ПЛАЗМОТРОН СТРУЙНО-ПЛАВИЛЬНЫЙ
JET-MELTING PLASMATRON

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для нагрева газов до высоких температур с помощью электрической дуги, и может использоваться в плазмохимических, металлургических процессах, в частности, для выплавки ферросплавов, уничтожения бытовых и техногенных отходов, а также в исследовательских целях.
Известны плазмотроны для резки металлов [Ю.Я.Киселев. Плазменно-воздушная резка металлов с использованием медных электродов, Издат. «ШТИИНЦА», Кишинев, 1977, стр.12-16], в которых в качестве преобразователя электрической энергии в тепловую используют электрическую дугу. Несмотря на конструктивное разнообразие режущих плазмотронов, они имеют несколько характерных конструктивных узлов: полый внутренний электрод, узел формирования и подачи воздуха в разрядную камеру, удлиненный сопловой электрод-анод, узел охлаждения, изоляционную систему и корпус.
Указанные плазмотроны при работе в плавильном режиме имеют небольшую мощность 10-50 кВт. Сопловой электрод имеет большую длину и, следовательно, обладает большой металлоемкостью. Ресурс работы электрода-анода зависит от случайных колебаний длины дуги и расхода газа.
Известен плавильный плазмотрон [патент США №4549065, 22.10.1985, МПК H05H 1/28; H05H 1/34; H05H 1/26; B23K 9/00], содержащий торцевой стаканообразный электрод-анод, формирующее сопло-катод и одну вихревую камеру для закрутки подаваемого в плазмотрон газа. Сопло служит для поджига дугового разряда с последующим переходом катодного участка дуги на электропроводный расплав (подовый электрод-катод).
Длительная работа плазмотрона достигается за счет быстрого перемещения анодного пятна по внутренней поверхности электрода как в окружном направлении, так и в осевом. Движение осуществляется за счет воздействия вращающегося потока на радиальный участок дуги.
Существенным недостатком плазмотрона является следующее. С ростом величины расхода газа или уменьшением тока зона привязки дуги смещается глубоко внутрь анода. При этом дуговое анодное пятно привязывается к донышку электрода, что приводит к его очень быстрому прогоранию с попаданием большого количества воды в плазмотрон и на расплав, что недопустимо. Поэтому аноды имеют большую длину, обладают большой металлоемкостью и ресурс работы электрода зависит от случайных колебаний длины дуги.
Задачей заявляемого изобретения является существенное повышение ресурса работы плазмотрона, в 2-3 раза, за счет увеличения ресурса работы анода и снижение металлоемкости анода путем изменения его геометрии.
3
2
2
1
3
3
2
2
1
2
2
3
3
1
1
1
1
Для решения указанной задачи стаканообразный анод выполняют в виде ступенчато сужающегося цилиндра в направлении потока газа с соотношениями геометрических размеров: d/d,=1,5-1,8, d/d=1,13-1,17; 4,8<L/d<6,5; L/d=1,2-1,6, где d - диаметр цилиндрического канала катода; d и L - диаметр и длина зауженной части анода; d и L - диаметр и длина расширенной части анода. Катод переменного сечения с углом конфузора α=5-15° имеет отношение длины к диаметру L/d=1,5-2 в плавильном режиме и L/d=2,5-4 в струйном режиме работы плазмотрона.
На фиг.1 схематично представлен общий вид плазмотрона. Плазмотрон состоит из ступенчато сужающегося стаканообразного электрода-анода 1, завихрительного аппарата 2 и катода 3 переменного сечения. А, В - зоны выработки электродов.
1
2
3
Работа плазмотрона начинается с подачи плазмообразующего газа через завихрительный аппарат 2 и поджига электрической дуги. Так как диаметр d цилиндрического канала катода меньше диаметра d зауженной части анода, то основная часть вихревого потока газа поступает сначала в анод. За уступом происходит срыв вращающегося потока и примыкание горячего газа к стенке выступа анода диаметром d. Дуга горит на анод в ограниченной, но достаточно протяженной зоне А, фиг.1, что обеспечивает его высокий ресурс и исключает привязку дуги к внутреннему торцу (донышку) электрода практически при любом расходе плазмообразующего газа.
Во время проплавления шихты или другого вида сырья плазмотрон работает в струйном режиме. Радиальный участок дуги замыкается на диффузорную часть вспомогательного катода (показано пунктиром в зоне В). После достижения токопроводящей зоны на расплав (подовый электрод-катод) дуговой разряд с помощью коммутации электрической цепи переходит на основной электрод-катод (расплав, точка С), и плазмотрон работает в плавильном режиме.
3
2
2
1
3
3
2
2
Оптимальные соотношения геометрических размеров стаканообразного электрода, при которых обеспечивается надежная работа плазмотрона: d/d=1,5-1,8; d/d=1,13-1,17; 4,8<L/d<6,5; L/d=1,2-1,6.
Пример
На опытно-промышленной плазменной электропечи по выплавке ферросплавов работают три струйно-плавильных плазмотрона с единичной мощностью 400-520 кВт. Плазмообразующий газ - азот, ток дуги - 650-700 А. Применение стаканообразного ступенчатого анода позволило исключить горение дуги на задний торец электрода и значительно увеличить ресурс его работы (до 1000 часов и более).
Профилированная конструкция выходного электрода-катода обеспечивает, во-первых, расширенную зону горения дуги на конусной поверхности электрода (в струйном режиме работы плазмотрона) и, во-вторых, исключает каскадное горение дуги на катод-вставку в плавильном режиме работы плазмотрона.