RU2506724C1

RU2506724C1 - Electric-arc plasmatron with water stabilisation of electric-arc

Info

Publication number: RU2506724C1
Application number: RU2012127026/07A
Authority: RU
Inventors: Борис Иванович Михайлов; Александр Борисович Михайлов
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-02-10
Also published as: RU2012127026A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to electric-arc plasmatrons with water stabilisation of electric-arc, and can be effectively used when cutting any metal. The electric-arc plasmatron has coaxially and series-arranged cooled cathode assembly, insulator, swirl chamber, a system for feeding plasma-supporting gas and liquid and an anode assembly with an anode nozzle, placed in the inter-electrode gap relative the cathode assembly and forming a cavity for liquid stabilisation transitioning at the outlet into a water screen. The cavity in the anode nozzle is made of two interfaced conical surfaces: a wall which is 2/3 of the length of the initial section of the cavity makes an inclination angle α₁=5-10°, then α₂=30-45° to the cylindrical section at the outlet, the length of which is equal to 0.5-0.8 times its diameter, wherein parameters of the anode nozzle define the nature of liquid stabilisation of the plasma jet and protective characteristics of the water collector-distributor.

EFFECT: simple design, high power of the plasmatron, enthalpy of the obtained plasma and cutting speed.

1 dwg

Description

Изобретение относится к электродуговым плазмотронам с водяной стабилизацией дуги и может быть эффективно использовано при резке всевозможных металлов.The invention relates to electric arc plasmatrons with water stabilization of the arc and can be effectively used in cutting all kinds of metals.

Известен электродуговой плазмотрон с жидкостной стабилизацией дуги (патент RU №2115269, Н05В 7/18, 1998 г.), в котором для жидкостной стабилизации подают тангенциальный поток жидкости, возбуждают в газовой камере вспомогательный разряд, с помощью которого зажигают рабочую дугу. После запуска подачу газа прекращают, а давление жидкости увеличивают. В корпусе плазмотрона с патрубком ввода плазмообразующего газа по оси установлены стержневой электрод и охватывающий его дополнительный электрод, являющийся верхней диафрагмой. Камера жидкостной стабилизации с патрубком тангенциального ввода жидкости пристыкована верхним торцом к дополнительному электроду. К нижней диафрагме подсоединен водосборник-рассекатель, выполненный со сквозными центральным и периферийным отверстиями.Known electric arc plasmatron with liquid arc stabilization (patent RU No. 2115269, Н05В 7/18, 1998), in which a tangential fluid flow is supplied for liquid stabilization, an auxiliary discharge is excited in the gas chamber, by means of which the working arc is ignited. After starting, the gas supply is stopped, and the fluid pressure is increased. A rod electrode and an additional electrode, which is the upper diaphragm, are mounted in an axis in the plasma torch housing with a plasma gas injection port. The liquid stabilization chamber with a tangential fluid inlet pipe is docked with the upper end to the additional electrode. To the lower diaphragm is connected a water collector-divider made with through central and peripheral holes.

Известен способ формирования электродугового разряда в плазмотроне и устройство для его осуществления (патент RU №2165130, Н05В 7/18, 1999 г.), по которому для жидкостной стабилизации до подачи тангенциального потока жидкости подают поток плазмообразующего газа, закрученного относительно оси газовой камеры, с помощью которого, используя вспомогательный разряд, зажигают рабочую дугу. После подачи плазмообразующего газа тангенциальные потоки жидкости раздельно один за другим подают в последовательно расположенные по оси камеры жидкостной стабилизации. В корпусе плазмотрона по оси установлены газовая камера с патрубком ввода плазмообразующего газа, полый электрод с системой магнитной стабилизации и дополнительный электрод, являющийся верхней диафрагмой, плотно подсоединенной к нему торцом, камера жидкостной стабилизации; вторая камера жидкостной стабилизации, со стороны нижней диафрагмы которой к введенному водосборнику-рассекателю можно подсоединить съемный анод-сопло с системой магнитной стабилизации дуги.A known method of forming an electric arc discharge in a plasmatron and a device for its implementation (patent RU No. 215130, НВВ 7/18, 1999), according to which, for liquid stabilization, a plasma-forming gas flow swirling relative to the axis of the gas chamber is supplied with a plasma-forming gas flow, by which, using an auxiliary discharge, a working arc is ignited. After the plasma-forming gas is supplied, the tangential flows of liquid are separately fed one after the other to the liquid stabilization chambers arranged in series along the axis. A gas chamber with a plasma-forming gas inlet pipe, a hollow electrode with a magnetic stabilization system and an additional electrode, which is the upper diaphragm tightly connected to it by the end face, a liquid stabilization chamber, are installed along the axis in the plasma torch case; the second liquid stabilization chamber, from the side of the lower diaphragm of which a removable anode nozzle with a magnetic arc stabilization system can be connected to the introduced catchment-divider.

Основным недостатком этих плазмотронов является затруднения при осуществлении их запуска, т.к. после поджига осциллятором вспомогательной дуги ее не удастся выдуть на разрезаемый лист.The main disadvantage of these plasmatrons is the difficulty in launching them, because after the oscillator ignites the auxiliary arc, it cannot be blown onto the cut sheet.

Недостатками указанных плазмотронов также является снижение производительности резки или повышенный дополнительный расход электроэнергии в случае повышения мощности плазменной дуги. Кроме того, возникают трудности в ведении контроля за процессом резки.The disadvantages of these plasmatrons is also a decrease in cutting performance or increased additional energy consumption in the case of increasing the power of the plasma arc. In addition, it is difficult to control the cutting process.

Известна также плазменная резка со стабилизацией плазменной дуги водой (водоэлектрическая), которая применяется для резки различных металлов и сплавов, оснащенная устройством для создания водяного экрана (И.Г.Ширшов, В.Н.Котиков. Плазменная резка. Л., издательство «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1987. - 192 с., стр.69-71). В плазмотроне с водяной стабилизацией дуги обеспечивается завихрение воды с помощью канала, ограниченного двумя соплами. Кромки сопла защищены от теплового воздействия дуги с помощью тонкой водяной пленки. Вода является наилучшей средой для резки цветных металлов и высоколегированных сталей больших толщин, получается наилучшее качество реза при высокой производительности резки.Also known is plasma cutting with stabilization of the plasma arc by water (water-electric), which is used for cutting various metals and alloys, equipped with a device for creating a water screen (I.G.Shirshov, V.N.Kotikov. Plasma cutting. L., publishing house "Engineering ", Leningrad branch, 1987. - 192 p., Pp. 69-71). In a plasma torch with water stabilization of the arc, water is swirled through a channel bounded by two nozzles. The edges of the nozzle are protected from the thermal effects of the arc with a thin water film. Water is the best medium for cutting non-ferrous metals and high alloy steels of large thicknesses, the best cut quality is obtained with high cutting performance.

Недостатком водоэлектрической резки является сложность возбуждения дуги и начала процесса, это делает процесс недостаточно надежным и технологичным.The disadvantage of water-electric cutting is the complexity of arc excitation and the beginning of the process, this makes the process insufficiently reliable and technological.

Поскольку воду нельзя подавать вместе с плазмообразующим газом в катодное пространство, так как это приводит к разрушению электрода и сопла, то ее подают отдельно: газ в полость сопла, а воду в канал сопла. При испарении воды образуется водяной пар, плазменная дуга, при этом уплотняется, удлиняется и стабилизируется, что обеспечивает лучший перенос энергии и служит для удаления расплавленного металла и шлака из полости реза.Since water cannot be supplied together with the plasma-forming gas to the cathode space, since this leads to the destruction of the electrode and the nozzle, it is supplied separately: gas to the nozzle cavity, and water to the nozzle channel. When water evaporates, water vapor is formed, the plasma arc is compacted, lengthened and stabilized, which provides better energy transfer and serves to remove molten metal and slag from the cut cavity.

За прототип выбран плазмотрон, с соплом-насадкой, сопряженной внутренней конусной поверхностью с основным соплом. Пазы на поверхности сопла обеспечивают для прохода воды в зону дуги. Использование такого сопла позволяет подавать воду внутрь общего канала, образованного совмещением двух сопел, и концентрично столбу дуги, создавая вокруг нее водяную завесу. Сопло-насадка на нижнем срезе выполнена в виде цилиндра. Такая конструкция сопла исключает пересечение струй воды кольцевого потока со столбом плазменной дуги. (И.Г.Ширшов, В.Н.Котиков. Плазменная резка. Л., издательство «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1987. - 192 с., стр.70).For the prototype, a plasmatron was chosen, with a nozzle nozzle mating with an internal conical surface and the main nozzle. The grooves on the surface of the nozzle provide for the passage of water into the arc zone. The use of such a nozzle makes it possible to supply water into the common channel formed by combining two nozzles and concentrically to the arc column, creating a water curtain around it. The nozzle nozzle in the lower cut is made in the form of a cylinder. This design of the nozzle eliminates the intersection of water jets of the annular flow with a column of plasma arc. (I.G.Shirshov, V.N.Kotikov. Plasma cutting. L., publishing house "Mechanical Engineering", Leningrad Branch, 1987. - 192 p., P. 70).

Недостатком данного сопла является достаточно сложное конструктивное решение с несколькими каналами для воздушно-водяной плазменной резки.The disadvantage of this nozzle is a rather complex design with several channels for air-water plasma cutting.

Технической задачей предлагаемого решения является упрощение конструкции, увеличение мощности плазмотрона, энтальпии получаемой плазмы, скорости резки и улучшение труда рабочих.The technical task of the proposed solution is to simplify the design, increase the power of the plasma torch, the enthalpy of the resulting plasma, cutting speed and improve the labor of workers.

Техническим результатом в предлагаемом плазмотроне является то, что, во-первых, в качестве плазмообразующей среды выбрана вода, являющаяся самой экологичной средой, обладающая самой высокой после водорода энтальпией и обеспечивающая самые высокие значения напряженности электрического поля в дуге при ее стабилизации, а во-вторых, удачным выбором схемы слива воды из головки плазмотрона, в результате которого образуется эффективно действующий водяной экран, надежно защищающий рабочее место от гари, испарений и прочих веществ, образующихся при резке металла.The technical result in the proposed plasmatron is that, firstly, water is chosen as the plasma-forming medium, which is the most environmentally friendly medium, which has the highest enthalpy after hydrogen and provides the highest values of the electric field strength in the arc when it is stabilized, and secondly , a successful choice of a scheme for draining water from the plasma torch head, as a result of which an effective water screen is formed that reliably protects the workplace from burning, fumes and other substances that form I for cutting metal.

Это достигается тем, что электродуговой плазмотрон содержит соосно и последовательно установленные охлаждаемые катодный узел с катодом, изолятор, вихревую камеру, систему ввода плазмообразующего газа и жидкости и анодный узел с соплом-анодом, установленным с межэлектродным зазором относительно катодного узла и образующим полость для жидкостной стабилизации, переходящую на выходе в водосборник-рассекатель. Согласно изобретению полость в анодном сопле выполнена неравномерно сужающейся к выходу и выполнена из двух сопряженных конических поверхностей: стенка на 2/3 начального участка полости составляет α₁=5-10°, далее α₂=30-45° до цилиндрического участка на выходе, длина которого равна 0,5-0,8 его диаметра, при этом параметры анодного сопла определяют характер жидкостной стабилизации плазменной струи и защитные характеристики водяного экрана.This is achieved by the fact that the arc plasma torch contains coaxially and sequentially mounted cooled cathode assembly with a cathode, an insulator, a vortex chamber, a plasma-forming gas and liquid injection system and an anode assembly with an anode nozzle mounted with an interelectrode gap relative to the cathode assembly and forming a cavity for liquid stabilization passing at the outlet to the catchment divider. According to the invention, the cavity in the anode nozzle is made unevenly tapering towards the exit and is made of two conjugate conical surfaces: the wall at 2/3 of the initial section of the cavity is α ₁ = 5-10 °, then α ₂ = 30-45 ° to the cylindrical section at the exit, the length of which is 0.5-0.8 of its diameter, while the parameters of the anode nozzle determine the nature of the liquid stabilization of the plasma jet and the protective characteristics of the water screen.

На чертеже представлен продольный разрез электродугового плазмотрона с водяной стабилизацией дуги.The drawing shows a longitudinal section of an electric arc plasma torch with water stabilization of the arc.

Электродуговой плазмотрон с водяной стабилизацией дуги имеет вертикальную ориентацию в пространстве и содержит соосно и последовательно установленные водоохлаждаемый катодный узел 1 с экраном 2, изолятор 3, завихритель 4 из изоляционного материала, анодное сопло 5. Полость в анодном сопле выполнена неравномерно сужающейся к выходу: на 2/3 длины начального участка сопла угол наклона стенки к продольной оси плазмотрона составляет α₁=5-10°, далее α₂=30-45° до цилиндрического участка на выходе, длина которого равна 0,5-0,8 его диаметра. Параметры анодного сопла определяют надежный характер жидкостной стабилизации плазменной дуги, простой и надежный осцилляторный запуск и защитные характеристики водяного экрана.An electric arc plasma torch with water stabilization of the arc has a vertical orientation in space and contains a coaxially and sequentially mounted water-cooled cathode assembly 1 with a screen 2, an insulator 3, a swirler 4 of insulating material, an anode nozzle 5. The cavity in the anode nozzle is made unevenly tapering to the exit: by 2 / 3 of the length of the initial section of the nozzle, the angle of inclination of the wall to the longitudinal axis of the plasma torch is α ₁ = 5-10 °, then α ₂ = 30-45 ° to the cylindrical section at the outlet, the length of which is 0.5-0.8 of its diameter. The parameters of the anode nozzle determine the reliable nature of the liquid stabilization of the plasma arc, a simple and reliable oscillatory triggering, and the protective characteristics of the water screen.

Обрабатываемый металлический лист 6 связан электрической связью с анодным соплом 5, по существу является вторым анодом (выполняет роль анода во время работы плазмотрона) и перемещается со скоростью резки (по стрелке «А» на чертеже). На чертеже показаны: катод 7, дуга 8, водяной экран 9. Межэлектродный зазор 10 регулируется с помощью прокладок 11. Герметизация плазмотрона осуществляется с помощью резиновых колец 12 и прокладок 11 при стягивании осевыми шпильками 13. Изоляторы 14 обеспечивают электроизоляцию конструкции. Завихритель 4 имеет общие каналы подвода и тангенциальной закрутки 15 воды и пускового газа, но подача их технологически разнесена по времени, что необходимо для запуска устройства.The metal sheet 6 to be processed is electrically connected to the anode nozzle 5, essentially it is the second anode (acts as the anode during the operation of the plasma torch) and moves with the cutting speed (along arrow “A” in the drawing). The drawing shows: the cathode 7, the arc 8, the water screen 9. The electrode gap 10 is controlled by gaskets 11. The plasma torch is sealed with rubber rings 12 and gaskets 11 when pulled together by axial studs 13. The insulators 14 provide electrical insulation of the structure. The swirl 4 has common channels for supplying and tangential swirling 15 of water and starting gas, but their supply is technologically separated in time, which is necessary to start the device.

Электродуговой плазмотрон с водяной стабилизацией дуги работает следующим образом. Запуск плазмотрона начинается с подачи пускового газа в завихритель 4, где он, пройдя через тангенциальные отверстия закрутки 15, приобретает закрутку и входит через межэлектродный зазор 10 во внутреннюю полость анодного сопла 5. Затем на катодный узел и анодное сопло подают напряжение источника питания и с помощью осциллятора (не показан на чертеже) осуществляют электрический пробой межэлектродного зазора 10. Образуется искра, по которой развивается электрическая дуга. Расходом пускового газа она выдувается из анодного сопла 5 и перебрасывается на разрезаемый лист металла 6, который выполняет роль анода и напрямую подключен к источнику питания, тогда как анодное сопло - через дополнительное сопротивление R. Благодаря этому переход дуги с анодного сопла 5 на лист 6 происходит надежно без обратных пульсаций. После возбуждения режущей дуги и начала резки в завихритель 4 подается вода, а пусковой газ плавно отключается. Закрученный поток воды в анодном сопле создает вокруг плазменной дуги водяную трубку 16, надежно изолирующую анодное сопло от высокой температуры струи плазмы. Водяной поток по цилиндрическому кольцу анодного сопла 5 под действием центробежных сил и сил тяжести сливается и образует водяной экран 9, защищающий рабочее место оператора от продуктов сгорания, пыли и прочего.An electric arc plasmatron with water stabilization of the arc works as follows. The start of the plasma torch begins with the supply of starting gas to the swirl 4, where it, passing through the tangential openings of the swirl 15, acquires a swirl and enters through the interelectrode gap 10 into the internal cavity of the anode nozzle 5. Then, the voltage of the power source is applied to the cathode assembly and the anode nozzle and, using an oscillator (not shown in the drawing) carry out an electrical breakdown of the interelectrode gap 10. A spark forms along which an electric arc develops. It is blown out from the anode nozzle 5 by the consumption of starting gas and transferred to a cut sheet of metal 6, which acts as the anode and is directly connected to the power source, while the anode nozzle through additional resistance R. Due to this, the arc transitions from the anode nozzle 5 to sheet 6 reliably without back pulsations. After the excitation of the cutting arc and the start of cutting, water is supplied to the swirl 4, and the starting gas is smoothly turned off. The swirling flow of water in the anode nozzle creates a water tube 16 around the plasma arc, reliably isolating the anode nozzle from the high temperature of the plasma jet. The water flow along the cylindrical ring of the anode nozzle 5 under the action of centrifugal and gravity forces merges and forms a water screen 9, protecting the operator’s workplace from combustion products, dust and other things.

После перевода режима работы плазмотрона с газового на водяной режим дуга становится более мощной и работоспособной, так как водяная стабилизация намного эффективнее воздушной стабилизации дуги плазмотрона. Для режущего плазмотрона важным является газодинамические параметры потока плазмы, поскольку они определяют эффективность нагрева, расплавления и удаления металла из полости реза. Конструктивное решение конфигурации полости анодного сопла способствует созданию вокруг плазменной дуги водяной трубки, надежно изолирующей анодное сопло от высокой температуры плазменной дуги.After changing the operating mode of the plasma torch from gas to water, the arc becomes more powerful and efficient, since water stabilization is much more effective than air stabilization of the plasma torch arc. For the cutting plasmatron, the gas-dynamic parameters of the plasma flow are important, since they determine the efficiency of heating, melting, and removing metal from the cut cavity. The constructive solution of the configuration of the cavity of the anode nozzle helps to create a water tube around the plasma arc that reliably isolates the anode nozzle from the high temperature of the plasma arc.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции плазмотрона, увеличение мощности и производительности, резку более толстых листов металла, а также улучшение гигиенических условий труда обслуживающего персонала.The technical result of the invention is to simplify the design of the plasma torch, increase power and productivity, cutting thicker sheets of metal, as well as improve the hygienic working conditions of staff.

Источники информацииInformation sources

1. Патент RU №2115269, Н05В 7/18, 1998 г.1. Patent RU No. 2115269, H05B 7/18, 1998

2. Патент RU №2165130, H05B 7/18, 1999 г.2. Patent RU No. 2165130, H05B 7/18, 1999

3. И.Г.Ширшов, В.Н.Котиков. Плазменная резка. Л., издательство «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1987. - 192 с., стр.70 - прототип.3. I.G. Shirshov, V.N.Kotikov. Plasma cutting. L., publishing house "Engineering", Leningrad branch, 1987. - 192 p., P. 70 - prototype.

Claims

An electric arc plasma torch with water stabilization of the arc, vertically oriented in space, designed for cutting metals, containing a coaxially and sequentially mounted cooled cathode assembly, an insulator, a vortex chamber, a plasma-forming starting gas and liquid input system and an anode nozzle mounted with an interelectrode gap relative to the cathode assembly and made with the possibility of the formation of liquid stabilization of the arc at the exit of the nozzle passing into the water screen, characterized in that the cavity in the ano SG nozzle is made of two conjugate conical surfaces: the wall 2.3 on the initial portion of the cavity length is the inclination angle α ₁ = 5-10 °, more α ₂ = 30-45 ° to the cylindrical portion at the outlet, the length of which is equal to 0.5 0.8 of its diameter, while the parameters of the anode nozzle determine the reliability of the liquid stabilization of the plasma jet and the stable protective characteristics of the water screen.