[發明專利]一種非轉移弧等離子體炬的陽極及等離子體炬

有效

• 申請號: 200910184998.4
• 申請日: 2009-10-27
• 公開（公告）號: CN101699928A
• 公開（公告）日: 2010-04-28
• 發明（設計）人: 夏維東;陳佺;劉明侯;符仲恩;俞民
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H05H1/34
• 分類號: H05H1/34
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種用于加熱氣體的非轉移弧等離子體炬的陽極和具有這 種陽極的非轉移弧等離子體炬。

背景技術

直流電弧等離子體炬分為轉移弧和非轉移弧兩種基本形式：當電弧的 陽極和陰極不在同一個等離子體炬體上時，為轉移弧等離子體炬；當電弧 的陽極和陰極位于同一個等離子體炬體上時為非轉移弧電弧等離子體炬 (USP?2922869)。非轉移弧等離子體炬是依靠在等離子體炬內電弧放電產生 等離子體射流或高溫氣體射流，然后再加以利用，如高溫噴涂、冶金加熱、 材料表面處理、化工材料生產、輔助燃燒、廢物再生等等。限制電弧等離 子體炬使用的瓶頸主要是等離子體炬電極壽命不夠長，其次為較低能量利 用效率。如100kW量級的空氣非轉移弧等離子體炬，通常的電極壽命只有 不到100小時，而熱效率只有70％左右。自第一支電弧等離子體炬產生以 來，除了在應用功能上不斷產生新發明外，人們一直致力于等離子體炬本 身性能——電極壽命、能量利用效率的提高。例如：采用井型陰極(USP 3118046)、管型陰極或空心陰極(USP?4891490、CN?2733198Y)提高陰極壽 命，突擴型陽極噴嘴(USP?4570048、USP?5296670、USP?4587397)提高陽極 壽命，采用電磁線圈驅動電弧高速移動提高電極壽命(USP?3869593、CN 2479380Y)，采用多段氣流控制電弧提高電極壽命和能量利用效率(USP 4620080、USP?4535255)等。這些發明雖然提高了等離子體炬的某些性能， 但卻降低另外某些方面性能。例如：井型陰極相對于棒狀陰極、突擴型陽 極噴嘴相對于直管陽極，前者的陰極和陽極壽命雖有所提高，但能量損耗 都有所的增加；電磁線圈、多段氣流控制雖能提高電極壽命，但增加了等 離子體炬結構復雜性，使用和維護變得更加困難，此外也增加了等離子體 炬的外形尺寸，給等離子體炬與其它裝置設備的配合帶來了困難，限制了 等離子體炬的使用場合。除了電極壽命和熱效率性能指標外，電弧等離子 體炬的全面性能還包括具有寬工作參數范圍(如氣體壓力及電弧電流)、低的 電弧電壓波動范圍等。目前已有的技術中還難有較為全面的高性能非轉移 弧等離子體炬。

發明內容

本發明的目的是提供一種用于氣體加熱的非轉移弧等離子體炬的陽極 和由這種陽極構成的非轉移弧等離子體炬，與現有技術相比，能顯著提高 電極壽命或電弧功率、提高能量效率、拓寬工作參數范圍、簡化結構、減 小弧電壓波動等多項性能。

本發明的目的由以下原理方法實現：

(1)電極壽命與弧功率提高：陰極和陽極的損耗速率隨著弧電流的上升 而迅速增加是眾所周知的，因此降低電弧工作電流是提高陰極和陽極的壽 命最直接和最有效的手段。在功率一定的條件下，降低電弧電流就必須提 高弧電壓，而增加電弧長度是提高弧電壓最直接、最有效的方法。在弧電 流不變時，提高弧電壓使電弧功率成正比增加。此外提高弧根移動速度和 跳動頻率是降低陽極損耗速率、延長陽極壽命的有效手段。

(2)電弧控制方法：電弧長度提高意味著需要對電弧穩定約束和控制， 而提高電極壽命則需要弧根在電極上高速移動，兩者是相互矛盾的。本發 明采用熱陰極固定陰極弧根、高旋流度氣體流動實現長電弧弧柱穩定控制， 在臨近陽極噴嘴前設計一個擾流段，產生高頻強擾流，帶動陽極噴嘴內弧 柱的高速擺動從而實現陽極弧根的高速跳動。

(3)等離子體炬效率：等離子體炬的能量損失主要來自弧根對電極的加 熱以及弧柱與弧室之間的對流傳熱和輻射換熱。其中輻射換熱最低、對流 傳熱最大。降低電弧電流即可降低弧根在陽極和陰極上的能量損耗；本發 明還采用以下方法減小對流傳熱：采用氣冷壁減小穩定弧柱對陽極內筒的 傳熱，減小陽極噴嘴內面積從減小其與弧柱之間傳熱，在擾流區域增加陽 極壁熱阻減少高溫湍流氣體與陽極壁的對流傳熱。

(4)結構簡化與體積縮小：采用單級氣流控制電弧，簡化結構設計，縮 小等離子體炬的體積。

本發明的目的由以下方式實現。

參見圖1。