ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА

1. Плазменная горелка каскадного типа, содержащая каскад между катодом и анодом, генерирующая плазменную струю посредством подачи электрического напряжения между катодом и анодом, в которой
катод содержит медную часть основного тела, содержащую канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения и стержневидный вольфрамовый отрицательный электрод, вставленный в медную часть основного тела,
между катодом и каскадом дополнительно предусмотрена направляющая деталь, причем направляющая деталь электрически изолирована от катода и анода, а также содержит канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,
между направляющей деталью и анодом предусмотрен каскад, причем каскад содержит либо единичный компонент, имеющий внутреннюю область, расширяющуюся множественными ступенями в сторону анода, либо множество компонентов, электрически изолированных друг от друга, причем каскад электрически изолирован от катода и анода и сконфигурирован как межэлектродная вставка, содержащая канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,
анод является медным компонентом, содержащим канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,
плазменная горелка дополнительно содержит формирующее сопло, присоединенное таким образом, что оно электрически изолировано от анода, причем внутренняя область формирующего сопла расширяется множественными ступенями к стороне, противоположной аноду, и формирующее сопло также содержит канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения, и
плазменная горелка дополнительно содержит модуль боковой защиты, препятствующий притоку газа из окружающей среды за счет генерации коаксиальной, кольцевой и низкоскоростной защитной газовой струи, таким образом препятствующий поступлению кислорода в формирующее сопло и плазменную струю, выбрасываемую из формирующего сопла.
2. Плазменная горелка по п.1, в которой
cathode
cathode
диаметр D наконечника отрицательного электрода, предусмотренного на катоде, соответствует уравнению (1) {D=2+[(I-100)/100] (мм)}, причем
в уравнении (1) [x] - целая часть x, выражения, заключенного в скобки, I - электрический ток дуги (А) в пределах от 100≤I≤400 (A).
3. Плазменная горелка по п.1, в которой
pilot
cathode
pilot
cathode
диаметр D части центрального отверстия направляющей детали и диаметр D наконечника отрицательного электрода, предусмотренного на катоде, соответствуют уравнению {D>D}.
4. Плазменная горелка по любому из пп.1 и 2, в которой
предусмотрен перепускной канал в обход части центрального отверстия, предусмотренной в направляющей детали, и
рабочий газ для генерации плазмы проходит со стороны катода в сторону каскада за счет прохождения через по меньшей мере одно из центрального отверстия или перепускного канала.
5. Плазменная горелка по п.1, в которой
pilot
cathode
w
w
pilot
cathode
w,sound
w
w
crit
cathode
ширина h={(D-D)/2} зазора между направляющей деталью и отрицательным электродом, предусмотренным на катоде, соответствует уравнению (2) {2G/[ρ(D-D)u]<h} и уравнению (3) {h<2G/πμRe-D/2},
минимальное значение ширины h зазора является таким значением, что средняя массовая скорость рабочего газа плазменной горелки, присутствующего в кольцевом зазоре между отрицательным электродом и направляющей деталью, меньше скорости звука плазмообразующего газа при начальной температуре, и
w
w
pilot
w
crit
максимальное значение ширины h зазора является таким значением, что при заранее определенном массовом расходе G рабочего газа плазменной горелки число Рейнольдса Re={4G/πDμ}, соответствующее состоянию рабочего газа плазменной горелки на входе направляющей детали, меньше критического числа Рейнольдса Re=2100, причем критическое число Рейнольдса является значением, при котором поток газа внутри трубы переходит в турбулентное состояние.
6. Плазменная горелка по п.1, в которой
каскад содержит множество компонентов,
между каждым из множества компонентов и между каскадом и катодом и анодом предусмотрены уплотнительное кольцо и изолирующее керамическое кольцо, и
промежуток между каждым из множества компонентов и промежуток между каскадом и катодом и анодом соединены, будучи при этом электрически изолированными.
7. Плазменная горелка по п.1, в которой
i
i
диаметр каскада последовательно возрастает на одну или более ступеней со стороны направляющей детали в сторону анода, и длина L (мм) каждой ступени в направлении выброса плазменной струи подчиняется уравнению {5≤L(мм)≤15}.
8. Плазменная горелка по п.1, в которой
i
i
i
i
i
i
диаметр каскада последовательно возрастает на одну или более ступеней в сторону анода, и если длина i-ой позиции каскада со стороны направляющей детали в направлении выброса плазменной струи представлена как L (мм), а размер ступени в радиальном направлении представлен как Δr (мм), то L (мм) и Δr (мм) каждой ступени соответствуют уравнению {4,5≤L/Δr≤15}.
9. Плазменная горелка по любому из пп.7 и 8, в которой
межэлектродная длина L между наконечником отрицательного электрода, предусмотренным на катоде, и наконечником анода со стороны каскада соответствует уравнению {50≤L(мм)≤150}.
10. Плазменная горелка по п.1, в которой
анод содержит проточный канал, содержащий
канал подвода плазмы, который соединен с выходной стороной каскада и содержит конический участок, сужающийся от входной стороны к выходной стороне,
цилиндрический проточный канал, который соединен с каналом подвода плазмы и стабилизирует плазму благодаря тому, что имеет одинаковый диаметр к выходной стороне, и
гладкую внутреннюю стенку, причем
anode
pilot
anode
pilot
внутренний диаметр D цилиндрического проточного канала анода и диаметр D части центрального отверстия направляющей детали соответствуют уравнению {1,5≤D/D≤2,8}.
11. Плазменная горелка по п.1, в которой
total
total
total
anode
total
total
total
anode
total
j
<mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>t</mi><mi>o</mi><mi>t</mi><mi>a</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munder><mo>∑</mo><mi>j</mi></munder><mrow><msub><mi>G</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mstyle></mrow>
суммарный массовый расход газа G соответствует уравнению (4) {100≤Re≤500} и уравнению (5) {0,15G≤G≤0,3G}, причем Re (=4G/πDμ) в уравнении (4) и уравнении (5) обозначает число Рейнольдса, вычисленное в поперечном сечении выходной стороны анода, и G в обобщенном уравнении (6) {
} обозначает суммарный массовый расход газа (в граммах в секунду) j-го элемента газовой смеси, содержащейся в плазме и анодном защитном газе G.
12. Плазменная горелка по п.11, в которой
Argon
Nitrogen
Hydrogen
Nitrogen
газовая смесь, содержащаяся в плазме, такова, что максимальное значение относительного массового расхода каждого из аргона, азота и водорода подчиняется первому уравнению {G/G=0,4} и второму уравнению {G/G=0,04}.
13. Плазменная горелка по п.12, в которой
формирующее сопло, содержащее канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения, содержит внутреннюю область, имеющую такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает со стороны анода к формирующему выходу, причем формирующее сопло соединено с анодом, будучи при этом электрически изолировано от него.
14. Плазменная горелка по п.13, в которой
exit
anode
exit
anode
отношение между внутренним диаметром D на формирующем выходе формирующего сопла и внутренним диаметром D цилиндрического проточного канала анода соответствует уравнению {1,5≤D/D≤2,5}.
15. Плазменная горелка по п.14, в которой
Ni
i
Ni
i
Ni
i
диаметр формирующего сопла последовательно возрастает на протяжении одной или более ступеней по направлению к формирующему выходу, и если длина i-ой позиции формирующего сопла со стороны анода в направлении выброса плазменной струи представлена как L (мм), а размер ступени в радиальном направлении представлен как Δr (мм), то L (мм) и Δr (мм) соответствуют уравнению {5≤L/Δr≤10}, причем выполняется {1≤i≤M-1} неравенство, где M - количество ступеней.
16. Плазменная горелка по п.1, в которой
модуль боковой защиты использует газ в виде по меньшей мере одного из газообразного аргона и газообразного азота или их газовой смеси, выбрасываемый из множества каналов, которые размещены в коаксиальных и осесимметричных положениях, или прорезей в коаксиальном положении, которые образуют форму кольца вокруг плазменной струи, в качестве защитной газовой струи.
17. Плазменная горелка по п.1, в которой
внутренняя область каскада имеет такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает множеством ступеней в сторону анода, причем количество ступеней составляет от четырех до десяти.
18. Плазменная горелка по п.1, в которой
внешний диаметр участка катода, каскада, анода и формирующего сопла, имеющего наибольший диаметр, меньше или равен 70 мм, и
максимальная длина, объединяющая длину катода, длину каскада, длину анода и длину формирующего сопла, меньше или равна 300.