RU2032281C1

RU2032281C1 - Method of formation of plasma flux and device for its realization

Info

Publication number: RU2032281C1
Authority: RU
Inventors: О.В. Синягин; И.М. Токмулин
Original assignee: Акционерное общество - Научно-производственная фирма "Аз"
Priority date: 1992-09-29
Filing date: 1992-09-29
Publication date: 1995-03-27

Abstract

FIELD: plasma equipment. SUBSTANCE: method lies in mixing of plasma jets in number multiple of two. Plasma jets are formed with the use of electrode units which are positioned in symmetry relative to axis of device and which are directed at angle smaller than 45 deg towards axis. Three external magnets fields are superimposed on each plasma jet, their vectors of induction being coupled to directions of vectors of induction of inherent magnetic fields of plasma jets. Each electrode unit has magnetic system in the form of open magnetic circuits and solenoids embracing poles of magnetic circuits. EFFECT: enhanced operational efficiency of device while working of surfaces of articles. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при термической и плазмохимической обработке поверхностей изделий. The invention relates to plasma technology and can be used in thermal and plasma-chemical treatment of surfaces of products.

Известно устройство для плазменной обработки материалов, содержащее камеру с шихтопроводом по оси и три генератора плазмы, равномерно расположенных вокруг шихтопровода под углом к нему, в основу действий которого положен способ, включающий ввод материала в зону смешения трех плазменных струй по оси камеры и обработку в суммарном плазменном потоке. A device for plasma processing of materials is known, comprising a chamber with a charge line along the axis and three plasma generators evenly spaced around the charge line at an angle to it, the basis of the actions of which is a method comprising introducing material into the mixing zone of three plasma jets along the camera axis and processing in total plasma flow.

Недостатком данных способа и устройства является низкая эффективность использования обрабатываемого материала, т.к. при встрече плазменных струй, формируемых каждый генератором плазмы, в зоне смешения возникают поперечные потоки плазмы, выбрасывающие вводимый материал из зоны обработки. The disadvantage of the data of the method and device is the low efficiency of use of the processed material, because when the plasma jets formed by each plasma generator meet, transverse plasma flows appear in the mixing zone, ejecting the introduced material from the treatment zone.

Более близким к заявляемому способу и устройству является устройство для плазменно-дуговой обработки материалов, содержащее камеру с шихтопроводом по оси и три электродуговых генератора плазмы переменного тока, в основу действия которого положен способ, включающий ввод материала в зону смешения трех плазменных струй с электрическими дугами трехфазного переменного тока и обработку в суммарном плазменном потоке [1]. Closer to the claimed method and device is a device for plasma-arc processing of materials, containing a chamber with a charge line along the axis and three electric arc plasma generators of AC, the basis of the action of which is a method comprising introducing material into the mixing zone of three plasma jets with three-phase electric arcs alternating current and processing in the total plasma stream [1].

Недостатком данных способа и устройства также является низкая эффективность использования обрабатываемого материала в результате выброса материала из зоны смешения плазменно-дуговых струй поперечными потоками плазмы. The disadvantage of the data of the method and device is the low efficiency of use of the processed material as a result of ejection of material from the mixing zone of the plasma-arc jets by transverse plasma flows.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ создания плазменного потока, реализованный в устройстве для плазменной обработки материала [2]. The closest in technical essence and the achieved effect is a method of creating a plasma stream, implemented in a device for plasma processing of material [2].

В этом способе смешивают плазменные струи в количестве, кратном двум, располагают симметрично вокруг оси симметрии общего плазменного потока и направляют под углом к этой оси. Пропускают постоянный электрический ток вдоль каждой плазменной струи и направляют электрические токи в соседних плазменных струях в противоположных направлениях относительно оси общего плазменного потока, причем на каждую плазменную струю налагают три внешних магнитных поля, векторы индукции которых ориентируют перпендикулярно этой оси плазменной струи, при этом вектор индукции первого магнитного поля ориентируют перпендикулярно базовой плоскости, в которой расположены ось плазменной струи и ось общего плазменного потока, а второе и третье внешние магнитные поля налагают в полупространствах, образованных базовой плоскостью, и направляют их векторы индукции под углом к этой плоскости таким образом, чтобы составляющие векторов индукции второго и третьего внешних магнитных полей, параллельные базовой плоскости, были ориентированы по направлениям составляющих векторов индукций собственного магнитного поля плазменной струи, параллельным базовой плоскости в соответствующих полупространствах. In this method, plasma jets are mixed in an amount that is a multiple of two, arranged symmetrically around the axis of symmetry of the total plasma flow, and directed at an angle to this axis. A direct electric current is passed along each plasma jet and electric currents are directed in adjacent plasma jets in opposite directions relative to the axis of the general plasma stream, and three external magnetic fields are applied to each plasma stream, the induction vectors of which are oriented perpendicular to this axis of the plasma jet, while the induction vector the first magnetic field is oriented perpendicular to the base plane in which the axis of the plasma jet and the axis of the total plasma flow are located, and the second e and the third external magnetic field are superimposed in the half-spaces formed by the base plane and their induction vectors are directed at an angle to this plane so that the components of the induction vectors of the second and third external magnetic fields parallel to the base plane are oriented along the directions of the components of the intrinsic induction vectors magnetic field of a plasma jet parallel to the base plane in the corresponding half-spaces.

Устройство содержит шихтопровод, электродуговые генераторы плазменных струй, расположенные симметрично вокруг оси шихтопровода, и магнитную систему, каждый электродуговой генератор плазменной струи выполнен из двух электродных узлов, оси которых расположены под острым углом к оси шихтопровода, к которой направлены выходные части электродных узлов, установленных симметрично относительно плоскости, в которой расположена ось шихтопровода, при этом магнитная система выполнена в виде разомкнутых магнитопроводов в количестве, равном числу электродных узлов, причем на каждом полюсе разомкнутого магнитопровода установлен соленоид, концы полюсов каждого разомкнутого магнитопровода расположены симметрично относительно плоскости, параллельной оси шихтопровода и в которой размещена ось соответствующего электродного узла, и, кроме того, размещены между двумя плоскостями, перпендикулярными оси шихтопровода, одна из которых проходит через точку пересечения осей электродных узлов, а другая - через центр торцовой плоскости выходной части электродного узла, причем участок каждого разомкнутого магнитопровода между соленоидами снабжен ферромагнитным отводом, конец которого расположен между осью шихтопровода и соответствующим электродным узлом, а центр конца отвода расположен в плоскости симметрии полюсов данного разомкнутого магнитопровода. The device comprises a charge line, electric arc plasma jet generators located symmetrically around the axis of the charge line, and a magnetic system, each electric arc plasma generator is made of two electrode nodes, the axes of which are located at an acute angle to the axis of the charge line, to which the output parts of the electrode nodes are mounted symmetrically relative to the plane in which the axis of the charge line is located, while the magnetic system is made in the form of open magnetic circuits in an amount equal to a pair of electrode assemblies, and a solenoid is installed at each pole of the open magnetic circuit, the ends of the poles of each open magnetic circuit are symmetrically relative to a plane parallel to the axis of the charge line and in which the axis of the corresponding electrode assembly is located, and, in addition, there is one between two planes perpendicular to the axis of the charge line of which passes through the point of intersection of the axes of the electrode assemblies, and the other through the center of the end plane of the output part of the electrode assembly, and dogo open magnetic coils is provided between the ferromagnetic tap, an end of which is located between the axis shihtoprovoda and corresponding electrode assembly and the center of the end outlet is located in the plane of symmetry of poles of the open magnetic circuit.

Электродные узлы попарно подсоединены к индивидуальному источнику постоянного электрического тока с чередованием полярности. The electrode nodes are connected in pairs to an individual source of constant electric current with alternating polarity.

Недостатком указанного способа являются относительно узкие функциональные возможности. Это обусловлено тем, что плазменные струи в указанной конфигурации внешних магнитных полей сохраняют стабильное положение лишь при углах, больших чем 45^о, между осями начальных участков плазменных струй и осью общего плазменного потока. Однако как для эффективного ввода обрабатываемого материала в общий плазменный поток, так и для эффективного сканирования общим плазменным потоком по поверхности изделий необходимо, чтобы углы схождения плазменных струй были как можно меньше. Но при углах, меньших чем 45^о между осями плазменных струй и осью общего плазменного потока силы электромагнитного взаимоотталкивания плазменных струй в собственных магнитных полях настолько большие, что для удержания плазменных струй необходимо изменить ориентации векторов внешних магнитных полей на противоположные. В результате указанная система внешних магнитных полей теряет свойство стабилизации плазменных струй и способ становится неработоспособным.The disadvantage of this method is the relatively narrow functionality. This is because the plasma jet in this configuration, external magnetic fields remain stable position only at angles greater than ⁴⁵ °, between the axes of the initial portions of the plasma jets and the axis of the total plasma stream. However, both for the effective input of the processed material into the common plasma stream, and for effective scanning with the common plasma stream over the surface of the products, it is necessary that the convergence angles of the plasma jets are as small as possible. But at angles smaller than ⁴⁵ ° between the axes of the plasma jets and the axis of the total plasma stream of electromagnetic forces antagonism of plasma jets in their own magnetic fields are so large that the plasma jets to keep you must change the orientation of the vector of the external magnetic field to the opposite. As a result, the specified system of external magnetic fields loses the stabilization property of the plasma jets and the method becomes inoperative.

Недостатком указанного устройства является недостаточно высокий ресурс работы электродных узлов. Это обусловлено тем, что плазменно-дуговая струя, выходя из сопла электродного узла, изгибается в магнитном поле, создаваемом магнито- проводом. В результате тот край сопла, в сторону которого изгибается струя, испытывает большие тепловые нагрузки, чем остальные края, и быстрее эродирует, что искажает форму сопла и делает его непригодным для использования. Для уменьшения односторонней эрозии необходимо уменьшить угол изгиба струи, т.е. уменьшить угол между осями электродных узлов. Но при этом указанное устройство не обеспечивает cтабилизации плазменного потока, что является его вторым недостатком. Это обусловлено следующим. При острых углах между плазменно-дуговыми струями силы электромагнитного взаимоотталкивания струй значительно больше, чем при тупых углах. Поэтому для удержания плазменных струй в указанном устройстве необходимо сменить направление вектора магнитной индукции магнитопроводов на противоположное, что лишает систему магнитных полей стабилизирующего эффекта для плазменной струи. The disadvantage of this device is the insufficiently high resource of the electrode assemblies. This is due to the fact that the plasma-arc jet exiting the nozzle of the electrode assembly bends in the magnetic field created by the magnetic wire. As a result, the edge of the nozzle toward which the jet bends experiences greater thermal loads than the other edges and erodes faster, which distorts the shape of the nozzle and makes it unusable. To reduce one-sided erosion, it is necessary to reduce the bend angle of the jet, i.e. reduce the angle between the axes of the electrode assemblies. But while this device does not provide stabilization of the plasma flow, which is its second drawback. This is due to the following. At sharp angles between plasma-arc jets, the forces of electromagnetic mutual repulsion of jets are much greater than at obtuse angles. Therefore, to hold the plasma jets in the specified device, it is necessary to change the direction of the magnetic induction vector of the magnetic cores to the opposite, which deprives the system of magnetic fields of the stabilizing effect for the plasma jet.

Для достижения технического результата, выражающегося в расширении функциональных возможностей способа и улучшении устойчивости плазменного потока, а также повышении ресурса работы электродных узлов устройства, в способе создания плазменного потока, при котором плазменные струи смешивают в количестве, кратном двум, располагают симметрично вокруг оси симметрии общего плазменного потока и направляют под углом к этой оси, при этом пропускают постоянный электрический ток вдоль каждой плазменной струи и направляют электрические токи в соседних плазменных струях в противоположных направлениях относительно оси общего плазменного потока, причем на каждую плазменную струю налагают три внешних магнитных поля, векторы индукции которых ориентируют перпендикулярно оси этой плазменной струи, при этом вектор индукции первого внешнего магнитного поля ориентируют перпендикулярно базовой плоскости, в которой расположены ось плазменной струи и ось общего плазменного потока, а второе и третье внешние магнитные поля налагают в полупространствах, образованных этой базовой плоскостью, и направляют их векторы индукции под углом к этой плоскости таким образом, чтобы составляющие вектора в индукции второго и третьего внешних магнитных полей, параллельные базовой плоскости, были ориентированы по направлениям составляющих векторов индукции собственного магнитного поля плазменной струи, параллельным базовой плоскости в соответствующих полупространствах, при этом каждую плазменную струю направляют к оси общего плазменного потока под углом, меньшим 45^о, при этом первое внешнее магнитное поле налагают между осью плазменной струи и осью общего плазменного потока, а вектор индукции поля ориентируют в направлении, противоположном направлению вектора индукции собственного магнитного поля плазменной струи в области базовой плоскости между этими осями, при этом составляющие векторов индукции каждых второго и третьего внешних магнитных полей, перпендикулярные базовой плоскости, ориентируют в направлении вектора индукции первого внешнего магнитного поля, изменяют величины индукции вторых и третьих магнитных полей для каждой плазменной струи.To achieve a technical result, which is expressed in expanding the functionality of the method and improving the stability of the plasma flow, as well as increasing the life of the electrode assemblies of the device, in a method of creating a plasma flow in which the plasma jets are mixed in an amount multiple of two, they are arranged symmetrically around the axis of symmetry of the total plasma flow and direct at an angle to this axis, while passing a constant electric current along each plasma jet and direct electric currents in adjacent plasma jets in opposite directions relative to the axis of the total plasma stream, and three external magnetic fields are applied to each plasma jet, the induction vectors of which are oriented perpendicular to the axis of this plasma jet, while the induction vector of the first external magnetic field is oriented perpendicular to the base plane in which the axis of the plasma jet and the axis of the total plasma flow, and the second and third external magnetic fields impose in the half-spaces formed by this base plane and direct their induction vectors at an angle to this plane so that the vector components in the induction of the second and third external magnetic fields parallel to the base plane are oriented along the directions of the components of the induction vectors of the intrinsic magnetic field of the plasma jet parallel to the base plane in the corresponding half-spaces , wherein each plasma jet is directed to the total plasma stream axis at an angle less than ^about 45, wherein the first external magnetic field impose between shaft pla the flow axis and the axis of the total plasma flow, and the field induction vector is oriented in the direction opposite to the direction of the induction vector of the intrinsic magnetic field of the plasma jet in the region of the base plane between these axes, while the components of the induction vectors of every second and third external magnetic fields perpendicular to the base plane, orient in the direction of the induction vector of the first external magnetic field, change the magnitude of the induction of the second and third magnetic fields for each plasma jet.

В устройстве для создания плазменного потока, содержащем электродные узлы в количестве, кратном двум, расположенные симметрично вокруг оси симметрии устройства, и магнитную систему, при этом каждый электродный узел направлен под углом к оси симметрии устройства, а магнитная система выполнена в виде разомкнутых магнитопроводов, причем на каждом полюсе разомкнутого магнитопровода установлен соленоид, участок каждого разомкнутого магнитопровода между соленоидами снабжен ферромагнитным отводом, концы полюсов каждого разомкнутого магнито- провода расположены симметрично относительно соответствующей базовой плоскости, в которой лежат оси симметрии устройства и электродного узла и центр конца ферромагнитного отвода разомкнутого магнитопровода, каждый электродный узел установлен под углом к оси симметрии устройства, меньшим 45^о, при этом полюса каждого разомкнутого магнитопровода расположены в области пространства, ограниченной симметричными плоскостями, которые пересекают ось симметрии устройства и в которых лежат оси электродных узлов, причем концы ферромагнитных отводов расположены вне этой области, а центры концов ферромагнитного отвода и полюсов каждого разомкнутого магнитопровода размещены между двумя плоскостями, перпендикулярными оси соответствующего электродного узла, одна из которых проходит через точку пересечения осей электродных узлов, а другая - через центр выходной торцовой части электродного узла.In the device for creating a plasma stream containing electrode nodes in an amount of two, located symmetrically around the axis of symmetry of the device, and a magnetic system, with each electrode node pointing at an angle to the axis of symmetry of the device, and the magnetic system is made in the form of open magnetic cores, a solenoid is installed at each pole of the open magnetic circuit, a portion of each open magnetic circuit between the solenoids is equipped with a ferromagnetic tap, the ends of the poles of each open magnesium TO- wires are arranged symmetrically with respect to the respective reference plane in which lie the axis of symmetry of the device and the electrode assembly and the center of the open outlet end of the ferromagnetic yoke, each electrode assembly is mounted at an angle to the axis of symmetry of the device, ^of less than 45, the poles of each magnetic circuit are arranged in the open areas of space bounded by symmetrical planes that intersect the axis of symmetry of the device and in which the axes of the electrode assemblies lie, the ends being ferromagnetic x tap located outside this region, and the centers of the ends of the ferromagnetic drain and poles each open magnetic circuit placed between two planes perpendicular to the axis of the electrode assembly, one of which passes through the point of intersection of the axes of the electrode sections, and the other - through the center of the output end part of the electrode assembly.

Направление каждой плазменной струи под углом, меньшим 45^о, к оси общего плазменного потока позволяет расширить функциональные возможности метода, т.к. повышает эффективность и облегчает ввод дисперсных материалов и аэрозолей в общий плазменный поток, а также позволяет отклонить общий плазменный поток на больший угол от среднего положения при сканировании поверхности изделий.The direction of each plasma jet at an angle of less than ⁴⁵ °, to total plasma stream axis allows to extend the functionality of the method features as increases the efficiency and facilitates the introduction of dispersed materials and aerosols into the total plasma stream, and also allows you to deflect the total plasma stream at a larger angle from the middle position when scanning the surface of the products.

Наложение первого внешнего магнитного поля между осью плазменной струи и осью общего плазменного потока и заявляемые ориентации векторов индукции внешних магнитных полей позволяют управлять каждой плазменной струей в условиях сильного электромагнитного взаимоотталкивания плазменных струй, а также обеспечивают стабильность каждой плазменной струи и общего плазменного потока в этих условиях. The application of the first external magnetic field between the axis of the plasma jet and the axis of the total plasma flow and the claimed orientations of the induction vectors of the external magnetic fields make it possible to control each plasma jet under conditions of strong electromagnetic repulsion of the plasma jets, and also ensure the stability of each plasma jet and the total plasma flow under these conditions.

Установление угла между осью каждого электродного узла и осью симметрии устройства, меньшим 45^о, соответственно уменьшает угол, на который изгибают плазменно-дуговые струи электродных узлов, формирующий общий плазменный поток, направленный вдоль оси симметрии устройства. В результате уменьшается односторонняя тепловая нагрузка на стенки сопел, снижается односторонняя эрозия этих стенок и, соответственно, увеличивается ресурс работы электродных узлов. Расположение полюсов каждого разомкнутого магнитопровода в области пространства, ограниченной симметричными плоскостями, которые пересекают ось симметрии устройства и в которых лежат оси электродных узлов, а концы ферромагнитных отводов - вне этой области, а центров концов ферромагнитного отвода и полюсов каждого разомкнутого магнитопровода между двумя плоскостями, перпендикулярными оси соответствующего электродного узла, одна из которых проходит через точку пересечения осей электродных узлов, а другая через центр выходной торцовой части электродного узла. В результате такого расположения струя внутри электродного узла не смещается от оси и не происходит односторонняя эрозия внутри электродного узла, т.е. повышается ресурс работы узла, обеспечивается работоспособность устройства и достижение эффекта стабилизации плазменных струй и, соответственно, общего плазменного потока в условиях сильного электромагнитного взаимоотталкивания плазменных струй.The establishment of an angle between the axis of each electrode assembly and the axis of symmetry of the device less than 45 ^° , respectively, reduces the angle by which the plasma-arc jets of the electrode assemblies are bent, forming a common plasma flow directed along the axis of symmetry of the device. As a result, the one-sided thermal load on the nozzle walls decreases, the one-sided erosion of these walls decreases, and, accordingly, the working life of the electrode assemblies increases. The location of the poles of each open magnetic circuit in a space limited by symmetrical planes that intersect the axis of symmetry of the device and in which the axes of the electrode assemblies lie, and the ends of the ferromagnetic taps are outside this region, and the centers of the ends of the ferromagnetic tap and the poles of each open magnetic circuit between two planes perpendicular axis of the corresponding electrode assembly, one of which passes through the intersection point of the axes of the electrode assemblies, and the other through the center of the output end th part of the electrode assembly. As a result of this arrangement, the jet inside the electrode assembly does not shift from the axis and unilateral erosion does not occur inside the electrode assembly, i.e. increases the resource of the node, ensures the operability of the device and the achievement of the stabilization effect of the plasma jets and, accordingly, the total plasma flow in conditions of strong electromagnetic repulsion of the plasma jets.

На фиг. 1 схематично изображено создание общего плазменного потока из плазменных струй; на фиг.2 - схема взаимодействия плазменной струи с внешними магнитными полями в сечении А-А на фиг.1; на фиг.3 - устройство создания плазменного потока с двумя электродными узлами; на фиг.4 - устройство с четырьмя электродными узлами. In FIG. 1 schematically shows the creation of a common plasma flow from plasma jets; figure 2 is a diagram of the interaction of the plasma jet with external magnetic fields in section aa in figure 1; figure 3 - device for creating a plasma stream with two electrode nodes; figure 4 - device with four electrode nodes.

Способ создания плазменного потока осуществляют следующим образом. Создают плазменные струи 1 (фиг.1, 2) любым из известных методов, например, продувая газ через электродуговой разряд в сопло. Количество плазменных струй 1 кратно двум. Начальные участки плазменных струй 1 направляют к оси 2 общего плазменного потока 3 под углом α , меньшим 45^о, и располагают симметрично вокруг нее. Пропускают постоянный электрический ток

вдоль каждой плазменной струи 1 и направляют электрические токи

в соседних плазменных струях 1 в противоположных направлениях относительно оси 2 общего плазменного потока 3 (фиг.2). На каждую плазменную струю 1 налагают три внешних магнитных поля с векторами индукции

,

(фиг.2), которые располагают параллельно плоскости, перпендикулярной оси этой плазменной струи 1 (сечение А-А на фиг.1).The method of creating a plasma stream is as follows. Plasma jets 1 are created (FIGS. 1, 2) by any of the known methods, for example, by blowing gas through an electric arc discharge into a nozzle. The number of plasma jets 1 is a multiple of two. The initial sections of the plasma jets 1 are directed to the axis 2 of the total plasma stream 3 at an angle α less than 45 ^about , and are placed symmetrically around it. Passing direct current

along each plasma jet 1 and direct electric currents

in adjacent plasma jets 1 in opposite directions relative to axis 2 of the total plasma stream 3 (figure 2). Three external magnetic fields with induction vectors are applied to each plasma jet 1

,

(figure 2), which are parallel to the plane perpendicular to the axis of this plasma jet 1 (section AA in figure 1).

Первое внешнее магнитное поле налагают в пространстве между осью 4 плазменной струи 1 и осью 2 общего плазменного потока 3 (фиг.2). Вектор индукции

ориентируют перпендикулярно плоскости, в которой расположены ось 4 плазменной cтруи 1 и оcь 2 общего плазменного потока 3, и в направлении, противоположном направлению вектора индукции

собственного магнитного поля этой плазменной струи 1, на линии, соединяющей ось 4 этой плазменной струи 1 и ось 2 общего плазменного потока 3, в промежутке между этими осями.The first external magnetic field is applied in the space between the axis 4 of the plasma jet 1 and the axis 2 of the total plasma stream 3 (figure 2). Induction vector

they are oriented perpendicular to the plane in which the axis 4 of the plasma jet 1 and the axis 2 of the total plasma stream 3 are located, and in the direction opposite to the direction of the induction vector

the intrinsic magnetic field of this plasma jet 1, on a line connecting the axis 4 of this plasma jet 1 and the axis 2 of the total plasma stream 3, in the gap between these axes.

Второе и третье внешние магнитные поля налагают в полупространствах, образованных плоскостью, в которой расположены ось 4 плазменной струи 1 и ось 2 общего плазменного потока 3, и направляют их векторы индукции

и

под углом к этой плоскости. Составляющие

и

векторов индукции

и

, соответственно, параллельные этой плоскости, ориентируют по направлениям параллельных этой плоскости составляющих векторов индукции

собственного магнитного поля плазменной струи 1 в соответствующих полупространствах. Составляющие

и

векторов индукции

и

соответственно, перпендикулярные этой плоскости, ориентируют по направлению вектора индукции

собственного магнитного поля плазменной струи 1 на линии, соединяющей ось 4 плазменной струи 1 и ось 2 общего плазменного потока 3, со стороны, противоположной оси 2 общего плазменного потока 3 относительно оси 4 этой плазменной струи 1. Изменяя величины индукции внешних магнитных полей, устанавливают параллельность осей 4 плазменных струй 1 и оси 2 общего плазменного потока 3 (фиг.1). При регулировке и визуальном наблюдении ось 4 каждой плазменной струи 1 представляется как средняя линия аксиально симметричной плазменной струи 1, а ось 2 общего плазменного потока 3 - как воображаемая ось симметрии этого потока.The second and third external magnetic fields are imposed in half-spaces formed by the plane in which the axis 4 of the plasma jet 1 and axis 2 of the general plasma stream 3 are located, and their induction vectors are directed

and

at an angle to this plane. Components

and

induction vectors

and

, respectively, parallel to this plane, orient in the directions parallel to this plane of the components of the induction vectors

intrinsic magnetic field of the plasma jet 1 in the corresponding half-spaces. Components

and

induction vectors

and

accordingly, perpendicular to this plane, they are oriented in the direction of the induction vector

the intrinsic magnetic field of the plasma jet 1 on the line connecting the axis 4 of the plasma jet 1 and the axis 2 of the total plasma stream 3, from the side opposite to the axis 2 of the total plasma stream 3 relative to the axis 4 of this plasma jet 1. By changing the magnitude of the induction of external magnetic fields, establish parallelism axis 4 of the plasma jets 1 and axis 2 of the total plasma stream 3 (figure 1). During adjustment and visual observation, the axis 4 of each plasma jet 1 is represented as the middle line of the axially symmetric plasma jet 1, and the axis 2 of the total plasma stream 3 is represented as the imaginary axis of symmetry of this stream.

На каждую плазменную струю 1 действует сила

(фиг.2), обусловленная взаимодействием электрического тока

, протекающего в этой струе 1, и суперпозиции собственных магнитных полей остальных плазменных струй 1. Сила

направлена от оси 2 общего плазменного потока 3, и под ее действием каждая плазменная струя 1 отклоняется от своего исходного направления, совпадающего с направлением ее начального участка, также в сторону от оси 2 общего плазменного потока 3. Вследствие взаимодействия электрического тока

в плазменной струе 1 с первым внешним магнитным полем

и составляющими

и

второго и третьего магнитных полей на плазменную струю 1 действует суммарная сила

, равная векторной сумме

=

+

.Each plasma jet 1 has a force

(figure 2) due to the interaction of electric current

flowing in this jet 1 and a superposition of the intrinsic magnetic fields of the remaining plasma jets 1. Strength

is directed from axis 2 of the total plasma stream 3, and under its action, each plasma jet 1 deviates from its original direction, which coincides with the direction of its initial section, also away from axis 2 of the general plasma stream 3. Due to the interaction of electric current

in plasma jet 1 with a first external magnetic field

and components

and

the second and third magnetic fields on the plasma jet 1 acts the total force

equal to the vector sum

=

+

.

Сила

направлена противоположно силе

и компенсирует ее в большей или меньшей мере в зависимости от величин индукции внешних магнитных полей. Равновесное положение плазменной струи 1 при этом зависит от разности этих сил и энерционности изгибаемого движущегося потока газа (плазмы) в плазменной струе 1.Power

directed opposite to force

and compensates for it to a greater or lesser extent depending on the magnitude of the induction of external magnetic fields. The equilibrium position of the plasma jet 1 in this case depends on the difference of these forces and the energy of the bending moving stream of gas (plasma) in the plasma jet 1.

Заявляемая конфигурация внешних магнитных полей обеспечивает повышение стабильности плазменной струи 1 в направлении на фиг.2 при реальных неоднородных магнитных полях. При случайном малом смещении струи 1 в сторону увеличения и индукции

одновременно уменьшаются индукции

и

, и наоборот, вследствие этого сила

при этих смещениях изменяется незначительно. Но сила F

, взаимоотталкивания плазменных струй увеличивается по мере приближения плазменной струи 1 и оси 2 общего плазменного потока 3, и наоборот, уменьшается при удалении. Возникающие в обоих случаях разности сил

и

при случайных смещениях возвращают плазменную струю 1 обратно в равновесное положение.The inventive configuration of external magnetic fields provides increased stability of the plasma jet 1 in the direction of FIG. 2 with real inhomogeneous magnetic fields. With a random small displacement of the jet 1 in the direction of increase and induction

at the same time induction decreases

and

and vice versa, as a result of this, strength

at these displacements changes insignificantly. But force F

, the mutual repulsion of the plasma jets increases with the approach of the plasma jet 1 and axis 2 of the total plasma stream 3, and vice versa, decreases with distance. Differences of forces arising in both cases

and

at random displacements, return the plasma jet 1 back to the equilibrium position.

Наличие магнитных полей

и

обеспечивает стабилизацию плазменной струи в направлении Y на фиг.2. В равновесном положении силы

и

, действующие на плазменную струю 1 со стороны второго и третьего магнитных полей, взаимокомпенсируются. При случайном смещении плазменной струи 1 влево или вправо в направлении Y равновесие нарушается и появляется разностная сила, возвращающая плазменную струю 1 в равновесное положение.The presence of magnetic fields

and

provides stabilization of the plasma jet in the Y direction in figure 2. In equilibrium

and

acting on the plasma jet 1 from the side of the second and third magnetic fields are mutually compensated. If the plasma jet 1 is randomly displaced left or right in the Y direction, the equilibrium is violated and a difference force appears, which returns the plasma jet 1 to its equilibrium position.

Изменение соотношения индукций второго и третьего магнитного полей позволяет смещать плазменную струю 1 вдоль направления Y (фиг.2), не изменяя ее положения в направлении Х. В результате также расширяются функциональные возможности плазменного потока 3, т.к. можно независимо корректировать положение каждой плазменной струи 1 для формирования требуемой конфигурации общего плазменного потока, что особенно важно при значительных угловых отклонениях общего плазменного потока от среднего положения во время, например, сканирования поверхности изделий с магнитным управлением. Если синхронно для всех плазменных струй 1 периодически изменять величины индукции вторых и третьих внешних магнитных полей, то будут происходить колебания общего плазменного потока вокруг его оси при сохранении его конфигурации, что расширяет возможности, например, улучшая смешение и нагрев вводимых в общий плазменный поток дисперсных материалов при их обработке, или растирая и усредняя по свойствам плазменное пятно на поверхности обрабатываемой детали. Changing the ratio of the induction of the second and third magnetic fields allows you to shift the plasma jet 1 along the Y direction (Fig.2), without changing its position in the X direction. As a result, the functionality of the plasma stream 3 also extends, because the position of each plasma jet 1 can be independently adjusted to form the desired configuration of the total plasma stream, which is especially important for significant angular deviations of the total plasma stream from the middle position during, for example, scanning the surface of magnetically controlled products. If the induction values of the second and third external magnetic fields are periodically changed synchronously for all plasma jets 1, then oscillations of the total plasma flow around its axis will occur while maintaining its configuration, which expands the possibilities, for example, improving the mixing and heating of dispersed materials introduced into the total plasma flow during their processing, or grinding and averaging the plasma spot on the surface of the workpiece.

Требуемую температуру плазмы в центре общего плазменного потока 3 получают, изменяя значение электрических токов

, расходов газов через плазменные струи 1 и величиной отклонения плазменных струй 1 от оси 2 общего плазменного потока.The required plasma temperature in the center of the total plasma stream 3 is obtained by changing the value of the electric currents

, gas flows through the plasma jets 1 and the deviation of the plasma jets 1 from the axis 2 of the total plasma stream.

Устройство создания плазменного потока содержит электродные узлы 5 в количестве, кратном двум (см. фиг.1), каждый из которых выполнен в виде цилиндрической камеры 6 с соплом 7 по оси, центральным электродом 8, закрепленным в диэлектрической крышке 9, и патрубком 10 для ввода плазмообразующего газа. Электродные узлы 5 попарно подключены к силовому источнику постоянного тока 11 с чередованием полярностей потенциалов центральных электродов 8. The device for creating a plasma flow contains electrode assemblies 5 in an amount that is a multiple of two (see Fig. 1), each of which is made in the form of a cylindrical chamber 6 with an nozzle 7 along the axis, a central electrode 8 mounted in a dielectric cover 9, and a pipe 10 for input plasma-forming gas. The electrode assemblies 5 are connected in pairs to a direct current power source 11 with alternating polarities of the potentials of the central electrodes 8.

Электродные узлы 5 закреплены на основании 12 с помощью кронштейнов 13 под углом α, меньшим 45^о, между осью 4 электродного узла 5 и осью 2 симметрии устройства. Ось 2 симметрии устройства совпадает с осью общего плазменного потока 3. Электродные узлы 5 расположены симметрично вокруг оси 2 симметрии устройства. Если используются два (фиг.3) или четыре (фиг.4) и т.д. электродных узла 5, то их располагают вокруг оси 2 симметрии устройства с шагом 360^о/n соответственно, где n - количество электродных узлов 5. Так, например, на фиг. 4 показано устройство с четырьмя электродными узлами 5, расположенными с шагом 90^о вокруг оси 2. Для шести электродных узлов 5 шаг, соответственно, устанавливается 60^о и т.д.Electrode assemblies 5 fixed to the base 12 by brackets 13 at an angle α, less than ^about 45, between the axis 4 of the electrode portion 5 and the axis of symmetry 2 of the device. The axis of symmetry 2 of the device coincides with the axis of the total plasma stream 3. The electrode nodes 5 are located symmetrically around the axis of symmetry 2 of the device. If you are using two (figure 3) or four (figure 4), etc. of the electrode assemblies 5, they are arranged around the axis of symmetry 2 of the device with a step of 360 ^o / n, respectively, where n is the number of electrode assemblies 5. For example, in FIG. 4 shows an apparatus with four electrode assemblies 5, arranged with a pitch ^of 90 around the axis 2. For the six electrode assemblies step 5, respectively, is set ⁶⁰ etc.

На каждом кронштейне 13 укреплены по два полюса 14, на каждом из которых установлены соленоиды 15, подключенные к источникам тока 16. Концы пары полюсов 14 расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 2 симметрии устройства и ось 4 соответствующего электродного узла 5. Два полюса 14 и кронштейн 13 выполнены из ферромагнитного материала и образуют разомкнутый магнитопровод. Two poles 14 are fastened on each bracket 13, on each of which are mounted solenoids 15 connected to current sources 16. The ends of the pair of poles 14 are located symmetrically relative to the plane passing through the axis of symmetry 2 of the device and axis 4 of the corresponding electrode assembly 5. Two poles 14 and the bracket 13 is made of ferromagnetic material and form an open magnetic circuit.

К участку каждого кронштейна 13, расположенному между соленоидами 15, прикреплен отвод 17, выполненный, например, в виде планки из ферромагнитного материала. Центр конца отвода 17 расположен в плоскости симметрии полюсов 14 соответствующего кронштейна 13. To the section of each bracket 13 located between the solenoids 15, an outlet 17 is attached, made, for example, in the form of a strip of ferromagnetic material. The center of the end of the outlet 17 is located in the plane of symmetry of the poles 14 of the corresponding bracket 13.

Полюса 14 и конец отвода 17 каждого кронштейна 13 размещены между двумя плоскостями, перпендикулярными оси соответствующего электродного узла 5, одна из которых проходит через точку пересечения оси 4 соответствующего электродного узла 5 и оси 2 симметрии устройства, а другая - через точку пересечения оси 4 электродного узла 5 и торцовой части электродного узла 5, ближней к оси 2 симметрии устройства. The poles 14 and the end of the outlet 17 of each bracket 13 are placed between two planes perpendicular to the axis of the corresponding electrode assembly 5, one of which passes through the intersection of the axis 4 of the corresponding electrode assembly 5 and the axis of symmetry 2 of the device, and the other through the intersection of the axis 4 of the electrode assembly 5 and the end part of the electrode assembly 5 closest to the symmetry axis 2 of the device.

Полюса 14 каждого кронштейна 13 расположены относительно оси 4 соответствующего электродного узла 5 со стороны острого угла между осью 4 электродного узла 5 и осью 2 симметрии устройства. Конец отвода 17 размещен относительно оси 4 электродного узла 5 с противоположной от полюсов 14 стороны. The poles 14 of each bracket 13 are located relative to the axis 4 of the corresponding electrode assembly 5 from the acute angle between the axis 4 of the electrode assembly 5 and the axis of symmetry 2 of the device. The end of the outlet 17 is placed relative to the axis 4 of the electrode assembly 5 on the opposite side from the poles 14.

Устройство создания плазменного потока работает следующим образом. A device for creating a plasma stream operates as follows.

Через патрубки 10 в электродные узлы 5 подают газ, который выходит через сопла 7. Между центральными электродами 8 в каждой паре электродных узлов 5 зажигают электродуговой разряд постоянного тока от силовых источников тока 11. В результате каждый электродный узел 5 генерирует плазменную струю 1, условно показанную на фиг.1, которые формируют общий плазменный поток 3. Through the nozzles 10, gas is supplied to the electrode assemblies 5, which exits through the nozzles 7. Between the central electrodes 8 in each pair of electrode assemblies 5, a direct current arc discharge is ignited from the power sources 11. As a result, each electrode assembly 5 generates a plasma jet 1, conventionally shown figure 1, which form a common plasma stream 3.

В соленоиды 15 от источников тока 16 подают электрический ток, и вокруг каждой плазменной струи 1 образуются магнитные поля между соответствующими концами полюсов 14 и отвода 17 (см. фиг.2). An electric current is supplied to the solenoids 15 from current sources 16, and magnetic fields are formed around each plasma jet 1 between the respective ends of the poles 14 and the outlet 17 (see FIG. 2).

Направление электрического тока в соленоидах 15 выбирают по рекомендациям 4 таким образом, чтобы сила F_B1, действующая на данную плазменную струю 1 со стороны магнитного поля

между соответствующими полюсами 14, была направлена в сторону оси 2 устройства.The direction of the electric current in the solenoids 15 is chosen according to recommendations 4 so that the force F _B1 acting on the given plasma jet 1 from the side of the magnetic field

between the respective poles 14, was directed towards the axis 2 of the device.

Вследствие ответвления части магнитного потока, создаваемого соленоидами 15, в отвод 17 между отводом 17 и каждой из соответствующей пары полюсов 14 также возникают магнитные поля

и

, вследствие чего на плазменную струю 1 действуют дополнительные силы

и

соответственно.Due to the branching off of a part of the magnetic flux generated by the solenoids 15, magnetic fields also arise in the outlet 17 between the outlet 17 and each of the corresponding pair of poles 14

and

as a result of which additional forces act on the plasma jet 1

and

respectively.

Подбирая значение электрических токов в соленоидах 15, т.е. в большей или в меньшей степени осуществляя взаимокомпенсацию сил

и

, регулируют положение в пространстве каждой плазменной струи 1 или от оси 2 симметрии устройства по желанию пользователя устройства и тем самым формируют желаемую конфигурацию общего плазменного потока 3.Selecting the value of electric currents in the solenoids 15, i.e. more or less compensating forces

and

, adjust the position in space of each plasma jet 1 or from the axis of symmetry 2 of the device at the request of the user of the device and thereby form the desired configuration of the total plasma stream 3.

Изменяя соотношения электрических токов в соленоидах 15, но оставляя постоянной значение их суммы, смещают соответственно каждую плазменную струю 1 вдоль направления на фиг.2 без изменения положения относительно оси 2 симметрии устройства. Changing the ratio of electric currents in the solenoids 15, but leaving the value of their sum constant, each plasma jet 1 is displaced respectively along the direction in FIG. 2 without changing the position relative to the axis of symmetry 2 of the device.

Для электрических токов в струях 50-300А, расходов газов 0,1-5 л/мин через электродные узлы, расстояний между соплами электродных узлов и осью симметрии устройства 0,03-0,1 м, углах α = 40^о - 25^о индукция внешних магнитных полей составляла
В₁ ≈ В₂ ≈ В₃ ≈ 0,001 - 0,003 Тл.For electric currents in jets of 50-300A, gas flow rates of 0.1-5 l / min through the electrode nodes, the distances between the nozzles of the electrode nodes and the axis of symmetry of the device are 0.03-0.1 m, angles α = 40 ^о - 25 ^о induction external magnetic fields amounted
At ₁ ≈ At ₂ ≈ At ₃ ≈ 0.001 - 0.003 T.

Claims

METHOD FOR PLASMA FLOW CREATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION.

1. A method of creating a plasma stream, in which the plasma jets are mixed in a multiple of two, placed symmetrically around the axis of symmetry of the total plasma stream and directed at an angle to this axis, while passing a constant electric current along each plasma stream and directing electric currents to neighboring plasma jets in opposite directions relative to the axis of symmetry of the total plasma flow, and three external magnetic fields are applied to each plasma jet, the induction vectors of which are oriented perpendicular to the axis of this plasma jet, wherein the induction vector of the first external magnetic field is oriented perpendicular to the base plane in which the axis of the plasma jet and the axis of the total plasma flow are located, and the second and third external magnetic fields are superimposed in the half-spaces formed by the base plane, and direct their induction vectors at an angle to this plane so that the components of the induction vectors of the second and third external magnetic fields parallel to the base plane are oriented along directions of the components of the induction vectors of the intrinsic magnetic field of the plasma jet parallel to the base plane in the corresponding half-spaces, characterized in that each plasma jet is directed to the axis of the total plasma stream at an angle less than 45 ^o , while the first external magnetic field is applied between the axis of the plasma jet and the axis total plasma flow, and the field induction vector is oriented in the opposite direction to the induction vector of the intrinsic magnetic field of the plasma jet in the base region th plane between these axes, the components of the induction vectors of the second and third external magnetic fields perpendicular to the reference plane, oriented in the direction of the induction vector of the first external magnetic field.

2. The method according to p. 1, characterized in that the values of the induction of the second and third external magnetic fields for each plasma jet are synchronously changed.

3. A device for creating a plasma stream containing electrode assemblies in a multiple of two, located symmetrically around the axis of symmetry of the device, and a magnetic system, with each electrode assembly pointing at an angle to the axis of symmetry of the device, and the magnetic system is made in the form of open magnetic circuits, moreover, a solenoid is installed at each pole of the open magnetic circuit, a portion of each open magnetic circuit between the solenoids is equipped with a ferromagnetic tap, the ends of the poles of each open magnesium the wires are arranged symmetrically with respect to the corresponding base plane in which the axis of symmetry of the device and the electrode assembly and the center of the end of the ferromagnetic tap of the open magnetic circuit are located, characterized in that each electrode assembly is set at an angle to the symmetry axis of the device less than 45 ^o , with the poles of each open magnetic circuit in a region of space bounded by symmetrical planes that intersect the axis of symmetry of the device and in which the axes of the electrode assemblies lie, with the ends of the ferro the agitational taps are located outside this region, and the centers of the ends of the ferromagnetic tap and the poles of each open magnetic circuit are located between two planes perpendicular to the axis of the corresponding electrode assembly, one of which passes through the intersection of the axes of the electrode assemblies, and the other through the center of the output end part of the electrode assembly .