一种非转移弧等离子体炬的阳极及等离子体炬 【技术领域】
本发明涉及一种用于加热气体的非转移弧等离子体炬的阳极和具有这种阳极的非转移弧等离子体炬。
背景技术
直流电弧等离子体炬分为转移弧和非转移弧两种基本形式：当电弧的阳极和阴极不在同一个等离子体炬体上时，为转移弧等离子体炬；当电弧的阳极和阴极位于同一个等离子体炬体上时为非转移弧电弧等离子体炬(USP 2922869)。非转移弧等离子体炬是依靠在等离子体炬内电弧放电产生等离子体射流或高温气体射流，然后再加以利用，如高温喷涂、冶金加热、材料表面处理、化工材料生产、辅助燃烧、废物再生等等。限制电弧等离子体炬使用的瓶颈主要是等离子体炬电极寿命不够长，其次为较低能量利用效率。如100kW量级的空气非转移弧等离子体炬，通常的电极寿命只有不到100小时，而热效率只有70％左右。自第一支电弧等离子体炬产生以来，除了在应用功能上不断产生新发明外，人们一直致力于等离子体炬本身性能——电极寿命、能量利用效率的提高。例如：采用井型阴极(USP3118046)、管型阴极或空心阴极(USP 4891490、CN 2733198Y)提高阴极寿命，突扩型阳极喷嘴(USP 4570048、USP 5296670、USP 4587397)提高阳极寿命，采用电磁线圈驱动电弧高速移动提高电极寿命(USP 3869593、CN2479380Y)，采用多段气流控制电弧提高电极寿命和能量利用效率(USP4620080、USP 4535255)等。这些发明虽然提高了等离子体炬的某些性能，但却降低另外某些方面性能。例如：井型阴极相对于棒状阴极、突扩型阳极喷嘴相对于直管阳极，前者的阴极和阳极寿命虽有所提高，但能量损耗都有所的增加；电磁线圈、多段气流控制虽能提高电极寿命，但增加了等离子体炬结构复杂性，使用和维护变得更加困难，此外也增加了等离子体炬的外形尺寸，给等离子体炬与其它装置设备的配合带来了困难，限制了等离子体炬的使用场合。除了电极寿命和热效率性能指标外，电弧等离子体炬的全面性能还包括具有宽工作参数范围(如气体压力及电弧电流)、低的电弧电压波动范围等。目前已有的技术中还难有较为全面的高性能非转移弧等离子体炬。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种用于气体加热的非转移弧等离子体炬的阳极和由这种阳极构成的非转移弧等离子体炬，与现有技术相比，能显著提高电极寿命或电弧功率、提高能量效率、拓宽工作参数范围、简化结构、减小弧电压波动等多项性能。
本发明的目的由以下原理方法实现：
(1)电极寿命与弧功率提高：阴极和阳极的损耗速率随着弧电流的上升而迅速增加是众所周知的，因此降低电弧工作电流是提高阴极和阳极的寿命最直接和最有效的手段。在功率一定的条件下，降低电弧电流就必须提高弧电压，而增加电弧长度是提高弧电压最直接、最有效的方法。在弧电流不变时，提高弧电压使电弧功率成正比增加。此外提高弧根移动速度和跳动频率是降低阳极损耗速率、延长阳极寿命的有效手段。
(2)电弧控制方法：电弧长度提高意味着需要对电弧稳定约束和控制，而提高电极寿命则需要弧根在电极上高速移动，两者是相互矛盾的。本发明采用热阴极固定阴极弧根、高旋流度气体流动实现长电弧弧柱稳定控制，在临近阳极喷嘴前设计一个扰流段，产生高频强扰流，带动阳极喷嘴内弧柱的高速摆动从而实现阳极弧根的高速跳动。
(3)等离子体炬效率：等离子体炬的能量损失主要来自弧根对电极的加热以及弧柱与弧室之间的对流传热和辐射换热。其中辐射换热最低、对流传热最大。降低电弧电流即可降低弧根在阳极和阴极上的能量损耗；本发明还采用以下方法减小对流传热：采用气冷壁减小稳定弧柱对阳极内筒的传热，减小阳极喷嘴内面积从减小其与弧柱之间传热，在扰流区域增加阳极壁热阻减少高温湍流气体与阳极壁的对流传热。
(4)结构简化与体积缩小：采用单级气流控制电弧，简化结构设计，缩小等离子体炬的体积。
本发明的目的由以下方式实现。
参见图1。
本发明的非转移弧等离子体炬的阳极3为一具有气体入口端(箭头11所示)和出口端(箭头14所示)的金属圆筒，该金属圆筒内孔从位于阴极2前端面处、到工作气体出口端的一段构成电弧通道30，所述电弧通道30从阴极2前端面处到出口端依次分为稳定电弧段SA、扰流段SP和阳极喷嘴段AN。所述稳定电弧段SA电弧通道直径均匀；所述阳极喷嘴段AN电弧通道为一向出口端扩张的喇叭口形状；所述扰流段SP电弧通道直径大于所述稳定电弧段SA和所述阳极喷嘴段AN，所述扰流段SP是连接所述稳定电弧段SA和所述阳极喷嘴段AN之间的一个凹槽，形成所述扰流段SP两端相对于所述稳定电弧段SA及所述阳极喷嘴段AN的连接处的突扩台阶，所述台阶的高度(槽深)与所述扰流段长度(槽宽)比值1∶1～1∶10之间，最佳比值取1∶3到1∶5之间。
工作气体流入所述阳极电弧通道的方式为旋转方式。
本发明的非转移弧等离子体炬基本构成部件由阳极3、外形为圆形棒状阴极2和使气体产生旋转流动的旋流器1组成。阳极3的气体通道从气体进口端(箭头11所示)到气体出口端(箭头14所示)，轴向分段依次分为气体导流段IG、稳定电弧段SA、扰流段SP和阳极喷嘴段AN，其中气体通道的稳定电弧段SA、扰流段SP和阳极喷嘴段AN构成电弧通道30；阴极2位于阳极3气体导流段IG管内，阴极2前端指向气体出口端，阴极前端面位于气体通道气体导流段IG与稳定电弧段SA连接处；旋流器1位于气体通道气体导流段的阴极2和阳极3之间，阴极2、气体旋流器1和阳极3同轴布置；阳极3与阴极2之间由旋流器1支撑，隔离套4将阳极与阴极电隔离。
所述阴极2前端外形为圆台状，为高导电性、高导热性能地金属材料制成，在所述阴极2前端中心镶嵌由低电子逸出功和高熔点材料的发射电极21，如钨、铪、锆或以它们为主的合金，在阴极前端背面通水冷却。
所述阳极3喷嘴段AN的内孔为直管状或向气体出口端微张开的喇叭口状，所述阳极喷嘴段为高导热、高导电性能的金属材料制成，如银、铜、银铜合金等。
正常工作电弧5两端分别连接所述阴极2的前端中心所述发射电极21的端面和所述阳极喷嘴33的内孔表面332(参见图2)。
工作气体流入气体通道，进入所述气体导流段IG，经过所述气体旋流器1转变成旋转气流。通常旋流器出口气体流动的旋流数(旋转线速度与轴向速度比值)大于1，图1中12所示稳定电弧段气体流线大致说明了这一点。
所述气体通道从所述气体导流段IG过渡到所述稳定电弧段SA为逐渐收缩的喇叭口形状。旋转流动的气体通过收缩喇叭口后进入所述阳极稳定电弧段SA，旋转速度进一步提高，产生稳定的漩涡，将阴极弧根及电弧稳定电弧段弧柱限制在轴心位置；同时旋转气体在弧柱外围形成气冷壁，阻止弧柱5对阳极3内壁的传热。
本发明通过增加电弧长度、主要是稳定电弧段长度来提高弧电压。对于采用单级气流约束长弧，采用强旋转气流更加有利，但带来问题是阳极弧根轴向移动范围大，很容易跑出阳极喷嘴端部，并驻留在端部引起端部快速烧损。
为了解决上述问题，在阳极弧根运行的所述阳极喷嘴段前设计了一个扰流段，使旋转气流不再具有稳定漩涡，同时产生强烈的高频湍动来扰动电弧，使喷嘴段的电弧能高速碰撞阳极喷嘴，产生阳极弧根的高频跳动。
所述电弧通道稳定电弧段直径均匀，经过所述电弧通道电弧稳定段后，虽然旋转速度有所衰减，被电弧加热后气体轴向流动速度也有所提高，但气体流出所述稳定电弧段时仍有很大的旋转速度和旋流数，特别是在弧柱外侧流动的气体，图1中12所示稳定电弧段出口附近气体流线大致说明了这一点。
在所述扰流段SP与所述稳定电弧段SA连接处的突扩台阶处，旋转流动的气流突然扩张，并与具有更高轴向流动速度电弧弧柱相耦合，在所述突扩台阶后角形区域产生强烈的漩涡；流出所述扰流段的气体在所述扰流段与所述阳极喷嘴段连接处的收缩台阶前角形区域也产生强烈的漩涡；图1中12所示扰流段气体流线大致说明了这一点。所述扰流段两端台阶角形区域的漩涡以及与内部复杂流场的耦合及与电弧不稳定性之间的耦合，使气体在所述扰流段产生高频湍动，电弧弧柱5随高频湍动气流高速扭动，图1中虚线13大致示意了电弧弧柱的摆动范围。
在所述阳极喷嘴段AN，高速扭动的弧柱在靠近临近扰流段一端不断地随机高频碰撞阳极喷嘴内壁产生新的阳极弧根，阳极弧根在高速气流作用下向阳极喷嘴出口处高速移动，实现阳极弧根在阳极喷嘴内表面空间上的均匀分布。
相对于只有突扩台阶的喷嘴而言，扰流段SP相对于稳定电弧段SA和阳极喷嘴段AN两端的突扩台阶都产生强烈的扰动，两端扰动相互耦合，湍动频率相互叠加，使喷嘴段AN电弧摆动频率增加，从而使电弧弧柱与喷嘴碰撞周期缩短，加之缩小的阳极喷嘴直径，提高了弧柱与阳极喷嘴内壁的碰撞频率，限制了阳极弧根在喷嘴上轴向移动范围。因此可缩短阳极喷嘴的轴向长度设计，弧根也不会被气流吹出喷嘴出口端部和在端部停留而烧损喷嘴端部。
进入稳定电弧段气流的旋流数通常大于1。高的旋流数对于阴极弧根的限制、在稳定电弧段弧柱的稳定、在扰流段扰动对阳极弧根在阳极喷嘴跳动频率和轴向位置控制等都是有利的；过高的旋流数增加了气体流动阻力，需要提高工作气体的供应压力。
阳极喷嘴的直径小于阳极扰流段直径，相对于扰流段，喷嘴处气流速度有了提高，从而提高阳极弧根在喷嘴上的轴向移动速度，有利于降低阳极弧根的驻留时间，从而降低阳极喷嘴损耗速率；喷嘴内表面积的减小同时降低了紊流高温气体对阳极喷嘴的传热。
进一步在阳极扰流段内壁和扰流段与喷嘴段连接端面填衬耐高温绝缘、保温材料6、7，如陶瓷纤维预制件、多孔陶瓷、泡沫陶瓷，或在内壁表面沉积、喷涂Al2O3陶瓷等，阻止高湍流度的高温气体对阳极内筒传热，减小能量损耗，提高等离子体炬能量转换效率。
阳极扰流段内壁填衬的耐高温绝缘、保温材料同时防止电弧在扰流段与阳极导电壁接触，加上稳定电弧段旋流气体限制电弧不能接触稳定电弧段阳极壁，使阳极弧根只能落在阳极喷嘴上。即使气体流量显著减小，工作电弧的阳极弧根也只能落在阳极喷嘴段AN，电弧长度也没有显著改变，因此电弧电压随工作气体压力没有很大的改变。
本发明是通过增加阳极管内电弧段的长度特别是稳定电弧段SA的长度来提高电弧电压。所述稳定电弧段SA长度与所述阳极电弧段(SA+SP+AN)长度比值在1∶3到9∶10之间。
下面通过实施例及其附图作进一步说明。
【附图说明】
图1是本发明所述阳极及非转移弧等离子体炬的一种基本结构纵剖面示意图。
图2是本发明所述阳极及等离子体炬一则实施实例纵剖面结构示意图。
图3、图4和图5是本发明阳极扰流段三则实施实例纵剖面结构示意图。
【具体实施方式】
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
附图2中示意的本发明的非转移弧等离子体炬的阳极以及由这个阳极构成的非转移弧等离子体炬的一个应用实例的基本结构，由旋流器1、阴极组件2、阳极组件3XY、隔离套4组成。阳极组件内孔从气体进口端(图2中箭头11所示)到出口端(图2中箭头14所示)分为气体导流段IG以及电弧通道30的稳定电弧段SA、扰流段SP和阳极喷嘴段AN。旋流器1、阴极2布置在阳极组件之阳极筒34的气体导流段IG内，旋流器1位于阳极组件之阳极筒34与阴极2之间，它们之间同轴布置，隔离套4将阳极筒34与旋流器1和阴极2电隔离。
阴极2前端面位于气体导流段IG与稳定电弧段联结处。阴极2前端外形为圆台状，以配合喇叭口31形状使阴极前端最大可能伸入喇叭口时，减少气体流入喇叭口产生的阻力。阴极2前端外直径最大处大于等于所述阳极气体导流段喇叭口最小直径，以方便引弧。在阴极组件2前端中心镶嵌有圆柱形的低电子选出功的金属或金属合金21，在其背面使用通常技术的通水冷却。
阳极组件由水冷组件和气体通道组件构成。
隔水套342及阳极筒34与喷嘴33组成通常技术的夹层套筒冷却水通路，以冷却阳极喷嘴33及阳极筒34和与电弧通道30相关的其它部件。喷嘴33与阳极筒34及外筒341之间的连接可以是焊接或螺纹等其它的机械连接方式，但须保证密封，且保证喷嘴33与阳极筒34及外筒341之间良好的电接触，以便提供阳极电流通路。
与气体通道和电弧通道30相关的阳极组成部件和材料为喇叭口31、内筒32、阳极喷嘴33、阳极筒34，以及扰流段SP的扰流台阶8、内筒保温层7和喷嘴保温层6。这些部件的横剖面均为圆形环状结构，它们都同轴布置。喇叭口31、内筒32和喷嘴33都与阳极筒34保持良好的电接触，以便提供阳极电流通路。电弧通道内壁部件和材料从气体进口到出口轴向依次相连为喇叭口31、内筒32、扰流段SP阳极筒34和位于扰流段中间的扰流台阶8以及覆盖两者保温层7、覆盖阳极喷嘴33前端面喷嘴保温层6和阳极喷嘴33。阳极筒34为阳极气体通道和电弧通道的支撑部件，其中扰流段SP的阳极筒34保温层7、喷嘴保温层6一般是由电绝缘材料制成，其它都为金属材料制成。
本发明的电弧等离子体炬启动电弧的方法和过程是，轴向移动阴极2使其前端端面外缘与喇叭口31接触短路引弧；在阴极返回工作位置后，阴极弧根在旋转气流的作用下，移动到阴极前端中心的发射电极21前端面上，阴极弧根51稳定在阴极中心；阳极弧根在气流作用下自喇叭口31、沿内筒32内壁向阳极喷嘴33方向移动，在内筒32与扰流段结合处的内筒32端面或拐角处驻留，而弧柱5在气流作用下向阳极喷嘴33方向延伸直至与阳极喷嘴接触击穿，阳极弧根跳至阳极喷嘴33内表面332，完成电弧启动过程。
正常工作电弧5两端的阴极弧根51和阳极弧根52分别连接阴极2的前端中心发射电极21的端面和阳极喷嘴33的内孔表面332。
喇叭口31轴向位置位于电弧通道的始端——阴极前端，是气体导流段IG与稳定电弧段SA过渡处，沿气流方向收缩的喇叭口实现旋转气流进入稳定电弧段的平滑过渡和旋转加速。作为电弧启动时阳极弧根产生地，喇叭口31通常由高导热、高导电性能的金属材料制成，如银、铜、或银铜合金、或银、铜与其它耐高温的金属制成的合金。
占稳定电弧段SA大部分长度的内筒32与喇叭口31紧联，连接处直径相等，平滑过渡，内筒内直径均匀，也可以是缓慢均匀收缩，内表面光滑，这些都是为了减少对旋转气流阻力，从而有利于电弧稳定和使气流在内筒32出口时旋转速度不至于衰减过多。
内筒32全长和喇叭口一部分构成稳定电弧段全长。为了提高电弧电压，可以通过加长稳定电弧段SA长度来加长电弧。稳定电弧段SA长度通常占电弧通道总长(SA+SP+AN)的比例为1∶3到9∶10。
内筒32用于限制稳定电弧的旋转气流，也是电弧启动过程阳极弧根从喇叭口31向阳极喷嘴33转移的过渡段，通常用金属材料制成，由于有旋转气流冷却和与有水冷的阳极筒34之间的接触和直接传热，通常内筒32温度不高，可用普通钢、不锈钢、铜等。
喇叭口31、内筒32、阳极筒34可以两两或三者是一个整体，可用钢、不锈钢、铜或铜合金等金属材料制成。
连接内筒32的出口(稳定电弧段SA出口)的是扰流段SP。扰流段SP电弧通道是一个直径大于内筒32出口端直径、且大于扰流段SP出口相接的阳极喷嘴33入口端直径的凹槽(图1)。为了提高扰动频率，在扰流段凹槽增设多个凸形台阶，形成多个串接的凹槽。在图2的实施实例中，在扰流段SP的凹槽的中间设置了一个凸形台阶8将扰流段SP段分成了两个凹槽。在凹槽的气体流入端和流出端的角形区域漩涡产生的扰动带动电弧摆动，两个凹槽产生的气流扰动频率相互叠加，提高了电弧摆动频率，有利于减小阳极弧根52在喷嘴33内表面332上的轴向移动范围，从而可缩短喷嘴的设计长度。
两个凹槽的长度可以相等，也可以有所区别。凹槽的两边可以是直角台阶，也可以是梯形台阶或其他异形结构，本例中凹槽的气体流入端为直角台阶，凹槽的气体流出端为底窄口宽的梯形台阶。在凹槽台阶底部和顶部拐角处可以由圆弧过渡。台阶顶部处最小直径一般大于或等于内筒32出口直径，在图2的实例中两者相等。
在阳极喷嘴33与扰流段SP连接处端面覆盖保温层6，在扰流段内壁及凸形台阶8内表面及端面填衬保温层7；保温层6、7用耐高温的绝热、绝缘材料制成，如，陶瓷纤维预制件、多孔陶瓷、泡沫陶瓷，或在内壁表面沉积、喷涂Al2O3陶瓷。
凸形台阶8本体可以是与阳极筒34为同种材料或一个整体，也可直接用耐高温的绝缘材料如陶瓷材料制成。对于后者不需要再填衬保温层。在附图3实施实例中，扰流段SP内表面及喷嘴与扰流段连接处端面的保温层、以及凸形台阶三者整体是用耐高温的绝热、绝缘材料制成的扰流块78，形成两个凹槽，其中凹槽两边都是梯形台阶，当然也可以制成直角台阶。
附图4中扰流段实施实例中，由3件同型的扰流块781、782、783串联而成，与内筒32出口端面及喷嘴33入口端面配合形成相同形状3个凹槽，在凹槽气体流入端台阶拐角内角为直角、流出端台阶拐角内角微大于90°。
附图5中扰流段实施实例中，扰流块由绝缘耐火材料制成一个整体，由相似形状3个三角形凹槽串接。
阳极喷嘴33位于电弧通道的气体出口端，其内孔形状是一个向出口方向张开的喇叭口形状，也可以是直筒状，其内孔直径最小处通常设计成不小于内筒32的出口处直径，以便不过多的增加气阻。在阳极喷嘴烧损过程中，大部分工作寿命时段内阳极喷嘴直径总是大于内筒32的出口处直径。
阳极喷嘴33内孔直径小于扰流段凹槽直径，第一为了形成扰流段与喷嘴段联结处的收缩台阶，能产生有效气流扰动；其次是为了提高气流在喷嘴内的速度从而提高阳极弧根移动速度，降低阳极喷嘴损耗率；同时阳极喷嘴内表面的减小也降低了阳极的热损耗。
阳极喷嘴33需要用高导热、高导电性能的金属材料制成，对于工作气体具有氧化性的气体，还需要喷嘴材料具有耐高温氧化性能，可用银、铜、或银铜合金、或银、铜与其它耐高温的金属制成的合金制造。
下面提供一个图2实施实例具体工作参数，其中阴极电子发射极以锆合金制作，阳极喷嘴以铜合金制作：
等离子体炬外直径D85
电弧通道长度500
等离子体炬功率120kW
电弧平均电压600V、电弧电流200A
电弧电压波动：±10％，＞1kHz
工作气体流量80Nm3/h(空气)
电弧稳定的工作气体压力范围4kPa～20kPa(电弧电流200A时)
电弧稳定的电弧电流范围100A～400A
阴极寿命大于500h、阳极寿命大于2000h
热转换效率＞90％。
与现有技术相比，本发明非转移弧等离子体炬能显著提高电极寿命或电弧功率，提高能量效率，拓宽工作参数范围、减小弧电压波动等多项性能。本发明仅用单级气流控制电弧，相对于多级气流或外磁场控制电弧，结构简化很多，且外形尺寸小。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。