PL66192B1 - - Google Patents

Description

Pierwszenstwo: Opublikowano: 10.X.1972 66192 KI. 21h,16/60 MKP H05b 7/00 CZYTELNIA Uj4]yrzedu Palentawecr- Pilskiej Bzeczypoiu,' «| L Wspóltwórcy wynalazku: Wojciech Brzozowski, Michal Mikos Wlasciciel patentu: Instytut Badan Jadrowych, Warszawa (Polska) Piec plazmowy zwlaszcza do topienia metali i materialów ceramicznych Przedmiotem wynalazku jest piec plazmowy do wytwarzania obszarów o wysokiej temperaturze i wysokiej koncentracji przekazywania energii zwlaszcza do topienia metali, materialów ceramicz¬ nych i trudnotopliwych, w którym zródlem ciepla jest strumien plazmy, to jest gazu zjonizowanego o temperaturze rzedu 10 000°C — 20 000°C.Dotychczas stosuje sde glównie strumienie plazmy do topienia trudnotopliwych materialów w skali la¬ boratoryjnej. Wysoka koncentracja energii w stru¬ mieniu plazmy oraz mozliwosci przekazywania mocy cieplnej rzedu 20 — 40 kW ma 1 cm2 powierzchni ciala omywanego strumieniem plazmy, stworzyly warunki do stopienia kazdego materialu stalego.Przeniesienie jednak tych mozliwosci na skale techniczna natrafilo na pewne trudnosci. Po pierwsze: duza koncentracja energii w strumieniu plazmy o niewielkiej srednicy rzedu 1 — 3 cm po¬ wodowala nierównomiernosc w rozkladzie tempe¬ ratury w przypadku zastosowania wiekszej objetos¬ ci pieca i pociagala za soba nierówne ogrzewanie materialu topionego. Wada ta wystepuje jaskrawo np. w piecach do topienia metali o plytkich tyg¬ lach lub wannach przy stosunku srednica tygla 1 glebokosc tygla Po drugie: dotychczasowe konstrukcje pieców plazmowych charakteryzuja sie koniecznoscia po¬ siadania tak zwanego spodniego trzonu dla odpro¬ wadzenia pradu, który to trzon spelnia role anody, 10 15 20 25 30 podczas gdy katoda jest plazmotron wytwarzajacy plazme. Trzon umieszczony w spodzie tygla lub wanny, bedac w kontakcie z cieklym metalem musi byc intensywnie chlodzony woda. Stwarza to dodatkowe komplikacje konstrukcyjne oraz potenc¬ jalne mozliwosci powaznych awarii w przypadku przecieku wody do topionego metalu.Celem wynalazku jest stworzenie duzych obsza¬ rów wysokiej temperatury i wysokiej koncentracji przekazywania energii bez powyzszych wad, a zadaniem technicznym opracowanie takiego pieca plazmowego,w którym uzyskane temperatury beda mogly byc wykorzystane do celów przemyslowych.Zgodnie z wynalazkiem rozwiazanie tego zagad¬ nienia polega na wbudowaniu w piecu plazmowym co najmniej dwu plazmotronów wytwarzajacych strumienie plazmowe tworzace zewnetrzny obwód zamkniety, przez który przepuszcza sie prad ele¬ ktryczny z dodatkowego zewnetrznego zródla zasi¬ lania przez co zwieksza sie znacznie entalpie plazmy zwlaszcza w obszarze przecinania sie — laczenia sie — strumieni plazmowych. Obwód prze¬ wodzacy moze skladac sie zarówno ze strumieni plazmowych jak i odcinków przewodzacych utwo¬ rzonych na przyklad z cial topionych. W przypadku zastosowania dwóch plazmotronów przecinajace sie osie obu strumieni plazmowych moga tworzyc kat od 0° —180°. Jeden z plazmotronów pracuje wów¬ czas w specjalnych warunkach z dysza-anoda zasilana pradami o przeciwnych kierunkach. Przy 6619266192 3 4 kacie 0° strumienie plazmowe nie przecinaja sie, a obwód zamkniety tworzy sie na przyklad poprzez topiony material. Natomiast przy wiekszej ilosci strumieni plazmowych wspólnie polaczonych moze powstac obwód przewodzacy o dowolnej geometrii plaskiej lub przestrzennej. Zwiekszenie temperatu¬ ry i mocy na jednostke dlugosci strumienia plaz¬ mowego przy ustalonej geometrii obwodu wylado¬ wania odbywa sie najczesciej na drodze powiek¬ szania gestosci pradu w obwodzie (ampery na cm2 przekroju strumienia plazmy).Wynalazek wprowadza istotny postep w dziedzi¬ nie zastosowania plazmy do topienia i przetapiania wszelkich materialów trudnotopliwych zarówno przewodzacych jak i nieprzewodzacych prad ele¬ ktryczny w stanie stalym. Stwarza on mozliwosci podwyzszenia mocy pieców, podwyzszenia tempera¬ tury przy wysokiej równomiernosci jej rozkladu oraz sprawnosci ogrzewania poprzez lepsze wyrów¬ nanie temperatur i zwiekszenie powierzchni wy¬ miany ciepla.Wynalazek zostanie blizej objasniony na przykla¬ dzie wykonania przedstawionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat obwodu prze¬ wodzacego z uzyciem dwóch plazmotronów, fig. 2 — schemat pary obwodów przewodzacych na dwóch równoleglych plaszczyznach z uzyciem czterech plazmotronów, fig. 2a — uproszczony schemat z fig. 2, fig. 3 — schemat pieca plazmowego z od¬ cinkiem obwodu przewodzacego utworzonego przez topiony material, fig. 4 — schemat pieca plazmo¬ wego, zwlaszcza do topienia materialów ceramicz¬ nych z obwodem przewodzacym wedlug fig. 1, fig. 5 — schemat pieca plazmowego z obwodem przewodzacym wedlug fig. 2.Jak pokazano na fig. 1 plazmatron 1 bedacy ano¬ da obwodu zewnetrznego zasilany ze zródla 3 wy¬ twarza laminarmy strumien plazm wyplywajacy wzdluz osi plazmotronu w kierunku osi x. Jedno¬ czesnie plazmotron 2 bedacy katoda obwodu ze¬ wnetrznego zasilany ze zródla 4 poprzez opór R wytwarza równiez laminarny strumien plazmy w kierunku osi y. W momencie spotkania sie obu strumieni plazmy poplynie przez nowoutworzony obwód prad Iz ze zródla zasilania 4, jednoczesnie zostanie irozlaczony obwód wewnetrzny plazmotro¬ nu 2 za pomoca wylacznika W. W obu obwodach to jest w obwodzie zewnetrznym utworzonym przez strumienie 5 i 6 oraz w obwodzie wewnetrznym plazmotronu 1 ustala sie prady Iz i Iw zgodnie z opornoscia obwodów i charakterystyka zródel za¬ silania. Wyladowanie lukowe z pradem wewnetrz¬ nym Iw w plazmotronie 1 stwarza w jego dyszy- anodzie obszar zjonizowany, stabilizujacy przeplyw pradu Iz z obwodu zewnetrznego do dyszy-anody plazmotronu 1. Jest to warunek konieczny dla za¬ pewnienia stabilnej pracy obu plazmotronów wedlug konfiguracji przedstawionej na fig. 1.Kat a, pomiedzy osiami strumieni plazmy 5 i 6 moze przyjmowac wszelkie wartosci w przedziale otwartym od 0° —180°. Przypadek gdy kat a przyj¬ muje wartosc zerowa odpowiada równoleglemu ustawieniu osi obu plazmotronów, to jest os x jest równolegla do osi y, obwód elektryczny moze wówczas zamykac sie poprzez topiony metal lub inny material przewodzacy. Dalszym konsek¬ wentnym krokiem naprzód w kierunku podniesie¬ nia sprawnosci przekazywania "energii cieplnej do okreslonego obszaru jest urzadzenie przedstawione 5 schematycznie na fig. 2, w którym wykorzystano zdwojony uklad z fig. 1. Jak widac na fig. 2a uklad z indeksami a usytuowany jest w plaszczyz- nia a—a, uklad z indeksami b w plaszczyznie b—b.Obie plaszczyzny sa do siebie równolegle i odlegle 0 A z.Obszar C (objetosc technologiczna) otoczony strumieniem plazmowym 5a i 5b oraz 6a i 6b charakteryzuje sie wysoka równomiernoscia roz¬ kladu temperatury oraz duza objetoscia do ewentualnego wykorzystania technologicznego.W obszarze c wystepuja szczególnie korzystne wa¬ runki dla przetapiania materialów o najwyzszej temperaturze topnienia przy zachowaniu warunku maksymalnej czystosci materialu. Zastosowanie wynalazku do konkretnych potrzeb technologicz¬ nych przedstawione jest ima fig. 3, fig. 4 i fig. 5.Na fig. 3 przedstawiono odmiane rozwiazania pieca plazmowego do topienia materialów przewo¬ dzacych prad elektryczny w stanie stalym. Bedzie to na przyklad typowe rozwiazanie do topienia metali. Obwód roboczy pradu zamyka sie poprzez strumienie plazmowe 5 i 6 oraz odcinek wsadu A—B. Regulacje temperatury oraz mocy grzania zapewnia sie przez zmiane wielkosci pradu ze zródla zasilania 4.Dzieki odcinkowi drogi przeplywu pradu Iz przez stopiony metal mozliwe jest intensywne mieszanie wsadu polem magnetycznym. Do wytwarzania strumienia magnetycznego sluzy cewka elektromag¬ nesu L umieszczona pod spodem pieca. Do topienia materialów ceramicznych, które w temperaturach do 1000DC nie przewodza praktycznie biorac pradu elektrycznego, a nabieraja dopiero wlasnosci prze¬ wodników elektrycznych po przekroczeniu 1500°C oraz w stanie sftopionym, proponuje sie konstrukcje pieca plazmowego wedlug fig. 4. Oba plazmotrony 1 i 2 dostarczaja energie cieplna do obszaru topie¬ nia materialu ceramicznego, pracujac na poczatku wedlug schematu przedstawionego na fig. 1.Kat a pomiedzy strumieniami plazmy 5 i 6 moze wynosic na przyklad 60° —90°. Po uzyskaniu sto¬ pionego jeziorka na powierzchni topionego materia¬ lu ceramicznego mozna zmniejszyc kat pomiedzy osiami strumieni plazmowych 5 i 6. W ten sposób obwód pradu elektrycznego na odcinku A—B za¬ leznie od stopnia przewodnosci elektrycznej mate¬ rialu ceramicznego zamknie sie czesciowo w plyn¬ nej masie stopionego materialu ceramicznego i czesciowo przez strumienie plazmowe przylegle do topfonego wsadu na odcinku A—B. Zwiekszy sie jednoczesnie powierzchnia wymiany ciepla od strumienia plazmy do topionego materialu cera¬ micznego. Stosunek pradów plynacych przez ma¬ terial ceramiczny i kolumne lukowa bedzie uwa¬ runkowany temperatura i skladem chemicznym topionego materialu ceramicznego. Tygiel topione¬ go materialu ceramicznego uformowany jest w tym samym materiale ceramicznym przeznaczonym do topienia. Piec plazmowy do topienia materialów ceramicznych w skali przemyslowej z pionowym ,15 20 25 30 35 410 45 50 55 6066192 6 doprowadzeniem materialu topionego 7 przedsta¬ wiony jest na fig. 5. Wykorzystano tutaj uklad z fig. 2. Strumienie plazmowe 5 i 6 tworza czworo¬ bok, wewnatrz którego powstaje obszar C o bardzo wysokiej temperaturze.W utworzony obszar C za pomoca urzadzenia napedowego 9 wprowadzany jest material topiony 7, który po stopieniu skapuje kroplami na dno pieca 8. Moze to byc material zarówno przewodzacy jak i nieprzewodzacy. Plazmotrony la, 2a i Ib, 2b umieszczone sa w gniazdach w ten sposób, ze mozna je przesuwac osiowo jak i przemieszczac w plaszczyznie prostopadlej do osi pieca w celu regulacji dlugosci i polozenia kolumn lukowych 5a i 6a oraz 5b i 6b. Wziernik 10 sluzy do obserwacji procesu topienia materialu ceramicznego 7. 10 15 PL PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Piec plazmowy zwlaszcza do topienia metali i materialów ceramicznych, za pomoca plazmotro- nów wytwarzajacych strumienie laminarne plazmy, znamienny tym. ze ma co najmniej dwa plazmotro¬ ny (1 i 2), których strumienie plazmowe (5 i 6) za¬ silane energia ze zródla (4) zewnetrznego tworza obwód zamkniety, przy czym plazmotron (1) bedacy anoda obwodu zewnetrznego pracuje w ukladzie podwójnych pradów o przeciwnych kierunkach w obszarze swej dyszy-anody.

2. Odmiana pieca plazmowego do topienia metali wedlug zastirz. 1, znamienna tym, ze wytworzone przez co najmniej dwa plazmotrony (1 i 2) stru¬ mienie plazmowe (5 i 6), tworza zewnetrzny obwód zamkniety poprzez material przewodzacy prad elektryczny. Fig. 1 a — 6 — Fig.2aKI. 21h,16/60 66192 MKP H05b 7/00 Fig. 3 Fig 4 Cena zl 10,— RZG — 1585/72 205 szt. A4 PL PL