PL226572B1 - Sposób modelowania strumienia wylotowego w pistolecie łukowym oraz urządzenie do realizacji tego sposobu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Sposób modelowania strumienia wylotowego w pistolecie łukowym oraz urządzenie do realizacji tego sposobu znajdują zastosowanie w procesie technologicznym nakładania powłok antykorozyjnych. W szczególności sposób i urządzenie według wynalazku znajdują zastosowanie w przemyśle metalowym zwłaszcza przy wykonywaniu konstrukcji stalowych na etapie zabezpieczenia antykorozyjnego.

Na podstawie wieloletnich doświadczeń krajowych i zagranicznych można stwierdzić, że natryskiwane cieplnie antykorozyjne powłoki metalowo - malarskie mają najdłuższą trwałość ze wszystkich stosowanych przemysłowo powłok ochronnych. Wieloletnia eksploatacja różnego rodzaju obiektów zabezpieczanych przed korozją za pomocą tych powłok wykazała ponadto, że ze względu na bardzo istotne zmniejszenie częstotliwości koniecznych zabiegów konserwacyjnych, trwałość chronionych tą metodą obiektów jest podwyższona a koszty ich utrzymania są jednymi z najniższych. W budownictwie krajowym powłoki te znalazły szerokie wykorzystanie szczególnie w budowie infrastruktury komunikacyjnej. Obecnie większość nowo budowanych mostów chroniona jest z powodzeniem za pomocą tej metody. Jednakże jeszcze szerszemu wykorzystaniu tej metody stoją na przeszkodzie stosunkowo wysokie koszty wytwarzania tego rodzaju powłok. Wynikają one z jednej strony z istoty samego procesu (konieczność bardzo starannego przygotowania powierzchni chronionej konstrukcji przed zabiegiem natryskiwania powłoki metalowej) z drugiej zaś strony z powodu dużych strat materiału powłokowego, którym jest w większości przypadków stop metali takich jak cynk i aluminium, powstających podczas natryskiwania cieplnego.

W znanym stanie techniki do przemysłowego natryskiwania powłok antykorozyjnych używane są obecnie w zasadzie wyłącznie pistolety łukowe, gdyż charakteryzują się one najniższymi kosztami eksploatacji. Dotychczas produkowane są one z zastosowaniem zamkniętego lub otwartego układu rozpylania. Jednakże przy obu systemach rozpylania straty materiału powłokowego są wysokie i wynoszą od 30 do 50% materiału, co wynika z niejednorodnego charakteru strumienia natryskowego, z różnej wielkości powstających podczas rozpylania cząstek, z różnej szybkości chłodzenia cząstek znajdujących się w różnych miejscach strumienia natryskowego.

Do nakładania powłok na konstrukcje wielkogabarytowe o dużych powierzchniach używa się z zasady wyłącznie drutowych pistoletów łukowych, które umożliwiają nakładanie powłok ochronnych przy najmniejszych nakładach energetycznych. W przeznaczonych do tego celu pistoletach stosowane są najczęściej dwa systemy rozpylania topionego materiału, system otwarty i tzw. system zamknięty powodujący powstawanie cząstek o mniejszych rozmiarach, w wyniku czego natryskiwaną powłokę cechuje mniejsza porowatość.

W pistoletach łukowych powszechnie stosuje się tzw. dyszę de Lavala, przez którą przechodzi strumień sprężonego gazu rozpylający stopione cząstki metalu. Wykorzystywane jest przy tym zjawisko gwałtownego wzrostu prędkości przepływającego przez dyszę gazu jednak przy znaczącym spadku ciśnienia statycznego strumienia gazu. Zjawiska zachodzące w dyszy de Lavala opisuje dość dokładnie prawo Bernouillego oparte o zasadę zachowania energii. Prędkość wylotową strumienia gazów wyznacza się z wzoru:

TR

M ²r

T-1 r^-1

Pe

P

Gdzie:

Ve - prędkość strumienia u wylotu dyszy [m/s]

T - temperatura wlotowa gazu [K]

R - uniwersalna stała gazowa 8314.5 J/(kmol • K)

Równanie to opisuje jednak zjawiska zachodzące dla dyszy doskonałej tzn. pozbawionej zaburzających przepływ „elementów obcych” - w przypadku pistoletu łukowego będą to końcówki drutów umieszczone bezpośrednio w strumieniu gazu.

Odrębnym zjawiskiem, które wywiera znaczący wpływ na strumień rozpylonego metalu jest oddziaływanie jarzącego się łuku elektrycznego, którego wysoka temperatura lokalna powoduje istotne

PL 226 572 B1 zmiany w wyżej podanym równaniu. Z dotychczasowych badań wynika, że do największych lokalnych zmian (wzrostu) prędkości dochodzi w obszarze styku drutów, a więc w miejscu jarzenia się łuku. Zjawisko to ma dalekosiężne konsekwencje bowiem w tym właśnie miejscu występuje najwyższa temperatura oraz wywołany przez potężne źródło ciepła jakim jest łuk elektryczny gwałtownym rozszerzaniem się gazu rozpylającego. W dotychczas stosowanych rozwiązaniach stapiane w łuku elektrycznym cząstki metalu są rozpylane za pomocą strumienia sprężonego powietrza lub gazu nośnego skierowanego zgodnie i równolegle z osią główną pistoletu (urządzenia). Niedogodnością znanych rozwiązań jest unoszenie z obszaru topienia cząstek o niejednakowej i bardzo zróżnicowanej wielkości co negatywnie wpływa na zużycie materiału oraz równomierność nanoszonej powłoki.

Obecnie na rynku dominują urządzenia o maksymalnym prądzie pracy rzędu 250 A i wydajności 25 kg cynku / godzinę. Obecnie takie urządzenia uważane są za zdecydowanie niewystarczające, do szerokiego użycia weszły agregaty o mocy ponaddwukrotnie większej, tj. o prądzie pracy rzędu 600 A. Niezmieniana od lat konstrukcja pistoletów natryskowych pozostała daleko w tyle za rozwojem źródeł prądu, wskutek czego wytwarzany przez nie relatywnie wąski strumień natryskowy stał się de facto niemal strugą stopionego metalu. O ile przy natryskiwaniu powłok technicznych zjawisko to ma wiele cech dodatnich, jak na przykład dość duża precyzja nakładania na ograniczone powierzchnie, o tyle przy natryskiwaniu powłok antykorozyjnych na konstrukcje wielkogabarytowe, gdzie pokrywane są duże płaszczyzny, jest to zjawisko zdecydowanie niekorzystne, przynoszące duże straty materiału powłokowego. Duża ilość materiału powłokowego znajdująca się w wąskim strumieniu natryskowym skutkuje nakładaniem przy pojedynczym przejściu pistoletu warstwy o dużej grubości. Operator urządzenia ręcznego napotyka na poważne trudności w utrzymaniu jednorodnej grubości powłoki i bardzo często mamy do czynienia z lokalnymi jej nadmiarami w stosunku do wymagań projektowych, co efektywnie stanowi stratę materiału. Nadto, zróżnicowany poziom energetyczny cząstek rozpylonego materiału powłokowego powoduje że znaczna ich część, schładza się w takim stopniu, że traci lepkość i odbijania się od podłoża. Natomiast dzięki zwiększeniu rozbieżności (szerokości) strumienia ta sama ilość materiału powłokowego jest nakładana na większą powierzchnię, co pozwala pokrywać ją z dużą precyzją grubości warstwy za jednym przejściem pistoletu. W ten sposób można uniknąć opisanych wyżej strat związanych z nadmiarową grubością natryskanej powłoki a przy tym obniżyć pracochłonność całego procesu. Jednocześnie zwiększenie rozbieżności (szerokości) strumienia powoduje powstanie kilku istotnych problemów technicznych. Zasadniczym problemem występującym w szeroko strumieniowych systemach natryskowych jest duża niejednorodność temperatury i wielkości cząsteczek roztopionego materiału powłokowego.

Z amerykańskiego opisu patentowego US005964405 znany jest rozpylający pistolet łukowy wyposażony w parę rurowych prowadnic drutu, doprowadzających parę drutów do punktu styku w którym łuk elektryczny topi końcówki drutów. Główny strumień gazu przepływa centralnie wzdłuż centralnej osi dyszy rozpylając roztopiony przez łuk elektryczny metal. Nasadka (dysza) zawiera co najmniej cztery otwory rozmieszczone wokół centralnej osi. Otwory w nasadce kierunkują drugi, pomocniczy strumień gazu w kierunku zgodnym z kierunkiem głównego strumienia gazu, tak że pomocniczy strumień gazu przecina się ze strumieniem głównym pod kątem zbliżonym do 30-50 stopni. Punkt przecięcia strumienia głównego i pomocniczego znajduje się za punktem styku drutów w którym następuje topienie metalu. Taki układ dysz wylotowych poszczególnych strumieni gazu ma, według wynalazcy, zapewnić zawężenie i przyspieszenie strumienia rozpylonego metalu. Niedogodnością tego rozwiązania jest niska jakość strumienia natryskowego spowodowana jego niejednorodnością.

Rozwiązanie według niniejszego wynalazku pomaga wyeliminować tą niedogodność poprzez zastosowanie wirowego obiegu powietrza w strefie łuku elektrycznego, dzięki użyciu specjalnej dyszy rotującej pomocniczy strumień gazu wokół strumienia głównego niosącego rozpylone cząsteczki metalu. Metal stopiony w łuku elektrycznym, w punkcie styku drutów jest rozpylany w urządzeniu według niniejszego wynalazku dwoma strumieniami gazu. Głównym strumieniem, który działa poosiowo oraz strumieniem pomocniczym, który rotuje wokół strumienia głównego obiegając strefę łuku elektrycznego. Wirowy ruch strumienia pomocniczego jest wynikiem odpowiedniego ukształtowania komory wewnętrznej, dodatkowej dyszy rotującej i odpowiedniego ukształtowania kanałów dolotowych doprowadzających strumień pomocniczy do dyszy rotującej a zwłaszcza kształt otworów wylotowych tychże kanałów.

Celem niniejszego wynalazku jest uzyskanie istotnego ograniczenia strat materiałowych a przez to umożliwienie zmniejszenia ilości zużywanego materiału powłokowego i zwiększenia szybkości nakładania powłoki a więc zmniejszenie kosztów nakładania tego rodzaju warstwy ochronnej. Cel ten

PL 226 572 B1 może zostać osiągnięty poprzez zapewnienie bardziej równomiernego rozmieszczenia wszystkich cząstek w przekroju strumienia natryskowego, przy czym cząstki te powinny mieć możliwie zbliżoną wielkość a strumień rozpylonych cząsteczek metalu powinien być jak najbardziej jednorodny. Umożliwi to uzyskanie przez wszystkie cząstki materiału powłokowego zbliżonego poziomu energetycznego, co minimalizuje nadmierne schładzanie części cząstek znajdujących się na obrzeżach strumienia natryskowego prowadzące w rezultacie do odbijania się ich od materiału podłoża.

Istota sposobu według wynalazku, stanowiącego szerokostrumieniowy system rozpylania materiału powłokowego w pistolecie łukowym do nakładania powłok antykorozyjnych według wynalazku polega na utworzeniu wokół strefy łuku elektrycznego topiącego materiał powłokowy w postaci drutów, wirującego strumienia powietrza rozpylającego (gazu nośnego). Wirujący strumień działając jako siła tnąca pozwala pokonać napięcie powierzchniowe stopionego metalu znacznie łatwiej niż podczas działania poosiowego. Dzięki temu uzyskiwane cząstki stopionego metalu powinny być drobniejsze i bardziej równomierne co do wielkości. Taki efekt korzystnie wpływa na strukturę i właściwości użytkowe natryskanych powłok. Wzajemne odziaływanie powietrza i/lub innego gazu rozpylającego skierowanego wirująco i poosiowo skutkuje regulacją wielkości cząstek i dostosowaniem jej do żądanych własności powłoki. Korzystnym jest skierowanie dodatkowego strumienia sprężonego gazu za punkt topienia się drutów oraz skierowanie go prostopadle do osi strumienia natryskowego. W ten sposób zostaje nadany cząstkom metalu ruch wirowy. Ma to na celu ujednorodnienie strumienia natryskowego w całym jego przekroju. Jednocześnie poprzez zmianę ciśnień obu strumieni gazów rozpylających (o przepływie poosiowym i o ruchu wirowym), można wpływać na jakość strumienia natryskowego.

O efektywnym wykorzystaniu zjawisk wpływających na strumień rozpylonego metalu decyduje w znacznym stopniu, w przypadku zastosowania dyszy de Lavala w pistolecie łukowym, umiejscowienie jej względem łuku elektrycznego, czyli punktu topienia się materiału powłokowego. W urządzeniu według wynalazku dyszę de Lavala zastosowano jako podstawowy element kształtujący strumień natryskowy, jako element konstrukcyjny, który z jednej strony decyduje o miejscu największej prędkości gazu, a z drugiej strony o punkcie i kącie schodzenia się drutów. Natomiast jako element zapewniający ruch wirowy strumienia pomocniczego zastosowano odpowiednio ukształtowaną dodatkową dyszę rotującą.

Ruch wirowy dodatkowego, pomocniczego strumienia gazu w urządzeniu według wynalazku uzyskano dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu dodatkowej dyszy która znajduje się za dyszą de Lavala. Strumień główny niosący rozpylone cząsteczki materiału powłokowego, przykładowo roztopionego metalu pochodzącego ze stopionych w łuku elektrycznym drutów, przechodzi najpierw przez dyszę de Lavala a następnie wpada do dyszy dodatkowej w której znajdują się wyloty kanałów doprowadzających dodatkowy, pomocniczy strumień rotujący. Komora wewnętrzna dyszy rotującej ma kształt walca lub stożka skierowanego podstawą ku wylotowi, zakończonego u wylotu pierścieniem zwężającym średnicę wylotową. W obrzeżu dyszy rotującej wydrążone są kanały, których wyloty mają kształt owalu o jednej osi symetrii lub kształt elipsy. Korzystnie kanały na pierwszym odcinku wlotowym są zbieżne lub równoległe względem siebie oraz względem głównego strumienia gazu. Natomiast na odcinku końcowym, wylotowym oś kanałów przecina się z osią strumienia głównego pod kątem w zakresie 60-90°. Eliptyczny kształt otworów wylotowych (ujść) kanałów dodatkowego strumienia gazu powoduje, że strumień dodatkowy nie uderza bezpośrednio w strumień główny lecz otacza go wzdłuż głównej osi strumienia natryskowego i przemieszcza się spiralnie wokół strumienia głównego.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został przedstawiony na rysunku na którym fig. 1 ilustruje schemat sposobu kształtowania strumienia rozpylonego metalu; fig. 2 obrazuje schemat sposobu oddziaływania strumienia głównego oraz strumienia dodatkowego na prędkość wylotową cząsteczek stopionego metalu; fig. 3a przedstawia dyszę rotującą, w wariancie z komorą wewnętrzną w kształcie walca, w widoku izometrycznym od strony wpływu głównego strumienia gazu; fig. 3b przedstawia dyszę rotującą, w wariancie z komorą wewnętrzną w kształcie walca, w widoku z przodu to jest od strony wpływu głównego strumienia gazu; fig. 4a przedstawia przekrój poprzeczny przez dyszę rotującą w widoku frontalnym; fig. 4b przedstawia przekrój poprzeczny przez dyszę rotującą w widoku z boku; fig. 4c przedstawia przekrój poprzeczny przez dyszę rotującą w widoku z przodu z zaznaczonym kierunkiem przepływu dodatkowego, rotującego strumienia gazu; fig. 5 przedstawia przekrój poziomy przez przykładowy schemat urządzenia łukowego wyposażonego w dyszę rotującą o komorze wewnętrznej w kształcie stożka, w widoku z góry; fig. 6 przedstawia przekrój przez przykładowy pistolet łukowy wyposażony w dyszę rotującą o komorze wewnętrznej w kształcie stożka, mePL 226 572 B1 chanizmem prowadnic drutów i kanałami dodatkowego strumienia gazu w widoku z góry; fig. 7 przedstawia przekrój przez przykładowy pistolet łukowy wyposażony w dyszę rotującą o komorze wewnętrznej w kształcie stożka, w widoku z boku w wariancie poziomego rozmieszczenia prowadnic drutu w osi poziomej pistoletu.

W sposobie według wynalazku w przykładzie zastosowania materiał powłokowy o właściwościach antykorozyjnych, w postaci dwóch drutów (1) z cynku lub aluminium o średnicy 2,5 mm, wprowadzany jest do dwóch prowadnic rurowych (2) wykonanych z miedzi, następnie po włączeniu napięcia i powstaniu łuku elektrycznego pomiędzy drutami (1) na strefę (punkt) topienia (3) drutów (1) kierowany jest główny strumień (4) sprężonego powietrza działający poosiowo, wypływający przez otwór dyszy rozpylającej o średnicy projektowej 8 mm. Za strefą (punktem) topienia (3) którą tworzy łuk elektryczny pracujący w obszarze napięciowym 16,4-18 V, na główny strumień powietrza (4) oddziałuje się dodatkowym, pomocniczym strumieniem gazu (5) rotującym wokół i wzdłuż strumienia głównego (4).

Metal topiony w łuku elektrycznym pistoletu jest rozpylany dwoma strumieniami powietrza, pierwszym głównym (4) działającym poosiowo i drugim dodatkowym (5), obiegającym strefę łuku. Strumienie łączą się w dyszy rotującej (6). Wzajemne oddziaływanie tych dwóch strumieni (4), (5) na cząstki topionego metalu skutkuje ucieczką cząstek po krzywej zbliżonej kształtem do spirali Fibona cciego wskutek występującej składowej poosiowej uwzględniającej przyspieszenie wywołane rozprężaniem powietrza w strumieniu. Wypadkową prędkość ucieczki cząsteczki materiału powłokowego (C) można obliczyć dzieląc prędkość dodatkowego strumienia wirującego (Vi) przez prędkość strumienia poosiowego (V?) według wzoru C=/(V₁/ V₂).

Urządzenie według wynalazku w przykładzie wykonania ma formę pistoletu (7) w którego korpusie (8) znajdują się dwie rurowe prowadnice (2) drutu (1), rozmieszczone poziomo, w osi pistoletu (7) oraz mechanizm przesuwny (9) podający druty (1) oparty na podajniku pchającym rolki (10) działające na zasadzie sprzęgła ciernego. Prowadnice w pierwszym odcinku są umieszczone równolegle względem siebie a następnie zbiegają się ku sobie. Pistolet jest zaopatrzony w standardowy napęd pneumatyczny. Końcówki drutu (1) zbliżają się do siebie w komorze wylotowej (11) dyszy de Lavala (12). Punkt styku drutów (1), będący punktem topienia (3) w obszarze którego powstaje łuk elektryczny znajduje się w osi głównego strumienia gazu (4). Pistolet jest zaopatrzony w dyszę rotującą (6) zlokalizowana za dyszą de Lavala (12). Dysza rotującą (6) zaopatrzona jest w kanały (13) doprowadzające dodatkowy strumień gazu (5) do jej komory wewnętrznej (14). Wyloty (15) kanałów (13) mają kształt owalu o jednej osi symetrii. U wylotu dyszy rotującej (6) zlokalizowany jest pierścień (16) o średnicy wewnętrznej mniejszej od wlotu dyszy rotującej. Nadto dysza rotującą zaopatrzona jest w dwa wgłębienia (17) umożliwiające montaż w pistolecie.

Zastosowanie w urządzeniu dodatkowej dyszy rotującej umożliwia: uzyskanie rozbieżnego strumienia natryskowego o wierzchołkowym kącie maksymalnym do 90°, ujednorodnienie średnicy rozpylonych cząstek, uzyskanie możliwie najwyższego współczynnika osadzania i zmniejszenie strat materiału powłokowego i poprawienia wszystkich wskaźników ekonomicznych procesu natryskiwania cieplnego powłok antykorozyjnych. System rozpylania stopionego materiału powłokowego oparty o sposób i urządzenie według wynalazku przewyższa znane i stosowane do tej pory w świecie systemy rozpylania ogranicza bowiem straty materiałowe (nawet do 15%) zaś struktury otrzymywanych powłok spełniają najwyższe wymogi stawiane antykorozyjnym powłokom metalowym natryskiwanym cieplnie. Do wymogów tych w pierwszym rzędzie zaliczyć należy przyczepność powłoki do stalowego podłoża oraz możliwie niską porowatość przy jednoczesnym równomiernym wymiarowo rozkładzie ziaren i jednorodnej, spoistej strukturze. Również urządzenie i sposób wynalazku pozwala zwiększyć maksymalną wydajność urządzenia do wydajności rzędu 60 kg cynku na godzinę.

Claims (4)

1. Sposób modelowania strumienia wylotowego w pistolecie łukowym zawierającym dyszę de Lavala, znamienny tym, że strumień rozpylonych cząstek roztopionego materiału powłokowego niesionych głównym strumieniem (4) natryskowym gazu, działającym poosiowo po przejściu przez dyszę de Lavala (12) przechodzi przez dyszę rotującą (6) w której główny strumień gazu (4) otaczany jest dodatkowym strumieniem (5) gazu, wirującym wokół strumienia głównego (4).

PL 226 572 B1

2. Urządzenie do modelowania strumienia wylotowego w pistolecie łukowym zawierającym dyszę de Lavala, mające postać pistoletu łukowego znamienne tym, że pistolet (7) zaopatrzony jest w dodatkową dyszę rotującą (6), która jest zlokalizowana za dyszą de Lavala (12) i jest wyposażona w co najmniej dwa otwory wylotowe (15) kanałów (13) doprowadzających dodatkowy strumień gazu (5) do komory wewnętrznej (14) a otwory wylotowe (15) mają kształt elipsy lub owalu z jedną osią symetrii.

3. Urządzenie do modelowania strumienia wylotowego w pistolecie łukowym według zastrz. 2, znamienne tym, że komora wewnętrzna (14) dyszy rotującej (6) ma kształt walca lub stożka rozszerzającego się ku wylotowi dyszy rotującej (6).

4. Urządzenie do modelowania strumienia wylotowego w pistolecie łukowym według zastrz. 2, znamienne tym, że komora wewnętrzna (14) dyszy rotującej (6) zawiera wgłębienia (17).