RU2013139165A

RU2013139165A - Плазменная горелка

Info

Publication number: RU2013139165A
Application number: RU2013139165/07A
Authority: RU
Inventors: Хидеки ХАМАТАНИ; Сунао ТАКЕУТИ; Фуминори ВАТАНАБЕ; Тецуро НОСЕ; Олег Павлович СОЛОНЕНКО; Андрей Владимирович Смирнов
Original assignee: Ниппон Стил Энд Сумитомо Метал Корпорейшн
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2015-03-27
Also published as: US20130319979A1; JP5376091B2; WO2012115533A1; EP2689640A1; JP2013536543A; RU2564534C2; US9226378B2; EP2689640B1

Abstract

1. Плазменная горелка каскадного типа, содержащая каскад между катодом и анодом, генерирующая плазменную струю посредством подачи электрического напряжения между катодом и анодом, в которойкатод содержит медную часть основного тела, содержащую канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения и стержневидный вольфрамовый отрицательный электрод, вставленный в медную часть основного тела,между катодом и каскадом дополнительно предусмотрена направляющая деталь, причем направляющая деталь электрически изолирована от катода и анода, а также содержит канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,между направляющей деталью и анодом предусмотрен каскад, причем каскад содержит либо единичный компонент, имеющий внутреннюю область, расширяющуюся множественными ступенями в сторону анода, либо множество компонентов, электрически изолированных друг от друга, причем каскад электрически изолирован от катода и анода и сконфигурирован как межэлектродная вставка, содержащая канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,анод является медным компонентом, содержащим канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,плазменная горелка дополнительно содержит формирующее сопло, присоединенное таким образом, что оно электрически изолировано от анода, причем внутренняя область формирующего сопла расширяется множественными ступенями к стороне, противоположной аноду, и формирующее сопло также содержит канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения, иплазменная горелка дополнительно со�

Claims

1. Плазменная горелка каскадного типа, содержащая каскад между катодом и анодом, генерирующая плазменную струю посредством подачи электрического напряжения между катодом и анодом, в которой

катод содержит медную часть основного тела, содержащую канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения и стержневидный вольфрамовый отрицательный электрод, вставленный в медную часть основного тела,

между катодом и каскадом дополнительно предусмотрена направляющая деталь, причем направляющая деталь электрически изолирована от катода и анода, а также содержит канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,

между направляющей деталью и анодом предусмотрен каскад, причем каскад содержит либо единичный компонент, имеющий внутреннюю область, расширяющуюся множественными ступенями в сторону анода, либо множество компонентов, электрически изолированных друг от друга, причем каскад электрически изолирован от катода и анода и сконфигурирован как межэлектродная вставка, содержащая канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,

анод является медным компонентом, содержащим канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения,

плазменная горелка дополнительно содержит формирующее сопло, присоединенное таким образом, что оно электрически изолировано от анода, причем внутренняя область формирующего сопла расширяется множественными ступенями к стороне, противоположной аноду, и формирующее сопло также содержит канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения, и

плазменная горелка дополнительно содержит модуль боковой защиты, препятствующий притоку газа из окружающей среды за счет генерации коаксиальной, кольцевой и низкоскоростной защитной газовой струи, таким образом препятствующий поступлению кислорода в формирующее сопло и плазменную струю, выбрасываемую из формирующего сопла.

2. Плазменная горелка по п.1, в которой

диаметр D_cathode наконечника отрицательного электрода, предусмотренного на катоде, соответствует уравнению (1) {D_cathode=2+[(I-100)/100] (мм)}, причем

в уравнении (1) [x] - целая часть x, выражения, заключенного в скобки, I - электрический ток дуги (А) в пределах от 100≤I≤400 (A).

3. Плазменная горелка по п.1, в которой

диаметр D_pilot части центрального отверстия направляющей детали и диаметр D_cathode наконечника отрицательного электрода, предусмотренного на катоде, соответствуют уравнению {D_pilot>D_cathode}.

4. Плазменная горелка по любому из пп.1 и 2, в которой

предусмотрен перепускной канал в обход части центрального отверстия, предусмотренной в направляющей детали, и

рабочий газ для генерации плазмы проходит со стороны катода в сторону каскада за счет прохождения через по меньшей мере одно из центрального отверстия или перепускного канала.

5. Плазменная горелка по п.1, в которой

ширина h={(D_pilot-D_cathode)/2} зазора между направляющей деталью и отрицательным электродом, предусмотренным на катоде, соответствует уравнению (2) {2G_w/[ρ_w(D_pilot-D_cathode)u_w,sound]<h} и уравнению (3) {h<2G_w/πμ_wRe_crit-D_cathode/2},

минимальное значение ширины h зазора является таким значением, что средняя массовая скорость рабочего газа плазменной горелки, присутствующего в кольцевом зазоре между отрицательным электродом и направляющей деталью, меньше скорости звука плазмообразующего газа при начальной температуре, и

максимальное значение ширины h зазора является таким значением, что при заранее определенном массовом расходе G_w рабочего газа плазменной горелки число Рейнольдса Re={4G_w/πD_pilotμ_w}, соответствующее состоянию рабочего газа плазменной горелки на входе направляющей детали, меньше критического числа Рейнольдса Re_crit=2100, причем критическое число Рейнольдса является значением, при котором поток газа внутри трубы переходит в турбулентное состояние.

6. Плазменная горелка по п.1, в которой

каскад содержит множество компонентов,

между каждым из множества компонентов и между каскадом и катодом и анодом предусмотрены уплотнительное кольцо и изолирующее керамическое кольцо, и

промежуток между каждым из множества компонентов и промежуток между каскадом и катодом и анодом соединены, будучи при этом электрически изолированными.

7. Плазменная горелка по п.1, в которой

диаметр каскада последовательно возрастает на одну или более ступеней со стороны направляющей детали в сторону анода, и длина L_i (мм) каждой ступени в направлении выброса плазменной струи подчиняется уравнению {5≤L_i(мм)≤15}.

8. Плазменная горелка по п.1, в которой

диаметр каскада последовательно возрастает на одну или более ступеней в сторону анода, и если длина i-ой позиции каскада со стороны направляющей детали в направлении выброса плазменной струи представлена как L_i (мм), а размер ступени в радиальном направлении представлен как Δr_i (мм), то L_i (мм) и Δr_i (мм) каждой ступени соответствуют уравнению {4,5≤L_i/Δr_i≤15}.

9. Плазменная горелка по любому из пп.7 и 8, в которой

межэлектродная длина L между наконечником отрицательного электрода, предусмотренным на катоде, и наконечником анода со стороны каскада соответствует уравнению {50≤L(мм)≤150}.

10. Плазменная горелка по п.1, в которой

анод содержит проточный канал, содержащий

канал подвода плазмы, который соединен с выходной стороной каскада и содержит конический участок, сужающийся от входной стороны к выходной стороне,

цилиндрический проточный канал, который соединен с каналом подвода плазмы и стабилизирует плазму благодаря тому, что имеет одинаковый диаметр к выходной стороне, и

гладкую внутреннюю стенку, причем

внутренний диаметр D_anode цилиндрического проточного канала анода и диаметр D_pilot части центрального отверстия направляющей детали соответствуют уравнению {1,5≤D_anode/D_pilot≤2,8}.

11. Плазменная горелка по п.1, в которой

суммарный массовый расход газа G_total соответствует уравнению (4) {100≤Re_total≤500} и уравнению (5) {0,15G_total≤G_anode≤0,3G_total}, причем Re_total (=4G_total/πD_anodeμ) в уравнении (4) и уравнении (5) обозначает число Рейнольдса, вычисленное в поперечном сечении выходной стороны анода, и G_total в обобщенном уравнении (6) {

G_{t o t a l} = \sum_{j} G_{j}

} обозначает суммарный массовый расход газа (в граммах в секунду) j-го элемента газовой смеси, содержащейся в плазме и анодном защитном газе G_j.

12. Плазменная горелка по п.11, в которой

газовая смесь, содержащаяся в плазме, такова, что максимальное значение относительного массового расхода каждого из аргона, азота и водорода подчиняется первому уравнению {G_Argon/G_Nitrogen=0,4} и второму уравнению {G_Hydrogen/G_Nitrogen=0,04}.

13. Плазменная горелка по п.12, в которой

формирующее сопло, содержащее канальную конструкцию, включающую в себя конструкцию водяного охлаждения, содержит внутреннюю область, имеющую такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает со стороны анода к формирующему выходу, причем формирующее сопло соединено с анодом, будучи при этом электрически изолировано от него.

14. Плазменная горелка по п.13, в которой

отношение между внутренним диаметром D_exit на формирующем выходе формирующего сопла и внутренним диаметром D_anode цилиндрического проточного канала анода соответствует уравнению {1,5≤D_exit/D_anode≤2,5}.

15. Плазменная горелка по п.14, в которой

диаметр формирующего сопла последовательно возрастает на протяжении одной или более ступеней по направлению к формирующему выходу, и если длина i-ой позиции формирующего сопла со стороны анода в направлении выброса плазменной струи представлена как L_Ni (мм), а размер ступени в радиальном направлении представлен как Δr_i (мм), то L_Ni (мм) и Δr_i (мм) соответствуют уравнению {5≤L_Ni/Δr_i≤10}, причем выполняется {1≤i≤M-1} неравенство, где M - количество ступеней.

16. Плазменная горелка по п.1, в которой

модуль боковой защиты использует газ в виде по меньшей мере одного из газообразного аргона и газообразного азота или их газовой смеси, выбрасываемый из множества каналов, которые размещены в коаксиальных и осесимметричных положениях, или прорезей в коаксиальном положении, которые образуют форму кольца вокруг плазменной струи, в качестве защитной газовой струи.

17. Плазменная горелка по п.1, в которой

внутренняя область каскада имеет такую форму, что диаметр внутренней области последовательно возрастает множеством ступеней в сторону анода, причем количество ступеней составляет от четырех до десяти.

18. Плазменная горелка по п.1, в которой

внешний диаметр участка катода, каскада, анода и формирующего сопла, имеющего наибольший диаметр, меньше или равен 70 мм, и

максимальная длина, объединяющая длину катода, длину каскада, длину анода и длину формирующего сопла, меньше или равна 300.