ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ПЛАЗМОТРОН Российский патент 1999 года по МПК H05H1/46 H05H1/30 

Изобретение относится к устройствам для получения и управления плазмой при нагреве газовых струй в плазмохимических, металлургических и других процессах.

Известны высокочастотные индукционные плазмотроны с аксиальной подачей плазмообразующего газа [1, стр. 104], в которых газ подается в разрядную камеру без организации его распределения по сечению разрядной камеры. Разряд в таких плазмотронах устойчив лишь в узком диапазоне расхода плазмообразующего газа, соответствующего размерам разрядной камеры и мощности высокочастотного электромагнитного поля, генерируемого индуктором, поэтому применение плазмотронов с аксиальной подачей ограничено в основном лабораторной практикой.

Известны высокочастотные индукционные плазмотроны, содержащие индуктор, разрядную камеру, узел коаксиального ввода плазмообразующего газа, состоящий из центрального цилиндрического сопла и коаксиального сопла, обеспечивающего "настил" газа вдоль стенок разрядной камеры [1, стр. 104,106] и образованного наружной стенкой центрального сопла и внутренней поверхностью разрядной камеры. Основной плазмообразующий газ подают через сечение разделительной трубки. Эти плазмотроны позволяют в сравнительно широких пределах регулировать мощность разряда, однако ее минимальное значение, при котором еще поддерживается разряд, довольно высоко. Стабильность работы таких плазмотронов нарушается также при больших расходах плазмообразующего газа, что связано с нарушением естественной рециркуляции плазмы [2, стр. 118-119]. При такой подаче газа также усложняется зажигание индукционного разряда, так как на время запуска плазмотрона приходится устанавливать расходы газа, отличные от расходов в рабочем режиме. В противном случае увеличивается время зажигания разряда, что сокращает срок службы плазмотрона.

Известен также плазмотрон, содержащий индуктор, разрядную камеру, узел коаксиального ввода плазмообразующего газа, выполненный в виде центрального цилиндрического сопла и коаксиального сопла [3]. В этом плазмотроне имеется также промежуточное коаксиальное сопло, расположенное между центральным цилиндрическим соплом и коаксиальным соплом. Наличие промежуточного сопла позволяет одновременно подавать в плазмотрон различные реагенты (газообразные или содержащие дисперсную фазу). Однако данный плазмотрон также имеет, в общем случае, недостатки, присущие предыдущему аналогу.

Задача, решаемая изобретением, состоит в увеличении срока службы и ресурса непрерывной работы плазмотрона, повышении его тепловой эффективности и расширении технологических возможностей за счет облегчения процесса зажигания разряда и повышения его стабильности, а также посредством подавления процесса заброса частиц перерабатываемых материалов в разрядную камеру.

Решение указанной задачи обеспечивается тем, что в ВЧИ-плазмотроне, содержащем индуктор, разрядную камеру, узел коаксиального ввода плазмообразующего газа, выполненный в виде центрального цилиндрического сопла и коаксиального сопла, между которыми расположено промежуточное коаксиальное сопло, соотношение выходных сечений сопел обеспечивает соотношение скоростей потоков плазмообразующего газа в разрядной камере с возрастанием от центрального потока к внешнему.

Коаксиальное сопло закреплено относительно промежуточного с возможностью перемещения вдоль общей продольной оси.

Соотношение выходных сечений сопел, обеспечивающее соотношение скоростей потоков плазмообразующего газа в разрядной камере с возрастанием от центрального потока к внешнему, позволяет организовать характер движения результирующего потока плазмообразующего газа в области генерации индукционного разряда, близкий к естественной рециркуляции плазмы, независимо от диаметра и высоты разрядной камеры плазмотрона. Это объясняется тем, что на выходе из коаксиальных сопел разноскоростных потоков образуется область вихревых течений, которая сохраняется на некотором удалении от выходных сечений. Наличие дополнительного потока между центральным и коаксиальным потоками, имеющего промежуточную скорость, уменьшает размеры вихревой области, возникает участок сглаженного течения спутных потоков. За счет эжекционного подсоса газа в более скоростные потоки возникает радиальная составляющая движения газа по направлению к стенкам разрядной камеры, совпадающая при достижении области разряда с направлением естественной рециркуляции плазмы, снижается скорость потока вдоль оси разрядной камеры. Наличие промежуточного потока также увеличивает долю плазмообразующего газа, циркулирующего в области генерации разряда, что увеличивает мощность, отбираемую разрядом от индуктора.

Низкая скорость потока вдоль оси разрядной камеры облегчает зажигание разряда, которое осуществляют обычно путем кратковременного введения вольфрамового или графитового стержня по оси разрядной камеры в область генерации разряда. При этом сокращается вероятность повреждений разрядной камеры, что увеличивает срок службы плазмотрона.

Близость характера движения результирующего потока плазмообразующего газа к естественной рециркуляции плазмы повышает стабильность разряда при работе на малой мощности и с большим расходом плазмообразующего газа, что расширяет технологические возможности.

Увеличение мощности, отбираемой от индуктора, повышает тепловую эффективность плазмотрона.

Работа с увеличенным расходом газа снижает возможность заброса перерабатываемых реагентов и частиц продукта обратными потоками в разрядную камеру, что повышает ресурс непрерывной работы плазмотрона.

Одна из возможных конструкций предлагаемого устройства изображена на чертеже. Плазмотрон содержит индуктор 1, водоохлаждаемую металлическую разрезную разрядную камеру 2, загерметизированную диэлектрическим кожухом 3, корпус газоводяного коллектора 4, газораспределитель 5, в котором выполнены посадочное место 6 для установки поджигающего устройства, центральное цилиндрическое сопло 7 с коллекторными отверстиями 8 и промежуточное сопло 9, образованное 24-мя отверстиями, просверленными по кольцевой линии, коаксиальной центральному соплу. На газораспределителе 5 посредством резьбы закреплено коаксиальное сопло 10, выполненное в виде полости, образованной двумя коаксиально расположенными цилиндрами с заглушенным верхним торцом и с коллекторными отверстиями 11, наружный диаметр сопла 10 выполнен с возможностью плотной посадки в разрядной камере 2. Газораспределитель 5 с помощью винтов герметично закреплен на корпусе газоводяного коллектора, образуя полость газового коллектора 12. В корпусе газоводяного коллектора 4 выполнены полость, образующая с корпусом разрядной камеры коллектор ее водяного охлаждения 13, отверстие 14 для установки штуцера подачи плазмообразующего газа, а также канал подачи охлаждающей воды в разрядную камеру (на рисунке не показан). Соотношение сечений центрального сопла 7, промежуточного сопла 9 и коаксиального сопла 10 подобрано так, что обеспечивает возрастание скоростей потоков в выходных сечениях сопел от центрального потока к внешнему.

Высокочастотный индукционный плазмотрон работает следующим образом.

Путем кратковременного введения в разрядную камеру 2 стержня поджигающего устройства, установленного в посадочное место 6, возбуждают индукционный разряд. В процессе возбуждения разряда в качестве плазмообразующего газа обычно применяют аргон. После зажигания разряда аргон плавно заменяют технологическим газом (в частности, воздухом). Плазмообразующий газ через отверстие 14 в корпусе газоводяного коллектора 4 подается в кольцевую полость коллектора 12, из коллектора через отверстия 11 газовый поток поступает в коаксиальное сопло 10, в каналы промежуточного сопла 9 и через отверстия 8 в канал центрального сопла 7, формирующего осевую составляющую плазмообразующего потока в разрядной камере 2.

Наличие промежуточного потока снижает возможность образования тока газа, противоположного линиям тока при естественной рециркуляции плазмы. Перемещение коаксиального сопла 10 по резьбе на газораспределителе 5 позволяет подобрать положение, при котором отсутствуют потоки, препятствующие естественной рециркуляции плазмы.

Испытания ВЧИ-плазмотрона предлагаемой конструкции показали его преимущество перед плазмотроном, не имеющим промежуточного сопла 9 в газораспределителе 5. Внутренний диаметр разрядной камеры составлял 60 мм. Конструкция, приведенная на чертеже, в процессе переработки раствора азотнокислой соли циркония в ультрадисперсный порошок диоксида циркония при одинаковых значениях мощности, подаваемой на индуктор, позволила повысить расход плазмообразующего газа (воздуха) с 10 м³/ч до 26 м³/ч без снижения среднемассовой температуры потока, выходящего из реактора, на котором был установлен плазмотрон. Производительность установки по расходу перерабатываемого раствора при этом повысилась в 1,5-1,6 раза.

Технико-экономический эффект при использовании устройства заключается в расширении технологических возможностей и повышении производительности в ряде технологических процессов с использованием индукционной плазмы за счет увеличения срока службы и ресурса непрерывной работы плазмотрона, повышения его тепловой эффективности, облегчения процесса зажигания разряда и повышения его стабильности, а также за счет подавления процесса заброса частиц перерабатываемых материалов в разрядную камеру.

Источники информации, использованные при составлении описания изобретения
1. Донской А.В., Клубникин B.C. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1978.-221С.

2. Рыкалин Н.Н., Сорокин Л.М. Металлургические ВЧ-плазмотроны; Электро- и газодинамика. М.: Наука, 1987.

3. Материалы заявки DE 1764479 A (МПК H 05 H 1/00), опубл. 09.03.72. 9 стр., кол 5-6., фиг.1-4.

Изобретение относится к устройствам для получения и управления плазмой при нагреве газовых струй в плазмохимических, металлургических и других процессах. В ВЧИ-плазмотроне, содержащем индуктор, разрядную камеру, узел коаксиального ввода плазмообразующего газа, выполненный в виде центрального цилиндрического сопла, коаксиального сопла и промежуточного коаксиального сопла, размещенного между центральным цилиндрическим соплом и коаксиальным соплом, соотношения выходных сечений сопел обеспечивают соотношение скоростей потоков плазмообразующего газа в разрядной камере с возрастанием от центрального потока к внешнему. Коаксиальное сопло закреплено относительно промежуточного сопла с возможностью перемещения вдоль общей продольной оси. Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является увеличение срока службы и ресурса непрерывной работы плазматрона, повышение его тепловой эффективности и расширение технологических возможностей за счет облегчения процесса зажигания разряда и повышения его стабильности, а также посредством подавления процесса заброса частиц перерабатываемых материалов в разрядную камеру. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Высокочастотный индукционный плазмотрон, содержащий индуктор, разрядную камеру, узел коаксиального ввода плазмообразующего газа, выполненный в виде центрального цилиндрического сопла, коаксиального сопла и промежуточного коаксиального сопла, размещенного между центральным цилиндрическим соплом и коаксиальным соплом, отличающийся тем, что соотношение выходных сечений сопел обеспечивает соотношение скоростей потоков плазмообразующего газа в разрядной камере с возрастанием от центрального потока к внешнему. 2. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что коаксиальное сопло закреплено относительно промежуточного с возможностью перемещения вдоль общей продольной оси.