CN103354695A

CN103354695A - 一种电弧通道直径异形的电弧等离子体炬

Info

Publication number: CN103354695A
Application number: CN2013103160277A
Authority: CN
Inventors: 夏维东; 方立; 陈佺; 符中恩
Original assignee: ANHUISHENG XINNENG ELECTRICITY SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ANHUISHENG XINNENG ELECTRICITY SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: CN103354695B

Abstract

本发明提供一种电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，包括阳极、阴极和环状气体旋流器，阳极为一内孔直径异形的圆管，阴极位于阳极圆管的内孔内，气体旋流器位于阴极前端与阳极之间，气体旋流器和阴极与阳极圆管内孔同轴布置，阳极圆管布置阴极的一端为气体流入端，另一端为气体流出端，阳极圆管从气体流入端到气体流出端轴向依次分为气体导入段、直管段或渐缩段、收缩段、凹槽段以及喷嘴段；直管段或渐缩段、收缩段、凹槽段和喷嘴段阳极圆管的内孔构成阳极电弧通道；气体旋流器环壁上开设有切向气流通道，用于将气体引入气体旋流器内孔以产生涡旋气流。本发明结构简单，可以显著提高电弧功率、电极寿命和能量利用效率。

Description

一种电弧通道直径异形的电弧等离子体炬

技术领域

本发明涉及用来加热气体的直流非转移弧等离子体炬技术领域，具体是一种电弧通道直径异形的电弧等离子体炬。

背景技术

电弧等离子体炬是将气体温度提升到3000K以上的最常用的加热器。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，为非转移弧等离子体炬。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。

目前，影响电弧等离子体炬使用的两个关键因素是电极使用寿命短和能量利用效率低（热损耗大），如100~200KW量级的空气非转移弧等离子体炬，通常只有不到100小时的电极寿命，能量利用效率也只有60~70%左右。以前的发明多注重于解决局部问题，如采用大体积井型冷阴极延长阴极使用时间（ZL 200420063609.5、USP 003806698、USP 05239162），采用突扩型阳极喷嘴提高阳极寿命（USP 5296670、USP 5374802、USP4587397），采用电磁线圈（USP 3869593、CN 2479380Y）、多段气流控制（ZL 200420063609.5、USP 003806698、USP 05239162）提高电极寿命等。这些发明虽然提高了等离子体炬的电极寿命，但却降低了其他面的某些方性能。例如，井型冷阴极相对于棒状热阴、突扩型阳极喷嘴相对于直管型阳极喷嘴，因促使电极弧根移动的气流引起的对流传热的增加，以及电极面积的增大，使能量损耗显著增加；此外，突扩型阳极喷嘴的弧压波动是直管型阳极喷嘴的两倍以上；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的结构复杂性，使用和维护变得更加困难，此外由于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。

众所周知，阴极和阳极的损耗速率随着电弧电流的上升而迅速增加，因此降低电弧工作电流是提高阴极和阳极寿命的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电弧电压，而在电弧电流一定时，增加电弧电压即可提高电弧功率。因此，提高电弧电压是提高电弧功率和电极寿命最有效的方法。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。

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。其中对流传热最大，而辐射换热最低，几乎可以忽略。弧根对电极的加热随着电弧电流的上升而增加，因此降低电弧电流即可降低弧根在阴极和阳极上的能量损耗。冷阴极弧根对电极传热大于热阴极。电弧与电极之间的对流传热主要来自于因控制电极弧根行为而产生高温气体的紊流。综上，降低电弧电流可以降低弧根对电极的加热；采用热阴极（固定阴极弧根）代替冷阴极，可以避免冷阴极方式下弧根对电极的加热以及高温气体紊流对电极的传热；减小紊流区高温气体与电极的接触面积以及减小阳极喷嘴的内表面积，可以降低弧柱与弧室之间的传热；在非弧根紊流区增加阳极壁热阻，可以降低高温湍流气体与阳极壁的对流传热。

由以上分析可知，提高电弧功率、热效率和电极寿命的主要方法在于提高电弧电压，其次在于降低高温气体与电极之间的对流传热。

提高电弧电压的方法在于提高电弧电场强度和电弧长度。USP 3297899公开了一种具有“束腰”形状阳极电弧通道的等离子体炬，通过“束腰”在其上游产生高气压区域，从而提高电弧电压和产生高功率电弧，但公布的热效率不到42%，更多的是由于下游喷嘴表面积过大，产生过多传热损失所致。USP4570048及其同族专利USP4656330公开了一种类似的电弧通道收缩的阳极，采用突扩阳极喷嘴，其电流运行范围可以拓展到20~400A，热效率可以达到80%，但弧电压（氮气）也只有500V左右。USP 4896017 公开的阳极与USP4570048、USP4656330非常相近的收缩电弧通道和突扩阳极喷嘴，只是在缩口与突扩之间将前者的“刀口”过渡结构改为“梯形”过渡结构，其在热效率方面较前者有所提高，但电弧电压更低。ZL 200910184998.4公开了一种电弧等离子体炬，通过在喷嘴前（上游）设置凹槽扰流段，减少电弧电压波动范围，拓宽气体压力及电弧电流等工作参数范围、热效率可以达到90%，但从公开的技术参数和已有经验判断，空气电弧电压在500V左右，难以获得更高的功率。

综上所述，现有技术的等离子体炬尚存在难以同时满足电弧功率高、电极寿命长、热效率高和结构简单等多项性能要求的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，与现有技术相比，能够获得更高的电弧功率、更长的电极寿命以及更高的电热转化效率。

本发明的技术方案为：

一种电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，包括阳极、阴极和环状气体旋流器，所述阳极为一内孔直径异形的圆管，所述阴极位于阳极圆管的内孔内，所述气体旋流器位于阴极前端与阳极之间，所述气体旋流器和阴极与阳极圆管内孔同轴布置，所述阳极圆管布置阴极的一端为气体流入端，另一端为气体流出端，所述阳极圆管从气体流入端到气体流出端轴向依次分为气体导入段、内孔直径不变的直管段或向气体流出端缓变减小的渐缩段、内孔直径向气体流出端减小的收缩段、内孔直径相对于自身两端突扩增加的凹槽段以及内孔直径不变或向气体流出端缓变增大的喷嘴段；所述直管段或渐缩段、收缩段、凹槽段和喷嘴段阳极圆管的内孔构成阳极电弧通道；所述气体旋流器环壁上开设有切向气流通道，用于将气体引入气体旋流器内孔以产生涡旋气流。

所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，收缩段电弧通道的最小直径与直管段电弧通道的直径或渐缩段电弧通道的最大直径的比例小于3:4；收缩段电弧通道与直管段或渐缩段电弧通道的连接处直径相等；收缩段电弧通道与直管段或渐缩段电弧通道的长度之和占阳极电弧通道总长度的比例大于1:2；收缩段电弧通道的锥角小于60度。

所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，凹槽段电弧通道在凹槽处的最小直径与收缩段电弧通道最小直径的比例大于7:5；凹槽段电弧通道的长度与收缩段电弧通道最小直径的比例在3:2到4:1之间；凹槽段电弧通道与收缩段电弧通道的连接拐角处圆弧过渡；凹槽底部两端的底角均小于120度。

所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，喷嘴段电弧通道最小直径与收缩段电弧通道最小直径的比例大于6:5；喷嘴段电弧通道最小直径小于凹槽段电弧通道在凹槽处的最小直径。

所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，阴极前端设有与阴极同轴的圆台形凹坑或多级圆台形级联凹坑；所述多级圆台形级联凹坑的圆台锥角从阴极前端面到凹坑底部逐级增大；所述圆台锥角在0到90度之间；所述凹坑在阴极前端面处的直径大于或等于直管段阳极圆管的内孔直径或渐缩段阳极圆管的内孔最大直径。

所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，凹槽段阳极圆管的内孔表面以及凹槽段与收缩段和喷嘴段之间的阳极圆管的内孔连接端面覆盖有保温层。

所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，在直管段或渐缩段与收缩段连接处的阳极圆管内壁上开设有切向气流通道，用于向收缩段电弧通道引入第二级涡旋气流。

所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，收缩段电弧通道的最小直径与直管段电弧通道的直径或渐缩段电弧通道的最大直径的比例在1:4到2:3之间。

所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，喷嘴段电弧通道最小直径与收缩段电弧通道最小直径的比例在6:5到5:2之间。

所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，所述圆台锥角在30度到60度之间。

本发明通过在收缩段电弧通道出口处的上游设置加长的高电位梯度的电弧来提高电弧电压，通过凹槽段电弧通道的气流扰动来限制收缩段电弧通道出口处下游的弧柱长度波动，确保收缩段电弧通道最小直径处不会与电弧产生击穿而烧损。本发明结构简单，可以显著提高电弧功率、电极寿命和能量利用效率。

附图说明

图1是本发明所述电弧通道直径异形的电弧等离子体炬的一种基本结构纵剖面示意图；

图2是本发明所述气体旋流器在图1中A-A位置剖面图和在A-A位置剖面图中B-B位置剖面图；

图3是本发明所述电弧通道直径异形的电弧等离子体炬的一则实施实例的纵剖面结构示意图；

图4是本发明所述阴极一则实施实例的纵剖面结构示意图；

图5是本发明一则阳极结构纵剖面示意图；

图6是图5引入二级气体结构在C-C位置剖面图。

具体实施方式

参见图3，一种电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，包括气体旋流器1、阴极2和一组阳极组件3。所述阳极组件3由内筒30、31、32、33、34和外管35组成，所述阳极内筒为内孔直径变化的圆管，阳极内筒一端为气体流入端，另一端为被加热气体流出端。在阳极内筒外侧与阳极外管之间通水冷却，图3所示为角向进出分布形冷却水道。

根据阳极内筒的内孔直径变化，可以将阳极内筒从气体流入端到气体流出端依次分段分成：气体导入段30、内孔直径不变的直管段31（图1）或内孔直径向气体流出端缓变减小的渐缩段31（图3）、内孔直径向气体流出端减小的收缩段32、内孔直径相对于自身两端突扩增加的凹槽段33、内孔直径不变或向气体流出端缓变增加的喷嘴段34，各段同轴，其中，阳极内筒的直管段或渐缩段31、收缩段32、凹槽段33和喷嘴段34的内孔构成阳极电弧通道。通常，阳极内筒气体导入段30的内孔直径大于阳极电弧通道在直管段31（图1）的直径或在渐缩段31（图3）的最大直径，阳极内筒内孔在气体导入段30与直管段或渐缩段31结合处有一台面301，所述台面301是阳极电弧通道的气体导入端面。

阳极内筒的气体导入段30、直管段或渐缩段31、收缩段32、凹槽段33和喷嘴段34既可以是一个整体，也可以分段加工，然后相邻各段之间以焊接的方式连接，如直管段或渐缩段31与收缩段32之间的焊接点312，收缩段32与凹槽段33之间的焊接点323，或以其它密封的机械方式连接，如气体导入段30与直管段或渐缩段31之间螺纹密封连接311。喷嘴段34属损耗元件，需要经常更换，喷嘴段34与凹槽段33和阳极外管35之间采用可拆卸的方式连接，如螺纹343、345，并采用橡胶圈36、37密封。喷嘴段34采用高导电、高导热、低功函数的金属材料，如铜、铜银合金、铜锆合金等。直管段或渐缩段31、收缩段32、凹槽段33可以用不锈钢、铜或其他非磁性金属材料制成。

所述阴极2外形为圆形棒状。所述阴极2的一端位于所述阳极内筒气体导入段30的内孔内，该端为阴极2的前端，其端面20朝向所述阳极电弧通道气体流出端。

所述阴极2的前端由高导电性、高导热性能的金属材料制成，如银、银铜合金、铜等，也可以是铜与银或银铜合金的组合，如阴极前端中心附近22采用银或银铜合金，阴极前端其它部分采用纯铜或铜合金。

所述阴极前端有一底部直径小于口部直径的圆形凹坑。图1为圆台形凹坑，图3为一直筒连接圆台形凹坑。在所述圆台形凹坑底部201中心镶嵌有由低电子逸出功和高熔点的材料制成的电子发射电极21，如钨、铪、锆或以其为主的合金。在所述阴极前端的背面通水冷却，隔水套6将冷却水导入导出。在阴极前端设置圆台形凹坑，一是为了在阴极发射材料烧损后，引弧后的阴极弧根在气流导向作用下迅速移动到发射电极21的端面210；其次是增加高气压区域电弧长度，从而进一步提高弧电压。

所述气体旋流器1为环状结构，如图2所示，由绝缘材料制成。所述气体旋流器1位于所述阴极前端面20与阳极电弧通道气体导入端面301之间，所述气体旋流器1套在所述阴极前端外圆，气体旋流器内径与所述阴极前端外圆气密配合，气体旋流器1一端的端面与阳极电弧通道气体导入端面301气密配合，气体旋流器1的外圆与所述阳极内筒气体导入段30的内孔气密配合（本实施实例未画出）。阴极前端面20与阳极电弧通道气体导入端面301之间轴向分离，或由气体旋流器1分隔，图3实施实例为由气体旋流器1分隔，如图1、3所示。所述阳极电弧通道与所述阴极外圆同轴配置，可由气体旋流器1或其他零件支撑固定，所述阳极组件3与所述阴极2之间电气绝缘。

在所述气体旋流器1环壁上开有多个切向气流槽或孔，沿圆周均匀分布，本例中为6个矩形气流槽，如图2所示。气流槽的轴向宽度b2通常小于或等于阴极前端面20与阳极电弧通道气体导入端面301之间的间隙。除气流槽外，气体旋流器1与阴极2外部、阳极电弧通道之间气密配合，保证气流仅从气体旋流器1气流槽导入。从阳极内筒的气体导入段30内孔流过来的气体经过气流槽导入气体旋流器1内孔，转变成在电弧通道横断面内围绕电弧通道轴心涡旋的气流，图2中F1所示气体从气体旋流器1切向气流槽进入旋流器内孔，产生顺时针涡旋。气体旋流器1全部气流槽的横断面积之和小于阳极电弧通道在直管段31（图1）的面积或在渐缩段31（图3）的最大面积，保证冷气体导入阳极电弧通道后，在气体旋流器1附近的环绕电弧通道轴线涡旋的最大线速度大于在气体旋流器1附近阳极电弧通道内的轴向最大流动速度。通过气体旋流器1导入的气体，其中一部分以围绕电弧通道轴线涡旋流动方式流向阴极凹坑底部201，在轴线附近回流，图1中纵断面内气体流线F0大致说明了这一点；大部分气体以涡旋流动方式在阳极电弧通道内向气体流出端流动，图1中气体流线F2大致说明了这一点。

启动电弧的方法通常采用短路引弧或高压火花击穿引弧。阴极引弧点通常位于阴极前端面20与阴极凹坑拐角处，阳极引弧点通常位于阳极内筒内孔台面301与直管段或收缩段拐角处。起弧后，阴极弧根在涡旋的回流气流F0作用下沿阴极凹坑内表面被吹到阴极凹坑底部中心电子发射电极21的端面210；阳极弧根被向阳极电弧通道气体流出端涡旋流动的气体F2（图1）吹动，沿阳极内筒的直管段（图1）或渐缩段（图3）电弧通道表面310、收缩段电弧通道表面320、跳过凹槽段电弧通道、移至喷嘴段电弧通道表面340，完成电弧启动过程。

为了使引弧过程中阴极弧根能够可靠移至阴极中心位置，阴极凹坑开口直径大于阳极电弧通道在直管段31的直径（图1）或在渐缩段31的最大直径，保证阴极凹坑有足够的回流气体F0。阴极凹坑可以是一个圆台形（图1），或多个圆台形级联而成（图3、图4），所述多级圆台级联凹坑的连接处平滑过渡，所述凹坑的圆台锥角在0~90度之间，其中0度对应直筒型。图3对应2级圆台形202、203级联，其中203是直筒型；图4对应3级圆台形204、205、206级联，圆台锥角随着深度增加而加大，图4中若设圆台形204的圆台锥角为A1、圆台形205的圆台锥角为A2、圆台形206的圆台锥角为A3，则有A3 <A2<A1，底部凹坑锥角最佳范围为30~60度之间。

正常工作电弧4一端弧根贴敷于所述阴极前端凹坑底部中心的发射电极21的端面210，另一端弧根在阳极内筒的喷嘴段电弧通道内表面340移动和跳动，电弧4的阴极弧根和弧柱被涡旋气流限制在电弧通道轴心位置。

阳极电弧通道在收缩段32的直径在收缩段32出口处达到最小，被加热气体在流经该处时堵塞，形成在最小直径处上游相对于阳极喷嘴外环境的高气压区域，在所述高气压区域的工作气压是环境气压的2倍以上。由于工作气压的升高，提高了在所述高气压区域内电弧的电场强度。

为了提高高气压区域内的工作气压，所述阳极电弧通道在收缩段32的最小直径与在直管段31的直径（图1）或在渐缩段31的最大直径（图3）的比例小于3/4，最佳比例在1/4与2/3之间。

增加高场强的电弧长度可以进一步提高电弧电压。加长阳极电弧通道在直管段31（图1）或渐缩段31（图3）的长度与在收缩段32的长度来进一步提高电弧电压。阳极电弧通道在直管段或渐缩段31的长度与在收缩段32的长度之和占阳极电弧通道总长的1/2以上。高气压区域的电弧电压占总电弧电压4/5以上。由于同处于高压区域，增加阴极凹坑深度也可显著提高电弧电压。相比于直管段或渐缩段长度和收缩段长度，阴极凹坑深度、气体旋流器隔离间隙长度很小，可以忽略。

阳极内筒的直管段电弧通道（图1）也可以是直径向气体流出方向缓变减小的渐缩段电弧通道（图3），其变化锥角（图3）小于所述收缩段电弧通道锥角，其最大可能是两者相等，即渐缩段31与收缩段32完全相同，二者合为一段。

前面所述，阳极电弧通道在收缩段32的直径在收缩段32出口处达到最小，该最小直径处的直径是决定本发明电弧等离子体炬的气压-气流工作特性、电弧的电压-气流工作特性的关键尺寸，该处不能与电弧接触产生烧损。而阳极电弧通道在收缩段32的最小直径处也是最容易与电弧弧柱之间产生击穿而烧损的地方。造成该最小直径处与电弧弧柱之间产生电击穿的最直接原因是该处下游电弧长度的波动导致的该处与其附近电弧之间的电势差加大。在涡旋气体稳定电弧的结构中，涡旋气流形成的气冷壁是隔绝电弧与该最小直径处的保证，上游电弧的加长使得从气体旋流器1导入的涡旋气体在该最小直径处的旋转显著减弱，容易造成电弧击穿。

本发明通过以下措施来抑制该最小直径处的下游电弧长度波动来解决这个问题。

（1）首先，在该最小直径处与凹槽段33连接的拐角处321采用圆弧过渡代替拐角的尖锐刀口，可以降低此处与电弧击穿的压差阈值。倒角半径可在1~2mm之间。

（2）为了尽量保证气流在到达该最小直径处时具有足够的涡旋速度，从而使拐角处321与电弧隔绝，避免击穿，阳极电弧通道在收缩段32与直管段或渐缩段31的连接处312直径相等，平滑或圆弧过渡；阳极电弧通道在收缩段32的锥角小于60度。

（3）如图5、图6所示阳极，进一步在直管段或渐缩段与收缩段电弧通道的连接处引入第二级涡旋气体G2（图5），该气体涡旋方向F5（图6）与所述气体旋流器1导入的第一级涡旋气体G1（图5）的涡旋方向F1（图2）一致。第二级涡旋气体G2导入电弧通道后沿收缩段电弧通道壁面320经过整个收缩段长度到达收缩段电弧通道直径最小处，相对于第一级涡旋气流G1，第二级涡旋气流G2涡旋强度衰减很小，保证冷气对拐角321处与电弧之间的隔绝保护。

（4）在收缩段电弧通道与喷嘴段电弧通道之间设置直径突扩增加的凹槽段电弧通道，所述凹槽段电弧通道至少有一个相对于收缩段电弧通道和喷嘴段电弧通道直径突扩增大的凹槽。流动的气体在凹槽两端产生旋涡（图1中纵剖面内气体流线F3、F4大致示意了这一点），扰动电弧并与电弧的不稳定性耦合，使电弧高速摆动，从而提高阳极弧根在喷嘴段电弧通道向上游跳动（弧柱回闪）的频率，降低阳极弧长波动范围，从而降低电弧电压波动，确保阳极电弧通道在收缩段的最小直径处不与电弧产生击穿而烧损。

凹槽的两边可以是直角台阶（图1），也可以是梯形台阶，如图3中332、333面，或相对于其两端突扩增加的其他异形结构。梯形凹槽底部两端底角均图3）小于120度，过大不利于扰动气流形成。凹槽段电弧通道在凹槽处的最小直径与收缩段电弧通道最小直径的比例大于1.4；凹槽段电弧通道的长度与收缩段电弧通道最小直径的比例为1.5~4。

阳极内筒的喷嘴段34是电弧等离子体炬热损耗最为显著的地方之一。减小阳极内筒喷嘴段34内孔尺寸（直径和长度），可以显著提高等离子体炬的能量转换效率。本发明在收缩段电弧通道与喷嘴段电弧通道之间设置直径突扩增加的凹槽段电弧通道，其中一个效果便是可以选用小尺寸喷嘴，从而降低等离子体炬热损耗。喷嘴段电弧通道直径减小，意味着此处气体流速增加，再加之喷嘴段电弧通道长度减小，则电弧易被吹出喷嘴段内孔外部并保持较长的弧根停留时间，造成喷嘴段内孔外部烧蚀速率增加以及电弧电压波动增大，这也是造成电弧电压大幅波动的根本因素。而电弧电压大幅波动极易使阳极电弧通道在收缩段的最小直径处与电弧击穿。在收缩段电弧通道与喷嘴段电弧通道之间设置直径突扩增加的凹槽段电弧通道，因电弧摆动频率提高，从而可以降低电弧往后跳动的周期，保证阳极弧根在阳极内筒的喷嘴段34内孔表面移动，从而限制电弧电压波动。

阳极电弧通道在喷嘴段34是一个向出口方向张开的喇叭口形状，也可以是直筒状，其直径最小处通常设计成大于阳极电弧通道在收缩段的最小直径，两者最佳比例在1.2~2.5之间。在阳极喷嘴烧损过程中，工作寿命时段内喷嘴段电弧通道最小直径总是小于凹槽段电弧通道在凹槽处的直径，第一是为了形成凹槽段电弧通道与喷嘴段电弧通道联结处的收缩台阶，能产生有效的气流扰动；其次是为了提高气流在喷嘴段电弧通道内的速度，从而提高阳极弧根的移动速度，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。

由于强烈的气体回流，在凹槽段电弧通道造成较大的对流传热。在凹槽段电弧通道内表面330及其两端与收缩段、喷嘴段连接处端面覆盖保温层331，保温层331用耐高温的绝热材料制成，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，可以减少对流传热造成的热损耗。

阴极可以采用较低损耗的热发射型，阴极弧根402固定于阴极前端中心发射电极21的端面210。相对于弧根高速移动的冷阴极，热阴极弧根稳定，既可以避免因电弧高速波动而产生的电弧与阴极间的显著的对流传热，又可以减小电弧电压波动。

下面提供一个图3实施实例的具体工作参数，其中阴极电子发射电极以蓝钨合金制作，阳极喷嘴以铜合金制作：

阳极外管直径90mm；

直管段长度300mm，直径40mm；

收缩段长度100mm，出口直径20mm；

阴极凹坑深度40mm；

凹槽段长度50mm，直径50mm；

喷嘴段长度70mm，直径30mm；

工作气压0.2~0.4MPa，工作气体流量150~200Nm³/h（氮气）；

电弧最高平均电压1100V、电弧电流270A、等离子体炬功率297kW；

电弧电压波动：小于5%；

阴极寿命大于500h、阳极寿命大于1000h；

热转换效率>85%。

与现有技术相比，本发明电弧等离子体炬能显著提高电弧电压从而提高电弧功率、提高电极寿命、提高能量效率，减小弧电压波动等多项性能。本发明结构简化很多，且外形尺寸小。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，包括阳极、阴极和环状气体旋流器，所述阳极为一内孔直径异形的圆管，所述阴极位于阳极圆管的内孔内，所述气体旋流器位于阴极前端与阳极之间，所述气体旋流器和阴极与阳极圆管内孔同轴布置，所述阳极圆管布置阴极的一端为气体流入端，另一端为气体流出端，其特征在于：

所述阳极圆管从气体流入端到气体流出端轴向依次分为气体导入段、内孔直径不变的直管段或向气体流出端缓变减小的渐缩段、内孔直径向气体流出端减小的收缩段、内孔直径相对于自身两端突扩增加的凹槽段以及内孔直径不变或向气体流出端缓变增大的喷嘴段；

所述直管段或渐缩段、收缩段、凹槽段和喷嘴段阳极圆管的内孔构成阳极电弧通道；

所述气体旋流器环壁上开设有切向气流通道，用于将气体引入气体旋流器内孔以产生涡旋气流。

2.根据权利要求1所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，其特征在于：

收缩段电弧通道的最小直径与直管段电弧通道的直径或渐缩段电弧通道的最大直径的比例小于3:4；

收缩段电弧通道与直管段或渐缩段电弧通道的连接处直径相等；

收缩段电弧通道与直管段或渐缩段电弧通道的长度之和占阳极电弧通道总长度的比例大于1:2；

收缩段电弧通道的锥角小于60度。

3.根据权利要求1所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，其特征在于：

凹槽段电弧通道在凹槽处的最小直径与收缩段电弧通道最小直径的比例大于7:5；

凹槽段电弧通道的长度与收缩段电弧通道最小直径的比例在3:2到4:1之间；

凹槽段电弧通道与收缩段电弧通道的连接拐角处圆弧过渡；

凹槽底部两端的底角均小于120度。

4.根据权利要求1所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，其特征在于：

喷嘴段电弧通道最小直径与收缩段电弧通道最小直径的比例大于6:5；

喷嘴段电弧通道最小直径小于凹槽段电弧通道在凹槽处的最小直径。

5.根据权利要求1所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，其特征在于：

阴极前端设有与阴极同轴的圆台形凹坑或多级圆台形级联凹坑；

所述多级圆台形级联凹坑的圆台锥角从阴极前端面到凹坑底部逐级增大；

所述圆台锥角在0到90度之间；

所述凹坑在阴极前端面处的直径大于或等于直管段阳极圆管的内孔直径或渐缩段阳极圆管的内孔最大直径。

6.根据权利要求1所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，其特征在于：

凹槽段阳极圆管的内孔表面以及凹槽段与收缩段和喷嘴段之间的阳极圆管的内孔连接端面覆盖有保温层。

7.根据权利要求1所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，其特征在于：

在直管段或渐缩段与收缩段连接处的阳极圆管内壁上开设有切向气流通道，用于向收缩段电弧通道引入第二级涡旋气流。

8.根据权利要求2所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，其特征在于：

收缩段电弧通道的最小直径与直管段电弧通道的直径或渐缩段电弧通道的最大直径的比例在1:4到2:3之间。

9.根据权利要求4所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，其特征在于：

喷嘴段电弧通道最小直径与收缩段电弧通道最小直径的比例在6:5到5:2之间。

10.根据权利要求5所述的电弧通道直径异形的电弧等离子体炬，其特征在于：

所述圆台锥角在30度到60度之间。