RU2015738C1

RU2015738C1 - Powder flame spraying torch

Info

Publication number: RU2015738C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Агеев; А.М. Данилин; О.Н. Зотова
Original assignee: Всесоюзный Научно-Исследовательский И Конструкторский Институт Автогенного Машиностроения
Priority date: 1989-11-17
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1994-07-15

Abstract

FIELD: spray coating. SUBSTANCE: cooling chamber space is made in form of de LAVAL nozzle open at side of torch output end and embracing with its widening portion the combustion chamber and divergent nozzle. Combustion chamber space and divergent nozzle are made in form of channel monotonically narrowing towards end of torch. EFFECT: increased economy at preserved quality of coating. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области оборудования для газотермического нанесения покрытий, в частности к горелкам для напыления порошковых материалов газопламенным способом. The invention relates to the field of equipment for thermal spray coating, in particular to burners for spraying powder materials in a gas-flame manner.

Важнейшими показателями, характеризующими свойства газотермических покрытий, являются их адгезионная прочность и пористость. The most important indicators characterizing the properties of gas-thermal coatings are their adhesive strength and porosity.

Известна горелка для порошкового газопламенного напыления, смонтированная в установке УГПУ, которая содержит узел смешивания газов, каналы подвода газов и мундштук с порошковым и газовыми каналами. Known burner for powder flame spraying mounted in the installation of the gas processing unit, which contains a gas mixing unit, gas supply channels and a mouthpiece with powder and gas channels.

Основным недостатком этой горелки является низкая адгезионная прочность получаемых покрытий (до 100 кгс/см²) и относительно высокий уровень их пористости (до 30%), имеющие место вследствие того, что горелка может обеспечить сравнительно низкий уровень кинетической энергии расплавленных частиц в момент их соударения с поверхностью.The main disadvantage of this burner is the low adhesive strength of the resulting coatings (up to 100 kgf / cm ² ) and the relatively high level of porosity (up to 30%), which occurs due to the fact that the burner can provide a relatively low level of kinetic energy of the molten particles at the time of their collision with the surface.

Более качественные покрытия позволяет получить горелка, которая содержит узел смешивания газов, каналы подвода газов и охладителя, мундштук с порошковым и газовыми каналами, камеру сгорания, переходящую в расширительное сопло и камеру охлаждения, аксиально охватывающую камеру сгорания и расширительное сопло. Better coatings allow you to get a burner that contains a gas mixing unit, gas and cooler supply channels, a mouthpiece with powder and gas channels, a combustion chamber that passes into an expansion nozzle and a cooling chamber, axially covering the combustion chamber and the expansion nozzle.

Это техническое решение, наиболее близкое к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату, выбрано в качестве прототипа. This technical solution, the closest to the proposed technical essence and the achieved result, is selected as a prototype.

Величина адгезионной прочности покрытий, получаемых с помощью горелки-прототипа, достигает 1200 кгс/см² при пористости до 0,5%. Такой эффект достигается за счет того, что пламя с порошком, попадая в камеру сгорания, ускоряется до 1000 м/с, увеличивая при этом скорость движения расплавленных частиц. Высокий уровень кинетической энергии частиц, соударяющихся с поверхностью напыляемого объекта, обусловливает высокое качество покрытий, не требующих дальнейшего оплавления.The adhesive strength of the coatings obtained using the burner of the prototype reaches 1200 kgf / cm ² with a porosity of up to 0.5%. This effect is achieved due to the fact that the flame with the powder, getting into the combustion chamber, accelerates to 1000 m / s, while increasing the speed of the molten particles. A high level of kinetic energy of particles colliding with the surface of the sprayed object, determines the high quality of coatings that do not require further fusion.

Однако данная горелка имеет неоправданно высокие расходы горючей смеси и охладителя на 1 кг напыляемого порошка, низкий коэффициент использования порошка при напылении и небезопасна в работе из-за повышенных давлений, подаваемых в узел смешения газов - кислород до 0,8 МПа, а горючий газ - до 0,4 МПа. However, this burner has unreasonably high consumption of a combustible mixture and a cooler per 1 kg of sprayed powder, a low coefficient of powder use during spraying and is unsafe in operation due to the increased pressure supplied to the gas mixing unit - oxygen up to 0.8 MPa, and combustible gas - up to 0.4 MPa.

Перечисленные недостатки являются следствием совокупного действия выбранной в горелке-прототипе схемы охлаждения и конструкции камеры сгорания, предопределяющей для расплавляемых частиц порошка, необходимость преодоления газодинамического сопротивления длинного и узкого цилиндрического канала расширительного сопла. The listed disadvantages are the result of the combined action of the cooling circuit chosen in the prototype burner and the design of the combustion chamber, which predetermines the need for overcoming the gas-dynamic resistance of the long and narrow cylindrical channel of the expansion nozzle for the molten powder particles.

Из вышеизложенного следует, что повышение экономичности горелки, обеспечивающей получение качественных покрытий, т.е. задача напыления таких покрытий возможно малыми расходами горючего газа, окислителя и охладителя, при возможно большем коэффициенте использования порошка, является на сегодняшний день актуальной задачей. From the above it follows that increasing the efficiency of the burner, providing high-quality coatings, i.e. the task of spraying such coatings with possibly low consumption of combustible gas, an oxidizing agent and a cooler, with the highest coefficient of powder utilization, is today an urgent task.

Целью изобретения является повышение экономичности работы горелки при сохранении качества получаемых с ее помощью покрытий. The aim of the invention is to increase the efficiency of the burner while maintaining the quality obtained with its coatings.

Указанная цель достигается тем, что в горелке для газопламенного напыления порошковых материалов, содержащей узел смешения газов, каналы подвода газов и охладителя, мундштук с порошковым и газовыми каналами, камеру сгорания, переходящую в расширительное сопло и камеру охлаждения, аксиально охватывающую камеру сгорания и расширительное сопло, полость камеры охлаждения выполнена в виде сопла Лаваля, открытого со стороны выходного торца горелки и охватывающего своей расширяющейся частью камеру сгорания и расширительное сопло, а полость камеры сгорания и расширительное сопло выполнены в виде одного сужающегося к выходному торцу горелки канала. This goal is achieved by the fact that in the burner for flame spraying of powder materials containing a gas mixing unit, gas supply channels and a cooler, a mouthpiece with powder and gas channels, a combustion chamber passing into an expansion nozzle and a cooling chamber axially covering the combustion chamber and the expansion nozzle , the cavity of the cooling chamber is made in the form of a Laval nozzle open from the side of the outlet end of the burner and covering the combustion chamber and the expansion nozzle with its expanding part, and the cavity amers combustion and expansion nozzle are formed as one tapered end to the outlet channel of the burner.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема горелки. The invention is illustrated in the drawing, which shows a schematic diagram of a burner.

Горелка содержит узел 1 смешения газов, каналы подвода горючего газа 2, окислителя 3 и охладителя 4, мундштук 5 с порошковым каналом 6 и газовыми каналами 7, камеру сгорания 8 с полостью 9, являющуюся объединенной полостью камеры сгорания и расширительного сопла и камеру охлаждения 10 с полостью 11. The burner contains a gas mixing unit 1, channels for supplying combustible gas 2, an oxidizing agent 3 and a cooler 4, a mouthpiece 5 with a powder channel 6 and gas channels 7, a combustion chamber 8 with a cavity 9, which is a combined cavity of the combustion chamber and the expansion nozzle, and a cooling chamber 10 s cavity 11.

Предлагаемая горелка работает следующим образом. The proposed burner operates as follows.

По каналам 2 и 3 горючий газ и окислитель после смешивания в узле 1 попадают в каналы 7 на выходе, из которых в полость 10 происходит воспламенение смеси; через канал 6 подается порошок, транспортируемый газом; далее движение пламени и порошка происходит в полости 9 камеры сгорания 8, где частицы порошка разгоняются за счет увеличения скорости пламени; в полость 11 камеры охлаждения 10 через каналы 4 подается охлаждающий газ, который, пройдя полость 11, свободно истекает из нее со стороны выходного торца горелки; расплавленные в полости 9 частицы порошка с большой скоростью вылетают из горелки и, соударяясь с поверхностью детали, образуют покрытие. Through channels 2 and 3, the combustible gas and the oxidizing agent after mixing in the unit 1 enter the channels 7 at the outlet, from which the mixture ignites into the cavity 10; through the channel 6, powder is transported by gas; Further, the movement of the flame and powder occurs in the cavity 9 of the combustion chamber 8, where the powder particles are accelerated by increasing the speed of the flame; cooling gas 10 is supplied into the cavity 11 of the cooling chamber 10 through channels 4, which, having passed through the cavity 11, freely flows out of it from the side of the outlet end of the burner; powder particles melted in the cavity 9 fly out of the burner with high speed and, colliding with the surface of the part, form a coating.

Открытая со стороны выходного торца горелки, сужающе-расширяющаяся конструкция камеры охлаждения, предполагая в качестве охладителя, омывающего наружную поверхность камеры сгорания 8 - газ (воздух, азот), позволяет повысить скорость этого омывания до сверхзвуковых величин в расширяющейся части полости 11 согласно законам газодинамики, причем степень сужения и расширения канала, обеспечивающего такой уровень скорости охладителя зависит от его температуры, давления и скорости на входе в полость 11. The narrowing-expanding design of the cooling chamber open from the outlet end of the burner, assuming gas (air, nitrogen) as a cooler washing the outer surface of the combustion chamber 8, allows this washing speed to be increased to supersonic values in the expanding part of the cavity 11 according to the laws of gas dynamics, moreover, the degree of narrowing and expansion of the channel, providing such a level of speed of the cooler depends on its temperature, pressure and speed at the entrance to the cavity 11.

Сверхзвуковая скорость струи газа-охладителя, концентрично охватывающей струю напыляемого порошка на выходе из горелки, предполагает возможность получения следующих положительных эффектов:
увеличение коэффициента теплоотдачи от внешней поверхности камеры сгорания в камеру охлаждения, по сравнению с прототипом, поскольку этот коэффициент почти прямо пропорционален скорости охладителя, и, как следствие этого, уменьшение потребного расхода охладителя; такая схема охлаждения существенно экономичнее, чем в горелке-прототипе, где скорость обтекания камеры сгорания водой не превышает 2 м/с, а, как известно, коэффициент теплоотдачи для воды при прочих равных условиях охлаждения примерно в 10³ раз выше, чем у воздуха, и, следовательно, расход охлаждающей воды, равный в горелке-прототипе 2700 кг/ч эквивалентен расходу 2700 м³/ч воздуха; при замене схемы охлаждения устройства прототипа на предлагаемую потребуется 90-120 м³/ч воздуха, т.е. почти на два порядка меньше;
возможность обжима струи с расплавленным порошком на участке свободного истечения по выходе ее из полости 9, что уплотняет поток и, следовательно, способствует повышению коэффициента использования порошка;
уменьшение, по сравнению с прототипом, теплоотвода от пламени в окружающую среду за счет уменьшения затормаживания пламени, что также обуславливает повышение коэффициента использования порошка и сокращение удельных расходов горючего газа и окислителя; в горелке-прототипе свободная струя пламени имеет скорость порядка 10³ м/с и контактирует с неподвижным воздухом, при этом рассогласование скоростей, определяющее коэффициент теплоотдачи от пламени к окружающему воздуху, равно скорости пламени; в предлагаемом устройстве скорость охладителя по выходе в атмосферу составляет 450-500 м/с, что практически в 2 раза снижает скорость рассогласования, существенно уменьшая затормаживание пламени. Однако, необходимые для эффективного охлаждения камеры сгорания горелки-прототипа по предлагаемой схеме охлаждения 90-120 м³/ч воздуха, попадая на напыляемую поверхность вызывают ее захолаживание и, следовательно, снижение качества получаемых покрытий (адгезионная прочность таких покрытий падает, а пористость возрастает).The supersonic speed of the jet of gas cooler concentrically covering the stream of sprayed powder at the outlet of the burner suggests the possibility of obtaining the following positive effects:
an increase in the heat transfer coefficient from the external surface of the combustion chamber to the cooling chamber, compared with the prototype, since this coefficient is almost directly proportional to the speed of the cooler, and, as a result, a decrease in the required flow rate of the cooler; such a cooling scheme is significantly more economical than in the prototype burner, where the velocity of flow around the combustion chamber with water does not exceed 2 m / s, and, as you know, the heat transfer coefficient for water, ceteris paribus, is about 10 ³ times higher than that of air, and therefore, the cooling water flow equal to 2700 kg / h in the prototype burner is equivalent to 2700 m ³ / h of air; when replacing the cooling circuit of the prototype device with the proposed one, 90-120 m ³ / h of air will be required, i.e. almost two orders of magnitude less;
the ability to crimp the jet with molten powder in the free flow area upon its exit from the cavity 9, which seals the flow and, therefore, helps to increase the utilization of the powder;
reduction, in comparison with the prototype, heat removal from the flame to the environment by reducing the braking of the flame, which also leads to an increase in the utilization of the powder and a reduction in the specific consumption of combustible gas and oxidizing agent; in the prototype burner, a free stream of flame has a speed of the order of 10 ³ m / s and is in contact with stationary air, and the mismatch of velocities, which determines the heat transfer coefficient from the flame to the surrounding air, is equal to the speed of the flame; in the proposed device, the speed of the cooler upon entering the atmosphere is 450-500 m / s, which almost 2 times reduces the mismatch speed, significantly reducing the braking of the flame. However, necessary for effective cooling of the combustion chamber of the prototype burner according to the proposed cooling scheme of 90-120 m ³ / h of air, getting on the sprayed surface causes its cooling and, therefore, the quality of the resulting coatings decreases (the adhesive strength of such coatings decreases and the porosity increases) .

Выполнение полости камеры сгорания и расширительного сопла в виде одного суживающегося к выходному торцу горелки канала обеспечивает возможность разрешения вышеуказанных противоречий между требованиями к экономичности создаваемой горелки и качеству получаемых с ее помощью покрытий;
предлагаемая конструкция полости 9 обеспечивает независимое снижение удельных расходов горючего газа и окислителя, причем их суммарный расход оказывается достаточным для расплавления потока напыляемых частиц и придания им необходимой для получения качественного покрытия скорости; это предполагает меньший разогрев камеры сгорания при работе предлагаемого устройства при том же расходе порошка, что и в горелке-прототипе, а это в свою очередь позволяет сократить расход охладителя до величин, влияние которых на качество покрытия практически равно нулю (в предлагаемом устройстве расход охладителя составляет 15-20 м³/ч).The implementation of the cavity of the combustion chamber and the expansion nozzle in the form of a single channel tapering to the outlet end of the burner provides the opportunity to resolve the above contradictions between the requirements for the efficiency of the created burner and the quality of the coatings obtained with it;
the proposed design of the cavity 9 provides an independent decrease in the specific consumption of combustible gas and an oxidizing agent, and their total consumption is sufficient to melt the flow of sprayed particles and give them the speed necessary to obtain a high-quality coating; this implies less heating of the combustion chamber during operation of the proposed device at the same powder flow rate as in the prototype burner, and this, in turn, allows to reduce the cooler consumption to values whose influence on the coating quality is practically zero (in the proposed device, the cooler consumption 15-20 m ³ / h).

Снижение удельных расходов газа и окислителя, а также давления горючей смеси, требующихся для создания критической скорости продуктов сгорания на выходе из горелки в предлагаемом устройстве достигается вследствие расширения продуктов сгорания с одновременным увеличением их скорости не только за счет сил трения, но, главным образом, за счет естественного расширения дозвукового потока в суживающемся канале. The reduction of the specific gas and oxidizer consumption, as well as the pressure of the combustible mixture required to create a critical velocity of the combustion products at the outlet of the burner in the proposed device is achieved due to the expansion of the combustion products with a simultaneous increase in their speed not only due to friction forces, but mainly due to due to the natural expansion of the subsonic flow in the narrowing channel.

Снижение давления в магистрали горючего газа повышает безопасность работы горелки: в данном устройстве для обеспечения эффективной работы достаточно, чтобы избыточное давление на выходе из мундштука составляло 0,1 МПа, при давлении окислителя на выходе в горелку - не выше 0,6 МПа, а горючего газа - 0,1 МПа. При этом имеется возможность подачи больших, по сравнению с прототипом, расходов порошка в камеру сгорания, поскольку снижение необходимого давления в магистрали горючего газа снижает образуемый этим газом подпор в месте поступления порошка в камеру сгорания. Reducing the pressure in the combustible gas line increases the burner operation safety: in this device, to ensure efficient operation, it is sufficient that the overpressure at the outlet of the mouthpiece is 0.1 MPa, with an oxidizer pressure at the outlet of the burner not higher than 0.6 MPa, and the fuel gas - 0.1 MPa. At the same time, it is possible to supply large, compared with the prototype, powder costs to the combustion chamber, since a decrease in the required pressure in the combustible gas line reduces the back pressure formed by this gas at the place of the powder entering the combustion chamber.

По сравнению с горелкой-прототипом предлагаемая горелка позволяет снизить удельный расход горючей смеси газа в 2-3 раза, окислителя - в 4-7 раз, расход условного охладителя примерно в 100 раз, поднять коэффициент использования порошка при напылении на 10-15% и обеспечить уровень безопасности, который допускается при работе с оборудованием данного типа. Compared with the prototype burner, the proposed burner allows to reduce the specific consumption of a combustible gas mixture by 2–3 times, of an oxidizing agent by 4–7 times, the consumption of a conditional cooler by about 100 times, to increase the powder utilization rate during spraying by 10–15% and provide safety level allowed when working with this type of equipment.

Claims

GAS-FLAME SPRAYING POWDER MATERIALS BURNER, comprising a gas mixing unit, gas and cooler supply channels, a mouthpiece with powder and gas channels, a combustion chamber connected to an expansion nozzle and a cooling chamber axially covering the combustion chamber and the expansion nozzle, characterized in that of cooling is a Laval nozzle open from the outlet end of the burner and covering the combustion chamber and the expansion nozzle with its expanding part, and the cavity of the combustion chamber and the expansion nozzle is made in the form of one monotonously tapering channel to the outlet end of the burner.