УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ ПОТОКА ОГНЕУПОРНЫХ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1996 года по МПК H05B7/18 H05H1/00 H05H1/26 

Изобретение относится к электротехнике и касается преобразования электрической энергии в тепловую в электрическом газовом разряде плазмотрона.

Изобретение может быть использовано для производства изделий с переменными структурой, плотностью, качеством поверхности в отраслях строительной, стекольной промышленности, декоративно-прикладного искусства.

Известны устройства, содержащие плазмотрон с разрядной камерой, внутри которой установлены два стержневых отрабатываемых электрода, магнитопровод в виде охватывающего разрядную камеру ярма с двумя полюсными наконечниками, на которых размещены обмотка управления, подключенная к источнику питания постоянного тока, и обмотка стабилизации, подключенная к автономному источнику постоянного тока питания дуги газового разряда, а также бункер подачи исходного обрабатываемого материала [1] [2] [3]
Во всех известных устройствах на основе плазмотрона не решена проблема нагрева изменяемого потока частиц обрабатываемого материала до заданных изменяемых температур.

Технический результат предлагаемого технического решения заключается в обеспечении нагрева заданного изменяемого потока частиц обрабатываемого материала до заданных изменяемых температур и, как следствие этого, возможность формирования изделий с заданными переменной структурой, плотностью и качеством поверхности.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее разрядную камеру, два стержневых электрода, магнитопровод с охватывающим разрядную камеру ярмом и установленными в плоскости, перпендикулярной плоскости установки электродов, двумя полюсными наконечниками, на которых размещены обмотка стабилизации с выводами, подключенными к источнику постоянного тока питания дуги газового разряда, и отмотка управления с выводами, подключенными к автономному источнику питания постоянного тока, бункер подачи исходного сыпучего материала, дополнительно введены включенное между одним электродом и одним концом обмотки стабилизации регулируемое сопротивление стабилизации, включенное между концами обмоток управления регулируемое сопротивление управления, задатчик параметров работы и формирователь сигналов управления, на первый-двенадцатый входы которого подключены первый-двенадцатый выходы задатчика параметров работы, отрабатывающий регулируемое сопротивление стабилизации первый механизм отработки, на один вход которого подключен его выход, а на другой вход подключен второй выход формирователя сигналов управления, отрабатывающий регулируемое сопротивление управления второй механизм отработки, на один вход которого подключен его выход, а на другой вход подключен первый выход формирователя сигналов управления, дозатор, отрабатываемый третьим механизмом отработки, на один вход которого подключен его выход, а на другой вход подключен первый выход задатчика параметров работы.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, вид спереди; на фиг. 2 то же, вид в плане; на фиг.3 схема реализации формирователя сигналов управления.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 разрядная камера плазмотрона, 2 стержневые электроды, 3 траектория дуги газового электрического разряда, 4 бункер подачи исходного материала, 5 регулируемая заслонка (дозатор), 6 поток частиц исходного материала, 7 поток нагретых частиц, 18 плазменная печь (наиболее нагретая область пространства), 19 третий механизм отработки, 8 ярмо магнитопровода, 9 полюсные наконечники, 10 обмотка управления (ОУ), 11 обмотка стабилизации (ОС), 12 регулируемое сопротивление управления (РСУ), 13 регулируемое сопротивление стабилизации (РСС), 14 первый механизм отработки (МО1), 15 второй механизм отработки (МО2), 16 задатчик параметров работы (ЗПР), 17 формирователь сигналов управления (ФСУ), 20 первый блок деления (БД1), 21 первый блок умножения (БУ1), 22 второй блок умножения (БУ2), 23 первый блок разности (БР1), 24 квадратор (КВ), 25 первый сумматор (С1), 26 блок извлечения корня квадратного (БИК), 27 второй сумматор (С2), 28 второй блок разности (БР2), 29 второй блок деления (БД2), 30 третий блок разности (БР3), 31 четвертый блок разности (БР4), 32 третий блок умножения (БУ3), 33 четвертый блок умножения (БУ4), 34 пятый блок разности (БР5).

При зажигании дугового разряда между стержневыми электродами 2, расположенными в разрядной камере 1, через ОС11, РС13 протекает электрический ток
I= , где R_c R_co+R_cp, R_co сопротивление ОС11, R_cp сопротивление РС13, U_c- напряжение источника питания, U_д напряжение на дуге.

При регулировке непосредственно ОС11; R_co постоянная часть сопротивления ОС11; R_cp регулируемая часть сопротивления ОС11.

Одновременно от источника питания напряжением U_у через ОУ10, РС12 протекает ток I_у= где R_y R_yo+R_yp, R_yo сопротивление ОУ10, R_yp сопротивление РС12. При регулировке непосредственно ОУ10: R_yo постоянная часть сопротивления ОУ10, R_yp регулируемая часть сопротивления ОУ10.

Под действием I и I_y между наконечниками 9, расположенными на концах ярма 8, возникает магнитное поле, вектор магнитной индукции В_мкоторого перпендикулярен плоскости разряда, при этом пропорционально количеству витков ОУ10 и ОС11 В_м К₁(I+I_y) (здесь К₁ коэффициент пропорциональности). Сила Лоренца, действующая перпендикулярно В_м и перпендикулярно вектору скорости носителей заряда в дуге вытягивает дуговой разряд 3 по продольной оси камеры 1, при этом длина дуги по продольной оси равна
l_x K₂В_м К₁К₂(I+I_y) K₃(I+I_y), где К₃ коэффициент пропорциональности). Известна аппроксимированная вольт-амперная характеристика (ВАХ) дугового разряда [4]
U_д= (a+bl)+ где a, b, c, d постоянные величины,
l≈l_o+ 2l_x, l_o расстояние между электродами, тогда при l l_o+2K₃(I+I_y)
U_д= a+bl_o+2bK₃I_у+ +2bK
данная характеристика имеет восходящую ветвь после значения I_m, соответствующего минимуму U_д). При работе на восходящей ветви ВАХ (I >> I_m)
U_д U_o+R(I+I_y) R(I_o+I+I_y), где I_o= R 2bK₃, U_o= a+bl_o+2dK₃ постоянные для данного устройства величины.

Наиболее нагретая область пространства плазменная печь ПП18 в установившемся режиме имеет следующую температуру [5]
T_п= где Н E+E_oN определяется теплоотдачей в окружающую среду и теплоотдачей частицам N исходного материала, одновременно находящихся в ПП18;
Е, Е_о известные постоянные для данного устройства величины.

Из бункера 4 через регулируемую заслонку 5 вытекает поток частиц 6 исходного материала n K₄ Φ где n количество частиц, исходящих из щели дозатора 5 одновременно; Φ параметры щели в дозаторе 5, К₄ коэффициент пропорциональности.

Частицы исходного материала в свободном падении пролетают расстояние l₁ AB между выходом из щели дозатора 5 и входом в зону действия ПП18 и расстояние ВС ≈ l_x линейное расстояние ПП18, при этом время нахождения частицы в ПП18 следующее:
τ где g ускорение свободного падения, при l₁ > l_x
τ ≈ K₅•l_x где К₅ постоянный для данного устройства коэффициент пропорциональности.

Количество частиц N пропорционально l_x и n, т.е.

N K₆ ·n ·l_x K₃K₄K₅K₆ · Φ(I+I_y)
(здесь К₆ коэффициент пропорциональности), при E₁ K₃K₄K₅K₆E_o
H E+E₁ Φ·(I+ I_y), E₁ постоянная для данного устройства величина.

Температура нагрева каждой частицы в выходном потоке частиц 7 определяется температурой Т_п и временем τ нахождения частицы в ПП18, при коэффициенте пропорциональности К₇
T₄= K₇•τ•T_п= RK₃K₅K₇(I+I_у)I•(I_o+I+I_у)•
При RK₅K₇K₃= K, F F₁= (F₁,F₁ постоянные для данного устройства параметры)
T₄=
Известно [6] что при изменениях тока I параметры дуги (сечение, степень ионизации) не успевают отслеживать изменения I, а при выборе постоянного рабочего тока I_p >>I_m на восходящей ветви ВАХ динамическая и статическая ВАХ соответствуют друг другу, при этом I_p= определяется соотношением заданных величин I_y3, R_c3, при которых I I_p
R_c3=
Из условия обеспечения заданной температуры частиц Т₄₃ заданного потока частиц, определяемого Φ₃ при выбранном I_p
T_у3=
или
I_у3+I+I_у3+II_o-
откуда
I_у3+I_p= -I+ (1)
Так как
R_у= R_уо+R_ур= R_c= R_co+R_cp,
то R_ур3= R_уo (2)
R_ср3= R_c3-R_co= -R_co- (I_p+I_у3) (3)
Зависимости (1), (2), (3) определяют регулировочные величины R_yp3 и R_cp3, при выбранных величинах I_p и Φ₃ в обеспечение заданной температуры частиц Т₄₃ в выходном потоке 7 нагретых частиц, при постоянных для данного устройства параметрах U_c, U_o, R, R_co, U_y, R_yo, F, F₁, I_o.

В ЗПР16 оператором (или программно) задаются параметры режима работы и постоянные величины Φ₃, Т₄₃, I_p, F, F₁, I_o, U_y, R_yo, U_c, U_o, R, R_co, которые с первого-двенадцатого выходов ЗПР16 поступают соответственно на первый-двенадцатый входы ФСУ17, в котором формируются заданные управляющие сигналы, реализующие зависимости (1), (2), (3). Примеры технического исполнения ЗПР16 как задатчика постоянных величин и элементов (20-(34) в ФСУ17 приведены в [7]
В ФСУ17:
первый вход Φ₃ подключен к первому входу БУ2 (22);
второй вход (Т₄₃) подключен ко вторым входам БУ1 (21) и БУ2 (22);
третий вход (I_p) подключен ко входу БД1 (20) и к одному входу БР2 (28);
четвертый вход (F) подключен к первому входу БУ1 (21);
пятый вход (F₁) подключен к третьему входу БУ2 (22);
шестой вход (I_o) подключен к одному входу БР1 (23);
седьмой вход (U_y) подключен к одному входу БД2 (29);
восьмой вход (R_yo) подключен к одному входу БР3 (30);
девятый вход (U_c) подключен к одному входу БР4 (31);
десятый вход (U_o) подключен к другому входу БР4 (31);
одиннадцатый вход (R) подключен к первому входу БУ4 (33);
двенадцатый вход (R_co) подключен к первому входу БР5 (34);
на первый выход (R_уp3) подключен выход БР3 (30);
на второй выход (R_cp3) подключен выход БР5 (34);
в БД1 (20) формируется сигнал α₁= , поступающий на второй вход БУ4 (33), на один вход БУ3 (32), на третий вход БУ1 (21) и на четвертый вход БУ2 (22), где формируется сигнал α₂=Т₄₃·F₁·Φ₃·α₁ поступающий на другой вход БР1 (23), где формируется сигнал α₃= (α₂-I_o) поступающий на один вход С2 (27) и на вход КВ (24), где формируется сигнал α23

, поступающий на один вход С1 (25), на другой вход которого с выхода БУ1 (21) поступает сформированный в БУ1 (21) сигнал α₄= T₄₃•F•α₁= ; в С1 (25) формируется сигнал (α23+α₄), поступающий на вход БИК (26), где формируется сигнал α₅= , поступающий на другой вход С2 (27), где формируется сигнал (I_y3+I_p) α₃+α₅, реализующий зависимость (1), с выхода С2 (27) сигнал α₆= (I_y3+I_p) поступает на третий вход БУ4 (33) и на один вход БР2 (28), где формируется сигнал I_y3 α₆-I_p, поступающий на другой вход БД2 (29), где формируется сигнал , поступающий на другой вход БР3 (30), где формируется сигнал, реализующий зависимость (2) R_yp3= -R_уо, в БР4 (31) формируется сигнал (U_c-U_o), поступающий на другой вход БУ3 (32), где формируется сигнал (U_c-U_o)α₁= (U_c-U_o)• , поступающий на второй вход БР5 (34), в БУ4 (33) формируется сигнал R(I_p+I_у3)α₁= , поступающий на третий вход БР5 (34), где формируется сигнал, реализующий зависимость(3) R_cр3= R_co- (I_p+I_у3), поступающий на второй выход ФСУ17.

Сигнал R_cp3 со второго выхода ФСУ17 поступает на один вход МО1 (14), на другой вход которого поступает сигнал обратной связи по выходному сигналу R_cp. МО1 (14) может быть выполнен, например, на интегрирующем двигателе, тогда
(R_ср3-R_ср) R_ср, R_ср= (здесь Т постоянная времени, Р оператор дифференцирования), R_cp R1-e, откуда следует, что через время t > 3T R_cp ≈ R_cp3, т.е. R_cpотрабатывается на заданную величину R_cp3. МО2 (15) и МО3 (19) по исполнению аналогичны МО1 (14). Сигнал R_yp3 с первого выхода ФСУ17 отрабатывается МО2 (15), на выходе которого R_yp R1-e соответственно при t > 3T, R_yp ≈ R_yp3. Сигнал Φ₃ с первого выхода ЗПР (16) через МО3 (19) отрабатывает параметр Φ регулируемой заслонки (дозатора) 5: Φ 1-e соответственно при t > 3T, Φ≈Φ₃
Таким образом достигается технический результат заданный поток частиц 6 исходного материала в соответствии с отработанным Φ₃ в ПП18 нагреваются до заданной температуры Т₄₃, при оптимальном токе дугового разряда I_p в соответствии с заданными R_cp3, R_yp3.

Проведены исследования на экспериментальной установке, подтверждающие возможность формирования из сыпучих материалов (кварцевый песок), нагреваемых до температуры 2000-7000^оС, изделий с заданными переменными структурой, плотностью, качеством поверхности.

Сущность изобретения: при зажигании дуги 3 между стержневыми электродами 2, расположенными в разрядной камере 1, через обмотку стабилизации (ОС) 11, регулируемое сопротивление стабилизации (РСС) 13 протекает ток I в соответствии с напряжением источника питания U_с. Одновременно через обмотку управления (ОУ)10 и регулируемое сопротивление управления (РСУ)12 протекает ток управления I_у в соответствии с напряжением источника питания U_у. РСС13 и РСУ12 могут реализоваться как регулируемые части ОС11 и ОУ10. В магнитопроводе с ярмом 8 и полюсными наконечниками 9 возникает поперечное магнитное поле, приводящее к появлению силы Лоренца, вытягивающей дуговой разряд в соответствии с заданными величинами регулируемых сопротивлений РСУ12 и РСС13, отрабатываемых механизмами отработки (МО2) 15 и (МО1) 14, управляемых от формирователя сигналов управления ФСУ17, на который поступают параметры управления и постоянные величины от задатчика параметров работы ЗПР16. С первого выхода ЗПР16 параметр Φ_з поступает на третий механизм отработки МО3, отрабатывающий регулируемую заслонку (дозатор) бункера, соответственно заданный поток исходного материала поступает в наиболее нагретую область пространства - плазменную печь, где частицы нагреваются, и выходной поток частиц, нагретых до заданной температуры T_4 3, выдается потребителю для формирования изделий с заданными переменными плотностью, структурой и качеством поверхности. 3 ил.

Устройство для тепловой обработки потока огнеупорных сыпучих материалов, содержащее разрядную камеру, два стержневых электрода, магнитопровод с охватывающим разрядную камеру ярмом и установленными в плоскости, перпендикулярной плоскости установки электродов, двумя полюсными наконечниками, на которых размещены обмотка стабилизации с выводами, подключенными к источнику постоянного тока питания дуги газового разряда, и обмотка управления с выводами, подключенными к автономному источнику питания постоянного тока, бункер подачи исходного сыпучего материала, отличающееся тем, что в него введены включенное между одним электродом и одним концом обмотки стабилизации регулируемое сопротивление стабилизации, включенное между концами обмоток управления регулируемое сопротивление управления, задатчик параметров работы и формирующий на своих первом и втором выходах соответственно сигналы заданных величин регулируемого сопротивления стабилизации и регулируемого сопротивления управления формирователь сигналов управления, на первый двенадцатый входы которого подключены первый - двенадцатый выходы задатчика параметров работы, отрабатывающий регулируемое сопротивление стабилизации первый механизм отработки, на один вход которого подключен его выход, а на другой вход второй выход формирователя сигналов управления, отрабатывающий регулируемое сопротивление управления второй механизм отработки, на один вход которого подключен его выход, а на другой вход первый выход формирователя сигналов управления, дозатор, отрабатываемый третьим механизмом отработки, на один вход которого подключен его выход, а на другой вход первый выход задатчика параметров работы.