ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМАТРОН Советский патент 1996 года по МПК H05B7/22 H05H1/34 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для нагрева материалов электрической дугой к дуговым плазмотронам косвенного действия, и может быть использовано в электротермических процессах, например, для плавления материалов, получения порошков, обработки поверхности изделий.

Известны дуговые плазмотроны, содержащие водоохлаждаемый трубчатый корпус, в котором соосно установлены медное сопло и держатель с электродом из термоэмиссионного сплава. Трубчатый корпус позволяет вводить плазмотрон через сальниковое уплотнение внутрь герметичной камеры электротехнологической установки, например плавильной печи.

Сопло этого дугового плазмотрона работает в условиях больших удельных тепловых нагрузок (2-3 кВт/см² и более), что сопровождается эрозией сопла, загрязнением медью обрабатываемой продукции и небольшим периодом непрерывной работы плазмотрона.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является дуговой плазмотрон, содержащий сопло с охлаждаемой полостью, пристыкованный к нему цилиндрический корпус, в котором выполнены чередующиеся между собой подводящие охладитель к соплу поперечные каналы и отводящие охладитель продольные каналы, установленный по оси корпуса электрододержатель со стержневым электродом и охватывающий сопло соленоид.

Такое исполнение плазмотрона позволяет значительно интенсифицировать теплоотвод от сопла: в зоне, где на стенку сопла набегают струи охладителя из поперечных каналов, коэффициент теплоотдачи почти в два раза больше, чем в зонах, где поток охладителя течет вдоль стенок сопла.

Однако мощность данного плазмотрона и его срок службы ограничены. Это вызвано тем, что в некоторых режимах опорное пятно плазменной дуги располагается не в указанной зоне интенсивного охлаждения, а в зонах, где поток охладителя течет вдоль стенок сопла, например на его торцовой поверхности. В этих зонах удельные тепловые потоки, отводимые охладителем, невелики, что ограничивает ток плазменной дуги. При увеличении тока наблюдается повышенная эрозия сопла, что сокращает срок службы плазмотрона и приводит к загрязнению обрабатываемой продукции.

Целью изобретения является повышение мощности плазмотрона и увеличение его срока службы.

Поставленная цель достигается тем, что в электродуговом плазмотроне, содержащем сопло с охлаждаемой полостью, пристыкованный к нему цилиндрический корпус, в котором выполнены чередующиеся между собой подводящие охладитель к соплу поперечные каналы и отводящие охладитель продольные каналы, установленный по оси корпуса электрододержатель со стержневым электродом и охватывающий сопло соленоид, последний установлен в охлаждаемой полости сопла под поперечными каналами, причем кратчайшее расстояние между стенками каналов и соленоидом выбрано равным 0,1-0,3 длины соленоида, а электрододержатель выполнен в виде разрезной цанги, торец которой удален от стенок поперечных каналов на расстояние, равное 0,5-1,8 длины соленоида.

На фиг. 1 изображен плазмотрон в продольном разрезе по плоскости Б-Б; на фиг. 2 в поперечном разрезе по плоскости А-А.

Плазмотрон имеет стальной водоохлаждаемый трубчатый корпус 1, предназначенный для ввода в технологическую камеру через вакуумное уплотнение (не показаны). Соосно с корпусом 1 установлены водоохлаждаемый электрододержатель 2 и медное сопло 3 с охлаждаемой полостью 4. Сопло 3 прикреплено к корпусу 1 накидной гайкой 5, полость 4 герметизирована радиальными 6 и торцовым 7 уплотнениями. В трубчатом корпусе 1 выполнены поперечные каналы 8, подводящие охлаждаемую воду к кольцевой стенке 9 сопла, а затем к его торцовой поверхности 10. В корпусе 1 также выполнены продольные каналы 11, чередующиеся с поперечными каналами 8 и отводящие охлаждающую воду из полости 4 сопла 3.

В верхней части плазмотрона, находящейся за пределами технологической камеры и не показанной на чертеже, имеются два кольцевых коллектора (напорный и сливной), к которым подведены каналы 8 и 11. Здесь же размещены средства для крепления электрододержателя 2 для подвода электрического тока, охлаждающей воды и плазмообразующего газа (на чертежах не показаны).

В охлаждаемой полости 4 сопла 3 между поперечными каналами 8 и торцовой поверхностью 10 установлен соленоид 12. Токоподводящие провода 13 к соленоиду 12 проложены в продольных каналах 11 и выведены наружу через сливной коллектор в верхней части плазмотрона (не показано). Кратчайшее расстояние S между поперечными каналами 8 и соленоидом 12 составляет S (0,1-0,3)l, где l длина соленоида.

Электрододержатель снабжен разрезной цангой 14 для крепления электрода 15. Между цангой 14 и поперечными каналами 8 кратчайшее расстояние h составляет h(0,5-1,5)l, где l длина соленоида 12.

Пазы 16 разрезной цанги соединены с осевым каналом 17 в электрододержателе 2, который служит для подачи газа и для затягивания цанги 14 с электродом 15 с помощью винта (не показан).

Дуговой плазмотрон работает следующим образом.

В напорный коллектор подают охлаждающую воду, в осевой канал 17 плазмообразующий газ. Электрододержатель 2 и корпус 1 подключают к силовому источнику питания, провода 13 к маломощному источнику питания. Между соплом 3 и электродом 15 зажигают электрическую дугу в потоке газа. Нагретый до ионизированного состояния газ истекает из отверстия сопла 3 в виде плазменной струи и служит источником тепла в технологической установке, например, для получения порошков или гранул.

Струи воды, истекающие из поперечных каналов 8, создают зону интенсивного охлаждения на кольцевой стенке 9 сопла 3.

Струйное охлаждение, благодаря разрушению пограничного слоя жидкости на охлаждаемой поверхности, обеспечивает почти в два раза больший отвод тепла, чем кольцевой поток вдоль стенки при одинаковых параметрах (давление и расход охлаждающей жидкости).

В верхней части соленоида 12, примыкающей к поперечным каналам 8, магнитное поле сильно искривлено относительно оси сопла 3. Столб электрической дуги, горящей между электродом 15 и соплом 3, стремится расположиться вдоль магнитных силовых линий, а в случае их пересечения движется в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной векторами магнитной индукции и электрического тока.

Выбранное расстояние S между каналами 8 и соленоидом 12 обеспечивает расположение на одном уровне поперечных каналов 8 и пространства вблизи соленоида 12 с искривленным магнитным полем. Поэтому радиальная составляющая магнитного поля направляет плазменную дугу на интенсивно охлаждаемый участок стенки 9, а осевая составляющая этого же поля приводит дугу во вращение относительно оси сопла 3.

Мощность, выделяемая в опорном пятне плазменной дуги, распределяется по кольцевой поверхности на стенке 9, которая находится в зоне радиальных каналов 8, где интенсивность теплоотвода почти вдвое выше, чем на остальных охлаждаемых участках сопла 3. Это позволяет значительно повысить силу тока дуги и уменьшить износ канала сопла.

При выполнении S < 0,1 l опорное пятно дуги будет находиться в зоне радиальных уплотнений 6, что приведет к их разрушению и выходу из строя всего плазмотрона. При выполнении S > 0,3 l опорное пятно дуги будет располагаться ниже зоны интенсивного охлаждения от поперечных каналов 8, что приведет к снижению допустимых тепловых нагрузок на сопло.

Соленоид 12 со всех сторон омывается водой. Это позволяет повысить плотность тока в обмотке соленоида до больших величин (20-25 А/мм²). Поэтому соленоид небольших размеров возбуждает магнитное поле большой напряженности (50-100 кА/м и более).

Разрезная цанга 14 обеспечивает быстродействие и высокую точность при закреплении электрода 15 в электрододержателе 2. Цанга 14 имеет большую поверхность контакта как с электрододержателем 2, так и с электродом 15. Такое исполнение позволяет отвести большой тепловой поток от электрода 15. Интенсивность теплоотвода еще более увеличивается тем, что плазмообразующий газ проходит через пазы 16 разрезной цанги 14 и дополнительно охлаждает ее. Это позволяет увеличить силу тока дуги, горящей от электрода, и уменьшить его износ.

При выполнении h < 0,5 l наблюдается перегрев цанги 14 вращающейся дугой, что может вывести ее из строя. При выполнении h > 1,5 l электрод 15 становится недостаточно жестким в нагретом состоянии. Поскольку конец электрода 15 находится в зоне искривленного магнитного поля соленоида 12, он подвержен изгибающим усилиям. Поэтому возможны деформация электрода и нарушение нормальной работы плазмотрона из-за несоосности электрода 15 и сопла 3.

Данная конструкция плазмотрона позволяет значительно увеличить ток плазменной дуги и, соответственно, мощность плазматрона, снизить эрозию сопла и электрода, увеличив срок службы плазмотрона.

1. ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМАТРОН, содержащий сопло с охлаждаемой полостью, пристыкованный к нему цилиндрический корпус, в котором выполнены чередующиеся между собой поперечные подводящие охладитель к соплу каналы и отводящие охладитель продольные каналы, установленный по оси корпуса электрододержатель со стержневым электродом и охватывающий сопло соленоид, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности плазматрона и увеличения срока его службы, соленоид установлен в охлаждаемой полости сопла под поперечными каналами, причем кратчайшее расстояние между стенками каналов и соленоидом выбрано равным 0,1 - 0,3 длины соленоида.

2. Плазматрон по п.1, отличающийся тем, что электрододержатель выполнен в виде разрезной цанги, торец которой удален от стенок поперечных каналов на расстояние, равное 0,5 - 1,5 длины соленоида.

1. ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМАТРОН, содержащий сопло с охлаждаемой полостью, пристыкованный к нему цилиндрический корпус, в котором выполнены чередующиеся между собой поперечные подводящие охладитель к соплу каналы и отводящие охладитель продольные каналы, установленный по оси корпуса электрододержатель со стержневым электродом и охватывающий сопло соленоид, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности плазматрона и увеличения срока его службы, соленоид установлен в охлаждаемой полости сопла под поперечными каналами, причем кратчайшее расстояние между стенками каналов и соленоидом выбрано равным 0,1 - 0,3 длины соленоида. 2. Плазматрон по п.1, отличающийся тем, что электрододержатель выполнен в виде разрезной цанги, торец которой удален от стенок поперечных каналов на расстояние, равное 0,5 - 1,5 длины соленоида.