ВЫСОКОРЕСУРСНЫЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ГЕНЕРАТОР НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ С ЗАЩИТНЫМ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫМ УГЛЕРОДНЫМ ПОКРЫТИЕМ ЭЛЕКТРОДОВ
HIGHLY-DURABLE ARC GENERATOR OF LOW-TEMPERATURE PLASMA PROTECTIVE NANOSTRUCTURED CARBONACEOUS COATING OF ELECTRODES

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии в тепловую посредством дугового разряда в генераторе низкотемпературной плазмы (плазмотроне) и может быть использовано в энергетике для розжига и подсветки пылеугольного факела в топочных устройствах, в металлургической и химической промышленности, например для получения ультрадисперсной сажи, которая является сырьем для получения наноструктурированного технического углерода.
Применение плазмотронов в данных технологиях предъявляет к ним требование непрерывной и продолжительной работы. Наиболее теплонапряженным и подверженным разрушению элементом в плазмотронах является электрод. К материалам электродов как к деталям установок газоплазменной техники, находящихся в непосредственном контакте с плазмой, предъявляются жесткие требования по ресурсу работы. Используемые в настоящее время материалы, преимущественно из меди, не удовлетворяют этим требованиям по ресурсу работы.
Одним из перспективных способов увеличения ресурса работы плазмотронов является метод регенерации материала катода, т.е. осаждение ионов и атомов из прикатодной области дугового разряда, при подаче углеводородного газа в прикатодную область. В прикатодной области в процессе работы плазмотрона происходит термическое разложение углеводородного газа, диссоциация и частичная ионизация с выделением свободного углерода, который осаждается на поверхности электродов, что способствует повышению ресурса работы плазмотрона в целом.
Известен способ генерирования плазмы и плазмотрон, описанные в статье М.Г. Фридлянда «Дуговая горелка с самовосстанавливающимся катодом» [Ж. «Автоматическая сварка», 1980, №11, с. 60-62]. Плазмотрон содержит торцевой катод, у которого в торце запрессована графитовая вставка, анод, расположенный соосно с катодом, изолятор с кольцом закрутки, соединяющий катод и анод, патрубок для тангенциальной подачи плазмообразующего газа и системы охлаждения катода и анода. Недостатки описанной конструкции выражаются в следующем:
-3
2
- графитовая вставка на катоде имеет ограниченные размеры 3·10 м, что приводит к большой плотности теплового потока и соответственно перегреву и разрушению вставки. Ресурс катода и анода ограничен 100 часами;
- большой расход углеродосодержащего плазмообразующего газа экономически невыгоден.
Известен способ генерирования плазмы и плазмотрон [Предварительный патент Казахстана А(11) №8464, МПК H05H 1/24, H05B 7/18, бюл. №1, 14.01.2000], содержащий наружный электрод и изолированный от него, соосно расположенный с ним, внутренний электрод, каждый из которых размещен в своей индукционной катушке, с вихревой камерой подачи плазмообразующего газа между электродами. В полости внутреннего электрода в его донной части закреплена вставка из графита. Вставка во внутреннем электроде расположена так, что образует полость между донной частью электрода и торцевой поверхностью вставки. Полость соединена с резервуаром, содержащим углеводороды метанового ряда. Выходная часть дугового канала наружного электрода соединена с резервуаром, содержащим углеводороды метанового ряда. Входная и выходная части дугового канала наружного электрода выполнены в виде конфузора и диффузора, соответственно.
В указанном плазмотроне плазмообразующим газом является воздух, подается тангенциально между внутренним и наружным электродами. В плазмотроне углеводороды метанового ряда подаются по винтовым каналам, выполненным в виде многозаходной резьбы на цилиндрической графитовой вставке в при катодную область и дополнительно подаются в зону привязки дуги на наружном электроде, что позволяет уменьшить расход углеводородов метанового ряда на 1-2 порядка.
Также в указанном плазмотроне можно получить композитный углеродный материал, построенный из нанокластеров углерода, получаемый в виде приэлектродного депозита на внутренних полостях электродов и на торцевой поверхности графитовой вставки, который осуществляется путем подачи и пиролиза пропан-бутановой смеси без использования благородных газов (гелий, аргон и т.д.) в условиях высокоточного разряда с магнитной фокусировкой приэлектродных областей электрической дуги, что способствует защите от износа внутренней поверхности электродов. Однако малые расходы углеводородов метанового ряда, по сравнению с количеством вводимого плазмообразующего газа, не позволяют рассматривать этот способ как экономичный способ получения композиционного углеродного материала в количествах, пригодных для коммерческих целей.
Плазмотрон имеет следующие недостатки:
- затруднена равномерная подача углеводородного газа в пристеночную область между графитовой вставкой и внутренним электродом;
- неравномерность истекания углеводородов или увеличение их расхода во внутреннем электроде приводит к образованию сгустков сажи и выбрасыванию их наружу, что в некоторых случаях приводит к короткому замыканию между электродами в области вихревой камеры и погасанию дуги.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является устройство [патент Республики Казахстан В(11) №23797, бюл. №3 15.03.2011, МПК H05H 1/24, H05B 7/18, C10J 3/18].
Однофазный плазмотрон содержит внутренний и наружный соосно расположенные электроды, каждый из которых размещен в своей индукционной катушке, а между электродами имеется вихревая камера подачи плазмообразующего газа.
Электрическая дуга привязывается к графитовой вставке, запрессованной во внутренний электрод к внутренней поверхности наружного электрода.
На цилиндрической образующей графитовой вставки выполнены винтовые каналы в виде многозаходной резьбы, по которым в прикатодную область подаются газообразные углеводороды.
Во внутренний электрод углеводороды подают с расходом на два-три порядка меньшим расхода плазмообразующего газа в количестве, необходимом только для регенерации торцевой поверхности графитовой вставки внутреннего электрода, а подачу газообразных углеводородов в пристеночную область наружного электрода для получения наноструктурированного технического углерода можно осуществлять с расходом, сопоставимым с расходом плазмообразующего газа.
Недостатком этого устройства является то, что винтовые каналы, выточенные в виде многозаходной резьбы для подачи углеводородов прикатодную область, забиваются графитовой пылью, что затрудняет равномерную подачу углеводородного газа в прикатодную область и не позволяет обеспечить достаточное количество углеводородного газа для создания защитной атмосферы электрода.
В устройстве также отсутствует диафрагма для удержания защитной атмосферы (углеводородного газа) и предотвращения воздействия кислорода на катод в прикатодной области и является причиной недостаточной защиты углеродной вставки от эрозии.
Задачей заявляемого изобретения является равномерная подача углеводородного газа и удержание защитной углеводородной атмосферы для катода и предотвращения поступления кислорода в прикатодную область, что позволяет повысить надежность работы электродугового генератора низкотемпературной плазмы.
Поставленная задача решается тремя ниже приведенными вариантами конструкции генератора низкотемпературной плазмы.
Во всех вариантах высокоресурсный электродуговой генератор низкотемпературной плазмы содержит наружный медный электрод и изолированный от него, соосно расположенный с ним внутренний медный электрод-катододержатель, каждый из которых размещен в своей индукционной катушке, а между электродами имеется вихревая камера подачи плазмообразующего газа между электродами. Внутренний электрод-катододержатель выполнен полым. Труба подачи газообразных углеводородов, расположенная по оси внутреннего электрода-катододержателя изготовлена из меди, и изолирована как от внутреннего электрода-катододержателя, так и от его корпуса, причем к одному из концов трубы подсоединена клемма токоподвода, а ко второму - индукционная катушка, которая, в свою очередь, соединена вторым выходом с электродом-катододержателем.
Между двумя электродами расположен третий кольцевой пусковой электрод, делящий вихревую камеру подачи плазмообразующего газа на две неравные части так, что зазор между наружным и пусковым электродами, больше, чем между пусковым и внутренним электродом.
Индукционные катушки, распложенные вокруг электродов, включены последовательно в цепь тока дуги. Индукционная катушка, охватывающая выходной электрод, выполнена распределенной по длине электрода и в средней части имеет клемму токоподвода от одного из полюсов источника питания плазмотрона, а оба конечных вывода катушки соединены с наружным электродом.
Наружный электрод изолирован от корпуса плазмотрона. Входная часть дугового канала наружного электрода выполнена в форме конфузора, а выходная - в форме диффузора, причем в широкой части конфузора выполнена ступенчатая канавка. Длина диффузора к длине конфузора выполнена в соотношении 2,5÷4. Дуговой канал наружного электрода через выходные каналы и кольцевую полость также соединен с резервуаром углеводородов метанового ряда. Каналы для ввода углеводородов метанового ряда из кольцевой полости в пристеночную область наружного электрода расположены в начале диффузора в узкой его части.
В вихревой камере имеется два патрубка для ввода рабочего тела: один патрубок для подвода плазмообразующего газа, например воздуха или азота, а второй дополнительный - для подвода пара или другого рабочего тела. Так, например, подача пара способствует повышению энтальпии плазмообразующего газа за счет выделяющегося водорода при диссоциации молекул воды.
В первом варианте устройства высокоресурсного электродугового генератора низкотемпературной плазмы (Вариант 1) в полом внутреннем электроде-катододержателе закреплена графитовая вставка. Графитовая вставка размещается по оси полого внутреннего электрода-катододержателя так, что образует полость между донной частью внутреннего электрода-катододержателя и торцевой частью графитовой вставки. В образованную полость поступают газообразные углеводороды метанового ряда через трубу, расположенную по оси внутреннего электрода. Графитовая вставка выполнена в виде цилиндра.
Отличительным признаком плазмотрона является то, что каналы для подачи углеводородного газа в прикатодную область, в виде винтовой многозаходной резьбы с широким шагом, выточены на выступах внутреннего электрода-катододержателя во внутренней полости данного электрода.
Во втором варианте устройства высокоресурсного электродугового генератора низкотемпературной плазмы (Вариант 2) в полом внутреннем электроде-катододержателе закреплена графитовая вставка. Графитовая вставка размещается по оси полого внутреннего электрода-катододержателя так, что образует полость между донной частью внутреннего электрода-катододержателя и торцевой поверхностью графитовой вставки. В образованную полость поступают газообразные углеводороды метанового ряда через трубу, расположенную по оси внутреннего электрода. Графитовая вставка выполнена в виде цилиндра. Внутренняя часть наружного электрода изготовлена из графитового материала, который запрессован в медном наружном электроде.
Отличительными признаками плазмотрона является то, что каналы для подачи углеводородного газа в прикатодную область напрямую выточены в теле внутреннего электрода-катододержателя и подводятся к вихревой камере, расположенной в сопле. Медное сопло имеет форму конфузора, закреплено на резьбе на внутреннем электроде-катододержателе. Форма сопла в виде конфузора позволяет удерживать углеводородную защитную атмосферу в прикатодной области дугового разряда.
В третьем варианте устройства высокоресурсного электродугового генератора низкотемпературной плазмы (Вариант 3) в полом внутреннем электроде-катододержателе закреплена согласно изобретению медная обойма с запрессованным наноструктурированным углеродным материалом, что является отличительным признаком плазмотрона. Медная обойма для наноструктурированного углеродного материала размещается по оси полого внутреннего электрода-катододержателя так, что образует полость между донной частью внутреннего электрода-катододержателя и торцевой поверхностью медной обоймы. В образованную полость поступают газообразные углеводороды метанового ряда через трубу, расположенную по оси внутреннего электрода. Медная обойма выполнена в виде полого донного цилиндра и крепится во внутреннем медном электроде-катододержателе с помощью крепежной винтовой резьбы. Также плазмотрон отличает то, что каналы для подачи углеводородного газа в прикатодную область, выполненные в виде винтовой многозаходной резьбы с широким шагом, выточены поверх крепежной винтовой резьбы на медной обойме для запрессованного наноструктурированного углеродного материала.
Согласно изобретению во всех вариантах количество каналов, обеспечивающих подачу углеводородного газа в прикатодную область, должно быть не менее четырех, расположены они должны быть равномерно по окружности; суммарная площадь проходных сечений каналов должна обеспечить скорость истечения газа порядка 0,3-0,5 от скорости звука при заданном полном давлении и температуре подаваемого газа.
Вышеприведенные отличительные признаки усиливают надежность работы электродугового генератора низкотемпературной плазмы и приводят к достижению технического результата.
Техническим результатом изобретения является повышение ресурса работы электрода за счет устойчивого формирования защитного углеродного наноструктурированного слоя.
На Фиг.1 представлен схематично в разрезе вид устройства высокоресурсного электродугового плазмотрона в варианте 1 внутренний электрод-катододержатель, которого имеет выступ с нанесенными винтовыми каналами для подачи углеводородного газа, выточенными в виде многозаходной резьбы. На Фиг.2. представлен разрез А-А на Фиг.1. На Фиг.3 в разрезе представлен вид устройства высокоресурсного электродугового плазмотрона в варианте 2 полый внутренний электрод-катододержатель, которого имеет каналы подвода углеводородного газа, выточенные в теле внутреннего электрода-катододержателя и подведенные напрямую к вихревой камере сопла на внутреннем электроде-катододержателе. На Фиг.4. в разрезе представлен вид устройства высокоресурсного электродугового плазмотрона в варианте 3, с закрепленной на резьбе в полости внутреннего электрода-катододержателя медной обоймой, в которую запрессован углеродный наноструктурированный материал, на внешней поверхности которой выточены винтовые каналы для подачи углеводородного газа. На Фиг.5. представлена медная обойма, в которую запрессовывается углеродный наноструктурированный материал.
1
2
Электродуговой генератор плазмы содержит полый медный внутренний электрод-катододержатель 1, размещенный внутри индукционной катушки 2 (Фиг.1, 3, 4). В вариантах 1, 2 (Фиг.1, 3). Во внутренний электрод-катододержатель впрессована цилиндрическая графитовая вставка 15. В варианте 3 во внутреннем электроде-катодержателе закреплена на резьбе медная обойма 15, в которую запрессован углеродный наноструктурированный материал 17 (Фиг.4). Во внутренний электрод-катододержатель 1 через изолятор вставлена труба 3 для подачи углеводородов метанового ряда с расходом G в полость 4, образованную торцом графитовой вставки 15 в вариантах 1, 2 (Фиг.1, 3), торцом медной обоймы 15 в варианте 3 (Фиг.4) и донной частью внутреннего электрода-катододержателя 1. В варианте 1 каналы подачи углеводородного газа 16 в прикатодную область (на Фиг.1 не показаны) выточены в виде многозаходной винтовой резьбы на выступах 17 внутреннего электрода-катододержателя (Фиг.2). В варианте 2 каналы подачи углеводородного газа 16 через тело внутреннего электрода-катододержателя 1 напрямую подводятся к вихревой камере 17 сопла 18, которое крепится на резьбе 19 в теле внутреннего электрода-катододержателя 1 (Фиг.3). В варианте 3 каналы 16 для подачи углеводородного газа в прикатодную область выточены в виде многозаходной винтовой резьбы на медную обойму 15 (на Фиг.4). Как показано на Фиг.1, 2, 3 медная труба 3 выполняет также роль токоподвода. Для этого труба соединена с одной из клемм источника электропитания и одним из выводов индукционной катушки 2. Второй вывод катушки 2 соединен непосредственно с внутренним электродом-катододержателем 1. Внутренний электрод-катододержатель расположен в водоохлаждаемом корпусе 5 (подвод воды не показан), который электрически изолирован как от внутреннего электрода-катододержателя 1, так и от медной трубы 3. Между внутренним электродом-катододержателем 1 и наружным электродом 6 расположена вихревая камера 9 с патрубком подачи плазмообразующего газа (патрубок на Фиг.1, 3, 4 не показан), с расходом G и расположен дополнительный кольцевой пусковой электрод 12. Наружный электрод 6 охватывает индукционная катушка 7, оба вывода индукционной катушки 7 подключены к наружному электроду 6, а к клемме источника питания катушка 7 подключена через дополнительную клемму подвода 13 в средней ее части. Наружный электрод 6 и индукционная катушка 7 размещены в водоохлаждаемом корпусе 8 (ввод и вывод воды не показаны) и изолированы от него. Входная часть дугового канала, формируемого электродом 6, выполнена в виде конфузора, а выходная часть выполнена в виде диффузора при отношении длины выходной части к входной, равном 2,5÷4. В широкой части наружного электрода 6 имеется ступенчатая канавка 14, и имеется кольцевая полость 10, в которую осуществляется подача углеводородов метанового ряда. Кольцевая полость 10 имеет выходные каналы 11, расположенные в начале диффузора выходного электрода 6.
2
1
3
1
3
2
бал
Устройство работает следующим образом. Внутренний электрод-катододержатель 1 является катодом, а наружный электрод 6 является анодом. Плазмотрон подключают к управляемому тиристорному источнику питания. В цепь электродов включены индукционные катушки 2 и 7. В корпус 5 внутреннего электрода-катододержателя 1 подают охлаждающую воду. Плазмообразующий газ, например, воздух подают тангенциально через вихревую камеру 9 с расходом G. Углеводороды метанового ряда с расходом G подаются в прикатодную область через медную трубу 3 в полость катода 4 и далее в варианте 1 через винтовые каналы 16 на выступах 17 внутреннего электрода-катододержателя 1 (Фиг.1, Фиг.2); в варианте 2 через прямые каналы 16 и далее тангенциально через вихревую камеру 17 в сопле 18 (Фиг.3); в варианте 3 через винтовые каналы 16 на медной обойме 15 (Фиг.4, 5). Для удержания углеводородной атмосферы в прикатодной области сопло 18 (Фиг.3). выполнено в виде конфузора. В пристеночную область диффузора наружного электрода 6 в его узкой части через кольцевую полость 10 и выходные каналы 11 также подают газообразные углеводороды с расходом G. При этом выдерживают соотношение величины расходов углеводородов G и G, на два-три порядка меньшим, чем расход плазмообразующего газа G. Запуск плазмотрона осуществляется по пусковой цепи - медная труба 3, индукционная катушка 2, электрод-катододержатель 1, ограничивающее пусковой ток балластное сопротивление R, контактор, осциллятор, индукционная катушка 7 и наружный электрод 6, или на дополнительный кольцевой пусковой электрод 12. В начальный момент времени дуга зажигается на боковой медной стенке полости электрода-катододержателя 1, а затем переходит на графитовую вставку 15 в вариантах 1, 2 (Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3), в варианте 3 (Фиг.4) на запрессованный в медную обойму 15 наноструктурированный углеродный материал 17. Такой переход обусловлен началом процессов диссоциации молекул пропан-бутана и ионизации атомов углерода. Возникшие в результате ионизации, положительные ионы углерода под действием прикатодного падения потенциала осаждаются в вариантах 1, 2 на поверхность графитовой вставки 15 (Фиг.1, Фиг.3), в варианте 3 на запрессованный наноструктурированный углеродный материал 17 (Фиг.4, Фиг.5), формируя пироуглеродный слой, содержащий наноструктурированный углерод. Толщина слоя зависит от соотношения расхода пропан-бутана и величины тока дуги, и в меньшей степени от расхода плазмообразующего газа. Наличие полости 4 между графитовой вставкой 15 и торцом электрода-катододержателя 1 и наличие каналов 16 (Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4), позволяет обеспечить равномерную подачу газообразных углеводородов в пристеночную область электрода-катододержателя 1 и исключить образование сгустков сажи, влияющих на устойчивость горения электрической дуги. Включение индукционных катушек 2 и 7 последовательно в цепь электродов 1, 6, а следовательно и в цепь электрической дуги также повышает устойчивость горения дуги. Причем, направление витков индукционных катушек 2 и 7 выбрано таким образом, что электромагнитные силы, действующие на приэлектродные участки электрической дуги, сонаправлены с вихрем плазмообразующего газа, истекающего из вихревой камеры 9.
1
Подача газообразных углеводородов с расходом G в полость внутреннего электрода 6 может осуществляется через медную трубу 3, изолированную как от внутреннего электрода-катододержателя 1, так и от корпуса 5. Медная труба 3 выполняет также роль токоподвода к внутреннему электроду 1 через индукционную катушку 2. Это упрощает конструкцию узла внутреннего электрода и обеспечивает отсутствие электрического потенциала на его корпусе.
Наличие третьего дополнительного кольцевого электрода 12 позволяет уменьшить расстояние пробоя во время пуска плазмотрона осциллятором и снизить его напряжение, что ведет к повышению надежности работы всей цепи источника питания.
В некоторых случаях необходимо дополнительно турбулизировать часть дугового столба, находящегося в диффузоре выходного электрода 6, что способствует более интенсивному теплообмену в канале выходного электрода и препятствует выносу пятен привязки дуги на торец выходного электрода 6, исключает повреждение изоляции и нарушение герметичности между выходным электродом 6 и его корпусом 8. Дополнительная турбулизация электрической дуги осуществляется тем, что индукционная катушка 7, охватывающая выходной электрод, выполнена распределенной по длине электрода и в средней ее части имеет клемму токоподвода 13 от одного из полюсов источника питания плазмотрона, причем витки индукционной катушки имеют такое направление намотки, что первая часть витков создает магнитное поле такого направления, что электромагнитная сила воздействует на ток части электродугового столба в направлении, сопутном с направлением поступления плазмообразующего газа в вихревой камере, а вторая часть витков, расположенная в сторону выхода плазмы, воздействует на ток части электродугового столба в обратном направлении. Дополнительной турбулизации дуги также способствует ступенчатая канавка 14, выполненная в широкой части конфузора наружного электрода 6.
Для проведения термохимических реакций, например получения сажи, содержащей наноуглеродные структуры, путем пиролиза углеводородов, требуется определенное время пребывания реагентов в высокотемпературной зоне. С этой целью отношение длины диффузора к длине конфузора выбрано равным 2,5÷4, а система каналов 11 ввода углеводородов метанового ряда для наружного электрода 6 расположена в начале диффузора в узкой его части.
Чтобы обеспечить универсальность работы с различными газообразными реагентами в вихревой камере выполнено два патрубка ввода рабочего тела: один для подвода плазмообразующего газа, например воздуха, а второй для подвода пара, азота или другого рабочего тела.
Для обеспечения безопасности обслуживания плазмотрона наружный электрод 6 изолирован от корпуса 8.
Качество и характеристики структуры углерода, получаемого в виде содержащей углеродные наноструктуры сажи путем пиролиза газообразных углеводородов зависят как от материала электрода, внутри которого ведется нагрев, так и от его полярности, поэтому во втором варианте плазмотрона предусмотрена возможность изготовления внутренней части выходного электрода 6 в зоне привязки дуги из графитового материала, запрессованного в медную водоохлаждаемую обойму тела выходного электрода. Также плазмотрон может быть подключен к источнику электропитания в обратной полярности, то есть внутренний электрод со вставкой подключен к положительному полюсу источника, а наружный к отрицательному полюсу.
В процессе работы плазмотрона происходит термическое разложение углеводородов метанового ряда, диссоциация и частичная ионизация свободного углерода, который осаждается на поверхностях электродов и способствует повышению ресурса работы. Плазмотрон служит как генератор плазмы с высоким ресурсом работы, и его с помощью получают сажу, в том числе содержащую углеродные наночешуйки, нанотрубки, наностержни и нановолокна как товарный продукт.
Использование заявляемого изобретения позволяет увеличить ресурс работы электродов до значений, сопоставимых с требуемыми значениями для технологий розжига и подсветки пылеугольного факела в топочных устройствах, металлургической и химической промышленности.