ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН
ELECTRIC ARC PLASMATRON

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к конструкции плазмотронов, применяемых в металлургической промышленности в качестве источника нагрева.
Известен электродуговой плазмотрон, содержащий соосно установленные цилиндрический полый глухой электрод, на внутренней поверхности которого закреплены радиальные стержневые термохимические эмиссионные вставки, завихритель газа и выходное сопло. Внутренняя поверхность полого глухого электрода состоит из двух участков заданных диаметров и длины. Термохимические вставки расположены на начальном участке в одной радиальной плоскости и удалены от завихрителя газа на определенное расстояние (а.с. СССР №1136735, опубл. 27.08.1995 г.) - прототип.
Недостатками известного устройства являются сложность установки на полый электрод дорогостоящих термохимических эмиссионных вставок, малая устойчивость привязки катодных пятен к вставкам, вызывающая перемещение катодных пятен на стенку полого электрода и последующий прожог стенки, а также низкая эффективность системы охлаждения теплонагруженных элементов, что в итоге снижает срок эксплуатации плазмотрона. Кроме того, термохимические эмиссионные вставки изготовляются из твердосплавных материалов, что недопустимо при производстве деталей ответственного назначения, например, в изделиях для авиакосмической промышленности.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение ресурса работы плазмотрона за счет повышения стойкости полого электрода.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является обеспечение стабильности геометрических и энергетических параметров горения дуги, а также исключение прожогов стенки полого электрода.
Указанный технический результат достигается тем, что в электродуговом плазмотроне, содержащем полый цилиндрический корпус, в котором соосно установлены полый цилиндрический токоподвод, полый цилиндрический глухой электрод, выполненный с внутренней полостью, состоящей из участков различных длин и диаметров, завихритель газа, выходное сопло, глухой торец полого электрода изолирован от токоподвода, при этом электрический ток подается на открытый торец электрода через контактирующую поверхность, причем между токоподводом и полым электродом дополнительно установлен сепаратор таким образом, что подвод охлаждающей жидкости осуществляется к открытому торцу полого электрода в полости между внутренней поверхностью стенки токоподвода и наружной поверхностью стенки сепаратора, а выход охлаждающей жидкости осуществляется к глухому торцу электрода в полости между внутренней поверхностью стенки сепаратора и наружной поверхностью стенки полого электрода. На торце сепаратора, прилегающем к открытому торцу полого электрода, выполнен завихритель охлаждающей жидкости. Контактирующая поверхность открытого торца полого электрода выполнена в виде резьбовой части. Завихритель газа выполнен в виде кольца с тангенциальными сквозными отверстиями, при этом отверстия выполнены с конусным участком, расположенным на входе газа со стороны наружной поверхности стенки завихрителя, и цилиндрическим участком, расположенным на выходе газа со стороны внутренней поверхности стенки завихрителя, причем длина цилиндрического участка выполнена в интервале 2,0÷2,5 диаметров отверстия цилиндрического участка.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен общий вид устройства. На фиг.2 изображена зона привязки дуги на переходной зоне внутренней полости электрода.
Электродуговой плазмотрон состоит из корпуса 1, в котором соосно установлены цилиндрический полый глухой электрод 2 и выходное сопло 3. Полый глухой электрод 2 имеет внутреннюю полость с участком 4, прилегающим к открытому торцу электрода 5, и участком 6, прилегающим к глухому торцу электрода 7. На границе раздела участков 4 и 6 выполнена переходная зона 8 в виде усеченного конуса. Глухой торец электрода 7 изолирован от токоподвода 9 через изоляционную вставку 10. Подача тока от токоподвода 9 на электрод 2 осуществляется через контактирующую поверхность 11 открытого торца электрода 5. Между полым электродом 2 и соплом 3 установлен завихритель газа 12 со сквозными тангенциальными отверстиями 13. Между токоподводом 9 и полым электродом 2 установлен сепаратор 14 с завихрителем охлаждающей жидкости 15.
Устройство работает следующим образом. Плазмотрон подключают к источнику электропитания, к источнику инертного газа, к устройству для подачи воды. После включения источника питания подается напряжение на полый глухой электрод 2 и выходное сопло 3. Между полым электродом и выходным соплом возбуждается дуговой разряд и загорается электрическая дуга. Далее подается поток инертного газа, который проходит через завихритель газа 12 и переносит заряженные частицы плазмы на обрабатываемое изделие. После чего включается автоматически рабочий ток плазмотрона, который подается от токоподвода 9 через контактирующую поверхность 11 открытого торца электрода 5, при этом глухой торец электрода (верхняя часть) 7 изолирован от токоподвода 9. С целью надежности подачи тока на полый электрод контактирующую поверхность открытого торца целесообразно выполнять в виде резьбовой части. В установившемся режиме дуга горит по оси плазмотрона, и катодный ее участок замыкается несколькими стационарными пятнами. Предложенная конструкция токоподвода создает магнитную силу, посредством которой катодные пятна перемещаются с внутренней поверхности участка 4 (нижней части) и стабильно привязываются на поверхности переходной зоны 8. С целью разделения потоков холодной и горячей жидкости охлаждения электрода между токоподводом 9 и полым электродом 2 установлен сепаратор 14 с завихрителем охлаждающей жидкости 15 (в нижней части). Сепаратор установлен таким образом, что подвод охлаждающей жидкости осуществляется в полость между внутренней поверхностью стенки токоподвода и наружной поверхностью стенки сепаратора через завихритель охлаждающей жидкости 15, выполненный на торце сепаратора. Далее следует разворот потока жидкости, после чего она поступает в полость между внутренней стенкой сепаратора и наружной стенкой полого электрода. Посредством подачи холодной жидкости по наружной стенке сепаратора через завихритель охлаждающей жидкости на наружную стенку полого электрода в первую очередь понижается температура полого электрода на участке 4, являющемся наиболее теплонагруженным элементом. Завихритель охлаждающей жидкости за счет регулируемого потока жидкости создает равномерное охлаждение всей наружной поверхности полого глухого электрода, тем самым исключает привязку катодных пятен к наиболее разогретым участкам внутренней поверхности полого электрода.
Для уменьшения потерь скорости плазмообразующего газа завихритель газа выполнен в виде кольца с тангенциальными сквозными отверстиями. Конусный участок отверстия на входе газа со стороны наружной поверхности стенки завихрителя позволяет обеспечить величину заданной скорости газа. Цилиндрический участок отверстия длиной, равной 2,0÷2,5 диаметров отверстия цилиндрического участка, на выходе газа со стороны внутренней стенки завихрителя обеспечивает требующуюся ламинарность выходящих потоков газа.
Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующий пример конкретного выполнения.
Электродуговой плазмотрон использовали для переплава металлических отходов (например, из сплава Инконель 718). После включения источника питания плазмотрона для возбуждения электрической дуги подавали ток силой 40 А и напряжением 1,2 кВ. В рабочем режиме плазмотрона ток дуги составлял 2,5 кА, напряжение - 300 В, расход инертного газа - 220 литров/мин, давление охлаждающей жидкости - воды - 0,9 МПа. Привязка катодных пятен дуги стабильно осуществлялась на поверхности переходной зоны полого электрода (см. фиг.2). Работа плазмотрона производилась в штатном режиме. Поломок и прожогов электрода не зафиксировано.
Предлагаемое изобретение по сравнению с известным прототипом позволяет увеличить срок службы плазмотрона в 4 раза, при этом ресурс работы полого электрода достигает 200 часов.