Электродуговой плазмотрон переменного тока
AC ELECTRIC ARC PLASMA TORCH

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к электродуговым плазмотронам переменного тока для работы на плазмообразующих газах, включающих смесь газообразных углеводородов с другими газами, и может быть использовано для обеспечения безаварийной работы электродугового плазмотрона в течение длительного времени.
Известен высоковольтный электродуговой плазмотрон переменного тока, содержащий, преимущественно, три дуговых канала, установленных в общий корпус. Каждый дуговой канал состоит из цилиндрического полого электрода с расположенной на нем электромагнитной катушкой, промежуточного канала, выполненного в виде металлического патрубка, и соплового блока с отверстием для вывода плазмы; каждый дуговой канал со стороны электрода закрыт заглушкой, а на торце электрода установлен первый узел ввода плазмообразующего газа в виде первой изолирующей втулки с тангенциально расположенными отверстиями для подачи плазмообразующего газа в полость электрода; второй торец электрода соединен с первым концом патрубка через вторую изолирующую втулку с тангенциально расположенными отверстиями, образующую второй узел ввода плазмообразующего газа в область между электродом и патрубком; патрубок соединен с сопловым блоком посредством третьей изолирующей втулки, являющейся одновременно третьим узлом основного ввода плазмообразующего газа; каждая из изолирующих втулок содержит один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в полость цилиндрического полого электрода, в область между цилиндрическим полым электродом и металлическим патрубком и в область между металлическим патрубком и сопловым блоком. Каждый цилиндрический полый электрод выполнен из меди, сплава меди или материала из группы, состоящей из железа, вольфрама, графита, гафния; первый и второй узлы ввода плазмообразующего газа обеспечивает подачу от 10 до 30%, а третий узел - от 70 до 90% от всего расхода газа через плазмотрон, RU2680318 С1, опубл. 19.02.2019.
Известное устройство выбрано в качестве прототипа настоящего изобретения.
Недостатком прототипа является невысокий ресурс плазмотрона при работе на плазмообразующих газах, включающих смесь газообразных углеводородов с другими газами, из-за недолгого срока безаварийной работы, обусловленного осаждением углеродного материала, образующегося в результате пиролиза углеводородов в электрической дуге, на третьей изолирующей втулке, являющейся одновременно частью третьего узла основного ввода плазмообразующего газа, что вызывает аварийный электрический пробой и разрушение изолирующей втулки и узла основного ввода газа. Это обстоятельство объясняется тем, что при вихревом течении газа, внутри вихря образуется обратное течение, то есть, вдоль стенок дугового канала газ течет из плазмотрона, а в центре дугового канала газ движется внутрь плазмотрона. При этом, если через третий узел ввода газа подается углеводородный газ, то он разлагается в электрической дуге на водород и углерод, и обратное течение возвращает этот углерод к изолирующей втулке. В течение некоторого времени углерод покрывает втулку ровным слоем, и изоляционное свойство изолирующей втулки между промежуточным каналом и сопловым блоком пропадает. Это приводит к выходу плазмотрона из строя.
Задачей настоящего изобретения является повышение ресурса плазмотрона при работе на плазмообразующих газах, включающих смесь газообразных углеводородов с другими газами, благодаря обеспечению длительной безаварийной работы за счет предотвращения осаждения углеродного материала, образующегося в результате пиролиза углеводородов в электрической дуге, на изоляционной втулке, расположенной между промежуточным каналом и сопловым блоком, что предотвращает аварийный электрический пробой и разрушение изолирующей втулки и узла основного ввода газа.
Поставленная задача решается за счет того, что в электродуговом плазмотроне переменного тока, содержащем, по меньшей мере, один дуговой канал, состоящий из цилиндрического полого электрода с расположенной на нем электромагнитной катушкой, промежуточного канала, выполненного в виде металлического патрубка, и соплового блока с отверстием для вывода плазмы, причем дуговой канал со стороны электрода закрыт заглушкой, а на торце электрода установлен первый узел ввода плазмообразующего газа в виде первой изолирующей втулки с тангенциально расположенными отверстиями для подачи плазмообразующего газа в полость электрода, при этом второй торец электрода соединен с первым концом патрубка через вторую изолирующую втулку с тангенциально расположенными отверстиями, образующую второй узел ввода плазмообразующего газа для его подачи в область между электродом и патрубком, причем патрубок соединен с сопловым блоком посредством третьей изолирующей втулки, а в области между патрубком и сопловым блоком установлен третий узел основного ввода плазмообразующего газа для его подачи в дуговой канал соплового блока, согласно изобретению, сопловый блок со стороны патрубка выполнен с расширенным осевым отверстием, в которое вставлен второй конец патрубка, причем третья изолирующая втулка контактирует с внешней поверхностью патрубка, а на внешнюю поверхность второго конца патрубка установлена кольцевая защитная насадка, при этом третий узел основного ввода плазмообразующего газа выполнен в виде полого цилиндра с тангенциально расположенными отверстиями с возможностью ввода основного плазмообразующего газа в вихревую камеру, образованную между внешней стенкой патрубка, внутренней стенкой расширенного осевого отверстия соплового блока, изолирующей втулкой и защитной насадкой.
Третий узел основного ввода плазмообразующего газа может быть выполнен в виде втулки с тангенциально расположенными отверстиями или может быть образован сопловым блоком в области расширенного осевого отверстия, при этом во внутренней стенке соплового блока выполнены тангенциально расположенные отверстия.
Предпочтительно, цилиндрический полый электрод выполнен из меди, сплава меди или материала из группы, состоящей из железа, вольфрама, графита, гафния.
Предпочтительно, первый и второй узлы ввода плазмообразующего газа обеспечивает подачу от 20 до 50% от всего расхода газа через плазмотрон, при этом плазмообразующий газ выбран из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон, а третий узел ввода плазмообразующего газа обеспечивает подачу от 50 до 80% от всего расхода газа через плазмотрон, при этом плазмообразующий газ состоит из смеси с углеводородным газом газа, выбранного из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон.
Предпочтительно, плазмотрон содержит три дуговых канала, электрически изолированных друг от друга, причем цилиндрический полый электрод каждого дугового канала подключен к трехфазной сети переменного тока, при этом сопловые блоки всех дуговых каналов объединены в объединенный сопловой блок и размещены в одном корпусе, с одной стороны которого расположены три отверстия для вывода плазмы, а с другой стороны расположены три стыковочных узла для стыковки с третьими изолирующими втулками патрубков.
Выполнение соплового блока со стороны патрубка с расширенным осевым отверстием, в которое вставлен второй конец патрубка, с внешней поверхностью которого контактирует третья изолирующая втулка, а также установка на внешнюю поверхность второго конца патрубка кольцевой защитной насадки обеспечивают возможность создания вихревой камеры, образованной между внешней стенкой патрубка, внутренней стенкой расширенного осевого отверстия соплового блока, изолирующей втулкой и защитной насадкой. Выполнение третьего узла основного ввода плазмообразующего газа, установленного в области между патрубком и сопловым блоком, в виде полого цилиндра с тангенциально расположенными отверстиями обеспечивает возможность подачи основного плазмообразующего газа, содержащего углеводороды, в дуговой канал соплового блока через вихревую камеру. Плазмообразующий газ, содержащий углеводороды, в электрической дуге разлагается на водород и углерод. При вихревом течении плазмообразующего газа внутри вихря образуется обратное течение, то есть, вдоль стенок дугового канала газ течет из плазмотрона, а в центре дугового канала газ движется внутрь плазмотрона, и обратное течение возвращает образовавшийся углерод, который не достигает изолирующей втулки, так как защитная насадка отбрасывает обратный поток с углеродными частицами в зону основного вихревого потока, тем самым защищая втулку от налипания углерода. Благодаря этому обстоятельству предотвращается аварийный электрический пробой и разрушение изолирующей втулки и узла основного ввода газа.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображен трехфазный электродуговой плазмотрон переменного тока.
Трехфазный электродуговой плазмотрон переменного тока содержит три идентичных дуговых канала 5, электрически изолированных друг от друга. Каждый дуговой канал 5 состоит из цилиндрического полого электрода 12 с расположенной на нем электромагнитной катушкой 11, промежуточного канала, выполненного в виде металлического патрубка 8, и соплового блока 1 с отверстием 2 для вывода плазмы.
Цилиндрический полый электрод 12 выполнен из меди, сплава меди или материала из группы, состоящей из железа, вольфрама, графита, гафния. Электромагнитная катушка 11 предназначена для создания магнитного поля, вращающего привязку электрической дуги по внутренней поверхности цилиндрического полого электрода 12. Питание каждого электрода 12 осуществляется от фазы высоковольтной электрической сети напряжением не менее 10 кВ последовательно через катушку 11 для формирования магнитного поля. Для управления рабочим током в каждую фазу цепи питания плазмотрона включены токоограничивающие индуктивности.
Дуговой канал 5 со стороны электрода 12 закрыт заглушкой 13, выполненной из диэлектрического материала. На торце электрода 12 установлен первый узел ввода плазмообразующего газа в виде первой изолирующей втулки 15 с тангенциально расположенными отверстиями (на чертеже не показаны) для тангенциальной подачи плазмообразующего газа через одно или множество отверстий перпендикулярно оси дугового канала 5 в полость электрода 12.
Второй торец электрода 12 соединен с первым концом патрубка 8 через вторую изолирующую втулку 16 с тангенциально расположенными отверстиями, образующую второй узел ввода плазмообразующего газа для его подачи в полость электрода 12.
Первый и второй узлы ввода газа выполнены идентично и представляют собой цилиндрические втулки 15 и 16, соответственно, выполненные из изолирующего материала, в которых перпендикулярно оси дугового канала 5 просверлено одно или несколько отверстий, оси которых направлены по касательной к внутренней поверхности втулок 15 и 16. Таким образом, газ, выходящий из этих отверстий, идет вдоль внутренней поверхности дугового канала 5 перпендикулярно его оси. Внутри канала образуется завихрение, таким образом, первый и второй узлы ввода газа представляют из себя кольцеобразные вихревые камеры.
Одновременно вихревая камера, образованная изолирующей втулкой 16, является первым разрядным промежутком 19, в котором происходит зажигание электрической дуги.
Патрубок 8 соединен с сопловым блоком 1 посредством третьей изолирующей втулки 17, которая контактирует с внешней поверхностью патрубка 8. В области между патрубком 8 и сопловым блоком 1 установлен третий узел 10 основного ввода плазмообразующего газа для его подачи в дуговой канал 5 соплового блока 1.
Со стороны патрубка 8 сопловой блок 1 выполнен с расширенным осевым отверстием 6, в которое вставлен второй конец патрубка 8. На внешнюю поверхность второго конца патрубка 8 со стороны соплового блока 1 установлена кольцевая защитная насадка 7. Между внешней стенкой патрубка 8, внутренней стенкой 9 расширенного осевого отверстия 6 соплового блока 1, изолирующей втулкой 17 и защитной насадкой 7 образована вихревая камера 18, в которую подает газ третий узел 10 основного ввода плазмообразующего газа.
Третий узел 10 физически выполнен так же, как и первый и второй узлы 15 и 16. Отличие только в том, что он может быть выполнен из любого материала, в том числе проводящего. То есть третий узел 10 может быть выполнен в виде втулки с тангенциально расположенными отверстиями (как показано на чертеже), выполненной из любого материала, как изоляционного, так и проводящего. Третий узел 10 также может быть образован сопловым блоком 1 в области расширенного осевого отверстия 6, при этом тангенциально расположенные отверстия выполнены во внутренней стенке 9 соплового блока 1.
Третий узел 10 ввода плазмообразующего газа является основным узлом ввода плазмообразующего газа. Плазмообразующий газ подается в вихревую камеру тангенциально, вдоль поверхности дугового канала 5, перпендикулярно его оси. Внутри канала 5 образуется завихрение.
За защитной насадкой 7 расположен второй разрядный промежуток 4.
Первый и второй узлы 15 и 16 ввода плазмообразующего газа обеспечивает подачу от 20 до 50% от всего расхода газа через плазмотрон, при этом плазмообразующий газ выбран из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон. Третий узел 10 ввода плазмообразующего газа обеспечивает подачу от 50 до 80% от всего расхода газа через плазмотрон, при этом плазмообразующий газ состоит из смеси с углеводородным газом газа, выбранного из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон.
Сопловые блоки 1 всех дуговых каналов 5 объединены в объединенный сопловой блок 3 и размещены в одном корпусе, с одной стороны которого расположены три отверстия 2 для вывода плазмы, а с другой стороны расположены три стыковочных узла 14 для стыковки патрубков 8 с третьими изолирующими втулками 17.
Все термонагруженные узлы плазмотрона снабжены рубашками водяного охлаждения.
Работа электродугового плазмотрона переменного тока осуществляется следующим образом.
Перед подачей напряжения на клеммы плазмотрона, осуществляют подачу охлаждающей жидкости в рубашки охлаждения и подачу плазмообразующего газа.
Инициация (зажигание) электрической дуги происходит в момент подачи напряжения холостого хода от высоковольтной электрической сети напряжением не менее 10 кВ (на чертеже не показано) последовательно через катушку 11 к цилиндрическому электроду 12 каждого дугового канала 5. Электромагнитная катушка 11 создает магнитное поле, вращающее привязку электрической дуги по внутренней поверхности цилиндрического полого электрода 12.
Через первый узел 15 ввода плазмообразующего газа в полость электрода 12 тангенциально подается газ из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон.
Второй торец электрода 12 соединен с первым концом патрубка 8 через вторую изолирующую втулку 16, т.е. между цилиндрическим полым электродом 12 и металлическим патрубком 8 имеется зазор в виде второй изолирующей втулки 16. Размер зазора определяется толщиной изолирующей втулки 16. Подача газа из изолирующей втулки 16, образующей второй узел ввода плазмообразующего газа, осуществляется в область этого зазора, являющегося первым разрядным промежутком 19. Через второй узел 16 ввода плазмообразующего газа тангенциально подается газ из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон.
Также имеется вихревая камера 18, образованная между внешней стенкой патрубка 8, внутренней стенкой 9 расширенного осевого отверстия 6 соплового блока 1, изолирующей втулкой 17 и защитной насадкой 7. Подача основного плазмообразующего газа, содержащего углеводороды, из третьего узла 10 ввода газа осуществляется в область этой камеры. За защитной насадкой 7 расположен второй разрядный промежуток 4.
При подаче напряжения на электрод 12 в каждом дуговом канале 5 образуется две дуги: в первом разрядном промежутке 19 между электродом 12 и первым концом патрубка 8 и во втором разрядном промежутке 4 между внутренней поверхностью патрубка 8 и внутренней поверхностью дугового канала соплового блока 1 за защитной насадкой 7.
В начальный момент времени в трехфазном плазмотроне горит 6 коротких дуг, по 2 в каждом дуговом канале 5. Затем под действием электродинамических и газодинамических сил, дуги перемещаются. Привязка дуги на поверхности электрода 12 переходит от торца электрода 12 к его центру. Привязки дуг, которые находятся на внутренней поверхности патрубка 8, двигаются навстречу друг другу по поверхности дугового канала 5, соединяются в одну точку и отрываются от канала 5. Привязка дуги в сопловом блоке 1 движется в сторону выхода, выходит на внешнюю поверхность объединенного соплового блока 3 через отверстие 2 для выхода плазмы, где соединяется с привязками других дуговых каналов 5. Дуги отрываются от поверхности плазмотрона и замыкаются в пространстве за плазмотроном. В дальнейшем привязки дуги в плазмотроне остаются только на внутренней поверхности электродов 12.
Плазмообразующий газ, содержащий углеводороды, подается из третьего узла 10 основного ввода плазмообразующего газа в дуговой канал 4 соплового блока 1 через вихревую камеру 18, ограниченную со стороны соплового блока 1 защитной насадкой 7. Плазмообразующий газ, содержащий углеводороды, в электрической дуге разлагается на водород и углерод. При вихревом течении плазмообразующего газа внутри вихря образуется обратное течение, то есть, вдоль стенок дугового канала 5 газ течет из плазмотрона, а в центре дугового канала 5 газ движется внутрь плазмотрона, и обратное течение возвращает образовавшийся углерод, который не достигает изолирующей втулки 17, так как защитная насадка 7 отбрасывает обратный поток с углеродными частицами в зону основного вихревого потока, тем самым защищая втулку 17 от налипания углерода. Таким образом, предотвращается аварийный электрический пробой и разрушение изолирующей втулки и узла основного ввода газа.
Благодаря предотвращению осаждения углеродного материала на изолирующую втулку обеспечивается длительная безаварийная работа плазмотрона при работе на плазмообразующих газах, включающих смесь газообразных углеводородов с другими газами, и повышается ресурс плазмотрона.
Для изготовления электродугового плазмотрона переменного тока использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».