Горелка для газоплазменного напыления

 

Изобретение относится к газотермическим покрытиям, в частности к аппаратуре газопламенного напыления, работающей преимущественно на смеси газов - заменителей ацетилена - с кислородом, и может быть использовано для повышения качества нанесенных покрытий и снижения потерь напыляемого материала. Сущность изобретения: в торце мундштука дополнительно выполнена полость, а в воздушном сопле дополнительно выполнен раструб длиной 0,07-0,5 диаметра раструба на входе при углах наклона к оси центрального канала мундштука кольцевого зазора 30-75° и газовых сопел 6-24°, при этом диаметр раструба на входе составляет 0,5-1,5 диаметра полости мундштука. Оси газовых сопел выполнены на окружности, диаметр которой составляет 0,5-0,8 диаметра полости в торце мундштука. В мундштуке выполнен дополнительный ряд газовых сопел, расположенных концентрично вокруг центрального канала. Дополнительный ряд газовых сопел выполнен на окружности, диаметр которой составляет 0,2-0,5 диаметра полости в торце мундштука. Суммарная площадь газовых сопел дополнительного ряда составляет 0,1-0,5 суммарной площади газовых сопел основного ряда. Газовые сопла дополнительного ряда выполнены в виде пазов. Газовые сопла основного ряда выполнены в виде пазов. Газовые сопла дополнительного ряда выполнены под углом 1-6° к оси центрального канала. Глубина полости в торце мундщтука составляет 0,4-1,2 диаметра полости. Ширина кольцевого зазора составляет 0,05-0,4 диаметра полости. В воздушном сопле выполнен дополнительный канал (или каналы), соединяющий кольцевой зазор на выходе с окружающей атмосферой. Торцовая часть мундштука выполнена разъемной относительно остальной части мундштука. В мундштуке установлены две шайбы, выполняющие роль клапанов и пламягасителей. 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к газотермическим покрытиям, в частности к аппаратуре газопламенного напыления, работающей преимущественно на смеси газов заменителей ацетилена (метана, природного газа, пропан-бутана и др.) с кислородом.

В настоящее время газопламенное напыление в силу ряда достоинств (мобильность, простота оборудования, эффективность, универсальность и др.) нашло широкое применение для получения различного типа покрытий износостойких, декоративных, коррозионностойких, антифрикционных, притирочных, антиадгезионных, светоотражающих, терморегулирующих, уплотнительных и др.

Дальнейшее распространение этого экономически выгодного способа напыления тормозится острым дефицитом ацетилена, поэтому замена ацетилена на другие горючие газы представляет практический интерес.

Известна горелка для газопламенного напыления, содержащая распылительную головку и корпус с каналами подачи горючего газа и окислителя. В распылительную головку входит мундштук с порошковым каналом и концентрично расположенными вокруг него газовыми соплами [1] При использовании в данной горелке в качестве горючего газа газов заменителей ацетилена напыленные покрытия легко отслаиваются и имеют нетоварный вид.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой является горелка для газопламенного напыления, содержащая корпус с каналами подачи горючего газа, окислителя и воздуха, мундштук с центральным каналом для подачи напыляемого материала, вокруг которого концентрично расположен ряд газовых сопел, воздушное сопло, соединенное с каналом подачи воздуха, образующее с мундштуком кольцевой зазор с углом наклона к оси мундштука [2] Недостатками этой горелки являются низкое качество покрытий, нанесенных с применением в качестве горючего газа газов заменителей ацетилена, большие потери напыляемого материала, вызванные низким коэффициентом использования напыляемого материала.

Целью предлагаемого изобретения является повышение качества нанесенных покрытий и снижение потерь напыляемого материала.

Цель достигается тем, что в горелке для газопламенного напыления, содержащей корпус с каналами подачи горючего газа, окислителя и воздуха, мундштук с торцом и центральным каналом для подачи напыляемого материала, вокруг которого концентрично расположен ряд газовых сопел, воздушное сопло, соединенное с каналом подачи воздуха, образующее с мундштуком кольцевой зазор с углом наклона к оси мундштука, согласно изобретению в торце мундштука дополнительно выполнена полость, а в воздушном сопле дополнительно выполнен раструб длиной 0,07-0,5 диаметра раструба на входе при углах наклона к оси центрального канала мундштука кольцевого зазора 30-75^о и газовых сопел 6-24^о, при этом диаметр раструба на входе составляет 0,5-1,5 диаметра полости мундштука.

Оси газовых сопел могут быть выполнены на окружности, диаметр которой составляет 0,5-0,8 диаметра полости в торце мундштука.

В мундштуке может быть выполнен дополнительный ряд газовых сопел, расположенных концентрично вокруг центрального канала.

Этот дополнительный ряд газовых сопел может быть расположен на окружности, диаметр которой составляет 0,2-0,5 диаметра полости в торцовой части мундштука.

Суммарная площадь газовых сопел дополнительного ряда может составлять 0,1-0,5 суммарной площади газовых сопел основного ряда.

Газовые сопла дополнительного ряда могут быть выполнены в виде пазов.

Газовые сопла основного ряда могут быть выполнены в виде пазов.

Газовые сопла дополнительного ряда могут быть выполнены под углом 1-6^о к оси центрального канала.

Глубина полости в торцовой части мундштука может составлять 0,4-1,2 диаметра полости.

Ширина кольцевого зазора может составлять 0,05-0,4 диаметра полости.

В воздушном сопле может быть выполнен дополнительный канал (или каналы), соединяющий кольцевой зазор на входе с окружающей атмосферой.

Торцовая часть мундштука с полостью может быть выполнена разъемной относительно остальной части мундштука.

В мундштуке могут быть установлены две шайбы, выполняющие роль пламягасителей и клапанов.

Конструкция горелки для газопламенного напыления обеспечивает значительное повышение тепловой эффективности газового пламени за счет двойного обжатия газопорошковой струи. Обжатие имеет место в двух зонах газопорошковой струи: в полости торцовой части мундштука, т.е. в зоне наиболее горячей части газового пламени и на выходе газопорошковой струи из полости.

В первой зоне обжатие происходит под действие динамического напора газовых пламен из газовых сопел, радиально расположенных вокруг центрального канала, без участия воздушного потока, что исключает какое-либо захолаживание пламени в его горячей зоне.

Во второй зоне обжатие происходит под действием мощного воздушного потока, выходящего из кольцевого зазора, выполненного под значительным углом к центральной оси мундштука. При этом обжимается и само газовое пламя, что обуславливает повышение температуры пламени. Таким образом достигается увеличение длины горячей зоны газового пламени, следовательно, возрастает и длительность контактирования частиц напыляемого материала с горячей зоной газового пламени. Этому способствует и некоторое торможение движения частиц в этой зоне вследствие мощного обжимающего эффекта. В результате обеспечивается существенное улучшение условий теплообмена частиц напыляемого материала с газовым пламенем, что улучшает качество получаемых покрытий, и благодаря получению концентрированной газопорошковой струи достигается существенное снижение потерь напыляемого материала, особенно при напылении на маломерные тела.

Выполнение в воздушном сопле раструба с достаточно небольшим диаметром на его входе обуславливает заметное повышение скорости газопорошкового потока на выходе из сопла. Последнее также приводит к повышению качества напыляемых покрытий по двум причинам. Во-первых, снижается захолаживающий эффект воздушного потока, поскольку уменьшается время контактирования частиц с холодной зоной газового пламени. Во-вторых, заметное возрастание скорости движения частиц приводит к росту кинетической энергии потока и в результате увеличивается энергия удара частиц об обрабатываемую поверхность и прочность сцепления покрытия с подложкой возрастает.

Выполнение газовых сопел в полости торца мундштука под углом 6-24^о к центральной оси мундштука совместно с углом наклона кольцевого зазора в пределах 30-75^о к оси мундштука обеспечивает получение наиболее высококонцентрированной газопорошковой струи и снижает скорость продвижения частиц напыляемого материала в наиболее горячей части газового пламени и удлиняет зону горячего пламени. Выполнение в торцовой части мундштука полости диаметром 0,5-1,5 входного диаметра раструба воздушного сопла увеличивает скорость продвижения в холодной зоне газового пламени и увеличивает кинетическую энергию удара частиц о напыляемую поверхность. Выполнение на выходе воздушного сопла раструба длиной 0,07-0,5 диаметра раструба на входе способствует дополнительному увеличению скорости движения частиц в наиболее холодной части газового пламени.

На фиг.1 изображена горелка, в разрезе; на фиг.2 то же, с дополнительными соплами и шайбами.

Конструкция горелки для газопламенного напыления (фиг.1) включает корпус 1 с каналами 2, 3 и 4 подачи кислорода, горючего газа и воздуха соответственно, колпак 5, воздушное сопло 6 с раструбом 7 длиной l и диаметром D_в на входе, мундштук 8 с газовыми соплами 9, центральным каналом 10 для подачи напыляемого материала и торцовой частью 11 диаметром d. Воздушное сопло 6 образует с мундштуком 8 кольцевой зазор 12, выполненный под углом к оси канала 10.

Газовые сопла 9 выполнены в мундштуке 8 под углом к оси центрального канала 10.

В торцовой части мундштука 8 выполнена полость 13 диаметром D_п. На входе в мундштук 8 установлена фигурная шайба 14 со смесительными камерами 15, соплами инжекторов 16 и щелью 17 для подсоса горючего газа.

Для фиксирования мундштука 8 в корпусе 1 имеется гайка 18. В воздушном сопле 6 выполнены радиальные отверстия 19 для прохода сжатого воздуха. В корпусе 1 имеется полость 20, в которой может быть установлена шайба или шайбы, выполняющие роль пламягасителя и клапана (фиг.1).

Горелка снабжена устройством 21. При напылении покрытий из порошковых материалов это устройство представляет собой порошковый питатель, при напылении покрытий из проволоки, стержней, гибких шнуров привод с воздушным или электрическим двигателем, снабженный понижающим редуктором.

Положительный эффект дает применение варианта конструкции предлагаемой горелки для газопламенного напыления (фиг.2), в которой газовые сопла 9 могут быть выполнены на окружности D₁, составляющей 05,-0,8 диаметра D_п полости 13.

В горелке может быть выполнен дополнительный ряд газовых сопел 22, расположенных в мундштуке 8 концентрично вокруг центрального канала 10. Сопла 22 могут быть выполнены на окружности диаметром D₂, составляющим 0,2-0,5 диаметра D_п полости 13. Сопла 22 могут быть выполнены под углом к оси центрального канала 10 в пределах 1-8^о.

В воздушном сопле 6 могут быть выполнены каналы 23 для сообщения через каналы 24 в колпаке 5 с окружающей атмосферой.

Торцовая часть 11 мундштука 8 совместно с полостью 13 может быть выполнена разъемной относительно остальной части мундштука 8.

В полости 25 мундштука 8 можно установить шайбы 26 и 27, выполняющие роль пламягасителей.

Горелка работает следующим образом.

В каналы 2, 3 и 4 подается соответственно кислород, горючий газ и сжатый воздух. Кислород из канала 2 поступает в полость 20, затем в сопла инжекторов 16. Далее кислород, минуя щель 17, поступает в смесительные камеры 15. В результате происходит подсос горючего газа через щель 17 в смесительные камеры 15, где и происходит образование горючей смеси, которая затем дается в газовые сопла 9. Горючий газ поступает в щель 17 из канала 3. При выходе из газовых сопел 9 газовая смесь поджигается и образуется пламя.

Сжатый воздух из канала 4 подается в полость колпака 5, откуда поступает в кольцевой зазор 12, выполненный под углом наклона к оси центрального канала 10. В результате достигается мощный обжим газового пламени в полости воздушного сопла 6.

Из устройства 21 напыляемый материал поступает в центральный канал 10 в мундштуке 8, откуда он попадает в полость 13. Здесь образовавшаяся газопорошковая струя обжимается под воздействием динамического напора пламен из газовых сопел 9. Струя становится более компактной, а скорость продвижения частиц напыляемого материала в начальной зоне газового пламени, т.е. в наиболее горячей его части, снижается, что способствует желаемому повышению теплосодержания частиц. Этому способствует также и полное отсутствие в полости 13 статора воздуха, обладающего нежелательным захолаживающим эффектом газового пламени.

На выходе из полости 13 газовое пламя и газопорошковая струя дополнительно обжимаются мощным потоком сжатого воздуха, исходящего с большой скоростью из кольцевого зазора 12. В результате достигается получение высококонцентрированного газового потока. Далее этот поток поступает во вход раструба 7 воздушного сопла 6, где сечение достаточно невелико, что обуславливает существенное повышение скорости истечения газового потока, а следовательно, и скорости движения частиц. В итоге время контактирования частиц с "холодной" частью газового пламени снижается, поэтому полученное частицами теплосодержание не теряется. Высокая скорость движения частиц приводит к повышению кинетической энергии удара частиц о напыляемую поверхность. В результате прочность сцепления наносимого покрытия с подложкой возрастает и плотность покрытия увеличивается.

При использовании дополнительного ряда газовых сопел 22 (фиг.2) возрастает тепловая мощность газового пламени, что приводит к нежелательному перегреву мундштука 8, его торцовой части 11 и воздушного сопла 6, хотя такое мощное пламя дает возможность получать высококачественные покрытия из таких тугоплавких напыляемых материалов, как нихром, смесей самофлюсующихся сплавов с карбидами вольфрама и др.

Для устранения перегрева приходится резко повышать расход сжатого воздуха. Для исключения роста захолаживающего эффекта газового пламени сжатым воздухом последний можно разделить на два потока. Один поток двигается по обычному тракту, т.е. по кольцевому зазору 13, а другой более мощный, поступает в каналы 23, предварительно пройдя через каналы в торцовой части корпуса 1 (не показаны), и далее через каналы 24 в колпаке 5 уходит в окружающую атмосферу, охлаждая мундштук 8, воздушное сопло 6 и колпак 5.

Для защиты от возможных обратных ударов в полость 25 мундштука 8 можно установить шайбы 26 и 27, которые выполняют роль клапанов-пламягасителей. При прохождении пламени через сопла 9 образующийся поток давит на плоскость шайбы 26, последний толкает шайбу 27, которая закрывает отверстия смесительных камер 15. Поступление горючей смеси в мундштук 8 прекращается, и газовое пламя гаснет. Кроме того, шайба 27 препятствует проходу пламени в отверстия 15. Таким образом, шайбы 26 и 27 работают как клапаны и пламягасители.

Эффект двойного обжима газопорошковой струи, а следовательно, и качество напыляемых покрытий в определяющей мере зависит от углов наклона кольцевого зазора 12 и газовых сопел 9 к центральной оси (фиг.1), а также от соотношения диаметра D_в раструба 7 воздушного сопла 6 и диаметра D_п полости 13 (фиг.1).

Величина теплосодержания частиц напыляемого материала, а следовательно, и качество получаемых покрытий зависят от наличия полости 13 в торцовой части мундштука 8, от наличия раструба 7 в воздушном сопле 6 и от длины l раструба 7 (фиг.1), поскольку параметры раструба определяют скорость истечения газового потока из воздушного сопла, а следовательно, скорость движения частиц.

При угле наклона к оси центрального канала менее 30^о не достигается требуемой концентрации газового потока, истекающего из полости мундштука.

При более 75^о происходит частичное запирание газового пламени в полости мундштука, что приводит к нарушению стабильности горения газового пламени: появляются хлопки и обратные удары.

При угле наклона газовых сопел к оси центрального канала менее 6^о в полости мундштука не обеспечивается достаточное обжатие газопорошковой струи и порошковые частицы начинают оседать на кромках полости мундштука. В результате полость засоряется, напыление приобретает прерывистый нестабильный характер и качество получаемого покрытия ухудшается.

При угле более 24^о наблюдается сильный перегрев полости мундштука, вследствие чего горелка может работать в стабильном режиме только кратковременно (обычно не более 15-20 с).

При диаметре раструба на входе D_в менее 0,5 диаметра полости D_п (фиг.1) сопротивление истекающему из полости газопорошковому потоку становится существенным, что обуславливает снижение производительности по напыленному материалу. Кроме того, наблюдается сильный перегрев воздушного сопла из-за большого превышения выходного диаметра D_п перед входным D_в.

При диаметре D_в более 1,5 D_п (фиг.1) скорость истечения газового потока из раструба воздушного сопла падает, время контактирования частиц с "холодной" зоной газового пламени возрастает, теплосодержание частиц уменьшается и, как следствие, увеличиваются потери напыляемого материала при нанесении покрытий, а качество покрытий ухудшается (увеличивается пористость, снижается прочность сцепления с подложкой и др.).

При длине раструба l менее 0,07 его диаметра D_в эффект обжатия газопорошкового потока снижается, его концентрация не достигает требуемого уровня.

При длине l более 0,5 диаметра D_в сопротивление газопорошковому потоку существенно возрастает, увеличивается нагрев воздушного сопла, наблюдается налипание частиц на кромки раструба, снижается стабильность процесса напыления, качество напыляемого покрытия ухудшается.

Предлагаемая горелка для газопламенного напыления благодаря применению последовательного двойного обжима газопорошкового потока в полости мундштука газовым пламенем при полном отсутствии воздуха и затем концентрированным сжатым воздухом на выходе газопорошкового потока из полости мундштука имеет по сравнению с известной следующие преимущества: возможность получения качественных покрытий при меньших нагревах напыляемой поверхности; резкое расширение номенклатуры марок напыляемых материалов вследствие возможности регулировать температуру пламени в широких пределах; повышение коэффициента использования напыляемого материала благодаря уменьшению потерь при напылении, что обусловлено высокой концентрацией газопорошкового потока; возможность применения напыляемого материала не только в виде порошка, но и в виде проволоки, стержней, шнуров и т.д.

повышение качества напыляемых покрытий (увеличение прочности сцепления с подложкой, уменьшение пористости и др.); возможность использования в качестве горючего газа сетевого природного газа, поскольку предлагаемая горелка позволяет проводить работу и при низких давлениях горючего газа.

Формула изобретения

1. ГОРЕЛКА ДЛЯ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ, содержащая корпус с каналами подачи горючего газа, окислителя и воздуха, мундштук с торцом и с центральным каналом для подачи напыляемого материала, вокруг которого концентрично расположен ряд газовых сопл, воздушное сопло, соединенное с каналом подачи воздуха, образующее с мундштуком кольцевой зазор с углом наклона к оси мундштука, отличающаяся тем, что в торце мундштука дополнительно выполнена полость, а в воздушном сопле дополнительно выполнен раструб длиной 0,07 0,5 диаметра раструба на входе при углах наклона к оси центрального канала мундштука кольцевого зазора 30 75^o и газовых сопл 6 24^o, при этом диаметр раструба на входе составляет 0,5 1,5 диаметра полости мундштука.

2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что оси газовых сопл выполнены на окружности, диаметр которой составляет 0,5 0,8 диаметра полости в торце мундштука.

3. Горелка оп пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в мундштуке выполнен дополнительный ряд газовых сопл, расположенных концентрично вокруг центрального канала.

4. Горелка по пп.1 3, отличающаяся тем, что дополнительный ряд газовых сопл выполнен на окружности, диаметр которой составляет 0,2 0,5 диаметра полости в торце мундштука.

5. Горелка по пп.1 4, отличающаяся тем, что суммарная площадь газовых сопл дополнительного ряда составляет 0,1 0,5 суммарной площади газовых сопл основного ряда.

6. Горелка по пп.1 5, отличающаяся тем, что газовые сопла дополнительного ряда выполнены в виде пазов.

7. Горелка по пп.1 5, отличающаяся тем, что газовые сопла основного ряда выполнены в виде пазов.

8. Горелка по пп.1 5, отличающаяся тем, что газовые сопла дополнительного ряда выполнены под углом 1 6^o к оси центрального канала.

9. Горелка по пп.1 8, отличающаяся тем, что глубина полости в торце мундштука составляет 0,4 1,2 диаметра полости.

10. Горелка для газопламенного напыления по пп.1 9, отличающаяся тем, что ширина кольцевого зазора составляет 0,05 0,4 диаметра полости.

11. Горелка по пп.1 8, 10, отличающаяся тем, что в воздушном сопле выполнен дополнительный канал или каналы, соединяющие кольцевой зазор на выходе с окружающей атмосферой.

12. Горелка по пп.1 8 и 10, отличающаяся тем, что торцевая часть мундштука выполнена разъемной относительно остальной части мундштука.

13. Горелка по пп.1 8, 10 и 12, отличающаяся тем, что в мундштуке установлены две шайбы, выполняющие роль клапанов и пламегасителей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2