RU67909U1

RU67909U1 - PLASMOTRON

Info

Publication number: RU67909U1
Application number: RU2007119144/22U
Authority: RU
Inventors: Юрий Анатольевич Пыкин; Сергей Вадимович Анахов; Сергей Александрович Шакуров; Алексей Геннадьевич Тетюков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Полигон-ЛТД"
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2007-11-10

Abstract

Полезная модель относится к плазменной электродуговой обработке материалов, в частности к низкотемпературным плазменным устройствам, и может быть использована при механизированных и ручных процессах термической обработки сыпучих материалов. Плазмотрон состоит из стационарной и сменной частей. Сменная часть содержит основание и штуцера с каналами для подвода плазмообразующего газа (ПОГ), подвода и отвода охлаждающей среды, на штуцере ПОГ и под углом к оси канала подвода ПОГ установлен патрубок для подвода обрабатываемого материала и подачи его в камеру смешения, выполненную внутри штуцера, при этом нижняя часть камеры имеет конфузорный участок, переходящий в цилиндрический канал, который через резиновое уплотнение переходит в канал подачи ПОГ электрододержателя, отверстие выходной части которого выходит в расширительную камеру, образованную кольцевой проточкой, выполненной на поверхности электрододержателя, и внутренней поверхностью изолятора, которая посредством винтовых каналов завихрителя соединяется с сопловой камерой, образованной внешней поверхностью водоохлаждаемого электрода и внутренней профильной поверхностью канала, расширяющегося к выходу, водоохлаждаемого сопла. Технический результат - расширение функциональных возможностей при одновременном улучшении эксплуатационных характеристик плазмотрона. 1 н.п. ф-лы, 1 фиг.The invention relates to a plasma electric arc treatment of materials, in particular to low-temperature plasma devices, and can be used in mechanized and manual processes for the thermal treatment of bulk materials. The plasma torch consists of a stationary and replaceable parts. The replaceable part contains a base and a nozzle with channels for supplying plasma-forming gas (POG), supplying and discharging cooling medium, a nozzle is installed on the POG nozzle and at an angle to the axis of the POG supply channel for supplying the processed material and feeding it into the mixing chamber, made inside the nozzle, the lower part of the chamber has a confuser section, passing into a cylindrical channel, which through a rubber seal passes into the feed channel POG electrode holder, the hole of the output part of which goes into the expansion chamber ru formed by an annular groove made on the surface of the electrode holder and the inner surface of the insulator, which is connected through the screw channels of the swirler to the nozzle chamber formed by the outer surface of the water-cooled electrode and the inner profile surface of the channel expanding towards the outlet of the water-cooled nozzle. The technical result is the expansion of functionality while improving the performance of the plasma torch. 1 n.p. f-ly, 1 Fig.

Description

Полезная модель относится к плазменной электродуговой обработке материалов, в частности к низкотемпературным плазменным устройствам, и может быть использована при механизированных и ручных процессах термической обработки сыпучих материалов, в том числе содо-сульфатных смесей.The utility model relates to a plasma electric arc treatment of materials, in particular to low-temperature plasma devices, and can be used in mechanized and manual processes for the thermal treatment of bulk materials, including soda-sulfate mixtures.

Известен плазмотрон, содержащий электрододержатель, внутри которого размещен канал для подвода охлаждающей среды, сопряженный с осевым каналом, выведенным во внутреннюю полость электрода, на наружной поверхности электрододержателя соосно с ним прикреплен изолирующий корпус, к последнему соосно присоединен кожух, в нижней части электрододержателя соосно с ним размещен электрод, часть наружной поверхности которого сопряжена с нижней частью внутренней поверхности электрододержателя, под электродом соосно с ним установлено сопло, имеющее внутренний профильный канал, переходящий в цилиндрический канал. В качестве элементов крепления в конструкции плазмотрона использованы преимущественно резьбовые соединения, а в качестве элементов уплотнения использованы выступы с кольцевыми уплотнениями. (Свидетельство RU №20871, МПК В23К 10/00, 2001 г.).A known plasma torch containing an electrode holder, inside of which there is a channel for supplying a cooling medium, coupled to an axial channel brought into the internal cavity of the electrode, an insulating body is coaxially attached to it on the outer surface of the electrode holder, a casing is coaxially attached to it, and a casing is coaxially connected to the latter in the lower part of the electrode holder an electrode is placed, a part of the outer surface of which is paired with the lower part of the inner surface of the electrode holder, a nozzle is installed coaxially with the electrode, I have its inner profiled channel passes into cylindrical passage. Preferably threaded joints are used as fastening elements in the plasma torch design, and protrusions with ring seals are used as sealing elements. (Certificate RU No. 20871, IPC V23K 10/00, 2001).

В известном устройстве форма сопла позволяет получить узконаправленную форму струи, преимущественно обеспечивая возможность резки материалов при нагревании. Использовать известную конструкцию плазмотрона для переработки дисперсных материалов практически не представляется возможным.In the known device, the nozzle shape allows to obtain a narrowly directed jet shape, mainly providing the possibility of cutting materials when heated. To use the known design of the plasma torch for the processing of dispersed materials is practically not possible.

Наиболее близким к предлагаемому, является плазмотрон, который нашел широкое применение в отечественной промышленности. Известный плазмотрон содержит стационарную часть с основанием и штуцерами, внутри которых выполнены каналы для подвода плазмообразующей среды и подвода и отвода охлаждающей среды, сопрягаемыми с соответствующими каналами в сменной части, содержащей водоохлаждаемый электрододержатель с завихрителем и размещенным в нем электродом, изолирующий корпус, водоохлаждаемое сопло и кожух. Внутри электрододержателя выполнены каналы для подачи плазмообразующего газа через завихритель в сопловую камеру, образованную внешней поверхностью электрода и внутренней поверхностью сопла с выходным цилиндрическим каналом. (Авторское свидетельство SU №559787, МПК В23К 31/10, 1977 г.),Closest to the proposed one is the plasmatron, which has found wide application in domestic industry. The known plasmatron contains a stationary part with a base and fittings, inside of which there are channels for supplying a plasma forming medium and supplying and discharging a cooling medium, mating with the corresponding channels in a replaceable part containing a water-cooled electrode holder with a swirl and an electrode placed in it, an insulating body, a water-cooled nozzle and casing. Channels for supplying a plasma-forming gas through a swirler into the nozzle chamber formed by the outer surface of the electrode and the inner surface of the nozzle with an output cylindrical channel are made inside the electrode holder. (Copyright certificate SU No. 559787, IPC V23K 31/10, 1977),

Недостатком данного решения являются низкие возможности его использования в процессах плазменного нагрева и термической обработки дисперсных материалов. В конструкции плазмотрона не предусмотрен узел ввода исходных материалов, а форма и малые размеры сопловой камеры и выходного цилиндрического канала сопла, формирующего плазменную струю, не позволяют эффективно вести процесс нагрева и вывода готового продукта. Конструкция сопловой камеры в сочетании с закрученным в завихрителе однородным потоком плазмообразующего газа (ПОГ) и узким, коротким цилиндрическим каналом сопла создает по его оси зону с пониженным давлением, где размещается дуговой разряд и создается наиболее высокая температура. В периферийной холодной области дуги вблизи стенки цилиндрического канала сопла, которое интенсивно охлаждается, проходит более значительная часть ПОГ. Этот газ имеет существенно более низкую температуру, чем в области дугового разряда и выходит наружу неравномерно нагретым. Кроме этого, малые размеры выходного цилиндрического канала сопла формируют узконаправленную струю с высокой концентрацией тепловой энергии только по ее оси. Периферийная часть струи на выходе из сопла при соприкосновении с холодным воздухом окружающей среды, резко расширяется и интенсивно охлаждается. В результате материал оказывается неравномерно нагретым, а процесс малоуправляемым. Кроме того, конфигурация сопла приводит к забиванию выходного канала и нарушению формирования плазменного потока.The disadvantage of this solution is the low possibility of its use in the processes of plasma heating and heat treatment of dispersed materials. The design of the plasma torch does not provide a node for inputting raw materials, and the shape and small dimensions of the nozzle chamber and the output cylindrical channel of the nozzle forming the plasma jet do not allow the heating and output of the finished product to be carried out efficiently. The design of the nozzle chamber in combination with a uniform plasma-forming gas (POG) flow swirling in a swirl and a narrow, short cylindrical nozzle channel creates a zone with reduced pressure along its axis, where an arc discharge is placed and the highest temperature is created. In the peripheral cold region of the arc near the wall of the cylindrical channel of the nozzle, which is intensively cooled, a larger portion of the POG passes. This gas has a significantly lower temperature than in the region of the arc discharge and goes out unevenly heated. In addition, the small size of the output cylindrical channel of the nozzle forms a narrowly directed jet with a high concentration of thermal energy only along its axis. The peripheral part of the jet at the exit of the nozzle, in contact with the cold air of the environment, expands sharply and is intensively cooled. As a result, the material is unevenly heated, and the process is uncontrollable. In addition, the configuration of the nozzle leads to clogging of the output channel and disrupt the formation of the plasma stream.

Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей при одновременном улучшении эксплуатационных характеристик плазмотрона.The objective of the utility model is to expand the functionality while improving the operational characteristics of the plasma torch.

Поставленная задача решается тем, что заявляемый плазмотрон состоит из стационарной части и сопрягающейся с ней сменной части, стационарная часть выполнена с возможностью крепления на внешних устройствах и присоединения к коммуникациям охлаждающей среды, плазмообразующего газа и электрического тока и содержит основание и штуцера с каналами для подвода плазмообразующего газа (ПОГ), подвода и отвода охлаждающей среды, сопряженных с соответствующими каналами сменной части, последняя содержит водоохлаждаемый электрододержатель с завихрителем и размещенным в нем электродом, изолирующий корпус, водоохлаждаемое сопло с сопловой камерой и кожух, внутри электрододержателя размещен канал для подачи плазмообразующего газа через завихритель в сопловую камеру, указанный канал расположен эксцентрично оси электрододержателя, а его выходная часть образована внешней поверхностью электрододержателя и внутренней поверхностью изолятора, сопловая камера, образована внешней поверхностью электрода и внутренней поверхностью сопла с выходным цилиндрическим каналом, при этом стационарная часть The problem is solved in that the claimed plasmatron consists of a stationary part and a removable part mating with it, the stationary part is made with the possibility of mounting on external devices and connecting to the communications of the cooling medium, plasma-forming gas and electric current and contains a base and a fitting with channels for supplying plasma-forming gas (POG), inlet and outlet of the cooling medium, coupled with the corresponding channels of the replaceable part, the latter contains a water-cooled electrode holder with a swirl An element and an electrode placed in it, an insulating body, a water-cooled nozzle with a nozzle chamber and a casing, a channel for supplying plasma-forming gas through a swirler into the nozzle chamber is placed inside the electrode holder, this channel is located eccentrically to the axis of the electrode holder, and its output part is formed by the outer surface of the electrode holder and the inner surface of the insulator, the nozzle chamber, is formed by the outer surface of the electrode and the inner surface of the nozzle with an output cylindrical channel, while Narnia part

снабжена патрубком для подвода обрабатываемого материала, установленным под углом на штуцере с каналом подвода плазмообразующего газа, внутри штуцера размещена камера смешения, выполненная в виде полости, нижняя часть которой сопряжена с аналогичной полостью, выполненной в основании, камера смешения в верхней ее части соединена с патрубком подачи обрабатываемого материала, а в нижней части имеет конфузорный участок, переходящий в цилиндрический канал, сопряженный с соответствующим каналом подачи плазмообразующего газа электрододержателя, выходная часть которого соединена с расширительной камерой, образованной внутренней поверхностью изолятора и кольцевой проточкой, выполненной на наружной поверхности в нижней части электрододержателя, расширительная камера соединена посредством винтовых каналов завихрителя с сопловой камерой, образованной наружной поверхностью электрода и внутренней профильной поверхностью канала сопла, последний выполнен расширяющимся на выходе.equipped with a nozzle for supplying the material to be processed, mounted at an angle on the nozzle with the plasma gas supply channel, a mixing chamber made in the form of a cavity is placed inside the nozzle, the lower part of which is associated with a similar cavity made in the base, the mixing chamber in its upper part is connected to the nozzle feed of the processed material, and in the lower part has a confuser section, turning into a cylindrical channel, paired with the corresponding plasma-forming gas supply channel the outlet, the output of which is connected to the expansion chamber formed by the inner surface of the insulator and the annular groove made on the outer surface in the lower part of the electrode holder, the expansion chamber is connected via screw channels of the swirler with the nozzle chamber formed by the outer surface of the electrode and the inner profile surface of the nozzle channel, the last made expanding at the exit.

Отличительным признаком от прототипа является выполнение в штуцере с каналом для подачи ПОГ камеры смешения, которая соединена с патрубком для подачи обрабатываемого материала и служит для его перемешивания с потоком ПОГ, который одновременно выполняет и роль транспортирующего газа. Для уменьшения гидравлического сопротивления при движении исходного материала и транспортирующего - ПОГ из камеры смешения в цилиндрический канал, нижняя часть камеры выполнена с конфузорным участком.A distinctive feature of the prototype is the implementation in the nozzle with the channel for supplying the POG of the mixing chamber, which is connected to the pipe for supplying the processed material and serves to mix it with the POG stream, which simultaneously performs the role of a transporting gas. To reduce the hydraulic resistance during the movement of the starting material and the transporting one - POG from the mixing chamber to the cylindrical channel, the lower part of the chamber is made with a confuser section.

Отличительным от прототипа признаком является выполнение на наружной поверхности в нижней части электрододержателя кольцевой проточки, образуемой совместно с сопрягаемой внутренней поверхностью изолятора расширительную камеру, из которой обрабатываемый материал, находящийся во взвешенном состоянии, распространяется по винтовым каналам завихрителя в сопловую камеру. При такой спутно-вихревой подаче дисперсный материал движется в направлении плазменного потока и закручивается вокруг него, где происходит его интенсивное перемешивание и разогрев.A distinctive feature of the prototype is the execution on the outer surface in the lower part of the electrode holder of an annular groove, formed together with the mating inner surface of the insulator, an expansion chamber, from which the processed material, in suspension, is distributed through the screw channels of the swirler into the nozzle chamber. With such a satellite-vortex feed, the dispersed material moves in the direction of the plasma flow and swirls around it, where it is intensively mixed and heated.

Отличительным от прототипа признаком является выполнение сопловой камеры с внутренней профильной поверхностью и с расширяющимся к выходу из сопла каналом. При такой конфигурации сопла снижаются требования к гранулометрическому составу исходного материала, интенсифицируется теплообмен дисперсного материала с дугой и плазменным потоком, а за счет сложной траектории движения частиц материала, совершающих одновременно вращательное и поступательное движение, увеличивается A distinctive feature of the prototype is the implementation of the nozzle chamber with an internal profile surface and with a channel expanding towards the exit from the nozzle. With this configuration of the nozzle, the requirements for the particle size distribution of the starting material are reduced, the heat transfer of the dispersed material with the arc and the plasma stream is intensified, and due to the complex trajectory of movement of the particles of the material, performing both rotational and translational motion, it increases

время их нахождения в плазменном потоке, что позволяет более эффективно использовать его теплосодержание.the time they are in the plasma stream, which allows more efficient use of its heat content.

Стационарная часть плазмотрона может быть снабжена любыми известными средствами для обеспечения возможности ее крепления на механизмах перемещения, например, портальных и шарнирных машинах, манипуляторах и т.п. механизмах.The stationary part of the plasma torch can be equipped with any known means to enable its fastening on movement mechanisms, for example, portal and articulated machines, manipulators, etc. mechanisms.

Использование в заявляемом плазмотроне новых элементов и их компоновка обеспечивают улучшение эксплуатационных свойств плазмотрона и повышение надежности работы его узлов при термической обработке дисперсных материалов.The use of new elements in the inventive plasma torch and their arrangement provide improved operational properties of the plasma torch and increase the reliability of its components during heat treatment of dispersed materials.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение не известно из уровня техники, что свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».Analysis of known technical solutions allows us to conclude that the claimed technical solution is not known from the prior art, which indicates its compliance with the criterion of "novelty."

Возможность использования заявляемого технического решения в промышленности свидетельствует о его соответствии критерию «промышленная применимость».The possibility of using the claimed technical solution in industry indicates its compliance with the criterion of "industrial applicability".

На фиг.1 представлен заявляемый плазмотрон.Figure 1 presents the inventive plasmatron.

Плазмотрон состоит из стационарной части и сменной части. Стационарная часть содержит основание 1, штуцер 2 с каналом для отвода охлаждающей среды, штуцер с каналом для подвода охлаждающей среды (не показано), штуцер 3 с каналом для подвода плазмообразующего газа (ПОГ), патрубок 4 для подвода обрабатываемого материала и подачи его в камеру смешения 5, расположенную внутри штуцера 3, при этом нижняя часть камеры 5 выполнена в основании 1 и имеет конфузорный участок 6, переходящий в цилиндрический канал 7, который через резиновое уплотнение 8 переходит в канал 9 подачи ПОГ электрододержателя 10. Отверстие 11 выходной части канала 9 подачи ПОГ выходит в расширительную камеру 12, образованную кольцевой проточкой, выполненной на поверхности электрододержателя 10, и внутренней поверхностью изолятора 13, которая посредством винтовых каналов завихрителя 14 соединяется с сопловой камерой 15, образованной внешней поверхностью водоохлаждаемого электрода 16 и внутренней профильной поверхностью канала 17, расширяющегося к выходу, водоохлаждаемого сопла 18. Сменная часть помещена в кожух 19 и соединена со стационарной частью посредством гайки 20.The plasma torch consists of a stationary part and a replaceable part. The stationary part contains a base 1, a nozzle 2 with a channel for draining the cooling medium, a nozzle with a channel for supplying a cooling medium (not shown), a nozzle 3 with a channel for supplying a plasma-forming gas (POG), a pipe 4 for supplying the processed material and supplying it to the chamber mixing 5, located inside the fitting 3, while the lower part of the chamber 5 is made in the base 1 and has a confuser section 6, which passes into a cylindrical channel 7, which through a rubber seal 8 passes into the channel 9 for supplying POG electrode holder 10. Hole 11 the output part of the POG feed channel 9 enters the expansion chamber 12 formed by an annular groove made on the surface of the electrode holder 10 and the inner surface of the insulator 13, which is connected through the screw channels of the swirl 14 to the nozzle chamber 15 formed by the outer surface of the water-cooled electrode 16 and the inner profile surface channel 17, expanding to the outlet, of a water-cooled nozzle 18. The replaceable part is placed in the casing 19 and connected to the stationary part by means of a nut 20.

Плазмотрон работает следующим образом.The plasma torch works as follows.

Охлаждающая жидкость через штуцер подачи охлаждающей среды (на чертеже не показан) под давлением подается в плазмотрон для охлаждения теплонагруженных узлов - электрода 16 и сопла 18 и отводится из плазмотрона. ПОГ под давлением подается в The coolant through the coolant supply fitting (not shown in the drawing) is pressurized into the plasma torch to cool the heat-loaded units - electrode 16 and nozzle 18 and is discharged from the plasma torch. POG under pressure is fed into

плазмотрон через штуцер 3 в камеру 5, каналы 7, 9, камеру 12 и через завихритель 14, и сопловую камеру 15 в выходной профильный канал 17 сопла 18 выходит наружу.the plasma torch through the nozzle 3 into the chamber 5, channels 7, 9, the chamber 12 and through the swirl 14, and the nozzle chamber 15 into the output profile channel 17 of the nozzle 18 goes out.

После подачи охлаждающей среды и плазмообразующего газа в плазмотрон к электроду 16 и соплу 18 подают высокочастотный потенциал напряжением порядка 10 кВ. Образующаяся электрическая дуга разогревает и ионизирует ПОГ, образуя плазменную струю, по оси которой горит электрическая дуга. Плазменная струя выдувает электрическую дугу, которая занимает положение по оси канала 17 сопла 18. Обрабатываемый материал через патрубок 4 поступает в камеру смешения 5, где перемешивается с ПОГ и во взвешенном состоянии через конфузорный участок 6, каналы 7 и 9, расширительную камеру 12 и завихритель 14 поступает в канал 17, где под воздействием электрической дуги и плазменной струи интенсивно нагревается и выносится наружу из сопла 18.After the cooling medium and the plasma-forming gas are supplied to the plasmatron, an high-frequency potential with a voltage of about 10 kV is supplied to the electrode 16 and the nozzle 18. The resulting electric arc heats and ionizes the HOG, forming a plasma jet along the axis of which the electric arc burns. The plasma jet blows an electric arc, which occupies a position along the axis of the channel 17 of the nozzle 18. The processed material through the pipe 4 enters the mixing chamber 5, where it is mixed with POH and in suspension through the confuser section 6, channels 7 and 9, the expansion chamber 12 and the swirl 14 enters the channel 17, where, under the influence of an electric arc and a plasma jet, it is intensively heated and carried out from the nozzle 18.

Заявляемая конструкция может быть успешно использована для термической обработки дисперсных материалов, например, содо-сульфатных и других смесей с целью удаления органической составляющей или сжигаемой минеральной составляющей.The inventive design can be successfully used for heat treatment of dispersed materials, for example, soda-sulfate and other mixtures in order to remove the organic component or the combusted mineral component.

Claims

The plasma torch, consisting of a stationary part and an interchangeable part interfacing with it, the stationary part is made with the possibility of connecting to the communications of the cooling medium, plasma-forming gas and electric current from external devices and contains a base and a fitting with channels for supplying plasma-forming gas, supply and removal of cooling medium, interfaced with the corresponding channels of the replaceable part, the latter contains a water-cooled electrode holder with a swirl and an electrode placed in it, an insulating body, water a nozzle with a nozzle chamber and a casing, a channel for supplying plasma-forming gas through a swirler to the nozzle chamber is placed inside the electrode holder, the channel is located eccentrically to the axis of the electrode holder, and its output part is formed by the outer surface of the electrode holder and the inner surface of the insulator, the nozzle chamber is formed by the outer surface of the electrode and the inner surface of the nozzle with the output cylindrical channel, characterized in that the stationary part is equipped with a pipe for supplying of the supplied material, installed at an angle on the fitting with the plasma gas supply channel, inside the fitting there is a mixing chamber made in the form of a cavity, the lower part of which is interfaced with a similar cavity made in the base, the mixing chamber in its upper part is connected to the supply pipe of the processed material, and in the lower part it has a confuser section, turning into a cylindrical channel, conjugated with the corresponding plasma-forming gas supply channel of the electrode holder, the output of which is connected and with an expansion chamber formed by the inner surface of the insulator, and an annular groove formed on the outer surface of the bottom electrode, the expansion chamber is connected by means of screw channels swirler with a nozzle chamber formed by the outer surface of the electrode and the inner profile surface of the bore of the nozzle, the latter is made divergent outlet.