EA021709B1 - Плазменная горелка с боковым инжектором - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к плазменной горелке, содержащей плазмотрон с проходящим вдоль оси X катодом и анодом (24), причем указанные катод и анод расположены с возможностью создания посредством электрического напряжения электрической дуги между анодом и катодом в камере (26), причем плазмотрон дополнительно содержит инжектор (30) для инжекции плазмообразующего газа, содержащий инжекционный канал (72), проходящий вдоль оси (I) инжекции и сообщающийся с указанной камерой посредством инжекционного отверстия (74); и средства инжекции напыляемого материала в создаваемый указанным плазмотроном поток плазмы; при этом указанная плазменная горелка отличается тем, что соотношение R" между радиальным расстоянием (y) указанного инжекционного отверстия, представляющим собой минимальное расстояние, отделяющее ось X от центра указанного инжекционного отверстия, и максимальным поперечным размером (D) катода в области камеры ниже по потоку от положения p, соответствующего осевому положению максимального радиального сближения анода и катода, составляет менее 2,5; при этом проекция оси (I) инжекции в поперечной плоскости, проходящей через центр инжекционного отверстия указанного инжекционного канала, и с - радиус, проходящий в указанной поперечной плоскости через ось X и центр указанного инжекционного отверстия, образуют угол β меньше 45°.

Description

Изобретение относится к плазмотрону и к плазменной горелке, в которой использован указанный плазмотрон.

Предшествующий уровень техники

Процесс плазменного напыления обычно используют для нанесения покрытия на подложку. Он, по существу, заключается в создании электрической дуги, вдувании через созданную электрическую дугу плазмообразующего газа с образованием высокотемпературного и высокоскоростного потока плазмы и последующей инжекции в полученный поток напыляемых на подложку частиц. Напыляемые частицы обычно, по меньшей мере частично, расплавляются в плазме, что при последующем охлаждении обеспечивает плотное сцепление частиц друг с другом и с подложкой.

Данный способ можно использовать для нанесения покрытия на поверхность подложки из металла, керамики, металлокерамики, полимера, органического или композитного материала, в частности, содержащего органическую матрицу. В частности, данный способ используют для покрытия деталей различной формы, например плоских или осесимметричных деталей, в частности цилиндрических деталей, или деталей сложной геометрической формы; при этом детали могут иметь различные размеры с единственным условием, что должна быть обеспечена доступность для потока частиц. Плазменное напыление используют, например, для придания поверхности подложки заданных свойств, например износостойкости, для изменения коэффициента трения, получения термического барьера или электрической изоляции.

Плазменное напыление применимо также для изготовления массивных деталей способом плазменного формования, благодаря которому удается наносить покрытия толщиной в несколько миллиметров и даже больше 10 мм. Плазменные горелки, или плазмотроны, описаны, в частности, в патентных документах АО 96/18283, ИЗ 5406046, ИЗ 5332885, АО 01/05198 или АО 95/35647, или ИЗ 5420391.

Желательно, чтобы плазменные горелки, используемые в промышленности, характеризовались следующими эксплуатационными показателями:

высокая производительность напыления, определяемая как количество материала, нанесенного в единицу времени;

высокий коэффициент напыления, определяемый как массовый процент или процентное соотношение между количеством нанесенного материала и количеством материала, инжектированного в поток плазмы;

максимально высокое качество покрытия, в частности, возможность получения однородного и воспроизводимого покрытия, в том числе с высоким расходом материала;

минимальное потребление энергии;

минимально возможное время техобслуживания и максимальная продолжительность интервалов между двумя операциями техобслуживания;

пониженное загрязнение при разрушении материала катода.

Одной из задач настоящего изобретения является создание плазменной горелки, которая, по меньшей мере частично, удовлетворяла бы перечисленным выше критериям.

Сущность изобретения

Для выполнения поставленной задачи предложен плазмотрон, содержащий проходящий вдоль оси X катод и анод, причем указанные катод и анод расположены с возможностью создания под действием электрического напряжения электрической дуги в камере между анодом и катодом; инжектор для инжекции плазмообразующего газа, содержащий инжекционный канал, сообщающийся с указанной камерой посредством инжекционного отверстия.

В первом основном варианте осуществления соотношение К между осевым расстоянием х, отделяющим осевое положение р_Ас минимального радиального расстояния между анодом и катодом от осевого положения ръ указанного инжекционного отверстия, и максимальным поперечным размером Э_с катода в области камеры ниже по потоку от положения р_АС, называемой дуговой камерой, составляет менее 3,2, предпочтительно менее 2,5 и/или более 0,5.

Во втором основном варианте осуществления соотношение К' между осевым расстоянием х', отделяющим осевое положение р_с нижнего по потоку конца катода от осевого положения р_ь указанного инжекционного отверстия, и максимальным поперечным размером Э_с катода в дуговой камере составляет менее 3,5, предпочтительно менее 3,0 и/или более 1,2.

В третьем основном варианте осуществления соотношение К между радиальным расстоянием у_т указанного инжекционного отверстия, представляющим собой минимальное расстояние, отделяющее ось X от центра указанного инжекционного отверстия, и максимальным поперечным размером Э_с катода в дуговой камере составляет менее 2,5, предпочтительно более 1,25.

Авторы изобретения обнаружили, что заявляемый плазмотрон, вне зависимости от конкретного основного варианта осуществления, позволяет при малом потреблении электроэнергии и малом загрязнении катодом выполнять напыление с весьма высокими производительностью и коэффициентом напыления.

В частности, конструкция по третьему основному варианту осуществления позволяет добиться весьма высоких эксплуатационных показателей при вращении вокруг катода потока плазмообразующего

- 1 021709 газа с образованием вихря.

Предпочтительно любой из основных вариантов осуществления заявляемого плазмотрона может содержать по меньшей мере один признак других основных вариантов осуществления. Кроме того, любой из основных вариантов может иметь по меньшей мере один из следующих дополнительных признаков:

в группе инжекционных отверстий указанного инжектора указанное инжекционное отверстие является тем отверстием или одним из тех отверстий, что занимают самое нижнее по потоку осевое положение;

осевое расстояние X предпочтительно меньше 25 мм, предпочтительно меньше 18 мм и/или предпочтительно больше 5 мм, в частности, хорошо подходит расстояние х примерно 13 мм;

осевое расстояние X' предпочтительно меньше 30 мм, предпочтительно меньше 25 мм и/или предпочтительно больше 9 мм, даже больше 15 мм, в частности, хорошо подходит расстояние X' примерно 20 мм;

радиальное расстояние у1 предпочтительно меньше 27 мм, предпочтительно меньше 20 мм, даже меньше 15 мм и/или предпочтительно больше 6 мм, даже больше 10 мм, в частности, хорошо подходит расстояние у примерно 12 мм;

осевое расстояние х, отделяющее осевое положение р_АС от осевого положения р_А самой нижней по потоку точки анода, предпочтительно меньше 60 мм, предпочтительно меньше 50 мм и/или предпочтительно больше 30 мм, в частности, хорошо подходит расстояние х примерно 45 мм;

соотношение К' между минимальным радиальным расстоянием у_АС между анодом и катодом в осевом положении р_АС и максимальным поперечным размером Э_с катода в дуговой камере предпочтительно меньше 1,25, предпочтительно меньше 0,5 и предпочтительно больше 0,1, предпочтительно больше 0,2, в частности, хорошо подходит соотношение К' примерно 0,3;

инжектор снабжен множеством инжекционных отверстий, при этом для каждого из указанных отверстий верно по меньшей мере одно из условий, предпочтительно все условия, наложенные на соотношения К, К' и К и на расстояния х, х', х и у.

В качестве инжектора использован описанный ниже заявляемый инжектор.

На свободном конце катода имеется конический участок, предпочтительно заостренной или скругленной формы. Угол δ при вершине указанного конического участка предпочтительно больше 30°, предпочтительнее больше 40° и/или меньше 75°, предпочтительно меньше 60°. Длина конического участка вдоль оси катода предпочтительно больше 3 мм и/или меньше 5 мм, предпочтительно меньше 8 мм. Максимальный диаметр указанного конического участка (у основания участка) предпочтительно больше 6 мм, предпочтительно больше 8 мм и/или меньше 14 мм, предпочтительно меньше 10 мм. В предпочтительном варианте свободный конец конического участка скруглен, при этом радиус кривизны свободного конца предпочтительно больше 1 мм и/или меньше 4 мм.

На катоде, предпочтительно непосредственно выше по потоку от конического участка, имеется цилиндрический участок с предпочтительной длиной больше 5 мм, предпочтительно больше 8 мм и/или меньше 50 мм, предпочтительно меньше 25 мм, предпочтительно меньше 20 мм, предпочтительно меньше 15 мм. Цилиндрический участок имеет предпочтительно круглое сечение диаметром больше 4 мм, предпочтительно больше 6 мм, предпочтительно больше 8 мм и/или меньше 20 мм, предпочтительно меньше 14 мм, более предпочтительно меньше 10 мм. Диаметр цилиндрического участка предпочтительно, по существу, равен максимальному диаметру конического участка, таким образом, что цилиндрический участок является продолжением конического участка.

Предпочтительно на катоде имеется предпочтительно непосредственно выше по потоку от цилиндрического участка усеченно-конический участок, предпочтительно проходящий до задней части (поз. 59 на фиг. 2) камеры, в которой создают электрическую дугу. Предпочтительно угол γ при вершине указанного усеченно-конического участка больше 10°, предпочтительно больше 30° и/или меньше 90°, предпочтительно меньше 45°. Длина усеченно-конического участка может превышать 5 мм и/или быть меньше 15 мм. Предпочтительно максимальный диаметр усеченно-конического участка больше 6 мм, предпочтительно больше 10 мм и/или меньше 30 мм, предпочтительно меньше 20 мм, более предпочтительно меньше 18 мм и/или минимальный диаметр указанного усеченно-конического участка больше 4 мм, предпочтительно больше 6 мм, предпочтительно больше 8 мм и/или меньше 20 мм, предпочтительно меньше 14 мм, более предпочтительно меньше 10 мм. Предпочтительно минимальный диаметр равен диаметру цилиндрического участка, таким образом, что усеченно-конический участок продолжает собой цилиндрический участок.

В одном из вариантов осуществления длина конического участка меньше длины цилиндрического участка, при этом соотношение между длиной конического участка и длиной цилиндрического участка может составлять, в частности, более 0,5 и/или менее 1.

В одном из вариантов осуществления длина цилиндрического участка, по существу, равна длине усеченно-конического участка.

Предпочтительно на катоде имеется цилиндрический участок предпочтительно круглого сечения, предпочтительно соосно продолженный заходящим в дуговую камеру коническим участком. Кроме того, на катоде предпочтительно имеется усеченно-конический участок, соосно продолженный цилиндрическим участком предпочтительно круглого сечения, предпочтительно продолженный заходящим в дуго- 2 021709 вую камеру коническим участком.

Предпочтительно на катоде имеется усеченно-конический участок, при этом по меньшей мере одно, предпочтительно все, инжекционные отверстия расположены по меньшей мере в одной поперечной плоскости, разрезающей указанный усеченно-конический участок. В одном из вариантов осуществления все инжекционные отверстия находятся в одной поперечной плоскости, которую можно разместить, например на некотором расстоянии от основания усеченно-конического участка (соответствующего максимальному диаметру усеченно-конического участка), составляющем от 30 до 90%, предпочтительно от 40 до 70% длины усеченно-конического участка.

В качестве катода использован плазменный катод с обдувом дуги, предпочтительно горячий стержневой катод.

В одном из вариантов осуществления катод выполнен в виде цельной детали, то есть изготовлен из однородного материала. В другом варианте катод содержит вольфрамовый стержень и медную часть, при этом указанный вольфрамовый стержень вставлен в указанную медную часть.

Камера содержит верхнюю по потоку цилиндрическую часть и/или промежуточную суживающуюся часть (суживается в направлении вниз по потоку), и/или нижнюю по потоку цилиндрическую часть. Промежуточную суживающуюся часть можно выполнить, в частности, усеченно-конической или содержащей множество усеченно-конических частей, в частности две усеченно-конические части, соосно продолжающие друг друга (т.е. без ступеньки перехода между указанными усеченно-коническими частями). Предпочтительно угол ψι при вершине первой усеченно-конической части выше по потоку от второй усеченно-конической части больше угла ψ₂ при вершине указанной второй усеченно-конической части. Угол ψι при вершине может, в частности, составлять 50-70°. Угол при вершине ψ₂ может, в частности, составлять 10-20°.

Предпочтительно камера содержит последовательно расположенные в направлении сверху вниз по потоку и соосные друг другу верхнюю по потоку цилиндрическую часть, промежуточную суживающуюся часть и нижнюю по потоку цилиндрическую часть. Предпочтительная длина верхней по потоку цилиндрической части больше 5 мм и/или меньше 40 мм, предпочтительно меньше 20 мм. Предпочтительная длина промежуточной суживающейся части больше 10 мм и/или меньше 80 мм, предпочтительно меньше 40 мм и предпочтительно больше 20 мм и/или меньше 30 мм. Предпочтительная длина нижней по потоку цилиндрической части больше 10 мм и/или меньше 80 мм, предпочтительно меньше 40 мм и предпочтительно больше 20 мм и/или меньше 30 мм.

Предпочтительный диаметр верхней по потоку цилиндрической части больше 10 мм, предпочтительно больше 15 мм и/или меньше 70 мм, предпочтительно меньше 40 мм, предпочтительно меньше 30 мм.

Максимальный диаметр промежуточной суживающейся части (основания) больше 15 мм и/или меньше 40 мм, предпочтительно меньше 25 мм. Предпочтительный диаметр верхней по потоку цилиндрической части больше максимального диаметра промежуточной суживающейся части, так чтобы между указанными двумя частями была образована ступенька.

Минимальный диаметр промежуточной суживающейся части больше 4 мм, предпочтительно больше 5 мм и/или меньше 20 мм, предпочтительно меньше 12 мм, предпочтительно меньше 9 мм.

Диаметр нижней по потоку цилиндрической части больше 4 мм, предпочтительно больше 5 мм и/или меньше 20 мм, предпочтительно меньше 12 мм, более предпочтительно меньше 9 мм.

Более предпочтительно, чтобы минимальный диаметр промежуточной суживающейся части был, по существу, равен диаметру нижней по потоку цилиндрической части, так чтобы нижняя по потоку цилиндрическая часть могла быть продолжением промежуточной суживающейся части.

Длина верхней по потоку цилиндрической части больше длины усеченно-конического участка катода.

Более предпочтительно, чтобы сумма длин верхней по потоку цилиндрической части и промежуточной суживающейся части была больше длины катода в камере. В одном из вариантов осуществления свободный конец катода заходит, по существу, на половину длины промежуточной суживающейся части камеры. В частности, катод может заходить в промежуточную суживающуюся часть на расстояние от ее основания, составляющее 30-70%, предпочтительно 40-60% длины промежуточной суживающейся части.

Дополнительно изобретение относится к инжектору плазмообразующего газа, предназначенному для создания вихря вокруг катода, в частности вокруг заходящей в дуговую камеру нижней по потоку части катода.

Заявляемый инжектор может иметь по меньшей мере один из следующих дополнительных признаков:

инжектор размещен выше по потоку от заходящей в дуговую камеру части катода, в частности инжектор можно расположить на верхнем по потоку конце камеры;

инжектор содержит по меньшей мере один инжекционный канал, предпочтительно по меньшей мере четыре инжекционных канала, даже по меньшей мере восемь инжекционных каналов;

- 3 021709 диаметр инжекционного отверстия инжекционного канала предпочтительно больше 0,5 мм и/или меньше 5 мм, предпочтительно примерно 2 мм;

инжекционный канал расположен таким образом, что проекция оси инжекции в радиальной плоскости, проходящей через центр инжекционного отверстия указанного инжекционного канала, образует с осью X угол α больше 10°, больше 20° и меньше 70° или меньше 60°;

инжекционный канал расположен таким образом, что в собранном положении, в котором инжектор установлен в плазмотроне с осью X, проекция оси инжекции в поперечной плоскости, проходящей через центр инжекционного отверстия указанного инжекционного канала, образует с радиусом, проходящим в указанной поперечной плоскости через ось X и центр указанного инжекционного отверстия, угол β меньше 45°, предпочтительно меньше 30° и/или больше 5°, предпочтительно больше 10°, даже больше 20°;

множество инжекционных каналов, предпочтительно все инжекционные каналы, имеют одинаковые значения X и/или X', и/или α и/или β;

инжектор выполнен в виде кольца, предпочтительно вытянутого вдоль поперечной плоскости; осью кольца является ось X;

инжектор снабжен множеством инжекционных отверстий, распределенных под равными углами вокруг оси X.

Дополнительно изобретение относится к плазменной горелке, содержащей заявляемый плазмотрон;

средства инжекции напыляемого материала в создаваемый указанным плазмотроном поток плазмы.

Средства инжекции напыляемого материала могут сообщаться с внутренней частью плазмотрона, в частности с внутренним пространством дуговой камеры, или с пространством снаружи плазмотрона, в частности на выходе дуговой камеры.

Указанные средства инжекции напыляемого материала можно установить с обеспечением инжекции напыляемого материала вдоль оси в радиальной плоскости (проходящей через ось X), образующей с плоскостью, расположенной поперек оси X, угол θ с абсолютным значением меньше 40°, меньше 30°, меньше 20°; в частности, хорошо подойдет угол меньше 15°.

Инжекционный канал можно направить внутрь (отрицательный угол θ, см. фиг. 8) или наружу (положительный угол θ) относительно потока плазмы, или перпендикулярно оси X плазмотрона (θ = 0, см. фиг. 1).

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества изобретения пояснены в следующем ниже подробном описании со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых фиг. 1 изображает продольное сечение плазменной горелки согласно одному из вариантов осуществления;

фиг. 2 изображает часть конструкции с фиг. 1;

фиг. 3 а и 3Ь изображают продольное и поперечное сечения (по плоскости А-А с фиг. 3 а) инжектора плазмообразующего газа, используемого в плазменной горелке с фиг. 1;

фиг. 4, 5, 6 и 8 изображают продольные сечения вариантов заявляемой плазменной горелки; фиг. 7а изображает продольное сечение инжектора плазмообразующего газа, используемого в варианте плазменной горелки с фиг. 6; при этом фиг. 7Ь и 7с изображают поперечные сечения указанного инжектора плоскостями соответственно А-А и В-В с фиг. 7а;

фиг. 9 изображает катод согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления; фиг. 10 изображает анод согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления.

На разных чертежах для обозначения одинаковых или сходных компонентов использованы одинаковые номера позиций.

Подробное описание и чертежи имеют иллюстративный, не ограничительный характер. Используемые термины

В рамках настоящего описания термины выше/верхний по потоку и ниже/нижний по потоку даны относительно направления протекания потока плазмообразующего газа.

Термин поперечная плоскость относится к плоскости, перпендикулярной оси X.

Термин радиальная плоскость относится к плоскости, содержащей ось X.

Под термином осевое положение следует понимать положение вдоль оси X. Другими словами, осевому положению точки соответствует нормальная проекция этой точки на ось X.

Осевое положение р_АС минимального радиального расстояния между анодом и катодом представляет собой положение на оси X поперечной плоскости, соответствующее минимальному расстоянию между анодом и катодом. Указанному радиальному (т.е. измеренному в радиальной плоскости) расстоянию соответствует термин минимальное радиальное расстояние и символ у_АС, как показано на фиг. 2. Если расстояние между анодом и катодом является минимальным во множестве поперечных плоскостей, положение р_Ас соответствует положению самой верхней по потоку плоскости.

Термин камера относится к пространству, проходящему от выпускного отверстия, через которое

- 4 021709 плазма выходит из плазмотрона, в направлении внутренней части плазмотрона. Камера содержит верхнюю по потоку расширительную камеру, в которую инжектируют плазмообразующий газ, и дуговую камеру, в которой создают электрическую дугу. Граница между расширительной камерой и дуговой камерой задана поперечной плоскостью в положении р_АС.

Максимальный поперечный размер Э_С катода в дуговой камере относится к размеру только той части катода, которая заходит внутрь дуговой камеры. Если, аналогично предпочтительному варианту осуществления, катод содержит заходящий внутрь дуговой камеры цилиндрический участок круглого сечения, заканчивающийся образующим вершину коническим участком, то поперечный размер соответствует диаметру цилиндрического участка катода.

Слова содержит/содержащий означают, если не оговорено иначе, содержит/содержащий по меньшей мере один.

Подробное описание чертежей

На фиг. 1 изображена плазменная горелка 10, содержащая, как это свойственно известному уровню техники, плазмотрон 20 и средства 21 инжекции материала, напыляемого в создаваемый плазмотроном 20 поток плазмы.

Плазмотрон 20 содержит проходящий вдоль оси X катод 22 и анод 24, расположенные с обеспечением образования в камере 26 электрической дуги Е под действием электрического напряжения, вырабатываемого посредством источника 28 питания. Дополнительно плазмотрон 20 снабжен инжектором 30 для инжекции плазмообразующего газа С в камеру 26.

Кроме того, выше по потоку от инжектора 30 плазмотрон 20 может содержать камеру (не показана) для регулировки давления или равномерности давления плазмообразующего газа.

Наконец, плазмотрон 20 содержит корпус 34 для крепления остальных компонентов, в который помещены катододержатель 36 с прикрепленным катодом 22; анододержатель 38 с прикрепленным анодом 24; электроизолирующий элемент 40, размещенный между сборным узлом катододержателя 36 и катода 22 и сборным узлом анододержателя 38 и анода 24 с обеспечением электроизоляции между указанными узлами.

Как показано на фиг. 1, корпус 34 образован в основном двумя оболочками 34' и 34, вплотную охватывающими анододержатель, катододержатель и инжектор. Предпочтительно корпус 34 выполнен в виде единой детали. Как показано, например, на фиг. 8, в одном из частных вариантов осуществления инжектор и анододержатель образуют единую деталь. Преимуществом использования единой детали является обеспечение более надежного центрирования деталей относительно оси горелки и облегчение сборки и разборки горелки.

Электроизолирующий элемент 40 предпочтительно изготовлен из материала, стойкого к воздействию плазменного излучения. При этом характеристики средств, используемых для электроизоляции, можно подбирать в зависимости от локальной температуры. Например, как показано на фиг. 8, в области, не подверженной непосредственному действию плазмы, можно разместить изолирующую деталь 41 с пониженным тепловым сопротивлением.

На катододержатель 36 и анододержатель 38 подают то же напряжение, что и, соответственно, на катод 22 и анод 24. При этом катод 22 и анод 24 представляют собой обычные расходные детали из меди и вольфрама, а катододержатель 36 и анододержатель 38 изготовлены обычным образом из медного сплава.

Положительная и отрицательная клеммы источника 28 питания напрямую или опосредованно соединены, соответственно, с анодом 24 и катодом 22. Источник 28 питания выполнен обычным образом с возможностью создавать между анодом и катодом напряжение выше 40 В и/или ниже 120 В.

Как показано на фиг. 2, катод 22 в виде стержня с осью X содержит последовательно расположенные в направлении сверху вниз по потоку и соосные друг другу усеченно-конический участок 45 с убывающим диаметром, цилиндрический участок 46 с круглым поперечным сечением и конический участок 48 со скругленной вершиной.

В одном из вариантов осуществления диаметр цилиндрического участка больше 5 мм, больше 6 мм и/или меньше 11 мм, меньше 10 мм, при этом хорошо подходит диаметр примерно 8 мм.

Обозначенный Э_С диаметр цилиндрического участка 46 называется диаметром катода и предпочтительно равен примерно 8 мм. Осевое положение нижнего по потоку конца 50 катода 22 далее обозначено рС.

Катод 22 можно изготовить из вольфрама с добавлением при необходимости легирующей примеси, обеспечивающей снижение работы выхода электрона из металла катода по сравнению с работой выхода электрона из вольфрама. В частности, вольфрам можно легировать оксидом тория и/или оксидом лантана, и/или оксидом церия, и/или оксидом иттрия. По сравнению с катодом из чистого вольфрама, благодаря такому легированию можно добиться большей плотности электрического тока для температуры плавления металла либо уменьшения рабочей температуры на несколько сотен градусов Цельсия.

Катод можно изготовить из одного или нескольких материалов. Например, в варианте с фиг. 8 катод 22 содержит стержень 22 из легированного или нелегированного вольфрама и медную часть 22' для крепления к катододержателю.

- 5 021709

Анод 24 выполнен в виде втулки с осью X, внутренняя поверхность 54 которой содержит расположенные последовательно в направлении сверху вниз по потоку усеченно-конический участок 56 и цилиндрический участок 58 круглого сечения.

Аналогично катоду, анод можно изготовить из одного или нескольких материалов.

Для уменьшения эрозии анода под действием основания дуги плазменного шнура по меньшей мере часть внутренней поверхности 54 анода, в частности, ниже по потоку от области зажигания дуги (на усеченно-коническом участке 56), изготовлена из тугоплавкого проводящего металла, предпочтительно вольфрама.

Как показано на фиг. 8, можно дополнительно защитить внутреннюю поверхность цилиндрического участка 58 анода с помощью покрытия или втулки 57, например из вольфрама.

Осевое положение анода 24 выбрано таким образом, что часть цилиндрического участка 46 и конический участок 48 катода 22 расположены напротив усеченно-конического участка 56, т.е. в пространстве камеры 26, радиальные границы которой заданы усеченно-коническим участком 56.

В варианте осуществления с фиг. 1 осевое положение р_АС находится, по существу, в месте перехода между цилиндрическим участком 46 и коническим участком 48 катода 22.

Камера 26 содержит расположенные последовательно в направлении сверху вниз по потоку расширигельную камеру 26', проходящую в осевом направлении от задней части 59 камеры 26 до положения р_АС, и дуговую камеру 26, проходящую в осевом направлении от положения р_АС до положения р_А выпускного отверстия 60, границы которого заданы нижним по потоку концом анода и через которое плазма выходит из плазмотрона.

Предпочтительно диаметр выпускного отверстия 60 больше 4 мм, предпочтительно больше 5 мм и/или меньше 15 мм, предпочтительно меньше 9 мм.

Камера 26 может сообщаться с выпускным отверстием 60 посредством сопла, предпочтительно проходящего вдоль оси X, при этом сопло может иметь диаметр, изменяющийся в зависимости от места выполнения поперечного сечения, как показано, например, на фиг. 4, или быть постоянным, как показано на фиг. 1.

Инжектор 30, более подробно изображенный на фиг. 3а и 3Ь, выполнен и установлен таким образом, чтобы создавать газовый поток, вращающийся вокруг цилиндрического участка 46, даже вокруг конического участка 48 катода 22. Предпочтительно инжектор 30 выполнен в виде кольца с осью X.

В боковой стенке 70 указанного кольца проделаны восемь, по существу, прямолинейных инжекционных каналов 72, каждый из которых сообщается с внутренним пространством кольца посредством инжекционного отверстия 74. Центр инжекционного отверстия 74 задает осевое положение р1 и радиальное расстояние у₁ указанного инжекционного отверстия.

Поперечное сечение инжекционного канала 73 является, по существу, цилиндрическим, с диаметром Ό от 0,5 до 5 мм.

Радиальное расстояние у₁ между осью X и центром любого из указанных инжекционных отверстий является постоянным, предпочтительно больше 10 мм и/или меньше 20 мм; при этом хорошо подходит радиальное расстояние примерно 12 мм.

Инжекционные отверстия 74 расположены в одной поперечной плоскости Р (в сечении А-А), имеют одинаковый диаметр Ό, одинаковое осевое положение р (=р1) и одинаковое радиальное расстояние у (=Уг).

Инжекционный канал 72 проходит сквозь боковую стенку в осевом направлении кольца и вдоль оси I! инжекции. Как показано на фиг. 3 а, в радиальной плоскости, проходящей через центр инжекционного отверстия 74, проекция оси инжекции 1₁ и ось X образуют угол α, равный 45°.

Как показано на фиг. 3Ь, в плоскости поперечной проекции, проходящей через центр инжекционного отверстия 74, ось 1₁ инжекции и радиус, проходящий через ось X и центр указанного инжекционного отверстия, образуют угол β, равный 25°.

Инжектор 30 размещен в расширительной камере 26'.

Осевое расстояние между осевым положением рАс минимального радиального расстояния между катодом 22 и анодом 24 и положением р инжекционных отверстий в самой нижней по потоку плоскости Р обозначено х.

Соотношение между х и диаметром И_с цилиндрического участка 346 катода 22 обозначено К (К = р_АС/И_С). В варианте осуществления с фиг. 1 или 2 х равен примерно 15 мм; соотношение К равно примерно 1,88.

Осевое расстояние между осевым положением р_с нижнего по потоку конца 50 катода 22 и положением р обозначено х'. Соотношение между х' и диаметром И_с катода 22 обозначено К' (К' = х'/И_С). В варианте осуществления с фиг. 1 или 2 х' равен примерно 20 мм; соотношение К' равно 2,5.

Наконец, соотношение между радиальным расстоянием у между осью X и инжекционными каналами 72 и диаметром И_С катода 22 обозначено К (К =у/И_С). В варианте осуществления с фиг. 1 или 2 у равен примерно 13 мм; соотношение К равно примерно 1,63.

Не ограничиваясь одной теорией, изобретатели обнаружили, что когда по меньшей мере одно из

- 6 021709 соотношений К, К' и К соответствует предложенному в изобретении, плазменная горелка демонстрирует весьма высокие эксплуатационные показатели, в частности, при инжекции плазмообразующего газа выше по потоку от катода, в частности, если при этом обеспечено вращение плазмообразующего газа вокруг катода. Для этого особенно целесообразно использовать заявляемый инжектор. Согласно изобретению, плазмообразующий газ инжектируют очень близко к нижнему по потоку концу катода. На столь малом расстоянии происходит незначительное ослабление потока плазмообразующего газа, при этом на момент встречи с дугой происходит некоторое охлаждение газа. Таким образом сохранена высокая вязкость газа, что облегчает поддержание и удлинение дуги и обеспечивает, тем самым, возможность увеличения мощности плазмотрона. Кроме того, вращение газа вокруг катода позволяет получить преимущество в виде меньшего износа электродов.

В качестве плазмообразующего газа С, поток которого обозначен стрелкой Р на фиг. 2, предпочтительно использовать газ, такой как аргон, и/или водород, и/или гелий, и/или азот.

Дополнительно плазмотрон 20 снабжен охлаждающими средствами, предназначенными для охлаждения анода 24, и/или катода 22, и/или катододержателя 36, и/или анододержателя 38. В состав указанных средств могут входить, в частности, средства, обеспечивающие циркуляцию охлаждающего вещества, например воды, предпочтительно в турбулентном режиме, при этом предпочтительное значение числа Рейнольдса, определяющего турбулентный режим указанной жидкой среды, может превышать 3000 и в более предпочтительном варианте превышать 10000.

В частности, в анододержателе 38 можно разместить камеру охлаждения 76 с осью X, дающую охлаждающей жидкости возможность циркулировать вблизи анода 24.

Как показано на фиг. 8, охлаждающие средства могут быть общими для корпуса 34, анода и катода.

Помимо плазмотрона 20 плазменная горелка 10 содержит средства 21 инжекции, в показанном варианте осуществления расположенные таким образом, чтобы инжектировать напыляемые частицы вблизи выпускного отверстия 60 камеры 26. Для этого подойдут любые традиционно используемые средства инжекции, установленные внутри или снаружи дуговой камеры 26. То есть средства для инжекции частиц не обязательно должны быть установлены снаружи плазмотрона; как показано на фиг. 5, указанные средства могут быть встроены в плазмотрон.

В варианте осуществления с фиг. 1 средства инжекции 21 расположены таким образом, чтобы по меньшей мере часть напыляемого материала была инжектирована в направлении оси X вдоль оси, образующей с поперечной плоскостью Р угол θ, равный примерно 0°. На фиг. 8 угол θ равен примерно 15°.

На фиг. 9 изображен один из вариантов осуществления катода 22.

Катод 22 содержит вольфрамовый стержень 22 и медную часть 22', при этом вольфрамовый стержень 22 вставлен в медную часть 22'.

На катоде имеются верхняя по потоку часть 22а и нижняя по потоку часть 22Ь, предназначенные для размещения, соответственно, снаружи камеры 26 и внутри камеры 26 (см., например, фиг. 2). В оставшейся части описания рассмотрена только нижняя по потоку часть 22Ь.

Свободный конец нижней по потоку части 22Ь образован коническим участком 82 со скругленной вершиной. Радиус кривизны указанного конца больше 1 мм и меньше 4 мм. Угол δ при вершине указанного конического участка составляет примерно 45°. Длина Ь₈₂ указанного конического участка 82 вдоль оси катода больше 3 мм и меньше 8 мм. Максимальный диаметр Ό₈₂ указанного конического участка (у основания участка) больше 6 мм и меньше 10 мм.

На катоде 22 имеется расположенный непосредственно выше по потоку от конического участка 82 цилиндрический участок 84 круглого сечения с диаметром, равным Ό₈₂. Длина Ь₈₄ цилиндрического участка 84 больше 5 мм и меньше 15 мм.

Кроме того, непосредственно выше по потоку от цилиндрического участка 84 на катоде имеется усеченно-конический участок 86 с углом у при вершине больше 30 и меньше 45°. Длина Ь₈₆ усеченноконического участка 86 больше 5 мм и меньше 15 мм. Максимальный диаметр Ό₈₆ усеченно-конического участка 86 больше 6 мм и/или меньше 18 мм. При этом минимальный диаметр усеченно-конического участка 86, по существу, равен Ό₈₂, так что усеченно-конический участок 86 является продолжением цилиндрического участка 84.

Предпочтительно катод установлен таким образом, чтобы при эксплуатации по меньшей мере одно, предпочтительно все, инжекционные отверстия находились в поперечной плоскости Р_ь разрезающей указанный усеченно-конический участок 86. В одном из вариантов осуществления указанная плоскость находится на расстоянии ζ от основания усеченно-конического участка 86, составляющем 30-90% длины Ь₈₆ указанного участка 86.

На фиг. 10 изображен один из вариантов осуществления анода 24, содержащего первую часть 24а из меди или медного сплава и вторую часть 24Ь из вольфрама или вольфрамового сплава. Вторая часть 24Ь вставлена в первую часть 24а и вместе с первой частью 24а образует нижнюю по потоку часть камеры 26, проходящую ниже по потоку от показанной пунктиром верхней по потоку цилиндрической части 26а, границы которой заданы инжектором 30.

Вторая часть 24Ь, в частности, задает границы дуговой камеры.

- 7 021709

Нижняя по потоку часть камеры 26 содержит расположенные последовательно в направлении сверху вниз по потоку промежуточную суживающуюся часть 26Ь (суживается в направлении вниз по потоку) и нижнюю по потоку цилиндрическую часть 26с.

Промежуточная суживающаяся часть 26Ь содержит соосные и продолжающие друг друга первую и вторую усеченно-конические части 26Ь' и 26Ь. Угол ψι при вершине первой усеченно-конической части 26Ь' выше по потоку от второй усеченно-конической части на 50-70° больше угла ψ₂ при вершине второй усеченно-конической части 26Ь, равного 10-20°.

Длина Ь_26а верхней по потоку цилиндрической части 26а составляет 5-20 мм. Длина Ь_26а промежуточной суживающейся части 26Ь равна примерно 24 мм.

Длина Ь_26Ь' первой усеченно-конической части 26Ь' составляет 2-10 мм, например примерно 5 мм.

Длина Ь_26с нижней по потоку цилиндрической части 26с составляет 20-30 мм.

Диаметр Ό_26α верхней по потоку цилиндрической части 26а больше 10 мм и меньше 30 мм.

Максимальный диаметр О_26Ь промежуточной суживающейся части 26Ь (основания) составляет примерно 18 мм.

Диаметр Ό_26α верхней по потоку цилиндрической части больше максимального диаметра О_26Ь промежуточной суживающейся части, вследствие чего между указанными двумя частями образована ступенька 80.

Минимальный диаметр й_26Ь промежуточной суживающейся части 26Ь больше 4 мм и меньше 9 мм.

Диаметр нижней по потоку цилиндрической части 26с равен й_26Ь.

Предпочтительно длина Ь_26а верхней по потоку цилиндрической части 26а больше длины Ь₈₆ усеченно-конического участка 86 катода 24. Более предпочтительно сумма (Ь_26а + Ь_26Ь) длин верхней по потоку цилиндрической части 26а и промежуточной суживающейся части 26Ь больше длины Ь_22Ь катода 22 в камере 26. Когда катод 22 установлен в рабочее положение в камере 26, границы которой заданы анодом 22, свободный конец катода предпочтительно заходит в камеру, по существу, на половину длины промежуточной суживающейся части камеры.

Функционирование заявляемой плазменной горелки аналогично функционированию известных плазменных горелок. Источник 28 питания создает разность потенциалов катода 22 и анода 24, в результате чего образуется электрическая дуга Е. Затем посредством инжектора 30, расположенного выше по потоку от нижнего по потоку конца 50 катода 22, инжектируют плазмообразующий газ С, при этом расход газа обычно выше 30 л/мин и ниже 100 л/мин, температура газа выше 0 и ниже 50°С, и абсолютное давление газа ниже 10 бар. Поток плазмообразующего газа С вращается вокруг катода 22 и перемещается внутрь камеры 26 в направлении выпускного отверстия 60. При прохождении через электрическую дугу Е плазмообразующий газ С превращается в высокотемпературную плазму, температура которой обычно превышает 8000 К или даже 10000 К. Поток плазмы выходит из камеры 26, по существу, вдоль оси X со скоростью, которая обычно выше 400 и ниже 800 м/с.

Одновременно с этим в поток плазмы с помощью средств 21 инжекции инжектируют напыляемый материал в виде частиц.

В качестве напыляемого материала можно использовать, в частности, минеральный, металлический и/или керамический порошок, и/или металлокерамический порошок, или даже органический порошок, или, при необходимости, жидкость, например суспензию или раствор напыляемого материала.

Затем поток плазмы захватывает и нагревает напыляемый материал, причем в процессе нагрева даже происходит плавление указанного материала. При направлении плазменной горелки 10 на подложку выполняется напыление на подложку материала. Во время охлаждения указанный материал затвердевает и образует сцепление с подложкой.

Примеры

Описываемые ниже примеры являются иллюстративными и не ограничивают объем заявленных притязаний.

Выполнено сравнение двух плазменных горелок Т1 и Т2, аналогичных показанным на фиг. 8, с двумя имеющимися на рынке горелками - одной традиционной горелкой Р4 и одной трикатодной горелкой последнего поколения. Условия эксплуатации двух известных горелок (электрические параметры, состав плазмообразующего газа, расход инжектируемого порошка, дистанция напыления) соответствуют рекомендованным номинальным требованиям изготовителя или условиям, признанным еще более благоприятными. Условия эксплуатации плазменных горелок Т1 и Т2 были подобраны таким образом, чтобы обеспечить по возможности лучшие эксплуатационные показатели.

В приводимую ниже таблицу сведены технические характеристики протестированных плазменных горелок, а также условия проведения испытаний. Две имеющиеся на рынке плазменные горелки снабжены инжекционными отверстиями, сообщающимися с задней частью камеры. Соответственно, к указанным двум плазменным горелкам неприменимы размерные параметры заявляемого инжектора плазмообразующего газа.

- 8 021709

Плазменная горелка	Т1	Т2	Известная горелка Р4	Три катодная горелка последнего поколения
Положение инжектора плазмообразующего газа относительно катода	боковое	боковое	сзади	сзади
Инжектор плазмо- образующего газа	Угол а	45°	45°	Неприменимы	Неприменимы
Угол β	25°	0°
х (= Рас -Р,)	13 мм	13 мм
Р (= хЛЭс)	1,6	1,6
х' (= Рс — Р,>	20 мм	20 мм
К’ (= Х'/Эс)	2,5	2,5
У	12,5 мм	12,5 мм
В (= ν/Ос)	1,75	1,75
Дуговая камера	Диаметр катода (Ос)	8 мм	8 мм
Р'” (= Уас/Ос)	0,3	0,3
х(= Ра-Рас)	43,5 мм	43,5 мм
Диаметр выпускного отверстия (цилиндрического канала)	6,5 мм	6,5 мм		9 мм
Источник питания	Ток (А)	750	700	630	530
Напряжение(В)	72	66	68,5	103
Мощность (кВт)	54	46,2	43	55
Плазмообразующий газ	Аргон (л/мин.)	50	40	38	30
Водород (л/мин.)	16	12	13	0
Гелий (л(мин.)	0	0	0	35
Напыление порошка	Газ-носитель	Аг	Аг	Аг	Аг
Расход газаносителя (л/мин.)	3 χ 4 ± 1	1 χ 4,5 ± 1	3,2	3 χ 3,5
Расход инжектируемого порошка (г/мин.)	120	45	40	100
Дистанция напыления (расстояние от выпускного отверстия до подложки) (мм)	140	120	110	90
Диаметр отверстия для инжекции напыляемого порошка	2 мм	2 мм	1,5 мм	1,8 мм
Расстояние между средствами инжекции порошка и осью горелки	9 мм	9 мм	6 мм	6,5 мм
Угол инжекции относительно оси горелки	90’	90’	90°	90’
Состав напыляемого порошка	Оксид хрома	Оксид хрома
Зернистость напыляемого порошка	17-45 мкм	17-45 мкм

Результаты	Коэффициент напыления(%)	52	45	40	50
Производительность (г/мин.)	62,4	20	16	50
Энергия, потребляемая для нанесения 1 кг материала (кВтч)	14,4	38,5	44,8	18,3

В таблице наглядно показано, что при пониженном потреблении энергии заявляемая плазменная горелка позволяет добиться весьма высоких значений коэффициента и производительности напыления.

Сравнение эксплуатационных показателей плазменных горелок Т1 и Т2 показывает, что плазменная горелка Т1 при сходном (52%) и даже более высоком коэффициенте напыления (коэффициент напыления Т2 равен 45%) позволяет получить более чем трехкратное повышение производительности по сравнению с плазменной горелкой Т2, у которой угол β равен 0° (производительность Т1 выше 62%, в то время как производительность Т2 составляет примерно 20%).

Измерения степени износа показали, что при равных мощностях износ электродов заявляемой

- 9 021709 плазменной горелки, в частности, при указанных выше углах α и β меньше износа электродов традиционных горелок, в частности, меньше износа электродов плазменной горелки Р4. Благодаря этому снижено загрязнение слоя нанесенного материала медью и/или вольфрамом.

Разумеется, изобретение не ограничено описанными и проиллюстрированными вариантами осуществления. В частности, заявляемая плазменная горелка может представлять собой плазменную горелку любого известного типа, в частности, с обдувом плазменной дуги или с горячим катодом, в частности со стержневым горячим катодом.

Количество и форма анодов и катодов не ограничиваются описанными и проиллюстрированными вариантами.

В другом варианте осуществления плазмотрон содержит множество анодов и/или катодов, в частности по меньшей мере три катода. При этом предпочтительно использовать в плазмотроне только один катод и/или только один анод. Это облегчает управление плазмотроном.

На форму камеры также не накладывается каких-либо ограничений.

Инжектор также может отличаться от изображенного на фиг. 1. Например, инжектор может содержать одно кольцо или множество колец.

Возможно любое количество инжекционных каналов, причем не обязательно круглого сечения. Каналы могут иметь, например, овальное или многоугольное, в частности прямоугольное сечение.

Расположение инжекционных каналов также может отличаться от изображенного на фиг. 1. Инжекционные каналы можно расположить, например, по спирали или, в более общем случае, таким образом, чтобы не все инжекционные отверстия находились в одной поперечной плоскости и были расположены, в частности, в двух (как показано на фиг. 6), трех, четырех или в большем количестве поперечных плоскостей.

Инжектор с фиг. 6, более подробно изображенный на фиг. 7а, 7Ь и 7с, снабжен двадцатью инжекционными отверстиями 74, распределенными по первой и второй поперечным плоскостям Р₁ и Р₂.

В первой поперечной плоскости Р₁ под равными углами вокруг оси X расположены восемь инжекционных отверстий 74₁ с одинаковым диаметром Όι и одинаковым радиальным расстоянием у₁ В поперечной плоскости проекция оси Е инжекции инжекционного отверстия 74₁ и радиус, проходящий в указанной поперечной плоскости через ось X и центр указанного инжекционного отверстия, образуют угол β₁.

Во второй поперечной плоскости Р₂, находящейся ниже по потоку от Р₁, под равными углами расположены оставшиеся двенадцать инжекционных отверстий 74₂ с одинаковым диаметром Ό₂ больше Όι и одинаковым радиальным расстоянием у₂, равным у₁. В поперечной плоскости проекция оси 1₂ инжекции инжекционного отверстия 74₂ и радиус, проходящий в указанной поперечной плоскости через ось X и центр указанного инжекционного отверстия, образуют угол β₂, причем угол β₂ больше угла β₁.

Предпочтительно соотношение между суммарным сечением §1 отверстий 74! и суммарным сечением §2 отверстий 74₂ (=§1/ §2) составляет 0,25-4,0. Под суммарным сечением в данном случае понимается сумма площадей всех поперечных сечений группы отверстий.

В другом варианте осуществления значение у1 может отличаться от значения у2. При этом отверстия одной поперечной плоскости могут иметь разные радиальные расстояния у_ь

Кроме того, инжекционные отверстия можно сгруппировать по два, три или больше отверстий. Например, в одном из вариантов инжектор может содержать четыре пары отверстий, при этом указанные пары предпочтительно распределить под равными углами.

При размещении инжекционных отверстий в множестве поперечных плоскостей отверстия первой плоскости могут быть выровнены вдоль направления оси X или смещены относительно отверстий второй плоскости, например иметь угловое смещение на некоторый постоянный угол.

Claims (20)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Плазменная горелка, включающая в себя плазмотрон, содержащий катод (22), проходящий вдоль оси X, и анод (24), причем указанные катод и анод расположены с возможностью создания под действием электрического напряжения электрической дуги в камере (26) между анодом и катодом;

   инжектор (30) для инжекции плазмообразующего газа, содержащий инжекционный канал (72), проходящий вдоль оси (1₁) инжекции и сообщающийся с указанной камерой посредством инжекционного отверстия (74); средства инжекции напыляемого материала в поток плазмы, создаваемый указанным плазмотроном;

   при этом указанная плазменная горелка отличается тем, что соотношение К между радиальным расстоянием (у₁) указанного инжекционного отверстия, представляющим собой минимальное расстояние между осью X и центром указанного инжекционного отверстия, и максимальным поперечным размером (Ос) катода в области камеры ниже по потоку от положения р_Ас, соответствующего осевому положению минимального радиального расстояния между анодом и катодом и определяемого как положение на оси X поперечной плоскости, в котором расстояние между анодом и катодом является минимальным, составляет менее 2,5;

   - 10 021709 проекция оси (1₁) инжекции в поперечной плоскости, проходящей через центр инжекционного отверстия указанного инжекционного канала, образует с радиусом, проходящим в указанной поперечной плоскости через ось X и центр указанного инжекционного отверстия, угол β меньше 45°.
2. 2. Плазменная горелка по п.1, в которой проекция оси (1₁) инжекции в радиальной плоскости, проходящей через центр инжекционного отверстия указанного инжекционного канала (72), образует с осью X угол α больше 10 и меньше 70°.
3. 3. Плазменная горелка по п.1, в которой указанный угол β больше 5°.
4. 4. Плазменная горелка по п.1, в которой угол α больше 20 и меньше 60° и/или угол β меньше 30°.
5. 5. Плазменная горелка по п.1, в которой в группе инжекционных отверстий указанного инжектора указанное инжекционное отверстие является тем отверстием или одним из тех отверстий, что занимают самое нижнее по потоку осевое положение (р₁).
6. 6. Плазменная горелка по п.1, в которой радиальное расстояние (у₁) указанного инжекционного отверстия меньше 27 и больше 6 мм.
7. 7. Плазменная горелка по п.1, в которой инжектор (30) размещен выше по потоку от положения р_АС минимального радиального расстояния между анодом и катодом.
8. 8. Плазменная горелка по п.1, в которой на катоде имеется усеченно-конический участок (86) и в которой указанное инжекционное отверстие расположено в поперечной плоскости (Р), разрезающей указанный усеченно-конический участок.
9. 9. Плазменная горелка по п.1, в которой на катоде имеется усеченно-конический участок (86), причем все инжекционные отверстия расположены по меньше мере в одной поперечной плоскости (Р), разрезающей указанный усеченно-конический участок.
10. 10. Плазменная горелка по п.8, в которой указанная по меньшей мере одна поперечная плоскость расположена на расстоянии от основания указанного усеченно-конического участка (86), составляющем от 30 до 90% длины указанного усеченно-конического участка.
11. 11. Плазменная горелка по п.1, в которой осевое расстояние х между осевым положением р_АС и осевым положением (Р_А) самой нижней по потоку точки анода больше 30 мм.
12. 12. Плазменная горелка по п.11, в которой осевое расстояние х между осевым положением рАС и осевым положением (РА) самой нижней по потоку точки анода меньше 60 мм.
13. 13. Плазменная горелка по п.1, в которой соотношение К между осевым расстоянием х, отделяющим осевое положение рАС минимального радиального расстояния между анодом и катодом от осевого положения (р₁) указанного инжекционного отверстия, и максимальным поперечным размером (Л_С) катода в области камеры ниже по потоку от положения р_АС составляет менее 3,2.
14. 14. Плазменная горелка по п.13, в которой осевое расстояние х больше 5 и меньше 25 мм.
15. 15. Плазменная горелка по п.1, в которой соотношение К' между осевым расстоянием х', отделяющим осевое положение р_С нижнего по потоку конца катода от осевого положения (р₁) указанного инжекционного отверстия, и максимальным поперечным размером (Л_С) катода в области камеры ниже по потоку от положения р_АС минимального радиального расстояния между анодом и катодом составляет менее 3,5.
16. 16. Плазменная горелка по п.15, в которой осевое расстояние х' больше 9 и меньше 30 мм.
17. 17. Плазменная горелка по п.1, в которой соотношение К' между минимальным радиальным расстоянием у_АС между анодом и катодом в положении р_АС и максимальным поперечным размером (Л_С) катода в области камеры ниже по потоку от положения рАС минимального радиального расстояния между анодом и катодом составляет менее 1,25.
18. 18. Плазменная горелка по п.1, в которой инжектор снабжен множеством инжекционных отверстий, при этом для каждого из указанных отверстий верно по меньшей мере одно из условий, наложенных на соотношения К, К' и К и на расстояния х, х', х и у₁.
19. 19. Плазменная горелка по п.1, содержащая единственный катод и/или единственный анод.
20. 20. Плазменная горелка по п.1, в которой катод (22) выполнен в виде стержня с осью X, содержит последовательно расположенные в направлении сверху вниз по потоку и соосные друг другу усеченноконический участок (45) с убывающим диаметром, цилиндрический участок (46) с круглым поперечным сечением и конический участок (48) со скругленной вершиной.