Плазмотрон с жидким электролитным катодом

(51) 05 1/34 (2006.01) 01 1/04 (2006.01) 05 7/22 (2006.01) МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Технический результат от использования изобретения, заключается в увеличении мощности плазмотрона, обеспечении стабильного горения плазмы и термической стабильности материала анода, снижении трудоемкости процесса работы на плазмотроне. Предложен плазмотрон с жидким электролитным катодом, содержащий проточную электролитическую ванну,снабженную металлической крышкой с отверстием,и металлический анод, отличающийся тем, что анод выполнен в виде полого усеченного конуса, у которого внешняя сторона покрыта термостойким диэлектрическим материалом, а верхнее основание закреплено к крышке, нижнее основание погружено в электролит на глубину 10-15 мм так, чтобы площадь внутренней токопроводящей части конуса,находящейся в электролите была на порядок меньше площади токоподвода электролитической ванны,при этом отверстие для отвода электролита электролитической ванны распложено на уровне электролита.(72) Скаков Мажын Канапинович Рахадилов Бауыржан Корабаевич Зарва Денис Борисович Гулькин Александр Владимирович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Комитета по атомной энергии Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан(57) Изобретение относится к плазменной технике,а именно к электроразрядным устройствам с жидким электродом, и может быть применено в плазмохимии, а также в машиностроении,автомобилестроении,авиационной,электротехнической и других отраслях промышленности для осуществления различных видов плазменной обработки, резки, сварки и термической обработки поверхности материалов. Изобретение относится к плазменной технике, а именно к электроразрядным устройствам с жидким электродом, и может быть применено в плазмохимии, а также в машиностроении,автомобилестроении,авиационной,электротехнической и других отраслях промышленности для осуществления различных видов плазменной обработки, резки, сварки и термической обработки поверхности материалов. Известны электроразрядные устройства с жидким электродом, в которых электрический разряд зажигается между электролитом, налитым в сосуд с токоподводом, и твердым электродом,расположенным над сосудом см. кн. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов Справочник - 2-е издание, Л.Я. Попилов, М. Машиностроение, 1982, с.390-393 Объемный разряд в парогазовой среде между твердым и жидким электродами, Ф.М. Гайсин, Э.Е. Сон, Ю.И. Шакиров, М. Изд-во ВЗПИ, 1990, с.5455. Эти устройства не пригодны для создания направленных потоков плазмы. Известно электроразрядное устройство см. А. с. СССР 1088086, кл. 01 13/02, оп. 1984 г, в котором электрический разряд горит внутри диэлектрической трубки между металлическим анодом и электролитом,налитым в электролитическую ванну. Поток плазмы формируется на выходе из трубки. Это устройство имеет ряд недостатков, таких как малая мощность,отсутствие возможности регулирования напора плазменного потока и др. Прототипом выбран плазмотрон с жидким электролитным катодом см. Патент РФ 2219684,кл. Н 05 Н 1/34, 01 1/04, оп. 2003 г, который содержит проточную электролитическую ванну и массивный металлический анод цилиндрической формы с отверстием вдоль осевой линии. Электролитическая ванна снабжена металлической крышкой с отверстием в центре. Анод прикреплен к металлической крышке так, что отверстия обоих совпадают друг с другом. Поток плазмы формируется на выходе из отверстия металлической крышки. Недостаток прототипа заключается в следующем. Массивный неохлаждаемый металлический анод является пригодным лишь для режима горения разряда с небольшой плотностью тока. Для достижения высоких температур необходимо повысить плотность тока. Однако, если повысить плотность тока на аноде выше 0,4 А/см 2, то неохлаждаемый металлический анод быстро нагревается до температуры плавления и выходит из строя. Что часто приводит к замене материала анода. Таким образом, прототип не позволяет получить поток плазмы с высокой температурой. Также процесс работы плазмотрона является сложным в связи с необходимостью регулирования уровня электролита и зажигания электрического разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом, взрывом тонкой металлической проволоки. Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении температуры плазменного потока,повышении долговечности плазмотрона и упрощении конструкции плазмотрона. Технический результат от использования изобретения, заключается в увеличении мощности плазмотрона, обеспечении стабильного горения плазмы и термической стабильности материала анода, снижении трудоемкости процесса работы на плазмотроне. Сущность изобретения заключается в следующем предложен плазмотрон с жидким электролитным катодом, содержащий проточную электролитическую ванну,снабженную металлической крышкой с отверстием,и металлический анод, отличающийся тем, что анод выполнен в виде полого усеченного конуса, у которого внешняя сторона покрыта термостойким диэлектрическим материалом, а верхнее основание закреплено к крышке, нижнее основание погружено в электролит на глубину 10-15 мм так, чтобы площадь внутренней токопроводящей части конуса,находящейся в электролите была на порядок меньше площади токоподвода электролитической ванны,при этом отверстие для отвода электролита электролитической ванны расположено на уровне электролита. На фигуре схематически изображен плазмотрон с жидким электролитным катодом, где изображены электролитическая ванна 1 с токоподводом 2,металлическая крышка 3 и металлический анод 4 в виде полого усеченного конуса,который расположен соосно с отверстием 5 металлической крышки 3 для выхода плазменного потока 6, и с внешней стороны изолирован термостойким диэлектрическим материалом 7. На боковых стенках электролитической ванны 1 выполнены отверстия 8 и 9 для подвода и слива электролита 9. Поверхность токоподвода 2 обозначена через 1, поверхность токопроводящей части конуса-анода 4, находящейся в электролите 10 - через 2, площадь 1 в 10-15 раз больше площади 2. Работает плазмотрон следующим образом. Перед началом работы электролитическая ванна 1 заполняется электролитом 10 до уровня отверстия 9 для слива электролита и сливается через него, при этом электролит 10 находится в циркуляционном режиме. Затем токоподвод 2 подключается к отрицательному полюсу источника питания, а металлическая крышка 3 - к его положительному полюсу. В результате этого электролит 10 становится жидким катодом. При подаче напряжения между электролитом и анодом происходит вскипание электролита у поверхности анода 4 и образуется тонкая парогазовая оболочка,состоящая из паров воды, акватированных ОН- и Н ионов и ионов, входящих в состав электролита. Через парогазовую оболочку протекают микроразряды. Электролит вблизи к аноду под воздействием электрического разряда испаряется,создавая парогазовую оболочку и в виде плазменного потока 10 выходит через отверстие 5. Для того, чтобы температура потока плазмы,выходящего из плазмотрона, была максимально высокой, необходимо обеспечить максимально высокую плотность тока в электрическом разряде. Для обеспечения высокой плотности тока часть анода погружается в электролит,чтобы сформировалась на погруженной поверхности анода парогазовая оболочка, проводимость которой обусловлена тлеющим разрядом с плотностью тока 4-6 А/см 2. Также плотность тока в свою очередь зависит от технологических параметров процесса(напряжение, температура электролита, глубина погружения, концентрация электролита), а также отношением площади токоподвода электрической ванны к площади погруженной части анода. Поэтому, для обеспечения большой плотности тока и стабильного горения микроразряда парогазовой оболочки, площадь внутренней (токопроводящей) части конуса, находящейся в электролите будет на порядок меньше площади токоподвода электролитической ванны. При высокой плотности тока материал анода сильно нагревается, поэтому, для предотвращения термического разрушения анода, его нижнее основание погружено в электролит на глубину 10-15 см и охлаждается за счет циркуляции электролита. Скорость прокачки электролита выбирается так, чтобы было перемешивание нижних холодных слоев электролита с верхними нагретыми слоями. Для того, чтобы обеспечить хороший теплообмен в электролите и постоянный уровень электролита, отверстие для отвода электролита электролитической ванны расположено на уровне электролита,это также предотвращает необходимости регулирования уровня электролита. Таким образом,поддержание температуры электролита постоянной путем циркуляции,предотвращает термическое разрушение погруженного в электролит анода, тем самым обеспечивает долговечность материала анода. При отсутствии интенсивного перемешивания верхний слой электролита существенно нагревается, что приводит к нестабильности разряда плазменного потока и термическому разрушению материала анода. Для обеспечения стабильного горения плазменного потока температура электролита поддерживается в интервале 40-70 С, применяется двухступенчатый режим горения плазмы 1 - режим зажигания плазмы при подаче напряжении 300 В течение 3-5 сек 2 - режим стабильного горения плазмы при подаче напряжении 180 В 220 В. Образуемые при этом микроразряды обдувают разрядную область, т.е. внутреннюю сторону конусообразного анода и, смешиваясь с парами электролита, выходят через отверстие 5, увеличивая тем самым плотность потока плазмы. Таким образом, вся испарившаяся масса электролита идет на образование плазменного потока, и это приводит к увеличению его динамического напора. За счет отсутствия необходимости регулирования уровня электролита и зажигания электрического разряда между жидким электролитом и твердотельным электродом, взрывом тонкой металлической проволоки снижается трудоемкость процесса. Экспериментальные исследования показали существенную зависимость температуры в потоке плазмы от плотности тока. При плотности тока 0,5 А/см 2, что ненамного выше, чем у прототипа,температура на выходе из отверстия металлической крышки была равна 1200 С, а при значении плотности 4 А/см 2 температура достигала до 3000 С. Таким образом, предлагаемый плазмотрон генерирует плазменный поток с достаточно высокой температурой, приемлемой для технологических целей. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Плазмотрон с жидким электролитным катодом,содержащий проточную электролитическую ванну,снабженную металлической крышкой с отверстием,и металлический анод, отличающийся тем, что анод выполнен в виде полого усеченного конуса, у которого внешняя сторона покрыта термостойким диэлектрическим материалом, верхнее основание закреплено к крышке, нижнее основание погружено в электролит на глубину 10-15 мм так, чтобы площадь внутренней токопроводящей части конуса,находящейся в электролите, была на порядок меньше площади токоподвода электролитической ванны, при этом отверстие для отвода электролита электролитической ванны расположено на уровне электролита.