close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

- Вестник КазНТУ

код для вставкиСкачать
● Хи ми я- металлу рги я ғ ылымда ры
УДК 621:791
Жиенбаев О.Б., Бейсенов Б.С., Сарыбаев Е.Е.
(Казахский национальный технический университет имени К.И.Сатпаева
Алматы, Республика Казахстан, [email protected])
КАТОДЫ ВОЗДУШНО-ПЛАЗМЕННЫХ РЕЗАКОВ
Аннотация. Одним из основных элементов плазмотронов является катод, тип и конструкция которого
определяется составом плазмообразующей среды, а также применяемой полярностью тока. Но в большинстве
ручных плазморезов в качестве плазмообразующей среды используется сжатый воздух в котором электрод из
вольфрама практически не работает. Поэтому для работы в плазмообразующих средах, содержащих кислород,
были разработаны катоды со вставками из циркония и гафния (термохимические электроды). При выходе
плазмотрона на режим резания, на поверхности вставки образующаяся тонкая пленка из расплавленных оксида
и нитрида циркония (гафния) защищает металл вставки. Но в момент образования дуги пленка на вставке
отсутствует, поэтому катоды наиболее подвержены разрушающему действию в момент поджига дуги, ввиду
интенсивного испарения материала вставки. На токах выше оптимальных вследствие увеличенного тепла во
вставку ресурс электрода резко снижается. Проведенные нами РФ-анализы показали, что в составе штатных
катодов, показавших низкую стойкость, отсутствуют вышеуказанные материалы. Мы попытались доработать и
исследовать штатные катоды, используя в качестве вставок вольфрам легированный иттрием, а также покрыли
нитридом титана и параллельно посмотрели как работает покрытие из оксида алюминия. Наши ожидания
оправдались, но только с катодами с вставкой и покрытием нитридом титана.
Ключевые слова: катод, плазмотрон, плазморез, вольфрам, иттрий, гафний, цирконий, пленка, нитрид
титана, эмиссионная вставка, вставка-держатель.
Тип и конструкция катода плазмотрона определяется составом плазмообразующей среды, а
также применяемой полярностью тока. При работе в среде инертных и нейтральных газов
применяются катоды из вольфрама (водород, азот, аргон и их смеси). Основной характеристикой
материала катода являются эмиссионные свойства, которые определяются работой выхода
электронов. Чем выше эмиссионные свойства (чем меньше работа выхода), тем лучше решаются
задачи охлаждения катода и стабилизации дуги.
Наибольшим ресурсом работы обладают электроды из легированного вольфрама. В
зависимости от сварочного тока ресурс может исчисляться десятками часов. Чистый вольфрам
обладает низкими эмиссионными свойствами, поэтому в вольфрам добавляют лантан, торий или
иттрий. Легирование вольфрама позволяет снизить напряжение выхода электронов с его
поверхности, что в свою очередь позволяет снизить температуру эмиссии с поверхности электрода и
одновременно упрощает поджигание дежурной дуги. Все это благоприятно сказывается на сроке
службы электрода. Однако электрод из вольфрама практически не работает в кислородосодержащих
средах, так как при повышенных температурах вольфрам окисляется и быстро разрушается. Поэтому
для работы в плазмообразующих средах содержащих кислород были разработаны катоды со
вставками из циркония и гафния (термохимические электроды).
Поскольку физические параметры циркония и гафния значительно уступают вольфраму,
вставку помещают заподлицо в медную державку. При выходе плазмотрона на режим резания, в
результате теплового воздействия дуги, на поверхности вставки образующаяся тонкая пленка, из
расплавленных оксида и нитрида циркония (гафния), защищает металл вставки. Но в момент
образования дуги пленка на вставке отсутствует, поэтому катоды наиболее подвержены
разрушающему действию в момент поджига дуги, ввиду интенсивного испарения материала вставки.
Кроме этого поверхность вставки работавшего электрода покрыта остывшей указанной пленкой,
физические и механические характеристики, которой отличаются от основного металла. Разница в
коэффициенте линейного расширения приводит к напряжениям в образовавшейся пленке и
появлению трещин в ней, это является причиной увеличенной эрозии материала вставки при
следующем зажигании дуги. На токах выше оптимальных, вследствие увеличенного тепла во вставку,
ресурс электрода резко снижается.
ҚазҰТУ хабаршысы №5 2014
317
● Хи ми ко - металлу рги чески е на ук и
Основные требования, предъявляемые к термохимическим катодам плазмотрона, заключаются в
следующем. Входящая в состав катода эмиссионная вставка должна обладать: значительным ресурсом
работы, определяемым термической устойчивостью и "пленкозащитными" свойствами, особенно в
окислительных средах; высокой теплопроводностью; хорошими эмиссионными свойствами.
Известно, что в качестве материала эмиссионных вставок термохимических катодов может
быть использован целый ряд металлов, однако предпочтительным с точки зрения ресурса, особенно в
окислительных средах, является применение циркония и гафния. Только цирконий и гафний
обладают "пленкозащитными" свойствами в окислительных средах. Ресурс циркониевых и
гафниевых катодов в азотной среде также выше, чем, например, вольфрамовых. При этом гафний,
хотя и обладает большим ресурсом по сравнению с цирконием, однако он существенно дороже циркония
и характеризуется крайне низкой пластичностью, что является серьезным технологическим недостатком
при изготовлении заготовки для эмиссионной вставки посредством обработки давлением.
Вставка крепится в катоде с помощью держателя. Одним из направлений повышения ресурса
работы катодов является улучшение теплового контакта в паре "вставка-держатель". Поскольку
держатель, в который запрессована вставка, должен быть выполнен из высокотеплопроводного
материала, как правило меди, качество теплового контакта зависит от состояния границы контакта и
степени схватывания материалов вставки и держателя. Применение промежуточной прослойки на
основе меди между вставкой и держателем обеспечивает более качественный тепловой контакт. Это
достигается с помощью двухслойной вставки, у которой оболочка, выполненная из материала на
основе меди, охватывает циркониевый сердечник. В контакте оболочки с держателем возникает
наименьшее тепловое сопротивление, а хороший тепловой контакт между циркониевым сердечником
и оболочкой на основе меди может быть обеспечен рядом предусмотренных изобретением
дополнительных мероприятий, о которых будет сказано ниже. Далее, поскольку ток в проводниках
протекает преимущественно по поверхности проводника, наличие наружной оболочки с высокими
характеристиками электропроводности способствует и высокой электропроводности вставки в целом.
Что касается обеспечения высокой теплопроводности двухслойной вставки, то наличие в ней
оболочки на основе меди, учитывая существенно, на порядок меньшую теплопроводность циркония,
позволяет решить и эту проблему. Тем самым появляется возможность повышения мощности
плазмотронов, в которых применяется вставка на основе циркония.
В качестве покрытия катодов нитрид титана нами выбран по следующим причинам:
Нитрид титана — соединение титана и азота состава TiNx (x = 0,58÷1,00), представляет собой фазу
внедрения с широкой областью гомогенности, кристаллы с кубической гранецентрированной решеткой.
Нанесение защитных и декоративных покрытий с использованием вакуумных ионноплазменных (магнетронного, конденсации с ионной бомбардировкой — КИБ) методов напыления
является одним из самых современных способов обработки поверхности. Эти методы пользуются
большой популярностью благодаря экологической чистоте производства и высокому качеству
получаемых декоративно-защитных плёнок. Используя вакуумные методы нанесения защитнодекоративных покрытий, можно формировать поверхностные плёнки из различных металлов и их
соединений: титана, циркония, алюминия, серебра, хрома, никеля, ниобия, тантала, нержавеющей
стали, нитрида титана (TiNx), нитрида циркония (ZrNx), оксида титана (TiOx), оксида циркония
(ZrOx), оксида алюминия (Al2O3) и т.д.
Оксид алюминия (α-Al2O3), как минерал, называется корунд. Крупные прозрачные кристаллы
корунда
используются
как
драгоценные
камни.
Также
корунд
применяется
как огнеупорный материал. Остальные кристаллические формы используются, как правило, в
качестве катализаторов, адсорбентов, инертных наполнителей в физических исследованиях и
химической промышленности. Керамика на основе оксида алюминия обладает высокой твёрдостью,
огнеупорностью и антифрикционными свойствами, а также является хорошим изолятором.
Проведенные нами рентгенофлуорисцентные анализы показали, что в составе штатных
катодов отсутствуют как цирконий, так и гафний, чем и объяснялась низкая стойкость которых. Мы
попытались доработать и исследовать штатные катоды, используя в качестве вставок вольфрам
легированный иттрием, а также покрыли нитридом титана и параллельно посмотрели, как работает
пленка из оксида алюминия. В качестве объектов исследований приняты следующие катоды:
- штатные катоды из ЗИП к воздушно-плазменному резаку (предположительно из гафния);
- катоды из вольфрама;
- катоды из медного сплава со вставкой из вольфрама Ø=1,3 мм., легированный иттрием;
318
№5 2014 Вестник КазНТУ
● Хи ми я- металлу рги я ғ ылымда ры
- катоды из медного сплава со вставкой из вольфрама Ø=2,7 мм.;
- штатные катоды с покрытием из нитрида титана;
- штатные катоды с покрытием из оксида алюминия;
- катоды из вольфрама с покрытием из нитрида титана;
- катоды из вольфрама с покрытием из оксида алюминия.
Рис. 1. Штатный катод плазмореза
Исследование стойкости катодов штатных и усовершенствованных проводили поочередно
резкой металла на максимальных режимах: ПВ30% (непрерывная резка в течении 20 мин. Стальных
полос толщиной 6,0 мм., с последующей выдержкой в течении 40 мин.), I = 30А, при давлении
воздуха 6 бар и расходом 30 литров в минуту.
Осмотр катодов дал следующие результаты:
- наиболее выгоревшими оказались катоды из вольфрама без покрытия (мы получили
подтверждение того, что вольфрам при высоких температурах в среде с кислородом быстро
выгорает);
- наиболее стойкими оказались штатные катоды с вставкой из вольфрама Ø=1,3 мм с добавкой
иттрия и покрытые нитридом титана (сказалось наличие медной оболочки и жаростойкость нитрида
титана);
- катоды покрытые окисью алюминия сгорали также как и без покрытия, сказалась
несовершенной технология нанесения покрытия.
Для исследования влияния параметров резки на стойкость катодов изготовили полосы из
низкоуглеродистой стали толщиной 1,2,4, 6 мм. и длиной 400 мм. В качестве катода использовали
штатный, из медно-никелевого сплава.
Пробные резы показали прямую зависимость стойкости катодов от параметров резки:
- при резке полос толщиной 1мм, наиболее оптимальной была сила тока в 5А, давлении в 1бар
при скорости реза около 2мм/с. Процесс резки был устойчивым, при минимальной деформации
кромок реза. После разрезания всех 400 мм катод практически не пострадал;
- при резке полос толщиной 2 мм, силу тока пришлось увеличит до 10 А, давление воздуха до 2
бар при скорости реза 2…3 мм/с.;
- при резке полос 4 и 6 мм силу тока соответственно увеличили до 20 и 30 А соответственно и
давлении 4 и 6 бар, но скорость резки увеличили незначительно только до 5 мм/с, при увеличении скорости
реза сквозного прорезания не происходило. На катоде были видны следы незначительного прогара.
Наши ожидания оправдались - наиболее стойким оказались штатные катоды из медноникелевого сплава со вставкой из вольфрама с добавкой иттрия и покрытые нитридом титана, а силу
тока при резке полос толщиной кратной 1мм пришлось увеличивать на 1 А по сравнению с
рекомендо-ванными.
ЛИТЕРАТУРА
1. М.Ф.Жуков и др. Термохимические катоды, Новосибирск, 1985, с. 5.
2. Промышленное применение низкотемпературной плазмы: Учеб. пособие. - Алчевск: ДГМИ, 1993. - 59 с.
3. Электродуговые и высокочастотные плазмотроны в химико-металлургических процессах / В.Л.
Дзюба, Г.Ю. Даутов, И.Ш. Абдуллин. - К.: Вища шк., 1991. -170 с.
ҚазҰТУ хабаршысы №5 2014
319
● Хи ми ко - металлу рги чески е на ук и
4. Электродуговые плазмотроны и источники их питания. Конспект лекций / Сост. В.Л. Дзюба. Алчевск: ДГМИ, 1993. - 57 с.
5. Глебов И.А., Рутберг Ф.Г. Мощные генераторы плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1985. 153 с.
6. Теория столба электрической дуги / Низкотемпературная плазма. Т.1. Новосибирск: Наука СО, 1990. 376 с.
7. Васильев К.В. Плазменно-дуговая резка. М.: Машиностроение, 1974. 111 с.
REFERENCES
1. M.F. Zhukov i dr. Termokhimicheskie katodi, Novosibirsk, 1985, s. 5.
2. Promishlennnoe priminen: Ucheb. posobie. - Alchevsk: DGMI, 1993. - 59 s.
3. Elektrodugovie i visokochastotnie plazmatroni v himiko-metallurgicheskih processov/ V.L. Dzuba, G.U.
Dautov, I.Sh. Abdullin. - K.: Visha shk., 1991. -170 s.
4. Elektrodugovie plazmatroni i istochniki ih pitaniya. Konspekt lekcii/ Sost. V.L. Dzuba. - Alchevsk: DGMI,
1993. - 57 s.
5. Glebov I.A., Rutberg F.G. Moshnie generatori plazmi. M.: Energoanomizdat. 1985. 153 s.
6. Teoria stolba elektricheskoi dugi/ Nizkotemperaturnaya plazma. T.1. Novosibirsk: Nauka SO, 1990. 376 s
7. Vasilev K.V. Plazmenno-dugovaya rezka. M.: Mashinostroenie, 1974. 111 s.
Жиенбаев О.Б., Бейсенов Б.С., Сарыбаев Е.Е.
Ауа-плазмалық кескіштердің катодтары
Түйіндеме: Мақалада плазмалық кескіштердің катодтары туралы шолу материал, сонымен қатар штатты
катодтардың беріктігін жоғарлату мақсатында вольфрамнан жасалған легірленген иттрий мен титан нитридімен
қапталған қосымшаны енгізу арқылы жетілдірілген катодтарды зерттеудің нәтижелері келтірілген.
Негізгі сөздер: катод, плазматрон, плазмалы кескіш, вольфрам, иттрий, гафний, цирконий, қабықша,
титан нитриді, эмиссиялық қосымша, қосымша-ұстағыш.
Жиенбаев О.Б., Бейсенов Б.С., Сарыбаев Е.Е.
Катоды воздушно-плазменных резаков
Резюме: В статье приведены материал обзора по катодам плазморезов, а также результаты исследований
стойкости штатных катодов доработанных введением вставок из вольфрама легированных иттрием и покрытых
нитридом титана.
Ключевые слова: катод, плазмотрон, плазморез, вольфрам, иттрий, гафний, цирконий, пленка, нитрид
титана, эмиссионная вставка, вставка-держатель.
Zhienbaev O.B., Beysenov B.S., Sarybayev E.E.
Cathodes of air and plasms cutting torches
Summary: Results of researches of firmness of regular cathodes of the inserts finished by introduction are given
in article from tungsten alloyed by yttrium and covered with nitride of the titan a material of the review on cathodes
плазморезов, and also.
Key words: cathode, plasmatron, плазморез, tungsten, yttrium, hafnium, zirconium, film, nitride of the titan,
issue insert, insert holder.
УДК622. 245.5
Е.А. Мазулевский, А.О. Сыдыков, Ф.А. Бердикулова, Т.В. Ковзаленко,
Т.В. Туленкова, Б.А. Сейтханов
(РГП «Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья РК».
КазНТУ имени К.И. Сатпаева, Алматы, Республика Казахстан
[email protected], [email protected])
ОГНЕВОЕ РАФИНИРОВАНИЕ ЧЕРНОВОЙ СУРЬМЫ
Аннотация. Увеличение потребности металлической сурьмы требует разработки рентабельных
технологий ее извлечения из перспективных сырьевых источников. В статье приведены результаты
лабораторных исследований по получению марочного металла из черновой сурьмы, полученной из
антимонатного сырья свинцового производства. Особую сложность для получения марочного металла
представляют процессы удаления свинца, имеющего близкие физико-химического свойства с сурьмой.
Удаление свинца электрохимическим путем часто оказывается не рентабельным за счет дороговизны
электрохимических процессов. В связи с этим проведены исследования по огневому рафинированию сурьмы
от примесей и получены положительные результаты.
320
№5 2014 Вестник КазНТУ
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа