RU2212773C2

RU2212773C2 - Arc-plasma generator

Info

Publication number: RU2212773C2
Application number: RU2001131022/09A
Authority: RU
Inventors: А.И. Авдеев; Б.И. Авдеев
Original assignee: Авдеев Аркадий Игоревич; Авдеев Борис Игоревич
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2001-11-16
Publication date: 2003-09-20

Abstract

FIELD: plasma-jet generating devices. SUBSTANCE: arc- plasma generator designed to generate plasma jet with temperature of 20 000 to 30 000 K primarily used for fast cutting of any metal under factory and field conditions, as well as in seaside and shelf conditions or under water has housing, cutting rod, lead for connecting the latter to power supply, cutting-rod chamber holding working end of cutting rod and provided with pipe union for connecting plasma generator to inert or reducing gas. Cutting-rod chamber communicates with gas channel which in its turn communicates with water channel, and the latter also communicates with annular cavity having holes communicating with pipe union meant for connecting plasma generator to water feeding device. Gas flow in gas channel and water flow coming from annular cavity are compressed and plasma jet is stabilized in gas and water channels to afford plasma jet temperature of 20 000 to 30 000 K and high cutting speed. Gas and water flow in respective channels in direction from cutting-rod chamber so that water vapors, molecular and atomic oxygen are kept away from cutting rod. That is why the latter is made of tungsten and does not burn out during operation of plasma generator with the result that the latter can dispense with automatic device for feeding cutting rod to arc zone as it burns down. EFFECT: enhanced service life of cutting rod, simplified design and reduced cost of plasma generator. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для создания струи плазмы с температурой до 20000...30000 К за пределами плазмотрона и может быть использовано преимущественно для быстрой резки любого металла в условиях завода, в полевых условиях, в условиях побережий или морских шельфов, под водой. The invention relates to a device for creating a plasma jet with a temperature of up to 20,000 ... 30,000 K outside the plasma torch and can be used primarily for the fast cutting of any metal in a factory, in the field, in coastal or marine shelves, under water.

Известные дуговые плазмотроны с водяной стабилизацией и обжатием дуги имеют стержневой электрод и устройство для его автоматической подачи в зону дуги по мере сгорания, электродную камеру, в которой размещен рабочий конец стержневого электрода, соединенную с устройством для подачи воды и с устройством для отвода воды, водяной канал с тангенциальными отверстиями, соединенными с устройством для подачи воды. В водяном канале осуществляется вихревая стабилизация и обжатие струи плазмы. Кроме того, известные дуговые плазмотроны имеют ряд дополнительных устройств. Known arc plasma torches with water stabilization and compression of the arc have a rod electrode and a device for automatically feeding it into the arc zone as it burns, an electrode chamber in which the working end of the rod electrode is connected to the water supply device and to the water drainage device a channel with tangential openings connected to a device for supplying water. Vortex stabilization and compression of the plasma jet are carried out in the water channel. In addition, the known arc plasmatrons have a number of additional devices.

В известных плазмотронах с водяной стабилизацией дуги электроды очень быстро сгорают, до 15-20 мм в минуту, что требует автоматического перемещения электрода в процессе работы плазмотрона и частой его замены (см., например, М.Г. Девдариани. Интенсивность износа электрода при плазменно-дуговой резке с водяной стабилизацией дуги / Сварочное производство, 1968, 8, стр. 37, 38). Известные плазмотроны с водяной плазмообразующей средой имеют сложную конструкцию, сложную систему автоматической подачи электрода в зону дуги по мере его сгорания, большой вес, большую стоимость. In known plasma torches with water stabilization of the arc, the electrodes burn very quickly, up to 15-20 mm per minute, which requires automatic electrode movement during the operation of the plasma torch and its frequent replacement (see, for example, MG Devdariani. The intensity of electrode wear during plasma -arc cutting with water stabilization of the arc / Welding production, 1968, 8, p. 37, 38). Known plasma torches with a water plasma-forming medium have a complex structure, a complex system for automatically feeding the electrode into the arc zone as it burns, a lot of weight, a lot of cost.

Известен плазмотрон с водяной стабилизацией и обжатием дуги (К. Миклоши. Плазменная головка с водяной стабилизацией дуги / Сварочное производство, 1962, 11, стр.23-26), взятый в качестве прототипа, содержащий корпус, стержневой электрод, автоматически действующее устройство для его подачи по мере сгорания в зону дуги, вывод для подключения стержневого электрода к источнику электропитания, электродную камеру, в которую помещен рабочий конец электрода, соединенную с устройствами для подачи и отвода воды, винтовой холодильник, ротационный сифонный водяной заслон, который не позволяет проникнуть плазме в трубку для отвода воды. Давление плазмы и газа в электродной камере больше, чем уплотняющая способность сифонного водяного заслона. Поэтому для повышения уплотняющего эффекта применяется дроссельный клапан. Кроме того, плазмотрон имеет головку с вложенными задней форсункой и передней форсункой с двумя тангенциальными отверстиями для ввода воды, создающей на выходе из плазмотрона вихревой водяной и обжимающий дугу стабилизирующий канал. Этот плазмотрон имеет сложную конструкцию, сложную ненадежную систему автоматической подачи стержневого электрода, а также большой вес, затрудняющий его использование при ручной резке металла, большую стоимость. В процессе эксплуатации графитовый стержневой электрод сгорает со скоростью 15-20 мм/мин. Вследствие этого при работе плазмотрона требуется частая замена стержневого электрода. Решаемой технической задачей является обеспечение работы дугового плазмотрона без передвижения стержневого электрода, повышение его надежности, уменьшение веса и упрощение конструкции, уменьшение стоимости, уменьшение его ультрафиолетового излучения. Known plasmatron with water stabilization and compression of the arc (K. Miklosi. Plasma head with water stabilization of the arc / Welding, 1962, 11, p.23-26), taken as a prototype, containing a housing, a rod electrode, an automatically operating device for it feed as it burns into the arc zone, an output for connecting the rod electrode to a power source, an electrode chamber in which the working end of the electrode is connected to water supply and drain devices, a screw cooler, rotary siphons water barrier that does not allow to penetrate the plasma tube to drain water. The plasma and gas pressure in the electrode chamber is greater than the sealing ability of the siphon water barrier. Therefore, to increase the sealing effect, a throttle valve is used. In addition, the plasma torch has a head with a rear nozzle and a front nozzle inserted with two tangential openings for water inlet, which creates a vortex water channel and an arc-compressing stabilization channel at the outlet of the plasma torch. This plasma torch has a complex structure, a complex unreliable system of automatic feeding of the rod electrode, as well as a large weight that makes it difficult to use it for manual cutting of metal, a great cost. During operation, the graphite rod electrode burns at a speed of 15-20 mm / min. As a result, during the operation of the plasma torch, frequent replacement of the rod electrode is required. The technical task to be solved is to ensure the operation of the arc plasma torch without moving the rod electrode, increasing its reliability, reducing weight and simplifying the design, reducing the cost, and reducing its ultraviolet radiation.

Решаемая техническая задача в дуговом плазмотроне, содержащем корпус, стержневой электрод и вывод для его подключения к источнику электропитания, электродную камеру, в которой размещен рабочий конец стержневого электрода, водяной канал, холодильную камеру, устройство подачи воды в холодильную камеру, устройство отвода воды из холодильной камеры, достигается тем, что стержневой электрод закреплен неподвижно, электродная камера соединена с устройством подачи в нее инертного или восстановительного газа и открыта в газовый канал, открытый, в свою очередь, в водяной канал, при этом стенка газового канала служит одновременно внутренней стенкой кольцевой полости и состоит из материала с высокой теплопроводностью, а кольцевая полость и электродная камера имеют общую стенку, состоящую из материала с высокой теплопроводностью, кольцевая полость соединена со смесительной камерой, смешивающей воду с веществом в виде порошка или жидкости, ослабляющим ультрафиолетовое излучение, соединенной, в свою очередь, с устройством подачи воды, кольцевая полость имеет кольцевую щель или отверстия, открывающие ее в водяной канал, холодильная камера охватывает часть длины стержневого электрода за пределами электродной камеры, имеет общую стенку с электродной камерой, состоящую из материала с высокой теплопроводностью, при этом холодильная камера, стержневой электрод, электродная камера, газовый канал, кольцевая полость и водяной канал соосны и скреплены между собой, а стержневой электрод и кольцевая полость, а также стержневой электрод и водяной канал гальванически изолированы друг от друга. Идеальной плазмообразующей средой, представляющей удачное и дешевое сочетание водорода с кислородом, является вода. При высоких температурах вода диссоциирует на водород и кислород. Заполнение электродной камеры инертным или восстановительным газом препятствует доступу кислорода к стержневому электроду, вследствие чего не происходит его окисления даже при высоких температурах. Например, при работе в инертной (аргон, гелий) или восстановительной (азот, водород) среде стержневой электрод из вольфрама при нагрузке 15...20 А/мм² практически не расходуется. Поток газа из электродной камеры, направленный от стержневого электрода, препятствует попаданию кислорода на стержневой электрод. При подаче в кольцевую полость воды, смешанной с веществом, ослабляющим ультрафиолетовое излучение (или без него), она заполняет кольцевую полость и через кольцевую щель или отверстия, открывающие кольцевую полость в водяной канал, создает поток в водяном канале, направленный также от стержневого электрода, что также препятствует поступлению на стержневой электрод кислорода. Поэтому в дуговом плазмотроне нет необходимости передвигать стержневой электрод во время работы дугового плазмотрона. Исключение автоматического устройства, передвигающего стержневой электрод, существенно повышает надежность, уменьшает вес и упрощает конструкцию и стоимость дугового плазмотрона. Поток воды в холодильной камере охлаждает стержневой электрод и стенку электродной камеры. Поток воды в кольцевой полости охлаждает стенку электродной камеры и стенку газового канала, а поток воды в водяном канале охлаждает стенку водяного канала. Поэтому нет необходимости в создании в плазмотроне дополнительных каналов для прокачки через них охлаждающей воды, что также уменьшает вес и упрощает конструкцию дугового плазмотрона. При добавлении в воду, подаваемую в кольцевой канал, вещества, поглощающего ультрафиолетовое излучение, уменьшается воздействие на окружающую среду и водяной канал ультрафиолетового излучения.The technical problem to be solved in an arc plasmatron containing a housing, a rod electrode and a terminal for connecting it to a power source, an electrode chamber in which the working end of the rod electrode, a water channel, a refrigerating chamber, a device for supplying water to a refrigerating chamber, a device for removing water from a refrigerating chamber chamber, achieved by the fact that the rod electrode is fixed motionless, the electrode chamber is connected to the inert or reducing gas supply device and open to the gas channel, open in turn, into the water channel, while the wall of the gas channel serves simultaneously as the inner wall of the annular cavity and consists of a material with high thermal conductivity, and the annular cavity and the electrode chamber have a common wall consisting of material with high thermal conductivity, the annular cavity is connected to the mixing chamber a chamber mixing water with a substance in the form of a powder or a liquid that attenuates ultraviolet radiation, which, in turn, is connected to a water supply device, the annular cavity has an annular gap or The holes opening it into the water channel, the refrigerating chamber covers part of the length of the rod electrode outside the electrode chamber, has a common wall with the electrode chamber, consisting of material with high thermal conductivity, while the refrigerating chamber, the rod electrode, the electrode chamber, the gas channel, the annular cavity and the water channel are coaxial and bonded to each other, and the rod electrode and the annular cavity, as well as the rod electrode and the water channel are galvanically isolated from each other. The ideal plasma-forming medium, representing a successful and cheap combination of hydrogen with oxygen, is water. At high temperatures, water dissociates into hydrogen and oxygen. Filling the electrode chamber with an inert or reducing gas prevents the access of oxygen to the rod electrode, as a result of which its oxidation does not occur even at high temperatures. For example, when working in an inert (argon, helium) or reducing (nitrogen, hydrogen) medium, a tungsten rod electrode with a load of 15 ... 20 A / mm ^{2 is} practically not consumed. The gas flow from the electrode chamber directed from the rod electrode prevents oxygen from entering the rod electrode. When water is mixed into the annular cavity mixed with a substance that attenuates ultraviolet radiation (or without it), it fills the annular cavity and, through the annular gap or openings opening the annular cavity into the water channel, creates a flow in the water channel, also directed from the rod electrode, which also prevents oxygen from entering the rod electrode. Therefore, in the arc plasmatron, there is no need to move the rod electrode during the operation of the arc plasmatron. The exception of the automatic device moving the rod electrode, significantly increases reliability, reduces weight and simplifies the design and cost of the arc plasma torch. The flow of water in the refrigerating chamber cools the rod electrode and the wall of the electrode chamber. The flow of water in the annular cavity cools the wall of the electrode chamber and the wall of the gas channel, and the flow of water in the water channel cools the wall of the water channel. Therefore, there is no need to create additional channels in the plasmatron for pumping cooling water through them, which also reduces weight and simplifies the design of the arc plasmatron. When a substance absorbing ultraviolet radiation is added to the water supplied to the annular channel, the effect on the environment and the water channel of ultraviolet radiation is reduced.

Предложенное техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", так как отличительные признаки позволяют получить "новые свойства" - работу дугового плазмотрона без передвижения стержневого электрода, повышение его надежности, уменьшение веса и упрощение конструкции, уменьшение стоимости, уменьшение ультрафиолетового излучения. The proposed technical solution meets the criterion of "inventive step", since the distinguishing features allow you to get "new properties" - the arc plasma torch without moving the rod electrode, increasing its reliability, reducing weight and simplifying the design, reducing cost, reducing ultraviolet radiation.

Из известных источников информации не обнаружены признаки, подобные введенным отличительным. From known sources of information not found signs similar to the introduced distinctive.

В качестве примера на чертеже изображен разрез дугового плазмотрона с вихревой подачей воды в кольцевую полость и в водяной канал. Плазмотрон содержит неподвижный стержневой электрод 1, электродную камеру 2 с тангенциальными отверстиями 3, газовый канал 4 со стенкой газового канала 5, кольцевую полость 6 с тангенциальными отверстиями 7, кольцевой щелью 8, водяной канал 9, холодильную камеру 10 с отверстием 11 для подвода воды, отверстием 12 для отвода воды. As an example, the drawing shows a section of an arc plasmatron with a vortex feed of water into the annular cavity and into the water channel. The plasma torch comprises a fixed rod electrode 1, an electrode chamber 2 with tangential openings 3, a gas channel 4 with a wall of the gas channel 5, an annular cavity 6 with tangential openings 7, an annular slot 8, a water channel 9, a cooling chamber 10 with an opening 11 for supplying water, hole 12 for draining water.

Стержневой электрод 1 гальванически соединен с выводом для подключения к источнику электропитания, тангенциальные отверстия 3 соединены со штуцером для подключения электродной камеры к источнику инертного или восстановительного газа, тангенциальные отверстия 7 соединены со штуцерами для подключения кольцевой полости 6 к устройству для подачи воды, смешанной с веществом, ослабляющим ультрафиолетовое излучение, стержневой электрод 1, электродная камера 2, газовый канал 4, кольцевая полость 6, водяной канал 9 укреплены соосно в корпусе плазмотрона. Вывод для подключения стержневого электрода 1 к источнику электропитания, все штуцеры, корпус дугового плазмотрона, источник электропитания, источники воды и смесительная камера на чертеже не показаны. The rod electrode 1 is galvanically connected to a terminal for connecting to a power source, tangential holes 3 are connected to a fitting for connecting an electrode chamber to an inert or reducing gas source, tangential holes 7 are connected to fittings for connecting an annular cavity 6 to a device for supplying water mixed with a substance attenuating ultraviolet radiation, the rod electrode 1, the electrode chamber 2, the gas channel 4, the annular cavity 6, the water channel 9 are mounted coaxially in the plasma housing otrona. The output for connecting the rod electrode 1 to a power source, all fittings, an arc plasma torch body, an electric power source, water sources and a mixing chamber are not shown in the drawing.

Рассмотрим дуговой плазмотрон в действии. Сначала подключают плазмотрон к источнику электропитания, к источнику инертного или восстановительного газа, к устройству для подачи воды, к смесительной камере и к устройству для отвода воды. Затем включают источник инертного или восстановительного газа и устройства для подачи и отвода воды. В электродной камере 2 и газовом канале 4 устанавливается вихревой поток инертного или восстановительного газа, так как он подводится в электродную камеру 2 через тангенциальные отверстия 3. В кольцевой полости 6 устанавливается вихревой поток воды, смешанной с веществом, ослабляющим ультрафиолетовое излучение, так как она подводится в кольцевую полость 6 через тангенциальные отверстия 7. Вихревой поток через кольцевую щель 8 поступает в водяной канал 9, в котором также устанавливается вихревой поток. В холодильной камере 10 устанавливается поток воды, охлаждающий стержневой электрод 1. Поток воды в холодильной камере 10 охлаждает также электродную камеру 9. Кроме того, электродная камера 2 охлаждается потоком воды в кольцевой полости 6, охлаждающим также стенку газового канала 5. Поток воды, выходящий из кольцевой полости 6, охлаждает водяной канал 9. Таким образом, обеспечивается охлаждение всех элементов конструкции плазмотрона, нагреваемых электрической дугой. После этого включают источник электропитания и любым известным способом зажигают дугу, которая стабилизируется и обжимается вихревым потоком газа и воды в газовом канале 4 и водяном канале 9. В связи с тем, что вихревой поток газа в газовом канале 4 и вихревой водяной поток в водяном канале 9 направлены от электрода, то кислород на стержневой электрод 1 не попадает. Поэтому электрод 1, выполненный из вольфрама, при работе дугового плазмотрона практически не сгорает. Вследствие этого нет необходимости перемещать рабочий конец стержневого электрода 1 в зону дуги и отпадает необходимость в устройстве для его автоматической подачи. Consider an arc plasmatron in action. First, the plasma torch is connected to a power source, to an inert or reducing gas source, to a device for supplying water, to a mixing chamber and to a device for draining water. Then include a source of inert or reducing gas and a device for supplying and discharging water. An inert or reducing gas vortex flow is established in the electrode chamber 2 and gas channel 4, since it is introduced into the electrode chamber 2 through tangential openings 3. In the annular cavity 6, a vortex flow of water mixed with a substance that attenuates ultraviolet radiation is installed, since it is supplied into the annular cavity 6 through tangential openings 7. The vortex flow through the annular gap 8 enters the water channel 9, in which the vortex flow is also established. In the refrigerating chamber 10, a water flow cooling the rod electrode 1 is established. The water flow in the refrigerating chamber 10 also cools the electrode chamber 9. In addition, the electrode chamber 2 is cooled by the water flow in the annular cavity 6, which also cools the wall of the gas channel 5. The water flow exiting from the annular cavity 6, cools the water channel 9. Thus, it provides cooling of all structural elements of the plasma torch, heated by an electric arc. After that, turn on the power source and in any known manner ignite the arc, which is stabilized and squeezed by a vortex gas and water stream in the gas channel 4 and water channel 9. Due to the fact that the vortex gas stream in the gas channel 4 and the vortex water stream in the water channel 9 are directed from the electrode, then oxygen does not enter the rod electrode 1. Therefore, the electrode 1, made of tungsten, during operation of the arc plasma torch practically does not burn. As a result of this, there is no need to move the working end of the rod electrode 1 to the arc zone and there is no need for a device for its automatic feeding.

Температура плазмы за пределами плазмотрона 20000...30000 К. Диаметр плазменной дуги на выходе плазмотрона можно легко регулировать диаметром вихревого водяного потока на выходе из водяного канала 9, при этом водяной канал 9 не сгорает, так как он интенсивно охлаждается потоком воды. Если вода содержит вещество, поглощающее ультрафиолетовое излучение, то нагрев стенок водяного канала 9 также уменьшается. Вследствие резкого упрощения конструкции дугового плазмотрона и тем самым уменьшения его массы возможно его использование не только в станках для обработки металла в условиях завода, но и для быстрой (до 600 м/ч) ручной резки металла при высоком качестве реза, что особенно важно для работы в полевых и прибрежных условиях, а также в условиях шельфа морей и океанов или даже в подводных условиях. The temperature of the plasma outside the plasma torch is 20,000 ... 30,000 K. The diameter of the plasma arc at the exit of the plasma torch can be easily controlled by the diameter of the vortex water stream at the outlet of the water channel 9, while the water channel 9 does not burn, since it is intensively cooled by the water stream. If water contains a substance that absorbs ultraviolet radiation, then the heating of the walls of the water channel 9 also decreases. Due to the sharp simplification of the design of the arc plasma torch and thereby reducing its mass, it can be used not only in metal processing machines in a factory, but also for fast (up to 600 m / h) manual cutting of metal with high quality cuts, which is especially important for work in field and coastal conditions, as well as in the conditions of the shelf of the seas and oceans or even underwater conditions.

Просим присвоить изобретению название "Дуговой плазмотрон Авдеевых". Please give the invention the name "Avdeev Arc Plasmatron".

Claims

Дуговой плазмотрон, содержащий корпус, стержневой электрод и вывод для его подключения к источнику электропитания, электродную камеру, в которой размещен рабочий конец стержневого электрода, водяной канал, холодильную камеру, устройство подачи воды в холодильную камеру, устройство отвода воды из холодильной камеры, отличающийся тем, что стержневой электрод закреплен неподвижно, электродная камера соединена с устройством подачи в нее инертного или восстановительного газа и открыта в газовый канал, открытый, в свою очередь, в водяной канал, при этом стенка газового канала служит одновременно внутренней стенкой кольцевой полости и состоит из материала с высокой теплопроводностью, а кольцевая полость и электродная камера имеют общую стенку, состоящую из материала с высокой теплопроводностью, кольцевая полость соединена со смесительной камерой, смешивающей воду с веществом в виде порошка или жидкости, ослабляющим ультрафиолетовое излучение, соединенной, в свою очередь, с устройством подачи воды, кольцевая полость имеет кольцевую щель или отверстия, открывающие ее в водяной канал, холодильная камера охватывает часть длины стержневого электрода за пределами электродной камеры, имеет общую стенку с электродной камерой, состоящую из материала с высокой теплопроводностью, при этом холодильная камера, стержневой электрод, электродная камера, газовый канал, кольцевая полость и водяной канал соосны и скреплены между собой, а стержневой электрод и кольцевая полость, а также стержневой электрод и водяной канал гальванически изолированы друг от друга. An arc plasmatron containing a housing, a rod electrode and a terminal for connecting it to a power source, an electrode chamber in which the working end of the rod electrode, a water channel, a refrigerating chamber, a device for supplying water to a refrigerating chamber, a device for draining water from a refrigerating chamber is located, characterized in that the rod electrode is fixed motionless, the electrode chamber is connected to the inert or reducing gas supply device and is open in the gas channel, which, in turn, is open in the water channel l, while the wall of the gas channel serves simultaneously as the inner wall of the annular cavity and consists of a material with high thermal conductivity, and the annular cavity and the electrode chamber have a common wall consisting of a material with high thermal conductivity, the annular cavity is connected to a mixing chamber that mixes water with the substance in in the form of a powder or liquid that attenuates ultraviolet radiation, which, in turn, is connected to a water supply device, the annular cavity has an annular gap or openings opening it into the dropsy Oh channel, the refrigeration chamber covers part of the length of the rod electrode outside the electrode chamber, has a common wall with the electrode chamber, consisting of a material with high thermal conductivity, while the refrigeration chamber, the rod electrode, the electrode chamber, gas channel, the annular cavity and the water channel are coaxial and bonded to each other, and the rod electrode and the annular cavity, as well as the rod electrode and the water channel, are galvanically isolated from each other.