ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ELECTRIC ARC AC PLASMOTRON

Изобретение относится к области электротехнике и может быть использовано, в частности, в электродуговых устройствах для получения низкотемпературной плазмы.
Плазменные технологии, основанные на использовании электродуговых плазмотронов в качестве источников низкотемпературной плазмы, являются весьма перспективными для многих отраслей промышленности, так как они позволяют увеличить рабочую температуру технологического процесса по сравнению с традиционными источниками тепла (топливные горелки) и тем самым повысить его эффективность. Однако обязательным условием успешного внедрения плазменных технологий является обеспечение непрерывной работы плазмотрона (т.е. ресурса) в течение сотен, а иногда и тысяч часов. Это является весьма трудной задачей, так как электроды подвержены эрозии под действием опорных пятен дуги.
Плазмотроны переменного тока имеют ряд известных преимуществ по сравнению с плазмотронами постоянного тока, в том числе больший ресурс и надежность.
Известен плазмотрон, содержащий трубчатые металлические электроды с рубашками охлаждения и расположенный между электродами завихритель рабочего газа, обеспечивающий положение дуги на оси плазмотрона и изолирующий электроды друг от друга. Этот плазмотрон может питаться от источника как постоянного, так и переменного тока (А.С.Коротеев, В.М.Миронов, Ю.С.Свирчук «Плазмотроны конструкции, характеристики, расчет». - М.: Машиностроение, 1993 г.).
Недостатком описанного плазмотрона переменного тока является то, что приэлектродная часть (ножка дуги) и, соответственно, опорное пятно дуги вращаются внутри электрода только за счет газового вихря. Однако известно, что такой способ вращения не обеспечивает ресурс электрода, необходимый для промышленных применений описанного плазмотрона. Для увеличения ресурса в плазмотронах постоянного тока используется магнитное вращение ножки дуги, для чего на электрод помещается магнитная катушка, включаемая последовательно с дугой. Однако прямое перенесение этого метода на плазмотрон переменного тока невозможно из-за экранирующего действия электрода на магнитное поле внутри него.
Задачей предлагаемого изобретения является создание внутри электрода магнитного поля, способного непрерывно двигать в одном направлении опорное пятно дугового разряда по поверхности электрода и тем самым обеспечить увеличение его ресурса.
Указанная цель достигается тем, что электродуговой плазмотрон переменного тока снабжен двумя осесимметричными трубчатыми медными электродами, расположенными вдоль общей оси и разделенными между собой завихрителем газа.
Передний по отношению к потоку газа электрод закрыт с одной стороны заглушкой.
Задний по отношению к потоку электрод имеет отверстие для выхода горячего газа.
Электроды охлаждаются водой, причем рубашка охлаждения каждого электрода образована внутренней поверхностью корпуса рубашки и наружной поверхностью электрода. Передний электрод снабжен соленоидом (магнитной катушкой), расположенным на наружной поверхности корпуса рубашки концентрично с ней. Магнитная катушка электрически включена последовательно с дугой. В стенке переднего электрода сделана сквозная продольная щель, параллельная оси электрода, длина которой больше длины магнитной катушки, но меньше длины электрода. Кроме того, в щели расположена вставка из неэлектропроводного материала, герметизирующая щель для предотвращения попадания воды из рубашки охлаждения внутрь дугового канала или рабочего газа из дугового канала в рубашку охлаждения.
Известно, что ресурс заднего электрода обычно значительно больше ресурса переднего электрода. Это связано с быстрым возвратно-поступательным движением ножки дуги вдоль оси заднего электрода, обусловленным явлением шунтирования дуги. Поэтому использование магнитной катушки на заднем электроде для вращения опорного пятна дуги нецелесообразно.
Достигаемый с помощью изобретения технический результат заключается в следующем. При отсутствии щели магнитная катушка наводит в электроде большой тангенциальный ток, который искажает магнитное поле внутри электрода по величине и фазе и делает принципиально невозможным вращение ножки дуги в одном направлении с газовым вихрем, без чего невозможно обеспечить приемлемый ресурс электрода. Щель препятствует протеканию тангенциального тока и тем самым позволяет организовать однонаправленное вращение ножки дуги.
На чертеже показано принципиальное исполнение плазмотрона согласно изобретению.
Плазмотрон содержит передний 1 и задний 2 по отношению к потоку электроды, разделенные завихрителем 3, в который через штуцер 9 подается рабочий газ в тангенциальном направлении. Передний электрод закрыт с одного конца торцевой заглушкой 4 (уплотнения на чертеже не показаны). Каждый электрод снабжен рубашкой охлаждения, образованной наружной поверхностью электрода 5 и внутренней поверхностью корпуса рубашки 6. Вода в каждую рубашку подается через штуцеры 7 и отводится через штуцеры 8. На корпусе рубашки охлаждения переднего электрода 1 расположена магнитная катушка 10. Электрический ток от источника питания подводится к одному концу катушки, второй ее конец соединен с корпусом рубашки охлаждения. Поскольку в приведенном варианте исполнения катушка на заднем электроде отсутствует, то ток подводится непосредственно к корпусу рубашки охлаждения. В переднем электроде 1 сделана продольная щель, заполненная герметизирующей вставкой 11 из неэлектропроводного материала.
Плазмотрон работает следующим образом. Через штуцер 9 подают в плазмотрон рабочий газ, а через штуцер 7 воду. После подачи воды и рабочего газа на плазмотрон подается рабочее напряжение и между электродами 1 и 2 инициируется дуга одним из известных способов (например, поджигом вспомогательного маломощного разряда). За счет совокупного действия осевой и тангенциальной составляющих скорости газа дуга располагается в приосевой области плазмотрона, а нагретый газ вытекает через нижнее по потоку отверстие в заднем электроде 2. Ножка дуги вращается в основном под действием электромагнитной силы, образующейся при взаимодействии тока дуги с магнитным полем катушки. Благодаря наличию щели в переднем электроде возникновение тангенциального тока в этом электроде и его отрицательный эффект невозможны, поэтому ножка вращается только в направлении газового вихря, что приводит к снижению эрозии электрода и увеличению ресурса плазмотрона.