Результат интеллектуальной деятельности: КОМБИНИРОВАННЫЙ ИНДУКЦИОННО-ДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН И СПОСОБ ПОДЖИГА ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к плазмотронам, использующимся в плазмохимии и металлургии для проведения различных плазмохимических процессов, например проведения плазмохимических реакций, нанесения покрытий, обработки материалов, и т.д.

Область применения плазменных технологий непрерывно расширяется.

В плазмохимических методах используют как электродуговые (электродные), так и безэлектродные плазмотроны, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками, определяющими области их применения.

В настоящее время наибольшее распространение и применение получили электродуговые плазмотроны [Клименко Г.К., Ляпин А.А. Конструкции электродуговых плазмотронов. Учебное пособие по дисциплине «Генераторы плазмы». МОСКВА (С), 2010 год, МГТУ им. Баумана, Коротеев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. Плазмотроны. Конструкции, характеристики, расчет. М.: «Машиностроение», 1993. 295 с. ]. К достоинствам электродуговых нагревателей плазмы относится простота конструкции плазмотрона и источника питания, высокий КПД устройства (до 80%), большая достигнутая мощность (мегаватты). Основными недостатками мощных электродуговых плазмотронов являются: малый срок службы электродов (~100 часов), загрязнение синтезируемых материалов продуктами эрозии электродов, а также быстрое разрушение электродов в агрессивных средах. Малый ресурс работы электродов существенно ограничивает области применения электродуговых плазмотронов в промышленности, поскольку непрерывность технологического процесса является одним из важнейших требований промышленного производства.

Для возбуждения разряда в электродуговых плазмотронах применяют в основном три способа: закорачивание или замыкание электродов, высоковольтный и высокочастотный пробой и заполнение межэлектродного промежутка плазмой от вспомогательного источника плазмы [Клименко Г.К., Ляпин А.А. Конструкции электродуговых плазмотронов. Учебное пособие по дисциплине «Генераторы плазмы». МОСКВА (С), 2010 год, МГТУ им. Баумана].

Зажигание разряда закорачиванием электродов осуществляют:

- перемещением одного из основных электродов до касания с другим с последующим разведением электродов. Этот способ применяют для небольших плазмотронов, например для плазмотронов микроплазменной сварки;

- перемещением дополнительного подвижного электрода до касания с основным с последующим их разведением. Этот способ применяют для мощных плазмотронов, используя дополнительный электрод, который вводят в зазор с помощью привода, а при зажигании разряда быстро выводят, в результате чего образуется вспомогательный разряд на один из основных электродов, который затем переходит на другой основной электрод. В качестве привода электрода используют электромагниты или пневматику;

- проволочкой, которая, сгорая, образует плазменный мостик. Способ наиболее простой, но его целесообразно применять при редких включениях плазмотрона из-за эксплуатационных неудобств. При этом возможно загрязнение плазмы материалом проволочки.

Высоковольтный и высокочастотный пробой используют широко как наиболее удобный в эксплуатации. К электродам, размещенным на расстоянии не более 1-3 мм, подключают высокочастотный источник электропитания с напряжением 3-10 кВ (осциллятор) и основной источник электропитания через высокочастотный фильтр. После пробоя межэлектродного промежутка напряжением осциллятора между электродами зажигается основной дуговой разряд. Использование этого способа запуска требует тщательной отработки конструкции для предотвращения нежелательных пробоев. Применение осцилляторного пуска усложняет систему электропитания, требует использования дросселей на ток разряда, но удобнее и безопаснее в эксплуатации.

Возбуждение разряда подачей плазмы в межэлектродный промежуток осуществляется с помощью вспомогательного генератора плазмы, в качестве которого в конструкцию плазмотрона встраивают небольшой импульсный генератор плазмы, или рядом с основным электродом предусматривают дополнительный электрод, на который зажигают вспомогательный дуговой разряд. Разряд между основным и вспомогательным электродами генерирует струю плазмы, которая, заполняя канал между электродами, позволяет возбудить основной разряд.

Безэлектродные плазмотроны (высокочастотные индукционные, высокочастотные емкостные, СВЧ) [С.В. Дресвин, А.А. Бобров, В.М. Лелевкин и др. ВЧ и СВЧ плазмотроны. - Новосибирск: Наука. Сиб. отделение, 1992. - 319 стр. ] полностью лишены присущих дуговым плазмотронам недостатков, позволяют получать чистую плазму практически любого химического состава, имеют ресурс работы порядка тысячи часов. Однако высокая частота генерации разрядов (порядка 10 МГц для ВЧИ и ВЧЕ разрядов, 1 ГГц для СВЧ) затрудняет создание источников питания плазмотронов большой мощности.

Зажигание безэлектродного индукционного разряда может быть осуществлено при низком давлении за счет электрического поля индуктора, создающего первоначальную ионизацию газа. После зажигания в разрядной камере плазмотрона возникает самоподдерживающий стационарный безэлектродный индукционный разряд низкого давления, затем давление может быть увеличено до атмосферного и выше.

Особый интерес представляют плазмотроны трансформаторного типа, в которых эффективную генерацию индукционного разряда осуществляют в диапазоне частот тока 10-100 кГц. Снижение частоты генерации безэлектродного разряда более чем на два порядка дает ряд существенных преимуществ: упрощается конструкция источника питания, упрощается задача согласования источника питания и нагрузки (разряда). В отличие от широко применяемых на практике ВЧИ плазмотронов, для плазмотронов, основанных на индукционных разрядах трансформаторного типа, коэффициент связи между нагрузкой (газовый разряд) и индуктором (первичная обмотка трансформатора) близок к единице. Срок службы трансформаторного плазмотрона составляет десятки тысяч часов, при этом с помощью трансформаторного плазмотрона может быть получена плазма любых молекулярных газов, в том числе и агрессивных (хлор, фтор, кислород).

Известные решения [А.с. 574100, 1976, Н05В 7/18, SU 957744, 1980, Н05В 7/18, Н05Н 1/24, RU 2022917, 1989, С01В 21/24, RU 2093459, 1995, С01В 13/11, US 6150628, 2000, В23К 10/10, RU 2094961, 20.07.1989, Н05В 7/18 и др.], касающиеся трансформаторных плазмотронов, направленые на снижение удельного расхода электроэнергии, увеличение производительности и увеличение мощности в разряде при расширении диапазона давлений до атмосферного и использовании в качестве рабочего газа как инертных (гелий, аргон), так и молекулярных газов (водород, кислород, СО₂) или воздуха.

Зажигание основного разряда в трансформаторных плазмотронах осуществляют при пониженном давлении 10^-1-10^-2 мм рт.ст с помощью зажигания тлеющего разряда путем подачи высокого напряжения порядка 2-3 кВ на две противоположно расположенные секции газоразрядной камеры или на дополнительные электроды. После поджига основного трансформаторного разряда высокое напряжение отключают, а давление в разрядной камере может подниматься до 1-10 атм.

В качестве прототипа устройства выбран предназначенный для использования в различных технологических процессах, например проведение плазмохимических реакций, нанесение покрытий, обработка материалов, и т.д., трансформаторный плазмотрон [RU 2056702, 1996, Н05В 7/18], содержащий замкнутую кольцеобразную разрядную камеру, выполненную в виде электроизолированных одна от другой водоохлаждаемых металлических секций, каждая из которых снабжена узлом тангенциального ввода газа, узлом вывода газа, и трансформатор, содержащий магнитопроводы с индивидуальными обмотками, количество которых равно количеству секций разрядной камеры, причем магнитопроводы установлены радиально по центру каждой секции, а узлы ввода и вывода газа - по противоположным торцам секций и соединены между собой введенными промежуточными диафрагмами. Указанное устройство позволяет осуществлять нагрев плазмообразующего газа либо смеси газов, а также, при необходимости, химических реагентов до температур порядка 5*10³-10⁴ К при давлении порядка атмосферного и выше.

В качестве прототипа способа поджига индукционного разряда выбран способ [RU 2094961, 20.07.1989, Н05В 7/18], включающий предварительную продувку газа, подачу напряжения порядка 3 кВ от повышающего неонового трансформатора на вспомогательные электроды, зажигание тлеющего разряда при давлении 10^-2-10^-1 мм рт.ст. Если плазменный трансформатор обеспечивает необходимое напряжение для горения дуги на вторичном витке, то возникает устойчивый разряд. При этом неоновый трансформатор отключается. При подаче газа в завихритель давление газа возрастает до атмосферного и осуществляется стабилизация дуги потоком газа.

Запуск известных трансформаторных плазмотронов осуществляют при низком давлении, порядка 10 Па, что требует изготовления оборудования в вакуумно-плотном исполнении и использования форвакуумных насосов для откачки системы.

В известных трансформаторных плазмотронах невозможно локально увеличить параметры процесса, а именно напряженность электрического поля и удельную мощность разряда, например, в зоне ввода химических реагентов.

Задачей настоящего изобретения является разработка плазмотрона, объединяющего в себе достоинства дугового (электродного) и трансформаторного (безэлектродного) плазмотронов, а именно простоту конструкции плазмотрона и источника питания, высокий КПД (не менее 60%), большую достигаемую мощность, большой срок службы плазматрона (более 1000 часов), низкую частоту генерации безэлектродного разряда (~30-100 кГц), возможность работы в агрессивных средах, возможность получать чистую плазму, возможность запуска при атмосферном давлении, и при этом обеспечивающего новое положительное свойство, а именно возможность управлять параметрами газового разряда, например локально повышать напряженность электрического поля и мощность разряда в зоне ввода плазмообразующего газа и химических реагентов.

Согласно изобретению указанную задачу решают тем, что комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон содержит замкнутую кольцеобразную газоразрядную камеру, выполненную в виде электроизолированных одна от другой водоохлаждаемых металлических секций, скрепленных фланцами с диэлектрическими прокладками, трансформатор с, по меньшей мере, одним магнитопроводом с первичной обмоткой. Газоразрядная камера включает разрядную секцию, примыкающие к ее торцам поворотные секции, реакционную секцию, примыкающие к ее торцам поворотные секции и боковые секции. Газоразрядная камера установлена относительно поверхности земли так, что разрядная секция находится в верхней части газоразрядной камеры, а противоположно ей, в нижней части газоразрядной камеры, расположена реакционная секция.

Комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон дополнительно снабжен четырьмя подвижными водоохлаждаемыми электродами, которые попарно установлены в противоположно расположенных разрядной и реакционной секциях газоразрядной камеры плазмотрона и запитаны на отдельные источники питания постоянного тока.

Узел тангенциального ввода плазмообразующего газа расположен в разрядной секции газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона, а узел ввода химических реагентов расположен в реакционной секции. Размеры реакционной секции определяют из условия U<U_пробоя, где U - напряженность электрического поля между соседними секциями, U_пробоя - напряжение пробоя между соседними секциями. Со стороны торцов реакционной секции выполнено сужение диаметра газоразрядной камеры за счет того, что внутренние диаметры фланцев, скрепляющих реакционную секцию с поворотными секциями, примыкающими к ее торцам, меньше диаметра скрепляемых секций, но больше диаметра электродов, которые подведены к этим отверстиям.

Электроды могут быть выполнены металлическими или композитными. Количество узлов тангенциального ввода плазмообразующего газа, при необходимости, может быть более одного и составлять два и более. Количество узлов ввода химических реагентов может быть более одного и составлять два и более.

Задачей настоящего изобретения является также разработка способа поджига индукционного разряда при атмосферном давлении, что исключает необходимость изготовления оборудования в вакуумно-плотном исполнении и использования форвакуумных насосов для откачки системы.

Согласно изобретению указанную задачу решают тем, что для поджига индукционного разряда используют комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон, а поджиг осуществляют при атмосферном давлении одним из ниже описанных способов.

Первый вариант.

Способ поджига индукционного разряда включает одновременную подачу плазмообразующего газа в разрядную секцию газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона через узел тангенциального ввода и напряжения на первичную обмотку и электроды, расположенные в разрядной секции газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона. Электроды приводят в контакт и разводят, что вызывает инициацию между ними дугового разряда. Плазму дугового разряда выдувают в разрядную камеру, создавая предварительную ионизацию газа. Под воздействием напряжения, приложенного к первичной обмотке, в предварительно ионизованном газе инициируется основной индукционный разряд трансформаторного типа. После поджига индукционного разряда дуговой разряд отключают.

Второй вариант.

Способ поджига индукционного разряда включает одновременную подачу плазмообразующего газа в разрядную секцию газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона через узел тангенциального ввода, напряжения на первичную обмотку, напряжения на электроды, расположенные в разрядной секции газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона, и на электроды, расположенные в реакционной секции газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона. Подачу напряжения на пары электродов, расположенные в разрядной и реакционной секциях, осуществляют от разных источников питания постоянного тока. Электроды приводят в контакт и разводят, что вызывает инициацию двух дуговых разрядов, в разрядной и реакционной секциях. Под воздействием напряжения, приложенного к первичной обмотке, в предварительно ионизованном газе инициируется основной индукционный разряд трансформаторного типа. После поджига индукционного разряда дуговой разряд, горящий между электродами разрядной секции, отключают.

Таким образом, второй вариант способа поджига индукционного разряда осуществляется аналогично первому варианту, с тем отличием, что зажигают дополнительный дуговой разряд в реакционной секции плазмотрона, создающий дополнительную ионизацию газа, и вместе с дуговым разрядом в разрядной секции обеспечивающий требуемую предварительную ионизацию газа для зажигания индукционного разряда.

Предлагаемый комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон иллюстрируют чертежом, представленным на фиг. 1, где все элементы показаны схематично и в произвольном масштабе. Где: 1 - замкнутая газоразрядная камера; 2 - диэлектрические прокладки; 3 - ферритовые магнитопроводы; 4 - первичные обмотки; 5 - разрядная секция; 6 - узел ввода плазмообразующего газа; 7 - электроды разрядной секции; 8 - реакционная секция; 9 - узел ввода химических реагентов; 10 - «диафрагмирующие отверстия»; 11 - электроды реакционной секции; 12 - боковые секции; 13 - поворотные секции; 14 - фланцы.

Комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон представляет собой индукционный плазмотрон трансформаторного типа, в газоразрядную камеру которого дополнительно введены металлические или композитные электроды, которые выполнены подвижными и водоохлаждаемыми.

Замкнутая кольцеобразная газоразрядная камера 1 состоит из водоохлаждаемых металлических секций: разрядной секции 5, реакционной секции 8, боковых секций 12 и поворотных секций 13. Секции газоразрядной камеры скреплены фланцами 14. При соединении секций между фланцами прокладывают диэлектрические прокладки 2. Таким образом, все секции газоразрядной камеры электрически изолированы друг от друга с помощью диэлектрических прокладок 2. Фланцы вдавливаются (при развертывании болтов) в диэлектрические прокладки, и так достигается герметичность стыка.

Газоразрядная камера относительно поверхности земли установлена вертикально так, что реакционная секция 8 находится в нижней части газоразрядной камеры, а противоположно ей, в верхней части газоразрядной камеры, расположена разрядная секция 5. При таком расположении газоразрядной камеры достигается устойчивость вихревого потока плазмообразующего газа, подаваемого через узел тангенциального ввода плазмообразующего газа 6 в разрядную секцию 5. В плазмотроне может быть предусмотрено более одного узла тангенциального ввода плазмообразующего газа. Возможно использование в качестве плазмообразующих газов воздуха или других молекулярных газов.

В разрядной секции 5 газоразрядной камеры плазмотрона установлены подвижные водоохлаждаемые электроды 7. С их помощью создают дуговой разряд для предварительной ионизации газа и поджига плазмотрона при атмосферном давлении.

На боковых секциях 12 газоразрядной камеры смонтированы ферритовые магнитопроводы 3 с первичными обмотками 4. Количество первичных обмоток может быть более одной, при этом каждая обмотка может содержать один или более витков. Обмотки могут быть включены параллельно или последовательно, образуя общую первичную обмотку трансформатора с любым необходимым значением коэффициента трансформации по напряжению.

Химические реагенты в твердом, жидком или газообразном состоянии вводят в реакционную секцию 8 через узел ввода химических реагентов 9. Узлов ввода химических реагентов в реакционную секцию газоразрядной камеры плазмотрона может быть несколько. Для того чтобы химические реагенты не выходили за пределы реакционной секции 8, со стороны торцов реакционной секции предусмотрено сужение диаметра газоразрядной камеры. Сужение диаметра газоразрядной камеры достигается за счет того, что внутренние диаметры фланцев, скрепляющих реакционную секцию 8 с поворотными секциями 13, так называемых, «диафрагмирующих отверстий» 10, меньше, чем диаметр скрепляемых секций (диаметр газоразрядной камеры).

К «диафрагмирующим отверстиям» 10 подведены подвижные водоохлаждаемые электроды 11, которые используют для достижения требуемого локального повышения мощности разряда и повышения температуры реагентов в плазмохимической реакции. Также электроды 11 при необходимости могут использоваться для поджига основного индукционного разряда

Комбинированный индукционно-дуговой плазмотрон может работать в одном из трех режимов: в режиме индукционного разряда, в режиме комбинированного индукционно-дугового разряда и в режиме дугового разряда.

Поджиг индукционного разряда в комбинированном индукционно-дуговом плазмотроне осуществляют при атмосферном давлении.

В первом варианте поджиг индукционного разряда осуществляют путем одновременной подачи плазмообразующего газа через узел тангенциального ввода плазмообразующего газа 6 и напряжения на первичную обмотку 4 и на электроды 7. Электроды 7, расположенные в разрядной секции газоразрядной камеры комбинированного индукционно-дугового плазмотрона, запитаны отдельным источником питания постоянного тока (на схеме не показано). Электроды приводят в контакт и разводят, что вызывает инициацию между ними дугового разряда. Дуговой разряд, горящий в газоразрядной камере 1, создает ионизацию газа, обеспечивающую поджиг основного индукционного разряда. После поджига индукционного разряда, дуговой разряд, создаваемый электродами 7, отключают. Затем подают напряжение на электроды 11 для поджига дугового разряда с целью использования его в проведении плазмохимических реакций.

Во втором варианте поджиг индукционного разряда осуществляют путем одновременной подачи плазмообразующего газа через узел тангенциального ввода плазмообразующего газа 6 и напряжения на первичную обмотку 4, на электроды 7 и на электроды 11. Между электродами 7 и 11 зажигают дуговые разряды, один - в реакционной секции, второй - в разрядной, которые вместе обеспечивают требуемую для поджига индукционного разряда ионизацию газа. После поджига индукционного разряда дуговой разряд, создаваемый электродами 7, отключают.

В проведении плазмохимических реакции используют дуговой разряд, горящий между электродами 11, находящимися в реакционной секции 8 комбинированного индукционно-дугового плазмотрона.

В реакционную секцию 8 через узел 9 вводят химические реагенты. При необходимости можно вводить одновременно несколько химических реагентов, например порошкообразный и газообразный, их вводят в реакционную секцию через разные узлы ввода реагентов. При необходимости, реагенты могут вводиться и в другие секции плазмотрона, однако, основная идея устройства заключается в том, что химические реагенты сосредоточены в небольшой относительно общей длины индукционного разряда реакционной секции 8, где резко возрастает напряженность электрического поля и выделяемая мощность, а дополнительный дуговой разряд, создаваемый электродами 11, позволяет поднять локально напряженность электрического поля и энерговклад до нужного уровня. Таким образом, обеспечивается возможность проведения широкого спектра плазмохимических процессов, требующих повышенной мощности и повышенного значения напряженности электрического поля в зоне ввода химических реагентов.

В местах сужения диаметра плазмообразующей камеры «диафрагмирующими отверстиями» 10 скорость движения плазмообразующего газа резко возрастает, что защищает электроды 11 от контакта с химическими реагентами. Таким образом, электроды работают в среде плазмообразующего газа, что предотвращает их разрушение и загрязнение плазмы продуктами эрозии электродов (при использовании в качестве плазмообразующего газа инертных газов).

Кроме того, поскольку часть энергии в реакционной зоне уже вкладывается за счет индукционного разряда, то для достижения нужного плазмотрона практически не ограничена сверху, а максимальная мощность дугового плазмотрона составляет несколько МВт. Максимальная мощность дугового плазмотрона ограничена процессами эрозии электродов.

Основные технические преимущества заявленного устройства, достигаемые за счет генерации дугового разряда совместно с основным индукционным разрядом трансформаторного типа:

1) возможность запуска плазмотрона при атмосферном давлении, что исключает необходимость изготовления плазмотрона в вакуумно-плотном исполнении и использования откачных систем;

2) возможность локально регулировать параметры газового разряда, повышать напряженность электрического поля и удельную мощность разряда непосредственно в зоне ввода химических реагентов, где требуются большие напряженности электрического поля для поддержания горения разряда и высокие удельные мощности для полной переработки реагентов.

Основные экономические преимущества:

1) дешевизна изготовления, что достигается за счет исключения необходимости изготовления вакуумного оборудования;

2) энергоэффективность, достигаемая за счет комбинированного использования основного безэлектродного и вспомогательного дугового разряда, при котором появляется возможность регулировать параметры плазмы газового разряда в зоне ввода химических реагентов или обрабатываемых материалов и выбирать наиболее оптимальный режим проведения реакции или обработки материала;

3) расширение области использования за счет возможности проведения широкого спектра плазмохимических процессов, требующих повышенной мощности и повышенного значения напряженности электрического поля в зоне ввода химических реагентов.

Практическая применимость плазмотрона для проведения плазмохимических реакций подтверждается выполненными научно-исследовательскими работами и проведенными экспериментальными исследованиями.

Источники информации

1. Ulanov I.M. Isupov M.V. Induction transformer coupled discharges: investigation and application. Applied Physics in the 21^st century. New York: Nova Science Publishers, 2010. P. 113-167. ISBN: 978-1-60876-074-9.

2. I M Ulanov, M V Isupov, A Yu Litvincev and P A Mischenko. Plasma-chemical synthesis of oxide powders using transformer coupled discharge. Plasma science and technology. 2013. V.15. N. 4. P. 386-390.

3. И.М. Уланов, М.В. Исупов, А.Ю. Литвинцев, П.А. Мищенко. Трансформаторный плазмотрон - плазмохимический реактор // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. №02. С.175-180.