RU2775363C1

RU2775363C1 - Ac electric arc plasma torch

Info

Publication number: RU2775363C1
Application number: RU2021129123A
Authority: RU
Inventors: Сергей Дмитриевич Попов; Виктор Евгеньевич Попов; Александр Викторович Суров; Валентин Анатольевич СПОДОБИН; Евгений Олегович Серба; Геннадий Валерьевич Наконечный; Алексей Валерьевич Никонов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью «Трипл-СП»
Filing date: 2021-10-06
Publication date: 2022-06-30

Abstract

FIELD: electric arc plasma torches.

SUBSTANCE: invention relates to AC electric arc plasma torches for operation on plasma-forming gases, including gaseous hydrocarbons. The electric arc plasmatron contains at least one arc channel (5), consisting of a cylindrical hollow electrode (12) with an electromagnetic coil (11) located on it, an intermediate channel in the form of a metal pipe (8), and a nozzle block (1) with hole (2) for plasma output. The nozzle block (1) on the side of the nozzle (8) is made with an expanded axial hole (6), into which the second end of the nozzle (8) is inserted, and the third insulating sleeve (17) contacts the outer surface of the nozzle (8), and on the outer surface the second end of the branch pipe (8) has an annular protective nozzle (7). The third node (10) of the main input of the plasma-forming gas is made in the form of a hollow cylinder with tangentially arranged holes with the possibility of introducing the main plasma-forming gas into the vortex chamber (18) formed between the outer wall of the branch pipe (8), the inner wall (9) of the expanded axial hole (6 ) nozzle block (1), insulating sleeve (17) and protective cap (7).

EFFECT: increasing the resource of the plasma torch when operating on plasma-forming gases, including gaseous hydrocarbons by preventing the deposition of carbon material resulting from the pyrolysis of hydrocarbons in an electric arc, on an insulating sleeve located between the intermediate channel and the nozzle block.

7 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к электродуговым плазмотронам переменного тока для работы на плазмообразующих газах, включающих смесь газообразных углеводородов с другими газами, и может быть использовано для обеспечения безаварийной работы электродугового плазмотрона в течение длительного времени.SUBSTANCE: invention relates to plasma technology, namely to AC electric arc plasma torches for operation on plasma-forming gases, including a mixture of gaseous hydrocarbons with other gases, and can be used to ensure trouble-free operation of an electric arc plasma torch for a long time.

Известен высоковольтный электродуговой плазмотрон переменного тока, содержащий, преимущественно, три дуговых канала, установленных в общий корпус. Каждый дуговой канал состоит из цилиндрического полого электрода с расположенной на нем электромагнитной катушкой, промежуточного канала, выполненного в виде металлического патрубка, и соплового блока с отверстием для вывода плазмы; каждый дуговой канал со стороны электрода закрыт заглушкой, а на торце электрода установлен первый узел ввода плазмообразующего газа в виде первой изолирующей втулки с тангенциально расположенными отверстиями для подачи плазмообразующего газа в полость электрода; второй торец электрода соединен с первым концом патрубка через вторую изолирующую втулку с тангенциально расположенными отверстиями, образующую второй узел ввода плазмообразующего газа в область между электродом и патрубком; патрубок соединен с сопловым блоком посредством третьей изолирующей втулки, являющейся одновременно третьим узлом основного ввода плазмообразующего газа; каждая из изолирующих втулок содержит один или более каналов для подачи плазмообразующего газа в полость цилиндрического полого электрода, в область между цилиндрическим полым электродом и металлическим патрубком и в область между металлическим патрубком и сопловым блоком. Каждый цилиндрический полый электрод выполнен из меди, сплава меди или материала из группы, состоящей из железа, вольфрама, графита, гафния; первый и второй узлы ввода плазмообразующего газа обеспечивает подачу от 10 до 30%, а третий узел - от 70 до 90% от всего расхода газа через плазмотрон, RU2680318 С1, опубл. 19.02.2019.Known high-voltage AC arc plasma torch, containing mainly three arc channels installed in a common housing. Each arc channel consists of a cylindrical hollow electrode with an electromagnetic coil located on it, an intermediate channel made in the form of a metal pipe, and a nozzle block with a hole for plasma output; each arc channel from the side of the electrode is closed with a plug, and at the electrode end there is a first plasma gas inlet in the form of a first insulating bushing with tangentially arranged holes for supplying the plasma gas into the electrode cavity; the second end of the electrode is connected to the first end of the nozzle through the second insulating sleeve with tangentially arranged holes, forming the second input node of the plasma gas in the area between the electrode and the nozzle; the branch pipe is connected to the nozzle block by means of a third insulating sleeve, which is simultaneously the third node of the main input of the plasma-forming gas; each of the insulating sleeves contains one or more channels for supplying the plasma gas into the cavity of the cylindrical hollow electrode, into the area between the cylindrical hollow electrode and the metal branch pipe, and into the region between the metal branch pipe and the nozzle block. Each cylindrical hollow electrode is made of copper, a copper alloy, or a material from the group consisting of iron, tungsten, graphite, hafnium; the first and second input nodes of the plasma-forming gas supply from 10 to 30%, and the third node - from 70 to 90% of the total gas flow through the plasma torch, RU2680318 C1, publ. 02/19/2019.

Известное устройство выбрано в качестве прототипа настоящего изобретения.The known device is chosen as a prototype of the present invention.

Недостатком прототипа является невысокий ресурс плазмотрона при работе на плазмообразующих газах, включающих смесь газообразных углеводородов с другими газами, из-за недолгого срока безаварийной работы, обусловленного осаждением углеродного материала, образующегося в результате пиролиза углеводородов в электрической дуге, на третьей изолирующей втулке, являющейся одновременно частью третьего узла основного ввода плазмообразующего газа, что вызывает аварийный электрический пробой и разрушение изолирующей втулки и узла основного ввода газа. Это обстоятельство объясняется тем, что при вихревом течении газа, внутри вихря образуется обратное течение, то есть, вдоль стенок дугового канала газ течет из плазмотрона, а в центре дугового канала газ движется внутрь плазмотрона. При этом, если через третий узел ввода газа подается углеводородный газ, то он разлагается в электрической дуге на водород и углерод, и обратное течение возвращает этот углерод к изолирующей втулке. В течение некоторого времени углерод покрывает втулку ровным слоем, и изоляционное свойство изолирующей втулки между промежуточным каналом и сопловым блоком пропадает. Это приводит к выходу плазмотрона из строя.The disadvantage of the prototype is the low resource of the plasma torch when operating on plasma-forming gases, including a mixture of gaseous hydrocarbons with other gases, due to the short period of trouble-free operation due to the deposition of carbon material resulting from the pyrolysis of hydrocarbons in an electric arc, on the third insulating sleeve, which is simultaneously part the third node of the main input of the plasma-forming gas, which causes an emergency electrical breakdown and destruction of the insulating sleeve and the node of the main gas input. This circumstance is explained by the fact that with a vortex flow of gas, a reverse flow is formed inside the vortex, that is, along the walls of the arc channel, the gas flows from the plasma torch, and in the center of the arc channel, the gas moves into the plasma torch. At the same time, if hydrocarbon gas is supplied through the third gas inlet, it decomposes in an electric arc into hydrogen and carbon, and the reverse flow returns this carbon to the insulating sleeve. For some time, carbon covers the sleeve with an even layer, and the insulating property of the insulating sleeve between the intermediate channel and the nozzle block disappears. This leads to the failure of the plasma torch.

Задачей настоящего изобретения является повышение ресурса плазмотрона при работе на плазмообразующих газах, включающих смесь газообразных углеводородов с другими газами, благодаря обеспечению длительной безаварийной работы за счет предотвращения осаждения углеродного материала, образующегося в результате пиролиза углеводородов в электрической дуге, на изоляционной втулке, расположенной между промежуточным каналом и сопловым блоком, что предотвращает аварийный электрический пробой и разрушение изолирующей втулки и узла основного ввода газа.The objective of the present invention is to increase the resource of the plasma torch when operating on plasma gases, including a mixture of gaseous hydrocarbons with other gases, by ensuring long-term trouble-free operation by preventing the deposition of carbon material resulting from the pyrolysis of hydrocarbons in an electric arc, on an insulating sleeve located between the intermediate channel and a nozzle block, which prevents emergency electrical breakdown and destruction of the insulating sleeve and the main gas inlet assembly.

Поставленная задача решается за счет того, что в электродуговом плазмотроне переменного тока, содержащем, по меньшей мере, один дуговой канал, состоящий из цилиндрического полого электрода с расположенной на нем электромагнитной катушкой, промежуточного канала, выполненного в виде металлического патрубка, и соплового блока с отверстием для вывода плазмы, причем дуговой канал со стороны электрода закрыт заглушкой, а на торце электрода установлен первый узел ввода плазмообразующего газа в виде первой изолирующей втулки с тангенциально расположенными отверстиями для подачи плазмообразующего газа в полость электрода, при этом второй торец электрода соединен с первым концом патрубка через вторую изолирующую втулку с тангенциально расположенными отверстиями, образующую второй узел ввода плазмообразующего газа для его подачи в область между электродом и патрубком, причем патрубок соединен с сопловым блоком посредством третьей изолирующей втулки, а в области между патрубком и сопловым блоком установлен третий узел основного ввода плазмообразующего газа для его подачи в дуговой канал соплового блока, согласно изобретению, сопловый блок со стороны патрубка выполнен с расширенным осевым отверстием, в которое вставлен второй конец патрубка, причем третья изолирующая втулка контактирует с внешней поверхностью патрубка, а на внешнюю поверхность второго конца патрубка установлена кольцевая защитная насадка, при этом третий узел основного ввода плазмообразующего газа выполнен в виде полого цилиндра с тангенциально расположенными отверстиями с возможностью ввода основного плазмообразующего газа в вихревую камеру, образованную между внешней стенкой патрубка, внутренней стенкой расширенного осевого отверстия соплового блока, изолирующей втулкой и защитной насадкой.The problem is solved due to the fact that in an AC electric arc plasma torch containing at least one arc channel, consisting of a cylindrical hollow electrode with an electromagnetic coil located on it, an intermediate channel made in the form of a metal pipe, and a nozzle block with a hole for plasma output, moreover, the arc channel from the side of the electrode is closed with a plug, and at the electrode end there is a first plasma gas inlet in the form of the first insulating sleeve with tangentially arranged holes for supplying the plasma gas into the electrode cavity, while the second end of the electrode is connected to the first end of the branch pipe through the second insulating sleeve with tangentially arranged holes, which forms the second node for inlet of the plasma-forming gas for its supply to the area between the electrode and the branch pipe, and the branch pipe is connected to the nozzle block by means of the third insulating sleeve, and in the area between the branch pipe and the nozzle block the third node of the main input of the plasma-forming gas was installed for its supply to the arc channel of the nozzle block, according to the invention, the nozzle block on the side of the nozzle is made with an expanded axial hole into which the second end of the nozzle is inserted, and the third insulating sleeve contacts the outer surface of the nozzle, and on the outer the surface of the second end of the branch pipe is equipped with an annular protective nozzle, while the third node of the main input of the plasma-forming gas is made in the form of a hollow cylinder with tangentially arranged holes with the possibility of introducing the main plasma-forming gas into the vortex chamber formed between the outer wall of the branch pipe, the inner wall of the expanded axial hole of the nozzle block, insulating sleeve and protective cap.

Третий узел основного ввода плазмообразующего газа может быть выполнен в виде втулки с тангенциально расположенными отверстиями или может быть образован сопловым блоком в области расширенного осевого отверстия, при этом во внутренней стенке соплового блока выполнены тангенциально расположенные отверстия.The third node of the main input of the plasma-forming gas can be made in the form of a sleeve with tangentially located holes or can be formed by a nozzle block in the area of the expanded axial hole, while tangentially located holes are made in the inner wall of the nozzle block.

Предпочтительно, цилиндрический полый электрод выполнен из меди, сплава меди или материала из группы, состоящей из железа, вольфрама, графита, гафния.Preferably, the cylindrical hollow electrode is made of copper, a copper alloy, or a material from the group consisting of iron, tungsten, graphite, hafnium.

Предпочтительно, первый и второй узлы ввода плазмообразующего газа обеспечивает подачу от 20 до 50% от всего расхода газа через плазмотрон, при этом плазмообразующий газ выбран из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон, а третий узел ввода плазмообразующего газа обеспечивает подачу от 50 до 80% от всего расхода газа через плазмотрон, при этом плазмообразующий газ состоит из смеси с углеводородным газом газа, выбранного из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон.Preferably, the first and second plasma gas inlet units supply from 20 to 50% of the total gas flow through the plasma torch, while the plasma gas is selected from the group including air, nitrogen, carbon dioxide, argon, and the third plasma gas inlet unit provides supply from 50 to 80% of the total gas flow through the plasma torch, while the plasma gas consists of a mixture with a hydrocarbon gas of a gas selected from the group including air, nitrogen, carbon dioxide, argon.

Предпочтительно, плазмотрон содержит три дуговых канала, электрически изолированных друг от друга, причем цилиндрический полый электрод каждого дугового канала подключен к трехфазной сети переменного тока, при этом сопловые блоки всех дуговых каналов объединены в объединенный сопловой блок и размещены в одном корпусе, с одной стороны которого расположены три отверстия для вывода плазмы, а с другой стороны расположены три стыковочных узла для стыковки с третьими изолирующими втулками патрубков.Preferably, the plasma torch contains three arc channels, electrically isolated from each other, and the cylindrical hollow electrode of each arc channel is connected to a three-phase AC network, while the nozzle blocks of all arc channels are combined into a combined nozzle block and placed in one housing, on one side of which there are three holes for plasma output, and on the other side there are three docking units for docking with the third insulating bushings of the branch pipes.

Выполнение соплового блока со стороны патрубка с расширенным осевым отверстием, в которое вставлен второй конец патрубка, с внешней поверхностью которого контактирует третья изолирующая втулка, а также установка на внешнюю поверхность второго конца патрубка кольцевой защитной насадки обеспечивают возможность создания вихревой камеры, образованной между внешней стенкой патрубка, внутренней стенкой расширенного осевого отверстия соплового блока, изолирующей втулкой и защитной насадкой. Выполнение третьего узла основного ввода плазмообразующего газа, установленного в области между патрубком и сопловым блоком, в виде полого цилиндра с тангенциально расположенными отверстиями обеспечивает возможность подачи основного плазмообразующего газа, содержащего углеводороды, в дуговой канал соплового блока через вихревую камеру. Плазмообразующий газ, содержащий углеводороды, в электрической дуге разлагается на водород и углерод. При вихревом течении плазмообразующего газа внутри вихря образуется обратное течение, то есть, вдоль стенок дугового канала газ течет из плазмотрона, а в центре дугового канала газ движется внутрь плазмотрона, и обратное течение возвращает образовавшийся углерод, который не достигает изолирующей втулки, так как защитная насадка отбрасывает обратный поток с углеродными частицами в зону основного вихревого потока, тем самым защищая втулку от налипания углерода. Благодаря этому обстоятельству предотвращается аварийный электрический пробой и разрушение изолирующей втулки и узла основного ввода газа.The execution of the nozzle block on the side of the branch pipe with an expanded axial hole, into which the second end of the branch pipe is inserted, with the outer surface of which the third insulating sleeve contacts, as well as the installation of an annular protective cap on the outer surface of the second end of the branch pipe, make it possible to create a vortex chamber formed between the outer wall of the branch pipe , the inner wall of the expanded axial hole of the nozzle block, an insulating sleeve and a protective cap. The implementation of the third node of the main input of the plasma-forming gas, installed in the area between the branch pipe and the nozzle block, in the form of a hollow cylinder with tangentially arranged holes provides the possibility of supplying the main plasma-forming gas containing hydrocarbons to the arc channel of the nozzle block through the vortex chamber. Plasma-forming gas containing hydrocarbons decomposes into hydrogen and carbon in an electric arc. With the vortex flow of the plasma-forming gas, a reverse flow is formed inside the vortex, that is, along the walls of the arc channel, the gas flows from the plasma torch, and in the center of the arc channel, the gas moves inside the plasma torch, and the reverse flow returns the formed carbon, which does not reach the insulating sleeve, since the protective nozzle throws the reverse flow with carbon particles into the zone of the main vortex flow, thereby protecting the bushing from carbon sticking. Due to this circumstance, emergency electrical breakdown and destruction of the insulating sleeve and the main gas inlet assembly are prevented.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично изображен трехфазный электродуговой плазмотрон переменного тока.The essence of the invention is illustrated by the drawing, which schematically shows a three-phase electric arc plasma torch AC.

Трехфазный электродуговой плазмотрон переменного тока содержит три идентичных дуговых канала 5, электрически изолированных друг от друга. Каждый дуговой канал 5 состоит из цилиндрического полого электрода 12 с расположенной на нем электромагнитной катушкой 11, промежуточного канала, выполненного в виде металлического патрубка 8, и соплового блока 1 с отверстием 2 для вывода плазмы.Three-phase electric arc plasma torch AC contains three identical arc channel 5, electrically isolated from each other. Each arc channel 5 consists of a cylindrical hollow electrode 12 with an electromagnetic coil 11 located on it, an intermediate channel made in the form of a metal pipe 8, and a nozzle block 1 with a hole 2 for plasma output.

Цилиндрический полый электрод 12 выполнен из меди, сплава меди или материала из группы, состоящей из железа, вольфрама, графита, гафния. Электромагнитная катушка 11 предназначена для создания магнитного поля, вращающего привязку электрической дуги по внутренней поверхности цилиндрического полого электрода 12. Питание каждого электрода 12 осуществляется от фазы высоковольтной электрической сети напряжением не менее 10 кВ последовательно через катушку 11 для формирования магнитного поля. Для управления рабочим током в каждую фазу цепи питания плазмотрона включены токоограничивающие индуктивности.The cylindrical hollow electrode 12 is made of copper, a copper alloy, or a material from the group consisting of iron, tungsten, graphite, hafnium. The electromagnetic coil 11 is designed to create a magnetic field that rotates the binding of the electric arc along the inner surface of the cylindrical hollow electrode 12. Each electrode 12 is powered from a phase of a high-voltage electrical network with a voltage of at least 10 kV in series through the coil 11 to form a magnetic field. To control the operating current, current-limiting inductances are included in each phase of the plasma torch power circuit.

Дуговой канал 5 со стороны электрода 12 закрыт заглушкой 13, выполненной из диэлектрического материала. На торце электрода 12 установлен первый узел ввода плазмообразующего газа в виде первой изолирующей втулки 15 с тангенциально расположенными отверстиями (на чертеже не показаны) для тангенциальной подачи плазмообразующего газа через одно или множество отверстий перпендикулярно оси дугового канала 5 в полость электрода 12.The arc channel 5 on the side of the electrode 12 is closed with a plug 13 made of a dielectric material. At the end of the electrode 12, the first plasma-forming gas input node is installed in the form of the first insulating sleeve 15 with tangentially arranged holes (not shown in the drawing) for tangential supply of the plasma-forming gas through one or a plurality of holes perpendicular to the axis of the arc channel 5 into the cavity of the electrode 12.

Второй торец электрода 12 соединен с первым концом патрубка 8 через вторую изолирующую втулку 16 с тангенциально расположенными отверстиями, образующую второй узел ввода плазмообразующего газа для его подачи в полость электрода 12.The second end of the electrode 12 is connected to the first end of the branch pipe 8 through the second insulating sleeve 16 with tangentially arranged holes, which forms the second input node of the plasma-forming gas for its supply to the cavity of the electrode 12.

Первый и второй узлы ввода газа выполнены идентично и представляют собой цилиндрические втулки 15 и 16, соответственно, выполненные из изолирующего материала, в которых перпендикулярно оси дугового канала 5 просверлено одно или несколько отверстий, оси которых направлены по касательной к внутренней поверхности втулок 15 и 16. Таким образом, газ, выходящий из этих отверстий, идет вдоль внутренней поверхности дугового канала 5 перпендикулярно его оси. Внутри канала образуется завихрение, таким образом, первый и второй узлы ввода газа представляют из себя кольцеобразные вихревые камеры.The first and second gas inlet units are made identically and represent cylindrical bushings 15 and 16, respectively, made of insulating material, in which one or more holes are drilled perpendicular to the axis of the arc channel 5, the axes of which are directed tangentially to the inner surface of the bushings 15 and 16. Thus, the gas coming out of these holes goes along the inner surface of the arc channel 5 perpendicular to its axis. A vortex is formed inside the channel, so the first and second gas inlet units are annular vortex chambers.

Одновременно вихревая камера, образованная изолирующей втулкой 16, является первым разрядным промежутком 19, в котором происходит зажигание электрической дуги.Simultaneously, the vortex chamber formed by the insulating sleeve 16 is the first discharge gap 19 in which the electric arc is ignited.

Патрубок 8 соединен с сопловым блоком 1 посредством третьей изолирующей втулки 17, которая контактирует с внешней поверхностью патрубка 8. В области между патрубком 8 и сопловым блоком 1 установлен третий узел 10 основного ввода плазмообразующего газа для его подачи в дуговой канал 5 соплового блока 1.The nozzle 8 is connected to the nozzle block 1 by means of the third insulating sleeve 17, which is in contact with the outer surface of the nozzle 8. In the area between the nozzle 8 and the nozzle block 1, a third node 10 of the main input of the plasma-forming gas is installed to supply it to the arc channel 5 of the nozzle block 1.

Со стороны патрубка 8 сопловой блок 1 выполнен с расширенным осевым отверстием 6, в которое вставлен второй конец патрубка 8. На внешнюю поверхность второго конца патрубка 8 со стороны соплового блока 1 установлена кольцевая защитная насадка 7. Между внешней стенкой патрубка 8, внутренней стенкой 9 расширенного осевого отверстия 6 соплового блока 1, изолирующей втулкой 17 и защитной насадкой 7 образована вихревая камера 18, в которую подает газ третий узел 10 основного ввода плазмообразующего газа.On the side of the nozzle 8, the nozzle block 1 is made with an expanded axial hole 6, into which the second end of the nozzle 8 is inserted. An annular protective nozzle 7 is installed on the outer surface of the second end of the nozzle 8 from the nozzle block 1 side. axial hole 6 of the nozzle block 1, an insulating sleeve 17 and a protective cap 7 formed a vortex chamber 18, which supplies gas to the third node 10 of the main input of the plasma gas.

Третий узел 10 физически выполнен так же, как и первый и второй узлы 15 и 16. Отличие только в том, что он может быть выполнен из любого материала, в том числе проводящего. То есть третий узел 10 может быть выполнен в виде втулки с тангенциально расположенными отверстиями (как показано на чертеже), выполненной из любого материала, как изоляционного, так и проводящего. Третий узел 10 также может быть образован сопловым блоком 1 в области расширенного осевого отверстия 6, при этом тангенциально расположенные отверстия выполнены во внутренней стенке 9 соплового блока 1.The third node 10 is physically made in the same way as the first and second nodes 15 and 16. The only difference is that it can be made of any material, including conductive. That is, the third assembly 10 may be made in the form of a sleeve with tangentially arranged holes (as shown in the drawing), made of any material, both insulating and conductive. The third node 10 can also be formed by the nozzle block 1 in the area of the expanded axial hole 6, while the tangential holes are made in the inner wall 9 of the nozzle block 1.

Третий узел 10 ввода плазмообразующего газа является основным узлом ввода плазмообразующего газа. Плазмообразующий газ подается в вихревую камеру тангенциально, вдоль поверхности дугового канала 5, перпендикулярно его оси. Внутри канала 5 образуется завихрение.The third plasma gas input node 10 is the main plasma gas input node. The plasma-forming gas is fed into the vortex chamber tangentially, along the surface of the arc channel 5, perpendicular to its axis. A swirl is formed inside channel 5.

За защитной насадкой 7 расположен второй разрядный промежуток 4.Behind the protective cap 7 is the second discharge gap 4.

Первый и второй узлы 15 и 16 ввода плазмообразующего газа обеспечивает подачу от 20 до 50% от всего расхода газа через плазмотрон, при этом плазмообразующий газ выбран из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон. Третий узел 10 ввода плазмообразующего газа обеспечивает подачу от 50 до 80% от всего расхода газа через плазмотрон, при этом плазмообразующий газ состоит из смеси с углеводородным газом газа, выбранного из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон.The first and second nodes 15 and 16 of the plasma-forming gas input provide from 20 to 50% of the total gas flow through the plasma torch, while the plasma-forming gas is selected from the group including air, nitrogen, carbon dioxide, argon. The third plasma gas input unit 10 supplies from 50 to 80% of the total gas flow through the plasma torch, while the plasma gas consists of a mixture with hydrocarbon gas of a gas selected from the group including air, nitrogen, carbon dioxide, argon.

Сопловые блоки 1 всех дуговых каналов 5 объединены в объединенный сопловой блок 3 и размещены в одном корпусе, с одной стороны которого расположены три отверстия 2 для вывода плазмы, а с другой стороны расположены три стыковочных узла 14 для стыковки патрубков 8 с третьими изолирующими втулками 17.The nozzle blocks 1 of all arc channels 5 are combined into a combined nozzle block 3 and placed in one housing, on one side of which there are three holes 2 for plasma output, and on the other side there are three docking units 14 for docking nozzles 8 with the third insulating bushings 17.

Все термонагруженные узлы плазмотрона снабжены рубашками водяного охлаждения.All thermally loaded units of the plasma torch are equipped with water cooling jackets.

Работа электродугового плазмотрона переменного тока осуществляется следующим образом.The operation of the electric arc plasma torch of alternating current is carried out as follows.

Перед подачей напряжения на клеммы плазмотрона, осуществляют подачу охлаждающей жидкости в рубашки охлаждения и подачу плазмообразующего газа.Before voltage is applied to the terminals of the plasma torch, the coolant is supplied to the cooling jackets and the plasma gas is supplied.

Инициация (зажигание) электрической дуги происходит в момент подачи напряжения холостого хода от высоковольтной электрической сети напряжением не менее 10 кВ (на чертеже не показано) последовательно через катушку 11 к цилиндрическому электроду 12 каждого дугового канала 5. Электромагнитная катушка 11 создает магнитное поле, вращающее привязку электрической дуги по внутренней поверхности цилиндрического полого электрода 12.The initiation (ignition) of the electric arc occurs at the moment the open circuit voltage is applied from a high-voltage electrical network with a voltage of at least 10 kV (not shown in the drawing) in series through the coil 11 to the cylindrical electrode 12 of each arc channel 5. The electromagnetic coil 11 creates a magnetic field that rotates the binding electric arc along the inner surface of the cylindrical hollow electrode 12.

Через первый узел 15 ввода плазмообразующего газа в полость электрода 12 тангенциально подается газ из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон.Through the first node 15 of the input of the plasma-forming gas into the cavity of the electrode 12, a gas from the group including air, nitrogen, carbon dioxide, argon is tangentially supplied.

Второй торец электрода 12 соединен с первым концом патрубка 8 через вторую изолирующую втулку 16, т.е. между цилиндрическим полым электродом 12 и металлическим патрубком 8 имеется зазор в виде второй изолирующей втулки 16. Размер зазора определяется толщиной изолирующей втулки 16. Подача газа из изолирующей втулки 16, образующей второй узел ввода плазмообразующего газа, осуществляется в область этого зазора, являющегося первым разрядным промежутком 19. Через второй узел 16 ввода плазмообразующего газа тангенциально подается газ из группы, включающей воздух, азот, углекислый газ, аргон.The second end of the electrode 12 is connected to the first end of the pipe 8 through the second insulating sleeve 16, i.e. between the cylindrical hollow electrode 12 and the metal pipe 8 there is a gap in the form of a second insulating sleeve 16. The size of the gap is determined by the thickness of the insulating sleeve 16. The gas supply from the insulating sleeve 16, which forms the second input node of the plasma gas, is carried out in the region of this gap, which is the first discharge gap 19. A gas from the group including air, nitrogen, carbon dioxide, argon is tangentially supplied through the second plasma gas input node 16.

Также имеется вихревая камера 18, образованная между внешней стенкой патрубка 8, внутренней стенкой 9 расширенного осевого отверстия 6 соплового блока 1, изолирующей втулкой 17 и защитной насадкой 7. Подача основного плазмообразующего газа, содержащего углеводороды, из третьего узла 10 ввода газа осуществляется в область этой камеры. За защитной насадкой 7 расположен второй разрядный промежуток 4.There is also a vortex chamber 18 formed between the outer wall of the nozzle 8, the inner wall 9 of the expanded axial hole 6 of the nozzle block 1, the insulating sleeve 17 and the protective cap 7. cameras. Behind the protective cap 7 is the second discharge gap 4.

При подаче напряжения на электрод 12 в каждом дуговом канале 5 образуется две дуги: в первом разрядном промежутке 19 между электродом 12 и первым концом патрубка 8 и во втором разрядном промежутке 4 между внутренней поверхностью патрубка 8 и внутренней поверхностью дугового канала соплового блока 1 за защитной насадкой 7.When voltage is applied to the electrode 12, two arcs are formed in each arc channel 5: in the first discharge gap 19 between the electrode 12 and the first end of the nozzle 8 and in the second discharge gap 4 between the inner surface of the nozzle 8 and the inner surface of the arc channel of the nozzle block 1 behind the protective nozzle 7.

В начальный момент времени в трехфазном плазмотроне горит 6 коротких дуг, по 2 в каждом дуговом канале 5. Затем под действием электродинамических и газодинамических сил, дуги перемещаются. Привязка дуги на поверхности электрода 12 переходит от торца электрода 12 к его центру. Привязки дуг, которые находятся на внутренней поверхности патрубка 8, двигаются навстречу друг другу по поверхности дугового канала 5, соединяются в одну точку и отрываются от канала 5. Привязка дуги в сопловом блоке 1 движется в сторону выхода, выходит на внешнюю поверхность объединенного соплового блока 3 через отверстие 2 для выхода плазмы, где соединяется с привязками других дуговых каналов 5. Дуги отрываются от поверхности плазмотрона и замыкаются в пространстве за плазмотроном. В дальнейшем привязки дуги в плазмотроне остаются только на внутренней поверхности электродов 12.At the initial moment of time, 6 short arcs burn in a three-phase plasma torch, 2 in each arc channel 5. Then, under the action of electrodynamic and gas-dynamic forces, the arcs move. The binding of the arc on the surface of the electrode 12 passes from the end of the electrode 12 to its center. The bindings of the arcs that are on the inner surface of the nozzle 8 move towards each other along the surface of the arc channel 5, connect at one point and break away from the channel 5. The binding of the arc in the nozzle block 1 moves towards the exit, goes to the outer surface of the combined nozzle block 3 through the opening 2 for the plasma outlet, where it connects to the bindings of other arc channels 5. The arcs break away from the surface of the plasma torch and close in space behind the plasma torch. In the future, the bindings of the arc in the plasma torch remain only on the inner surface of the electrodes 12.

Плазмообразующий газ, содержащий углеводороды, подается из третьего узла 10 основного ввода плазмообразующего газа в дуговой канал 4 соплового блока 1 через вихревую камеру 18, ограниченную со стороны соплового блока 1 защитной насадкой 7. Плазмообразующий газ, содержащий углеводороды, в электрической дуге разлагается на водород и углерод. При вихревом течении плазмообразующего газа внутри вихря образуется обратное течение, то есть, вдоль стенок дугового канала 5 газ течет из плазмотрона, а в центре дугового канала 5 газ движется внутрь плазмотрона, и обратное течение возвращает образовавшийся углерод, который не достигает изолирующей втулки 17, так как защитная насадка 7 отбрасывает обратный поток с углеродными частицами в зону основного вихревого потока, тем самым защищая втулку 17 от налипания углерода. Таким образом, предотвращается аварийный электрический пробой и разрушение изолирующей втулки и узла основного ввода газа.The plasma-forming gas containing hydrocarbons is supplied from the third node 10 of the main input of the plasma-forming gas into the arc channel 4 of the nozzle block 1 through the vortex chamber 18, limited from the side of the nozzle block 1 by a protective nozzle 7. The plasma-forming gas containing hydrocarbons decomposes into hydrogen in an electric arc and carbon. With the vortex flow of the plasma-forming gas, a reverse flow is formed inside the vortex, that is, along the walls of the arc channel 5, the gas flows from the plasma torch, and in the center of the arc channel 5, the gas moves inside the plasma torch, and the reverse flow returns the formed carbon, which does not reach the insulating sleeve 17, so as a protective nozzle 7 discards the reverse flow with carbon particles into the zone of the main vortex flow, thereby protecting the sleeve 17 from carbon sticking. Thus, an emergency electrical breakdown and destruction of the insulating sleeve and the main gas inlet assembly are prevented.

Благодаря предотвращению осаждения углеродного материала на изолирующую втулку обеспечивается длительная безаварийная работа плазмотрона при работе на плазмообразующих газах, включающих смесь газообразных углеводородов с другими газами, и повышается ресурс плазмотрона.Due to the prevention of deposition of carbon material on the insulating sleeve, long-term trouble-free operation of the plasma torch is ensured when operating on plasma gases, including a mixture of gaseous hydrocarbons with other gases, and the service life of the plasma torch is increased.

Для изготовления электродугового плазмотрона переменного тока использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».Conventional construction materials and factory equipment were used to manufacture an AC electric arc plasma torch. This circumstance, according to the applicant, allows us to conclude that this invention meets the condition of patentability "Industrial applicability".

Claims

1. An AC electric arc plasma torch containing at least one arc channel (5), consisting of a cylindrical hollow electrode (12) with an electromagnetic coil (11) located on it, an intermediate channel made in the form of a metal pipe (8), and a nozzle block (1) with an opening (2) for plasma output, moreover, the arc channel (5) on the side of the electrode (12) is closed with a plug (13), and at the end of the electrode (12) the first plasma gas input unit is installed in the form of the first insulating bushings (15) with tangentially arranged holes for supplying plasma gas into the cavity of the electrode (12), while the second end of the electrode (12) is connected to the first end of the branch pipe (8) through the second insulating bushing (16) with tangentially arranged holes, forming the second assembly input of plasma-forming gas for its supply to the area between the electrode (12) and the nozzle (8), and the nozzle (8) is connected to the nozzle block (1) through the third insulating sleeve (17), and in In the area between the branch pipe (8) and the nozzle block (1), a third assembly (10) of the main input of the plasma-forming gas is installed for its supply to the arc channel (5) of the nozzle block (1), characterized in that the nozzle block (1) is located on the side of the nozzle ( 8) is made with an expanded axial hole (6), into which the second end of the branch pipe (8) is inserted, and the third insulating sleeve (17) is in contact with the outer surface of the branch pipe (8), and an annular protective sleeve is installed on the outer surface of the second end of the branch pipe (8). nozzle (7), while the third node (10) of the main input of the plasma-forming gas is made in the form of a hollow cylinder with tangentially arranged holes with the possibility of introducing the main plasma-forming gas into the vortex chamber (18) formed between the outer wall of the nozzle (8), the inner wall ( 9) expanded axial hole (6) of the nozzle block (1), insulating sleeve (17) and protective cap (7).

2. Electric arc plasma torch according to claim 1, characterized in that the third node (10) of the main input of the plasma gas is made in the form of a sleeve with tangentially arranged holes.

3. The electric arc plasma torch according to claim 1, characterized in that the third node (10) of the main input of the plasma-forming gas is formed by a nozzle block (1) in the area of the expanded axial hole (6), while in the inner wall (9) of the nozzle block (1) tangential holes are made.

4. Electric arc plasma torch according to claim 1, characterized in that the cylindrical hollow electrode (12) is made of copper, a copper alloy or a material from the group consisting of iron, tungsten, graphite, hafnium.

5. Electric arc plasma torch according to claim 1, characterized in that the first (15) and second (16) plasma gas input units provide from 20 to 50% of the total gas flow through the plasma torch, while the plasma gas is selected from the group including air , nitrogen, carbon dioxide, argon.

6. Electric arc plasma torch according to claim 1, characterized in that the third node (10) of the plasma gas input provides from 50 to 80% of the total gas flow through the plasma torch, while the plasma gas consists of a mixture with a hydrocarbon gas of a gas selected from the group , including air, nitrogen, carbon dioxide, argon.

7. Electric arc plasma torch according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that the plasma torch contains three arc channels (5), electrically isolated from each other, and the cylindrical hollow electrode (12) of each arc channel (5) is connected to a three-phase AC network, while the nozzle blocks (1) of all arc channels (5) are combined into a combined nozzle block (3) and placed in one housing, on one side of which there are three holes (2) for plasma output, and on the other side there are three docking nodes (14) for docking with third insulating bushings (17) nozzles (8).