RU166312U1 - Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности - Google Patents
Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности Download PDFInfo
- Publication number
- RU166312U1 RU166312U1 RU2016116506/07U RU2016116506U RU166312U1 RU 166312 U1 RU166312 U1 RU 166312U1 RU 2016116506/07 U RU2016116506/07 U RU 2016116506/07U RU 2016116506 U RU2016116506 U RU 2016116506U RU 166312 U1 RU166312 U1 RU 166312U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- nozzle
- surface treatment
- electric arc
- plasma torch
- Prior art date
Links
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 45
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 claims description 26
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 14
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 13
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 13
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 12
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 5
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 5
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000000711 cancerogenic effect Effects 0.000 description 3
- 231100000315 carcinogenic Toxicity 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 3
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 2
- 208000018459 dissociative disease Diseases 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 2
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010013457 Dissociation Diseases 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000010426 asphalt Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000004567 concrete Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000002283 diesel fuel Substances 0.000 description 1
- 238000009851 ferrous metallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003350 kerosene Substances 0.000 description 1
- -1 liquid paraffin Substances 0.000 description 1
- 229940057995 liquid paraffin Drugs 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003032 molecular docking Methods 0.000 description 1
- 238000009856 non-ferrous metallurgy Methods 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
1. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности, содержащий соосно и последовательно катодный охлаждаемый узел, изолятор, завихритель плазмообразующего рабочего тела, электродуговую камеру, анодный охлаждаемый узел с соплом и стабилизирующим уступом в сопле, камеру сгорания, отличающийся тем, что в сечении стабилизирующего уступа есть тангенциальные каналы с возможностью подвода по ним тангенциально плазменной струи второго компонента, который в совокупности с плазмообразующим рабочим телом является топливом.2. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности по п. 1, отличающийся тем, что концентрично оси реактивного сопла размещены каналы с возможностью подачи по ним жидких и/или парообразных, и/или газообразных компонентов химических веществ с возможностью их истечения параллельно или с пересечением с потоком струи низкотемпературной плазмы с продуктами сгорания.3. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности по п. 1, отличающийся тем, что сопло имеет сопловую насадку, охватывающую выходные отверстия каналов подачи в струю плазматрона или параллельно ей химических веществ с возможностью раздвижения ее по оси.4. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности по п. 1, отличающийся тем, что имеет более одной ручки с органами управления параметрами плазмотрона и/или движения обрабатываемого изделия.5. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности по п. 1, отличающийся тем, что он закреплен на манипуляторе робота и управляется им.6. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности по п. 1, отличающийся тем, что он и подводящий кабель герметичны, кроме сопла и дополнительных выходных каналов,
Description
Область техники.
Предлагаемое устройство относится к оборудованию и методам, используемым при удалении с поверхности металлических изделий окалины, ржавчины, оксидных пленок, органических смазок, различных загрязнений и поверхностных вкраплений с помощью дугового разряда в вакууме. Данный способ может быть использован на предприятиях черной и цветной металлургии, заводах по производству и обработке металлических лент, труб, проката различного сортамента, проволоки, машиностроительных заводах и любых ремонтных предприятиях, в нефтегазовой промышленности для удаления смолопарафиновых отложений в трубах и оборудовании.
Известны способы и устройства электродуговой обработки поверхности металлических изделий (авт. свид. СССР №№122.603, 224.716, 367.980, 1.113.196, 1.189.618; №986673, патенты РФ №№2.012.694, 2.021.391, 2.064.524, 2.068.029, 2.074.903, 2.135.316, 2.144.096, 2.165.474, 2.170.283, 2.195.517, №1590257, патенты США №№4.950.377, 4.971.667, 5.246.741; патенты Великобритании №№2.055.939, 2.164.359; патент Франции №2.403.860; патенты Японии №№9248617, 9248618, 10251882, 11077141, 11080893, патент EP №0.175.538; патенты WO №№92/6.965, 93/13238, 97/00106, 99/28,520; Физика плазмы 1978, 4(4), с. 425-428; патенты РФ №2511947, 10.04.2014 г.; №2503885, 10.01.2014 г.; №2466331, 10.11.2012 г.; №2451879, 27.05.2012 г.; №2465748, 27.10.2012 г.; №2431685, 20.10.2011 г.; №2397848, 27.08.2010 г.; №2359433, 20.06.2009 г.; 2456780, 20.07.2012 г.; №2387107, 20.04.2010 г.; №2340125, 20.12.2008 г..
Общим недостатком вышеперечисленных способов и устройств для электродуговой обработки металлических изделий является то, что обработка сопряжена с большими энергопотерями, низкой производительностью и низким качеством обработки. Все это связано с тем, что очистка металлических изделий осуществляется струей из плазмотронов, размеры которой малы, при большом градиенте температур по оси и по радиусу до 2-3 тысяч градусов на мм, что требует высокой точности при сканировании струи плазмы по поверхности обрабатываемого изделия, что удорожает, а порой делает невозможной обработать поверхность такого изделия, например очистить насоснокомпрессорные трубы (НКТ) от асфальтосмолопарафинов (АСПО).
Из известных полезных моделей наиболее близким к предлагаемому электродуговому плазмотрону для обработки поверхности подходит плазмобур ПБ-40 (Г.К. Клименко, А.А. Ляпин, Конструкции электродуговых плазмотронов, файл формат PDF, с. 45), который и выбран в качестве прототипа нашей полезной модели. Недостатками прототипа являются относительно малые размеры плазменной струи, которую он генерирует, малый ресурс работы анодного узла, т.к. анодное пятно ничем не приводится в движение по анодной поверхности, взрывоопасность плазмообразующих рабочих тел (ПРТ), т.к. в качестве него используют воздух с добавлением жидкого топлива, и низкий КПД, т.к. углеводороды проходят через дуговую камеру, о чем будет указано ниже.
Сущность полезной модели
В задачу полезной модели «Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности» входит:
1. Плазмотрон должен генерировать высокотемпературную струю плазмы и продуктов сгорания со среднемассовой температурой примерно 3000-8000°C и большими размерами по диаметру и длине по сравнению с обычными плазмотронами.
2. Уменьшение градиента температуры в струе плазмы по длине и по диаметру за счет реакции диссоциации и рекомбинации, которые продолжаются в струе после истечения ее из сопла.
3. Ускорение плазмы и продуктов сгорания до больших скоростей (увеличение механической составляющей воздействия струи при очистке на поверхность изделия), чем в обычном плазмотроне.
4. Увеличение теплового КПД плазмотрона.
5. Обеспечение безопасности эксплуатации плазмотрона с наделением его возможностью поддерживать реакцию горения и возможностью пожаротушения.
6. Обеспечение возможности использовать плазмотрон в ручном или роботизированном варианте.
7. Плазмотрон должен работать в любых полевых и климатических условиях, а также его модификации под водой, в скважинах и внутри труб, заполненных асфальтосмолопарафиновыми и минеральными отложениями.
Разработка генераторов низкотемпературной плазмы в 60-х годах прошлого столетия была связана в основном с исследованиями низкотемпературной плазмы, созданием МГД-генераторов, электроракетных двигателей, напылением жаростойких покрытий, плазменной резкой металлов и другими применениями. В начале этого века большой импульс в развитии генераторов низкотемпературной плазмы придала разработка плазменной технологии абляционной очистки поверхности стальных, бетонных, каменных и других объектов от любых загрязнений.
Физическая сущность абляционной обработки, в том числе очистки поверхности, заключается в кратковременном воздействии низкотемпературной плазмой 6000-20000°С с плотностью энергии 1011 Вт/м2, генерируемой источниками плазмы, на очищаемую поверхность.
При такой температуре и плотности энергии все известные химические соединения и элементы, находящиеся на поверхности в виде загрязнений, мгновенно испаряются или сублимируют с очищаемой поверхности, оставляя поверхность чистой.
Такой процесс очистки осуществляется с высокой производительностью и не зависит от погодных условий, является экологически чистым, т.к. все молекулы органических соединений под воздействием высокоскоростного потока плазмы в указанном диапазоне температуры частично или полностью диссоциируют, т.е. разлагаются на составляющие их атомы C, O2, H2O и другие. Эти возбужденные атомы, в свою очередь, в результате рекомбинации (последующего сгорания) из сложных канцерогенных молекул образуют простейшие безопасные продукты сгорания CO2 и H2O.
Такому превращению канцерогенных молекул в простейшие безопасные химические соединения способствует использование в качестве плазмообразующих рабочих тел (ПРТ) углеводородов. За счет кратковременного взаимодействия плазменных струй (1-2 с) с очищаемой поверхностью, нагрев поверхности не превышает 60-350°C, что не оказывает негативного воздействия на материал очищаемой поверхности. Напротив, практически во всех случаях нагрев поверхности в результате ее очистки необходим для дальнейших технологических операций (диагностика, нанесение защитных покрытий и др.).
Существующие струйные генераторы низкотемпературной плазмы (плазмотроны) в силу своих недостатков не годятся для абляционного способа очистки поверхности. Основными недостатками существующих плазмотронов является малый диаметр и протяженность истекающей из сопла струи низкотемпературной плазмы. Это объясняется высокой скоростью охлаждения плазменной струи и по длине, и по диаметру, что выражается в большом градиенте температур по длине и диаметру струи низкотемпературной плазмы.
Поскольку струя плазмы является рабочей частью плазменного инструмента, то ее малые размеры - по длине 30-60 мм (здесь размер имеет принципиальное значение) - сдерживают саму возможность применения такого плазменного инструмента, снижают его производительность и требуют высокой точности сканирования плазменной струи по поверхности в процессе очистки. Градиент температуры, например, по радиусу 6-4 мм, составляет 1000-2000°C / мм, даже малая неточность, ±0,5 мм, сканирования струи плазмы может привести к оплавлению или прожегу очищаемой поверхности.
Авторами в ЗАО «Петроплазма» созданы двухкамерные струйные плазмотроны и разработаны смесевые ПРТ на базе углеводородных жидкостей и газов, что позволило получить струи плазмы со скоростью частиц в них до 800 м/с, температурой 3000-20000°C, длиной до 500 мм при диаметре до 40 мм. Таким образом, получены плазменные струи с низким градиентом температуры по длине и диаметру струи, большими размерами (что удобно для абляционной очистки с высокой производительностью) по длине и диаметру. Состав плазмы экологически чист, что проверено многочисленными тестами. Сама плазма струи с ее размытыми границами, благодаря термохимическим процессам, которые удалось там реализовать благодаря двухкамерной конструкции, стала более «теплой» (за счет малого градиента температуры по диаметру и длине струи), что позволило избежать оплавления и прожегов очищаемой поверхности, а это существенно упростило и снизило стоимость оборудования, которым сканируют плазменной струей по поверхности обрабатываемых деталей.
Таким образом, совмещение электродугового нагрева ПРТ в плазмотроне, состоящего из углеводородов и их диссоциаций с последующим выделением тепловой энергии в истекающей струе за счет химических реакций горения атомов и молекул углеводородов при их рекомбинации приводит к существенным увеличениям размеров струи по диаметру и длине. Однако использование углеводородов в качестве ПРТ существенно ухудшает энергетические характеристики (КПД) углеводородных плазмотронов и не обеспечивает потребного ресурса их работы из-за значительной скорости эрозии их электродов. В основном это происходит из-за более высокой теплопроводности и теплоемкости низкотемпературной углеводородной плазмы (А.М. Залесский, Электрическая дуга отключения, М-Л.: Гос. энергоиздат, 1963 г., с. 25) по сравнению с кислородной и кислородосодержащей низкотемпературной плазмой. Ресурс работы плазмотронов, работающих на кислородосодержащих ПРТ в последние годы значительно увеличен за счет создания химических термокатодов (Низкотемпературная плазма, том 20, Новосибирск, «Наука», 2004, с. 121).
Таким образом, из приведенного видно, что для реализации плазменных струй большой протяженности и больших диаметров, удобных для обработки поверхности изделий, при равной мощности плазмотронов, необходимо использовать углеводородные ПРТ. Но они по энергетическим и ресурсным показателям хуже, чем плазмотроны, которые используют кислородосодержащие ПРТ.
В предлагаемой полезной модели «Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности» задача обеспечения больших размеров плазменных струй по диаметру и длине из плазмотронов, обеспечение высоких тепловых (КПД) и ресурсных показателей этих плазмотронов решается: во-первых, установкой в этих плазмотронах двух последовательных камер: электродуговой камеры и камеры сгорания;
во-вторых, раздельного введения компонентов топлива (Г.Б. Синарев, М.В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели, М.: Гособоронпром, 1955 г., с. 129), например, окислителя, т.е. кислородосодержащее ПРТ, в электродуговую камеру, а углеводородное горючее, второй компонент топлива, в камеру сгорания в струю низкотемпературной окислительной плазмы;
в-третьих, ввод второго компонента топлива организован тангенциально в плоскости стабилизирующего уступа анода, (Г.К. Клименко, А.А. Ляпин, Конструкции электродуговых плазмотронов, файл формат PDF, с. 23): для образования в этой области привязки анодного пятна дуги мощного завихрения, под воздействием которого анодное пятно интенсивно движется по поверхности охлаждаемого анода и за счет этого достигается большой ресурс работы анодного узла, а следовательно, и в целом плазмотрона (С.А. Крапивина, Плазмохимические технологические процессы, Ленинград, Химия, 1981 г., с. 83).
Снижение среднемассовой температуры плазменной струи при этом достигается в смешении струи низкотемпературной плазмы в камере сгорания с продуктами сгорания, которые в результате химической энергии горения теоретически не могут быть выше 3500°C из-за неизбежности возникновения термической реакции диссоциации, которая и останавливает рост температуры продуктов горения выше 3500°C (Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели, М.: Гособорониздат, 1955 г., с. 62).
Большие размеры и размытость границ (низкий градиент температуры) объясняется тем, что истекающая струя из такого плазмотрона представляет собой течение высокотемпературного, химически активного газа, в котором с высокой скоростью протекают плазмохимические реакции в камере сгорания, реактивном сопле и в истекающей из плазмотрона струе. Таким образом, в истекающей струе, во всем ее объеме, интенсивно протекают реакции рекомбинации и горения с выделением большого количества тепловой энергии в объеме, которая и поддерживает высокую температуру в струе во всем ее объеме. В обычном плазмотроне истекающая струя сразу за срезом сопла начинает интенсивно рассеивать тепловую энергию из объема и быстро остывать. Именно по этой причине на границе плазменной струи формируется большой перепад температур (градиент температуры) и относительно малые размеры по диаметру и длине плазменной струи.
Наличие камеры сгорания и использование второго компонента топлива - углеводородного горючего, приводит к уменьшению молекулярного веса смеси кислородосодержащей плазмы и продуктов сгорания, т.е. к большему газообразованию и, как следствие, к более эффективному преобразованию тепловой энергии в механическую энергию в реактивном сопле. А механическая энергия E струи, определяется ее массовым расходом и скоростью:
где m - массовый расход газа через сопло, v - скорость газовой струи. (Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели, М.: Гособоронпром, 1955 г., с. 130).
Таким образом, дожигание кислородосодержащей низкотемпературной плазмы в реактивном сопле всегда приводит к увеличению скорости истекающей струи, что увеличивает производительность абляционной очистки поверхности плазмотроном.
Использование дополнительно химической энергии горения повышает тепловой КПД плазмотрона, т.к. компенсирует часть потерь.
При очистке поверхности деталей струей плазмотрона от старых покрытий иногда в рабочую область очистки имеет смысл добавлять горючие газы и поток воздуха для поддержания высокотемпературного и стехиометрического выжигания отходов очистки, т.к. высокотемпературное выжигание с избытком кислорода воздуха более экологически чисто (не образует канцерогенных молекул), чем тлеющее, например, сжигание мусора. Для этого в электродуговом плазмотроне для обработки поверхности предусмотрены каналы подачи воздуха и горючих веществ параллельно или с пересечением с истекающей из сопла струей. Вместе с ними есть каналы подачи параллельно истекающей струе смеси плазмы и продуктов сгорания противопожарных реагентов (вода, пар и т.п.), на случай, если в зоне очистки поверхности изделий возникла пожарная опасность. При этом подача всех других компонентов в плазмотрон прекращается.
Электродуговой плазмотрон имеет ручки более одной и органы управления на них для использования его в ручном режиме, а также узлы крепления для размещения его на манипуляторах роботов.
Плазмотрон герметичен, имеет диэлектрические наружные покрытия, выполнен из материалов, позволяющих использовать его в широком температурном и влажностном диапазоне. Возможно использовать его и под водой, физические процессы, заложенные в основу его рабочего процесса, позволяют это сделать.
Перед использованием плазмотрона под водой его включают на поверхности, потом погружают в воду для работы.
ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР
На фиг. 1 и 2 представлены схемы электродугового плазмотрона, где:
1. Изолятор.
2. Анодный охлаждаемый узел.
3. Электродуговая камера.
4. Камера сгорания.
5. Раздвижная сопловая насадка.
6. Эмиттирующая вставка.
7. Завихритель ПРТ.
8. Катодный охлаждаемый узел.
9. Реактивное сопло.
A. Зона горения дугового разряда.
Б. Зона перемешивания компонента топлива К 1 со струей низкотемпературной плазмы.
B. Камера конвективного горения топлива.
Г. Область ускорения смеси низкотемпературной плазмы с продуктами сгорания топлива в реактивном (дозвуковом или сверхзвуковом) сопле.
Д. Анодная область дугового разряда.
Е. Струя низкотемпературной плазмы и продуктов сгорания, ускоренная в реактивном сопле.
Ж. Тангенциальные отверстия ввода компонента К1 в анодную область разряда.
З. Стабилизирующий уступ в анодном узле.
На фиг. 2 плазмотрон показан со стороны сопла. Выходные отверстия истечения компонент К1 и К3 размещены концентрично истекающей струи плазмы и продуктами сгорания.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Назначение электродугового плазмотрона для обработки поверхности изделий заключается в генерировании высокотемпературной и высокоскоростной струи с температурой 3000-8000°C. Эта струя E (фиг. 1) должна иметь размеры по диаметру и по длине большие, нежели в традиционных электродуговых плазмотронах, например, в прототипе «ПЛАЗМОБУР ПБ-40». Для достижения этого результата в полезной модели последовательно совмещены две камеры нагрева газа, электродуговая камера 3 и камера сгорания 4. Соответственно этому полезная модель электродугового плазмотрона состоит из водоохлаждаемого катодного узла 8, водоохлаждаемого анодного узла 2, разделенных изолятором 1, электродуговой камеры 3, камеры сгорания 4 и реактивного сопла 9. Реактивное сопло 9 имеет раздвижную сопловую насадку 5. Катодный узел 8 имеет эмитирующую вставку из циркония или гафния 6. На входе в электродуговую камеру 3 размещен завихритель ПРТ 7.
На катодный 8 и анодный узел 2 от источника электропитания (не показан на фиг. 1) подают потенциал. ПРТ кислородосодержащее (окислитель) подают через завихритель 7 в дуговую камеру 3. Между катодом 8, а точнее, между эмиттирующей вставкой 6 из циркония или гафния поджигают электрический разряд, который под воздействием вихря ПРТ после завихрителя 7 в дуговой камере 3 формируется в зоне горения разряда А в шнур, который анодной областью разряда Д замыкается на анодный узел 2 на поверхности стабилизирующего уступа З. Стабилизирующий уступ З делают для избежания в плазмотронах отрицательного явления под названием «шунтирование дуги», приводящего к нежелательным колебаниям тока дуги и дугового разряда.
В плоскости стабилизирующего уступа З находятся тангенциальные выходные отверстия Ж ввода в камеру сгорания 4 второго компонента топлива - горючего К1. В результате тангенциального ввода компонента К1 в плоскости стабилизирующего уступа З в зоне Б образуется мощный газовый вихрь, под воздействием которого анодная область дугового разряда Д интенсивно движется по поверхности стабилизирующего уступа З, уменьшая тем самым его эрозию и увеличивая ресурс его работы.
ПРТ, проходя через столб разряда А, сильно нагревается и ионизируется, превращаясь в низкотемпературную плазму. Далее низкотемпературная плазма поступает в зону Б.
В камере сгорания 4 в области Б и В происходит интенсивное перемешивание кислородосодержащей плазмы с молекулами и атомами компонента К1, углеводородного горючего.
При высокой температуре окислителя в камере сгорания 4 с высокой скоростью идут химические реакции горения (соединения атомов углерода и водорода с ионизированными атомами кислорода, характерное время химических реакций составляет 10-3 и 10-4 с).
После этого смесь низкотемпературной плазмы и продуктов сгорания из камеры сгорания 4 (область В) поступают в реактивное сопло 9, где в области Г происходит преобразование тепловой энергии газа в кинетическую энергию струи, т.е. струя Е, в зависимости от профиля сопла ускоряется до звуковой или сверхзвуковой скорости. Для обработки поверхности изделий, например, с целью их очистки, очень важно иметь значительные размеры плазменной струи, высокую температуру 3000-8000°C и скорость (порядка сотен метров в секунду).
На фиг. 1 камера сгорания 4 для наглядности изображена соизмеримой по протяженности с электродуговой камерой 3. На практике протяженность камеры сгорания 4 в 2-3 раза короче электродуговой камеры 3, т.к. процессы горения при температуре выше 3000°C протекают иначе, чем при обычном горении, т.е. во много раз быстрее и интенсивнее (Г.Б. Синярев, М.В. Добровольский, Жидкостные ракетные двигатели, Оборонгиз, М. 1955 г., с. 62). Процессы рекомбинации продолжаются в истекающей струе Е, благодаря чему ее размеры по длине и диаметру в 5-10 раз превышают размеры плазменной струи такой же мощности плазмотрона.
Кроме ПРТ и второго компонента топлива К1 (окислителя и горючего) плазмотрон имеет каналы подачи в истекающую струю Е или параллельно (соосно) ей других компонентов К2, К3 и т.п.
Один из этих компонентов предназначен для поддержания реакции горения, например, при очистке НКТ от АСПО в зоне обработки поверхности. В этом случае в качестве К2 применяется сжатый воздух или кислород. Это используется при наружной очистке НКТ и особенно эффективно при внутренней очистке.
Другим компонентом, который подается или может подаваться через эти каналы, является газ или жидкость, которая подавляет горение или нейтрализует вредные свойства продуктов сгорания, например, за счет ввода воздуха или кислорода подавляет образование СО. Подача, например, инертных газов подавляет нежелательное горение очищаемых загрязнений или устраняет возникновение очагов пожара. Использование раздвижной сопловой насадки 5 повышает эффективность этих мер.
Корпус плазмотрона, кабель с магистралями, обеспечивающими его работу и место стыковки, герметичны и позволяют использовать его для обработки поверхности под водой. Перед погружением в воду плазмотрон включают.
Модели описанного электродугового плазмотрона для обработки поверхности изготовлены и испытаны авторами. Испытания и сравнения с обычными плазмотронами подтвердили все заявленные достоинства и преимущества полезной модели.
В качестве ПРТ (окислителя) использовался воздух и чистый кислород. В качестве компонента К1 использовали пропан, спирт, жидкий парафин, солярку, керосин.
Claims (7)
1. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности, содержащий соосно и последовательно катодный охлаждаемый узел, изолятор, завихритель плазмообразующего рабочего тела, электродуговую камеру, анодный охлаждаемый узел с соплом и стабилизирующим уступом в сопле, камеру сгорания, отличающийся тем, что в сечении стабилизирующего уступа есть тангенциальные каналы с возможностью подвода по ним тангенциально плазменной струи второго компонента, который в совокупности с плазмообразующим рабочим телом является топливом.
2. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности по п. 1, отличающийся тем, что концентрично оси реактивного сопла размещены каналы с возможностью подачи по ним жидких и/или парообразных, и/или газообразных компонентов химических веществ с возможностью их истечения параллельно или с пересечением с потоком струи низкотемпературной плазмы с продуктами сгорания.
3. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности по п. 1, отличающийся тем, что сопло имеет сопловую насадку, охватывающую выходные отверстия каналов подачи в струю плазматрона или параллельно ей химических веществ с возможностью раздвижения ее по оси.
4. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности по п. 1, отличающийся тем, что имеет более одной ручки с органами управления параметрами плазмотрона и/или движения обрабатываемого изделия.
5. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности по п. 1, отличающийся тем, что он закреплен на манипуляторе робота и управляется им.
6. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности по п. 1, отличающийся тем, что он и подводящий кабель герметичны, кроме сопла и дополнительных выходных каналов, может быть использован для обработки поверхности под водой.
7. Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности по п. 1, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующего рабочего тела используют кислородосодержащий окислитель, а в камеру сгорания вводят углеводородное горючее.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016116506/07U RU166312U1 (ru) | 2016-04-22 | 2016-04-22 | Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016116506/07U RU166312U1 (ru) | 2016-04-22 | 2016-04-22 | Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU166312U1 true RU166312U1 (ru) | 2016-11-20 |
Family
ID=57792757
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016116506/07U RU166312U1 (ru) | 2016-04-22 | 2016-04-22 | Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU166312U1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108714735A (zh) * | 2018-08-11 | 2018-10-30 | 刘冠诚 | 一种等离子焰扩散咀 |
| CN109504970A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-03-22 | 四川大学 | 一种种植体活化亲水装置 |
-
2016
- 2016-04-22 RU RU2016116506/07U patent/RU166312U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108714735A (zh) * | 2018-08-11 | 2018-10-30 | 刘冠诚 | 一种等离子焰扩散咀 |
| CN109504970A (zh) * | 2018-12-14 | 2019-03-22 | 四川大学 | 一种种植体活化亲水装置 |
| CN109504970B (zh) * | 2018-12-14 | 2024-01-09 | 四川大学 | 一种种植体活化亲水装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kogelschatz | Atmospheric-pressure plasma technology | |
| US9732299B2 (en) | Method and device for treating two-phase fragmented or pulverized material by non-isothermal reactive plasma flux | |
| JP6692642B2 (ja) | プラズマトーチシステムおよびプラズマトーチアセンブリ | |
| KR20110123375A (ko) | 고농축 함불소가스 열분해를 위한 고효율 열플라즈마 반응기 | |
| JP2009532842A (ja) | 直流アークプラズマトロン及び直流アークプラズマトロンを使用する方法 | |
| RU166312U1 (ru) | Электродуговой плазмотрон для обработки поверхности | |
| CN103229601B (zh) | 用于形成非等温等离子体射流的方法和装置 | |
| Dinh et al. | Arc length control for efficiency enhancement of energy usage in plasma dry reforming process | |
| Cao et al. | Influence of the laminar plasma torch construction on the jet characteristics | |
| CN204114966U (zh) | 气体处理设备 | |
| Yamamoto et al. | Feasibility study of water plasma jets for combustion promotion | |
| Liu et al. | Study of underwater plasma arc ignition and cutting process for surface nonconductive steel structures for offshore decommissioning | |
| RU2002122412A (ru) | Способ и устройство для обработки твердого порошкового фторполимера | |
| Pashchenko | Research into the energy conversion processes in hybrid plasma devices for applying the coatings | |
| Lermen et al. | Development of a new hybrid plasma torch for materials processing | |
| Ghabi et al. | Experimental study of stability and pollutant emissions of turbulent biogas flames under microsecond pulsed plasma | |
| Nunnally | Application of low current gliding arc plasma discharges for hydrogen sulfide decomposition and carbon dioxide emission reduction | |
| Colombo et al. | Optimization of plasma arc cutting of mild steel thin plates | |
| EP3393215A1 (de) | Lichtbogenplasmatron-oberflächenbehandlung | |
| Anshakov et al. | Material processing using arc plasmatrons with thermochemical cathodes | |
| Nedybaliuk et al. | Peculiarities of Plasma Assisted Stearine Combustion | |
| Jasiński et al. | Destruction of highly-concentrated gaseous pollutants using atmospheric-pressure mi crow a ye torch discharges | |
| Tazmeev et al. | Application of gas discharge with liquid electrolytic cathode to create flow of steam-water plasma | |
| SUGIMOTO et al. | Spectroscopy Analysis of Transferred Type Arc Plasma with Argon Steam Mixture for Decomposition Process of Stable Matters | |
| KR101177272B1 (ko) | 화학기상증착 공정의 폐가스 처리를 위한 플라즈마 토치 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20200423 |