ПЛАЗМОТРОН

Полезная модель относится к плазменной электродуговой обработке материалов, в частности к низкотемпературным плазменным устройствам, и может быть использована при механизированных и ручных процессах термической обработки сыпучих материалов, в том числе содо-сульфатных смесей.
Известен плазмотрон, содержащий электрододержатель, внутри которого размещен канал для подвода охлаждающей среды, сопряженный с осевым каналом, выведенным во внутреннюю полость электрода, на наружной поверхности электрододержателя соосно с ним прикреплен изолирующий корпус, к последнему соосно присоединен кожух, в нижней части электрододержателя соосно с ним размещен электрод, часть наружной поверхности которого сопряжена с нижней частью внутренней поверхности электрододержателя, под электродом соосно с ним установлено сопло, имеющее внутренний профильный канал, переходящий в цилиндрический канал. В качестве элементов крепления в конструкции плазмотрона использованы преимущественно резьбовые соединения, а в качестве элементов уплотнения использованы выступы с кольцевыми уплотнениями. (Свидетельство RU №20871, МПК В23К 10/00, 2001 г.).
В известном устройстве форма сопла позволяет получить узконаправленную форму струи, преимущественно обеспечивая возможность резки материалов при нагревании. Использовать известную конструкцию плазмотрона для переработки дисперсных материалов практически не представляется возможным.
Наиболее близким к предлагаемому, является плазмотрон, который нашел широкое применение в отечественной промышленности. Известный плазмотрон содержит стационарную часть с основанием и штуцерами, внутри которых выполнены каналы для подвода плазмообразующей среды и подвода и отвода охлаждающей среды, сопрягаемыми с соответствующими каналами в сменной части, содержащей водоохлаждаемый электрододержатель с завихрителем и размещенным в нем электродом, изолирующий корпус, водоохлаждаемое сопло и кожух. Внутри электрододержателя выполнены каналы для подачи плазмообразующего газа через завихритель в сопловую камеру, образованную внешней поверхностью электрода и внутренней поверхностью сопла с выходным цилиндрическим каналом. (Авторское свидетельство SU №559787, МПК В23К 31/10, 1977 г.),
Недостатком данного решения являются низкие возможности его использования в процессах плазменного нагрева и термической обработки дисперсных материалов. В конструкции плазмотрона не предусмотрен узел ввода исходных материалов, а форма и малые размеры сопловой камеры и выходного цилиндрического канала сопла, формирующего плазменную струю, не позволяют эффективно вести процесс нагрева и вывода готового продукта. Конструкция сопловой камеры в сочетании с закрученным в завихрителе однородным потоком плазмообразующего газа (ПОГ) и узким, коротким цилиндрическим каналом сопла создает по его оси зону с пониженным давлением, где размещается дуговой разряд и создается наиболее высокая температура. В периферийной холодной области дуги вблизи стенки цилиндрического канала сопла, которое интенсивно охлаждается, проходит более значительная часть ПОГ. Этот газ имеет существенно более низкую температуру, чем в области дугового разряда и выходит наружу неравномерно нагретым. Кроме этого, малые размеры выходного цилиндрического канала сопла формируют узконаправленную струю с высокой концентрацией тепловой энергии только по ее оси. Периферийная часть струи на выходе из сопла при соприкосновении с холодным воздухом окружающей среды, резко расширяется и интенсивно охлаждается. В результате материал оказывается неравномерно нагретым, а процесс малоуправляемым. Кроме того, конфигурация сопла приводит к забиванию выходного канала и нарушению формирования плазменного потока.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей при одновременном улучшении эксплуатационных характеристик плазмотрона.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый плазмотрон состоит из стационарной части и сопрягающейся с ней сменной части, стационарная часть выполнена с возможностью крепления на внешних устройствах и присоединения к коммуникациям охлаждающей среды, плазмообразующего газа и электрического тока и содержит основание и штуцера с каналами для подвода плазмообразующего газа (ПОГ), подвода и отвода охлаждающей среды, сопряженных с соответствующими каналами сменной части, последняя содержит водоохлаждаемый электрододержатель с завихрителем и размещенным в нем электродом, изолирующий корпус, водоохлаждаемое сопло с сопловой камерой и кожух, внутри электрододержателя размещен канал для подачи плазмообразующего газа через завихритель в сопловую камеру, указанный канал расположен эксцентрично оси электрододержателя, а его выходная часть образована внешней поверхностью электрододержателя и внутренней поверхностью изолятора, сопловая камера, образована внешней поверхностью электрода и внутренней поверхностью сопла с выходным цилиндрическим каналом, при этом стационарная часть
снабжена патрубком для подвода обрабатываемого материала, установленным под углом на штуцере с каналом подвода плазмообразующего газа, внутри штуцера размещена камера смешения, выполненная в виде полости, нижняя часть которой сопряжена с аналогичной полостью, выполненной в основании, камера смешения в верхней ее части соединена с патрубком подачи обрабатываемого материала, а в нижней части имеет конфузорный участок, переходящий в цилиндрический канал, сопряженный с соответствующим каналом подачи плазмообразующего газа электрододержателя, выходная часть которого соединена с расширительной камерой, образованной внутренней поверхностью изолятора и кольцевой проточкой, выполненной на наружной поверхности в нижней части электрододержателя, расширительная камера соединена посредством винтовых каналов завихрителя с сопловой камерой, образованной наружной поверхностью электрода и внутренней профильной поверхностью канала сопла, последний выполнен расширяющимся на выходе.
Отличительным признаком от прототипа является выполнение в штуцере с каналом для подачи ПОГ камеры смешения, которая соединена с патрубком для подачи обрабатываемого материала и служит для его перемешивания с потоком ПОГ, который одновременно выполняет и роль транспортирующего газа. Для уменьшения гидравлического сопротивления при движении исходного материала и транспортирующего - ПОГ из камеры смешения в цилиндрический канал, нижняя часть камеры выполнена с конфузорным участком.
Отличительным от прототипа признаком является выполнение на наружной поверхности в нижней части электрододержателя кольцевой проточки, образуемой совместно с сопрягаемой внутренней поверхностью изолятора расширительную камеру, из которой обрабатываемый материал, находящийся во взвешенном состоянии, распространяется по винтовым каналам завихрителя в сопловую камеру. При такой спутно-вихревой подаче дисперсный материал движется в направлении плазменного потока и закручивается вокруг него, где происходит его интенсивное перемешивание и разогрев.
Отличительным от прототипа признаком является выполнение сопловой камеры с внутренней профильной поверхностью и с расширяющимся к выходу из сопла каналом. При такой конфигурации сопла снижаются требования к гранулометрическому составу исходного материала, интенсифицируется теплообмен дисперсного материала с дугой и плазменным потоком, а за счет сложной траектории движения частиц материала, совершающих одновременно вращательное и поступательное движение, увеличивается
время их нахождения в плазменном потоке, что позволяет более эффективно использовать его теплосодержание.
Стационарная часть плазмотрона может быть снабжена любыми известными средствами для обеспечения возможности ее крепления на механизмах перемещения, например, портальных и шарнирных машинах, манипуляторах и т.п. механизмах.
Использование в заявляемом плазмотроне новых элементов и их компоновка обеспечивают улучшение эксплуатационных свойств плазмотрона и повышение надежности работы его узлов при термической обработке дисперсных материалов.
Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение не известно из уровня техники, что свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Возможность использования заявляемого технического решения в промышленности свидетельствует о его соответствии критерию «промышленная применимость».
На фиг.1 представлен заявляемый плазмотрон.
Плазмотрон состоит из стационарной части и сменной части. Стационарная часть содержит основание 1, штуцер 2 с каналом для отвода охлаждающей среды, штуцер с каналом для подвода охлаждающей среды (не показано), штуцер 3 с каналом для подвода плазмообразующего газа (ПОГ), патрубок 4 для подвода обрабатываемого материала и подачи его в камеру смешения 5, расположенную внутри штуцера 3, при этом нижняя часть камеры 5 выполнена в основании 1 и имеет конфузорный участок 6, переходящий в цилиндрический канал 7, который через резиновое уплотнение 8 переходит в канал 9 подачи ПОГ электрододержателя 10. Отверстие 11 выходной части канала 9 подачи ПОГ выходит в расширительную камеру 12, образованную кольцевой проточкой, выполненной на поверхности электрододержателя 10, и внутренней поверхностью изолятора 13, которая посредством винтовых каналов завихрителя 14 соединяется с сопловой камерой 15, образованной внешней поверхностью водоохлаждаемого электрода 16 и внутренней профильной поверхностью канала 17, расширяющегося к выходу, водоохлаждаемого сопла 18. Сменная часть помещена в кожух 19 и соединена со стационарной частью посредством гайки 20.
Плазмотрон работает следующим образом.
Охлаждающая жидкость через штуцер подачи охлаждающей среды (на чертеже не показан) под давлением подается в плазмотрон для охлаждения теплонагруженных узлов - электрода 16 и сопла 18 и отводится из плазмотрона. ПОГ под давлением подается в
плазмотрон через штуцер 3 в камеру 5, каналы 7, 9, камеру 12 и через завихритель 14, и сопловую камеру 15 в выходной профильный канал 17 сопла 18 выходит наружу.
После подачи охлаждающей среды и плазмообразующего газа в плазмотрон к электроду 16 и соплу 18 подают высокочастотный потенциал напряжением порядка 10 кВ. Образующаяся электрическая дуга разогревает и ионизирует ПОГ, образуя плазменную струю, по оси которой горит электрическая дуга. Плазменная струя выдувает электрическую дугу, которая занимает положение по оси канала 17 сопла 18. Обрабатываемый материал через патрубок 4 поступает в камеру смешения 5, где перемешивается с ПОГ и во взвешенном состоянии через конфузорный участок 6, каналы 7 и 9, расширительную камеру 12 и завихритель 14 поступает в канал 17, где под воздействием электрической дуги и плазменной струи интенсивно нагревается и выносится наружу из сопла 18.
Заявляемая конструкция может быть успешно использована для термической обработки дисперсных материалов, например, содо-сульфатных и других смесей с целью удаления органической составляющей или сжигаемой минеральной составляющей.