提高大功率等離子管式電極燒蝕壽命的方法研究

敬敏 劉彥濤

摘 要：本文介紹了一種能很好解決大電流、高電壓的大功率等離子管式陰陽(yáng)極發(fā)生器的燒蝕壽命方法。這種方法是通過(guò)在發(fā)生器的管式陰極和管式陽(yáng)極上匹配與之相適應(yīng)的電磁線圈，通過(guò)改變電磁線圈的電流波形、大小、頻率，從而改變交變磁場(chǎng)的大小，通過(guò)磁場(chǎng)的變化來(lái)約束等離子弧的旋轉(zhuǎn)與移動(dòng)，再匹配尾氣的調(diào)節(jié)，使得等離子弧在一定的軸向區(qū)間內(nèi)，以可控的速度旋轉(zhuǎn)掃描，減小燒蝕速率，從而提高等離子弧對(duì)管狀銅電極的燒蝕壽命。該方法已經(jīng)通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證，取得了預(yù)期的良好效果。

關(guān)鍵詞：電磁線圈;燒蝕速率;管式等離子陰陽(yáng)極發(fā)生器

中圖分類號(hào)：V439 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）21-0070-02

0 引言

節(jié)能減排已經(jīng)提升為國(guó)家戰(zhàn)略，節(jié)能減排對(duì)一些燃燒領(lǐng)域來(lái)說(shuō)尤為必要和重要。隨著等離子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域采用等離子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火或者燃燒，能達(dá)到節(jié)能減排的效果，比如在燃煤熱電廠、垃圾燃燒、危廢處理、固廢處理等眾多領(lǐng)域，等離子技術(shù)越來(lái)越多的被使用，但是在一些特殊的工藝場(chǎng)合需要采用大功率的等離子燃燒技術(shù)，功率增大，電流也隨之增大，但是隨著電流的增大，等離子的陰陽(yáng)極燒蝕壽命短便成為瓶頸，特別是陰極，所以要使等離子技術(shù)在更多領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，解決等離子使用壽命成了一大關(guān)鍵難題。本文通過(guò)研究國(guó)內(nèi)國(guó)際一些參考資料或文獻(xiàn)，提出了一種提高管狀銅電極的等離子體炬在大功率大電流下的燒蝕壽命的方法。解決了大功率等離子炬在垃圾焚燒、危廢處理、固廢處理、以及航空航天所需的大功率等離子發(fā)生器壽命短的瓶頸問(wèn)題。在產(chǎn)品中取得良好效果。

1 等離子弧燒蝕原因分析

1.1 等離子體燒蝕機(jī)理分析

等離子體電弧源自于電極間氣隙擊穿形成的火花放電。電弧形成以后，電子在陰極的電場(chǎng)中被加速，達(dá)到足以使原子碰撞電離的能量，同時(shí)使得從陰極發(fā)射電子的過(guò)程得以維持。如果增大放電的電流強(qiáng)度，那么電子碰撞的次數(shù)就增加。在熱致電離中，電子的溫度接近于離子和中性粒子的溫度。在管狀銅電極的軸線式等離子體炬中，電弧運(yùn)動(dòng)的最簡(jiǎn)單形態(tài)如果在旋轉(zhuǎn)氣體的流場(chǎng)中，電弧徑向段的轉(zhuǎn)動(dòng)平面垂直于管狀電極的軸線并在空間中保持固定。這樣弧斑就沿著圓周方向運(yùn)動(dòng)，根據(jù)高速攝影的分析結(jié)果，弧斑以約9m/S的速度沿圓周方向持續(xù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)弧電流增大超過(guò)臨界電流強(qiáng)度的閾值是，電極的燒蝕速率就會(huì)增大。如果使弧斑在徑向旋轉(zhuǎn)和軸向掃描，控制速率，比燒蝕將會(huì)存在2個(gè)數(shù)量級(jí)的降低。所以為了延長(zhǎng)管狀銅電極的燒蝕壽命，盡量讓等離子弧在管狀銅電極的內(nèi)表面停留的時(shí)間足夠短。那么就只有讓等離子在徑向的旋轉(zhuǎn)速度加快，并且在管狀銅電極的內(nèi)表面一定區(qū)間范圍內(nèi)掃描移動(dòng)。這樣周而復(fù)始的循環(huán)。為了使得弧的運(yùn)動(dòng)可控，采用磁場(chǎng)對(duì)等離子弧作徑向約束。如果弧斑在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，在軸向疊加0.1T的磁場(chǎng)，4～6Hz的頻率相對(duì)于某一個(gè)垂直于電極軸線的平面往復(fù)平動(dòng)，在這種情況下，弧斑沿電極軸線方向運(yùn)行掃描的范圍是通道直徑的2～3倍。在弧斑沿圓周以15m/S的速度繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)一圈弧斑沿軸線方向發(fā)生的位移是1～2mm。即弧斑在沿螺旋線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，以每轉(zhuǎn)一圈平移1～2mm的速度向電極表面較冷的部分發(fā)生位移。通過(guò)分析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，陰極的比燒蝕的水平是10-9次方kg/C。陽(yáng)極的比燒蝕在10-11次方kg/C。弧電流在600A，B=0.1T，D=50mm，工作氣體G=6g/s的實(shí)驗(yàn)工況下，銅電極比燒蝕降低，所以在管狀銅電極內(nèi)，陰陽(yáng)極中電弧施加氣動(dòng)—交變磁場(chǎng)軸向掃描，可以大幅度提高等離子管狀電極的使用壽命。弧斑運(yùn)動(dòng)軌跡和施加電磁場(chǎng)如圖1所示。

1.2 電磁場(chǎng)對(duì)等離子弧的約束分析

參考其它文獻(xiàn)的一些結(jié)論，為了延長(zhǎng)管狀銅電極的燒蝕壽命，盡量讓等離子弧在管狀銅電極的內(nèi)表面停留的時(shí)間足夠短。那么就只有讓等離子在徑向的旋轉(zhuǎn)速度加快，并且在管狀銅電極的內(nèi)表面一定區(qū)間范圍內(nèi)掃描移動(dòng)。因?yàn)榻蛔兊碾妶?chǎng)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，在電磁線圈中通以交變的電流，隨即將產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。所以在管狀銅電極內(nèi)，陰極中電弧施加氣動(dòng)—交變磁場(chǎng)軸向掃描。由于弧根在管狀銅電極內(nèi)表面的瞬態(tài)近乎垂直，在磁場(chǎng)力的作用下，由于切割磁力線，弧斑受磁場(chǎng)力、表面張力、氣體的旋轉(zhuǎn)力，合力將使得等離子弧根沿著不同的軌跡做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。與之匹配的掃描頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度大小使得弧斑在電極內(nèi)表面旋轉(zhuǎn)與移動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與研究

2.1 原理驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電弧在電磁場(chǎng)作用力作用下的運(yùn)動(dòng)特征，特別試制了高壓起弧裝置10000V、鎢針電極、電磁線圈。為了辨別肉眼辨識(shí)清楚弧根的運(yùn)行軌跡，在微電流、高電壓作用下高壓起弧。無(wú)空氣旋轉(zhuǎn)力作用，電磁線圈通以直流200A電流，目的是辨識(shí)電磁場(chǎng)作用下，弧根的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)驗(yàn)裝置：電磁線圈通直流200A，電磁場(chǎng)強(qiáng)度用高斯計(jì)測(cè)得Gs=162。鎢針一電極連接內(nèi)部鋁環(huán)，另一端尖端靠近圓環(huán)中心位置，直徑為12mm的圓孔，當(dāng)上電高壓起弧后，弧根沿圓周旋轉(zhuǎn)。

2.2 大功率管狀銅電極等離子炬

通過(guò)原理驗(yàn)證之后，設(shè)計(jì)與試制了大功率管狀銅電極等離子體炬發(fā)生器，此發(fā)生器陽(yáng)極前端套一電磁線圈，外徑120mm，內(nèi)徑20mm，陰極中部套一電磁線圈，外徑120mm，內(nèi)徑20mm。中間通以旋轉(zhuǎn)氣體。尾部預(yù)留一路旋轉(zhuǎn)氣體。實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖鑒于保密要求，所以省略。

2.3 不同電磁場(chǎng)強(qiáng)度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了在大功率等離子體炬上驗(yàn)證大功率大電流條件下的等離子弧根的旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)情況和燒蝕情況，試制了幾種不同規(guī)格的的電磁線圈，列舉一種有代表性的電磁線圈在正反向連接、不同電流和場(chǎng)強(qiáng)大小、不同結(jié)構(gòu)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

為了更為清晰直觀的反應(yīng)電磁線圈在電磁場(chǎng)正向（根據(jù)流過(guò)電磁線圈的電流方向判斷電磁場(chǎng)的方向和氣體的旋轉(zhuǎn)方向同方向）作用下、和電磁場(chǎng)反向（根據(jù)流過(guò)電磁線圈的電流方向判斷電磁場(chǎng)的方向和氣體的旋轉(zhuǎn)方向反方向）作用下，在不同的進(jìn)氣量和不同的電磁場(chǎng)強(qiáng)度下，等離子弧在電壓上的變化來(lái)間接的反應(yīng)等離子弧在不同磁場(chǎng)作用的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)影響。

利用上述實(shí)驗(yàn)裝置，在電磁線圈中，通以交變的的電流，以不同的波形如：正弦波、三角波、方波，頻率在1Hz～2KHz范圍內(nèi)，電流調(diào)節(jié)范圍在10A～1000A區(qū)間，通過(guò)電磁線圈做實(shí)驗(yàn)。在多種工況下，作出的數(shù)據(jù)與實(shí)物燒蝕照片，充分驗(yàn)證在不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度的約束下，使得等離子弧旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)。從而使得管狀銅電極的燒蝕壽命大大的延長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的研究可得下述幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）通過(guò)參考國(guó)內(nèi)國(guó)際一些對(duì)大功率等離子體燒蝕機(jī)理的深度分析，結(jié)合自有的大功率等離子體炬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，借助于電磁場(chǎng)對(duì)等離子弧的約束的原理和理論模型分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)電磁場(chǎng)對(duì)等離子弧的約束在微觀上有了更深層次的認(rèn)知，并對(duì)等離子弧在高溫下對(duì)管狀銅電極的燒蝕分析，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電磁場(chǎng)對(duì)大功率等離子的約束能力和可控性。

（2）通過(guò)在自主研發(fā)的大功率管狀銅電極的等離子發(fā)生器上進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)比了無(wú)電磁線圈和有電磁線圈對(duì)等離子弧不約束和有電磁場(chǎng)約束的多種工況下，等離子弧對(duì)管式銅電極的燒蝕效果對(duì)比。

（3）通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了，等離子弧的微觀運(yùn)動(dòng)軌跡和可約束性，電磁線圈的電流越大，磁場(chǎng)越強(qiáng)，對(duì)等離子弧的約束作用就越強(qiáng)。

（4）通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在電磁線圈中，通過(guò)不同頻率、不同波形的電流，在電磁線圈中產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，約束弧根的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，從而保證了弧根的旋轉(zhuǎn)速率和掃描寬度。

（5）通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電磁線圈約束弧的旋轉(zhuǎn)與移動(dòng)可以使得大功率等離子炬在大電流高電壓下，燒蝕壽命大大提高?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，在350A的工況下，等離子體陰極的燒蝕壽命目前從最初的3個(gè)小時(shí)，提高到現(xiàn)在的幾十個(gè)小時(shí)，隨著等離子炬的結(jié)構(gòu)的完善，氣體和電流電磁場(chǎng)大小的匹配，此方案可以將大功率等離子炬的陰陽(yáng)極使用壽命提高到數(shù)百小時(shí)。此裝置也在進(jìn)一步的優(yōu)化和完善。

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