專利名稱：一種交叉型轉移弧等離子噴槍的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種等離子電弧噴槍，特別是一種交叉型轉移弧等離子噴槍，屬 于等離子技術領域。
技術背景 等離子電弧噴槍是廣泛應用于金屬非金屬冶煉、煤粉鍋爐點火、熱等離子體涂鍍 技術、等離子體廢物處理、材料制備及篩選等用途的一種工業設備。其主要功用是對工業原 料、材料、垃圾或廢物、工業半成品等處理對象進行高溫加熱處理，使被處理對象獲得燃燒 (等離子點火和垃圾廢物處理用途)、熔化(金屬、非金屬冶煉、切割和材料制備、篩選等用 途)或涂層(等離子涂鍍)的一種專用設備。等離子電弧噴槍所產生的射流溫度可高達到數千攝氏度，超出了自然界已發現所 有材料的熔(燃)點。因此，它作為一種特殊的高溫熱源，具有其他加熱形式不可替代的作 用。與傳統燃燒式高溫噴槍相比，等離子電弧噴槍具有溫度高，溫度調節范圍寬(幾百到幾 千攝氏度)，能量集中，氣流污染小，氣流速度可調(超、亞聲速)，成本相對低廉，使用方便 等優點。目前，我國常用的等離子電弧噴槍一般為直流單一噴槍形式，噴槍只有一個單獨 的槍體，這種形式的噴槍根據其電弧弧根的位置不同又分為轉移弧和非轉移弧兩種類型。 現有的轉移弧噴槍的陰極和陽極中的一電極不是槍體本身的陽極或陰極，而是被轉移到了 標的物身上，利用電弧直接對標的物加熱，此類噴槍針對的對象主要為導電材料。非轉移弧 噴槍的陰極和陽極均為槍體自身所帶的陰極和陽極，電弧主要在槍體的陰極和陽極之間運 行，不是利用電弧本身對標底物進行加熱，而是利用電弧加熱的高溫氣體對標的物進行加 熱的一種方式，此類噴槍針對的對象主要為非導電材料。由于電弧本身具有極高的溫度，因 此轉移弧噴槍相對于非轉移弧噴槍來說能達到更高的溫度和熱效率。但轉移弧噴槍的一個 限制條件是標的物必須為導電材料，非導電材料則不能將電弧轉移至本身，因此目前在對 非導電材料的處理上還不能采用更高溫度和更率的轉移弧噴槍，使其使用受到了一定的限 制。
實用新型內容本實用新型的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種可以將電弧轉移 至槍體外直接利用電弧對標的物進行加熱、溫度更高、參數調節范圍更廣、效率更高、污染 率更低和壽命更長的交叉型轉移弧等離子噴槍，能滿足金屬非金屬冶煉、煤粉鍋爐點火、超 (亞)聲速噴涂、垃圾焚燒、廢物處理和材料篩選等用途。本實用新型的技術解決方案是一種交叉型轉移弧等離子噴槍，由兩個結構相同 的槍體組成，兩槍體之間呈八字形結構分布，兩槍體軸線夾角為10 170°，兩個槍體的主 電極通過電纜分別與電源的正負極連接，兩個槍體的輔助電極之間通過電纜或機械機構連 接在一起形成等電位，每個槍體的主電極和輔助電極之間與高頻引弧裝置連接，噴槍工作時，在每個槍體的主電極和輔助電極之間形成非轉移弧，待兩個槍體內的非轉移弧穩定后， 斷開兩個輔助電極之間的連接，兩個槍體內的非轉移弧在工作氣體的作用下，拉長并拉出 輔助電極，形成起始于一個槍體的主電極，交匯于兩槍體的軸線交點處，終止于另一槍體的 主電極的轉移弧。 所述的槍體包括輔助進氣室、主電極、主進氣室、輔助電極、主進氣室體、內筒、夕卜 筒、隔離絕緣筒、前法蘭、絕緣體、后法蘭和尾法蘭，主電極和輔助電極分別位于槍體的后端 和前端，分別與主進氣室體機械連接，主電極、輔助電極和主進氣室體之間形成的空腔為主 進氣室，輔助進氣室設置在主電極的尾部，主電極和主進氣室體之間通過隔離絕緣筒相互 隔開，主進氣室體、內筒、外筒和前法蘭焊接為一體，主電極的尾端與尾法蘭焊接在一起，尾 法蘭通過螺栓與后法蘭連接，后法蘭通過螺栓與絕緣體和前法蘭連接，輔助電極位于槍體 的出口處，通過螺紋與主進氣室體連接。所述的輔助進氣室和主進氣室的內腔壁面上設有1 4排與內腔圓周切向的進氣 孔，每排切向進氣孔的數量為沿內腔徑向均布2 8個，每個槍體的輔助進氣室和主進氣室 的切向進氣方向一致。所述的輔助電極的內徑為沿氣流方向呈收縮形狀，收縮的末端出口小于或等于主 電極的內徑，輔助電極的最小內徑為0. 3 1倍的主電極內徑。所述的主電極和輔助電極采用抗氧化紫銅材料或銅合金材料制成，在內表面噴涂
有抗氧化涂層。所述的主電極和輔助電極為雙層中空管狀電極，內管的外壁開有通冷卻水的冷卻 水槽。所述的輔助電極的長度為主電極內徑的2 5倍。本實用新型與現有技術相比有益效果為(1)本實用新型通過將兩個獨立噴槍主電極分別與電源的正負極連接，使電弧的 一部分被轉移到槍體外，由電弧直接對標的物進行加熱，提高了電弧加熱的效率，解決了傳 統轉移弧噴槍只能作用于導電材料的難題，使轉移弧噴槍的也能應用于非導電材料上，擴 大了轉移弧噴槍的應用范圍；(2)本實用新型采用轉移弧，轉移弧射流比傳統的非轉移弧噴槍產生的射流具有 更高的溫度，可以作用于需更高溫度加熱的標的物；(3)本實用新型的主進氣室和輔助進氣室內腔壁面上設有1 4排與內腔圓周切 向的進氣孔，輔助進氣室和主進氣室的切向進氣方向一致，可以加速電弧旋轉速度，獲得更 好的電弧壓縮效果，降低電弧對電極的燒損；(4)本實用新型的輔助電極內徑為沿氣流方向呈收縮形狀，收縮的末端出口小于 或等于主電極的內徑，使流經出口的氣流速度獲得進一步的加速，使之以更大的動量快速 流出輔助電極；(5)本實用新型通過改變兩槍體的夾角和距離可以很方便的調節電弧電壓，從而 可以獲得大范圍電弧功率的改變，使噴槍參數相比傳統噴槍具有更寬廣的調節范圍；(6)本實用新型采用主電極和輔助電極均為抗氧化銅合金材料制成，且在內表面 噴涂有抗氧化涂層，使用過程中電極本身損耗小，即使在氧化環境下使用，也能獲得更長的 使用壽命，使用維護成本低；[0020](7)本實用新型設置輔助進氣室，不僅能避免電弧弧根打到主電極尾部，同時還能 通過改變輔助進氣室進氣孔的數量和大小，調節進氣的流量和速度從而達到調節電弧弧根 的位置。
圖1為本實用新型起弧原理示意圖；圖2為本實用新型槍體機械結構示意圖；圖3為本實用新型主電極結構示意圖；圖4為本實用新型主進氣室結構示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，交叉型轉移弧等離子噴槍由兩個結構相同的槍體組成。兩個槍體的 軸線呈“八”字形放置，軸線夾角可以在10度 170度之間調節，且每個槍體的位置可以沿 自身軸向方向前后調節。電源的正極和負極分別同兩槍體的主電極相連接。工作氣體分別 由兩槍體得的主進氣室和輔助進氣室注入。本實用新型的核心部分在于兩個噴槍槍體的放 置位置以及槍體同供電電源的連接方式。兩槍體的每一槍體均可作為單一噴槍獨立運行， 均設有輔助進氣室、主進氣室、陽極和陰極等部件，獨立運行時的主電極作為陽極(陰極)， 輔助電極作為陰極(陽極)，電源的正負極分別同槍體的陽極和陰極連接。作為一個完整的 交叉型轉移弧等離子噴槍，兩槍體不再是獨立的噴槍，而是分別作為交叉噴槍的陽極和陰 極，輔助電極只在起弧時投入使用，電弧啟動后，電弧啟始于一槍體的陽極，交匯于兩槍體 軸線的交點，終止于另一槍體的陰極。在兩槍體陽極和陰極之間產生的電弧弧柱的中間部 分就被轉移到了槍體之外。圖2為本實用新型單個槍體部分的機械結構圖，如圖2所示，槍體由輔助進氣室1、 主電極2、主進氣室3、輔助電極4、主進氣室體5、內筒6、外筒7、隔離絕緣筒8、前法蘭9、絕 緣體10、后法蘭11和尾法蘭12組成。主電極2和輔助電極4分別位于槍體的后端和前端，二者分別與主進氣室體5相 連接，主電極2、輔助電極4和主進氣室5之間形成的空腔為主進氣室3。主電極2和主進 氣室體5之間通過隔離絕緣筒8相互隔開，主電極2的尾端同尾法蘭12焊接在一起，連同 后法蘭11通過螺栓與絕緣體10相連接。輔助電極位于槍體的出口處，通過螺紋與主進氣 室體5相連接。主電極2和輔助電極4均由冷卻水進行冷卻。冷卻水(W)從尾法蘭12上的進水 口進入到主電極2與隔離絕緣筒8之間的空腔對主電極進行冷卻，然后從隔離絕緣筒8和 主進氣室體5之間的孔流出進入到輔助電極4的外側，環繞冷卻輔助電極4后，通過內筒6 和外筒7形成的夾層通至出水口。工作氣體(Q)分別經有主進氣口和輔助進氣口進入到主進氣室3和輔助進氣室1 內，二者的進氣方向均為切向注入，且旋轉方向相同。工作氣體在同一槍體內的主進氣室和 輔助進氣室的旋轉方向是相同的。主電極2的結構為一端開口、一端封閉的雙層中空管狀結構，管內為電弧和氣體 通道，管外為冷卻水通道。封閉端設有輔助進氣室1，開口端與主進氣室體5相連。主電極2如圖3所示，包括內管31和外管32，內管31的外壁加工有縱向的導水槽33。這些導水槽 33—方面能夠增加冷卻水的流量，另一方面能夠擴大電極的換熱面積，提高冷卻水的換熱 效率，有助于延長電極的使用壽命。主電極的材料由無氧銅或抗氧化銅合金材料制成。如 果工作氣體為氧化氣氛，還可以在電極內表面涂鍍抗氧化涂層。輔助電極4為兩端開口的中空管狀結構，其出口尺寸小于或等于入口尺寸，為入 口尺寸的0. 3 1倍，主要目的是使流經出口的氣流速度獲得進一步的加速，使之以更大的 動量快速流出輔助電極，并與另一槍體輔助電極出口的弧柱相交形成一完整的電弧。輔助 電極的長度尺寸一般取主電極內徑直徑的2 5倍。輔助電極4通過其自身的螺紋同主進 氣室體5連接，兩端由密封圈同冷卻水道密封。輔助電極4的主要作用是作為起弧電極用。 起弧時，電弧先在主電極2和輔助電極4之間燃燒，電弧穩定后斷開輔助電極同主回路的連 接，使電弧再轉移至主電極之間燃燒。主進氣室3是由主進氣室體5、主電極2和輔助電極4所圍成的空腔區域。主進 氣室體5內部的左端為主電極2，右端為輔助電極4，在二者之間空腔處的壁面上設有1 4排切向進氣孔51，如圖4所示。每排進氣孔51的數量為沿徑向均布的2 8個小孔，每 個小孔的直徑取0. 5 3mm。主進氣室體5外側分別同內筒6和外筒7焊接在一起。工作 氣體(Q)由絕緣體10上的入口進入，經由內筒6和隔離絕緣筒8之間的夾層進入主進氣室 體5的切向進氣孔51。主進氣的作用是通過切向進氣的流動形成沿徑向分布的壓力梯度， 壓縮并拉長，使之穩定運行在槍體的軸線附近。主進氣室體5、內筒6、外筒7和法蘭9焊接 為一體，通過螺栓同絕緣體10連接在一起。切向進氣孔51可以加工成如圖4所示的階梯 孔，也可加工成直徑一致的通孔。輔助進氣室1設置在主電極尾部，既可利用主電極2封閉端的空腔也可單獨設置。 其基本結構同主進氣室3類似，在內腔壁上加工切向進氣孔。設置輔助進氣室的目的一是 避免電弧弧根打到主電極尾部，二是通過改變進氣孔的數量和大小，調節進氣的流量和速 度從而達到調節電弧弧根的位置。為保證工作氣體在同一槍體內的主進氣室和輔助進氣室的旋轉方向是相同的，同 一槍體主進氣室3和輔助進氣室1上加工的切向進氣孔加工方向一致，即同為順時針方向 或同為逆時針方向，圖4為主進氣室3按照逆時針方向加工的切向進氣孔。高頻起弧裝置是啟動噴槍時提供給主回路的電弧啟動裝置。如圖1所示，高頻起 弧裝置安裝在兩槍體的主電極2和輔助電極4之間。由于高頻引弧裝置屬于公有技術，在 此不作詳細介紹。冷卻水和工作進氣輸送管道是由多層管道組合而成的同心圓結構，冷卻水從進水 口流入冷卻主電極和輔助電極后由出水口流出，工作進氣通過管道分別輸送至輔助進氣室 1和主進氣室2。工作原理如圖1所示，噴槍正常工作時，電源的正、負電極分別通過電纜同兩槍 體的主電極2相連接，兩槍體的輔助電極4通過電纜或機械機構連接在一起使之成等電位， 高頻起弧裝置連接在主電極2和輔助電極4之間。噴槍啟動時，首先對噴槍通冷卻水和工 作進氣，待二者穩定后，接通高頻起弧裝置，電弧分別在兩槍體的主電極2和輔助電極4之 間形成，待電弧穩定后，斷開連接兩輔助電極4的電纜或利用機械結構將兩連接的槍體分 開，分布在兩槍體的兩段電弧最終在旋轉氣流的壓縮下電弧被拉長并交匯于兩槍體軸線的交點處，形成為由一槍體主電極到另一槍體主電極的一條完整電弧(電弧起始于與電源正 極，交匯于兩槍的軸線交點，閉合于負極)。 本實用新型的具體結構證明了本實用新型所具有的獨特特點，不僅能夠作為傳統 等離子噴槍滿足金屬冶煉、煤粉鍋爐點火、超(亞)聲速噴涂、垃圾焚燒、廢物處理、材料制 備及篩選等用途，而且作為其獨特的轉移弧和運行范圍寬的特點，還可廣泛應用于非金屬 和耐高溫材料的融解或冶煉。本實用新型的等離子噴槍溫度可達10000K以上，熱效率高達90%以上，運行范圍 廣，參數調節方便，運行穩定，使用壽命長，可廣泛應用于金屬非金屬冶煉、煤粉鍋爐點火、 超(亞)聲速噴涂、垃圾焚燒、廢物處理、材料制備及篩選等用途等。本實用新型未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。
權利要求一種交叉型轉移弧等離子噴槍，其特征在于由兩個結構相同的槍體組成，兩槍體之間呈八字形結構分布，兩槍體軸線夾角為10～170°，兩個槍體的主電極(2)通過電纜分別與電源的正負極連接，兩個槍體的輔助電極(4)之間通過電纜或機械機構連接在一起形成等電位，每個槍體的主電極(2)和輔助電極(4)之間與高頻引弧裝置連接，噴槍工作時，在每個槍體的主電極(2)和輔助電極(4)之間形成非轉移弧，待兩個槍體內的非轉移弧穩定后，斷開兩個輔助電極(4)之間的連接，兩個槍體內的非轉移弧在工作氣體的作用下，拉長并拉出輔助電極，形成起始于一個槍體的主電極，交匯于兩槍體的軸線交點處，終止于另一槍體的主電極的轉移弧。
2.根據權利要求1所述的一種交叉型轉移弧等離子噴槍，其特征在于所述的槍體包 括輔助進氣室(1)、主電極(2)、主進氣室(3)、輔助電極(4)、主進氣室體(5)、內筒(6)、外 筒(7)、隔離絕緣筒(8)、前法蘭(9)、絕緣體(10)、后法蘭(11)和尾法蘭(12)，主電極(2) 和輔助電極(4)分別位于槍體的后端和前端，分別與主進氣室體(5)機械連接，主電極(2)、 輔助電極(4)和主進氣室體(5)之間形成的空腔為主進氣室(3)，輔助進氣室(1)設置在主 電極(2)的尾部，主電極(2)和主進氣室體(5)之間通過隔離絕緣筒(8)相互隔開，主進氣 室體(5)、內筒(6)、外筒(7)和前法蘭(9)焊接為一體，主電極(2)的尾端與尾法蘭(12)焊 接在一起，尾法蘭(12)通過螺栓與后法蘭(11)連接，后法蘭(11)通過螺栓與絕緣體(10) 和前法蘭(9)連接，輔助電極(4)位于槍體的出口處，通過螺紋與主進氣室體(5)連接。
3.根據權利要求2所述的一種交叉型轉移弧等離子噴槍，其特征在于所述的輔助進 氣室(1)和主進氣室(3)的內腔壁面上設有1 4排與內腔圓周切向的進氣孔，每排切向 進氣孔的數量為沿內腔徑向均布2 8個，每個槍體的輔助進氣室(1)和主進氣室(3)的 切向進氣方向一致。
4.根據權利要求1或2所述的一種交叉型轉移弧等離子噴槍，其特征在于所述的輔 助電極(4)的內徑為沿氣流方向呈收縮形狀，收縮的末端出口小于或等于主電極(2)的內 徑，輔助電極⑷的最小內徑為0. 3 1倍的主電極⑴內徑。
5.根據權利要求1所述的一種交叉型轉移弧等離子噴槍，其特征在于所述的主電極 (2)和輔助電極(4)采用抗氧化紫銅材料或銅合金材料制成，在內表面噴涂有抗氧化涂層。
6.根據權利要求1所述的一種交叉型轉移弧等離子噴槍，其特征在于所述的主電極 ⑵和輔助電極⑷為雙層中空管狀電極，內管的外壁開有通冷卻水的冷卻水槽。
7.根據權利要求1所述的一種交叉型轉移弧等離子噴槍，其特征在于所述的輔助電 極⑷的長度為主電極⑵內徑的2 5倍。
專利摘要一種交叉型轉移弧等離子噴槍，由兩個結構相同的槍體組成，兩槍體之間呈八字形結構分布，兩槍體軸線夾角為10～170°，兩個槍體的主電極通過電纜分別與電源的正負極連接，兩個槍體的輔助電極之間通過電纜或機械機構連接在一起形成等電位，每個槍體的主電極和輔助電極之間與高頻引弧裝置連接，噴槍工作時，在每個槍體的主電極和輔助電極之間形成非轉移弧，待兩個槍體內的非轉移弧穩定后，斷開兩個輔助電極之間的連接，兩個槍體內的非轉移弧在工作氣體的作用下，拉長并拉出輔助電極，形成起始于一個槍體的主電極，交匯于兩槍體的軸線交點處，終止于另一槍體的主電極的轉移弧。本實用新型通過將兩個獨立噴槍主電極分別與電源的正負極連接，使電弧的一部分被轉移到槍體外，由電弧直接對標的物進行加熱，解決了傳統轉移弧噴槍只能作用于導電材料的難題。
文檔編號H05H1/34GK201611977SQ20102011352
公開日2010年10月20日 申請日期2010年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者陳 峰, 陳連忠, 黃祥清 申請人:中國航天空氣動力技術研究院