RU2541349C1 - Highly-durable arc generator of low-temperature plasma protective nanostructured carbonaceous coating of electrodes - Google Patents
Highly-durable arc generator of low-temperature plasma protective nanostructured carbonaceous coating of electrodes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2541349C1 RU2541349C1 RU2013145664/07A RU2013145664A RU2541349C1 RU 2541349 C1 RU2541349 C1 RU 2541349C1 RU 2013145664/07 A RU2013145664/07 A RU 2013145664/07A RU 2013145664 A RU2013145664 A RU 2013145664A RU 2541349 C1 RU2541349 C1 RU 2541349C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- electrode
- channels
- plasma
- cavity
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области преобразования электрической энергии в тепловую посредством дугового разряда в генераторе низкотемпературной плазмы (плазмотроне) и может быть использовано в энергетике для розжига и подсветки пылеугольного факела в топочных устройствах, в металлургической и химической промышленности, например для получения ультрадисперсной сажи, которая является сырьем для получения наноструктурированного технического углерода.The invention relates to the field of conversion of electrical energy into thermal energy through an arc discharge in a low-temperature plasma generator (plasmatron) and can be used in the energy sector for igniting and illuminating a pulverized coal torch in furnace devices, in the metallurgical and chemical industries, for example, to produce ultrafine carbon black, which is a raw material to obtain nanostructured carbon black.
Применение плазмотронов в данных технологиях предъявляет к ним требование непрерывной и продолжительной работы. Наиболее теплонапряженным и подверженным разрушению элементом в плазмотронах является электрод. К материалам электродов как к деталям установок газоплазменной техники, находящихся в непосредственном контакте с плазмой, предъявляются жесткие требования по ресурсу работы. Используемые в настоящее время материалы, преимущественно из меди, не удовлетворяют этим требованиям по ресурсу работы.The use of plasmatrons in these technologies makes them demand continuous and continuous operation. The most heat-stressed and subject to destruction element in plasmatrons is an electrode. The materials of the electrodes as parts of gas-plasma technology installations that are in direct contact with plasma are subject to stringent requirements on the service life. Currently used materials, mainly from copper, do not meet these requirements for the resource of work.
Одним из перспективных способов увеличения ресурса работы плазмотронов является метод регенерации материала катода, т.е. осаждение ионов и атомов из прикатодной области дугового разряда, при подаче углеводородного газа в прикатодную область. В прикатодной области в процессе работы плазмотрона происходит термическое разложение углеводородного газа, диссоциация и частичная ионизация с выделением свободного углерода, который осаждается на поверхности электродов, что способствует повышению ресурса работы плазмотрона в целом.One of the promising ways to increase the life of plasmatrons is the method of regeneration of the cathode material, i.e. deposition of ions and atoms from the near-cathode region of the arc discharge, when hydrocarbon gas is supplied to the near-cathode region. In the near-cathode region, during the operation of the plasma torch, thermal decomposition of the hydrocarbon gas occurs, dissociation and partial ionization with the release of free carbon, which is deposited on the surface of the electrodes, which contributes to an increase in the life of the plasma torch as a whole.
Известен способ генерирования плазмы и плазмотрон, описанные в статье М.Г. Фридлянда «Дуговая горелка с самовосстанавливающимся катодом» [Ж. «Автоматическая сварка», 1980, №11, с. 60-62]. Плазмотрон содержит торцевой катод, у которого в торце запрессована графитовая вставка, анод, расположенный соосно с катодом, изолятор с кольцом закрутки, соединяющий катод и анод, патрубок для тангенциальной подачи плазмообразующего газа и системы охлаждения катода и анода. Недостатки описанной конструкции выражаются в следующем:A known method of generating plasma and a plasmatron described in the article M.G. Friedland “Arc torch with a self-healing cathode” [J. "Automatic welding", 1980, No. 11, p. 60-62]. The plasma torch contains an end cathode, in which a graphite insert is pressed into the end, an anode located coaxially with the cathode, an insulator with a twist ring connecting the cathode and the anode, a nozzle for tangential supply of plasma-forming gas, and a cathode and anode cooling system. The disadvantages of the described design are expressed in the following:
- графитовая вставка на катоде имеет ограниченные размеры 3·10-3 м2, что приводит к большой плотности теплового потока и соответственно перегреву и разрушению вставки. Ресурс катода и анода ограничен 100 часами;- the graphite insert on the cathode has limited dimensions of 3 · 10 -3 m 2 , which leads to a high heat flux density and, accordingly, overheating and destruction of the insert. The resource of the cathode and anode is limited to 100 hours;
- большой расход углеродосодержащего плазмообразующего газа экономически невыгоден.- a large consumption of carbon-containing plasma-forming gas is economically disadvantageous.
Известен способ генерирования плазмы и плазмотрон [Предварительный патент Казахстана А(11) №8464, МПК H05H 1/24, H05B 7/18, бюл. №1, 14.01.2000], содержащий наружный электрод и изолированный от него, соосно расположенный с ним, внутренний электрод, каждый из которых размещен в своей индукционной катушке, с вихревой камерой подачи плазмообразующего газа между электродами. В полости внутреннего электрода в его донной части закреплена вставка из графита. Вставка во внутреннем электроде расположена так, что образует полость между донной частью электрода и торцевой поверхностью вставки. Полость соединена с резервуаром, содержащим углеводороды метанового ряда. Выходная часть дугового канала наружного электрода соединена с резервуаром, содержащим углеводороды метанового ряда. Входная и выходная части дугового канала наружного электрода выполнены в виде конфузора и диффузора, соответственно.A known method of generating plasma and a plasmatron [Preliminary patent of Kazakhstan A (11) No. 8464, IPC
В указанном плазмотроне плазмообразующим газом является воздух, подается тангенциально между внутренним и наружным электродами. В плазмотроне углеводороды метанового ряда подаются по винтовым каналам, выполненным в виде многозаходной резьбы на цилиндрической графитовой вставке в при катодную область и дополнительно подаются в зону привязки дуги на наружном электроде, что позволяет уменьшить расход углеводородов метанового ряда на 1-2 порядка.In the indicated plasmatron, the plasma-forming gas is air, which is fed tangentially between the inner and outer electrodes. In the plasmatron, methane hydrocarbons are fed through helical channels made in the form of multiple threads on a cylindrical graphite insert into the cathode region and are additionally fed into the arc attachment zone on the external electrode, which allows reducing the methane hydrocarbons consumption by 1-2 orders of magnitude.
Также в указанном плазмотроне можно получить композитный углеродный материал, построенный из нанокластеров углерода, получаемый в виде приэлектродного депозита на внутренних полостях электродов и на торцевой поверхности графитовой вставки, который осуществляется путем подачи и пиролиза пропан-бутановой смеси без использования благородных газов (гелий, аргон и т.д.) в условиях высокоточного разряда с магнитной фокусировкой приэлектродных областей электрической дуги, что способствует защите от износа внутренней поверхности электродов. Однако малые расходы углеводородов метанового ряда, по сравнению с количеством вводимого плазмообразующего газа, не позволяют рассматривать этот способ как экономичный способ получения композиционного углеродного материала в количествах, пригодных для коммерческих целей.Also, in the indicated plasmatron, it is possible to obtain a composite carbon material constructed from carbon nanoclusters, obtained in the form of an electrode deposit on the internal cavities of the electrodes and on the end surface of the graphite insert, which is carried out by feeding and pyrolyzing the propane-butane mixture without using noble gases (helium, argon and etc.) under conditions of a high-precision discharge with magnetic focusing of the near-electrode regions of the electric arc, which contributes to protection against wear of the inner surface of the electrode at. However, the low consumption of methane hydrocarbons, compared with the amount of introduced plasma-forming gas, does not allow us to consider this method as an economical way to obtain composite carbon material in quantities suitable for commercial purposes.
Плазмотрон имеет следующие недостатки:The plasma torch has the following disadvantages:
- затруднена равномерная подача углеводородного газа в пристеночную область между графитовой вставкой и внутренним электродом;- it is difficult to uniformly supply hydrocarbon gas to the wall region between the graphite insert and the inner electrode;
- неравномерность истекания углеводородов или увеличение их расхода во внутреннем электроде приводит к образованию сгустков сажи и выбрасыванию их наружу, что в некоторых случаях приводит к короткому замыканию между электродами в области вихревой камеры и погасанию дуги.- uneven flow of hydrocarbons or an increase in their flow rate in the internal electrode leads to the formation of soot clots and tossing them out, which in some cases leads to a short circuit between the electrodes in the vortex chamber region and the extinction of the arc.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству является устройство [патент Республики Казахстан В(11) №23797, бюл. №3 15.03.2011, МПК H05H 1/24, H05B 7/18, C10J 3/18].The closest in technical essence of the claimed device is a device [patent of the Republic of Kazakhstan In (11) No. 23797, bull. No. 3 03/15/2011, IPC
Однофазный плазмотрон содержит внутренний и наружный соосно расположенные электроды, каждый из которых размещен в своей индукционной катушке, а между электродами имеется вихревая камера подачи плазмообразующего газа.A single-phase plasmatron contains coaxially located inner and outer electrodes, each of which is placed in its own induction coil, and there is a vortex chamber of plasma-forming gas supply between the electrodes.
Электрическая дуга привязывается к графитовой вставке, запрессованной во внутренний электрод к внутренней поверхности наружного электрода.An electric arc is attached to a graphite insert pressed into the inner electrode to the inner surface of the outer electrode.
На цилиндрической образующей графитовой вставки выполнены винтовые каналы в виде многозаходной резьбы, по которым в прикатодную область подаются газообразные углеводороды.On the cylindrical generatrix of the graphite insert, helical channels are made in the form of multiple threads, through which gaseous hydrocarbons are supplied to the cathode region.
Во внутренний электрод углеводороды подают с расходом на два-три порядка меньшим расхода плазмообразующего газа в количестве, необходимом только для регенерации торцевой поверхности графитовой вставки внутреннего электрода, а подачу газообразных углеводородов в пристеночную область наружного электрода для получения наноструктурированного технического углерода можно осуществлять с расходом, сопоставимым с расходом плазмообразующего газа.Hydrocarbons are supplied to the internal electrode at a rate two to three orders of magnitude lower than the consumption of plasma-forming gas in an amount necessary only for the regeneration of the end surface of the graphite insert of the inner electrode, and the supply of gaseous hydrocarbons to the wall region of the outer electrode to produce nanostructured carbon black can be carried out at a rate comparable to with the consumption of plasma-forming gas.
Недостатком этого устройства является то, что винтовые каналы, выточенные в виде многозаходной резьбы для подачи углеводородов прикатодную область, забиваются графитовой пылью, что затрудняет равномерную подачу углеводородного газа в прикатодную область и не позволяет обеспечить достаточное количество углеводородного газа для создания защитной атмосферы электрода.The disadvantage of this device is that the screw channels, carved in the form of multiple threads for supplying hydrocarbons to the cathode region, become clogged with graphite dust, which makes it difficult to uniformly supply hydrocarbon gas to the cathode region and does not allow providing a sufficient amount of hydrocarbon gas to create a protective atmosphere for the electrode.
В устройстве также отсутствует диафрагма для удержания защитной атмосферы (углеводородного газа) и предотвращения воздействия кислорода на катод в прикатодной области и является причиной недостаточной защиты углеродной вставки от эрозии.The device also lacks a diaphragm to hold the protective atmosphere (hydrocarbon gas) and prevent the influence of oxygen on the cathode in the cathode region and is the reason for the insufficient protection of the carbon insert from erosion.
Задачей заявляемого изобретения является равномерная подача углеводородного газа и удержание защитной углеводородной атмосферы для катода и предотвращения поступления кислорода в прикатодную область, что позволяет повысить надежность работы электродугового генератора низкотемпературной плазмы.The objective of the invention is the uniform supply of hydrocarbon gas and the retention of a protective hydrocarbon atmosphere for the cathode and to prevent oxygen from entering the cathode region, which improves the reliability of the low-temperature plasma electric arc generator.
Поставленная задача решается тремя ниже приведенными вариантами конструкции генератора низкотемпературной плазмы.The problem is solved by the three following design options for a low-temperature plasma generator.
Во всех вариантах высокоресурсный электродуговой генератор низкотемпературной плазмы содержит наружный медный электрод и изолированный от него, соосно расположенный с ним внутренний медный электрод-катододержатель, каждый из которых размещен в своей индукционной катушке, а между электродами имеется вихревая камера подачи плазмообразующего газа между электродами. Внутренний электрод-катододержатель выполнен полым. Труба подачи газообразных углеводородов, расположенная по оси внутреннего электрода-катододержателя изготовлена из меди, и изолирована как от внутреннего электрода-катододержателя, так и от его корпуса, причем к одному из концов трубы подсоединена клемма токоподвода, а ко второму - индукционная катушка, которая, в свою очередь, соединена вторым выходом с электродом-катододержателем.In all cases, the high-resource low-temperature plasma arc generator contains an external copper electrode and an internal copper electrode-cathode holder, coaxially located with it, each located in its own induction coil, and there is a vortex chamber for supplying plasma-forming gas between the electrodes between the electrodes. The inner electrode-cathode holder is made hollow. The gaseous hydrocarbon supply pipe, located along the axis of the internal cathode-holder electrode, is made of copper and is isolated from both the internal cathode-holder electrode and its body, with a current supply terminal connected to one end of the pipe and an induction coil to the other, which in turn, connected to the second output with an electrode-cathode holder.
Между двумя электродами расположен третий кольцевой пусковой электрод, делящий вихревую камеру подачи плазмообразующего газа на две неравные части так, что зазор между наружным и пусковым электродами, больше, чем между пусковым и внутренним электродом.Between the two electrodes is located the third annular starting electrode, dividing the vortex chamber of plasma-forming gas into two unequal parts so that the gap between the outer and starting electrodes is greater than between the starting and inner electrodes.
Индукционные катушки, распложенные вокруг электродов, включены последовательно в цепь тока дуги. Индукционная катушка, охватывающая выходной электрод, выполнена распределенной по длине электрода и в средней части имеет клемму токоподвода от одного из полюсов источника питания плазмотрона, а оба конечных вывода катушки соединены с наружным электродом.Induction coils located around the electrodes are connected in series in the arc current circuit. The induction coil covering the output electrode is distributed along the length of the electrode and in the middle part has a current supply terminal from one of the poles of the plasma torch power supply, and both end terminals of the coil are connected to the external electrode.
Наружный электрод изолирован от корпуса плазмотрона. Входная часть дугового канала наружного электрода выполнена в форме конфузора, а выходная - в форме диффузора, причем в широкой части конфузора выполнена ступенчатая канавка. Длина диффузора к длине конфузора выполнена в соотношении 2,5÷4. Дуговой канал наружного электрода через выходные каналы и кольцевую полость также соединен с резервуаром углеводородов метанового ряда. Каналы для ввода углеводородов метанового ряда из кольцевой полости в пристеночную область наружного электрода расположены в начале диффузора в узкой его части.The outer electrode is isolated from the plasma torch body. The input part of the arc channel of the outer electrode is made in the form of a confuser, and the output is in the form of a diffuser, and a stepped groove is made in the wide part of the confuser. The length of the diffuser to the length of the confuser is made in the ratio of 2.5 ÷ 4. The arc channel of the outer electrode is also connected through the output channels and the annular cavity to the methane hydrocarbon reservoir. Channels for introducing methane hydrocarbons from the annular cavity into the parietal region of the outer electrode are located at the beginning of the diffuser in its narrow part.
В вихревой камере имеется два патрубка для ввода рабочего тела: один патрубок для подвода плазмообразующего газа, например воздуха или азота, а второй дополнительный - для подвода пара или другого рабочего тела. Так, например, подача пара способствует повышению энтальпии плазмообразующего газа за счет выделяющегося водорода при диссоциации молекул воды.The vortex chamber has two nozzles for introducing a working fluid: one nozzle for supplying a plasma-forming gas, such as air or nitrogen, and a second additional nozzle for supplying steam or another working fluid. So, for example, the supply of steam helps to increase the enthalpy of the plasma-forming gas due to the liberated hydrogen during the dissociation of water molecules.
В первом варианте устройства высокоресурсного электродугового генератора низкотемпературной плазмы (Вариант 1) в полом внутреннем электроде-катододержателе закреплена графитовая вставка. Графитовая вставка размещается по оси полого внутреннего электрода-катододержателя так, что образует полость между донной частью внутреннего электрода-катододержателя и торцевой частью графитовой вставки. В образованную полость поступают газообразные углеводороды метанового ряда через трубу, расположенную по оси внутреннего электрода. Графитовая вставка выполнена в виде цилиндра.In the first embodiment of the device, a high-resource electric arc generator of low-temperature plasma (Option 1), a graphite insert is fixed in the hollow internal electrode-cathode holder. The graphite insert is placed along the axis of the hollow inner electrode-cathode holder so that it forms a cavity between the bottom of the inner electrode-cathode holder and the end part of the graphite insert. Gaseous hydrocarbons of the methane series enter the formed cavity through a pipe located along the axis of the internal electrode. The graphite insert is made in the form of a cylinder.
Отличительным признаком плазмотрона является то, что каналы для подачи углеводородного газа в прикатодную область, в виде винтовой многозаходной резьбы с широким шагом, выточены на выступах внутреннего электрода-катододержателя во внутренней полости данного электрода.A distinctive feature of the plasma torch is that the channels for supplying hydrocarbon gas to the cathode region, in the form of a wide multi-thread helical thread, are machined on the protrusions of the inner cathode-holder electrode in the inner cavity of this electrode.
Во втором варианте устройства высокоресурсного электродугового генератора низкотемпературной плазмы (Вариант 2) в полом внутреннем электроде-катододержателе закреплена графитовая вставка. Графитовая вставка размещается по оси полого внутреннего электрода-катододержателя так, что образует полость между донной частью внутреннего электрода-катододержателя и торцевой поверхностью графитовой вставки. В образованную полость поступают газообразные углеводороды метанового ряда через трубу, расположенную по оси внутреннего электрода. Графитовая вставка выполнена в виде цилиндра. Внутренняя часть наружного электрода изготовлена из графитового материала, который запрессован в медном наружном электроде.In the second embodiment of the device, a high-resource electric arc generator of low-temperature plasma (Option 2), a graphite insert is fixed in the hollow internal electrode-cathode holder. The graphite insert is placed along the axis of the hollow inner electrode-cathode holder so that it forms a cavity between the bottom of the inner electrode-cathode holder and the end surface of the graphite insert. Gaseous hydrocarbons of the methane series enter the formed cavity through a pipe located along the axis of the internal electrode. The graphite insert is made in the form of a cylinder. The inner part of the outer electrode is made of graphite material, which is pressed into the copper outer electrode.
Отличительными признаками плазмотрона является то, что каналы для подачи углеводородного газа в прикатодную область напрямую выточены в теле внутреннего электрода-катододержателя и подводятся к вихревой камере, расположенной в сопле. Медное сопло имеет форму конфузора, закреплено на резьбе на внутреннем электроде-катододержателе. Форма сопла в виде конфузора позволяет удерживать углеводородную защитную атмосферу в прикатодной области дугового разряда.Distinctive features of the plasma torch is that the channels for supplying hydrocarbon gas to the cathode region are directly machined in the body of the internal electrode-cathode holder and are fed to the vortex chamber located in the nozzle. The copper nozzle has the shape of a confuser, mounted on a thread on the inner cathode-holder electrode. The shape of the nozzle in the form of a confuser allows you to keep the hydrocarbon protective atmosphere in the cathode region of the arc discharge.
В третьем варианте устройства высокоресурсного электродугового генератора низкотемпературной плазмы (Вариант 3) в полом внутреннем электроде-катододержателе закреплена согласно изобретению медная обойма с запрессованным наноструктурированным углеродным материалом, что является отличительным признаком плазмотрона. Медная обойма для наноструктурированного углеродного материала размещается по оси полого внутреннего электрода-катододержателя так, что образует полость между донной частью внутреннего электрода-катододержателя и торцевой поверхностью медной обоймы. В образованную полость поступают газообразные углеводороды метанового ряда через трубу, расположенную по оси внутреннего электрода. Медная обойма выполнена в виде полого донного цилиндра и крепится во внутреннем медном электроде-катододержателе с помощью крепежной винтовой резьбы. Также плазмотрон отличает то, что каналы для подачи углеводородного газа в прикатодную область, выполненные в виде винтовой многозаходной резьбы с широким шагом, выточены поверх крепежной винтовой резьбы на медной обойме для запрессованного наноструктурированного углеродного материала.In the third embodiment of the device, a high-resource low-temperature plasma arc generator (Option 3), a copper casing with a pressed nanostructured carbon material is fixed in the hollow inner electrode-cathode holder, which is a hallmark of the plasma torch. The copper holder for the nanostructured carbon material is placed along the axis of the hollow inner electrode-cathode holder so that it forms a cavity between the bottom of the inner electrode-cathode holder and the end surface of the copper holder. Gaseous hydrocarbons of the methane series enter the formed cavity through a pipe located along the axis of the internal electrode. The copper holder is made in the form of a hollow bottom cylinder and is mounted in the inner copper electrode-cathode holder using a fixing screw thread. Also, the plasma torch is distinguished by the fact that the channels for supplying hydrocarbon gas to the near-cathode region, made in the form of a multi-start screw thread with a wide pitch, are machined on top of a screw thread on a copper holder for a pressed nanostructured carbon material.
Согласно изобретению во всех вариантах количество каналов, обеспечивающих подачу углеводородного газа в прикатодную область, должно быть не менее четырех, расположены они должны быть равномерно по окружности; суммарная площадь проходных сечений каналов должна обеспечить скорость истечения газа порядка 0,3-0,5 от скорости звука при заданном полном давлении и температуре подаваемого газа.According to the invention, in all variants, the number of channels providing the supply of hydrocarbon gas to the cathode region should be at least four, they should be located uniformly around the circumference; the total area of the passage sections of the channels should provide a gas flow rate of the order of 0.3-0.5 of the speed of sound at a given full pressure and temperature of the supplied gas.
Вышеприведенные отличительные признаки усиливают надежность работы электродугового генератора низкотемпературной плазмы и приводят к достижению технического результата.The above distinguishing features enhance the reliability of the electric arc generator of low-temperature plasma and lead to the achievement of a technical result.
Техническим результатом изобретения является повышение ресурса работы электрода за счет устойчивого формирования защитного углеродного наноструктурированного слоя.The technical result of the invention is to increase the life of the electrode due to the stable formation of a protective carbon nanostructured layer.
На Фиг.1 представлен схематично в разрезе вид устройства высокоресурсного электродугового плазмотрона в варианте 1 внутренний электрод-катододержатель, которого имеет выступ с нанесенными винтовыми каналами для подачи углеводородного газа, выточенными в виде многозаходной резьбы. На Фиг.2. представлен разрез А-А на Фиг.1. На Фиг.3 в разрезе представлен вид устройства высокоресурсного электродугового плазмотрона в варианте 2 полый внутренний электрод-катододержатель, которого имеет каналы подвода углеводородного газа, выточенные в теле внутреннего электрода-катододержателя и подведенные напрямую к вихревой камере сопла на внутреннем электроде-катододержателе. На Фиг.4. в разрезе представлен вид устройства высокоресурсного электродугового плазмотрона в варианте 3, с закрепленной на резьбе в полости внутреннего электрода-катододержателя медной обоймой, в которую запрессован углеродный наноструктурированный материал, на внешней поверхности которой выточены винтовые каналы для подачи углеводородного газа. На Фиг.5. представлена медная обойма, в которую запрессовывается углеродный наноструктурированный материал.Figure 1 shows a schematic sectional view of a device of a high-resource electric arc plasma torch in
Электродуговой генератор плазмы содержит полый медный внутренний электрод-катододержатель 1, размещенный внутри индукционной катушки 2 (Фиг.1, 3, 4). В вариантах 1, 2 (Фиг.1, 3). Во внутренний электрод-катододержатель впрессована цилиндрическая графитовая вставка 15. В варианте 3 во внутреннем электроде-катодержателе закреплена на резьбе медная обойма 15, в которую запрессован углеродный наноструктурированный материал 17 (Фиг.4). Во внутренний электрод-катододержатель 1 через изолятор вставлена труба 3 для подачи углеводородов метанового ряда с расходом G1 в полость 4, образованную торцом графитовой вставки 15 в вариантах 1, 2 (Фиг.1, 3), торцом медной обоймы 15 в варианте 3 (Фиг.4) и донной частью внутреннего электрода-катододержателя 1. В варианте 1 каналы подачи углеводородного газа 16 в прикатодную область (на Фиг.1 не показаны) выточены в виде многозаходной винтовой резьбы на выступах 17 внутреннего электрода-катододержателя (Фиг.2). В варианте 2 каналы подачи углеводородного газа 16 через тело внутреннего электрода-катододержателя 1 напрямую подводятся к вихревой камере 17 сопла 18, которое крепится на резьбе 19 в теле внутреннего электрода-катододержателя 1 (Фиг.3). В варианте 3 каналы 16 для подачи углеводородного газа в прикатодную область выточены в виде многозаходной винтовой резьбы на медную обойму 15 (на Фиг.4). Как показано на Фиг.1, 2, 3 медная труба 3 выполняет также роль токоподвода. Для этого труба соединена с одной из клемм источника электропитания и одним из выводов индукционной катушки 2. Второй вывод катушки 2 соединен непосредственно с внутренним электродом-катододержателем 1. Внутренний электрод-катододержатель расположен в водоохлаждаемом корпусе 5 (подвод воды не показан), который электрически изолирован как от внутреннего электрода-катододержателя 1, так и от медной трубы 3. Между внутренним электродом-катододержателем 1 и наружным электродом 6 расположена вихревая камера 9 с патрубком подачи плазмообразующего газа (патрубок на Фиг.1, 3, 4 не показан), с расходом G2 и расположен дополнительный кольцевой пусковой электрод 12. Наружный электрод 6 охватывает индукционная катушка 7, оба вывода индукционной катушки 7 подключены к наружному электроду 6, а к клемме источника питания катушка 7 подключена через дополнительную клемму подвода 13 в средней ее части. Наружный электрод 6 и индукционная катушка 7 размещены в водоохлаждаемом корпусе 8 (ввод и вывод воды не показаны) и изолированы от него. Входная часть дугового канала, формируемого электродом 6, выполнена в виде конфузора, а выходная часть выполнена в виде диффузора при отношении длины выходной части к входной, равном 2,5÷4. В широкой части наружного электрода 6 имеется ступенчатая канавка 14, и имеется кольцевая полость 10, в которую осуществляется подача углеводородов метанового ряда. Кольцевая полость 10 имеет выходные каналы 11, расположенные в начале диффузора выходного электрода 6.The plasma arc generator contains a hollow copper inner electrode-
Устройство работает следующим образом. Внутренний электрод-катододержатель 1 является катодом, а наружный электрод 6 является анодом. Плазмотрон подключают к управляемому тиристорному источнику питания. В цепь электродов включены индукционные катушки 2 и 7. В корпус 5 внутреннего электрода-катододержателя 1 подают охлаждающую воду. Плазмообразующий газ, например, воздух подают тангенциально через вихревую камеру 9 с расходом G2. Углеводороды метанового ряда с расходом G1 подаются в прикатодную область через медную трубу 3 в полость катода 4 и далее в варианте 1 через винтовые каналы 16 на выступах 17 внутреннего электрода-катододержателя 1 (Фиг.1, Фиг.2); в варианте 2 через прямые каналы 16 и далее тангенциально через вихревую камеру 17 в сопле 18 (Фиг.3); в варианте 3 через винтовые каналы 16 на медной обойме 15 (Фиг.4, 5). Для удержания углеводородной атмосферы в прикатодной области сопло 18 (Фиг.3). выполнено в виде конфузора. В пристеночную область диффузора наружного электрода 6 в его узкой части через кольцевую полость 10 и выходные каналы 11 также подают газообразные углеводороды с расходом G3. При этом выдерживают соотношение величины расходов углеводородов G1 и G3, на два-три порядка меньшим, чем расход плазмообразующего газа G2. Запуск плазмотрона осуществляется по пусковой цепи - медная труба 3, индукционная катушка 2, электрод-катододержатель 1, ограничивающее пусковой ток балластное сопротивление Rбал, контактор, осциллятор, индукционная катушка 7 и наружный электрод 6, или на дополнительный кольцевой пусковой электрод 12. В начальный момент времени дуга зажигается на боковой медной стенке полости электрода-катододержателя 1, а затем переходит на графитовую вставку 15 в вариантах 1, 2 (Фиг.1, Фиг.2, Фиг.3), в варианте 3 (Фиг.4) на запрессованный в медную обойму 15 наноструктурированный углеродный материал 17. Такой переход обусловлен началом процессов диссоциации молекул пропан-бутана и ионизации атомов углерода. Возникшие в результате ионизации, положительные ионы углерода под действием прикатодного падения потенциала осаждаются в вариантах 1, 2 на поверхность графитовой вставки 15 (Фиг.1, Фиг.3), в варианте 3 на запрессованный наноструктурированный углеродный материал 17 (Фиг.4, Фиг.5), формируя пироуглеродный слой, содержащий наноструктурированный углерод. Толщина слоя зависит от соотношения расхода пропан-бутана и величины тока дуги, и в меньшей степени от расхода плазмообразующего газа. Наличие полости 4 между графитовой вставкой 15 и торцом электрода-катододержателя 1 и наличие каналов 16 (Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4), позволяет обеспечить равномерную подачу газообразных углеводородов в пристеночную область электрода-катододержателя 1 и исключить образование сгустков сажи, влияющих на устойчивость горения электрической дуги. Включение индукционных катушек 2 и 7 последовательно в цепь электродов 1, 6, а следовательно и в цепь электрической дуги также повышает устойчивость горения дуги. Причем, направление витков индукционных катушек 2 и 7 выбрано таким образом, что электромагнитные силы, действующие на приэлектродные участки электрической дуги, сонаправлены с вихрем плазмообразующего газа, истекающего из вихревой камеры 9.The device operates as follows. The inner electrode-
Подача газообразных углеводородов с расходом G1 в полость внутреннего электрода 6 может осуществляется через медную трубу 3, изолированную как от внутреннего электрода-катододержателя 1, так и от корпуса 5. Медная труба 3 выполняет также роль токоподвода к внутреннему электроду 1 через индукционную катушку 2. Это упрощает конструкцию узла внутреннего электрода и обеспечивает отсутствие электрического потенциала на его корпусе.The supply of gaseous hydrocarbons with a flow rate of G 1 into the cavity of the inner electrode 6 can be carried out through a
Наличие третьего дополнительного кольцевого электрода 12 позволяет уменьшить расстояние пробоя во время пуска плазмотрона осциллятором и снизить его напряжение, что ведет к повышению надежности работы всей цепи источника питания.The presence of the third
В некоторых случаях необходимо дополнительно турбулизировать часть дугового столба, находящегося в диффузоре выходного электрода 6, что способствует более интенсивному теплообмену в канале выходного электрода и препятствует выносу пятен привязки дуги на торец выходного электрода 6, исключает повреждение изоляции и нарушение герметичности между выходным электродом 6 и его корпусом 8. Дополнительная турбулизация электрической дуги осуществляется тем, что индукционная катушка 7, охватывающая выходной электрод, выполнена распределенной по длине электрода и в средней ее части имеет клемму токоподвода 13 от одного из полюсов источника питания плазмотрона, причем витки индукционной катушки имеют такое направление намотки, что первая часть витков создает магнитное поле такого направления, что электромагнитная сила воздействует на ток части электродугового столба в направлении, сопутном с направлением поступления плазмообразующего газа в вихревой камере, а вторая часть витков, расположенная в сторону выхода плазмы, воздействует на ток части электродугового столба в обратном направлении. Дополнительной турбулизации дуги также способствует ступенчатая канавка 14, выполненная в широкой части конфузора наружного электрода 6.In some cases, it is necessary to additionally turbulize the part of the arc column located in the diffuser of the output electrode 6, which contributes to more intense heat transfer in the channel of the output electrode and prevents the removal of arc binding spots to the end of the output electrode 6, eliminates insulation damage and leakage between the output electrode 6 and its
Для проведения термохимических реакций, например получения сажи, содержащей наноуглеродные структуры, путем пиролиза углеводородов, требуется определенное время пребывания реагентов в высокотемпературной зоне. С этой целью отношение длины диффузора к длине конфузора выбрано равным 2,5÷4, а система каналов 11 ввода углеводородов метанового ряда для наружного электрода 6 расположена в начале диффузора в узкой его части.To conduct thermochemical reactions, for example, to obtain soot containing nanocarbon structures by pyrolysis of hydrocarbons, a certain residence time of the reagents in the high-temperature zone is required. For this purpose, the ratio of the length of the diffuser to the length of the confuser is chosen equal to 2.5 ÷ 4, and the system of
Чтобы обеспечить универсальность работы с различными газообразными реагентами в вихревой камере выполнено два патрубка ввода рабочего тела: один для подвода плазмообразующего газа, например воздуха, а второй для подвода пара, азота или другого рабочего тела.To ensure universality of work with various gaseous reagents in the vortex chamber, two nozzles for introducing a working fluid are made: one for supplying a plasma-forming gas, for example air, and the second for supplying steam, nitrogen, or another working fluid.
Для обеспечения безопасности обслуживания плазмотрона наружный электрод 6 изолирован от корпуса 8.To ensure the safety of servicing the plasma torch, the outer electrode 6 is isolated from the
Качество и характеристики структуры углерода, получаемого в виде содержащей углеродные наноструктуры сажи путем пиролиза газообразных углеводородов зависят как от материала электрода, внутри которого ведется нагрев, так и от его полярности, поэтому во втором варианте плазмотрона предусмотрена возможность изготовления внутренней части выходного электрода 6 в зоне привязки дуги из графитового материала, запрессованного в медную водоохлаждаемую обойму тела выходного электрода. Также плазмотрон может быть подключен к источнику электропитания в обратной полярности, то есть внутренний электрод со вставкой подключен к положительному полюсу источника, а наружный к отрицательному полюсу.The quality and characteristics of the carbon structure obtained in the form of soot containing carbon nanostructures by pyrolysis of gaseous hydrocarbons depend both on the electrode material inside which is heated and on its polarity, therefore, in the second version of the plasma torch, it is possible to manufacture the inner part of the output electrode 6 in the binding zone arcs made of graphite material pressed into a copper water-cooled holder of the body of the output electrode. Also, the plasma torch can be connected to a power source in reverse polarity, that is, the inner electrode with the insert is connected to the positive pole of the source, and the outer to the negative pole.
В процессе работы плазмотрона происходит термическое разложение углеводородов метанового ряда, диссоциация и частичная ионизация свободного углерода, который осаждается на поверхностях электродов и способствует повышению ресурса работы. Плазмотрон служит как генератор плазмы с высоким ресурсом работы, и его с помощью получают сажу, в том числе содержащую углеродные наночешуйки, нанотрубки, наностержни и нановолокна как товарный продукт.During the operation of the plasma torch, thermal decomposition of methane hydrocarbons occurs, dissociation and partial ionization of free carbon, which is deposited on the surfaces of the electrodes and helps to increase the service life. The plasma torch serves as a plasma generator with a high service life, and soot is obtained using it, including carbon nanoscales, nanotubes, nanorods and nanofibers as a commercial product.
Использование заявляемого изобретения позволяет увеличить ресурс работы электродов до значений, сопоставимых с требуемыми значениями для технологий розжига и подсветки пылеугольного факела в топочных устройствах, металлургической и химической промышленности.The use of the claimed invention allows to increase the service life of the electrodes to values comparable with the required values for the technologies of ignition and illumination of the pulverized coal torch in furnace devices, metallurgical and chemical industries.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013145664/07A RU2541349C1 (en) | 2013-10-11 | 2013-10-11 | Highly-durable arc generator of low-temperature plasma protective nanostructured carbonaceous coating of electrodes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013145664/07A RU2541349C1 (en) | 2013-10-11 | 2013-10-11 | Highly-durable arc generator of low-temperature plasma protective nanostructured carbonaceous coating of electrodes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2541349C1 true RU2541349C1 (en) | 2015-02-10 |
Family
ID=53287149
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013145664/07A RU2541349C1 (en) | 2013-10-11 | 2013-10-11 | Highly-durable arc generator of low-temperature plasma protective nanostructured carbonaceous coating of electrodes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2541349C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117769103A (en) * | 2024-01-05 | 2024-03-26 | 盐城工学院 | Direct current plasma torch for chemistry |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU13079U1 (en) * | 1999-08-24 | 2000-03-20 | Открытое акционерное общество "ГАЗ" | PULSE ACTION HYDRAULIC DISPENSER |
| US6213049B1 (en) * | 1997-06-26 | 2001-04-10 | General Electric Company | Nozzle-injector for arc plasma deposition apparatus |
| RU2254395C1 (en) * | 2003-11-11 | 2005-06-20 | Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М.Ф. Решетнева | Electric-arc plasmatron for processing materials |
| RU2276840C2 (en) * | 2004-07-07 | 2006-05-20 | Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М.Ф. Решетнева | Electric-arc plasmatron |
| WO2012031338A1 (en) * | 2010-09-08 | 2012-03-15 | Ecoplasma B.V.B.A. | Method and apparatus for generating a fuel |
-
2013
- 2013-10-11 RU RU2013145664/07A patent/RU2541349C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6213049B1 (en) * | 1997-06-26 | 2001-04-10 | General Electric Company | Nozzle-injector for arc plasma deposition apparatus |
| RU13079U1 (en) * | 1999-08-24 | 2000-03-20 | Открытое акционерное общество "ГАЗ" | PULSE ACTION HYDRAULIC DISPENSER |
| RU2254395C1 (en) * | 2003-11-11 | 2005-06-20 | Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М.Ф. Решетнева | Electric-arc plasmatron for processing materials |
| RU2276840C2 (en) * | 2004-07-07 | 2006-05-20 | Сибирский государственный аэрокосмический университет им. академика М.Ф. Решетнева | Electric-arc plasmatron |
| WO2012031338A1 (en) * | 2010-09-08 | 2012-03-15 | Ecoplasma B.V.B.A. | Method and apparatus for generating a fuel |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117769103A (en) * | 2024-01-05 | 2024-03-26 | 盐城工学院 | Direct current plasma torch for chemistry |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2954251T3 (en) | Plasma torch with graphite electrodes | |
| CN103493601B (en) | Plasma torch | |
| CN110677971B (en) | Thermal plasma torch generator | |
| JP2012522888A (en) | Method and beam generator for generating a constrained plasma beam | |
| RU2541349C1 (en) | Highly-durable arc generator of low-temperature plasma protective nanostructured carbonaceous coating of electrodes | |
| WO2010095980A1 (en) | Dc electric arc plasmatron for apparatuses for plasma-processing solid waste | |
| KR100631820B1 (en) | Modularized nontransferred thermal plasma torch with an adjustable structure for material processing | |
| RU123408U1 (en) | DEVICE FOR PRODUCING ACETHYLENE FROM METHANE AND HYDROCARBON ELECTRIC HEATING | |
| RU2757377C1 (en) | Method for producing low-temperature plasma and hot gas for physico-chemical effect on substances and unit for producing low-temperature plasma and hot gas for physico-chemical effect on substances (variants) | |
| CN110213873B (en) | Hydropower connecting device for arc plasma generator | |
| CN107702096A (en) | A kind of double medium source of the gas plasma burners of single anode | |
| KR20030060478A (en) | Long life plasma torch | |
| US12144099B2 (en) | Plasma torch design | |
| CN221710112U (en) | Plasma torch jet device and plasma generator | |
| CN210958932U (en) | Thermal plasma generator | |
| RU111734U1 (en) | MELTING PLASMOTRON | |
| CN219867872U (en) | Plasma excitation pulverized coal nuclear energy composite burner | |
| US20230166227A1 (en) | Plasma/ionic reactor | |
| RU2374791C1 (en) | Electric arc ac plasmotron | |
| CN107702098A (en) | A kind of double medium source of the gas plasma burners | |
| CN107969059A (en) | Air-cooled non transferred arc plasma torch | |
| RU2392781C1 (en) | Electric arc dc plasmatron for installations of solid wastes plasma treatment | |
| KR100204354B1 (en) | High temperature plasma torch | |
| SU814250A1 (en) | Electric arc plasmatron | |
| RU2816576C2 (en) | Plasma torch design |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151012 |