RU128953U1

RU128953U1 - AC PULSE PLASMA GENERATOR DEVICE

Info

Publication number: RU128953U1
Application number: RU2012147991/07U
Authority: RU
Inventors: Рузиль Рашитович Саубанов; Валерий Васильевич Звездин; Радик Рафисович Рахимов; Радик Рашитович Саубанов
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-06-10

Abstract

Устройство импульсного генератора плазмы на переменном токе, содержащее блок предварительной подготовки рабочего газа с распределением потока на вход ссужающего сопла, для создания ламинарного потока плазмообразующего газа сопло выполнено перфорированным, образующий внутренний канал с переменным сечением; устройство поджига дуги в импульсном режиме; электроды из металлических водоохлаждаемых трубок, заканчивающееся водоохлаждаемым соплом, обжимающий поток плазмы, направленный на обрабатываемое изделие, отличающееся тем, что имеется блок подготовки рабочего газа, преобразующий и подающий струю газа непосредственно на электроды, тем самым уменьшая тепловую нагрузку на стенки плазмотрона и увеличивая тепловой КПД, электроды из металлических водоохлаждаемых трубок с токоподводом на изоляторах, расходящихся под углом 2° с закругленными торцевыми поверхностями в сторону выхода плазменного потока; внутренний канал данного устройства заканчивается водоохлаждаемым соплом, обжимающий поток плазмы, направленный на обрабатываемое изделие, что позволяет концентрировать концентрированный поток энергии на самом изделии.A device for a pulsed alternating current plasma generator, comprising a working gas preliminary preparation unit with a flow distribution to the inlet of the supplying nozzle, for creating a laminar plasma-forming gas flow, the nozzle is perforated, forming an internal channel with a variable cross section; pulsed arc ignition device; electrodes from metal water-cooled tubes, ending with a water-cooled nozzle, compressing a plasma stream directed to the workpiece, characterized in that there is a working gas preparation unit that converts and delivers a gas stream directly to the electrodes, thereby reducing the thermal load on the plasma torch walls and increasing thermal efficiency , electrodes from metal water-cooled tubes with current supply on insulators diverging at an angle of 2 ° with rounded end surfaces towards the exit of the plasma ennogo stream; the internal channel of this device ends with a water-cooled nozzle, compressing the plasma stream directed to the workpiece, which allows you to concentrate the concentrated energy flow on the product itself.

Description

Полезная модель относится к устройствам для получения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в физических экспериментах и в широком промышленном применении: плазмохимии, металлургии, машиностроении, судостроении и др.The utility model relates to devices for producing low-temperature plasma and can be used in physical experiments and in wide industrial applications: plasma chemistry, metallurgy, mechanical engineering, shipbuilding, etc.

В частности полезная модель относится к процессам термической обработки высококонцентрированным источником энергии поверхности детали из металлов и неметаллов, с глубоким внедрением и поверхностным нанесением различных элементов (металлов или газов) плазменной струей в импульсном режиме без объемного нагрева и деформации, а также для плазменной очистки обрабатываемых поверхностей, позволяющей удалить коррозионный слой. Все вышеперечисленное приводит к уменьшению интенсивности корродирования, повышению твердости приповерхностного слоя, износостойкости изделия и снижения трения.In particular, the utility model relates to heat treatment processes with a highly concentrated source of energy of the surface of a part made of metals and nonmetals, with deep penetration and surface deposition of various elements (metals or gases) by a plasma jet in a pulsed mode without volume heating and deformation, as well as for plasma cleaning of treated surfaces allowing to remove a corrosion layer. All of the above leads to a decrease in the intensity of corrosion, increase the hardness of the surface layer, the wear resistance of the product and reduce friction.

Известны устройства для получения низкотемпературной плазмы, используемые в физических экспериментах, плазмохимии, металлургии, а также в установках по утилизации токсичных и бытовых отходов и т.д. (Патент RU 2231936, 2002 г., Н05Н 1/26, Н05Н 1/34; Патент RU 2176833, 2000 г., H01J 9/04; Патент RU 2225686, 2002 г., Н05Н 1/24, Патент RU 2374791 С1, 2008 г., Н05Н 1/32).Known devices for producing low-temperature plasma used in physical experiments, plasma chemistry, metallurgy, as well as in installations for the disposal of toxic and household waste, etc. (Patent RU 2231936, 2002, H05H 1/26, H05H 1/34; Patent RU 2176833, 2000, H01J 9/04; Patent RU 2225686, 2002, H05H 1/24, Patent RU 2374791 C1, 2008, H05H 1/32).

Недостатком этих генераторов плазмы является большие габариты, повышенная эрозия электродов, значительное энергопотребление, невозможность применить данное устройство для поверхностной термообработки технических изделий (из-за перегрева обрабатываемой поверхности и деформации всего изделия), использование сложных элементов конструкции электродов, корпуса и сопла плазмотрона.The disadvantage of these plasma generators is the large size, increased erosion of the electrodes, significant energy consumption, the inability to use this device for surface heat treatment of technical products (due to overheating of the processed surface and deformation of the entire product), the use of complex structural elements of the electrodes, the body and nozzle of the plasma torch.

За прототип взят плазмотрон (Патент RU 2225686, 2002 г., Н05Н 1/24), который имеет электродный блок в корпусе, где закреплены части электродов и плазменный инжектор. Сопловой блок, соединен с электродным блоком таким образом, что их полости образуют единую электроразрядную камеру, на выходе которого установлено сопло для образования плазменного потока, а на входе в электродный блок смонтировано кольцо для подачи плазмообразующего газа.The prototype is a plasmatron (Patent RU 2225686, 2002, Н05Н 1/24), which has an electrode block in the housing where the parts of the electrodes and the plasma injector are fixed. The nozzle block is connected to the electrode block in such a way that their cavities form a single electric discharge chamber, at the output of which a nozzle is installed to form a plasma stream, and a ring for supplying a plasma-forming gas is mounted at the entrance to the electrode block.

Полезная модель направлена на разработку компактного устройства импульсного генератора плазмы на переменном токе, которое позволит осуществлять технологические операции по очистке поверхностей изделий от оксидов и органических загрязнений, с последующим газотермическим упрочнением (с глубоким внедрением и поверхностным нанесением различных элементов (металлов или газов) плазменной струей в импульсном режиме без объемного нагрева и деформации), что позволит увеличить приповерхностную твердость материала, улучшить его абразивную стойкость, снизить трение, обеспечить технологичность устройства и простоту изготовления элементов конструкции, минимизацировать массогабаритные параметры устройства, уменьшить его энергоемкость, обеспечить простоту и надежность коммутационной аппаратуры и мобильности всей установки, обеспечивает относительно низкую себестоимость готовой продукции, повышсит технологичность и расширит область использования генераторов плазмы на переменном токе в промышленности.The utility model is aimed at developing a compact device for a pulsed plasma generator with alternating current, which will allow technological operations to clean the surfaces of products from oxides and organic contaminants, followed by gas-thermal hardening (with deep penetration and surface application of various elements (metals or gases) by a plasma jet in pulse mode without volumetric heating and deformation), which will increase the surface hardness of the material, improve its abrasive with resistance, reduce friction, ensure the manufacturability of the device and ease of manufacture of structural elements, minimize the weight and size parameters of the device, reduce its energy consumption, ensure the simplicity and reliability of switching equipment and mobility of the entire installation, ensure relatively low cost of finished products, increase manufacturability and expand the scope of use of plasma generators by alternating current in industry.

Поставленная задача решается применением новых конструктивных элементов и изменением характера связей между ними.The problem is solved by the use of new structural elements and by changing the nature of the relationship between them.

Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что устройство содержит: блок предварительной подготовки рабочего газа с распределением потока на вход ссужающего сопла, для создания ламинарного потока плазмообразующего газа сопло выполнено перфорированным, образующий внутренний канал с переменным сечением, направляющий поток непосредственно к поверхности электродов, тем самым уменьшая тепловую нагрузку на стенки канала и увеличивая тепловой КПД; устройство поджига дуги в импульсном режиме; электроды из металлических водоохлаждаемых трубок с токоподводом на изоляторах, расходящихся под углом 2° с закругленными торцевыми поверхностями в сторону выхода плазменного потока. Внутренний канал данного устройства заканчивается водоохлаждаемым соплом, обжимающий поток плазмы, направленный на обрабатываемое изделие.The essence of the proposed utility model is that the device contains: a unit for preliminary preparation of the working gas with a flow distribution to the inlet of the supplying nozzle, to create a laminar flow of plasma-forming gas, the nozzle is perforated, forming an internal channel with a variable cross-section, directing the flow directly to the surface of the electrodes, thereby reducing the thermal load on the channel walls and increasing thermal efficiency; pulsed arc ignition device; electrodes from metal water-cooled tubes with current supply on insulators diverging at an angle of 2 ° with rounded end surfaces towards the exit of the plasma stream. The internal channel of this device ends with a water-cooled nozzle, compressing the plasma flow directed to the workpiece.

Суть поясняется на фиг.1 и фиг.2, на которой показан трехфазный плазмотрон с цилиндрической разрядной камерой. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для плазменной термообработки материалов из стали, на фиг.2 представлен разрез плазмотрона.The essence is illustrated in figure 1 and figure 2, which shows a three-phase plasmatron with a cylindrical discharge chamber. Figure 1 presents a schematic diagram of a device for plasma heat treatment of materials from steel, figure 2 shows a section of a plasma torch.

Конструкция включает в себя блок - камеру подготовки плазмообразующего газа 1,корпус 2 в котором закреплены три электрода 3, сопловую часть 4, вспомогательный импульсный источник старта дуги 5, керамические втулки изоляторы 6, штуцера 7 для подводов охлаждающей воды и плазмообразующего газа. Ссужающее сопло блок камеры подготовки плазмообразующего газа выполнено перфорированным 8, что обеспечивает направление ламинарного потока газа к поверхности электродов. Благодаря этому повышается тепловой КПД плазмотрона, уменьшается воздействие плазмы со стенками камеры, оставляя более горячий газ в центре, что уменьшает нагрев стенок камеры. Электроды плазмотрона 3 образуют воронкообразную трех лучевую форму и располагаются под углом 2° к оси плазмотрона. Межэлектродный зазор увеличивается от начала электродов к выходу плазменного потока, с целью стабилизации тока дуги и тепловых характеристик плазмотрона, что подтверждено экспериментальными исследованиями. Расположение электродов под углом относительно друг друга объясняется необходимостью увеличения стабилизации тока дуги, что позволяет устранить эффект лавинообразного пробоя (короткое замыкание внутри плазмотрона). Время между пробоями на стартовых электродах, есть время импульса суммарной энергии работы плазмотрона за единицу времени, то есть плазматрон работает в импульсном режиме. Для материала электродов подобрана трубка из меди с диаметром 10 мм. На конце плазмотрона находится водоохлаждаемое формообразующее сопло выхода плазмы.The design includes a block - a chamber for preparing plasma-forming gas 1, a housing 2 in which three electrodes 3 are fixed, a nozzle part 4, an auxiliary pulse source for starting the arc 5, ceramic bushings insulators 6, a fitting 7 for supplying cooling water and a plasma-forming gas. The converging nozzle block of the plasma-forming gas preparation chamber is perforated 8, which ensures the direction of the laminar gas flow to the surface of the electrodes. Due to this, the thermal efficiency of the plasma torch increases, the effect of plasma with the chamber walls decreases, leaving a hotter gas in the center, which reduces the heating of the chamber walls. The electrodes of the plasma torch 3 form a funnel-shaped three-beam shape and are located at an angle of 2 ° to the axis of the plasma torch. The interelectrode gap increases from the beginning of the electrodes to the exit of the plasma stream, in order to stabilize the arc current and thermal characteristics of the plasma torch, which is confirmed by experimental studies. The location of the electrodes at an angle relative to each other is explained by the need to increase the stabilization of the arc current, which eliminates the effect of avalanche-like breakdown (short circuit inside the plasma torch). The time between breakdowns at the starting electrodes is the pulse time of the total energy of the plasma torch work per unit time, that is, the plasmatron operates in a pulsed mode. A copper tube with a diameter of 10 mm was selected for the material of the electrodes. At the end of the plasma torch is a water-cooled forming nozzle of the plasma exit.

Плазмотрон работает следующим образом: с помощью импульсного источника возбуждают электрическую дугу между электродами 3. Электрическая дуга возникает между электродами, рельсотронный эффект заставляет электрическую дугу двигаться вдоль электродов в сторону сопла, что увеличивает ее длинуThe plasma torch works as follows: with the help of a pulsed source, an electric arc is excited between the electrodes 3. An electric arc arises between the electrodes, the railgun effect causes the electric arc to move along the electrodes towards the nozzle, which increases its length

Рабочий газ последовательно проходит через блок - камеру подготовки плазмообразующего газа 1, корпус плазмотрона 2, сопловая часть 4 преобразует поток плазмы и производит нагрев поверхности изделия. Вначале осуществляется подача газа в блок - камеру подготовки плазмообразующего газа 1, затем давление в разрядной камере подниматься до (1-2)*10² кПа, за счет соплообразного выходного канала основной поток газа будет направлен непосредственно в начало электродов 3. Данный метод подачи плазмообразующего газа увеличивает температуру плазмы, так как основной объем газа контактирует с раскаленной поверхностью электродов и соответственно с самой дугой. Также при данном методе уменьшается тепловая нагрузка на внутренние стенки корпуса плазмотрона, что в свою очередь приводит к увеличению ресурса работы. Образовавшаяся плазма движется вдоль продольной оси устройства и выходит через сопло 4, например, в рабочую камеру. В рабочей камере можно помещать различные закалочные устройства для завершения плазмо-химических реакций, а также может осуществляться процесс нанесения покрытий на различные изделия.The working gas passes sequentially through the block - the chamber for preparing the plasma-forming gas 1, the plasma torch body 2, the nozzle part 4 converts the plasma flow and heats the surface of the product. First, gas is supplied to the block chamber for preparing the plasma-forming gas 1, then the pressure in the discharge chamber rises to (1-2) * 10 ² kPa, due to the nozzle-shaped outlet channel, the main gas flow will be directed directly to the beginning of the electrodes 3. This method of plasma-forming gas supply gas increases the temperature of the plasma, since the bulk of the gas is in contact with the hot surface of the electrodes and, accordingly, with the arc itself. Also, with this method, the thermal load on the inner walls of the plasma torch body is reduced, which in turn leads to an increase in the service life. The resulting plasma moves along the longitudinal axis of the device and exits through the nozzle 4, for example, into the working chamber. Various quenching devices can be placed in the working chamber to complete plasma-chemical reactions, and the coating process on various products can also be carried out.

Рабочим инструментом при плазменной обработке является технологический плазмотрон (фиг.1), содержащий корпус 2 с тремя трубчатыми электродами 3, блок - камерой подготовки плазмообразующего газа 1 и сопловая часть 4, формирующим плазменную струю. Рабочие электроды и сопло, находясь в непосредственном контакте с низкотемпературной плазменной дугой (ее температура не превышает 10000°С), подвергается интенсивному нагреву, оплавлению, износу, что приводит к повышению эксплуатационных затрат, снижению производительности обработки и качества изделий.A working tool in plasma processing is a technological plasmatron (Fig. 1), comprising a housing 2 with three tubular electrodes 3, a block with a plasma-forming gas preparation chamber 1, and a nozzle portion 4 forming a plasma jet. Working electrodes and the nozzle, being in direct contact with a low-temperature plasma arc (its temperature does not exceed 10,000 ° C), is subjected to intense heating, reflow, wear, which leads to increased operating costs, reduced processing productivity and product quality.

Одним из основных способов повышения долговечности технологических плазмотронов является создание благоприятных условий для интенсивного отвода тепла от рабочих поверхностей электродного и соплового устройств, применение трубчатых электродов 3, и источника переменного напряжения. Протекающий через дугу переменный ток два раза за период проходит через нуль. То есть можно сказать, что дуга периодически гаснет и зажигается вновь. Чередование поверхностей для съема электронов снижает тепловую нагрузку на электроды. Тем самым продлевая срок службы электродов и самого плазмотрона.One of the main ways to increase the durability of technological plasmatrons is to create favorable conditions for intensive heat removal from the working surfaces of the electrode and nozzle devices, the use of tubular electrodes 3, and an alternating voltage source. The alternating current flowing through the arc twice through the period passes through zero. That is, we can say that the arc periodically goes out and ignites again. The alternation of surfaces for the removal of electrons reduces the thermal load on the electrodes. Thus, prolonging the life of the electrodes and the plasma torch itself.

Техническим результатом является: технологичность и энергоэффективность данного типа конструкции, применение переменного тока без преобразователей. Конструкция плазмотрона позволяет контролировать и стабилизировать дугу, т.е. получить устойчивый плазменный поток на расстоянии от сопла до обрабатываемого изделия в диапазоне от 10 до 200 мм. Увеличивается ширина дорожки (площадь обработки) за счет расстояния между обрабатываемой поверхностью и соплом и тепловой мощности плазмотрона. Предусмотрена возможность увеличения мощности за счет изменения скважности, что позволяет получить максимальную глубину в зоне термообработки, при этом тепловложение на единицу площади остается примерно постоянным. Использование такого способа подачи плазмообразующего газа увеличивает температуру плазмы, так как основной объем газа контактирует с раскаленной поверхностью электродов и соответственно с самой дугой. Также при данном методе уменьшается тепловая нагрузка на внутренние стенки корпуса плазмотрона, что в свою очередь приводит к увеличению ресурса работы. Также повышается износостойкость плазмотрона за счет принудительного охлаждения водой (температура воды на сливе не более 40°С) за счет чередования поверхностей для съема электронов снижающих тепловую нагрузку на электроды. Вследствие перемещения плазмотрона относительного обрабатываемого изделия происходит обработка поверхности изделия в импульсном режиме. В данном изобретении за счет выбранной конструкции разрядной камеры достигается расширение диапазона применения плазмотрона, увеличение КПД, а также появляется возможность применять практичные материалы, не сложность конструкции.The technical result is: manufacturability and energy efficiency of this type of design, the use of alternating current without converters. The design of the plasma torch allows you to control and stabilize the arc, i.e. to obtain a stable plasma flow at a distance from the nozzle to the workpiece in the range from 10 to 200 mm The track width (treatment area) increases due to the distance between the surface to be treated and the nozzle and the thermal power of the plasma torch. It is possible to increase power by changing the duty cycle, which allows you to get the maximum depth in the heat treatment zone, while the heat input per unit area remains approximately constant. Using this method of supplying a plasma-forming gas increases the temperature of the plasma, since the bulk of the gas is in contact with the hot surface of the electrodes and, accordingly, with the arc itself. Also, with this method, the thermal load on the inner walls of the plasma torch body is reduced, which in turn leads to an increase in the service life. The wear resistance of the plasma torch also increases due to forced cooling with water (water temperature at the discharge no more than 40 ° C) due to the alternation of surfaces for removing electrons that reduce the thermal load on the electrodes. Due to the movement of the plasma torch relative to the workpiece, the surface of the product is processed in a pulsed mode. In this invention, due to the selected design of the discharge chamber, the range of application of the plasma torch is increased, the efficiency is increased, and it is also possible to use practical materials, not design complexity.

Claims

A device for a pulsed alternating current plasma generator, comprising a working gas preliminary preparation unit with a flow distribution to the inlet of the supplying nozzle, for creating a laminar plasma-forming gas flow, the nozzle is perforated, forming an internal channel with a variable cross section; pulsed arc ignition device; electrodes made of metal water-cooled tubes, ending with a water-cooled nozzle, compressing a plasma stream directed to the workpiece, characterized in that there is a working gas preparation unit that converts and delivers a gas stream directly to the electrodes, thereby reducing the thermal load on the plasma torch walls and increasing thermal efficiency , electrodes of metal water-cooled tubes with current supply on insulators diverging at an angle of 2 ° with rounded end surfaces towards the exit of the plasma ennogo stream; the internal channel of this device ends with a water-cooled nozzle, compressing the plasma stream directed to the workpiece, which allows you to concentrate the concentrated energy flow on the product itself.