) быть малогабаритными и удобными в работе.

Раздельное выполнение этих требований не представляет особых затруднений.

Например, известны однокамерные плазмотроны (см. Жуков М.Ф., Смоляков В. В. , Урюков Б.А. Электродуговые нагреватели газа (плазмотроны). - М.: Наука, 1973, с. 16), имеющие корпус, стержневой катод, трубчатый анод и штуцер для подачи плазмообразующего газа через завихритель в камеру между катодом и трубчатым анодом. Осевой габарит такого плазмотрона лимитируется длиной дуги, самоустанавливающейся при заданных входных параметрах (токе дуги, расходе и составе плазмообразующего газа и интенсивности вихря).

Повышение удельной мощности таких плазмотронов может быть достигнуто за счет роста тока и напряжения на дуге, что связано с удлинением самоустанавливающейся дуги, нестабильностью ее горения и ростом осевого габарита.

Пространственная стабилизация столба дуги и фиксация ее средней длины были достигнуты в электродуговых плазмотронах с МЭВ (см. Жуков М.Ф. Электродуговые генераторы с межэлектродными вставками. - Новосибирск: Наука, 1981, с. 137). В таких плазмотронах практически во всех случаях имеются контуры водяного охлаждения электродов и МЭВ. Однако удлинение МЭВ (например, выполнение ее многосекционной, о чем можно прочесть там же) постепенно приводит к обратному эффекту (росту осевого габарита при снижении удельной мощности), поскольку требуется интенсивное охлаждение электродов и МЭВ в каждой секции. Тепловой КПД электродуговых плазмотронов с МЭВ снижается до уровня, характерного для традиционных плазмотронов, при использовании в качестве хладагента воды и даже газов от внешнего источника (см. Жуков М. Ф. и др. Электродуговые генераторы с межэлектродными вставками. - Наука, Сибирское отделение, Новосибирск, 1981, с. 141). Кроме того, с удлинением МЭВ существенно возрастают осевой габарит и количество шлангов для подвода свежего и отвода нагретого хладагента, а надежность работы плазмотрона снижается.

Тем не менее электродуговые плазмотроны с МЭВ наиболее перспективны для решения задачи напыления покрытий высокого качества с воспроизводимыми свойствами, в том числе в труднодоступных местах.

Из числа известных плазмотронов (плазменных горелок) такого типа к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близок электродуговой плазмотрон ("плазменная горелка") по а.с. СССР 503601, МПК 7 Н 05 Н 1/26, опубл. 25.02.1976, 2 стр. Такой плазмотрон содержит последовательно установленные водоохлаждаемый катод, электрически изолированную с обеих сторон полую МЭВ с кольцевым каналом, который сообщается с источником плазмообразующего газа, полый водоохлаждаемый анод, штуцера для подвода плазмообразующего газа, подключенные к зазорам между катодом и МЭВ и МЭВ и анодным соплом таким образом, что большая часть газа поступает в зазор катод-МЭВ, а меньшая, в смеси с порошковым материалом, поступает в зазор МЭВ-анодное сопло.

Такая конструкция плазмотрона позволяет эффективно работать только на инертных плазмообразующих газах. В плазмотронах такой конструкции происходит преимущественная фиксированная привязка анодного опорного пятна на внутренней поверхности канала анода, что вызывает большие тепловые локальные нагрузки в зоне опорного пятна и ускоренное разрушение анода. Жесткая стабилизация столба дуги на участке МЭВ в данной конструкции плазменной горелки требует повышенной длины осевого канала втулки полого анода для перемешивания пристеночного холодного и приосевого горячего газов и выравнивания параметров течения плазмы на срезе сопла. Таким образом, работа на режимах, близких к предельным (с уровнем удельной мощности 8-9 кВт•ч/нм³), заставляет конструкторов и эксплуатационников существенно увеличивать осевой габарит (до 50% от расчетного).

Основной задачей изобретения является возможность работы плазмотрона на разных плазмообразующих газах, в том числе и активных (воздух с добавкой углеводородного газа) и повышение удельной мощности плазмотрона при сокращении его осевого габарита. Она решается за счет непосредственного подключения всего плазмообразующего газа к системе охлаждения МЭВ, наличия завихрителей, которые расположены по обеим сторонам МЭВ, оптимальных соотношений длины МЭВ к ее диаметру и суммарного сечения проходных каналов, по которым проходит плазмообразующий газ, выходящий в зазор МЭВ-катод к суммарному сечению проходных каналов, выходящих в зазор МЭВ-анод.

Поставленная задача достигается тем, что в электродуговом плазмотроне, включающем последовательно установленные водоохлаждаемый катод, электрически изолированную с обеих сторон полую межэлектродную вставку с кольцевым каналом, который сообщается с источником плазмообразующего газа, полый водоохлаждаемый анод, штуцера для подвода основного и вспомогательного плазмообразующего газа, согласно изобретению штуцер для подвода всего плазмообразующего газа непосредственно подключен к кольцевому каналу в межэлектродной вставке, дополнительно установленные завихрители делят поток плазмообразующего газа на две части и выполнены на межэлектродной вставке в виде каналов, образованных многозаходной резьбой, имеющей выходы по обе стороны межэлектродной вставки в зазоры МЭВ-катод и МЭВ-анод, при этом указанные зазоры открываются в осевой (дуговой) канал плазмотрона, причем соотношение длины межэлектродной вставки к ее диаметру находится в пределах 0,5-3 и отношение суммарного сечения проходных каналов, по которым проходит плазмообразующий газ, выходящих в зазор межэлектродная вставка-катод к суммарному сечению проходных каналов, выходящих в зазор межэлектродная вставка-анод, находится в пределах 1-5.

Таким образом, весь поток плазмообразующего газа поступает сначала на охлаждение в МЭВ, далее проходя через завихрители, выполненные на корпусе МЭВ в виде многозаходной резьбы, нагревается и в подогретом виде через кольцевые коллекторы в зазорах МЭВ-катод, МЭВ-анод попадает в дуговой канал на вихревую стабилизацию дуги: в зазоре МЭВ-катод для использования гафниевых и циркониевых катодов и стабилизации дуги в МЭВ, в зазоре МЭВ-анод (антизавихритель) для гашения остаточной крутки, быстрого выравнивания параметров потока плазмы в анодном канале и обеспечения диффузной привязки анодного опорного пятна.

Возврат тепла, отбираемого при охлаждении МЭВ в зону генерирования плазмы, создает техническую предпосылку для повышения удельной тепловой мощности в струе при минимальных размерах плазмотрона. В этом случае удается повысить удельную мощность плазмотрона по отношению к осевому габариту.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен предложенный плазмотрон в продольном разрезе.

Плазмотрон имеет цилиндрический электрод (анод), содержащий полый водоохлаждаемый корпус 1 с установленной в нем медной цилиндрической втулкой (анодом) 2 с осевым каналом. К корпусу анода 1 через кольцевой изолятор 3 жестко прикреплен электрически изолированный корпус 4 с полой межэлектродной вставкой (МЭВ) 5, плотно зафиксированной в осевом и радиальном направлениях с зазором между катододержателем 12 и анодом. Корпус МЭВ 4 имеет кольцевой коллектор 6, непосредственно подключенный к штуцеру 7 для подачи плазмообразующего газа, который через завихритель 8, выполненный на МЭВ 5 в виде многозаходной прямоугольной резьбы, и кольцевые коллекторы 9, 10 в зазорах МЭВ-катод, МЭВ-анод поступает в осевой (дуговой) канал плазмотрона.

К корпусу МЭВ 4 через кольцевой изолятор 11 жестко прикреплен катододержатель 12 с водоохлаждаемым катодом 13. Торцевой водоохлаждаемый катод 13 жестко связан с катододержателем 12 и расположен на геометрической оси плазмотрона. По оси катода 13 плотно установлена активная вставка 14 из циркония или гафния.

Смежные поверхности катододержателя 12, изолятора 11, корпуса МЭВ 4 образуют первую вихревую камеру на входе в МЭВ 5 в зоне привязки катодного опорного пятна на поверхности активной вставки 14, а смежные поверхности корпуса МЭВ 4 со стороны изолятора 3 и корпуса анода 1 образуют вторую вихревую камеру у входной стороны анода 2.

Плазмотрон работает следующим образом. Катод и анод охлаждаются традиционным способом - водой. Плазмообразующий газ через штуцер 7 подают в кольцевую коллекторную полость 6, откуда через завихритель 8, выполненный на МЭВ 5 в виде многозаходной прямоугольной резьбы, газ поступает через кольцевые коллекторные полости 9, 10 в осевой (дуговой) канал плазмотрона. При этом многозаходная прямоугольная резьба, выполненная на МЭВ 5, способствует ее интенсивному охлаждению и выступает в роли завихрителя первой вихревой камеры и антизавихрителя второй вихревой камеры. Большая часть плазмообразующего газа (55-80% от суммарного расхода) проходит через участок многозаходной прямоугольной резьбы, расположенный вблизи катододержателя и обеспечивающий крутку, например, против часовой стрелки, поступает в кольцевую коллекторную полость 9 и далее на обдув катода, стабилизируя привязку катодного пятна в зоне активной вставки термохимического катода 14. Другая, меньшая часть плазмообразующего газа (20-45% от суммарного расхода), проходит через участок многозаходной прямоугольной резьбы, расположенной вблизи анода и обеспечивающей крутку в противоположную сторону, поступает через кольцевую коллекторную полость 10 в канал сопла анода 2. Далее, смешиваясь, газы проходят через осевой канал полого анода 2 и истекают в атмосферу. Электрическая дуга постоянного тока горит в осевом канале МЭВ 5. Катодное опорное пятно располагается неподвижно на активной вставке 14 катода, анодное опорное пятно в виде плазменного облака примыкает к внутренней поверхности осевого канала полого сопла анода 2. При возбуждении электрической дуги под действием теплового потока от плазмы к стенкам полой межэлектродной вставки 5 она нагревается и расширяется. Благодаря этому она плотно прижимается к корпусу МЭВ 4, обеспечивая проход плазмообразующего газа только через каналы прямоугольной многозаходной резьбы.

Вдув в дуговой канал горячего (300-600^oС) плазмообразующего газа способствует гашению остаточной крутки, расщеплению прианодного участка дуги, жесткой ее пространственной фиксации независимо от уровня тока, расхода и состава плазмообразующего газа и выравниванию профиля скоростей и температур в радиальном сечении плазменной струи. Это позволяет уменьшить длину анодного канала на 50-100%.

Рекуперативное охлаждение МЭВ и уменьшение требуемой из условия формирования плазменной струи длины анодного канала на 50-100% обеспечивают повышение термического КПД плазмотрона на 20-30%.

Вдув в дуговой канал горячего (300-600^oС) плазмообразующего газа способствует также размыванию анодного опорного пятна на внутренней поверхности медной цилиндрической втулки (сопла анода) 2, что увеличивает ее стойкость в 6-8 раз.

Кроме того, благодаря сообщающимся через многозаходную прямоугольную резьбу на МЭВ кольцевым коллекторам 9 и 10, наблюдается эффект саморегулирования процесса генерирования плазмы. При увеличении тока дуги возрастет газодинамическое сопротивление в канале МЭВ и происходит перераспределение потоков плазмообразующего газа с увеличением расхода в сторону кольцевого коллектора 10, что в свою очередь увеличивает диэлектрическую прочность зазора МЭВ-анод и способствует смещению зоны привязки анодного опорного пятна в глубину канала сопла анода 2. Это способствует защите плазмотрона от двойного дугообразования и увеличивает область устойчивой работы плазмотрона при малых расходах плазмообразующего газа на 20-30%.

Длину осевого канала МЭВ выбирают в зависимости от требуемого уровня номинальной мощности плазмотрона в пределах 0,5-3 калибра. Длина 0,5 калибра определяет нижний уровень мощности, дальнейшее снижение невозможно конструктивно, поскольку по длине МЭВ необходимо разместить кольцевую коллекторную полость и завихрители.

Длина канала МЭВ 3 калибра определяет верхний уровень мощности плазмотрона и удельной мощности струи, дальнейшее увеличение невозможно из-за резкого роста теплового потока, перегрева и разрушения МЭВ.

Соотношение суммарного сечения проходных каналов, по которым проходит плазмообразующий газ, выходящий в зазор МЭВ-катод к суммарному сечению проходных каналов, выходящих в зазор МЭВ-анод, выбирают в пределах 1-5. Соотношение проходных сечений практически определяет соотношение гидравлических сопротивлений, т.е. расходы газов в зазоры катод-МЭВ и МЭВ-анод. Соотношение суммарных сечений проходных каналов 1-5 обеспечивает соответственно расход газа в зазор катод-МЭВ 55-80%, а в зазор МЭВ-анод - 20-45%. Снижение расхода газа в зазор катод-МЭВ - менее 55% (соответственно при соотношении проходных сечений менее 1) приведет к ухудшению стабилизации катодного опорного пятна дуги, снижению уровня напряжения на дуге, перегреву МЭВ, снижению достижимого уровня максимальной мощности плазмотрона и удельной мощности струи.

Увеличение расхода газа в зазор катод-МЭВ более 80% (соответственно при соотношении проходных сечений более 5) приведет к снижению диэлектрической прочности зазора МЭВ-анод (соответственно двойному дугообразованию), нарушению условий расщепления прианодного участка дуги, ослаблению ее пространственной стабилизации и выносу за срез сопла-анода.

Таким образом, выход за пределы заявляемых соотношений в конечном счете приведет к невозможности получения высокой удельной мощности плазменной струи с минимальными габаритами плазмотрона.

ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявленный плазмотрон использовался для нанесения износостойкого покрытия из оксида хрома на внутреннюю поверхность цилиндров буровых насосов с последующей шлифовкой алмазным инструментом. Диаметр цилиндра в свету - 150 мм, длина - 750 мм. Нанесение покрытия из оксида хрома осуществлялось при следующих параметрах работы плазмотрона: ток дуги, А - 250, напряжение на дуге, В - 250, расход плазмообразующих газов, нм³/ч - 5, содержание метана в смеси с воздухом, % - 11, КПД плазмотрона - 0,85, удельная мощность в плазменной струе, кВт•ч/нм³ - 11. Диаметр осевого канала анода, мм - 7, диаметр осевого канала МЭВ, мм - 6, длина осевого канала МЭВ, мм - 20, длина осевого канала анода, мм - 18.

Было получено покрытие Сr₂О₃ толщиной 500 мкм с пористостью 0% и микротвердостью, Hv 03-2500.

Заявляемая взаимосвязь элементов в МЭВ и их соотношения обеспечивают длительную (20 и более часов) устойчивую работу плазмотрона без замены теплонагруженных деталей.

Наличие отличительных признаков приводит к повышению КПД, удельной мощности и надежности, упрощению конструкции и эксплуатации плазмотрона с МЭВ, и уменьшению габаритов плазмотрона.

Указанный плазмотрон может быть использован в установках плазменного напыления и закалки.

Изобретение относится к конструкции электродуговых плазмотронов с межэлектродными вставками (МЭВ), предназначенных для нанесения покрытий или плазменной закалки в труднодоступных местах, например для нанесения защитных покрытий на внутренние поверхности труб, диаметр которых в свету соизмерим с дистанциями, принятыми для напыления (100-300 мм). Технический результат - возможность работы плазмотрона на разных плазмообразующих газах, в том числе и активных (воздух с добавкой углеводородного газа), и повышение удельной мощности плазмотрона при сокращении его осевого габарита. Электродуговой плазмотрон включает последовательно установленные водоохлаждаемый торцевой катод, электрически изолированную с обеих сторон полую межэлектродную вставку с кольцевым каналом, который сообщается с источником плазмообразующего газа, полый водоохлаждаемый анод, штуцера для подвода плазмообразующего газа в зазорах МЭВ-анод, МЭВ-катод. Штуцер для подвода всего плазмообразующего газа непосредственно подключен к кольцевому каналу в межэлектродной вставке, а дополнительно установленные завихрители делят поток плазмообразующего газа на две части и выполнены на межэлектродной вставке в виде каналов, образованных многозаходной резьбой, имеющей выходы по обе стороны межэлектродной вставки в зазоры межэлектродная вставка - катод и межэлектродная вставка - анод, при этом указанные зазоры открываются в осевой (дуговой) канал плазмотрона, причем соотношение длины межэлектродной вставки к ее диаметру находится в пределах 0,5-3 и отношение суммарного сечения проходных каналов, по которым проходит плазмообразующий газ, выходящих в зазор межэлектродная вставка-катод к суммарному сечению проходных каналов, выходящих в зазор межэлектродная вставка-анод, находится в пределах 1-5. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электродуговой плазмотрон, включающий последовательно установленные водоохлаждаемый катод, электрически изолированную с обеих сторон полую межэлектродную вставку с кольцевым каналом, который сообщается с источником плазмообразующего газа, полый водоохлаждаемый анод, штуцера для подвода плазмообразующего газа в зазорах, межэлектродная вставка - анод, межэлектродная вставка - катод, отличающийся тем, что штуцер для подвода всего плазмообразующего газа непосредственно подключен к кольцевому каналу в межэлектродной вставке, а дополнительно установленные завихрители делят поток плазмообразующего газа на две части и выполнены на межэлектродной вставке в виде каналов, образованных многозаходной резьбой, имеющей выходы по обе стороны межэлектродной вставки в зазоры межэлектродная вставка - катод и межэлектродная вставка - анод, при этом указанные зазоры открываются в осевой - дуговой канал плазмотрона.2. Электродуговой плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что соотношение длины межэлектродной вставки к ее диаметру находится в пределах 0,5-3.3. Электродуговой плазмотрон по п.1 или 2, отличающийся тем, что соотношение суммарного сечения проходных каналов, по которым проходит плазмообразующий газ, выходящий в зазор межэлектродная вставка - катод к суммарному сечению проходных каналов, выходящих в зазор межэлектродная вставка - анод, находится в пределах 1-5.