RU2270536C1 - Uhf plasma-chemical reactor - Google Patents
Uhf plasma-chemical reactor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2270536C1 RU2270536C1 RU2004134964/06A RU2004134964A RU2270536C1 RU 2270536 C1 RU2270536 C1 RU 2270536C1 RU 2004134964/06 A RU2004134964/06 A RU 2004134964/06A RU 2004134964 A RU2004134964 A RU 2004134964A RU 2270536 C1 RU2270536 C1 RU 2270536C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- discharge chamber
- pipe
- plasma
- discharge
- metal
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Область примененияApplication area
Изобретение относится к плазменным реакторам с увеличенными объемом плазмы и величиной вводимой в разряд электрической энергии.The invention relates to plasma reactors with increased plasma volume and the amount of electrical energy introduced into the discharge.
Предлагаемое устройство предназначено для прямого восстановления металлов из руд, розжига электроплавильных печей, синтеза порошковых материалов, сфероидизации порошков, осаждения пленок и в других областях.The proposed device is intended for direct reduction of metals from ores, ignition of electric melting furnaces, synthesis of powder materials, spheroidization of powders, deposition of films and in other areas.
Уровень техникиState of the art
СВЧ плазма может быть полезно использована в самых различных плазменных технологиях, основанных на реализации неравновесных эффектов, объемности разряда и управляемости основными плазменными характеристиками в отсутствие расходуемых в технологическом процессе электродов.Microwave plasma can be useful in a wide variety of plasma technologies based on the implementation of nonequilibrium effects, discharge volume and controllability of the main plasma characteristics in the absence of electrodes consumed in the technological process.
Обычно для электрометаллургических процессов предлагается применение электродуговых плазмотронов. Однако, несмотря на многолетние попытки, не удалось создать приемлемой для промышленной реализации конструкции из-за сильной эрозии катода, что сдерживает применение плазменных технологий для прямого восстановления металлов из руд.Usually, electro-arc plasmatrons are proposed for electrometallurgical processes. However, despite many years of attempts, it was not possible to create a design acceptable for industrial implementation due to strong cathode erosion, which hinders the use of plasma technologies for the direct reduction of metals from ores.
Принципиально лишены этого недостатка СВЧ плазмотроны. Однако пока промышленность не освоила выпуск относительно дешевых СВЧ источников требуемой мощности. Недостатки устройств, основанных на СВЧ плазмохимических технологиях, связаны с низкой производительностью оборудования вследствие малости вводимой в разряд энергии.Microwave plasmatrons are fundamentally devoid of this drawback. However, the industry has not yet mastered the production of relatively cheap microwave sources of required power. The disadvantages of devices based on microwave plasma-chemical technologies are associated with low productivity of the equipment due to the small amount of energy introduced into the discharge.
Известен СВЧ плазмохимический реактор, в котором благодаря поддержанию разряда при величине напряженности электрического поля, меньшей пробивного значения, созданию условий для рециркуляции газа в зоне разряда и использованию типа СВЧ волны, имеющей на границе разряда нормальный к ней вектор напряженности электрического поля, ионизованный поток газа, выходящий из основной зоны процесса поглощения энергии, вновь в нее возвращается, сохранив степень ионизации, определяющую электропроводность, достаточную для поглощения СВЧ энергии. При этом сохраняется диффузный (относительно равномерный по объему) характер разряда при давлении газа, близком или превышающем атмосферное, за счет устранения на используемом типе СВЧ волны ионизационной неустойчивости плазменного канала. Надежность устройств ввода энергии в этом реакторе обеспечена размещением окон ввода энергии там, где они не находятся под воздействием излучения плазмы [Пат. РФ №2149521 от 2000 г].A microwave plasma-chemical reactor is known in which, due to maintaining the discharge at an electric field strength lower than the breakdown value, creating conditions for gas recirculation in the discharge zone and using a microwave wave type having a normal electric field vector at the discharge boundary, an ionized gas stream, emerging from the main zone of the process of energy absorption, returns to it again, preserving the degree of ionization, which determines the conductivity sufficient to absorb microwave energy. In this case, the diffuse (relatively uniform in volume) nature of the discharge is retained at a gas pressure close to or higher than atmospheric due to elimination of the ionization instability of the plasma channel on the type of microwave wave used. The reliability of the energy input devices in this reactor is ensured by the placement of energy input windows where they are not exposed to plasma radiation [Pat. RF №2149521 from 2000].
Недостатком известного устройства является малый удельный энерговклад в приосевой зоне разряда и вследствие этого недостаточная технологическая эффективность устройства.A disadvantage of the known device is the small specific energy input in the axial zone of the discharge and, as a result, the lack of technological efficiency of the device.
Прототипом предлагаемого реактора, в котором этот недостаток устранен, является СВЧ плазмохимический реактор, включающий металлическую разрядную камеру в виде цилиндрической трубы с торцевыми днищами и боковой стенкой, узел ввода СВЧ энергии в разрядную камеру, выполненный в виде двух коаксиальных металлических труб, внешней с верхним днищем и внутренней, переходный узел, состоящий из металлического тела в форме усеченного конуса, большее основание которого образует часть верхнего днища разрядной камеры, расположенного вокруг внутренней трубы, и металлического кожуха, окружающего металлическое тело коаксиально ему и соединяющего внешнюю трубу с боковой стенкой разрядной камеры, коаксиально-волноводный переход, внешний проводник-корпус которого подсоединен к верхнему днищу узла ввода СВЧ энергии и изолирован от внутренней трубы диэлектрическим кольцом, при этом один конец центрального проводника соединен плавным переходом с верхним концом внутренней трубы и изолирован от корпуса, а в стенке внешней трубы выполнены окна, к которым подсоединены прямоугольные волноводы так, что их широкие стенки ориентированы параллельно оси разрядной камеры, и сами окна закрыты диэлектрическими вставками, платформу для размещения обрабатываемого материала, установленную на нижнем днище разрядной камеры с возможностью перемещения, размещенное между кожухом и металлическим телом герметизирующее диэлектрическое окно, формирователь дополнительного вихревого газового потока, установленные на боковой стенке разрядной камеры поджигающий электрод и тангенциально к стенке сопла ввода рабочего газа и выполненные в нижнем днище отверстия для выхода газа [Пат. РФ №2225684 от 2000 г].The prototype of the proposed reactor, in which this disadvantage is eliminated, is a microwave plasma-chemical reactor, including a metal discharge chamber in the form of a cylindrical tube with end faces and a side wall, a microwave energy input unit in the discharge chamber, made in the form of two coaxial metal pipes, external with an upper bottom and an internal, transitional unit consisting of a metal body in the form of a truncated cone, the larger base of which forms part of the upper bottom of the discharge chamber located around the inside pipe, and a metal casing surrounding the metal body coaxially with it and connecting the external pipe to the side wall of the discharge chamber, a coaxial waveguide transition, the external conductor-casing of which is connected to the upper bottom of the microwave energy input unit and is isolated from the inner pipe by a dielectric ring, while one end of the central conductor is connected by a smooth transition to the upper end of the inner pipe and is isolated from the housing, and windows are made in the wall of the outer pipe to which rectangular waves are connected water so that their wide walls are oriented parallel to the axis of the discharge chamber, and the windows themselves are closed by dielectric inserts, a platform for accommodating the processed material, mounted on the lower bottom of the discharge chamber with the possibility of movement, a sealing dielectric window placed between the casing and the metal body, an additional vortex gas shaper flow installed on the side wall of the discharge chamber igniting electrode and tangentially to the wall of the nozzle of the input of the working gas and made in izhnem bottom openings for gas outlet [Pat. RF №2225684 from 2000 g].
Заявитель проанализировал возможность совмещения режимов горения СВЧ разряда в этом реакторе с дуговым разрядом и установил, что пропускание постоянного электрического тока через плазменный столб СВЧ разряда не только не разрушает последний, как можно было предположить, учитывая существенные различия в физических процессах, реализованных в обоих типах разрядов, и в их мощности, но и стабилизирует СВЧ разряд, одновременно благодаря созданному СВЧ плазмотроном сочетанию электрических СВЧ полей и их концентрации под катодом СВЧ разряд реализует физические состояния, благоприятные для возбуждения и стабилизации дугового разряда и формирования бегущего дугового пятна на поверхности катода и препятствующие его эрозии. Предлагаемое устройство приобретает, таким образом, новые качества - стабильность и ресурс работы, которые не были присущи названным процессам и использующим их устройствам по отдельности.The applicant analyzed the possibility of combining the combustion regime of a microwave discharge in this reactor with an arc discharge and found that passing a constant electric current through the plasma column of a microwave discharge not only does not destroy the latter, as could be assumed, given the significant differences in the physical processes realized in both types of discharges , and in their power, it also stabilizes the microwave discharge, simultaneously due to the combination of electric microwave fields created by the microwave plasmatron and their concentration under the cathode, the microwave discharge p It implements physical conditions favorable for the excitation and stabilization of the arc discharge and the formation of a traveling arc spot on the cathode surface and preventing its erosion. The proposed device thus acquires new qualities - stability and a resource of work that were not inherent in the named processes and the devices using them separately.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в расширении области применения плазменных процессов с использованием возбуждаемого СВЧ энергией разряда и в разработке плазмохимического реактора, способного обеспечить проведение высокоэнергетических технологических процессов.The problem solved by the proposed device is to expand the scope of plasma processes using microwave-excited discharge energy and to develop a plasma chemical reactor capable of carrying out high-energy technological processes.
Технический результат заключается в устранении известных ограничений на вводимую в плазменный разряд энергию и в существенном ее увеличении при сохранении свойственных СВЧ плазменным устройствам отсутствия расходуемых электродов и простоты управления процессом, а также в обеспечении стабильности работы и увеличении ресурса.The technical result consists in the elimination of known limitations on the energy introduced into the plasma discharge and in its substantial increase while preserving the absence of consumable electrodes inherent in microwave plasma devices and the simplicity of process control, as well as ensuring stability of operation and increasing the resource.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в плазмохимическом реакторе во внутренней трубе у торца ее, обращенного в разрядную камеру, установлена вставка из электропроводящего материала с центральным отверстием, зафиксированная на внутренней поверхности трубы с помощью выступов и выполненная преимущественно в виде тела вращения, второй конец центрального проводника коаксиально-волноводного перехода подсоединен к дозатору исходного сырья, между конусной поверхностью металлического тела и стенкой внешней трубы соосно с последней вставлен герметизирующий диэлектрический цилиндр, а формирователь дополнительного вихревого газового потока установлен в кожухе вокруг диэлектрического цилиндра, в центре нижнего днища разрядной камеры установлена металлическая труба с возможностью перемещения относительно днища, внутри которой размещено средство для размещения исходного сырья и сбора конечного продукта, выполненное в виде платформы, при этом электропроводящая вставка подключена к отрицательному, а металлическая труба - к положительному полюсам источника электрического напряжения, вокруг разрядной камеры установлен соленоид, а в стенке металлической трубы могут быть выполнены отверстия.The specified technical result is ensured due to the fact that in the plasma-chemical reactor in the inner pipe at its end facing the discharge chamber there is an insert made of an electrically conductive material with a central hole fixed on the inner surface of the pipe with protrusions and made primarily in the form of a body of revolution, the second end the central conductor of the coaxial-waveguide transition is connected to the dispenser of the feedstock, between the conical surface of the metal body and the wall of the external loss is coaxial with the latter a sealing dielectric cylinder is inserted, and an additional vortex gas flow former is installed in the casing around the dielectric cylinder, a metal pipe is installed in the center of the lower bottom of the discharge chamber with the ability to move relative to the bottom, inside which is placed a means for placing the feedstock and collecting the final product, made in the form of a platform, while the electrically conductive insert is connected to the negative, and the metal pipe to the positive yusam source voltage, the discharge chamber is mounted around the solenoid, and in the wall of the metal tube may be provided with holes.
Увеличение вводимой в разряд СВЧ энергии обеспечивается установкой на внешней трубе узла перехода двух волноводов и диэлектрических окон, в соответствии с прототипом.The increase in the input of microwave energy into the discharge is ensured by the installation on the outer tube of the transition node of two waveguides and dielectric windows, in accordance with the prototype.
Описание чертежейDescription of drawings
На фиг.1 представлено предлагаемое устройство.Figure 1 presents the proposed device.
На фиг.2 представлено поперечное сечение предлагаемого плазмохимического реактора со средствами подвода энергии от дополнительных СВЧ источников.Figure 2 presents a cross section of the proposed plasma-chemical reactor with means for supplying energy from additional microwave sources.
СВЧ плазмохимический реактор состоит из цилиндрической разрядной камеры 1, образованной нижним 2 и верхним 3 днищами и боковой стенкой 4, на нижнем днище 2 которой в подвижной металлической трубе 5 расположена платформа 6 для размещения обрабатываемого в плазме материала или сбора конечного продукта, коаксиально-волноводного перехода 7 с полым центральным проводником 8 и внешним проводником 9, узла ввода СВЧ энергии 10, содержащего внутреннюю 11 и внешнюю 12 трубы с верхним днищем 13, и конусообразного переходного узла 14 с металлическим кожухом 15 и размещенным внутри него металлическим телом 16. В боковой стенке 4 разрядной камеры 1 размещены тангенциально к боковой стенке 4 сопла 17 для подачи в разрядную камеру газовой смеси, а в нижнем днище 2 разрядной камеры 1 выполнены отверстия 18 для выхода смеси. В той же боковой стенке установлен на герметичном сильфоне подвижный штыревой электрод 19 для инициирования СВЧ разряда.The microwave plasma-chemical reactor consists of a cylindrical discharge chamber 1, formed by the lower 2 and upper 3 bottoms and the side wall 4, on the lower bottom 2 of which in the movable metal pipe 5 there is a platform 6 for placing the material processed in the plasma or collecting the final product, a coaxial waveguide transition 7 with a hollow central conductor 8 and an external conductor 9, a microwave energy input assembly 10, comprising an inner 11 and an outer 12 pipe with an upper bottom 13, and a conical transitional assembly 14 with a metal casing 15 and a metal body located inside it 16. In the side wall 4 of the discharge chamber 1 are placed tangentially to the side wall 4 of the nozzle 17 for supplying a gas mixture to the discharge chamber, and openings 18 are made in the lower bottom 2 of the discharge chamber 1 for the mixture to exit. In the same side wall, a movable pin electrode 19 is mounted on an airtight bellows to initiate a microwave discharge.
Центральный проводник 8 перехода 7 соединен плавным переходом 20 с внутренней трубой 11, а внешний проводник 9 подсоединен к верхнему днищу 13 узла ввода 10 и изолирован от трубы 11 диэлектрическим цилиндром 21, во внешнем проводнике 9 размещен дроссель 22, предотвращающий излучение СВЧ энергии наружу вдоль проводника 8 в сторону дозатора исходного сырья (на чертеже не показан), выходной патрубок 23 которого механически соединен с проводником 8 изолятором 24.The central conductor 8 of junction 7 is connected by a smooth junction 20 to the
Конусный кожух 15 меньшим основанием конуса подсоединен к нижней части внешней трубы 12 узла ввода, большим основанием - к боковой стенке 4 разрядной камеры 1, тело 16 выполнено в виде усеченного конуса с центральным отверстием и укреплено снаружи внутренней трубы, герметизирующее окно 25, отделяющее рабочий объем разрядной камеры 1 от внутреннего пространства узла ввода 10, выполнено в виде цилиндра и размещено в зазоре между конической поверхностью тела 16 и кожухом 15, а вокруг цилиндра 25 на стыке трубы 12 и кожуха 15 установлен формирователь 26 дополнительного газового потока, направляемого в разрядную камеру 1.The conical casing 15 with a smaller base of the cone is connected to the lower part of the
У нижнего торца внутренней трубы 11, обращенного к разрядной камере 1, внутри нее установлена электропроводящая вставка 27 с центральным отверстием, закрепленная на внутренней поверхности трубы 11 с помощью выступов.At the lower end of the
В стенке трубы 5 могут быть выполнены отверстия 28 для выхода газовой смеси. Подвижная труба 5 подсоединена к положительному полюсу, вставка 27 через внутреннюю трубу 11 и центральный проводник 8 - к отрицательному полюсу источника электрического напряжения (на чертеже не показан). Вокруг разрядной камеры 1 установлен соленоид 29.In the wall of the pipe 5, openings 28 can be made for the exit of the gas mixture. The movable pipe 5 is connected to the positive pole, the insert 27 through the
Средства подвода дополнительной СВЧ энергии подключены к узлу ввода 10 через окна 30, установленные во внешней трубе 12, к которым подсоединены прямоугольные волноводы 31 так, что их широкие стенки параллельны оси трубы 12, аналогично прототипу. Два диэлектрических окна 30 установлены в стенке трубы 12 со смещением по азимуту на 90 градусов. Волноводы 31 возбуждают в пространстве между внешней 12 и внутренней 11 трубами волну типа Н в коаксиальной линии.Means for supplying additional microwave energy are connected to the input node 10 through
Коаксиально-волноводный переход 7 представляет собой устройство преобразования волн, распространяющихся от источника СВЧ энергии в прямоугольном волноводе, в тот или иной тип волны коаксиальной линии. В предлагаемом устройстве низшая волна Н10 прямоугольного волновода преобразуется в волну ТЕМ коаксиального волновода, которая возбуждает в разрядной камере 1 электрическую волну Е01.Coaxial waveguide transition 7 is a device for converting waves propagating from a microwave energy source in a rectangular waveguide into one or another type of wave of a coaxial line. In the proposed device, the lowest wave H 10 of a rectangular waveguide is converted into a TEM wave of a coaxial waveguide, which excites an electric wave E 01 in the discharge chamber 1.
Плавный переход 20 предназначен для согласования сопротивлений коаксиалов, образованных центральным проводником 8 и внешним проводником 9, с одной стороны, внутренней трубой 11 и внешней трубой 12, с другой.A smooth transition 20 is designed to coordinate the resistances of the coaxials formed by the central conductor 8 and the outer conductor 9, on the one hand, the
Нагреваемые в технологическом процессе элементы конструкции, в том числе внутренняя труба 11, разрядная камера 1 и электропроводящая вставка 27, при необходимости могут быть выполнены охлаждаемыми. Однако для обеспечения возможности регулирования температуры вставки 27 (обычно это - графит, вольфрам и другие тугоплавкие металлы), в том числе достижения температуры, достаточной для осуществления термоэлектронной эмиссии в начале процесса, предпочтительным является ограничение теплоотвода от нее, например, уменьшением площади ее контакта с внутренней трубой 11 с помощью выступов на внешней поверхности вставки 27, размеры которых могут варьироваться в зависимости от подводимой мощности.The structural elements heated in the technological process, including the
Существенное увеличение мощности разряда и, соответственно, мощности его теплового излучения потребовало перенести диэлектрическое окно, изолирующее подводящие СВЧ энергию устройства от рабочего объема разрядной камеры, установить его между конической поверхностью металлического тела 16 и нижним концом внешней трубы 12 и заменить его форму вместо диска в прототипе на цилиндр 25 в предлагаемом устройстве. Формирователь 26 дополнительного вихревого потока установлен вокруг цилиндра 25 для его охлаждения.A significant increase in the discharge power and, accordingly, the power of its thermal radiation required to transfer the dielectric window isolating the microwave energy supplying devices from the working volume of the discharge chamber, install it between the conical surface of the metal body 16 and the lower end of the
Выходные отверстия 18 расположены на радиусе r=(0,6-0,8) R, где R - радиус камеры 1, аналогично аналогу. Диаметр выходных отверстий 18 выбирается из условия недопущения излучения через них СВЧ энергии наружу, количество отверстий влияет на равномерность внешней границы рециркулирующего вихревого потока газа и не должно быть меньше четырех.The outlet holes 18 are located on a radius r = (0.6-0.8) R, where R is the radius of the chamber 1, similarly to the analogue. The diameter of the outlet openings 18 is selected from the condition of preventing radiation of microwave energy through them outward, the number of holes affects the uniformity of the outer boundary of the recirculating vortex gas flow and should not be less than four.
Высота разрядной камеры 1 выбирается из условия поглощения всей подводимой СВЧ энергии.The height of the discharge chamber 1 is selected from the condition of absorption of all supplied microwave energy.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Для реализации процесса прямого восстановления металла предлагаемое устройство работает следующим образом. При включении СВЧ источника СВЧ энергия вводится в плазмохимический реактор через коаксиально-волноводный переход 7, при этом в разрядной камере 1 возбуждается аксиально-симметричная волна Е01. Силовые линии этой волны сконцентрированы в приосевой зоне разрядной камеры 1, что способствует (после инициации разряда поджигающим штырем 19) формированию СВЧ разряда под торцом внутренней трубы 11 - держателя электропроводящей вставки 27, выполняющей роль отрицательного электрода (катода) дугового разряда. Рабочая газовая смесь вдувается в разрядную камеру 1 через сопла 17 и формирователь 26. В приосевой зоне образуется рециркулирующий газовый поток, в котором и формируется плазменное образование. После заполнения плазмой зоны торца катода 27 его поверхность разогревается и при подаче на него электрического напряжения относительно металлической трубы 5 в разрядной камере 1 возникает дуговой разряд.To implement the process of direct reduction of metal, the proposed device operates as follows. When you turn on the microwave source, microwave energy is introduced into the plasma chemical reactor through a coaxial waveguide transition 7, while in the discharge chamber 1 the axially symmetric wave E 01 is excited. The lines of force of this wave are concentrated in the axial zone of the discharge chamber 1, which contributes (after the initiation of the discharge to the ignition pin 19) to the formation of a microwave discharge under the end of the inner tube 11 - the holder of the electrically conductive insert 27, which acts as the negative electrode (cathode) of the arc discharge. The working gas mixture is blown into the discharge chamber 1 through nozzles 17 and former 26. In the paraxial zone, a recirculating gas stream is formed in which the plasma formation is formed. After the zone of the end of the cathode 27 is filled with plasma, its surface heats up and when an electric voltage is applied to it relative to the metal pipe 5, an arc discharge arises in the discharge chamber 1.
Отработанный плазмообразующий газ выходит в основном через отверстия 18 в днище 2 и частично через отверстия 28 в металлической трубе 5. Исходное сырье вводится через верхний конец центрального проводника 8 коаксиально-волноводного перехода 7, а сбор конечного продукта осуществляется внутри металлической трубы 5 или с размещенной в ней платформы 6. При необходимости разогрева диэлектрических материалов (руды - Fe2O3, Mg CO3 и др.) их располагают на платформе 6, разогревают СВЧ плазменным потоком и после появления электропроводности включают дуговой режим. Затем подают шихту в виде порошка.The spent plasma-forming gas leaves mainly through openings 18 in the bottom 2 and partially through openings 28 in the metal pipe 5. The feedstock is introduced through the upper end of the central conductor 8 of the coaxial waveguide transition 7, and the final product is collected inside the metal pipe 5 or with it platform 6. If necessary, heating of dielectric materials (ores -. Fe 2 O 3, Mg CO 3, etc.) they are placed on the platform 6, heated microwave plasma flow and appearance after electroconductivity include arcs howl mode. Then serve the mixture in the form of a powder.
Разогрев поверхности вставки-катода 27, обращенной в разрядную камеру 1, до температуры термоэлектронной эмиссии диффузным СВЧ разрядом, прилегающим к его поверхности, и возбуждение автоэлектронной эмиссии со всей поверхности катода под действием пространственного заряда равномерно распределенных под ней положительных ионов, образовавшихся в результате ионизации газа СВЧ полем, обеспечивают для дугового разряда равные условия по всей поверхности катода. Благодаря этому дуговой разряд возбуждается уверенно и мягко, а дуговое пятно в магнитном поле соленоида движется равномерно, без остановок и скачков, характерных для традиционных режимов дугового разряда.Heating the surface of the cathode insert 27 facing the discharge chamber 1 to a temperature of thermionic emission by a diffuse microwave discharge adjacent to its surface, and excitation of field emission from the entire surface of the cathode under the action of a space charge of positive ions uniformly distributed beneath it, formed as a result of gas ionization The microwave field provides equal conditions for the arc discharge over the entire surface of the cathode. Due to this, the arc discharge is excited confidently and gently, and the arc spot in the magnetic field of the solenoid moves uniformly, without stops and jumps, which are typical of traditional modes of the arc discharge.
Кроме того, в отличие от обычных режимов дугового разряда, в которых протекание тока разряда полностью обеспечивается эмиссией электронов из периодически стабилизирующихся дуговых пятен на катоде, что и предопределяет его быстрое разрушение, в предлагаемом реакторе термо- и автоэлектронная эмиссия катода играет основную роль только в стадии возбуждения дугового разряда. В дальнейшем катод в основном утрачивает функцию эмиттера электронов и приобретает функцию коллектора поступающих из разряда положительных ионов. Протекание тока и разогрев находящегося на аноде материала происходит за счет электронов образовавшихся в плазме разряда в основном вследствие наличия СВЧ поля вблизи поверхности катода. Так как разряд благодаря использованным средствам является диффузным, оседание на катод положительных ионов происходит равномерно по всей его поверхности. Таким образом устраняются причины, вызывающие разрушение катода.In addition, in contrast to the usual modes of arc discharge, in which the flow of the discharge current is completely ensured by the emission of electrons from periodically stabilized arc spots on the cathode, which predetermines its rapid destruction, in the proposed reactor, thermal and field electron emission of the cathode plays the main role only in the stage excitation of an arc discharge. Subsequently, the cathode mainly loses the function of an electron emitter and acquires the function of a collector of positive ions coming from a discharge. The current flow and heating of the material located on the anode occurs due to the electrons formed in the discharge plasma, mainly due to the presence of a microwave field near the cathode surface. Since the discharge due to the used means is diffuse, the deposition of positive ions on the cathode occurs uniformly over its entire surface. This eliminates the causes of the destruction of the cathode.
В результате совместного воздействия на плазму СВЧ поля и постоянного тока и компенсации постоянным током СВЧ энерговыделения в центральной зоне из-за скинирования электромагнитного поля (затухания от периферии к оси) в плазме образуется высокотемпературный канал, плотность газа в котором ниже плотности газа на фронте СВЧ плазменного образования, облегчается развитие СВЧ разряда именно в этой зоне и предотвращается перемещение разряда навстречу потоку СВЧ энергии. Таким образом, разряд стабилизируется в указанной зоне.As a result of the combined action of the microwave field and direct current on the plasma and the constant current compensation of the microwave energy release in the central zone due to skinning of the electromagnetic field (attenuation from the periphery to the axis), a high-temperature channel is formed in the plasma, the gas density in which is lower than the gas density at the front of the microwave plasma formation, facilitates the development of a microwave discharge in this area and prevents the discharge from moving towards the flow of microwave energy. Thus, the discharge is stabilized in the specified zone.
Сочетание в предлагаемом устройстве СВЧ и дугового разряда позволяет использовать преимущества обоих плазменных процессов, нивелировать их недостатки и получить новые качества. Так, дуговой разряд обеспечивает введение нужной энергии, позволяет понизить требования к мощности дорогих СВЧ источников и создает условия для стабилизации СВЧ разряда. СВЧ разряд разогревает катод до температуры термоэлектронной эмиссии, создает у поверхности катода пространственный заряд положительных ионов, способствующий возникновению автоэлектронной эмиссии, обеспечивает плавное движение дугового пятна по поверхности катода, предотвращая или резко снижая его эрозию и снимая тем самым ограничения на увеличение ресурса устройства, облегчает возникновение дугового разряда за счет ионизации газа во всем объеме разрядной камеры и стабилизирует его.The combination in the proposed device microwave and arc discharge allows you to use the advantages of both plasma processes, level their disadvantages and get new qualities. So, the arc discharge provides the introduction of the necessary energy, allows you to reduce the power requirements of expensive microwave sources and creates the conditions for stabilization of the microwave discharge. A microwave discharge heats the cathode to the temperature of thermionic emission, creates a positive ion spatial charge at the cathode surface, which contributes to the appearance of field emission, ensures smooth movement of the arc spot along the cathode surface, preventing or sharply reducing its erosion and thereby removing restrictions on increasing the device’s life, facilitates the occurrence arc discharge due to gas ionization in the entire volume of the discharge chamber and stabilizes it.
Возможность совмещения в одном устройстве плазменного СВЧ разряда и дугового разряда установлена нами впервые и нигде не опубликована.The possibility of combining in one device a plasma microwave discharge and an arc discharge was established by us for the first time and has not been published anywhere.
Дополнительные возможности регулирования прикатодных процессов в плазме возникают при использовании импульсных режимов ввода СВЧ энергии, позволяющих значительно увеличить напряженность СВЧ электрического поля у катода 27 и обеспечить достижение вышеуказанных эффектов при относительно низкой суммарной средней мощности СВЧ источников.Additional possibilities for controlling near-cathode processes in plasma arise when using pulsed microwave energy input modes, which can significantly increase the microwave electric field strength at cathode 27 and ensure the achievement of the above effects with a relatively low total average power of microwave sources.
При необходимости увеличения вводимой в разряд СВЧ энергии и диаметра плазменного столба включают один или два СВЧ источника, подключенных к волноводам 31, установленным на внешней трубе 12 узла ввода СВЧ энергии 10, как показано на фиг.2. В этом случае в разрядной камере 1 возбуждаются либо волна Н-типа с круговой поляризацией (когда СВЧ энергия вводится от одного источника через два волновода, расположенных под углом 90 градусов по азимуту относительно друг друга, при разнице электрических длин волноводных плеч от делителя СВЧ энергии до трубы 12, равной также 90 градусов), либо две ортогонально поляризованные волны Н-типа (от двух разных СВЧ источников).If necessary, increase the microwave energy introduced into the discharge and the diameter of the plasma column include one or two microwave sources connected to
В первом случае благодаря вращению вектора поляризации электромагнитной волны вся СВЧ энергия равномерно распределяется по площади кольцевого зазора между металлическим телом 16 и кожухом 15. Во втором случае импульсы СВЧ мощности от разных источников (в импульсном режиме) сдвигаются относительно друг друга во времени. Поэтому СВЧ источники не мешают работе друг друга и суммарная СВЧ мощность равномерно распределяется в кольцевом зазоре.In the first case, due to the rotation of the polarization vector of the electromagnetic wave, all microwave energy is evenly distributed over the area of the annular gap between the metal body 16 and the casing 15. In the second case, the microwave power pulses from different sources (in the pulsed mode) are shifted relative to each other in time. Therefore, microwave sources do not interfere with each other and the total microwave power is evenly distributed in the annular gap.
Предлагаемое устройство открывает новые возможности в использовании плазмохимических реакторов, достижение которых ранее было технически затруднено. Например, известно, что практически невозможен ввод исходного материала в зону катодного пятна дугового плазмотрона и обеспечение пребывания материала в канале дуги из-за хаотического перемещения дуги по поверхности катода и контрагирования дугового канала. В предлагаемом устройстве вся торцевая зона под отверстием ввода исходного материала заполнена плазмой СВЧ разряда, внутри которой вокруг этого отверстия равномерно вращается дуговой канал, при этом СВЧ энергия, выделяющаяся на периферии более высокотемпературного дугового канала вследствие скинирования СВЧ поля, препятствует контрагированию плазменного канала.The proposed device opens up new possibilities in the use of plasma chemical reactors, the achievement of which was previously technically difficult. For example, it is known that it is practically impossible to introduce the source material into the cathode spot zone of the arc plasmatron and to ensure that the material remains in the arc channel due to the chaotic movement of the arc along the cathode surface and contraction of the arc channel. In the proposed device, the entire end zone under the input opening of the source material is filled with microwave discharge plasma, inside which the arc channel rotates uniformly around this hole, while the microwave energy released on the periphery of the higher-temperature arc channel due to the skinning of the microwave field prevents the plasma channel from contracting.
Такой режим формирования плазменного столба позволяет использовать устройство для технологических процессов, сопровождающихся большим энергопотреблением для получения конечного продукта, например для восстановления металлов, в том числе тугоплавких, из руд.This mode of formation of the plasma column allows you to use the device for technological processes, accompanied by high energy consumption to obtain the final product, for example for the recovery of metals, including refractory, from ores.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004134964/06A RU2270536C9 (en) | 2004-12-01 | 2004-12-01 | Uhf plasma-chemical reactor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004134964/06A RU2270536C9 (en) | 2004-12-01 | 2004-12-01 | Uhf plasma-chemical reactor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2270536C1 true RU2270536C1 (en) | 2006-02-20 |
| RU2270536C9 RU2270536C9 (en) | 2006-06-10 |
Family
ID=36051127
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004134964/06A RU2270536C9 (en) | 2004-12-01 | 2004-12-01 | Uhf plasma-chemical reactor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2270536C9 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2650197C1 (en) * | 2017-03-09 | 2018-04-11 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" | Multi-stage plasmotron |
-
2004
- 2004-12-01 RU RU2004134964/06A patent/RU2270536C9/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2650197C1 (en) * | 2017-03-09 | 2018-04-11 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Твинн" | Multi-stage plasmotron |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2270536C9 (en) | 2006-06-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4716491A (en) | High frequency plasma generation apparatus | |
| KR101595686B1 (en) | Toroidal plasma chamber for high gas flow rate process | |
| US7624566B1 (en) | Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator | |
| US8536481B2 (en) | Electrode assemblies, plasma apparatuses and systems including electrode assemblies, and methods for generating plasma | |
| CN107045971B (en) | A kind of Electromagnetic isotope separator ion gun | |
| JPS6276137A (en) | Ion source | |
| US3852061A (en) | Process and equipment for the treatment of a material by means of an arc discharge plasma | |
| RU2536126C2 (en) | Vacuum-arc evaporator for generation of cathode plasma | |
| KR20120022297A (en) | Plasma reactor having ignition device for plasma discharge | |
| KR100876052B1 (en) | Neutralizer-type high frequency electron source | |
| JP2527150B2 (en) | Microwave thermal plasma torch | |
| RU2270536C1 (en) | Uhf plasma-chemical reactor | |
| US20200335311A1 (en) | Rotary plasma reactor | |
| RU2167466C1 (en) | Plasma ion source and its operating process | |
| CN113196888A (en) | Apparatus for treating materials with plasma | |
| WO2010110694A1 (en) | Plasma furnace | |
| CN109104808A (en) | A kind of novel microwave excitation device of long life | |
| JPS6293834A (en) | Ion source | |
| EP1801845B1 (en) | Plasmachemical microwave reactor | |
| KR20040025587A (en) | Plasma source | |
| RU85158U1 (en) | Microwave Plasma Chemical Reactor | |
| RU2401521C1 (en) | Plasma accelerator with closed hall current (versions) | |
| KR20190094273A (en) | Plasma torch | |
| RU2371803C1 (en) | Plasma ion source | |
| RU2650197C1 (en) | Multi-stage plasmotron |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TH4A | Reissue of patent specification | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20101202 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20130527 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171202 |