Электродуговой плазмотрон с водяной стабилизацией дуги


 

H05H1/32 - Плазменная техника (термоядерные реакторы G21B; ионно-лучевые трубки H01J 27/00; магнитогидродинамические генераторы H02K 44/08; получение рентгеновского излучения с формированием плазмы H05G 2/00); получение или ускорение электрически заряженных частиц или нейтронов (получение нейтронов от радиоактивных источников G21, например G21B,G21C, G21G); получение или ускорение пучков нейтральных молекул или атомов (атомные часы G04F 5/14; устройства со стимулированным излучением H01S; регулирование частоты путем сравнения с эталонной частотой, определяемой энергетическими уровнями молекул, атомов или субатомных частиц H03L 7/26)

Владельцы патента RU 2506724:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук (ИТПМ СО РАН) (RU)

Изобретение относится к электродуговым плазмотронам с водяной стабилизацией дуги и может быть эффективно использовано при резке всевозможных металлов. Технический результат - упрощение конструкции, увеличение мощности плазмотрона, энтальпии получаемой плазмы, скорости резки. Электродуговой плазмотрон содержит соосно и последовательно установленные охлаждаемые катодный узел, изолятор, вихревую камеру, систему ввода плазмообразующего газа и жидкости и анодный узел с соплом-анодом, установленным с межэлектродным зазором относительно катодного узла и образующим полость для жидкостной стабилизации дуги,переходящей на выходе в водяной экран. Полость в анодном сопле выполнена из двух сопряженных конических поверхностей: стенка на 2/3 длины начального участка полости составляет угол наклона α1=5-10°, далее α2=30-45° до цилиндрического участка на выходе, длина которого равна 0,5-0,8 его диаметра, при этом параметры анодного сопла определяют характер жидкостной стабилизации плазменной струи и защитные характеристики водосборника-рассекателя. 1 ил.

 

Изобретение относится к электродуговым плазмотронам с водяной стабилизацией дуги и может быть эффективно использовано при резке всевозможных металлов.

Известен электродуговой плазмотрон с жидкостной стабилизацией дуги (патент RU №2115269, Н05В 7/18, 1998 г.), в котором для жидкостной стабилизации подают тангенциальный поток жидкости, возбуждают в газовой камере вспомогательный разряд, с помощью которого зажигают рабочую дугу. После запуска подачу газа прекращают, а давление жидкости увеличивают. В корпусе плазмотрона с патрубком ввода плазмообразующего газа по оси установлены стержневой электрод и охватывающий его дополнительный электрод, являющийся верхней диафрагмой. Камера жидкостной стабилизации с патрубком тангенциального ввода жидкости пристыкована верхним торцом к дополнительному электроду. К нижней диафрагме подсоединен водосборник-рассекатель, выполненный со сквозными центральным и периферийным отверстиями.

Известен способ формирования электродугового разряда в плазмотроне и устройство для его осуществления (патент RU №2165130, Н05В 7/18, 1999 г.), по которому для жидкостной стабилизации до подачи тангенциального потока жидкости подают поток плазмообразующего газа, закрученного относительно оси газовой камеры, с помощью которого, используя вспомогательный разряд, зажигают рабочую дугу. После подачи плазмообразующего газа тангенциальные потоки жидкости раздельно один за другим подают в последовательно расположенные по оси камеры жидкостной стабилизации. В корпусе плазмотрона по оси установлены газовая камера с патрубком ввода плазмообразующего газа, полый электрод с системой магнитной стабилизации и дополнительный электрод, являющийся верхней диафрагмой, плотно подсоединенной к нему торцом, камера жидкостной стабилизации; вторая камера жидкостной стабилизации, со стороны нижней диафрагмы которой к введенному водосборнику-рассекателю можно подсоединить съемный анод-сопло с системой магнитной стабилизации дуги.

Основным недостатком этих плазмотронов является затруднения при осуществлении их запуска, т.к. после поджига осциллятором вспомогательной дуги ее не удастся выдуть на разрезаемый лист.

Недостатками указанных плазмотронов также является снижение производительности резки или повышенный дополнительный расход электроэнергии в случае повышения мощности плазменной дуги. Кроме того, возникают трудности в ведении контроля за процессом резки.

Известна также плазменная резка со стабилизацией плазменной дуги водой (водоэлектрическая), которая применяется для резки различных металлов и сплавов, оснащенная устройством для создания водяного экрана (И.Г.Ширшов, В.Н.Котиков. Плазменная резка. Л., издательство «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1987. - 192 с., стр.69-71). В плазмотроне с водяной стабилизацией дуги обеспечивается завихрение воды с помощью канала, ограниченного двумя соплами. Кромки сопла защищены от теплового воздействия дуги с помощью тонкой водяной пленки. Вода является наилучшей средой для резки цветных металлов и высоколегированных сталей больших толщин, получается наилучшее качество реза при высокой производительности резки.

Недостатком водоэлектрической резки является сложность возбуждения дуги и начала процесса, это делает процесс недостаточно надежным и технологичным.

Поскольку воду нельзя подавать вместе с плазмообразующим газом в катодное пространство, так как это приводит к разрушению электрода и сопла, то ее подают отдельно: газ в полость сопла, а воду в канал сопла. При испарении воды образуется водяной пар, плазменная дуга, при этом уплотняется, удлиняется и стабилизируется, что обеспечивает лучший перенос энергии и служит для удаления расплавленного металла и шлака из полости реза.

За прототип выбран плазмотрон, с соплом-насадкой, сопряженной внутренней конусной поверхностью с основным соплом. Пазы на поверхности сопла обеспечивают для прохода воды в зону дуги. Использование такого сопла позволяет подавать воду внутрь общего канала, образованного совмещением двух сопел, и концентрично столбу дуги, создавая вокруг нее водяную завесу. Сопло-насадка на нижнем срезе выполнена в виде цилиндра. Такая конструкция сопла исключает пересечение струй воды кольцевого потока со столбом плазменной дуги. (И.Г.Ширшов, В.Н.Котиков. Плазменная резка. Л., издательство «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1987. - 192 с., стр.70).

Недостатком данного сопла является достаточно сложное конструктивное решение с несколькими каналами для воздушно-водяной плазменной резки.

Технической задачей предлагаемого решения является упрощение конструкции, увеличение мощности плазмотрона, энтальпии получаемой плазмы, скорости резки и улучшение труда рабочих.

Техническим результатом в предлагаемом плазмотроне является то, что, во-первых, в качестве плазмообразующей среды выбрана вода, являющаяся самой экологичной средой, обладающая самой высокой после водорода энтальпией и обеспечивающая самые высокие значения напряженности электрического поля в дуге при ее стабилизации, а во-вторых, удачным выбором схемы слива воды из головки плазмотрона, в результате которого образуется эффективно действующий водяной экран, надежно защищающий рабочее место от гари, испарений и прочих веществ, образующихся при резке металла.

Это достигается тем, что электродуговой плазмотрон содержит соосно и последовательно установленные охлаждаемые катодный узел с катодом, изолятор, вихревую камеру, систему ввода плазмообразующего газа и жидкости и анодный узел с соплом-анодом, установленным с межэлектродным зазором относительно катодного узла и образующим полость для жидкостной стабилизации, переходящую на выходе в водосборник-рассекатель. Согласно изобретению полость в анодном сопле выполнена неравномерно сужающейся к выходу и выполнена из двух сопряженных конических поверхностей: стенка на 2/3 начального участка полости составляет α1=5-10°, далее α2=30-45° до цилиндрического участка на выходе, длина которого равна 0,5-0,8 его диаметра, при этом параметры анодного сопла определяют характер жидкостной стабилизации плазменной струи и защитные характеристики водяного экрана.

На чертеже представлен продольный разрез электродугового плазмотрона с водяной стабилизацией дуги.

Электродуговой плазмотрон с водяной стабилизацией дуги имеет вертикальную ориентацию в пространстве и содержит соосно и последовательно установленные водоохлаждаемый катодный узел 1 с экраном 2, изолятор 3, завихритель 4 из изоляционного материала, анодное сопло 5. Полость в анодном сопле выполнена неравномерно сужающейся к выходу: на 2/3 длины начального участка сопла угол наклона стенки к продольной оси плазмотрона составляет α1=5-10°, далее α2=30-45° до цилиндрического участка на выходе, длина которого равна 0,5-0,8 его диаметра. Параметры анодного сопла определяют надежный характер жидкостной стабилизации плазменной дуги, простой и надежный осцилляторный запуск и защитные характеристики водяного экрана.

Обрабатываемый металлический лист 6 связан электрической связью с анодным соплом 5, по существу является вторым анодом (выполняет роль анода во время работы плазмотрона) и перемещается со скоростью резки (по стрелке «А» на чертеже). На чертеже показаны: катод 7, дуга 8, водяной экран 9. Межэлектродный зазор 10 регулируется с помощью прокладок 11. Герметизация плазмотрона осуществляется с помощью резиновых колец 12 и прокладок 11 при стягивании осевыми шпильками 13. Изоляторы 14 обеспечивают электроизоляцию конструкции. Завихритель 4 имеет общие каналы подвода и тангенциальной закрутки 15 воды и пускового газа, но подача их технологически разнесена по времени, что необходимо для запуска устройства.

Электродуговой плазмотрон с водяной стабилизацией дуги работает следующим образом. Запуск плазмотрона начинается с подачи пускового газа в завихритель 4, где он, пройдя через тангенциальные отверстия закрутки 15, приобретает закрутку и входит через межэлектродный зазор 10 во внутреннюю полость анодного сопла 5. Затем на катодный узел и анодное сопло подают напряжение источника питания и с помощью осциллятора (не показан на чертеже) осуществляют электрический пробой межэлектродного зазора 10. Образуется искра, по которой развивается электрическая дуга. Расходом пускового газа она выдувается из анодного сопла 5 и перебрасывается на разрезаемый лист металла 6, который выполняет роль анода и напрямую подключен к источнику питания, тогда как анодное сопло - через дополнительное сопротивление R. Благодаря этому переход дуги с анодного сопла 5 на лист 6 происходит надежно без обратных пульсаций. После возбуждения режущей дуги и начала резки в завихритель 4 подается вода, а пусковой газ плавно отключается. Закрученный поток воды в анодном сопле создает вокруг плазменной дуги водяную трубку 16, надежно изолирующую анодное сопло от высокой температуры струи плазмы. Водяной поток по цилиндрическому кольцу анодного сопла 5 под действием центробежных сил и сил тяжести сливается и образует водяной экран 9, защищающий рабочее место оператора от продуктов сгорания, пыли и прочего.

После перевода режима работы плазмотрона с газового на водяной режим дуга становится более мощной и работоспособной, так как водяная стабилизация намного эффективнее воздушной стабилизации дуги плазмотрона. Для режущего плазмотрона важным является газодинамические параметры потока плазмы, поскольку они определяют эффективность нагрева, расплавления и удаления металла из полости реза. Конструктивное решение конфигурации полости анодного сопла способствует созданию вокруг плазменной дуги водяной трубки, надежно изолирующей анодное сопло от высокой температуры плазменной дуги.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции плазмотрона, увеличение мощности и производительности, резку более толстых листов металла, а также улучшение гигиенических условий труда обслуживающего персонала.

Источники информации

1. Патент RU №2115269, Н05В 7/18, 1998 г.

2. Патент RU №2165130, H05B 7/18, 1999 г.

3. И.Г.Ширшов, В.Н.Котиков. Плазменная резка. Л., издательство «Машиностроение», Ленинградское отделение, 1987. - 192 с., стр.70 - прототип.

Электродуговой плазмотрон с водяной стабилизацией дуги, вертикально ориентированный в пространстве, предназначенный для резки металлов, содержащий соосно и последовательно установленные охлаждаемый катодный узел, изолятор, вихревую камеру, систему ввода плазмообразующего пускового газа и жидкости и анодное сопло, установленное с межэлектродным зазором относительно катодного узла и выполненное с возможностью образования жидкостной стабилизации дуги, на выходе из сопла переходящей в водяной экран, отличающийся тем, что полость в анодном сопле выполнена из двух сопряженных конических поверхностей: стенка на 2/3 длины начального участка полости составляет угол наклона α1=5-10°, далее α2=30-45° до цилиндрического участка на выходе, длина которого равна 0,5-0,8 его диаметра, при этом параметры анодного сопла определяют надежность жидкостной стабилизации плазменной струи и стабильные защитные характеристики водяного экрана.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к трансформаторным плазмотронам низкого давления, и может быть использовано в микроэлектронике для обработки полупроводниковых материалов (плазменное травление, оксидирование, очистка поверхности и т.д.), осаждения тонких пленок, в металлообработке для плазмохимического модифицирования поверхности металлов (ионно-плазменное азотирование, плазменное оксидирование и т.д.), для плазменной обработки полимерных материалов (уменьшение пористости, изменение гидрофобных свойств и т.д.).

Изобретение относится к области плазменной техники. Генератор дуговой плазмы с многоступенчатой подачей газа содержит катод и анод.

Изобретение относится к области плазменной обработки поверхности. Способ заключается в том, что придают конструктивному элементу или конструктивным элементам (1), по меньшей мере, одно вращательное движение относительно, по меньшей мере, одного ряда неподвижно расположенных в линию элементарных источников (2), причем ряд или ряды расположенных в линию элементарных источников (2) размещают параллельно оси конструктивного элемента или осям вращения конструктивных элементов.

Изобретение относится к области плазменной техники. Предложены варианты систем для сжатия плазмы и способов сжатия плазмы, в которых могут быть достигнуты давления плазмы выше предела прочности твердого материала, за счет впрыска плазмы в воронку жидкого металла, в которой плазма сжимается и/или нагревается.

Заявленная группа изобретений относятся к области электрофизики, в частности к технике диагностики плазмы, и может быть использована для измерения электронной концентрации и температуры нестационарной плазмы в широком диапазоне исследуемых параметров.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для обработки материалов в среде низкотемпературной плазмы газового разряда, а именно к индукционным генераторам плазмы, размещаемым внутри технологического объема (рабочей камеры).

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к катодам-компенсаторам, работающим на газообразных рабочих телах. Технический результат - увеличение ресурса надежной работы и снижение трудоемкости изготовления.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для инициирования высокочастотной плазмы. Устройство для возбуждения высокочастотного факельного разряда содержит диэлектрическую трубку, установленную в пазу диэлектрического фланца, в осевом отверстии которого размещен полый силовой электрод так, что его глухой заостренный конец расположен внутри цилиндрической диэлектрической трубки, а другой конец силового электрода размещен за пределами диэлектрической трубки и электрически связан с высоковольтным электродом высокочастотного генератора.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для ускорения плазмы до гиперскоростей и получения нанодисперсных порошков титана и меди. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель содержит соленоид, цилиндрический титановый ствол, цепь питания.

Изобретение относится к области исследования плазмы. Магнитогидродинамическое моделирующее устройство включает в себя плазменный контейнер, в который помещен первый ионизируемый газ, первый электрический контур, расположенный рядом с плазменным контейнером, содержащий промежуток, электрические контакты на первой и второй сторонах промежутка, и первое вещество, имеющее, по меньшей мере, низкую магнитную восприимчивость и высокую проводимость.

Изобретение относится к области вакуумных установок для плазменной дуговой плавки металлов и сплавов в космосе и предназначено для проведения экспериментов преимущественно по плавке наиболее перспективных металлов (вольфрам, ниобий) и композитов на металлической основе в условиях микрогравитации.

Изобретение относится к области вакуумных установок для плазменной дуговой плавки металлов и сплавов в космосе и предназначена для проведения экспериментов преимущественно по плавке наиболее перспективных металлов (вольфрам, ниобий) и композитов на металлической основе в условиях микрогравитации.

Изобретение относится к области металлургии и литейного производства, а именно к устройству электродуговых печей. .

Изобретение относится к технологиям восстановления металлов из неорганических оксидов. .

Изобретение относится к электротермии и может быть использовано для плавления минеральных компонентов. .

Изобретение относится к области плазменной техники, а именно к конструкции плазмотронов, применяемых в металлургической промышленности в качестве источника нагрева.

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к трансформаторным плазмотронам низкотемпературной плазмы, и может быть использовано в плазмохимии и металлургии для проведения различных плазмохимических процессов, а также в лазерной технике.

Изобретение относится к приборостроению, а именно к аналитическим приборам для проведения спектрального анализа, и может использоваться в устройствах атомизации и возбуждения атомов анализируемых проб.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электродуговым нагревателям газа (плазмотронам), используемым для получения стационарных потоков низкотемпературной плазмы различных газов, и может быть применено в химической и металлургической промышленности, машиностроении, энергетике, экологии. В электродуговом нагревателе водяного пара, содержащем последовательно установленные вдоль продольной оси электрод-анод, кольцо подачи рабочего газа и электрод-катод, наружная поверхность внутреннего электрода-анода и зауженной части выходного электрода-катода охвачены плотно прилегающей металлической трубой с низкой теплопроводностью с толщиной стенки δ=(4÷8)·10-3 м, через которую косвенно осуществляется охлаждение внутреннего электрода-анода и зауженной части выходного электрода-катода. Соотношения геометрических размеров электродов составляют: d1/d2=1,1÷1,3, l1/d1=1,5÷4, l2/d2=3÷7, D1/d1≥1,5, D2/d2≥1,6, где d1, d2 - диаметры зауженных частей (м), D1, D2 - диаметры расширенных частей (м), l1, l2 - длины зауженных частей (м) внутреннего электрода-анода и выходного электрода-катода соответственно. Технический результат - повышение ресурса работы нагревателя. 1 ил.
Наверх