CN113905498B - 一种阴极弧根分散的电弧等离子加热器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种阴极弧根分散的电弧等离子加热器及使用方法，包括第二进气孔、阴极座、附着阴极、阴极外套、冷却水道、极间绝缘环、阳极、阳极外套和阳极线圈，极间绝缘环上布置第一进气孔和通水孔。阳极和阴极座前后同轴布置，阳极线圈同轴缠绕在阳极外壁的凹槽内。工作气体经过第二进气孔和第一进气孔进入加热器，在加热器内电弧的作用下受热并发生电离，在阳极的出口喷出形成等离子体射流，阴极弧根分散附着到多个附着阴极上，利于降低附着阴极的烧蚀速率，提高整个阴极的工作寿命；阳极弧根附着在阳极内壁上，阳极线圈通过电流时，阳极弧根会在阳极内壁上旋转，防止弧根在阳极内壁上的局部长时间停留而导致电极烧损，提高了阳极的工作寿命。
Description
技术领域
本发明属于低温热等离子体技术领域，特别涉及一种阴极弧根分散的电弧等离子加热器及使用方法。
背景技术
电弧热等离子体具有高温、高焓、高化学活性的物理化学特性，自20世纪 70年代初以来，在机械加工、冶金、电力、环境保护、航空航天等领域和行业有着广泛的应用，如等离子切割、耐熔材料的加工制备、涂层制备、大型电站锅炉等离子体煤粉点火、等离子体固体废弃物处理等，尤其是随着环保形势愈发严峻，等离子体固体废弃物处理技术近年来得到了人们的持续关注，加之近一年医疗废弃物的产生量大增，更使得采用等离子体对以医疗废弃物为代表的危险固体废弃物进行无害化、减量化处理这一技术成为重点研究和关注对象。
电弧等离子加热器是热等离子体应用系统中的核心装备，在电弧等离子加热器的阴极和阳极间产生电弧，进入加热器的工作气体在电弧产生的焦耳热作用下受热、电离，最后在加热器的出口形成高温的等离子体射流。然而，电弧等离子加热器的工作原理决定了不可避免的会产生电极烧蚀，目前国内外研发的先进的百千瓦级电弧等离子体加热器电极工作寿命也仅为数百小时左右，而且，随着电弧等离子加热器输出功率的提高，电极的使用寿命进一步降低。因此，等离子发生器电极使用寿命受限这一难题严重制约了该技术的发展、工业化应用和推广，也是行业内研究人员欲重点突破的关键技术。现有研究结果表明，等离子加热器阴极的使用寿命往往比阳极的使用寿命短，这与电弧在阴极和阳极上的弧根的状态有很大的关系。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种阴极弧根分散的电弧等离子加热器及使用方法，能够降低阴极的烧蚀速率，提高阴极的使用寿命，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种阴极弧根分散的电弧等离子加热器，包括第二进气孔、阴极座、附着阴极、阴极外套、冷却水道、极间绝缘环、阳极和阳极外套；所述阴极座为笔筒状结构，在筒底部沿周向均匀布置有n1个第二进气孔，n1≥1；对应阴极座的设定截面(定义为截面A)，沿周向均匀分布有n2个附着阴极安装孔，n2＞1；所述附着阴极为圆柱状结构，与阴极座上的附着阴极安装孔紧密配合；所述阳极为圆管状结构，与阴极座前后同轴布置；所述阴极外套和阳极外套都为圆管状结构，分别同轴套在阴极座和阳极的外部，阴极外套的内壁与阴极座的外壁间形成的间隙以及阳极外套的内壁与阳极的外壁间形成的环形间隙为冷却水通道；
所述极间绝缘环布置在阴极座和阳极之间，其上加工有第一进气孔和通水孔，第一进气孔用于向等离子加热器中通入工作气体，通水孔用于连通极间绝缘环两侧的冷却水道；
所述附着阴极和阳极之间形成电弧，附着阴极的弧根分散附着在附着阴极上，阳极弧根集中附着在阳极的内壁面上，通过第一进气孔和第二进气孔进入等离子加热器的工作气体在电弧作用下产生电离，在阳极出口喷出，形成等离子体射流。
进一步地，所述极间绝缘环为环片状结构，极间绝缘环上布置的第一进气孔为法向圆形通孔，数量为n3，n3≥1，通水孔为跑道形的结构通道，通过通水孔将阴极座和阳极外部的冷却水通道联通。
进一步地，所述附着阴极与阴极座的安装孔紧密配合，并通过全接触面焊接连接，附着阴极的两端面与阴极座内外弧面平齐。
进一步地，所述附着阴极材料：若工作气体为氧化性气体，则附着阴极选用锆、铪或其合金材料；若工作气体为非氧化性气体，则附着阴极选用钨、铈钨、钍钨或镧钨合金材料。
进一步地，所述附着阴极的直径d为：2-10mm，数量n2为：2-6个。
进一步地，所述阴极座的内径dc为10-100mm，阳极内径da为10-100mm， dc/da为(1.5～1)：1。
进一步地，所述阴极座上附着阴极所在的截面A与极间绝缘环内侧的距离 L1为：4≤L1/dc≤8，其中，dc为阴极座的内径。
进一步地，所述第二进气孔的数量n1为：4-24个；和/或
所述第一进气孔的数量n3为：4-12个。
进一步地，所述通过第二进气孔和第一进气孔进入加热器的工作气体质量流量分别为G2和G1，G2/G1的值为：0.4≤G2/G1≤0.8。
进一步地，所述阳极的外壁一端加工有凹槽，阳极线圈同轴缠绕在阳极外壁的凹槽内，阳极线圈的两接线端分别与阳极外套内壁和阳极外壁进行固定连接，使电流分流通过阳极线圈，励磁产生磁场。
进一步地，所述阳极线圈的直径为3～5mm，线圈匝数为5～30匝，阳极线圈内侧端距离阳极出口端面的距离L2为：1≤L2/da≤2，da为阳极的内径。
第二方面，一种阴极弧根分散的电弧等离子加热器的使用方法，包括如下步骤：
工作气体经过第二进气孔和第一进气孔按照质量流量比G2/G1进入加热器，在加热器内电弧的作用下受热并发生电离，在阳极的出口喷出形成等离子体射流，阴极弧根分散附着到n2个附着阴极上，阳极弧根附着在阳极内壁上；
对阳极线圈通电，在阳极和阳极外套形成的阳极室内产生轴向磁场，阳极电弧的径向部分在此磁场条件下，受周向洛伦兹力而产生旋转，弧根也会随之在阳极内壁上旋转；
向冷却水通道中通入冷却水，对阴极座、附着阴极、阳极和阳极线圈进行外部的强制冷却降温保护。
根据本发明提供的一种阴极弧根分散的电弧等离子加热器及使用方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种阴极弧根分散的电弧等离子加热器及使用方法，采用热发射性材料为附着阴极，利用其材料对电弧附着时的局部优先附着性，使阴极弧根分散分布在多个附着阴极上，在总电弧电流保持不变的条件下降低了通过每个附着阴极的电流强度，降低了阴极的烧蚀速率，提高了整个阴极的工作寿命，尤其是电流较大时效果更为明显；
(2)本发明提供的一种阴极弧根分散的电弧等离子加热器及使用方法，附着阴极材料蒸发得到的原子回流现象可使原子气相沉积到附着阴极表面上，一定程度上实现附着阴极的自恢复效果，有利于进一步延长阴极的工作寿命。
附图说明
图1为本发明一种优选实施方式中阴极弧根分散的电弧等离子加热器的结构示意图；
图2为本发明极间绝缘环横截面示意图；
图3为本发明阴极座截面A的示意图。
附图标号说明
1-第二进气孔；2-阴极座；3-附着阴极；4-阴极外套；5-冷却水通道；6-极间绝缘环；7-阳极；8-阳极外套；9-电弧；10-阳极线圈；11-等离子体射流；61- 第一进气孔；62-通水孔。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供了一种阴极弧根分散的电弧等离子加热器，如图1和图2所示，包括第二进气孔1、阴极座2、附着阴极3、阴极外套4、冷却水道5、极间绝缘环6、阳极7和阳极外套8；所述阴极座2为笔筒状结构，在筒底部沿周向均匀布置有n1个第二进气孔1，n1≥1，第二进气孔1为法向圆形通孔，对应阴极座2的设定截面(定义为截面A)，沿周向均匀分布有n2个附着阴极安装孔， n2＞1，阴极安装孔为法向的圆形通孔；所述附着阴极3为圆柱状结构，直径为d，附着阴极3与阴极座2上的附着阴极安装孔紧密配合；所述阳极7为圆管状结构，内径为da，与阴极座2前后同轴布置；所述阴极外套4和阳极外套8都为圆管状结构，分别同轴套在阴极座2和阳极7的外部，阴极外套4的内壁与阴极座2的外壁间形成的间隙以及阳极外套8的内壁与阳极7的外壁间形成的环形间隙为冷却水通道5；
所述极间绝缘环6布置在阴极座2和阳极7之间，其上加工有第一进气孔 61和通水孔62，第一进气孔61用于向等离子加热器中通入工作气体，通水孔 62用于连通极间绝缘环6两侧的冷却水道5；
所述附着阴极3和阳极7之间形成电弧9，附着阴极3的弧根分散附着在附着阴极3上，阳极弧根集中附着在阳极7的内壁面上，通过第一进气孔61 和第二进气孔1进入等离子加热器的工作气体在电弧9作用下产生电离，在阳极7出口喷出，形成等离子体射流11。
在一种优选的实施方式中，如图2所示，所述极间绝缘环6为环片状结构，极间绝缘环6上布置的第一进气孔61为法向圆形通孔，数量为n3，n3≥1，通水孔62为跑道形的结构通道，通过通水孔62将阴极座2和阳极7外部的冷却水通道5联通。优选地，所述第一进气孔61与通水孔62沿周向均匀间隔布置。
在一种优选的实施方式中，如图3所示，所述附着阴极3与阴极座2的安装孔紧密配合，并通过扩散焊、钎焊等方式进行全接触面焊接，焊接完成后对附着阴极3的两端面进行加工，保证与阴极座2内外弧面平齐。
所述附着阴极3材料：若工作气体为空气、二氧化碳、水蒸气等氧化性气体，则附着阴极3采用锆、铪或其合金材料，若工作气体为氩气、氦气、氮气、氢气、甲烷等非氧化性气体，则附着阴极3采用钨或铈钨、钍钨、镧钨等合金材料。附着阴极3的材料为热发射材料，对电弧的附着会产生局部优先性，即弧根会分散附着到附着阴极3上。
在一种优选的实施方式中，所述附着阴极3的直径d为：2-10mm，数量 n2为：2-6个。
在一种优选的实施方式中，所述阴极座2为紫铜材料，内径dc为10-100mm，阳极7内径da为10-100mm，dc/da为(1.5～1)：1。
在一种优选的实施方式中，所述阴极座2上附着阴极3所在的截面A与极间绝缘环6内侧的距离L1为：4≤L1/dc≤8。
在一种优选的实施方式中，所述第二进气孔1的数量n1为：4-24个。
在一种优选的实施方式中，所述第一进气孔61的数量n3为：4-12个。
在一种优选的实施方式中，所述通过第二进气孔1和第一进气孔61进入加热器的工作气体质量流量分别为G2和G1，G2/G1的值为：0.4≤G2/G1≤0.8，通过调节G2/G1的值使阴极弧根附着点控制在截面A上。
在一种优选的实施方式中，所述极间绝缘环6的介电强度≥5000V/mm，洛式硬度HRC≥100。
在一种优选的实施方式中，所述阳极7的外壁一端加工有凹槽，阳极线圈 10同轴缠绕在阳极7外壁的凹槽内，阳极线圈10的两接线端分别与阳极外套8 内壁和阳极7外壁进行固定连接，使电流分流通过阳极线圈10，励磁产生磁场。
进一步地，所述阳极线圈10的直径为3～5mm，线圈匝数为5～30匝，阳极线圈内侧端距离阳极7出口端面的距离L2为：1≤L2/da≤2。
本发明电弧等离子加热器的工作方法是：工作气体经过第二进气孔1和第一进气孔61按照质量流量比G2/G1进入加热器，在加热器内电弧9的作用下受热并发生电离，在阳极7的出口喷出形成等离子体射流11，阴极电弧的径向部分在截面A上，由于附着阴极3为热发射材料，对电弧的附着会产生局部优先性，即弧根会分散附着到n2个附着阴极3上，在理想情况下每个附着阴极3 上的电流强度仅为总电弧电流强度的1/n2，有利于降低每个附着阴极3的烧蚀速率，提高整个阴极的工作寿命；同时附着阴极3的材料蒸发得到的原子回流现象可使原子气相沉积到附着阴极表面上，有利于进一步延长阴极的工作寿命。阳极弧根附着在阳极7内壁上，阳极线圈10通过电流时，在阳极7和阳极外套 8形成的阳极室内产生轴向磁场，阳极电弧的径向部分在此磁场条件下，受周向洛伦兹力而产生旋转，弧根也会随之在阳极7内壁上旋转，防止弧根在阳极内壁上的局部长时间停留而导致电极烧损，提高了阳极的工作寿命。最后冷却水则通过冷却水通道5对阴极座2、附着阴极3、阳极7和阳极线圈10进行外部的强制冷却降温保护，防止电极及阳极线圈10的过热和烧损。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种阴极弧根分散的电弧等离子加热器，其特征在于，包括第二进气孔（1）、阴极座（2）、附着阴极（3）、阴极外套（4）、冷却水道（5）、极间绝缘环（6）、阳极（7）和阳极外套（8）；所述阴极座（2）为笔筒状结构，在筒底部沿周向均匀布置有n1个第二进气孔（1），n1≥1；对应阴极座（2）的设定截面，定义为截面A，沿周向均匀分布有n2个附着阴极安装孔，n2＞1；所述附着阴极（3）为圆柱状结构，与阴极座（2）上的附着阴极安装孔紧密配合，并通过全接触面焊接连接，附着阴极（3）的两端面与阴极座（2）内外弧面平齐；所述阳极（7）为圆管状结构，与阴极座（2）前后同轴布置；所述阳极（7）的外壁一端加工有凹槽，阳极线圈（10）同轴缠绕在阳极（7）外壁的凹槽内，阳极线圈（10）的两接线端分别与阳极外套（8）内壁和阳极（7）外壁进行固定连接，使电流分流通过阳极线圈（10），励磁产生磁场；所述阴极外套（4）和阳极外套（8）都为圆管状结构，分别同轴套在阴极座（2）和阳极（7）的外部，阴极外套（4）的内壁与阴极座（2）的外壁间形成的间隙以及阳极外套（8）的内壁与阳极（7）的外壁间形成的环形间隙为冷却水通道（5）；
所述极间绝缘环（6）布置在阴极座（2）和阳极（7）之间，其上加工有第一进气孔（61）和通水孔（62），第一进气孔（61）用于向等离子加热器中通入工作气体，通水孔（62）用于连通极间绝缘环（6）两侧的冷却水道（5）；
所述附着阴极（3）和阳极（7）之间形成电弧（9），附着阴极（3）的弧根分散附着在附着阴极（3）上，阳极弧根集中附着在阳极（7）的内壁面上，通过第一进气孔（61）和第二进气孔（1）进入等离子加热器的工作气体在电弧（9）作用下产生电离，在阳极（7）出口喷出，形成等离子体射流（11）；
所述附着阴极（3）材料：若工作气体为氧化性气体，则附着阴极（3）选用锆、铪、锆合金材料或铪合金材料；若工作气体为非氧化性气体，则附着阴极（3）选用钨、铈钨、钍钨或镧钨合金材料。
2.根据权利要求1所述的阴极弧根分散的电弧等离子加热器，其特征在于，所述极间绝缘环（6）为环片状结构，极间绝缘环（6）上布置的第一进气孔（61）为法向圆形通孔，数量为n3，n3≥1，通水孔（62）为跑道形的结构通道，通过通水孔（62）将阴极座（2）和阳极（7）外部的冷却水通道（5）联通。
3.根据权利要求1所述的阴极弧根分散的电弧等离子加热器，其特征在于，所述附着阴极（3）的直径d为：2-10mm，数量n2为：2-6个。
4.根据权利要求1所述的阴极弧根分散的电弧等离子加热器，其特征在于，所述阴极座（2）的内径dc为10-100mm，阳极（7）内径da为10-100mm，dc/da为（1.5~1）：1。
5.根据权利要求1所述的阴极弧根分散的电弧等离子加热器，其特征在于，所述阴极座（2）上附着阴极（3）所在的截面A与极间绝缘环（6）内侧的距离L1为：4≤L1/dc≤8，其中，dc为阴极座（2）的内径。
6.根据权利要求1所述的阴极弧根分散的电弧等离子加热器，其特征在于，所述第二进气孔（1）的数量n1为：4-24个；和/或
所述第一进气孔（61）的数量n3为：4-12个。
7.根据权利要求1所述的阴极弧根分散的电弧等离子加热器，其特征在于，所述通过第二进气孔（1）和第一进气孔（61）进入加热器的工作气体质量流量分别为G2和G1，G2/G1的值为：0.4≤G2/G1≤0.8。
8.根据权利要求7所述的阴极弧根分散的电弧等离子加热器，其特征在于，所述阳极线圈（10）的直径为3~5mm，线圈匝数为5~30匝，阳极线圈内侧端距离阳极（7）出口端面的距离L2为：1≤L2/da≤2，da为阳极（7）的内径。
9.一种权利要求1至8之一所述的阴极弧根分散的电弧等离子加热器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
工作气体经过第二进气孔（1）和第一进气孔（61）按照质量流量比G2/G1进入加热器，在加热器内电弧（9）的作用下受热并发生电离，在阳极（7）的出口喷出形成等离子体射流（11），阴极弧根分散附着到n2个附着阴极（3）上，阳极弧根附着在阳极（7）内壁上；
对阳极线圈（10）通电，在阳极（7）和阳极外套（8）形成的阳极室内产生轴向磁场，阳极电弧的径向部分在此磁场条件下，受周向洛伦兹力而产生旋转，弧根也会随之在阳极（7）内壁上旋转；
向冷却水通道（5）中通入冷却水，对阴极座（2）、附着阴极（3）、阳极（7）和阳极线圈（10）进行外部的强制冷却降温保护。
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