[實(shí)用新型]一種電弧通道直徑異形的電弧等離子體炬

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201320447134.9
• 申請(qǐng)日: 2013-07-25
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN203352934U
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏維東;方立;陳佺;符中恩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安徽省新能電氣科技有限公司
• 主分類號(hào): H05H1/34
• 分類號(hào): H05H1/34
• 代理公司: 合肥天明專利事務(wù)所 34115
• 代理人: 金凱

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及用來(lái)加熱氣體的直流非轉(zhuǎn)移弧等離子體炬技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種電弧通道直徑異形的電弧等離子體炬。

背景技術(shù)

電弧等離子體炬是將氣體溫度提升到3000K以上的最常用的加熱器。直流電弧等離子體炬分為轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧兩種基本形式：當(dāng)電弧的陽(yáng)極和陰極不在同一個(gè)等離子體炬體上時(shí)，為轉(zhuǎn)移弧等離子體炬；當(dāng)電弧的陽(yáng)極和陰極位于同一個(gè)等離子體炬體上時(shí)，為非轉(zhuǎn)移弧等離子體炬。非轉(zhuǎn)移弧等離子體炬是依靠在等離子體炬內(nèi)電弧放電產(chǎn)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(chǎn)、輔助燃燒、廢物再生等。

目前，影響電弧等離子體炬使用的兩個(gè)關(guān)鍵因素是電極使用壽命短和能量利用效率低（熱損耗大），如100~200KW量級(jí)的空氣非轉(zhuǎn)移弧等離子體炬，通常只有不到100小時(shí)的電極壽命，能量利用效率也只有60~70%左右。以前的實(shí)用新型多注重于解決局部問(wèn)題，如采用大體積井型冷陰極延長(zhǎng)陰極使用時(shí)間（ZL?200420063609.5、USP?003806698、USP?05239162），采用突擴(kuò)型陽(yáng)極噴嘴提高陽(yáng)極壽命（USP?5296670、USP?5374802、USP4587397），采用電磁線圈（USP?3869593、CN?2479380Y）、多段氣流控制（ZL?200420063609.5、USP?003806698、USP?05239162）提高電極壽命等。這些實(shí)用新型雖然提高了等離子體炬的電極壽命，但卻降低了其他面的某些方性能。例如，井型冷陰極相對(duì)于棒狀熱陰、突擴(kuò)型陽(yáng)極噴嘴相對(duì)于直管型陽(yáng)極噴嘴，因促使電極弧根移動(dòng)的氣流引起的對(duì)流傳熱的增加，以及電極面積的增大，使能量損耗顯著增加；此外，突擴(kuò)型陽(yáng)極噴嘴的弧壓波動(dòng)是直管型陽(yáng)極噴嘴的兩倍以上；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的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，使用和維護(hù)變得更加困難，此外由于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(shè)備的配合帶來(lái)了困難，限制了等離子體炬的使用場(chǎng)合。?

眾所周知，陰極和陽(yáng)極的損耗速率隨著電弧電流的上升而迅速增加，因此降低電弧工作電流是提高陰極和陽(yáng)極壽命的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電弧電壓，而在電弧電流一定時(shí)，增加電弧電壓即可提高電弧功率。因此，提高電弧電壓是提高電弧功率和電極壽命最有效的方法。此外，提高弧根移動(dòng)速度和跳動(dòng)頻率是降低陽(yáng)極損耗速率、延長(zhǎng)陽(yáng)極壽命的有效手段。

等離子體炬的能量損失主要來(lái)自弧根對(duì)電極的加熱以及弧柱與弧室之間的對(duì)流傳熱和輻射換熱。其中對(duì)流傳熱最大，而輻射換熱最低，幾乎可以忽略?；「鶎?duì)電極的加熱隨著電弧電流的上升而增加，因此降低電弧電流即可降低弧根在陰極和陽(yáng)極上的能量損耗。冷陰極弧根對(duì)電極傳熱大于熱陰極。電弧與電極之間的對(duì)流傳熱主要來(lái)自于因控制電極弧根行為而產(chǎn)生高溫氣體的紊流。綜上，降低電弧電流可以降低弧根對(duì)電極的加熱；采用熱陰極（固定陰極弧根）代替冷陰極，可以避免冷陰極方式下弧根對(duì)電極的加熱以及高溫氣體紊流對(duì)電極的傳熱；減小紊流區(qū)高溫氣體與電極的接觸面積以及減小陽(yáng)極噴嘴的內(nèi)表面積，可以降低弧柱與弧室之間的傳熱；在非弧根紊流區(qū)增加陽(yáng)極壁熱阻，可以降低高溫湍流氣體與陽(yáng)極壁的對(duì)流傳熱。

由以上分析可知，提高電弧功率、熱效率和電極壽命的主要方法在于提高電弧電壓，其次在于降低高溫氣體與電極之間的對(duì)流傳熱。

提高電弧電壓的方法在于提高電弧電場(chǎng)強(qiáng)度和電弧長(zhǎng)度。USP?3297899公開(kāi)了一種具有“束腰”形狀陽(yáng)極電弧通道的等離子體炬，通過(guò)“束腰”在其上游產(chǎn)生高氣壓區(qū)域，從而提高電弧電壓和產(chǎn)生高功率電弧，但公布的熱效率不到42%，更多的是由于下游噴嘴表面積過(guò)大，產(chǎn)生過(guò)多傳熱損失所致。USP4570048及其同族專利USP4656330公開(kāi)了一種類似的電弧通道收縮的陽(yáng)極，采用突擴(kuò)陽(yáng)極噴嘴，其電流運(yùn)行范圍可以拓展到20~400A，熱效率可以達(dá)到80%，但弧電壓（氮?dú)猓┮仓挥?00V左右。USP?4896017?公開(kāi)的陽(yáng)極與USP4570048、USP4656330非常相近的收縮電弧通道和突擴(kuò)陽(yáng)極噴嘴，只是在縮口與突擴(kuò)之間將前者的“刀口”過(guò)渡結(jié)構(gòu)改為“梯形”過(guò)渡結(jié)構(gòu)，其在熱效率方面較前者有所提高，但電弧電壓更低。ZL?200910184998.4公開(kāi)了一種電弧等離子體炬，通過(guò)在噴嘴前（上游）設(shè)置凹槽擾流段，減少電弧電壓波動(dòng)范圍，拓寬氣體壓力及電弧電流等工作參數(shù)范圍、熱效率可以達(dá)到90%，但從公開(kāi)的技術(shù)參數(shù)和已有經(jīng)驗(yàn)判斷，空氣電弧電壓在500V左右，難以獲得更高的功率。