Способ управления перемещением пятна дуги по внутренней поверхности цилиндрического электрода электродугового плазмотрона

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электродуговым плазмотронам, и может быть использовано в химической и металлургической промышленности. Цель изобретения увеличение ресурса работы электрода. Перемещение пятна дуги осуществляется за счет поочередного воздействия на пятно дуги двух противоположных направленных сил аэродинамического и электромагнитного происхождения, взятых в определенном соотношении. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электродуговым плазмотронам, и может быть эффективно использовано в химической и металлургической промышленности. Целью изобретения является увеличение ресурса работы электрода. На фиг. 1 приведен продольный разрез плазмотрона, в котором реализуется предлагаемый способ перемещения пятна дуги; на фиг. 2 электрическая схема двухпериодного подключения магнитной линзы; на фиг. 3 электрическая схема однополупериодного подключения магнитной линзы. Плазмотрон имеет установленный вдоль продольной оси внутренний цилиндрический электрод 1 (фиг. 1), межэлектродную вставку 2 с центральным отверстием, три камеры 3, 4, 5 тангенциальной подачи плазмообразующего газа, выходной цилиндрический электрод 6. Электрод 1 снабжен магнитной линзой, содержащий обмотку 7, которая размещена на каркасе 8 из изоляционного материала, магнитопроводы 9, выбранные с целью сведения к минимуму действия вихревых токов из тонколистовой магнитной стали. Электрод 1 закрыт с торца металлической крышкой 10. Для интенсификации перемещения дугового пятна по рабочей поверхности выходного электрода 6 он снабжен соленоидом 11. Электроды 1, 6 и вставка 2 изолируются друг от друга изоляторами 12, 13. Питание магнитной линзы осуществляется через двухполупериодный выпрямитель 14 (фиг. 2), либо через однополупериодный выпрямитель 15 (фиг. 3) от сети переменного тока. Плазмотрон работает следующим образом. После подачи рабочего газа в межэлектродный зазор и напряжения на обмотку 7 магнитной линзы производится поджиг дуги каким-либо известным способом. Требуемая (до нескольких калибров) протяженность зоны привязки дуги в электроде 1 обеспечивается совместным действием магнитного поля линзы аэродинамического циркуляционного течения внутри электрода 1. Это происходит следующим образом. Магнитное поле, создаваемое магнитной линзой, является пульсирующим м изменяющимся по закону близкому к синусоидальному, в такт с изменением тока в обмотке 7 на протяжении каждого полупериода. Поэтому на протяжении 1/4 периода, когда значение тока в обмотке 7 близко к максимуму, близко к максимуму и магнитное поле, создаваемое обмоткой. При этом радиальный участок электрической дуги втягивается в плоскость магнитной линзы и происходит магнитное удержание привязки дуги в этой плоскости. Во время последующей 1/4 периода, когда ток в обмотке, а следовательно, и индукция магнитного поля близки к нулю, магнитное удержание ослабевает и дуга под действием аэродинамических сил устремляется к сечению аэродинамической привязки. Последующее повышение тока в обмотке снова порождает магнитное поле, заставляющее дугу перемещаться в сечение магнитной линзы и т. д. все периодически повторяется. Возможна установка и большего числа магнитных линз, вступающих в действие поочередно, но перемещающих дугу только в одну сторону. Возврат же дуги в сечение аэродинамической привязки проходит каждый раз с помощью аэродинамической силы. Такое возвратно-поступательное перемещение совместно с вращением очень полезно для повышения ресурса электрода, потому что увеличивается, во-первых, в несколько раз величина эрозирующей поверхности, а, во-вторых дуговое пятно все время движется по своему прогретому от предыдущего посещения следу, а по новой охлажденной поверхности. Указанное управление движением привязки дуги будет иметь место только при правильном подключении обмотки магнитной линзы. Из теоретического анализа ситуации получено следующее простое мнемоническое правило для электрического подключения обмотки, когда электрод, на котором она установлена, служит катодом, и в случае, когда анодом. Это правило следующее. Подключение магнитной линзы должно быть таким, чтобы направление создаваемое ею магнитного поля совпадало с направлением поступательного движения в случае катода, левого винта при перемещении его в сторону газового вихря, а в случае анода правого винта при вращении его в сторону газового вихря. Пусть магнитная линза расположена так, что магнитная и аэродинамические плоскости разделены на один-два калибра. При этом действительное положение привязки дуги определяется балансом магнитной и аэродинамической сил. Когда превалирует магнитная сила, дуга движется к магнитной плоскости. При пульсирующем характере магнитного поля и постоянной аэродинамике наблюдается непрерывное перемещение сканирование пятна дуги по поверхности электрода. Анализ ситуации и экспериментальные исследования показывают, что оптимальное протекание такого сканирования с равномерной эрозией электрода происходит при удовлетворении условия 8 < А/Б < 50, где А 10⁶˙1^0,5˙В_о параметр магнитного воздействия; Б G^1,5/d³˙ρ^0,5 параметр аэродинамического воздействия; I ток дуги, А; В_о магнитная индукция в центре магнитной линзы, Тл; d внутренний диаметр электрода, м; G расход плазмообразующего электрода, кг/с; ρ- плотность плазмообразующего газа на входе в электродуговую камеру плазмотрона, кг/м³. Ввиду того, что перемещение привязки дуги вместе с пятном под действием магнитной линзы возможно лишь в том случае, если это поле существенно неоднородно, то для обеспечения такой неоднородности необходимо введение дополнительного условия на форму магнитной линзы. Анализ ситуации позволяет написать это условие в виде 0,1 < в/Д≅0,5, где Д, в внутренний диаметр и ширина линзы соответственно. Ось симметрии магнитной линзы обычно называют магнитной плоскостью, а место привязки дуги, где отсутствует осевая компонента скорости, называют аэродинамической плоскостью. Обычно выбирают длину участка сканирования, равную расстоянию между магнитной и аэродинамическими плоскостями, в пределах 2-3 калибров электрода. Использование данного изобретения позволило сократить габариты плазмотрона, избавиться от сложного в изготовлении источника питания и, кроме того, удалось снизить эрозию катода при работе на воздухе и токах 250-420 А до величины 0,6˙10^-6 г/Кл. Необходимо отметить, что выход за рекомендуемые пределы по определяющим параметрам снимает явление сканирования, т. к. переводит одну из операций (магнитную или аэродинамическую) в ранг пренебрежимо малых. Дополнительным преимуществом данного изобретения, упрощающим его эксплуатацию, является следующий фактор, если в известном решении требовалось создание достаточно сильных магнитных полей, чтобы на их фоне аэродинамическими эффектами можно было пренебречь, то в этом случае силовые воздействия имеют одинаковый порядок требования к мощности магнитных линз соответственно ниже. Например, при мощности плазмотрона порядка 150 КВт, мощность питания линзы не превышала 0,3 КВт, при магнитной индукции 250˙10^-4 Тл и частоте сканирования 50 Гц.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ПЯТНА ДУГИ ПО ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРОДА ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПЛАЗМОТРОНА, при котором осуществляют вращение пятна дуги аэродинамическим воздействием тангенциально закрученного потока плазмообразующего газа и продольное возвратно-поступательное перемещение пятна дуги воздействием магнитного поля, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса работы электрода, осуществляют магнитное воздействие на пятно дуги пульсирующим однофазным магнитным полем промышленной частоты и поддерживают соотношение параметров магнитного А и аэродинамического Б воздействий в следующих пределах:
8 < А / Б < 50,
причем параметр магнитного воздействия А определяют по формуле
A 10⁶ · I^0,5 · B₀,
а параметр аэродинамического воздействия Б по формуле
Б = G^1,5/d³ρ^0,5,
где I рабочий ток дуги, А;
B₀ магнитная индукция в центре магнитной линзы, Тл;
d внутренний диаметр электрода, м;
ρ плотность плазмообразующего газа на входе в электродуговую камеру плазмотрона, кг/м³;
G расход плазмообразующего газа, кг/с.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3