Электродуговой плазмотрон для обработки материалов

Электродуговой плазмотрон для обработки материалов предназначен для использования в области синтеза материалов в плазмохимическом реакторе. Плазмотрон содержит соосно и последовательно установленные катодный узел с катодом и анодный узел с соплом-анодом. Плазмотрон содержит изолятор и систему охлаждения катодного и анодного узлов с патрубками ввода и вывода охлаждающей жидкости. Изолятор установлен между катодным и анодным узлами. Плазмотрон содержит патрубок ввода обрабатываемого материала. Цилиндрическая полость патрубка ввода обрабатываемого материала соединена непрерывным транспортирующим каналом с прикатодной областью. Последняя переходит в цилиндрическую полость сопла-анода. Последнее укреплено посредством прижимной гайки в корпусе анодного узла. К последнему присоединен патрубок ввода охлаждающей жидкости. Патрубок ввода охлаждающей жидкости соединен с системой охлаждения анодного узла. Последняя сообщается с системой охлаждения катодного узла и патрубком вывода охлаждающей жидкости. Плазмотрон снабжен пламеотбойником. Конический кожух последнего установлен на корпусе анодного узла заподлицо с его торцевой поверхностью. В корпусе анодного узла выполнена спиральная полость. Обеспечивается непрерывная работа плазмотрона в пламени плазмохимического реактора. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области синтеза материалов в плазмохимическом реакторе, в частности для получения твердых фаз углерода (фуллерена, нанокристаллических трубок, микрокристаллических и массивных алмазоподобных веществ) при термосиловом взаимодействии плазменной струи с СН-содержащими газами и может быть использовано в химической промышленности, машиностроении и металлургии.

Известна установка для плазменной сварки (авторское свидетельство №1623846, кл. В 23 К 10/00, 1988), содержащая плазмотрон, включающий катодный и анодные узлы, изолятор, расположенный между ними, систему охлаждения горячей зоны и узел подвода плазмообразующего газа.

В качестве прототипа выбран плазмотрон (патент РФ №2071189, МПК 6 Н 05 Н 1/26, 27.12.1966). Плазмотрон содержит соосно и последовательно установленные катодный узел с катодом, анодный узел с соплом-анодом, изолятор между катодным и анодным узлами. Катодный и анодный узлы имеют системы охлаждения с патрубками ввода и вывода охлаждающей жидкости. Плазмотрон имеет патрубок для ввода плазмообразующего газа, через который совмещен подвод обрабатываемого материала в виде газа.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее. Патрубки ввода-вывода охлаждающей жидкости и ввода плазмообразующего газа и наружная поверхность изолятора не защищены от воздействия пламени плазмохимического реактора. Система охлаждения не обеспечивает допустимый тепловой режим конструкционных элементов плазмотрона.

В рабочем положении корпус анодного узла является верхним фланцем плазмохимического реактора, установленным с зазором в герметичной реакционной камере. Часть продуктов диссоциации истекает в зазор между торцом корпуса анода и горловиной плазмохимического реактора и, соединяясь с атмосферным кислородом, воспламеняется. Пламя воздействует на наружную поверхность плазмотрона и патрубки, что приводит к нарушению герметичности соединений патрубков с подводящими магистралями, разрушению уплотнения в гермостыке сопла-анода и прижимной гайки и, как следствие, нарушению герметичности полостей плазмотрона. Под воздействием пламени плавится и обугливается наружная поверхность изолятора, выполненного из органических материалов, происходит короткое замыкание между электронагруженными катодным и анодным узлами.

Перечисленные конструктивные недостатки прототипа не совместимы с требуемой длительной непрерывной работой плазмотрона в открытом пламени плазмохимического реактора.

Задача изобретения - обеспечение непрерывной работы плазмотрона в плазмохимическом реакторе.

Поставленная задача достигается тем, что в плазмотроне, содержащем соосно и последовательно установленные катодный узел с катодом, анодный узел с соплом-анодом, изолятор, установленный между катодным и анодным узлами, систему охлаждения катодного и анодного узлов с патрубками ввода и вывода охлаждающей жидкости и патрубок ввода обрабатываемого материала, согласно изобретению цилиндрическая полость патрубка ввода обрабатываемого материала соединена непрерывном транспортирующим каналом с прикатодной областью, переходящей в цилиндрическую полость сопла-анода, укрепленного посредством прижимной гайки в корпусе анодного узла, к которому присоединен патрубок ввода охлаждающей жидкости, соединенный с системой охлаждения анодного узла, сообщающейся с системой охлаждения катодного узла и патрубком вывода охлаждающей жидкости, причем плазмотрон снабжен пламеотбойником, конический кожух которого установлен на корпусе анодного узла заподлицо с его торцевой поверхностью, на внутренней поверхности которого расположено кольцо параллельно его основанию, создающее герметичную полость охлаждения и открытую полость, образованные соответственно наружными поверхностями изолятора - корпуса анодного узла и изолятора - корпуса катодного узла, а в корпусе анодного узла выполнена спиральная полость, сообщающаяся с системой охлаждения плазмотрона.

Герметичная полость охлаждения пламеотбойника последовательно включена в систему охлаждения анодного и катодного узлов с помощью соответствующих переходных полостей и отверстий, выполненных в изоляторе.

Кожух пламеотбойника выполнен с углом конуса 80-120°, а высота его превышает верхний торец катодного узла.

Патрубки ввода и вывода охлаждающей жидкости и патрубок ввода плазмообразующего газа расположены параллельно оси плазмотрона и защищены открытой полостью пламеотбойника.

Длина части изолятора, расположенной в открытой полости пламеотбойника, как минимум в два раза больше минимального зазора между катодом и соплом-анодом.

На чертеже представлен предлагаемый плазмотрон в разрезе.

Плазмотрон состоит из входного патрубка 1 ввода обрабатываемого материала (ОМ) и транспортирующего газа (ТГ), цилиндрическая полость 2 которого переходит в коническую полость 3, образованную диффузором 4 и обтекателем 5, установленными на корпусе катодного узла 6. В корпусе катодного узла 6 выполнена коаксиальная полость 7, в которую переходит коническая полость 3. В корпусе катодного узла посредствам цанги 8 закреплен катод 9 и установлен переходник 10 с укрепленной на нем электронейтральной вставкой 11. Поверхности электронейтральной вставки 11 и изолятора 12, образующие транспортирующую полость 13, выполнены в виде двух обратных усеченных конусов 14 и 15, соединенных большими основаниями. Транспортирующая полость 13 фокусируется в прикатодной области 16, переходящей в цилиндрическую полость 17 сопла-анода 18. Таким образом, полости 3, 7 и 13 образуют непрерывный транспортирующий канал, связывающий цилиндрическую полость патрубка 1 ввода ОМ с прикатодной областью. Сопло-анод 18 фиксируется в корпусе анодного узла 19 прижимной гайкой 20. Сопрягаемые поверхности прижимной гайки 20 и сопла-анода 18 выполнены коническими с образованием ниппельного соединения для исключения из конструкции уплотнительных колец в гермостыке сопла-анода и прижимной гайки.

Корпус анодного узла 19 имеет систему охлаждения, соединенную с патрубком 21 ввода охлаждающей жидкости (ОЖ). Патрубок 21 ввода ОЖ одновременно является клеммой соединения сопла-анода с плюсом "+" источника питания плазмотрона. В систему охлаждения анодного узла входят спиральный канал 22, охлаждающий торцевую поверхность 23 корпуса анодного узла, полость 24, связанная радиальными равнорасположенными отверстиями 25 с кольцевой переходной полостью 26. В корпусе катодного узла выполнена кольцевая переходная полость 27, соединенная с полостями 28 и 29, охлаждающими катод 9 и электронейтральную вставку 11. Полости 28 и 29 связаны с патрубком 30 вывода охлаждающей жидкости, вертикально укрепленного на торцевой поверхности корпуса катодного узла. Патрубок 30 вывода ОЖ одновременно является клеммой подвода минуса "-" источника питания плазмотрона к катоду. На торцевой поверхности корпуса катодного узла вертикально закреплен патрубок 31 ввода плазмообразующего газа (ПОГ), соединенный каналами с конической полостью 32, образованной конической поверхностью катода 9 и внутренней поверхностью электронейтральной вставки 11. На корпусе анодного узла 19 заподлицо с его торцевой поверхностью установлен пламеотбойник, состоящий из кожуха 33 конической формы с углом при вершине 80-120° и кольца 34, контактирующего с изолятором 12 с образованием двух конических полостей. Герметичная полость 35, являющаяся полостью охлаждения, образована наружными поверхностями корпуса анодного узла 19, изолятора 12, кольцом 34 и внутренней конической поверхностью кожуха 33. Открытая полость 36 образована наружными поверхностями корпуса катодного узла 6, изолятора 12, кольцом 34 и кожухом 33. Расстояние Н между верхней плоскостью кольца 34 и нижним торцом корпуса катодного узла 6 должно превышать не менее чем в два раза кратчайший зазор S между концом катода 9 и внутренней торцевой поверхностью сопла-анода 18. Полость охлаждения 35 пламеотбойника включена в систему охлаждения анодного узла отверстиями 37 и 38 и катодного узла - отверстиями 39 и 40, выполненными в изоляторе 12 и связывающими две кольцевых переходных полости 26 и 27 корпусов анодного и катодного узлов.

Плазмотрон работает следующим образом.

Через патрубок 31 ввода плазмообразующего газа и коническую полость 32 катодного узла чистые газы или их смеси фокусируются в прикатодную область 16, а затем в цилиндрическую полость 17 сопла-анода 18. Осциллятором источника питания через зазор S между катодом и соплом-анодом инициируется электрическая дуга, образуется плазменная струя, истекающая из сопла-анода.

СН-содержащий газ вводится через патрубок 1. Пройдя по непрерывному транспортирующему каналу, фокусируется в прикатодную высокотемпературную область плазменной струи. Нагреваясь, обрабатываемый материал диссоциирует на составляющие углерод и водород, которые частью вступают в реакцию с катализатором и осаждаются в плазмохимическом реакторе, а другая часть выходит из горловины плазмохимического реактора через зазор, с которым установлен в реакторе плазмотрон и, соединяясь с атмосферным кислородом, загорается.

Из внешней магистрали охлаждающая жидкость (вода) под давлением подается в патрубок 21 анодного узла, проходит через спиральный канал 22 корпуса 19 анодного узла, охлаждая торец 23, и с тангенциальным вращением входит в полость 24 охлаждения сопла-анода 18, интенсивно охлаждая его. Затем вода через радиальные отверстия 25 входит в переходную полость 26. Далее через отверстия 37 и 38, выполненные в изоляторе 12, вода проходит в герметичную полость 35 охлаждения пламеотбойника и, циркулируя по ней, поступает в диаметрально расположенные отверстия 39 и 40 изолятора 12 и переходную полость 27 охлаждения катодного узла. Пройдя через полости охлаждения катода 28 и электронейтральной вставки 29, вода выходит через патрубок 30.

Обеспечить необходимый температурный режим работы узлов плазмотрона позволяет пламеотбойник. Он защищает наружную поверхность изолятора от разрушения и пробоя, а также защищает от открытого пламени патрубки ввода и транспортирующие магистрали охлаждающей жидкости и пневмосистемы. Угол α при вершине кожуха 33 пламеотбойника лежит в пределах 80-120° и выбран экспериментально. При угле α<80° фронт горения расположен близко к поверхностям защищаемых патрубков и магистралей. При углах α>120° происходит срыв пламени с поверхности кожуха и захлестывание его во внутреннюю открытую полость 36. Экспериментально выявлено, что высота L кожуха в указанном интервале углов должна быть равной или превышать расстояние N от нижнего торца анодного узла до верхнего торца катодного узла. Установлено, что для исключения пробоя между верхней плоскостью кольца 34 пламеотбойника и нижним торцом корпуса 6 катодного узла при запуске плазмотрона расстояние Н между ними должно превышать как минимум в два раза минимальный зазор S между концом катода 9 и соплом-анодом 18.

Проведенные испытания заявляемого плазмотрона показали, что он обеспечивает заданную длительность непрерывного процесса обработки СН-содержащих газов с сохранением необходимого теплового режима узлов, патрубков и магистралей пневмо- и гидросистем плазмотрона. При испытаниях в течение 45 минут непрерывной работы в комплексе с плазмохимическим реактором, после разборки плазмотрона не обнаружено дефектов в гермостыках, на поверхности изолятора, находящейся в открытой полости пламеотбойника, а также на патрубках и магистралях пневмо- и гидросистем плазмотрона.

1. Электродуговой плазмотрон для обработки материалов, содержащий соосно и последовательно установленные катодный узел с катодом, анодный узел с соплом-анодом, изолятор, установленный между катодным и анодным узлами, систему охлаждения катодного и анодного узлов с патрубками ввода и вывода охлаждающей жидкости и патрубок ввода обрабатываемого материала, отличающийся тем, что цилиндрическая полость патрубка ввода обрабатываемого материала соединена непрерывным транспортирующим каналом с прикатодной областью, переходящей в цилиндрическую полость сопла-анода, укрепленного посредством прижимной гайки в корпусе анодного узла, к которому присоединен патрубок ввода охлаждающей жидкости, соединенный с системой охлаждения анодного узла, сообщающейся с системой охлаждения катодного узла и патрубком вывода охлаждающей жидкости, причем плазмотрон снабжен пламеотбойником, конический кожух которого установлен на корпусе анодного узла заподлицо с его торцевой поверхностью, на внутренней поверхности которого расположено кольцо параллельно его основанию, создающее герметичную полость охлаждения и открытую полость, образованные соответственно наружными поверхностями изолятора - корпуса анодного узла и изолятора - корпуса катодного узла, а в корпусе анодного узла выполнена спиральная полость, сообщающаяся с системой охлаждения плазмотрона.

2. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что герметичная полость охлаждения пламеотбойника последовательно включена в систему охлаждения анодного и катодного узлов с помощью соответствующих переходных полостей и отверстий, выполненных в изоляторе.

3. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что кожух пламеотбойника выполнен с углом конуса 80-120°, а высота его превышает верхний торец катодного узла.

4. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что сопрягаемые поверхности сопла-анода и прижимной гайки выполнены коническими с образованием ниппельного соединения.

5. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что патрубки ввода и вывода охлаждающей жидкости и патрубок ввода плазмообразующегося газа расположены параллельно оси плазмотрона и защищены открытой полостью пламеотбойника.

6. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что длина части изолятора, расположенной в открытой полости пламеотбойника, как минимум, в два раза больше минимального зазора между катодом и соплом-анодом.