ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 2015 года по МПК H05H1/34 B23K10/00 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к плазменной горелке, содержащей каскад (межэлектродную вставку), используемой при обработке поверхности, например, плазменном напылении с использованием высокопроизводительной плазменной обработки, обработке огнеупорных порошковых материалов и плазмохимической обработке.

Уровень техники

[0002] В общем случае электродуговая плазменная горелка непереносного типа, например, традиционно общеизвестна в технике как плазменная горелка, используемая при осуществлении обработки поверхности, например, плазменного напыления и т.д. и сварки стальных пластин. Кроме того, на участках обработки поверхности, например, плазменного напыления и т.д., обработки огнеупорных порошковых материалов и плазмохимической обработки, в настоящее время чаще всего используется плазменная горелка, которая подает рабочий газ интенсивным и вихревым образом. Кроме того, такая плазменная горелка сконфигурирована так, что рабочий газ поступает в относительно короткий электроразрядный канал, и генерируется турбулентная плазменная струя (например, PlazJet: зарегистрированный товарный знак/TAFA Corporation, 100HE Axial Feed Liquid Precursor Plasma Spray (зарегистрированный товарный знак)/Progressive Surface Corporation, F4, F8, 9MB (зарегистрированный товарный знак)/SULZER METCO Corporation, и т.д.).

[0004] Кроме того, предложенная плазменная горелка содержит катод, анод и каскад, предусмотренный между катодом и анодом, причем катод, анод и каскад изолированы друг от друга и сконфигурированы с индивидуальным водяным охлаждением (см., например, патентный документ 1). Согласно плазменной горелке, раскрытой в патентном документе 2, предусмотрены анодный газ и катодный газ, проходящий через катод. Кроме того, плазменная горелка, раскрытая в патентном документе 2, сконфигурирована так, что электрическое напряжение подается между катодом и анодом, и генерируется плазма. Согласно плазменной горелке, раскрытой в патентном документе 2, предусмотрен каскад. В результате расстояние между катодной точкой на катоде и анодной точкой на аноде увеличивается. Следовательно, электрическое напряжение повышается, и облегчается формирование (псевдо) ламинарной плазменной струи.

[Патентный документ 1] Японская патентная заявка, не прошедшая экспертизу, первая публикация № 2010-82697.

Раскрытие изобретения

Задачи изобретения

[0005] Однако традиционная плазменная горелка, сконфигурированная вышеописанным образом, имеет следующие недостатки:

(1) Турбулентная плазменная струя вытекает из формирующего сопла, образуя вихрь. Поскольку турбулентная плазменная струя активно смешивается с окружающей, низкотемпературной атмосферой, турбулентная плазменная струя быстро теряет свою энтальпию. В результате длина зоны, в которой металлический лист и порошок и т.п. могут эффективно нагреваться, не более чем от пяти до семи раз превышает длину измерения внутреннего диаметра сопла в осевом направлении формирующего сопла. Этого недостаточно для эффективной обработки частицы при обработке огнеупорного порошкового материала (например, оксидов, карбидов, нитридов и пр.). Дело в том, что участок, подлежащий обработке, подвергается воздействию высокотемпературной сердцевины струи, в течение короткого периода времени. Согласно последовательности технического процесса для осуществления обработки поверхности необходимо, чтобы плазменная струя была низкоскоростной, малошумной, относительно длинной (т.е. большей или равной 150 мм) и имела большой диаметр.

[0006] (2) Когда частица с низкой теплопроводностью (например, Al₂O₃, ZrO₂ и т.д.) остается в области плазменной струи, так что температура газа удовлетворяет условию T>Tmp (Tmp обозначает температуру плавления материала), и время, в течение которого частица с низкой теплопроводностью остается в области плазменной струи, недостаточно, частица, которая не полностью расплавлена, может оказываться на периферии плазменной струи. В то же время такая частица (частица с низкой теплопроводностью), которая не полностью расплавлена, может испаряться в приосевой зоне плазменной струи. В результате возникает проблема, состоящая в том, что теплообмен между плазмой и частицей уменьшается, и, таким образом, эффективность силовой обработки снижается.

[0007] (3) Когда температурный градиент и/или скорость в радиальном направлении турбулентного потока газа слишком велики, существует высокая вероятность того, что появится частица, которая полностью не расплавлена, или частица, которая расплавлена лишь частично.

[0008] (4) Когда частота спектра турбулентной пульсации приблизительно 1-5 кГц, обусловленная крупномасштабным дуговым шунтированием, добавляется к внутреннему скоростному или температурному градиенту плазменной струи, генерируется значительная величина несоответствия в отношении скорости частицы и температуры локальной части и поперечного сечения плазменной струи. В результате характеристикам конечного продукта недостает однородности.

[0009] (5) Согласно традиционной плазменной горелке, контакт дуги с поверхностью анода ограничен. Следовательно, поле температур и скоростей истекающей плазменной струи становится неосесимметричной. Для решения этой проблемы обычно увеличивают величину вихревой силы рабочего газа. В результате пятно дуги вращается на поверхности анода. Однако, когда скорость течения рабочего газа мала, т.е. при малом числе Рейнольдса, не удается получить вихревой эффект, обусловленный давлением газа. Таким образом, вышеозначенное решение увеличения величины вихревой силы рабочего газа не удается эффективно применять. Другое решение состоит в установке соленоида, покрывающего анод, таким образом, в применении электромагнитного вихреобразования. Однако, когда применяется это решение, конструкция плазменной горелки существенно усложняется, тогда как вышеописанные проблемы не получают адекватного решения.

[0010] (6) Когда плазменная струя закручивается, значительное количество частиц движется к внешней периферийной части плазменной струи. Таким образом, эффективность нагрева частицы снижается. Кроме того, поскольку вихревая плазменная струя обычно турбулентна, длина плазменной струи относительно коротка.

[0011] (7) Вследствие турбулентности плазменного потока, уровень шума чрезвычайно повышается. Уровень шума может составлять 120-130 дБ.

[0012] Настоящее изобретение призвано решать каждую из вышеописанных проблем. Другими словами, настоящее изобретение призвано обеспечить плазменную горелку, содержащую каскад (электрически изолированную межэлектродную вставку) между катодом и анодом. Плазменная горелка может осуществлять обработку поверхности, например, плазменное напыление, с использованием высокопроизводительной плазменной обработки, обработки огнеупорных порошковых материалов и плазмохимической обработки и т.д., с высокой степенью эффективности.

Пути решения проблем

[0013] Авторы настоящего изобретения тщательно проанализировали пути решения рассмотренных выше проблем. Прежде всего, в качестве одного из решений поставленных выше проблем авторы изобретения предлагают способ генерации длинной плазменной струи, которая является квазиламинарным потоком (с малой скоростью течения), имеющей высокую энтальпию. Способ также предусматривает генерацию длинной плазменной струи. Поскольку газ струи движется вихревым образом, величина потока ограничивается наименьшим возможным значением. В этом случае предполагается, что величины потока достаточно, чтобы дуга могла контактировать с анодом стабильным образом. При этом, в результате вязкой диссипации, вращательный элемент скорости газа ограничивается маршрутом разряда. Кроме того, на формирующем выходе плазменной горелки количество холодного газа, примешивающегося из окружающей атмосферы, значительно снижается.

[0014] В то же время плазменная горелка содержит каскад (межэлектродную вставку). Это позволяет решить почти все вышеописанные проблемы. В этом случае длина электрической дуги значительно больше, чем в плазменной горелке “самостабилизирующегося типа”. Предполагая, что все остальные условия неизменны, выходная мощность плазменной струи возрастает не вследствие увеличения электрического тока, а вследствие увеличения электрического напряжения дуги. Кроме того, поскольку плазменная горелка сконфигурирована так, что высокоэлектропроводный газ отдельно поступает в промежуток между каскадом и анодом, можно предотвратить ограничение контакта дуги с поверхностью анода. В этом случае, поскольку степень контакта дуги с поверхностью равномерно распределена, плазменная струя становится осесимметричной на формирующем выходе сопла выброса.

[0015] Согласно важному техническому аспекту обработки материалов, желательно, чтобы плазменная струя была достаточно длинной, и чтобы диаметр поперечного сечения плазменной струи был велик. Обычно диаметр выбрасываемой плазменной струи определяется маршрутом электрической дуги, а также внутренним диаметром формирующего сопла. При малой величине потока рабочего газа плазменной горелки проблематично увеличить диаметр плазменной струи. Дело в том, что увеличение диаметра плазменной струи противоречит различным аспектам, например, стабилизации плазменной струи в широком диапазоне, поддержанию однородной температуры рабочего газа плазменной горелки и поддержанию однородного распределения скоростей поперечного сечения рабочего газа плазменной горелки. Таким образом, насколько известно авторам настоящего изобретения, усовершенствование электродуговой плазменной горелки никогда не оценивалось для решения вышеописанных проблем.

[0016] Согласно общеизвестным плазменным горелкам, установленным на всех коммерчески доступных сварочных устройствах, длина плазменной дуги относится к “самостабилизирующемуся типу”. Длина плазменной дуги фиксируется ступенью, в направлении которой диаметр уменьшается от катода к аноду. По сравнению с вышеописанными традиционными плазменными горелками, плазменная горелка согласно настоящему изобретению обладает, например, следующими преимуществами:

(1) Между катодом и анодом предусмотрен каскад (межэлектродная вставка). В результате выходная мощность плазменной горелки обеспечивается не за счет увеличения электрического тока, а за счет увеличения электрического напряжения дуги. В результате срок службы каждого из электродов, т.е. катода и анода, заметно увеличивается.

[0017] (2) Поскольку предусмотрен каскад, степень крупномасштабных пульсаций длины плазменной дуги можно значительно уменьшить. Следовательно, флуктуацию выходной мощности выбрасываемой плазменной струи можно снизить на один порядок и более.

[0018] (3) Плазменная дуга контактирует с поверхностью анода, как если бы плазменная дуга была распределенной. Следовательно, поле температур и скоростей плазменной струи становится осесимметричным. Кроме того, можно снизить степень пульсации электрического напряжения и выходной мощности дуги.

[0019] (4) В соответствии с потребностями специализированной обработки, воздух используется в качестве плазмообразующего газа. Это позволяет значительно сократить затраты, необходимые для осуществления процедуры с использованием плазменной технологии. Кроме того, можно значительно сократить период окупаемости оборудования.

[0020] (5) Квазиламинарную плазменную струю можно использовать как концентрированный источник тепла. В этом случае эффективность нагрева поверхности может заметно превышать 90%. Кроме того, при напылении керамического порошка с низкой теплопроводностью также можно повысить эффективность термического напыления.

[0021] Настоящее изобретение сделано согласно вышеизложенным соображениям. Настоящее изобретение использует описанные ниже конфигурации.

[0022] В частности, плазменная горелка согласно настоящему изобретению является плазменной горелкой каскадного типа, содержащей каскад между катодом и анодом. Плазменная горелка генерирует плазменную струю посредством подачи электрического напряжения между катодом и анодом. При этом катод содержит медную часть основного тела, содержащую конструкцию водяного охлаждения и стержневидный вольфрамовый отрицательный электрод, вставленный в медную часть основного тела. Между катодом и каскадом дополнительно предусмотрена направляющая деталь. Направляющая деталь электрически изолирована от катода и анода. Направляющая деталь также содержит конструкцию водяного охлаждения. Между направляющей деталью и анодом предусмотрен каскад. Каскад содержит либо единичный компонент, имеющий внутреннюю область, расширяющуюся множественными ступенями в сторону анода, либо множество компонентов, электрически изолированных друг от друга. Каскад электрически изолирован от катода и анода. Каскад сконфигурирован как межэлектродная вставка, содержащая конструкцию водяного охлаждения. Анод является медным компонентом, содержащим конструкцию водяного охлаждения. Плазменная горелка дополнительно содержит формирующее сопло, присоединенное таким образом, что оно электрически изолировано от анода. Внутренняя область формирующего сопла расширяется множественными ступенями по направлению к аноду. Формирующее сопло также содержит конструкцию водяного охлаждения. Плазменная горелка дополнительно содержит модуль боковой защиты, препятствующий притоку газа из окружающей среды за счет генерации коаксиальной, кольцевой и низкоскоростной защитной газовой струи, таким образом, препятствующий поступлению кислорода в формирующее сопло и плазменную струю, выбрасываемую из формирующего сопла.

[0023] Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: диаметр D_cathode наконечника отрицательного электрода, предусмотренного на катоде, соответствует уравнению (1) {D_cathode=2+[(I-100)/100] (мм)}. В уравнении (1), [x] - целая часть x, выражения, заключенного в скобки. I - электрический ток дуги (А) в пределах 100≤I≤400 (А).

[0024] Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: диаметр D_pilot части центрального отверстия направляющей детали и диаметр D_cathode наконечника отрицательного электрода, предусмотренного на катоде, соответствуют уравнению {D_pilot>D_cathode}.

Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: предусмотрен перепускной канал в обход центрального отверстия, предусмотренного в направляющей детали. Рабочий газ для генерации плазмы проходит со стороны катода в сторону каскада за счет прохождения через по меньшей мере одно из центрального отверстия или перепускных каналов.

[0025] Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: ширина h={(D_pilot-D_cathode)/2} зазора между направляющей деталью и отрицательным электродом, предусмотренным на катоде, соответствует уравнению (2) {2G_w/[ρ_w(D_pilot-D_cathode)u_w,sound]<h} и уравнению (3) {h<2G_w/πμ_wRe_crit-D_cathode/2}. При этом минимальное значение ширины h зазора является таким значением, что средняя массовая скорость рабочего газа плазменной горелки, присутствующего в кольцевом зазоре между отрицательным электродом и направляющей деталью, меньше скорости звука плазмообразующего газа при начальной температуре. Кроме того, максимальное значение ширины h зазора является таким значением, что при заранее определенном массовом расходе G_w рабочего газа плазменной горелки число Рейнольдса Re={4G_w/πD_pilotμ_w}, соответствующее состоянию рабочего газа плазменной горелки на входе направляющей детали, меньше критического числа Рейнольдса Re_crit=2100. Критическое число Рейнольдса это значение, при котором поток газа внутри трубы переходит в турбулентное состояние.

[0026] Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: каскад содержит множество компонентов. Между каждым из множества компонентов и между каскадом и катодом и анодом предусмотрены уплотнительное кольцо и изолирующее керамическое кольцо. Промежуток между каждым из множества компонентов и промежуток между каскадом и катодом и анодом соединены, будучи при этом электрически изолированы.

[0027] Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: диаметр каскада последовательно возрастает одной или более ступенями со стороны направляющей детали в сторону анода. Длина L_i (мм) каждой ступени в направлении выброса плазменной струи соответствует уравнению {5≤L_i(мм)≤15}.

Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: диаметр каскада последовательно возрастает одной или более ступенями в сторону анода. Когда длина i-ой позиции каскада со стороны направляющей детали в направлении выброса плазменной струи представлена как L_i (мм) и размер ступени в радиальном направлении представлен как Δr_i (мм), L_i (мм) и Δr_i (мм) в каждой из ступеней соответствуют уравнению {4,5≤L_i/Δr_i≤15}.

Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: межэлектродная длина (между наконечником катода и входом анода) L между наконечником отрицательного электрода, предусмотренным на катоде, и наконечником анода со стороны каскада соответствует уравнению {50≤L(мм)≤150}.

[0028] Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: анод содержит проточный канал, содержащий канал подвода плазмы, цилиндрический проточный канал и гладкую внутреннюю стенку. Канал подвода плазмы соединен с выходной стороной каскада и содержит конический участок, сужающийся от входной стороны к выходной стороне. Цилиндрический проточный канал соединен с каналом подвода плазмы и стабилизирует плазму благодаря тому, что имеет одинаковый диаметр к выходной стороне. Кроме того, внутренний диаметр D_anode цилиндрического проточного канала анода и диаметр D_pilot части центрального отверстия направляющей детали соответствуют уравнению {1,5≤D_anode/D_pilot≤2,8}.

[0029] Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: суммарный массовый расход газа G_total соответствует уравнению (4) {100≤Re_total≤500} и уравнению (5) {0,15G_total≤G_anode≤0,3G_total}. При этом Re_total (= 4G_total/πD_anodeμ) в уравнении (4) и уравнении (5) обозначает число Рейнольдса, вычисленное в поперечном сечении выходной стороны анода. G_total в обобщенном уравнении (6) { $$G_{total}={\displaystyle \sum _j{G}_j}$$ } обозначает суммарный массовый расход газа (в граммах в секунду) j-го элемента газовой смеси, содержащейся в плазме и анодном защитном газе G_j.

[0030] Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: газовая смесь, содержащаяся в плазме, такова, что максимальное значение относительного массового расхода каждого из аргона, азота и водорода соответствует первому уравнению {G_Argon/G_Nitrogen=0,4} и второму уравнению {G_Hydrogen/G_Nitrogen=0,04}.

Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: формирующее сопло, содержащее конструкцию водяного охлаждения, содержит внутреннюю область, имеющую такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает со стороны анода к формирующему выходу, причем формирующее сопло соединено с анодом, будучи при этом электрически изолировано от него.

[0031] Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: отношение между внутренним диаметром D_exit на выходе формирующего сопла и внутренним диаметром D_anode цилиндрического проточного канала анода соответствует уравнению {1,5≤D_exit/D_anode≤2,5}.

Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: диаметр формирующего сопла последовательно возрастает на протяжении одной или более ступеней по направлению к формирующему выходу. Когда длина i-ой позиции формирующего сопла со стороны анода в направлении выброса плазменной струи представлена как L_Ni (мм), и размер ступени в радиальном направлении представлен как Δr_i (мм), L_Ni (мм) и Δr_i (мм) соответствуют уравнению {5≤L_Ni/Δr_i≤10}. При этом выполняется {1≤i≤M-1} неравенство, где M - количество ступеней.

[0032] Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: модуль боковой защиты использует газ, по меньшей мере один из газообразного аргона и газообразного азота или их газовой смеси, выбрасываемый из множества каналов, которые образуют кольцо вокруг плазменной струи и размещены коаксиально и осесимметрично, в качестве защитной газовой струи.

[0033] Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: внутренняя область каскада имеет такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает множеством ступеней в сторону анода. При этом количество ступеней составляет от четырех до десяти.

Кроме того, вышеописанная плазменная горелка может быть сконфигурирована следующим образом: внешний диаметр участка катода, каскада, анода и формирующего сопла, имеющего наибольший диаметр, меньше или равен 70 мм. Кроме того, максимальная длина, объединяющая длину катода, длину каскада, длину анода и длину формирующего сопла, меньше или равна 300.

Результаты изобретения

[0034] Согласно плазменной горелке на основе настоящего изобретения, между катодом и анодом предусмотрен каскад. Каскад является межэлектродной вставкой. Кроме того, каскад имеет такую конструкцию, что диаметр внутренней области каскада последовательно возрастает от катодной стороны каскада к анодной стороне каскада. Согласно настоящему изобретению, предусмотрен каскад, имеющий вышеописанную конструкцию. В результате выходную мощность плазменной горелки можно получить за счет увеличения электрического напряжения дуги, а не за счет увеличения электрического тока. Таким образом, можно увеличить срок службы каждого из электродов, т.е. катода и анода. Кроме того, поскольку внутренняя область каскада выполнена в такой форме, что диаметр каскада последовательно возрастает, во внутренней области каскада создается квазиламинарный поток плазмы. Следовательно, можно снизить флуктуацию выходной мощности плазменной струи. Кроме того, можно снизить затраты на эксплуатацию и обработку. Следовательно, можно получить плазменную горелку, которая может осуществлять обработку поверхности, с использованием высокопроизводительной плазмы, с высокой степенью эффективности.

Краткое описание чертежей

[0035] Фиг.1 - вид в разрезе, демонстрирующий конструкцию плазменной горелки согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2A - вид в разрезе, демонстрирующий конструкцию плазменной горелки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.2A показано состояние, в котором рабочий газ плазменной горелки втекает из центрального отверстия направляющей детали в сторону каскада.

Фиг.2B - вид в разрезе, демонстрирующий конструкцию плазменной горелки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.2B показано состояние, в котором рабочий газ плазменной горелки втекает из перепускного канала и центрального отверстия направляющей детали в сторону каскада.

Фиг.2C - вид в разрезе, демонстрирующий конструкцию плазменной горелки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.2C показано состояние, в котором рабочий газ плазменной горелки втекает в сторону каскада, когда угол наклона оси, показанного на фиг.2B, перепускного канала от осевого направления плазменной горелки равен α/2 градусов.

Фиг.3 - вид в разрезе, демонстрирующий конструкцию плазменной горелки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.3 показан каскад, содержащий множество компонентов, электрически изолированных друг от друга.

Фиг.4 - вид в разрезе, демонстрирующий конструкцию плазменной горелки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.4 показан анод, который является положительным электродом, и формирующее сопло, которое предусмотрено электрически изолированным от анода.

Фиг.5A - вид в разрезе, демонстрирующий конструкцию плазменной горелки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.5A показан пример формирующего сопла, которое предусмотрено электрически изолированным от анода. Формирующее сопло, показанное на фиг.5A, содержит внутреннюю область, имеющую такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает с множеством обращенных назад ступеней. В результате диаметр поперечного сечения выбрасываемой плазменной струи увеличивается.

Фиг.5B - вид в разрезе, демонстрирующий конструкцию плазменной горелки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.5B показан пример формирующего сопла, которое предусмотрено электрически изолированным от анода. Формирующее сопло, показанное на фиг.5B, содержит внутреннюю область, имеющую такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает с множеством обращенных назад ступеней. В результате диаметр поперечного сечения выбрасываемой плазменной струи увеличивается.

Фиг.5C - вид в разрезе, демонстрирующий конструкцию плазменной горелки согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.5C показан пример формирующего сопла, которое предусмотрено электрически изолированным от анода. Формирующее сопло, показанное на фиг.5C, содержит внутреннюю область, имеющую такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает с множеством обращенных назад ступеней. В результате диаметр поперечного сечения выбрасываемой плазменной струи увеличивается.

Фиг.6A - схема, демонстрирующая плазменную горелку согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.6A показана линия потока защитной газовой струи (газа боковой защиты) в зоне вблизи формирующего сопла, в том числе линия внутреннего потока и линия внешнего потока. Линия потока, показанная на фиг.6A, начинается с кольцевой прорези в радиальном направлении плазменной горелки.

Фиг.6B - схема, демонстрирующая плазменную горелку согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.6B показано низкоскоростное векторное поле потока газа боковой защиты, выбрасываемого из кольцевой прорези.

Перечень ссылочных позиций

[0036] 100 - плазменная горелка

1 - катод (совокупность отрицательных электродов)

11 - основное тело

12 - отрицательный электрод

12a - наконечник

13 - канальная конструкция, включающая в себя конструкцию водяного охлаждения

2, 2A, 2B - направляющая деталь

22 - центральное отверстие

24, 24a, 24b - перепускной канал

3 - каскад (межэлектродные вставки, электрически изолированные друг от друга)

3A, 3B, 3C, 3D, 3E - компонент (каскад)

3a - вход

3b - выход

31 - внешнее боковое изолирующее тело

32 - внутреннее боковое изолирующее тело

33 - конструкция водяного охлаждения

34 - уплотнительное кольцо

35 - изолированное керамическое кольцо

4 - анод

4a - торцевая часть (вход)

4b - выход

4A - проточный канал

41 - канал подвода плазмы

41a - коническая часть

42 - круглый проточный канал

43 - корпус анода

43a - газовый вход

44 - вихревое кольцо

45 - медный положительный электрод

46 - изолирующее кольцо

5 - формирующее сопло (формирующее сопло, содержащее электрически изолированную внутреннюю область, имеющую такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает)

5a - торцевая часть

51 - формирующий выход

52 - ступень

53 - формирующая торцевая поверхность

6 - модуль боковой защиты

62 - прорезь для газа (кольцевая прорезь для газа)

A - катодный газ (рабочий газ плазменной горелки)

B - анодный газ (рабочий газ плазменной горелки)

C - плазмообразующий газ

D - плазменная струя

E - струя боковой защиты (газ боковой защиты)

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

[0037] Далее, вариант осуществления плазменной горелки согласно настоящему изобретению описан со ссылкой на фиг.1-6. Нижеследующий вариант осуществления описан подробно для облегчения понимания сущности настоящего изобретения. Таким образом, нижеследующее описание никоим образом не ограничивает настоящее изобретение, если не указано обратное.

[0038] Согласно фиг.1, плазменная горелка 100 согласно настоящему варианту осуществления является плазменной горелкой каскадного типа. Плазменная горелка 100 сконфигурирована так, что каскад 3 предусмотрен как межэлектродная вставка между катодом 1 и анодом 4. Согласно плазменной горелке 100, плазменная струя формируется посредством подачи электрического напряжения между катодом 1 и анодом 4.

[0039] Как показано на фиг.2A, 2B и 2C, катод 1 содержит медную часть 11 основного тела и отрицательный электрод 12. Часть 11 основного тела содержит канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию 13 водяного охлаждения (конструкция водяного охлаждения). Отрицательный электрод 12 является стержневидным, включает в себя вольфрам и вставлен в часть 11 основного тела. Кроме того, катод 1, проиллюстрированный на фиг.2A, 2B и 2C, содержит газовый вход 1a, через который нагнетается катодный газ (рабочий газ плазменной горелки) A. Катод 1 сконфигурирован так, что часть 11 основного тела закреплена в держателе 10 горелки.

[0040] Кроме того, как показано на фиг.1, 2 между катодом 1 и каскадом 3 предусмотрена направляющая деталь. Направляющая деталь 2 электрически изолирована от катода 1 и анода 4. Направляющая деталь 2 также содержит конструкцию водяного охлаждения, которая не показана. Согласно примеру, показанному на фиг.2A, 2B и 2C, направляющая деталь 2 закреплена в держателе 10 горелки, как в случае катода 1.

[0041] Каскад 3 располагается между направляющей деталью 2 и анодом 4. Каскад 3 содержит либо единичный компонент, содержащий внутреннюю область, расширяющуюся последовательно на протяжении множественных ступеней в сторону анода 4, либо множество компонентов, электрически изолированных друг от друга. Согласно примеру, показанному на фиг.1, каскад 3 содержит пять компонентов 3A-3E. Каскад 3 электрически изолирован от катода 1, направляющей детали 2 и анода 4. Кроме того, каскад 3 сконфигурирован как межэлектродная вставка, содержащая канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию 33 водяного охлаждения. Кроме того, согласно каскаду 3, проиллюстрированному на фиг.3, периметр тела сконфигурирован в виде цилиндра, содержащего внешнее боковое изолирующее тело 31 и внутреннее боковое изолирующее тело 32. Промежуток, предусмотренный между внешним боковым изолирующим телом 31 и компонентами 3A-3E, сконфигурирован как канальная конструкция, включающая в себя конструкцию 33 водяного охлаждения, охлаждаемую проточной водой. Кроме того, между всеми компонентами 3A-3E предусмотрены уплотнительное кольцо 34 и изолированное керамическое кольцо 35. Уплотнительное кольцо 34 предусмотрено на внешней стороне, а керамическое кольцо 35 предусмотрено на внутренней стороне. Уплотнительное кольцо 34 и керамическое кольцо 35 соединены так, что каждый из компонентов 3A-3E изолирован.

[0042] Каскад 3 сконфигурирован так, что катодный газ (рабочий газ плазменной горелки) A втекает со стороны входа 3a, смешивается с анодным газом (рабочим газом плазменной горелки) B во внутренней области, генерирует плазму в качестве плазмообразующего газа C и может выбрасываться со стороны выхода 3b.

[0043] Кроме того, согласно настоящему варианту осуществления, возможна конфигурация, в которой уплотнительное кольцо 34 и изолированное керамическое кольцо 35 также предусмотрены между каскадом 3, катодом 1 (направляющей деталью 2) и анодом 4. Согласно примеру, показанному на фиг.3, уплотнительное кольцо 34 и изолированное керамическое кольцо 35 предусмотрены на стороне катода 1A (стороне направляющей детали 2) компонента 3A.

[0044] Как описано выше, каскад 3 согласно настоящему варианту осуществления сконфигурирован как межэлектродная вставка, содержащая множество компонентов 3A-3E, которые электрически изолированы друг от друга. В то же время каскад 3 сконфигурирован электрически изолированным между катодом 1 (направляющей деталью 2) и анодом 4. Когда рабочее напряжение, подаваемое на плазменную горелку, возрастает, например, количество компонентов каскада 3, имеющего вышеописанную конфигурацию, может увеличиваться. Таким образом, каскад 3 можно возбуждать более высоким электрическим напряжением путем увеличения количества ступеней в конфигурации.

[0045] Анод 4 представляет собой медную деталь, содержащую канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию 43 водяного охлаждения. Кроме того, плазменная горелка 100 согласно настоящему изобретению содержит формирующее сопло 5. Формирующее сопло 5 соединено с анодом 4, будучи при этом электрически изолированным от анода 4. Форма внутренней области формирующего сопла 5 расширяется множественными ступенями к противоположной стороне анода 4. Кроме того, формирующее сопло 5 содержит непоказанную конструкцию водяного охлаждения.

[0046] Анод 4 соединен, как показано на фиг.1, поэтому торцевая часть 4a электрически изолирована от выхода 3b каскада 3. Кроме того, анод 4, показанный на схеме, содержит проточный канал 4A, содержащий канал 41 подвода плазмы и круглый проточный канал 42. Канал 41 подвода плазмы содержит коническую часть 41a, которая плавно сужается в сторону выхода 4b. Круглый проточный канал 42 стабилизирует плазму за счет того, что соединен с каналом 41 подвода плазмы, и за счет того, что имеет один и тот же диаметр в сторону выхода 4b. Кроме того, в канале 41 подвода плазмы предусмотрено вихревое кольцо 44 в позиции, соединяющей с выходом 3b каскада 3. Кроме того, на выходе 4b предусмотрено изолирующее кольцо 46, соединяющее с формирующим соплом 5. Анод 4 содержит вход 43a, через который поступает анодный газ B. Этот вход 43a соединен с каналом 41 подвода плазмы.

[0047] Согласно фиг.4, торцевая часть 5a формирующего сопла 5 соединена с выходной стороной 4b анода 4 через изолирующее кольцо 46, благодаря чему, формирующее сопло 5 электрически изолировано от анода 4. Формирующее сопло 5 содержит внутреннюю область, последовательно расширяющуюся множественными ступенями 52. Таким образом, формирующее сопло 5 сконфигурирован так, что плазменная струя D может формироваться стабильным образом, будучи выбрасываема из формирующего выхода 51. Согласно примеру, показанному на фиг.4, формирующее сопло 5 содержит обращенную назад ступень, содержащую две ступени 52.

[0048] Плазменная горелка 100 содержит модуль 6 боковой защиты (см. фиг.6A, 6B), который генерирует защитную газовую струю (газ боковой защиты) E, которая является коаксиальной, кольцевой и низкоскоростной. Таким образом, предотвращается приток газа из окружающей среды. Следовательно, также предотвращается примешивание кислорода в начальную зону плазменной струи, вытекающей из формирующего сопла 5. Модуль 6 боковой защиты, проиллюстрированный на фиг.6A и 6B, содержит выпускное сопло (непоказанное) и кольцевую прорезь 62 для газа, сформированную на формирующей торцевой поверхности 53 формирующего сопла 5. Модуль 6 боковой защиты сконфигурирован так, что защитная газовая струя E, поступающая из выпускного сопла (непоказанного), течет в прорезь 62 для газа, в то же время рассеиваясь по формирующей торцевой поверхности 53 формирующего сопла 5. Кроме того, модуль 6 боковой защиты сконфигурирован так, что часть защитной газовой струи E распределяется по формирующей торцевой поверхности 53 формирующего сопла 5, втекает через формирующий выход 51 во внутреннюю область, выполненную в форме множественных ступеней, и достигает позиции ступени 52 вблизи входа, что более подробно описано ниже.

[0049] Как описано выше, плазменная горелка 100 согласно настоящему варианту осуществления содержит катод 1, каскад 3 и анод 4. Кроме того, между катодом 1 и каскадом 3 предусмотрена направляющая деталь 2. Кроме того, на выходной стороне анода 4 предусмотрено формирующее сопло 5. Кроме того, промежуток между всеми этими компонентами электрически изолирован, и каждый из компонентов имеет индивидуальное водяное охлаждение.

[0050] Внутренняя область каскада 3 плазменной горелки 100 согласно настоящему изобретению выполнена в такой форме, что диаметр внутренней области последовательно возрастает со стороны катода 1 в сторону анода 4. Катодный газ (рабочий газ плазменной горелки) A и анодный газ (рабочий газ плазменной горелки) B поступают через каскад 3, предусмотренный между катодом 1 и анодом 4. Плазма генерируется посредством подачи электрического напряжения между катодом 1 и анодом 4.

[0051] Каскад 3, предусмотренный в плазменной горелке 100 согласно настоящему изобретению, сконфигурирован иначе, чем в традиционных плазменных горелках. Согласно настоящему изобретению, предусмотрен каскад 3. В результате расстояние между точкой отрицательного электрода на катоде 1 и точкой положительного электрода на аноде 4 увеличивается. В результате электрическое напряжение повышается. Кроме того, облегчается формирование квазиламинарной плазменной струи.

[0052] Согласно плазменной горелке 100 на основе настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы диаметр D_cathode наконечника 12a отрицательного электрода 12, предусмотренного в катоде 1, соответствовал следующему уравнению (1).

D_cathode=2+[(I-100)/100) (мм) (1)

При этом в вышеприведенном уравнении (1), [x] обозначает целую часть x (в скобках). Кроме того, I представляет электрический ток дуги (А) и находится в пределах 100≤I≤400 (А).

Диаметр D_cathode наконечника 12a отрицательного электрода 12 соответствовал вышеприведенному уравнению (1). В результате можно получить стабилизированный электрический разряд. Следовательно, дополнительно можно генерировать стабилизированную плазму.

[0053] Кроме того, согласно плазменной горелке 100 на основе настоящего изобретения, независимо от того, применяется ли вторая конфигурация (см. направляющую деталь 2, подробно описанную ниже) для перераспределения (перепуска) массового расхода G_w катодного газа (рабочего газа плазменной горелки) A в два потока, предпочтительно, например, чтобы диаметр D_pilot центрального отверстия 22 направляющей детали и диаметр D_cathode наконечника 12a отрицательного электрода 12, предусмотренного в катоде 1, соответствовали следующему неравенству: {D_pilot>D_cathode}. Когда вышеприведенное неравенство выполняется, катодный газ A течет стабильным образом в сторону направляющей детали 2 (в сторону каскада 3). Кроме того, можно получить более стабильный электрический разряд. Следовательно, можно сформировать более стабильную плазму.

[0054] Кроме того, плазменная горелка 100 согласно настоящему изобретению может быть сконфигурирована таким образом, чтобы вокруг центрального отверстия 22, предусмотренного в направляющей детали 2, согласно фиг.2B и 2C, был предусмотрен перепускной канал 24 (24a, 24b). Согласно этой конфигурации, катодный газ (рабочий газ плазменной горелки) A, используемый для генерации плазмы, течет в сторону каскада 3 со стороны катода 1, за счет прохождения через по меньшей мере центральное отверстие 22 или перепускной канал 24. В этой связи, согласно примеру, показанному на фиг.2B, перепускной канал 24a предусмотрен приблизительно параллельным центральному отверстию 22. В примере, показанном на фиг.2C, перепускной канал 24b проходит под заранее определенным углом относительно центрального отверстия 22.

[0055] Согласно настоящему изобретению, можно делить расход катодного газа A на две части с использованием направляющей детали 2A и 2B, содержащей перепускной канал 24a, 24b, в порядке альтернативы направляющей детали 2. Перепускной канал 24a, 24b, используемый в этом случае, сконфигурирован, как описано выше, либо как канал подачи газа, параллельный центральному отверстию 22, который является каналом электрической дуги (см. ссылочную позицию 24a на фиг.2B); либо как канал подачи газа, имеющий заранее определенный угол (α/2°) (см. ссылочную позицию 24b на фиг.2C). Согласно такой конфигурации, расход катодного газа A перераспределяется в два потока. Один из потоков (именуемый здесь для наглядности “первым потоком”) имеет массовый расход G_w и направлен к оси r=0. После этого первый поток истекает в сторону каскада 3 за счет прохождения через центральное отверстие 22 направляющей детали 2. При этом диаметр центрального отверстия 22 равен D_pilot. Затем другой поток (именуемый здесь для наглядности “вторым потоком”) имеет массовый расход G_w1. Второй поток проходит через множество перепускных каналов 24 (24a, 24b), каждый из которых является круглым и имеет диаметр D_bh. Затем второй поток истекает из зазора между направляющей деталью 2 и каскадом 3. В этом случае относительный массовый расход G_w1/G_w приблизительно определяется согласно нижеследующему общему уравнению (7).

$$G_{w1}/G_w\cong \min (S_{bh},S_g)/[\min (S_{bh},S_g\}+S_0]$$ (7)

[0056] При этом в вышеприведенном общем уравнении (7) каждая переменная представляет следующее.

S_bh=πD_h ²n: суммарная площадь множества перепускных каналов

D_h: диаметр перепускного канала

n: количество используемых каналов

S_g=πD_IEI,1h_g: площадь выхода зазора

D_{IEI, 1}: внутренний диаметр первого участка каскада

h_g: ширина зазора

S₀=πD_pilot ²/4: площадь центрального отверстия направляющей детали.

[0057] Как и в вышеописанной конфигурации, когда катодный газ A перераспределяется с использованием каждого отверстия, предусмотренного на направляющей детали 2, в начальной зоне электрической дуги генерируется маломасштабная турбулентность. В результате возрастает электрическое напряжение дуги, и возрастает выходная мощность плазменного потока.

[0058] Внутренний диаметр D_pilot направляющей детали 2 можно определить на основании описанных ниже соображений.

Во-первых, невозможно сконфигурировать внутренний диаметр D_pilot меньшим диаметра D_cathode стержневидного отрицательного электрода 12. Другими словами, должно выполняться неравенство {D_pilot>D_cathode}.

Во-вторых, минимальный внутренний диаметр D_pilot,min направляющей детали должен быть таким, что, когда расход катодного газа (рабочего газа плазменной горелки) A находится в заранее определенном диапазоне, предотвращается замедление потока, поступающего во вставной участок направляющей детали, на входном отверстии.

[0059] Кроме того, длина L_pilot направляющей детали 2 соответствует двойному неравенству {L_pilot,max≥L_pilot≥L_pilot,min}. При этом L_pilot,min представляет длину трубы, достаточно длинной для формирования адекватно развитого потока при зажигании плазмы. При этом адекватно развитый поток, как описано здесь, представляет собой поток, способный стабилизировать струю дуги, вытекающую из вставного участка направляющей детали. Обычно выполняется следующее неравенство: {L_pilot,min/D_pilot≥1}

[0060] При этом значение L_pilot,max - это максимальное значение длины трубы направляющей детали, определяемое следующими условиями. Другими словами, период времени, в течение которого газ, в количестве образца, остается внутри трубы направляющей детали, должен быть достаточно коротким, чтобы тепловое возмущение не успевало пройти от центра (электрической дуги) трубы до стенки трубы. Другими словами, газ на участке стенки должен быть достаточно холодным, чтобы предотвратить электрический пробой между дугой и стенкой.

[0061] Кроме того, согласно плазменной горелке 100 на основе настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы ширина h={(D_pilot-D_cathode)/2} между отрицательным электродом 12, предусмотренным в катоде 1, и направляющей деталью 2 соответствовала нижеследующим уравнениям (2) и (3). Предпочтительно, чтобы минимальное значение ширины h зазора было таким значением, при котором средняя массовая скорость рабочего газа плазменной горелки, т.е. катодного газа A в кольцевом зазоре между отрицательным электродом 12 и направляющей деталью 2, была меньше скорости звука плазмообразующего газа при начальной температуре. Предпочтительно, чтобы максимальное значение ширины h зазора было таким значением, при котором, при заранее определенном массовом расходе G_w катодного газа A, число Рейнольдса Re={4G_w/πD_pilotμ_w}, соответствующее состоянию катодного газа A направляющей детали 2, было меньше критического числа Рейнольдса Re_crit=2100, соответствующего состоянию, в котором поток газа внутри трубы становится турбулентным.

2G_w/[ρ_w(D_pilot-D_cathode)u_w,sound]<h (2)

h<2G_w/πμ_wRe_crit-D_cathode)/2 (3)

[0062] Как описано выше, плазменная горелка 100 согласно настоящему изобретению сконфигурирована так, что внутренняя область каскада 3 имеет такую форму, что внутренний диаметр внутренней области последовательно увеличивается со стороны катода 1 в сторону анода 4, как описано выше. Кроме того, каскад 3, проиллюстрированный на фиг.1 и 3, содержит пять компонентов 3A-3E. Компоненты соединены уплотнительным кольцом 34 и изолированным керамическим кольцом 35 таким образом, что каждый зазор между компонентами электрически изолирован. В качестве такого уплотнительного кольца 34 можно использовать, например, традиционно известный высокотемпературный герметик. Кроме того, в качестве изолирующего керамического кольца 35 можно использовать широко используемое электроизолирующее кольцо, например, керамическое. Кроме того, каскад 3 сконфигурирован электрически изолированным между катодом 1 и анодом 4 уплотнительным кольцом 34 и керамическим кольцом 35.

[0063] Согласно плазменной горелке 100 на основании вышеописанной конфигурации, количество компонентов (3A-3E), включенных в каскад (межэлектродную вставку) 3, т.е. количество ступеней, через которые происходит расширение, определяется заранее определенным рабочим напряжением и длиной дуги. Каскад 3 согласно настоящему варианту осуществления, показанный на фиг.3, содержит пять компонентов 3A-3E, как описано выше. В результате рабочее напряжение плазменной горелки 100 оказывается приблизительно в пределах от 100 до 260 В. Это рабочее напряжение определяется, например, внутренней конструкцией маршрута электрической дуги, типом плазмообразующего газа и массовым расходом плазмообразующего газа. При подаче более высокого рабочего напряжения может потребоваться большее количество компонентов каскада.

[0064] Кроме того, согласно плазменной горелке 100 на основе настоящего изобретения, более предпочтительно, чтобы длина L_i (мм) каждой ступени, на которой диаметр каскада 3 последовательно увеличивается со стороны направляющей детали 2 в сторону анода 4 в направлении выброса плазменной струи D, соответствовала следующему неравенству: {5≤L_i(мм)≤15}.

[0065] Когда вышеупомянутая длина L_i (мм) каждой ступени меньше 5 мм, эффективность водяного охлаждения конструкции 33 водяного охлаждения снижается. В наихудшем случае, плазменная горелка может перестать работать надлежащим образом. Кроме того, когда вышеупомянутая длина L_i (мм) превышает 15 мм, плавающий потенциал i-го компонента становится слишком высоким. В результате между внутренней стенкой части и плазмой возникает дуга короткого замыкания. Предпочтительно, чтобы длина L_i составляла 5 мм или более и 15 мм или менее для предотвращения генерации такой дуги короткого замыкания и разрушения плазменной горелки.

[0066] Кроме того, согласно плазменной горелке 100 на основе настоящего изобретения, когда длина каскада 3, диаметр которого последовательно увеличивается в сторону анода 4, в i-ой позиции со стороны направляющей детали 2 в направлении выброса плазменной струи D, задана равной L_i (мм), размер ступени в радиальном направлении задан равным Δr_i (мм), предпочтительно, чтобы плазменная горелка 100 была сконфигурирована так, что длина L_i (мм) каждой ступени и размер Δr_i (мм) ступени соответствовали следующему неравенству: {4,5≤L_i/Δr_i≤15}.

[0067] Когда отношение L_i/Δr_i меньше 4,5, повторного контакта плазменного потока не происходит на каждой ступени. В результате слой на границе поверхности стенки становится нестабильным. В результате плазменный поток переходит в турбулентное состояние. Кроме того, когда отношение L_i/Δr_i превышает 15, между внутренней стенкой части и плазмой возникает дуга короткого замыкания. В результате плазменная горелка перестает работать надлежащим образом.

[0068] Кроме того, когда каскад 3 сконфигурирован так, что внутренняя область имеет такую форму, что диаметр внутренней области последовательно увеличивается в сторону анода 4, предпочтительно, чтобы количество ступеней увеличения диаметра составляло от четырех до десяти ступеней. В примере, показанном на фиг.1 и 3, количество ступеней, предусмотренных на каскаде 3, равно пяти. Когда количество ступеней на каскаде между катодом и анодом меньше 4, затрудняется генерация плазменной струи с квазиламинарным течением. Кроме того, диаметр генерируемой плазменной струи может становиться слишком малым.

[0069] Кроме того, согласно плазменной горелке 100 на основе настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы длина L между электродами между наконечником 12a отрицательного электрода 12, предусмотренного на катоде 1, и торцевой частью 4a на стороне каскада 3 анода 4 подчинялась следующему неравенству: {50≤L(мм)≤150}

[0070] В вышеприведенном неравенстве нижний предел (50 мм) длины L между электродами соответствует минимальному электрическому напряжению дуги. При этом электрическое напряжение дуги, описанное здесь на основе настоящего изобретения, означает электрическую мощность плазменной горелки. Например, когда длина L между электродами равна 50 мм и в качестве катодного газа A используется азот, электрическая мощность плазменной горелки достигает приблизительно 30-40 кВт.

Кроме того, верхний предел (150 мм) длины L между электродами соответствует максимальному электрическому напряжению дуги. Например, когда длина L между электродами равна 150 мм и в качестве катодного газа A используется азот, электрическая мощность плазменной горелки достигает приблизительно 100-120 кВт.

[0071] Кроме того, более предпочтительно, чтобы плазменная горелка 100 была сконфигурирована так, что анод 4 содержит проточный канал 4A, содержащий канал 41 подвода плазмы, цилиндрический проточный канал 42 и гладкую внутреннюю стенку. При этом предпочтительно, чтобы канал 41 подвода плазмы был соединен с выходом 3b сторона каскада 3 и включал в себя коническую часть 41a, которая сужается со стороны торцевой части (входа) 4a к выходной стороне 4b. При этом предпочтительно, чтобы круглый проточный канал 42 был соединен с каналом 41 подвода плазмы и стабилизировал плазму за счет того, что имеет одинаковый диаметр к выходной стороне 4b. Кроме того, предпочтительно, чтобы плазменная горелка 100 была сконфигурирована так, что внутренний диаметр D_anode круглого проточного канала 42 анода 4 и диаметр D_pilot центрального отверстия 22 направляющей детали 2 соответствуют следующему неравенству: {1,5≤D_anode/D_pilot≤2,8}, как описано выше, поскольку проточный канал 4A сконфигурирован содержащим гладкую внутреннюю стенку, и круглый проточный канал 42 предусмотрен на нижнем потоке канала 41 подвода плазмы, с которым контактирует электрическая дуга, можно эффективно стабилизировать плазменный поток.

[0072] При этом, когда отношение D_anode/D_pilot меньше 1,5, плазменный поток внутри проточного канала электрической дуги слегка расширяется. Кроме того, когда отношение D_anode/D_pilot больше 2,8, плазменный поток становится нестабильным на выходном участке анода 4.

[0073] Кроме того, согласно плазменной горелке 100 на основе настоящего изобретения, предпочтительно, чтобы суммарный массовый расход газа G_total соответствовал нижеследующим уравнениям (4) и (5).

100≤Re_total≤500 (4)

0,15G_total≤G_anode≤0,3G_total (5)

$$G_{total}={\displaystyle \sum _j{G}_j}$$ (6)

В этом случае, согласно уравнениям (4) и (5), Re_total (= 4G_total/πD_anodeμ) представляет число Рейнольдса, вычисленное в поперечном сечении на выходной стороне анода. Кроме того, G_total, представленный вышеприведенным обобщенным уравнением (6), обозначает суммарный массовый расход плазмообразующего газа (в граммах в секунду).

[0074] В частности, анодный защитный газ G_j поступает в промежуток между участком последней ступени каскада 3 и торцевой частью 4a анода 4. При этом $$\overline{\mu }=\mu (\overline{T})$$ представляет динамическую вязкость истекающего рабочего газа плазменной горелки. Эта динамическая вязкость вычисляется относительно среднемассовой температуры плазменного потока с учетом баланса тепла и полной массы плазменного потока.

[0075] При уменьшении Re_total ниже минимального значения (100) в уравнении (4), спад Re_total обусловлен плавучестью плазменного потока. Другими словами, при уменьшении Re_total ниже этого минимального значения, плазменный поток становится заметно асимметричным. Кроме того, при увеличении Re_total свыше максимального значения (500) в уравнении (4), вытекающая плазменная струя становится турбулентным потоком.

[0076] Когда ухудшенная дуга контактирует с поверхностью анода с неоднородной вероятностью, G_anode становится ниже 0,15G_total. Кроме того, когда плазменный поток становится турбулентным потоком, G_anode оказывается больше G_total. Таким образом, в этих случаях вышеприведенное неравенство (5) не выполняется.

[0077] Кроме того, в результате тщательного экспериментирования, проведенного авторами настоящего изобретения, было установлено, что плазменная струя D, будучи квазиламинарным потоком, может эффективно формироваться, когда газовая смесь, включенная в плазму, т.е. катодный газ A и анодный газ B, включенные в плазмообразующий газ C, такова, что максимальное значение относительного массового расхода каждого из газообразных аргона, азота и водорода удовлетворяет каждому из уравнений {G_Argon/G_Nitrogen=0,4} и {G_Hydrogen/G_Nitrogen=0,04}.

[0078] Кроме того, как показано на фиг.5A-5C, формирующее сопло 5, содержащее конструкцию водяного охлаждения (непоказанную), может быть структурировано так, что внутренняя область формирующего сопла 5 имеет такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает со стороны анода 4 к формирующему выходу 51. Кроме того, формирующее сопло 5 может быть сконфигурировано соединенным с анодом 4, при этом формирующее сопло 5 электрически изолировано от анода 4. На фиг.5A-5C представлен пример формирующего сопла, в котором диаметр поперечного сечения плазменной струи D возрастает. На фиг.5A-5C показано множество обращенных назад ступеней 52 формирующего сопла 5. В примере, приведенном на фиг.5A, показаны всего две ступени. В примере, приведенном на фиг.5B, показаны всего три ступени. Кроме того, в примере, приведенном на фиг.5C, показаны всего четыре ступени. Кроме того, согласно фиг.5A-5C, Δr_i и L_i обозначают размер по высоте и размер по длине i-ой ступени 52. A_i обозначает точку в i-ой ступени 52, в которой плазменный поток повторно контактирует со стенкой формирующего сопла 5.

[0079] Кроме того, согласно настоящему изобретению, более предпочтительно, чтобы внутренний диаметр D_exit формирующего выхода 51 формирующего сопла 5 и внутренний диаметр D_anode круглого проточного канала 42 анода 4 соответствовал следующему уравнению: {1,5≤D_exit/D_anode≤2,5}. Минимальное значение и максимальное значение отношения D_exit/D_anode в вышеприведенном уравнении задают диапазон диаметра поперечного сечения расширяемой плазменной струи, что обеспечивает истечение плазмы в виде стабилизированного квазиламинарного потока.

[0080] Кроме того, согласно настоящему изобретению, диаметр формирующего сопла 5 последовательно возрастает к формирующему выходу 51. Когда длина i-ой позиции со стороны анода 4 формирующего сопла 5 в направлении выброса плазменной струи D представлена как L_Ni (мм) и когда размер ступени в радиальном направлении представлен как Δr_Ni, предпочтительно, чтобы длина L_Ni (мм) и размер ступени Δr_Ni соответствовали следующему неравенству: {5≤L_Ni/Δr_Ni≤10} (при этом 1≤i≤M-1; M - количество ступеней).

[0081] Когда отношение L_Ni/Δr_Ni меньше пяти, повторного контакта плазменного потока не происходит, и слой на границе участка стенки становится нестабильным. В результате плазменный поток становится турбулентным потоком. Кроме того, когда отношение L_Ni/Δr_Ni возрастает сверх десяти, длина формирующего сопла значительно возрастает. Это приводит к увеличению потерь тепла на стенке формирующего сопла. Следовательно, тепловое действие плазменной струи снижается.

[0082] Кроме того, согласно настоящему изобретению, предпочтительно, чтобы отношение дополнительно соответствовало следующему неравенству: {2,5≤L_Nm/Δr_Nm≤4,5} (здесь, i=M). При этом, когда отношение L_Nm/Δr_Nm меньше 2,5, на последней ступени формирующего сопла создается нестабильный вихрь. В результате вытекающая плазменная струя становится нестабильной. Когда отношение L_Nm/Δr_Nm возрастает сверх 4,5, сечение повторного контакта может возникать на последней ступени формирующего сопла. В результате количество атмосферного газа, всасываемого в выход формирующего сопла из окружающей среды, возрастает.

[0083] Кроме того, как описано выше, согласно плазменной горелке 100 на основе настоящего изобретения, предусмотрен модуль 6 боковой защиты (см. фиг.6A, 6B). Модуль 6 боковой защиты генерирует коаксиальную, кольцевую и низкоскоростную защитную газовую струю, таким образом препятствуя притоку газа из окружающей среды. Таким образом, модуль 6 боковой защиты также препятствует поступлению кислорода в начальную зону плазменной струи, вытекающей из формирующего сопла 5. Кроме того, согласно настоящему изобретению, с точки зрения эффективного предотвращения поступления кислорода в плазменную струю D, более предпочтительно, чтобы модуль 6 боковой защиты использовал газ, по меньшей мере один из газообразного аргона и газообразного азота или их газовой смеси, выбрасываемый из множества каналов, которые образуют кольцо вокруг плазменной струи и размещены коаксиально и осесимметрично, в качестве защитной газовой струи.

[0084] Когда модуль боковой защиты, имеющий вышеописанную конфигурацию и принцип работы, не предусмотрен, значительное количество внешнего воздуха (кислорода) всасывается в плазменную струю. С другой стороны, когда модуль 6 боковой защиты согласно конфигурации, описанный выше в настоящем варианте осуществления, предусмотрен, часть газа (струя E боковой защиты) сначала нагнетается в последнюю ступень (ступень 52) сопла, которая расширяет диаметр (в обратном направлении), затем часть газа (струя E боковой защиты) начинает распространяться в направлении линии нормали, смешиваясь с первичным плазмообразующим газом C. После этого приток внешнего воздуха (кислорода) прекращается, поскольку часть струи E боковой защиты вытекает в окружающий промежуток.

[0085] Как следует из картины потока, показанной на фиг.6A и 6B, при приблизительно средней скорости на выходе, защитная газовая струя E, которая втекает в кольцевую прорезь 62 для газа (коаксиальную прорезь), изгибается в направлении линии нормали и после этого распространяется по поверхности формирующей торцевой поверхности 53 формирующего сопла 5, как поток радиальной стенки, в направлении линии нормали. После этого часть защитной газовой струи E (защитного газа) всасывается в последнюю ступень 52, которая расширяет диаметр. При этом другая часть защитной газовой струи E всасывается в и смешивается с плазменной струей D, которая вытекает из формирующего выхода 51 формирующего сопла 5. В этом состоянии внешний воздух больше не может поступать в последнюю ступень (ступень 52), которая расширяет диаметр. Это позволяет предотвратить смешивание наружного воздуха с плазменной струей D на начальном участке струйного течения вблизи формирующего сопла 5. В результате количество воздуха (кислорода), смешивающегося с плазменной струей E, вытекающей из формирующего сопла 5, значительно сокращается.

[0086] При этом внутренний радиус r_s (мм) формирующего выхода защитной газовой струи E (защитного газа) кольцевой прорези 62 для газа, ширина Δr_s (мм) прорези, массовый расход газа G_s (г/с) защитного газа и средняя массовая скорость v_s (м/с) защитной газовой струи E определяются всасывающей силой последней ступени (ступени 52), обращенной назад ступени, и начальной зоной плазменной струи D, которая не подвергается действию никакой внешней силы. Кроме того, в отношении внутреннего радиуса r_s формирующего выхода, ширины Δr_s прорези и значения массового расхода G_s газа, которые являются конкретными параметрами, диапазон газовой защиты определяется средним значением массовой скорости, которое выражается следующим уравнением: { $${\overline{v}}_s=G_s/\pi {\rho }_s\Delta r_s(r_s+0.5\Delta r_s)$$ }

[0087] Кроме того, согласно настоящему варианту осуществления, возможна конфигурация, в которой внешний диаметр участка катода 1, направляющей детали 2, каскада 3, анода 4 и формирующего сопла 5 плазменной горелки 100, имеющего наибольший диаметр, меньше или равен 70 мм. Кроме того, возможна конфигурация, в которой максимальная длина, объединяющая каждый из этих компонентов, меньше или равна 300 мм. Задавая размер плазменной горелки 100 в вышеуказанном диапазоне, можно установить каждый из параметров, касающихся количества ступеней, размера ступени по высоте и длины ступени, для формы внутренней области каскада в надлежащем диапазоне.

[0088] Как описано выше, согласно плазменной горелке 100 на основе настоящего изобретения, между катодом 1 и анодом 4 предусмотрен каскад 3. Каскад 3 является межэлектродной вставкой. Кроме того, каскад 3 имеет такую конструкцию, что диаметр внутренней области каскада 3 последовательно возрастает со стороны катода 1 каскада 3 в сторону анода 4 каскада 3. Согласно настоящему изобретению, предусмотрен каскад 3, имеющий вышеописанную конструкцию. В результате выходную мощность плазменной горелки 100 можно получить за счет увеличения электрического напряжения дуги, а не за счет увеличения электрического тока. Таким образом, можно увеличить срок службы каждого из электродов, т.е. катода 1 и анода 4. Кроме того, поскольку внутренняя область каскада 3 выполнена в такой форме, что диаметр каскада 3 последовательно возрастает, во внутренней области каскада 3 создается квазиламинарный поток плазмы. Следовательно, можно снизить флуктуацию выходной мощности плазменной струи D. Кроме того, можно снизить затраты на эксплуатацию и обработку. Следовательно, можно получить плазменную горелку 100, которая может осуществлять обработку поверхности с использованием высокопроизводительной плазмы с высокой степенью эффективности. Кроме того, на выходной стороне анода 4 формирующего сопла 5 предусмотрен модуль 6 боковой защиты. Модуль 6 боковой защиты генерирует защитную газовую струю, которая является коаксиальной, кольцевой и низкоскоростной. Таким образом, предотвращается приток газа из окружающей среды. Следовательно, предотвращается поступление кислорода в формирующее сопло 5 и плазменную струю D. Это позволяет генерировать плазменную струю D, имеющую низкое число Рейнольдса плазмообразующего газа, с квазиламинарным потоком, издающую низкий шум, диаметр поперечного сечения которой увеличивается стабильным образом, имеющую большую длину плазмы и содержащую аргон, азот и водород.

Действующий образец

[0089] Далее описан действующий образец плазменной горелки согласно настоящему изобретению и более подробно описано настоящее изобретение. Настоящее изобретение не ограничивается нижеследующими действующими образцами. Настоящее изобретение можно практически осуществлять путем применения надлежащих модификаций, в соответствии с сущностью настоящего изобретения, описанной выше и в дальнейшем. Все, что получается путем применения таких модификаций, также включено в технический объем настоящего изобретения.

[0090] Согласно настоящему изобретению, в нижеследующей таблице 1 показан вариант осуществления, связанный с генерацией плазменной струи с квазиламинарным течением согласно этому изобретению. В данном случае рабочий газ плазменной горелки включает в себя аргон, азот и водород в качестве анодного газа и катодного газа. Максимальные значения G_Argon, G_Nitrogen и G_Hydrogen относительного массового расхода каждого используемого газа находятся в соотношении, показанном в нижеследующей таблице 1. Другие условия при поступлении анодного газа показаны в нижеследующей таблице 1.

[0091] Кроме того, число Рейнольдса {Re=4G_w/πD_pilotμ_w} катодного газа, когда газ проходит через направляющую деталь со стороны катода и течет в сторону каскада, было получено на основании спецификации плазменной горелки, показанной на фиг.2, и было определено состояние потока (квазиламинарный поток, турбулентный поток) плазменной струи внутри трубы. При этом производилось определение критического числа Рейнольдса {Re_crit=2100}, при котором поток газа внутри трубы переходит в турбулентное состояние. Кроме того, условия подачи катодного газа показаны в нижеследующей таблице 1, и результаты определения, касающиеся числа Рейнольдса и состояний потока, показаны в нижеследующей таблице 2.

Кроме того, диаметр поперечного сечения плазменной струи, сформированной формирующим соплом и длина плазмы до наконечника плазменной струи были измерены с использованием видеокамеры 3CCD, когда облучение плазмы осуществлялось в соответствующих условиях, и результат показан в нижеследующей таблице 4.

Кроме того, уровень шума (дБ), издаваемого плазменной струей, измеряли коммерчески доступным измерителем уровня шума (производства Rion Co., Ltd., модель № NA-28), когда облучение плазмы осуществлялось в соответствующих условиях, и результат показан в нижеследующей таблице 4. При этом измерение осуществлялось, когда блок датчика (микрофон) измерителя уровня шума располагается в позиции, отделенной от выхода плазменной горелки в осевом направлении на 1 м и в направлении оси на 1 м.

[0092] В нижеследующей таблице 1 приведен список составов плазмообразующего газа и условий подачи катодного газа, в нижеследующей таблице 2 приведен список результатов определения числа Рейнольдса и состояния потока катодного газа и результаты определения диаметра поперечного сечения, длины плазмы, уровня шума, срока службы электрода и срока службы плазменной струи.

[0093]

[0094]

[0095] Как показано в таблицах 1 и 2, было подтверждено, что плазмообразующий газ являлся квазиламинарным потоком, и изменение на выходе было малым во всех вариантах осуществления с использованием плазменной горелки настоящего изобретения, которая включает в себя формирующее сопло и каскад, имеющий внутреннюю область, расширяющуюся множественными ступенями, и модуль боковой защиты. Кроме того, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, диаметр поперечного сечения плазменной струи составлял 18 мм или более, и была получена длинная плазменная струя с длиной плазмы, большей или равной 150 мм. Кроме того, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, было подтверждено понижение уровня шума до значения, меньшего или равного 95 дБ, и срок службы электрода составлял 50 часов или более.

Таким образом, было установлено, что использование плазменной горелки настоящего изобретения дало возможность осуществления обработки поверхности, например, плазменным напылением с использованием высокопроизводительной плазменной обработки, обработки огнеупорных порошковых материалов и плазмохимической обработки и т.д., с высокой степенью эффективности.

[0096] С другой стороны, согласно сравнительным примерам с использованием плазменной горелки традиционной конфигурации, было подтверждено, что поток плазмообразующего газа становился турбулентным, диаметр поперечного сечения плазменной струи был меньше по сравнению с вышеупомянутыми вариантами осуществления настоящего изобретения, и длина плазмы была малой. Соответственно, сравнительные примеры показали более низкие характеристики в отношении по меньшей мере одного из уровня шума и срока службы электрода.

[0097] В сравнительном примере 1 поток плазмообразующего газа становился турбулентным, когда его число Рейнольдса (Re) составляло приблизительно 528, и длина плазмы составляла 70, поскольку использовалось плазменная горелка с каскадом, который не имеет внутренней области, расширяющейся множественными ступенями. Соответственно, поток плазмы становился турбулентным и в значительной степени захватывал атмосферный кислород.

[0098] В сравнительном примере 2 число Рейнольдса (Re) составляло приблизительно 210, и плазма находилась в нестабильном состоянии, поскольку ни каскад, ни формирующее сопло не имели внутренних областей, расширяющихся множественными ступенями.

[0099] В сравнительном примере 3 использовалась плазменная горелка, в которой каскад и формирующее сопло не имели внутренних областей, расширяющихся множественными ступенями, и не был предусмотрен модуль боковой защиты. Таким образом, поток плазмообразующего газа становился турбулентным, когда его число Рейнольдса (Re) составляло приблизительно 513, и длина плазмы составляла 120 мм в сравнительном примере 3. Кроме того, было визуально подтверждено, что внешний воздух втекал в формирующее сопло и начальную зону плазменной струи, и плазменная струя находилась в нестабильном состоянии вследствие захвата кислорода, поскольку в плазменной горелке в сравнительном примере 3 не был предусмотрен модуль боковой защиты.

[0100] В сравнительном примере 4 число Рейнольдса (Re) плазмообразующего газа составляло приблизительно 457, и плазма находилась в нестабильном состоянии, поскольку каскад и формирующее сопло не имели внутренних областей, расширяющихся множественными ступенями, и анодного газа было недостаточно таким же образом, как описано выше.

[0101] В сравнительном примере 5 поток плазмообразующего газа также становился турбулентным, когда число Рейнольдса (Re) составляло приблизительно 537, и плазма находилась в нестабильном состоянии, поскольку каскад и формирующее сопло не имели внутренних областей, расширяющихся множественными ступенями, и в катодном газе присутствовало избыточное количество азота.

[0102] В сравнительном примере 6 поток плазмообразующего газа также становился турбулентным, когда число Рейнольдса (Re) составляло приблизительно 791, и плазма находилась в нестабильном состоянии, поскольку каскад и формирующее сопло не имели внутренних областей, расширяющихся множественными ступенями, и в катодном газе присутствовало избыточное количество аргона и азота.

[0103] В сравнительном примере 7 также, как описано выше, число Рейнольдса (Re) плазмообразующего газа составляло приблизительно 432, плазма находилась в нестабильном состоянии, и электрод был поврежден вследствие избыточного количества водорода в катодном газе, что приводило к значительному сокращению его срока службы, поскольку каскад и формирующее сопло не имели внутренних областей, расширяющихся множественными ступенями.

[0104] В сравнительном примере 8 число Рейнольдса (Re) плазмообразующего газа также составляло приблизительно 324, плазма находилась в нестабильном состоянии, и электрод был поврежден вследствие избыточного количества водорода в анодном газе, что приводило к значительному сокращению его срока службы, поскольку каскад и формирующее сопло не имели внутренних областей, расширяющихся множественными ступенями.

[0105] В сравнительном примере 9 поток плазмообразующего газа также становился турбулентным, когда число Рейнольдса (Re) составляло приблизительно 607, плазма находилась в нестабильном состоянии, и электрод был поврежден вследствие избыточного количества водорода в анодном газе, что приводило к значительному сокращению его срока службы, поскольку каскад и формирующее сопло не имели внутренних областей, расширяющихся множественными ступенями.

Промышленное применение

[0106] Плазменная горелка согласно настоящему изобретению содержит катод, являющийся межэлектродной вставкой между катодом и анодом. Таким образом, можно получить плазменную горелку, которая может осуществлять обработку поверхности, например плазменное напыление, с использованием высокопроизводительной плазменной обработки, обработки огнеупорных порошковых материалов и плазмохимической обработки и т.д., с высокой степенью эффективности. Следовательно, настоящее изобретение имеет значительный промышленный эффект.

Изобретение относится к области плазменной техники. Плазменная горелка содержит каскад между катодом и анодом. Каскад является межэлектродной вставкой. Внутренняя область каскада имеет такую форму, что диаметр внутренней области последовательно увеличивается на множестве ступеней со стороны катода в сторону анода. Выходная мощность плазменной горелки обеспечивается не за счет увеличения электрического тока, а за счет увеличения электрического напряжения дуги. Таким образом, срок службы каждого из электродов, т.е. катода и анода, заметно увеличивается. Кроме того, поскольку во внутренней области каскада генерируется квазиламинарный поток плазмы, флуктуация выходной мощности плазменной струи снижается. На выходной стороне анода формирующего сопла предусмотрен модуль боковой защиты, генерирующий защитную газовую струю, которая является коаксиальной, кольцевой и низкоскоростной. Это позволяет генерировать плазменную струю, имеющую низкое число Рейнольдса плазмообразующего газа, с квазиламинарным потоком, издающую низкий шум, диаметр поперечного сечения которой увеличивается стабильным образом, имеющую большую длину плазмы и содержащую аргон, азот и водород. Технический результат - повышение эффективности плазменной обработки. 17 з.п. ф-лы, 11 ил., 2 табл.

1. Плазменная горелка каскадного типа, содержащая каскад между катодом и анодом, генерирующая плазменную струю посредством подачи электрического напряжения между катодом и анодом, в которой
катод содержит медную часть основного тела, содержащую канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения и стержневидный вольфрамовый отрицательный электрод, вставленный в медную часть основного тела,
между катодом и каскадом дополнительно предусмотрена направляющая деталь, причем направляющая деталь электрически изолирована от катода и анода, а также содержит канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,
между направляющей деталью и анодом предусмотрен каскад, причем каскад содержит либо единичный компонент, имеющий внутреннюю область, расширяющуюся множественными ступенями в сторону анода, либо множество компонентов, электрически изолированных друг от друга, причем каскад электрически изолирован от катода и анода и сконфигурирован как межэлектродная вставка, содержащая канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,
анод является медным компонентом, содержащим канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,
плазменная горелка дополнительно содержит формирующее сопло, присоединенное таким образом, что оно электрически изолировано от анода, причем внутренняя область формирующего сопла расширяется множественными ступенями к стороне, противоположной аноду, и формирующее сопло также содержит канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения, и
плазменная горелка дополнительно содержит модуль боковой защиты, препятствующий притоку газа из окружающей среды за счет генерации коаксиальной, кольцевой и низкоскоростной защитной газовой струи, таким образом препятствующий поступлению кислорода в формирующее сопло и плазменную струю, выбрасываемую из формирующего сопла.

2. Плазменная горелка по п.1, в которой
диаметр D_cathode наконечника отрицательного электрода, предусмотренного на катоде, соответствует уравнению (1) {D_cathode=2+[(I-100)/100] (мм)}, причем
в уравнении (1) [x] - целая часть x, выражения, заключенного в скобки, I - электрический ток дуги (А) в пределах от 100≤I≤400 (A).

3. Плазменная горелка по п.1, в которой
диаметр D_pilot части центрального отверстия направляющей детали и диаметр D_cathode наконечника отрицательного электрода, предусмотренного на катоде, соответствуют уравнению {D_pilot>D_cathode}.

4. Плазменная горелка по любому из пп.1 и 2, в которой
предусмотрен перепускной канал в обход части центрального отверстия, предусмотренной в направляющей детали, и
рабочий газ для генерации плазмы проходит со стороны катода в сторону каскада за счет прохождения через по меньшей мере одно из центрального отверстия или перепускного канала.

5. Плазменная горелка по п.1, в которой
ширина h={(D_pilot-D_cathode)/2} зазора между направляющей деталью и отрицательным электродом, предусмотренным на катоде, соответствует уравнению (2) {2G_w/[ρ_w(D_pilot-D_cathode)u_w,sound]<h} и уравнению (3) {h<2G_w/πμ_wRe_crit-D_cathode/2},
минимальное значение ширины h зазора является таким значением, что средняя массовая скорость рабочего газа плазменной горелки, присутствующего в кольцевом зазоре между отрицательным электродом и направляющей деталью, меньше скорости звука плазмообразующего газа при начальной температуре, и
максимальное значение ширины h зазора является таким значением, что при заранее определенном массовом расходе G_w рабочего газа плазменной горелки число Рейнольдса Re={4G_w/πD_pilotμ_w}, соответствующее состоянию рабочего газа плазменной горелки на входе направляющей детали, меньше критического числа Рейнольдса Re_crit=2100, причем критическое число Рейнольдса является значением, при котором поток газа внутри трубы переходит в турбулентное состояние.

6. Плазменная горелка по п.1, в которой
каскад содержит множество компонентов,
между каждым из множества компонентов и между каскадом и катодом и анодом предусмотрены уплотнительное кольцо и изолирующее керамическое кольцо, и
промежуток между каждым из множества компонентов и промежуток между каскадом и катодом и анодом соединены, будучи при этом электрически изолированными.

7. Плазменная горелка по п.1, в которой
диаметр каскада последовательно возрастает на одну или более ступеней со стороны направляющей детали в сторону анода, и длина L_i (мм) каждой ступени в направлении выброса плазменной струи подчиняется уравнению {5≤L_i(мм)≤15}.

8. Плазменная горелка по п.1, в которой
диаметр каскада последовательно возрастает на одну или более ступеней в сторону анода, и если длина i-ой позиции каскада со стороны направляющей детали в направлении выброса плазменной струи представлена как L_i (мм), а размер ступени в радиальном направлении представлен как Δr_i (мм), то L_i (мм) и Δr_i (мм) каждой ступени соответствуют уравнению {4,5≤L_i/Δr_i≤15}.

9. Плазменная горелка по любому из пп.7 и 8, в которой
межэлектродная длина L между наконечником отрицательного электрода, предусмотренным на катоде, и наконечником анода со стороны каскада соответствует уравнению {50≤L(мм)≤150}.

10. Плазменная горелка по п.1, в которой
анод содержит проточный канал, содержащий
канал подвода плазмы, который соединен с выходной стороной каскада и содержит конический участок, сужающийся от входной стороны к выходной стороне,
цилиндрический проточный канал, который соединен с каналом подвода плазмы и стабилизирует плазму благодаря тому, что имеет одинаковый диаметр к выходной стороне, и
гладкую внутреннюю стенку, причем
внутренний диаметр D_anode цилиндрического проточного канала анода и диаметр D_pilot части центрального отверстия направляющей детали соответствуют уравнению {1,5≤D_anode/D_pilot≤2,8}.

11. Плазменная горелка по п.1, в которой
суммарный массовый расход газа G_total соответствует уравнению (4) {100≤Re_total≤500} и уравнению (5) {0,15G_total≤G_anode≤0,3G_total}, причем Re_total (=4G_total/πD_anodeμ) в уравнении (4) и уравнении (5) обозначает число Рейнольдса, вычисленное в поперечном сечении выходной стороны анода, и G_total в обобщенном уравнении (6) { $$G_{total}={\displaystyle \sum _j{G}_j}$$ } обозначает суммарный массовый расход газа (в граммах в секунду) j-го элемента газовой смеси, содержащейся в плазме и анодном защитном газе G_j.

12. Плазменная горелка по п.11, в которой
газовая смесь, содержащаяся в плазме, такова, что максимальное значение относительного массового расхода каждого из аргона, азота и водорода подчиняется первому уравнению {G_Argon/G_Nitrogen=0,4} и второму уравнению {G_Hydrogen/G_Nitrogen=0,04}.

13. Плазменная горелка по п.12, в которой
формирующее сопло, содержащее канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения, содержит внутреннюю область, имеющую такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает со стороны анода к формирующему выходу, причем формирующее сопло соединено с анодом, будучи при этом электрически изолировано от него.

14. Плазменная горелка по п.13, в которой
отношение между внутренним диаметром D_exit на формирующем выходе формирующего сопла и внутренним диаметром D_anode цилиндрического проточного канала анода соответствует уравнению {1,5≤D_exit/D_anode≤2,5}.

15. Плазменная горелка по п.14, в которой
диаметр формирующего сопла последовательно возрастает на протяжении одной или более ступеней по направлению к формирующему выходу, и если длина i-ой позиции формирующего сопла со стороны анода в направлении выброса плазменной струи представлена как L_Ni (мм), а размер ступени в радиальном направлении представлен как Δr_i (мм), то L_Ni (мм) и Δr_i (мм) соответствуют уравнению {5≤L_Ni/Δr_i≤10}, причем выполняется {1≤i≤M-1} неравенство, где M - количество ступеней.

16. Плазменная горелка по п.1, в которой
модуль боковой защиты использует газ в виде по меньшей мере одного из газообразного аргона и газообразного азота или их газовой смеси, выбрасываемый из множества каналов, которые размещены в коаксиальных и осесимметричных положениях, или прорезей в коаксиальном положении, которые образуют форму кольца вокруг плазменной струи, в качестве защитной газовой струи.

17. Плазменная горелка по п.1, в которой
внутренняя область каскада имеет такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает множеством ступеней в сторону анода, причем количество ступеней составляет от четырех до десяти.

18. Плазменная горелка по п.1, в которой
внешний диаметр участка катода, каскада, анода и формирующего сопла, имеющего наибольший диаметр, меньше или равен 70 мм, и
максимальная длина, объединяющая длину катода, длину каскада, длину анода и длину формирующего сопла, меньше или равна 300.