Защитный колпачок сопла, дуговая плазменная горелка, содержащая указанный защитный колпачок, и применение дуговой плазменной горелки Российский патент 2021 года по МПК H05H1/34 

Настоящее изобретение относится к защитному колпачку сопла для дуговой плазменной горелки, к дуговой плазменной горелке, содержащей указанный защитный колпачок, и к применению дуговой плазменной горелки.

Дуговая плазменная горелка может использоваться как для сухой резки, но также в особенности преимущественно для подводной резки различных металлических заготовок.

При плазменной резке дугу (вспомогательную дугу) сначала зажигают между катодом (электродом) и анодом (соплом), а затем переносят непосредственно на заготовку для осуществления там резки.

Указанная дуга формирует плазму, которая представляет собой термически сильно нагретый электропроводящий газ (плазмообразующий газ), состоящий из положительных и отрицательных ионов, электронов и возбужденных и нейтральных атомов и молекул. В качестве плазмообразующего газа используются различные газы, например, аргон, водород, азот, кислород или воздух. Эти газы ионизируются и диссоциируются посредством энергии дуги. Полученная плазменная струя используется для разрезания заготовки.

Современная дуговая плазменная горелка состоит по существу из ряда основных элементов, таких как корпус, электрод (катод), сопло, один или несколько колпачков, в частности, колпачок сопла и защитный колпачок сопла, которые окружают сопло, и соединения, которые служат для подачи электрического тока, газов и/или жидкостей в плазменную горелку.

Защитные колпачки сопла служат для предохранения сопла в процессе резки от нагревания и набрызгивания расплавленного металла заготовки.

Сопло может состоять из одной или нескольких составных частей. При использовании дуговых плазменных горелок с непосредственным водяным охлаждением сопло обычно удерживается колпачком сопла. Охлаждающая вода протекает между соплом и колпачком сопла. Вторичный газ при этом протекает между колпачком сопла и защитным колпачком сопла. Последний служит для создания определенной среды, чтобы ограничивать плазменную струю, и для защиты от набрызгивания при проникновении плазменной струи через соответствующую заготовку.

При использовании дуговых плазменных горелок с газовым охлаждением и плазменных горелок с косвенным водяным охлаждением колпачок сопла может не использоваться. Вторичный газ при этом протекает между соплом и защитным колпачком сопла.

Электрод и сопло имеют определенное пространственное расположение друг относительно друга и ограничивают пространство, а именно плазменную камеру, в которой формируется плазменная струя. Конструкция сопла и электрода может оказывать сильное влияние на параметры плазменной струи, такие как, например, диаметр, температура, плотность энергии и скорость истекания плазмообразующего газа.

Электроды и сопла для разных плазмообразующих газов изготавливают из разных материалов и с разной формой.

Сопла и защитные колпачки сопла обычно изготавливают из меди, и они имеют непосредственное или косвенное водяное охлаждение. В зависимости от операции резки и электропитания дуговой плазменной горелки, используются сопла, имеющие разные внутренние контуры и отверстия разного диаметра, и, тем самым, обеспечивающие наиболее эффективные результаты резки.

Например, в заявке на патент Германии №102004049445 А1 описана дуговая плазменная горелка, содержащая электрод и сопло с водяным охлаждением, а также защитный колпачок сопла с газовым охлаждением. Для этой цели вторичный газ подается через держатель защитного колпачка сопла вовнутрь за пространство винтового соединения между держателем колпачка сопла и защитным колпачком сопла, по каналу для вторичного газа, образованному между защитным колпачком сопла и колпачком сопла, в плазменную струю.

В европейском патенте №2465334 В1 раскрыты защитный колпачок сопла, держатель защитного колпачка сопла и дуговая плазменная горелка.

Защитный колпачок сопла содержит переднюю часть и заднюю часть с резьбовым участком на своей внутренней поверхности для винтового соединения с корпусом дуговой плазменной горелки, причем по резьбовому участку на внутренней поверхности проходит по меньшей мере одна канавка.

Европейский патент №0573653 В1 относится к дуговой плазменной горелке, содержащей электрод и сопло с водяным охлаждением, а также к горелке, содержащей защитный колпачок сопла с водяным охлаждением. Так же, как и в случае дуговой плазменной горелки, выполненной в соответствии с заявкой на патент Германии №102004049445 А1, вторичный газ, находящийся в держателе защитного колпачка сопла, подается вовнутрь за пространство винтового соединения между держателем защитного колпачка сопла и защитным колпачком сопла в плазменную струю.

Конструктивные варианты, хорошо известные из предшествующего уровня техники, могут использоваться в основном применительно к защитному колпачку сопла, выполненному в соответствии с изобретением, а также к дуговой плазменной горелке, имеющей такой колпачок.

В описанных плазменных горелках защитный колпачок сопла выполнен из меди или другого цветного металла, обычно обладающего в особенности хорошей теплопроводностью. В частности, при подводной плазменной резке концевая часть плазменной горелки и, следовательно, также защитный колпачок сопла, в процессе резки расположены в воде, в которой также находится и заготовка, при этом происходит повышенный износ поверхности канала защитного колпачка сопла при прожигании или резке. Это ведет к ухудшению качества резки, поскольку газовый поток вторичного газа нарушается. Кроме того, сокращается полезный срок службы, что приводит к необходимости более частой замены и к простоям. Это возникает, в частности, в результате электроэрозионных процессов, например, при искровом разряде при зажигании, в результате электрохимических процессов и физической перегрузки материала вследствие температуры и/или кавитации.

Еще одной проблемой является соответствующая механическая прочность защитных колпачков сопла, в частности, если концевая часть плазменной горелки и, следовательно, также защитный колпачок сопла соприкасаются с заготовкой. Это может привести к деформации защитного колпачка сопла и к ухудшению качества резки вследствие нарушения потока вторичного газа.

Таким образом, целью изобретения является повышение полезного срока службы защитного колпачка сопла дуговой плазменной горелки. Это относится, в особенности, к подводной плазменной резке. Кроме того, цель заключается в том, чтобы сохранить неизменно высокое качество резки в течение относительно продолжительного периода времени, а также снизить степень риска механического повреждения защитного колпачка сопла. Одновременно, цель заключается в обеспечении достаточной теплопроводности защитного колпачка сопла, чтобы избежать перегрева.

В соответствии с изобретением, указанная цель достигается с помощью защитного колпачка сопла, имеющего признаки пункта 1 формулы изобретения. В пункте 8 формулы изобретения заявлена дуговая плазменная горелка с указанным соплом, а в пункте 9 формулы изобретения заявлено применение дуговой плазменной горелки.

Предпочтительные варианты выполнения и усовершенствования изобретения могут быть реализованы с помощью признаков, указанных в зависимых пунктах формулы изобретения.

Защитный колпачок сопла, выполненный в соответствии с изобретением, предназначенный для дуговой плазменной горелки, расположен и закреплен снаружи на концевой части указанной горелки, на которой плазменная струя выходит из дуговой плазменной горелки через сопловидные отверстия. Указанный защитный колпачок сопла изготовлен из сплава железа с содержанием серы не менее 0,05%.

Предполагается, что содержание серы в сплаве железа должно составлять от 0,05% до 0,5%, предпочтительно от 0,1% до 0,4%, наиболее предпочтительно от 0,15% до 0,35%.

Помимо серы, может быть добавлен по меньшей мере один дополнительный легирующий элемент, выбранный из группы, в которую входят хром, никель, марганец, молибден, ниобий, титан, вольфрам и ванадий.

Один или несколько дополнительных легирующих элементов могут содержаться в количестве не более 35%. В данном случае содержание соответствующих нескольких дополнительных легирующих элементов составляет в сумме не более 35%. При этом предполагается, что содержание одного или нескольких дополнительных легирующих элементов, помимо серы, должно составлять по меньшей мере 5%. Помимо легирующих элементов и серы для защитного колпачка сопла, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, предполагается использовать материал, содержащий только железо.

Предполагается, что в качестве дополнительных легирующих элементов хром и никель должны быть вместе добавлены в сплав железа.

Предполагается, что сплавы железа не содержат углерод или содержат незначительную долю углерода. Предполагается, что максимальное содержание углерода должно составлять 2,1%, предпочтительно 1,2%, наиболее предпочтительно 0,5%.

Также предполагается, что сплав железа содержит менее 0,1% кобальта, предпочтительно менее 0,05% и наиболее предпочтительно не содержит кобальт.

Предполагается, что сплав железа, используемый для изготовления защитного колпачка сопла, имеет теплопроводность не менее 10 Вт/м*К, твердость не менее 150 единиц по Бринеллю (МПа) и/или обладает устойчивостью к окислению и коррозии при нормальных условиях внешней среды или условиях использования. При этом под «нормальной» следует понимать обычную окружающую среду и использование в воде, не содержащей по меньшей мере химически агрессивных веществ, или к которой выполняют дополнительный подвод энергии.

Предполагается, что конструкция дуговой плазменной горелки, на которой может быть закреплен предложенный защитный колпачок сопла, по меньшей мере выполнена такой, что имеет корпус, электрод, расположенный на корпусе горелки, сопло с центральным отверстием, которое расположено так, чтобы закрывать электрод таким образом, что он отделен каналом для плазмообразующего газа, образованным между указанным соплом и электродом. Предполагается, что защитный колпачок сопла прикреплен с возможностью отсоединения к дуговой плазменной горелке и имеет выпускное отверстие, расположенное на передней стороне указанного защитного колпачка сопла и напротив отверстия сопла, и кольцевой канал для вторичного газа, расположенный внутри защитного колпачка сопла, при этом канал для вторичного газа соединен с выпускным отверстием. Предполагается, что защитный колпачок сопла электрически изолирован от электрода и сопла и образует завихритель вторичного газа, имеющий по меньшей мере один проход.

Дуговая плазменная горелка, имеющая защитный колпачок сопла, выполненный в соответствии с изобретением, может использоваться для разрезания заготовок. При этом по меньшей мере защитный колпачок сопла и соответствующая заготовка расположены под водой.

Далее изобретение рассмотрено более подробно посредством примера.

На чертеже:

Фиг. 1 изображает вид в разрезе дуговой плазменной горелки с защитным колпачком сопла, выполненным в соответствии с изобретением.

На Фиг. 1 показана плазменная горелка 1, выполненная в соответствии с конкретным вариантом выполнения изобретения. Горелка 1 содержит корпус 2 с электродом 3 и соплом 4, имеющими по существу вращательно-симметричную форму относительно продольной оси L горелки 1. Электрод 3 и сопло 4 расположены в корпусе 2 горелки соосно, находятся в определенном пространственном расположении и формируют плазменную камеру 6, через которую протекает плазмообразующий газ PG, подающийся по каналу 6а для плазмообразующего газа. Колпачок 5 сопла расположен соосно продольной оси L плазменной горелки 1, удерживает и окружает сопло 4, выполняя защитную функцию. Между соплом 4 и колпачком 5 расположена камера 11, через которую протекает охлаждающая вода. Охлаждающая вода подается через канал WV для подачи воды и вытекает через канал WR для возврата воды.

Кольцеобразный завихритель 8 вторичного газа с большим количеством проходов, выполненных, в частности, в виде каналов, из которых только один обозначен номером позиции 8а, расположен в канале 9 для вторичного газа, образованном между колпачком 5 сопла и защитным колпачком 7 сопла, между впускным отверстием 8b для вторичного газа и передним концом канала 9 для вторичного газа таким образом, что вторичный газ SG, протекающий через проходы 8а, сталкивается с поверхностью наружной оболочки колпачка 5 сопла. Вторичный газ SG затем проходит через канал 9 для вторичного газа, ограниченный поверхностью оболочки колпачка 5 сопла и внутренней поверхностью 7b защитного колпачка 7 сопла, к переднему концу плазменной горелки 1, затем подается в плазменную струю (не показана) и выходит через выпускное отверстие 7а защитного колпачка 7 сопла. После выхода плазменной струи из отверстия 4а сопла, закрученный поток вторичного газа SG протекает вокруг плазменной струи и при этом создает вокруг плазменной струи определенную среду.

Проходы 8а завихрителя 8 вторичного газа расположены таким образом, что формируется закрученный поток вторичного газа SG. Например, проходы 8а в завихрителе 8а вторичного газа могут быть расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по окружной периферии завихрителя 8 вторичного газа таким образом, чтобы проходить в радиальном направлении или со смещением относительно радиальной линии, то есть так, чтобы они были направлены к точке, в каждом случае смещенной относительно фактической центральной точки окружности.

Также возможно, например, что горелка не содержит колпачка 5 сопла и что сопло 4 ввинчено в корпус 2 горелки. Тогда камера 5, через которую протекает вторичный газ SG, будет ограничена поверхностью оболочки сопла 4 и внутренней поверхностью 7b защитного колпачка 7.

Применительно к этой дуговой плазменной горелке можно, в соответствии с изобретением, применять защитный колпачок 7, как заявлено в любом из пп. 1-8. В конкретном отдельном примере защитный колпачок 7 может состоять из сплава, выполненного из железа и дополнительно содержащего от 17 до 19% хрома, от 8% до 10% никеля и от 0,15% до 0,35% серы. Максимальное содержание углерода может составлять до 0,1%.

Номера позиций

1 плазменная горелка

2 корпус горелки

3 электрод

4 сопло

4а отверстие сопла

5 колпачок сопла

6 плазменная камера

6а канал для плазмообразующего газа

7 защитный колпачок сопла

7а выпускное отверстие

7b внутренняя поверхность

8 завихритель вторичного газа

8а проход

8b впускное отверстие для вторичного газа

9 канал для вторичного газа

L продольная ось

PG плазмообразующий газ

SG вторичный газ

WV канал для подачи воды

WR канал для возврата воды

Изобретение относится к плазменным горелкам и обеспечению их работы. Защитный колпачок (7) сопла плазменной горелки расположен и закреплен снаружи на концевой части горелки (1), на которой плазменная струя выходит из горелки (1) через сопловидные отверстия (4а, 7а). Защитный колпачок (7) сопла изготовлен из сплава железа с содержанием серы по меньшей мере 0,05%. Возможно использование колпачка в дуговой плазменной горелкае (1), содержащей корпус (2), электрод (3), расположенный в корпусе (2) горелки, сопло (4), имеющее центральное отверстие (4а) и расположенное таким образом, что оно закрывает электрод (3) так, что он отделен каналом (6а) для плазмообразующего газа, образованным между указанным соплом и электродом. Защитный колпачок (7) сопла, имеющий выпускное отверстие (7а), расположенное на переднем конце указанного защитного колпачка напротив отверстия (4а) сопла, и кольцевой канал (9) для вторичного газа, расположенный внутри защитного колпачка (7) сопла и соединенный с выпускным отверстием (7а), причем защитный колпачок (7) сопла электрически изолирован от электрода (3) и сопла (4), и завихритель (8) вторичного газа, имеющий по меньшей мере один проход (8а). Защитный колпачок (7) сопла прикреплен к дуговой плазменной горелке (1) с возможностью отсоединения. Возможно применение плазменной горелки для разрезания заготовок, причем по меньшей мере защитный колпачок (7) сопла и соответствующая заготовка расположены под водой. Техническим результатом является повышение полезного срока службы защитного колпачка сопла дуговой плазменной горелки при сохранении высокого качества резки, в том числе при подводной плазменной резке, а также снижение степени риска механического повреждения защитного колпачка сопла и исключение его перегрева. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Защитный колпачок (7) сопла для дуговой плазменной горелки (1), расположенный и закрепленный снаружи на концевой части указанной горелки (1), на которой плазменная струя выходит из плазменной горелки (1) через сопловидные отверстия (4а, 7а), отличающийся тем, что он изготовлен из сплава железа с содержанием серы по меньшей мере 0,05%.

2. Защитный колпачок по п. 1, отличающийся тем, что содержание серы в сплаве железа составляет от 0,05% до 0,5%, предпочтительно от 0,1% до 0,4%, наиболее предпочтительно от 0,15% до 0,35%.

3. Защитный колпачок по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что, помимо серы, сплав содержит по меньшей мере один дополнительный легирующий элемент, выбранный из хрома, никеля, марганца, молибдена, ниобия, титана, вольфрама и ванадия.

4. Защитный колпачок по п. 3, отличающийся тем, что сплав содержит один или несколько дополнительных легирующих элементов в количестве не более 35%.

5. Защитный колпачок по п. 3 или 4, отличающийся тем, что в качестве дополнительных легирующих элементов сплав содержит хром и никель.

6. Защитный колпачок по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что сплав не содержит углерода или максимальное содержание углерода в сплаве составляет 2,1%, предпочтительно 1,2%, наиболее предпочтительно содержание углерода в сплаве составляет не более 0,5%.

7. Защитный колпачок по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что сплав содержит менее 0,1% кобальта, предпочтительно менее 0,05% и наиболее предпочтительно не содержит кобальта.

8. Защитный колпачок по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что сплав железа имеет теплопроводность по меньшей мере 10 Вт/м*K, твердость по меньшей мере 150 единиц по Бринеллю и/или обладает устойчивостью к окислению и коррозии при нормальных условиях внешней среды или эксплуатации.

9. Дуговая плазменная горелка (1), содержащая корпус (2), электрод (3), расположенный в корпусе (2) горелки, сопло (4), имеющее центральное отверстие (4а) и расположенное таким образом, что оно закрывает электрод (3) так, что он отделен каналом (6а) для плазмообразующего газа, образованным между указанным соплом и электродом,

защитный колпачок (7) сопла, имеющий выпускное отверстие (7а), расположенное на переднем конце указанного защитного колпачка напротив отверстия (4а) сопла, и кольцевой канал (9) для вторичного газа, расположенный внутри защитного колпачка (7) сопла и соединенный с выпускным отверстием (7а), причем защитный колпачок (7) сопла электрически изолирован от электрода (3) и сопла (4), и

завихритель (8) вторичного газа, имеющий по меньшей мере один проход (8а),

при этом защитный колпачок (7) сопла прикреплен к дуговой плазменной горелке (1) с возможностью отсоединения,

отличающаяся тем, что защитный колпачок (7) сопла выполнен по любому из пп. 1-8.

10. Применение плазменной горелки по п. 9 для разрезания заготовок, причем по меньшей мере защитный колпачок (7) сопла и соответствующая заготовка расположены под водой.