АНОДНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПЛАЗМОТРОНА Советский патент 1995 года по МПК H05B7/22 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к генераторам низкотемпературной плазмы и может быть использовано в металлургии, плазмохимии и машиностроении.

Известны анодные узлы плазмотронов, выполненные в виде охлаждаемого полого медного цилиндра. Недостатком таких устройств является контрагированный характер анодной привязки дуги при уровне удельной эрозии электродов G= 10^-10-10^-9 кг/Кл, что в ряде случаев не позволяет обеспечить требуемый ресурс их работы.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является анодный узел электродугового плазмотрона, содержащий соосно и последовательно установленные выходное сопло, камеру ввода плазмообразующего газа и водоохлаждаемый анод с плоской торцевой рабочей поверхностью. При этом за счет интенсивного охлаждения анода получена диффузная анодная привязка с уровнем удельной эрозии G= 10^-13 кг/Кл, что на несколько порядков меньше, чем в случае контрагированной привязки.

Недостатком такой конструкции является ограниченный диапазон тока электрической дуги, при котором существует диффузная анодная привязка и, следовательно, сохраняется низкий уровень удельной эрозии электрода. Из-за высокой плотности теплового потока уже при токах свыше 250 А анодная область контрагируется, происходит оплавление поверхности анода и его последующее разрушение.

Целью изобретения является увеличение ресурса работы.

Поставленная цель достигается тем, что в анодном узле плазмотрона, содержащем соосно и последовательно установленные выходное сопло, камеру ввода плазмообразующего газа и водоохлаждаемый анод с торцевой рабочей поверхностью, на последней выполнена полость в форме тела вращения, глубина которой выбрана не меньшей 0,3 диаметра ее основания, а сечение полости по высоте выполнено не превышающим сечения полости в ее основании.

Изобретение отличается от прототипа тем, что на торцевой рабочей поверхности анода выполнена полость в форме тела вращения, глубина которой выбрана не меньшей 0,3 диаметра ее основания, а сечение полости по высоте выполнено не превышающим сечения полости в ее основании.

На фиг. 1 показана схема анодного узла; на фиг. 2, 3, 4 примеры выполнения полости. Устройство состоит из соосно и последовательно установленных выходного сопла 1, камеры ввода плазмообразующего газа 2 и водоохлаждаемого анода 3 с полостью 4 на его торцевой поверхности.

Устройство работает следующим образом. Одним из известных способов возбуждается электрическая дуга. Соплом 1 за счет подачи плазмообразующего газа анодный участок столба дуги фиксируется в полости 4 на торце анода 3. Боковая поверхность анодного участка столба дуги при этом охватывается стенкой анода.

При диффузной привязке токоперенос в прианодной области происходит преимущественно путем диффузии электронов через тепловой пограничный слой. В случае плоского анода диффузия происходит в направлении оси столба дуги. Однако большие градиенты температуры, а следовательно, и концентрации электронов имеются и на боковой поверхности столба дуги и т.е. существуют диффузионные потоки электронов и в радиальном направлении. Таким образом, за счет охвата стенкой анода боковой поверхности столба дуги для переноса тока используется (в отличие от прототипа) не только осевая, но и радиальная диффузия электронов. Благодаря этому увеличивается площадь анодной привязки, т.е. уменьшается плотность тока, что позволяет обеспечить диффузный характер токопереноса при больших в сравнении с прототипом токах, а следовательно, сохранить при этом низкий уровень удельной эрозии электрода.

Столб электрической дуги имеет цилиндрическую форму. Таким образом обеспечить контакт стенки электрода с боковой поверхностью анодного участка столба дуги можно лишь в случае, если полость также имеет цилиндрическую, либо сужающуюся форму, т. е. форму тела вращения с сечением по высоте, не превышающим его сечения в основании. Как показали эксперименты, при полости, расширяющейся в сторону донной части, привязка дуги происходит к верхней ее кромке и поставленная цель не достигается.

Высота полости h должна быть выбрана на меньшей 0,3 диаметра d ее основания, иначе поставленная цель не достигается. Так, например, заметное отличие от прототипа наблюдается при полости с диаметром основания d=4 ^.10^-3 м и h=1,2 ^.10^-3 м (h=0,3d), где диффузная анодная привязка существует уже до тока I ≈ 300 А. Это связано с тем, что положительный эффект достигается путем снижения плотности тока в анод, т.е. увеличением площади анодной привязки, а при h,<0,3d увеличение площади контакта дуги с электродом в сравнении с прототипом недостаточно для достижения поставленной цели.

На аноде с цилиндрической полостью (см. фиг. 2) диаметром d=6 ^.10^-3 м и глубиной h=3 ^.10^-3 м диффузная анодная привязка существует уже до токов I ≈ 500А.

Эффективное снижение плотности тока обеспечивает полусферическая форма полости (см. фиг. 3), так как площадь ее поверхности в два раза больше площади круга, имеющего равный с ней диаметр. Например, при d=6 ^.10^-3 м диффузная анодная привязка существует до токов I ≈700 А.

При широком диапазоне рабочих токов эффективно конусная со скругленной вершиной полость (см. фиг. 4). При малых токах (до I=250-400 А) разряд охватывает скругленную часть, а по мере увеличения тока переходит и на ее конусную часть. Этим обеспечивается равномерная токовая нагрузка на стенку анода. Так на аноде с конусной со скругленной вершиной полостью с _d=1,1 ^.10^-2м и h= 8 ^. 10^-3 м в диапазоне тока I=100-1000 А получена диффузная анодная привязка, причем верхний уровень тока ограничивается возможностями источника питания и тепловое состояние анода допускает его дальнейшее увеличение с сохранением диффузного характера анодной привязки.

Использование изобретения позволяет увеличить ресурс работы плазмотрона за счет снижения плотности тока в аноде.

Использование: нагрев металлов, обработка дисперсных материалов генераторами низкотемпературной плазмы. Сущность изобретения: на рабочей торцовой поверхности анода выполнено углубление в форме тела вращения. 4 ил.

АНОДНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПЛАЗМОТРОНА, содержащий соосно и последовательно установленные выходное сопло, камеру ввода плазмообразующего газа и водоохлаждаемый анод с торцовой рабочей поверхностью, отличающийся тем, что, с целью увеличения ресурса, на рабочей поверхности анода выполнена полость в форме тела вращения, глубина которой выбрана не меньше 0,3 диаметра ее основания, а сечение полости по высоте выполнено не превышающим сечения полости в ее основании.