Электродуговой плазмотрон и узел кольцевого ввода исходных реагентов в плазмотрон Российский патент 2024 года по МПК H05B7/22 H05H1/24 C23C4/134 H01J37/32 

Изобретение относится к технологии обработки порошковых материалов в плазменной струе (сфероидизация, напыление покрытий, плазмохимическая обработка), в том числе к области получения порошковых материалов, неорганических соединений, композиций, в частности, к плазменному оборудованию для производства порошковых материалов различного назначения.

В промышленности с середины прошлого века широко применяются электродуговые плазмотроны для обработки порошковых материалов и нанесения покрытий.

Практически все серийные плазмотроны выполнены по схеме с самоустанавливающейся длиной дуги, для которых одним из основных недостатков является ее крупномасштабное шунтирование, что ограничивает напряжение на плазмотроне, поэтому для увеличения мощности необходимо увеличивать ток дугового разряда. Отмеченное явление характеризуется значительными колебаниями мощности плазменного потока, что приводит к нестабильной обработке частиц и потере качества получаемого материала или покрытия.

Плазмотроны с межэлектродной вставкой (далее МЭВ) представляют собой более сложную конструкцию, но имеют преимущества перед плазмотронами с самоустанавливающейся длиной дуги, поскольку позволяют повышать мощность плазмотрона путем наращивания напряжения при относительно малых токах, что увеличивает ресурс работы электродов: катода и анода. Такая конструкция может обеспечивать работу в турбулентном, переходном и ламинарном режимах истечения плазменных струй. В этой связи применение высокоэнтальпийных плазмотронов с МЭВ весьма эффективно для сфероидизации тугоплавких керамических, композиционных, в том числе полых частиц, благодаря возможности формировать ламинарную струю большой протяженности.

Однако место ввода порошка в струю и способ его ввода для получения равномерно распределенного потока частиц при инжектировании в центральную приосевую зону плазменной струи (дуги) является одним из важных моментов для наиболее эффективого использования энергии плазмотрона при обработке порошка.

В настоящее время известны три способа ввода порошкового материала в плазмотрон для его обработки: точечный ввод, аксиальный ввод (через катод) и кольцевой ввод.

В подавляющем большинстве случаев в плазмотронах используется точечный ввод порошкового материала (перпендикулярно или под углом к струе), где ввод расположен либо на срезе сопла, либо порошок вводится в сопло на небольшом расстоянии от выхода до или после привязки дуги на аноде. Однако асимметричный точечный ввод приводит к возмущению истекающего потока плазмы, характеризуется неэффективным использованием вводимого порошка вследствие того, что частицы большего размера, проникающие в струю, могут пересекать ее ось, а частицы малого размера остаются на периферии струи без достаточной обработки. Таким образом, относительно полную обработку порошка возможно осуществить только для частиц узкой фракции. Основные попытки оптимизировать обработку частиц при точечном вводе связаны либо с увеличением длины анода после ввода порошка, либо дополнительной стыковкой сопла-насадка к аноду (патент RU 2361964), но сопровождаются осаждением частиц на его внутреннюю поверхность. Максимальная длина канала, при котором нет налипания, определяется, как правило, экспериментально и зависит от соотношения технологических и конструктивных параметров.

Авторами патента AU 2012371647 В2 для заявленного плазмотрона с МЭВ также используется точечный ввод. Поэтому для более полной обработки порошка для повышения мощности авторы существенно увеличивают длину межэлектродной вставки и используют три катода.

Попытки создания конструкции плазмотрона с аксиальным вводом через отверстие в полом катоде в основном неудовлетворительны, так как в данном случае сам порошковый материал и его пары могут значительно повлиять на характеристики и стабильность дугового разряда. Также серьезным препятствием для реализации этой схемы является практически нереализуемая длительная работа без оседания напыляемого материала на стенках электродугового канала и образования спеков порошка (патент RU 2328096). Наиболее успешной попыткой аксиального ввода порошка является использование его в плазмотроне Axial III, где используются три дуги и вводимый порошок взаимодействует уже со сформированной плазменной струей без прямого попадания в область дуг.

Если же использовать кольцевой ввод порошка под углом в струю плазмы, возможно существенно увеличить эффективность нагрева и ускорения частиц.

Примеры такого конструктивного исполнения предложены в следующих патентах:

электродуговой плазмотрон (а.с. СССР 503601, МПК 7 Н05Н 1/26, опубл. 25.02.1976). Такой плазмотрон содержит последовательно установленные водоохлаждаемый катод, электрически изолированную с обеих сторон полую МЭВ с кольцевым каналом, который сообщается с источником плазмообразующего газа, полый водоохлаждаемый анод, штуцера для подвода плазмообразующего газа, подключенные к зазорам между катодом и МЭВ, и МЭВ и анодным соплом таким образом, что большая часть газа поступает в зазор катод-МЭВ, а меньшая, в смеси с порошковым материалом, поступает в зазор МЭВ-анодное сопло. В а.с. СССР 2024696/25-27 предложено подобное устройство ввода в конический щелевой канал в зазор между межэлектродной вставкой и анодом.

Преимущество: ввод в дугу, что способствует лучшему плавлению тугоплавкого материала.

Но связанные с этим недостатки очевидны: ввод порошка в дугу означает его взаимодействие с дугой, следовательно, быстро образуется настыль на аноде - сопле.

Автор патента RU 2672054 C1 сделал попытку равномерно ввести порошок и заранее, с заднего торца плазмотрона, произвел деление подаваемого порошка на шесть каналов с помощью пазов, выполненных под углом 60 градусов к направлению движения газопорошковой смеси. Затем закрученная смесь вводится в коническую кольцевую щель между вставкой и анодом. Однако преимущества и недостатки остаются теми же.

В патенте RU 2225084 C1 предложен кольцевой ввод в канал плазмотрона со вставкой МЭВ. Порошок подается между секциями МЭВ, он проходит по втулке с резьбовыми пазами, через которые подается одновременно порошок и плазмообразующий газ. Затем порошок с транспортирующим и являющимся одновременно дополнительным плазмообразующим газом через конусообразный канал вводится в канал плазмотрона, попадая в приосевую область дугового разряда, далее перемещается до анода и выходит наружу. Поскольку частицы в канале взаимодействуют с электрической дугой, более мелкие частицы могут испаряться, поэтому повышена вероятность осаждения порошка на стенки канала плазмотрона.

В принципе, описанная конструкция подобна вышеупомянутым.

Известен также патент RU 2276840, где ввод порошка осуществлен с помощью кольцевых каналов на торец анодного узла, уже после привязки дуги на аноде, но с дополнительной системой кольцевых каналов, выполняющих роль газодинамического сопла.

Наиболее близким техническим решением является кольцевой ввод порошка после привязки дуги на аноде, как предложено в патенте RU 2474983 с дополнительной газодинамической фокусировкой, как и в патенте 2276840. В этом случае порошок попадает в уже сформированную плазменную струю, но не взаимодействует с дугой. Отличие заключается в том, что ввод порошка и его газодинамическая фокусировка выполнены не на торец плазмотрона, а в канал. Для равномерного кольцевого ввода порошка используется многоступенчатый делитель газопорошкового потока, выполненный в виде набора коллекторов, расположенных последовательно друг за другом в направлении кольцевого щелевого канала ввода газопорошкового потока, при этом коллекторы делителя связаны между собой каналами перепуска газопорошкового потока, причем количество выходных каналов каждого коллектора больше количества входных. Авторы утверждают, что таким образом гетерогенный поток проходит многократное последовательное деление, чем обеспечивается высокая равномерность распределения порошка по кольцевому щелевому каналу.

Однако наличие многоступенчатого делителя требует дополнительного увеличения длины сопла, установленного после анода, что приводит к потере мощности струи плазмы.

Задачей данного изобретения является обеспечение процессов получения различных порошковых материалов в электродуговых плазмотронах с высокой эффективностью за счет создания условий, обеспечивающих равномерный ввод в плазменную струю исходных реагентов с дополнительной газодинамической фокусировкой при минимальных осевых габаритах устройства ввода.

Указанная выше проблема решается использованием узла кольцевого ввода исходных реагентов в электродуговой плазмотрон, установленного в составном сопле соосно с плазмотроном, представляющего собой кольцевой ресивер с двумя точками ввода порошкового материала с помощью транспортирующего газа, систему распределенных щелевых каналов с радиусным профилем на входе в канал плазмотрона. Такая конструкция позволяет гибко менять угол ввода газопорошкового потока в канал при минимальных размерах относительно оси плазмотрона с сохранением равномерного распределения порошка по пазам при вводе его в канал.

Наиболее оправдано использование данной системы ввода порошка для плазмотронов с межэлектродной вставкой, где на выходе из анода формируется стабильная осесимметричная плазменная струя.

Составное сопло имеет два последовательных узла: первый узел используют для кольцевой подачи порошкообразного реагента, а второй узел используют для подачи фокусирующего газа.

Дополнительно составное сопло может иметь форсунки высокого давления для периодического сброса части порошка, осаждаемого на выходе из сопла.

Поставленная задача также решается с помощью электродугового плазмотрона, включающего соосно и последовательно установленный катодный узел с катодом, анодный узел с анодом, узел кольцевого ввода исходных реагентов в поток термической плазмы. В качестве узла кольцевого ввода исходных реагентов используют вышеописанный узел кольцевого ввода, который устанавливают соосно в торец анодного узла, между катодом и анодом установлена межэлектродная вставка в виде секционного канала, секции которого электрически изолированы друг от друга и от электродов. Вставка может иметь от одной и более секции, с постоянным или расширяющимся к выходу (аноду) диаметром секций.

На фиг. 1 показан разрез плазмотрона с межэлектродной вставкой, который состоит из соосно расположенных катода 1, межэлектродной вставки 2, анода 3, сопла 4, в котором размещены предлагаемые кольцевой радиусный ввод порошка 5, кольцевой радиусный ввод фокусирующего газа 6 и, при необходимости, устройство (узел) пневмоочистки форсунками высокого давления в импульсном режиме 7.

На фиг. 2 показано составное сопло 4, включающее в себя узел кольцевого ввода исходных реагентов 5, узел газодинамической фокусировки 6 и узел с с форсунками 7 для сброса осаждаемого порошка на выходе из сопла.

На фиг. 3 показан поперечный разрез узла кольцевого ввода порошковых реагентов по сечению А-А.

На фиг. 4 показан внешний вид предлагаемого узла кольцевого ввода.

На фиг. 5 показан поперечный разрез узла газодинамической фокусировки по сечению В-В.

На фиг. 6 показан поперечный разрез по сечению С-С устройства (узла) с форсунками для сброса осаждаемого порошка на выходе из сопла.

Узел кольцевого ввода в электродуговом плазмотроне работает следующим образом:

Из анода 3 истекает гомогенная струя плазмы и последовательно проходит через составное сопло 4, в котором расположен кольцевой радиусный ввод порошка 5, затем через узел кольцевого ввода фокусирующего газа 6 и устройство пневмоочистки 7 с форсунками высокого давления.

При этом диаметр канала составного сопла может быть выполнен как с сохранением начального диаметра анода, так и расширяющимся.

Узел кольцевого ввода, показанный на сечении А-А на фиг. 3, выполнен в виде кольцевого ресивера 8, расположенного в составном сопле 4, примыкающем к аноду 3 плазмотрона. Из фиг. 3 видно, что узел имеет две точки ввода 9 в кольцевой ресивер 8 для подачи исходного порошкообразного реагента совместно с транспортирующим газом. Ресивер 8 далее переходит в систему распределенных щелевых каналов 10, имеющих специальный профиль, количество которых может варьироваться от четырех и более (в зависимости от диаметра канала плазмотрона), которые далее имеют радиусный профиль 11, угол α, которого при входе в канал может меняться от 25 до 45 градусов. Внешний вид каналов и радиусных выходов показан на фиг. 4.

Указанная конструкция позволяет обеспечить равномерное распределение порошка по пазам с равномерной кольцевой подачей материала в канал при минимальных габаритах узла относительно оси плазмотрона. Данный способ подачи порошка минимально возмущает плазменную струю.

Аналогичный радиусный профиль 15 на входе во внутренний канал используется для ввода фокусирующего газа также для минимизации осевых габаритов (сечение В-В). Фокусирующий газ вводится в ресивер 12, затем попадает в пазы 14. В этом случае достаточно выполнить прямые радиальные пазы 14 также с радиусным профилем 15 на входе в канал плазмотрона, где угол α₂>α₁, и зависит от выбора величины угла α₁. При этом канал может быть выполнен как цилиндрическим, совпадающим по размеру с внутренним диаметром модуля ввода порошка, так и расширяющимся. Подача фокусирующего газа обеспечивает максимальную концентрацию частиц в центральной области струи и, одновременно, существенно уменьшает осаждение на стенки канала плазмотрона.

После ввода фокусирующего газа выполняется уступ, где дополнительно могут быть размещены форсунки высокого давления 16 (сечение С-С), через которые при длительной обработке материала периодически производится сброс части порошка, осаждаемого на выходе из сопла.

Предлагаемый кольцевой ввод с радиусным профилем, а также использование узла для подачи фокусирующего газа аналогичной конструкции, по сравнению с известными решениями, позволяет сохранить мощность струи плазмы благодаря уменьшению осевых габаритов составного сопла 4.

Техническим результатом данного изобретения является обеспечение процессов получения различных порошковых материалов в электродуговых плазмотронах с высокой эффективностью за счет создания условий, обеспечивающих равномерный ввод в плазменную струю исходных реагентов с дополнительной газодинамической фокусировкой при минимальных осевых габаритах устройства ввода.

Изобретение относится к технологии обработки порошковых материалов в плазменной струе. Технический результат – повышение равномерности ввода в плазменную струю исходных реагентов при минимальных осевых габаритах устройства ввода. Электродуговой плазмотрон включает соосно и последовательно установленный катодный узел с катодом, анодный узел с анодом, узел кольцевого ввода исходных реагентов в поток термической плазмы. В качестве узла кольцевого ввода исходных реагентов используют узел кольцевого ввода, который устанавливают соосно в торец анодного узла, между катодом и анодом установлена межэлектродная вставка в виде секционного канала, секции которого электрически изолированы друг от друга и от электродов. Узел кольцевого ввода исходных реагентов в электродуговой плазмотрон представляет собой кольцевой ресивер с двумя точками ввода порошкового материала с помощью транспортирующего газа, систему распределенных щелевых каналов с радиусным профилем на входе в канал плазмотрона. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Узел кольцевого ввода исходных реагентов в электродуговой плазмотрон, установленный в сопле соосно с плазмотроном, отличающийся тем, что кольцевой ввод выполнен в виде кольцевого ресивера, выполненного с двумя точками ввода порошкового материала с помощью транспортирующего газа для ввода в ресивер исходного реагента, переходящего в распределенные щелевые каналы с радиусным профилем на входе в канал плазмотрона для кольцевого радиусного ввода реагентов в плазмотрон.

2. Узел кольцевого ввода по п. 1, отличающийся тем, что имеет два последовательных узла, первый узел используют для подачи порошкообразного реагента, а второй узел используют для подачи фокусирующего газа.

3. Узел кольцевого ввода по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно имеет форсунки высокого давления для периодического сброса части порошка, осаждаемого на выходе из сопла.

4. Электродуговой плазмотрон, включающий соосно и последовательно установленный катодный узел с катодом, анодный узел с анодом, узел кольцевого ввода исходных реагентов в поток термической плазмы, отличающийся тем, что в качестве узла кольцевого ввода исходных реагентов используют узел по любому из пп. 1-3, который устанавливают соосно в торец анода, между катодом и анодом установлена межэлектродная вставка в виде секционного канала, секции которого электрически изолированы друг от друга и от электродов.