ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН С ПАРОВИХРЕВОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ДУГИ
ELECTROARC PLASMATRON WITH STEAM-VORTEX ARC STABILISATION

Изобретение относится к электродуговым плазмотронам, работающим на водяном паре, и может быть эффективно использовано в плазмохимии, металлургии, при разрушении горных пород, резке металлов и напылении жаростойких покрытий.
Известен электродуговой плазмотрон (патент РФ №2165130, МПК Н05В 7/18, 1999 г.), по которому для жидкостной стабилизации до подачи тангенциального потока жидкости подают поток плазмообразующего газа, закрученного относительно оси газовой камеры, с помощью которого, используя вспомогательный разряд, зажигают рабочую дугу. После подачи плазмообразующего газа тангенциальные потоки жидкости раздельно один за другим подают в последовательно расположенные по оси камеры жидкостной стабилизации. В корпусе плазмотрона по оси установлены газовая камера с патрубком ввода плазмообразующего газа, полый электрод с системой магнитной стабилизации и дополнительный электрод, являющийся верхней диафрагмой, плотно подсоединенной к нему торцом, камера жидкостной стабилизации; вторая камера жидкостной стабилизации, со стороны нижней диафрагмы которой к введенному водосборнику-рассекателю можно подсоединить съемный анод-сопло с системой магнитной стабилизации дуги.
Недостатком плазмотрона является: сложное конструктивное решение; невозможность точного производства заданного количества пароводяной плазмы; ненадежность работы после прекращения подачи газа с полого электрода; наличие пульсаций струи плазмы из-за взрывообразного испарения воды в электродуговой камере и повышенная вследствие этого эрозия электродов.
пара
Известен также электродуговой плазмотрон (патент РФ №1620032, 1989 г., МПК Н05В 7/22), выбранный за прототип, в котором сухой перегретый пар генерируется из охлаждающей воды в каналах охлаждения катода, сопла-анода и анодной вставки, а затем подается на вход в вихревую камеру. Подогрев плазмотрона при запуске осуществляется на воздухе путем его подачи в вихревую камеру. При работе с паром на расчетном режиме (t=250-350°С) весь тепловой поток от дуги поступает в стенки катода, анодной вставки и сопла-анода возвращается в плазму с произведенным паром, и тепловой КПД плазмотрона оказывается близким к 100%. Наличие капиллярной структуры в каналах сопла-анода, выполненной в виде уложенного с зазором в канал медного вытеснителя, обеспечивает эффективное испарение воды и беспульсационный режим подачи сухого перегретого пара в плазмотрон.
Недостатками прототипа является то, что катодный узел и анод с начальным участком последовательно охлаждаются одной и той же водой, предназначенной для парогенерации. Количество ее очень ограничено, и развить большую мощность плазмотрон не сможет из-за явной нехватки воды для охлаждения электродных узлов; а также большая эрозия электродов и пульсации дуги при переходе с холодного воздуха на пар, во время запуска и сравнительно невысокая температура генерируемой плазмы.
Сложность конструкции - прототип оснащен двумя вихревыми камерами для воздуха и водяного пара.
Начальный участок плазмотрона (анодная вставка) выполнен цельнометаллическим и ввиду большой разности температур между внутренней и внешней поверхностями подвержен большим термическим напряжениям, приводящим к разрушению конструкции.
Задачей изобретения является упрощение конструкции, увеличение надежности, мощности плазмотрона и температуры плазмы на выходе.
Технический результат достигается благодаря тому, что электродуговой плазмотрон с паровихревой стабилизацией дуги содержит соосно и последовательно установленные водоохлаждаемый катодный узел с экраном и изолятором, установленную с межэлектродным зазором анодную вставку, выполненную в виде полого цилиндра с винтовыми каналами охлаждения, и рубашку, а также водоохлаждаемый анодный узел с соленоидом. Согласно изобретению анодная вставка служит парогенератором и оснащена рубашкой и винтовым каналом охлаждения, размещенным между ними, а также n-заходными резьбовыми проточками, сообщающими винтовой канал охлаждения с межэлектродным зазором и с внутренним каналом анодной вставки, причем анодная вставка и рубашка выполнены из металлов с различными коэффициентами теплового расширения и установлены с тепловым зазором относительно друг друга, при этом анодную вставку охлаждают дозированным количеством воды, зависящим от мощности плазмотрона, а катодный и анодный узлы - неограниченным количеством воды, раздельно от анодной вставки. Направление тока в обмотке соленоида, размещенного на аноде, задают одинаковое с направлением n-заходных проточек на анодной вставке и направлением закрутки плазмообразующего газа.
Технический результат в предлагаемом плазмотроне обеспечивается тем, что теплонапряженные детали конструкции плазмотрона (катод и анод) охлаждаются каждая в отдельности. Причем охлаждение электродов (катода и анода) не ограничено в количестве подаваемой воды и обеспечивает работоспособность электродов при больших токах и мощностях. Парогенераторная вода подается дозированно только в рубашку охлаждения анодной вставки. Она без пульсации превращается с помощью капиллярной структуры в пар и по резьбовым проточкам и затем через межэлектродный зазор проходит в плазмотрон в виде вихревого потока. Установка соленоида на корпусе анода в несколько раз увеличивает ресурс работы анода.
В предлагаемом техническом решении анодная вставка свободно перемещается в рубашке, что исключает появление термонапряжений.
На чертеже представлен продольный разрез электродугого плазмотрона с паровихревой стабилизацией дуги.
Электродуговой плазмотрон с паровихревой стабилизацией дуги содержит соосно и последовательно установленные водоохлаждаемый катодный узел 1 с экраном 2, изолятор 3, анодную вставку 4, которая служит парогенератором, выполнена в виде полого цилиндра с рубашкой 5, а между ними размещен винтовой канал охлаждения 6 с вытеснителем 7, кольцевой ресивер 8 и резьбовая n-заходная проточка 9 для закрутки воздуха и пара. Анодная вставка 4 и рубашка 5 выполнены из металлов с различными коэффициентами теплового расширения и охлаждаются дозированным количеством воды исходя из мощности плазмотрона. В винтовой канал охлаждения 6 анодной вставки 4 уложен металлический (проволочный) вытеснитель 7 для создания капиллярной структуры. Вытеснитель уложен в канале с зазором 0,1-0,5 мм. Соосно катодному узлу и анодной вставке установлен водоохлаждаемый анодный узел 10. Катодный и анодный узлы охлаждают раздельно неограниченным количеством воды. Анодная вставка 4 и экран 2 катодного узла 1 имеют участки 11 и 12, выполненные из меди и образующие межэлектродный зазор 13, наклонный, например, под углом 30°<α<90° относительно оси плазмотрона. На корпусе анода установлен соленоид 14, обеспечивающий в несколько раз увеличение ресурса работы анода. Направление тока в его обмотке должно совпадать с направлением резьбовой проточки 9 и соответственно направлению закрутки плазмообразующего газа. На чертеже показаны катод 15 и электрическая дуга 16. Анодная вставка имеет общий канал подачи воздуха и воды, но технологически они разнесены по времени подачи, что необходимо для пуска устройства. Величина межэлектродного зазора регулируется с помощью прокладок 17 изолятора 3.
Электродуговой плазмотрон с паровихревой стабилизацией дуги работает следующим образом.
Запуск плазмотрона начинается с подачи воздуха через канал подачи в анодную вставку 4, где он, проходя по винтовому каналу 6 с вытеснителем 7, прогревается и затем, пройдя по кольцевому ресиверу 8 и по n-заходной резьбовой проточке 9, приобретает закрутку и входит через межэлектродный зазор 13 в электродуговую камеру плазмотрона. Затем на катодный узел 1 и анод 10 подают напряжение источника питания и с помощью осциллятора (не показано) осуществляют электрический пробой межэлектродного зазора 13. Образуется искра, по которой развивается электрическая дуга 16. Магнитное поле соленоида 14 существенно снижает эрозию анода. Через несколько минут работы плазмотрона, когда воздух и анодная вставка 4 нагреются до 300-500°С, производится плавная замена воздуха водой, которая поступает в винтовой канал 6 с вытеснителем 7. Протекая через капиллярные зазоры вытеснителя, вода эффективно охлаждает анодную вставку 4, сама при этом нагревается и плавно без пульсаций испаряется. Образовавшийся водяной пар поступает из кольцевого ресивера 8 в резьбовую проточку 9, приобретая закрутку, и через межэлектродный зазор 13 поступает в плазмотрон в виде паровихревого потока, который стабилизирует осевое положение электрической дуги 16 в электродуговой камере. Расход воздуха в течение 10-15 с снижается до нуля. Далее плазмотрон продолжает работать на чистом водяном паре в режиме автономной парогенерации. Для предохранения экрана 2 и анодной вставки 4 от повышенного износа во время искрового поджига дуги места на них, где зазор минимален, армированы медными вкладышами 11 и 12. Величина межэлектродного зазора регулируется прокладками 17 на изоляторе 3.
Действие анодного соленоида будет положительно, если направление тока в его обмотке совпадает с направлением n-заходной резьбовой проточки на анодной вставке, равно как и с направлением закрутки придаваемое ею плазмообразующему газу.
Настоящее техническое решение позволяет увеличить мощность плазмотрона с пароводяной стабилизацией дуги и температуру пароводяной плазмы на выходе из плазмотрона.
Источники информации
1. Патент РФ №2165130, МПК Н05В 7/18, 1999 г.
2. Патент РФ №1620032, МПК Н05В 7/22, 1989 г. - прототип.