Способ стабилизации сжатой дуги

СОЮЗ СОВЕТСКИХ,СОЦИАЛИСТИЧЕСНЙХРЕСПУВЛИК (19 яО= ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 5 проектный льскнй инстит(54)(57) СПОСОБ СТА .ДУГИ по авт.св, Р 4 чающий ся те й СЭ ОСУДАРСТОЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧКРЫТИЙ 61) 479583(56) 1. Авторское сР 479583, кл. В 23 д 1 В 23 К 9/16, Н 05 В 7/О повыаения качества обрабатываемогоматериала путем увеличения восстановительного потенциала используемойплазмообразующей среды и расширения области использования способапутем создания возможности его применения при обработке окисляющихся металлов, подачу окислителя прекращают при установлении постоянства величины теплового потока в катод ипоследующие подачи окислителя производят периодически в мОменты времени, соответствующие увеличению установивщегося теплового потока в катодна 10-15,Предлагаемое изобретение относйтся к области электродуговой, преимущественно плазменной обработки, и может быть применено в машиностроениипри сварке, напланке, поверхностнойобработке металлов и н металлургиипри их ныпланке ипереплавке.По основному авт,св. Р 479583 1,иэнестен сПособ стабилизации сжатойдуги в активной плазмообразующей среде, содержащей углеводороды и контактирующей с рабочей поверхностьюкатода, при котором после выхода дуги на режим стабильного горения всостав плазмообразующей смеси вво-,дят окислитель н количестве 40-90 15по объему от количества, соответствующего теоретически полной конверсии углеводородов, входящих н составплазмообраэующей смеси, Окислительв плазмообраэующую среду начинаютвводить в интервале времени от момента снижения теплового потока в катодна 10 от величины максимального значения до момента установления постоянной величины теплового потока вкатод, преимущественно, в начале интервала.Недостатком известного способаявляется ограничение области егоприменения лишь теми процессами обработки, при которых содержание восстанонителя в газовой атмосфередуги и плазменной струи не превышает значений, определяемых указаннымсоотношением углеводородов и окислителя в смеси. это исключает применение известного способа в технологических процессах, требующих длясвоего проведения газовой атмосферыс большим восстановительным потенциалом, т.е. меньшим содержанием окис"лителя, например, при восстановительной плавке руд, сварке и поверхностной обработке легко окисляющихся металлов.Целью изобретения является повышение 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 постоянствавеличины теплового потока н катод и 55 последующие подачи окислителя производят периодически в моменты времени, соответствующие увеличению установившегося теплового потока в катод на10-15. 60Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен график, хаактериэующий зависимость величины рактеплового .потока в электрод от рт 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 1 на кривой 1. Введение в плаэмообразующую смесь окислителя в количестве 4090 по объему от количества, соответствующего теоретически полной конверсии углеводородов смеси, в интервале времени отдо, когда тепловойЕпоток снижается от величины, соответствующей точке 8 на кривой 1, и на 10 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 с 4 уменьшить количество окислителя в смеси, то начиная с момента времени с вновь начинается увеличение размеров истинного углеродного катода, сопровождающегося ростом теплового потока н него, Интервалл лвремени оть 4,донормальной работы катода при пониженном расходе окислителя зависит при прочих равных условиях от степени снижения его расхода, становясь минимальным при полном исключении окислителя из составал смеси. К моменту времени ь 6 тепловой поток в катод, соответствующий точке 3 на кривой 1, превосходит на 10-15 установившуюся величину теплового потока в катод, соответствующую, как указывалось выше, точке С на кривой 1. В моментЬ количество окислителя в смеси вновь увеличивают до 40.;90 от количества, соответствующего 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 угленодородовДалее процесс изменения количества окислителя в плаэмообразующей смеси ведут таким же образом, периодически в течение всего времени плазменной обработки.Таким образом, обеспечивается воэможность основную часть времениплазменной обработки материала вестив газовой атмосфере с высоковосстановительной способностью, не нарушаяв то же время режима постоянного возобновления катода плазмотрона.Увеличение количества окислителя до того, как тепловой поток в катод возрастает менее чем на 10 Ъ,нерационально, так как приведет куменьшению обцего времени обработкив газовой атмосфере с повышенным10восстановительным потенциалом, в товремя как изменения геометрии катода, соответствующие такому увеличению теплового потока, не опасны с точки зрения стабильности горения дуги 15и качества обработки,Увеличение количества окислителяпосле того, как тепловой поток в катод возрастает на 15 Ъ в сравнении сустановившейся величиной, нежелательно, так как геометрические размерыкатода при этом возрастают настолько, что значительно увеличивается инл лтервал времени от 6 до ьт, в течение которого параметры катода,т.е. его размеры, и тепловой потокв него возврацаются к первоначальнымустановившимся значениям.Изменение количества окислителяможно автоматизировать, связав термопары, регистрирующие изменение температуры охлаждаюцей катод воды,т.е. при постоянном ее расходе - изменение теплового потока в,катод,с исполнительными механизмами в магистрали подачи окислителя. 35Возможность периодического изме-. нения состава плазмообразующей сме си углеводородов и окислителя, контактируюцей с рабочей поверхностью катода, была автором обнаружена экс периментально.При плазменной .плавке шихты карбида кальция с углеродом в графитовом. тигле вынесенной дугой постоянного тока, анодом которой служил обрабатываемый м=териал, применяли плазмотроны с постоянно .возобновляющимся. катодом. В качестве плазмообразующей среды, обеспечивающей постоянное возобновление катода, использовался при 50 родный газ в .смеси с воздухом, количество которого по объему составляло 45% 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 переплавленного в этих условиях материала показали, что для повышения его качества необходимо повышать восстановительный потенциал в газовой атмосфере дуги на участке обработки, что исхо дя из необходимости постоянного возобновления катода плазмотрона, могло 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 нормаль. ной работе катода в режиме постоянного возобновления, т.е. 4090 по объему от необходимого для теоретически полной конверсии природногол л газа. Интервалы временив 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 200300 с. Многочисленные эксперименты позво лили определить пределы превышения величины теплового потока в катод над установившейся величиной, со. ответствующей моменту повышения количества окислителя, равные 10-15.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.П р и м е р 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 - природный729930 Составитель Л.Суханова Техред М.Тепер КорректорС,Шекмар Редактор Е.Зубиетова Заказ,6739/5 Тираж 1104 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретени 9 и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "ПатенТ", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 газ, на 90 Ь состоящий из метана СН 4, ,и аргон. Расход природного газа - 3000 нл/ч расход аргона - 1000 .л/ч. Величина теплового потока в катод постоянно контролируется по показателяь потенциометра КСПи записы 5 вается на его диаграммнсй ленте со скоростью 1800 мм/ч. Сигнал на потенциометр подается с дифференциальной медь-константановой термопары, установленной в магистрали охлаждения 1 О катода, измеряющей разность температур на выходе и входе в катод и предварительно отградуированной с помощью термостатов. После зажигания. дуги в плазмообразующую смесь по 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 2 О СН 4 + 0,5 О = СО + 2 Н, а подачу аргона выключают.Через 60 с после того, как тепловой поток в катод достигает установившейся величины 1,5 кВт, выклю 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 ко-роткие моменты в сравнении со временем горения дуги в одном природном газе, ведут весь процесс плавки. Дуга горит при этом стабильно, а количество полученного при плавке материала удовлетворительноеП р и м е р 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 А. В зону контакта с катодом по дают плазмообразующую смесь, состоящую из 2500 нл/ч природного газаи 100 нл/ч аргона. В зону контакта с анодом т.е. за промежуточнымсоплом, подают плазмообразующую смесьсостоящую 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, подаютвоздух в количестве 3750 нл/ч, чтосоответствует 0,63 от количества,необходимого для теоретически полнойконверсии 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 контактас рабочей поверхностью катода, снижают до 1250 нл/ч, что соответствует 0,21 по объему от количества, необходимого длятеоретически полнойконверсии 2500 нл/ч прйродного газаЧерез 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. на15 выше установившейся величины.В этот момент увеличивают расходвоздуха до 3750 нл/ч в плазмообразующей смеси, контактирующей с катодом. Через 30 с после этого, когдатепловой поток в катод снижаетсядо 1,8 кВт, расход воздуха, подаваемого в зону контакта с рабочей поверхностью катода, вновь снижают,Так, периодически изменяя составплазмообразующей смеси в зоне контакта с рабочей поверхностью Катодаи оставляя неизменным состав плазмообразующей смеси в зоне контакта срабочей поверхностью анода, что исключает закоксование канала анода, ведут процесс получения восстановительной плазменной струи, применяемойдалее для восстановления сернистогоангидрида 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.