管式直流電弧等離子體噴槍特性的試驗研究

周 法，董永輝，陳 峰，朱興營，陳海群，歐東斌

(中國航天空氣動力技術研究院電弧等離子應用裝備北京市重點實驗室，北京 100074)

0 引 言

管式直流電弧等離子體噴槍是典型的非轉移弧等離子體噴槍，此類等離子體噴槍具有結構簡單、維護方便、適用范圍廣等優點，在國防工業以及冶金、環保、化工、新材料制備等領域得到了廣泛的應用。近二十年來，熱等離子體技術已經在固廢處理、金屬冶煉、電力環保、材料處理等多種民用工業領域中得到了廣泛的應用。由于電弧熱等離子體有對工業應用十分有利的特性[1]，如：高能量密度(107-109J/m3)、導電性、高反應活性、高效率、氣氛可控等。目前，電弧等離子體在工業領域的應用非常廣泛。例如，在機械加工領域，熱等離子體被廣泛地用于焊接、切割、噴涂等[2-7]；在冶金方面，熱等離子體被用于金屬的熔化與重溶、保溫以及新冶煉工藝過程等[8-10]；在電力領域，熱等離子體被用于煤粉鍋爐的等離子體點火，取代燃燒重油，實現電廠無油點火[11-12]；在等離子體化工領域，熱等離子體被用于裂解煤制乙炔生產等[13-15]；在材料制取方面，熱等離子體被用于制取超細超純材料粉以及各種合成材料等[16-17]；在環境保護領域，它被用于處理垃圾和有毒有害危險廢物等[18-20]。

然而，電弧等離子體噴槍電極運行狀況、噴槍熱效率、工作氣體與電弧電壓、電流的關系等對等離子體內在特性和處理過程中的基本物理現象的研究顯得尤為重要，也是等離子體噴槍在民用工業應用領域中必須考慮的重要特征參數。

試驗通過設定等離子體噴槍電源模塊的電流輸出值，取4組不同的電流輸出情況下，研究氣體參數與等離子體噴槍輸出功率之間的關系。同時，在試驗的過程中，研究氣體參數的變化與等離子體噴槍火焰長度的關系。在等離子體噴槍輸出效率的計算方面，我們采用間接法測量，通過等離子體噴槍運行過程中冷卻水帶走的熱量損失，來計算噴槍的實際有效熱量輸出。

1 試驗方法與試驗過程

試驗臺示意圖如圖1所示，等離子體噴槍運行過程中，采用壓縮空氣作為工作氣體，氣體流量和壓力可調，并且通過流量計和壓力表進行監測。噴槍運行過程中通過循環冷卻水對前后電極進行冷卻，冷卻水流量、壓力、溫度等參數通過流量計、壓力表和熱電偶分別進行測量。與噴槍出口處射流方向平行布置了一塊鋼板尺，用于直觀測量火焰長度。

圖1 試驗臺及測試方法示意圖

實驗過程中，通過設定等離子體噴槍電源模塊的電流輸出值，取4組不同的電流輸出情況下，研究等離子體噴槍工作氣體參數與等離子體噴槍輸出功率之間的關系。同時，在試驗的過程中，研究氣體參數的變化與等離子體噴槍火焰長度的關系。在等離子體噴槍輸出效率的計算方面，我們采用間接法測量，通過等離子體噴槍運行過程中冷卻水帶走的熱量損失，來計算噴槍的實際有效熱量輸出。

2 試驗結果與分析

2.1 氣體流量與輸出功率之間的關系

分別設置等離子體噴槍電源模塊的電流值為180A、250A、325A、395A四組不同的參數，通過調節等離子體工作氣體的流量，研究工作氣體流量的變化對于等離子體噴槍輸出功率的影響。在試驗臺等離子體噴槍配套工作氣體管路管徑等條件不變的情況下，氣體壓力與流量一一對應，我們通過調節管路上氣體的不同壓力來改變氣體的流量，將氣體壓力參數從0.1 MPa調至0.35 MPa，重復四次，將四組試驗數據取平均值，原始數據記錄見表1，并從中得出了實驗過程中等離子體噴槍工作氣體管路上氣流量與管道氣流壓力之間的對應關系曲線，如圖2所示。

表1 等離子體噴槍氣體流量與壓力原始數據記錄表

從實驗數據得出的圖形分析曲線可以看出，等離子體噴槍工作氣體可以通過調節氣體壓力來實現流量控制，在試驗研究過程中發現，等離子體噴槍的工作氣體壓力變化范圍為0.1 MPa至0.35 MPa之間，對應的氣體流量為7.66 m3/h至20.96 m3/h之間，等離子體噴槍起弧最佳氣體參數為0.10～0.15 MPa之間，起弧穩定后逐漸調節氣體壓力(流量)來調節等離子體噴槍的輸出功率。在設定電源模塊輸出電流值一定的情況下，等離子體噴槍工作氣體的流量(壓力)與等離子體噴槍的輸出功率正相關，隨著工作氣體流量(壓力)的增加，等離子體噴槍輸出功率也隨之增大，如圖3所示。這是因為，隨著等離子體噴槍工作氣體流量(壓力)的增加，等離子體流速也隨之增加，增大了等離子體電弧被壓縮的程度，導致電弧電壓升高。此外，工作氣體流量的增大，陽極電弧根向噴嘴下游移動，電弧柱增長，電弧電壓也升高。因此，隨著工作氣體流量(壓力)的增加，等離子體噴槍輸出功率也隨之增大。

圖2 氣體流量與氣體壓力之間的對應關系

圖3 等離子體噴槍工作氣體流量與輸出功率之間的關系

試驗研究發現，隨著等離子體噴槍工作氣體流量的增加電弧電壓以及電弧電壓波動的幅度都相應的增加。當等離子體噴槍電源模塊的電流值分別為180A、250 A、325 A、395 A時，隨著氣體流量的增大(10.11 m3/h增大至20.96 m3/h，增大倍率2.07)，輸出功率分別從72.73 kW提升至89.27 kW(增大倍率1.23)、90.72 kW提升至116.72 kW(增大倍率1.29)、107.58 kW提升至141.26 kW(增大倍率1.31)、125.45 kW提升至166.49 kW(增大倍率1.33)。試驗過程中發現，隨著等離子體噴槍電源模塊輸出電流值的增大，單位氣體流量變化率對于輸出功率的變化率(δP/δV)的影響在逐漸增大，如圖4所示。這說明，在等離子體噴槍電源模塊電流參數增大的情況下，輸出功率對于工作氣體流量(壓力)變化的響應更加靈敏。

圖4 不同電流參數條件下單位氣體流量變化率對于輸出功率變化率的影響

等離子體電弧電壓及其波動的幅度在本實驗的參數范圍內隨著氣體流量的增加而升高。因此，針對不同實際應用，選取合適的氣體流量，小的氣體流量雖然使電弧等離子體炬更穩定，但一方面它可能不能滿足氣體供給的要求，另一方面電弧電壓低，電弧等離子體的功率較低，不能滿足工業應用的需求；大的氣體流量雖然提高電弧電壓使電弧等離子體炬的功率提高，但是同時增加電弧等離子體的不穩定性，另外，氣體流量越大等離子體射流的焓值降低，降低電弧等離子體炬的效率。

2 等離子體噴槍輸出功率及熱效率分析

為了使等離子體噴槍工作在一個穩定的狀態，并且減小電極的高溫腐蝕和燒損，需要對噴槍各個部件進行有效地冷卻。在我們的設計中，前后電極(陰極，陽極)和中間件均采用獨立水冷。在每個獨立水冷管路的入口和出口均布置了K型熱電偶，用來測量進出冷卻水的溫度。

在整個等離子體噴槍試驗過程中冷卻水流量和壓力等參數并沒有做調整，基本上是一個固定值，為9.1 m3/h，折合成質量流量約為2.53 kg/s。冷卻水進水溫度t1=18 ℃保持恒定，等離子體噴槍試驗運行過程中，冷卻水出口溫度分別為t2=19、19.5和20 ℃三種，分三組考核等離子體噴槍輸出功率和熱效率之間的關系，將不同的等離子體噴槍輸出功率和ΔT值按照公式(1)計算出各自條件下的熱效率，并得到如圖5所示的關系曲線。

(1)

其中，η為等離子體噴槍輸出的熱效率； UI為噴槍輸出電流和電壓的乘積(功率)；qw、C和ΔT分別表示冷卻水流量(陰極、陽極和中間件)，水的比熱和溫度變化量。

從試驗研究的結果來看，管式電弧等離子體噴槍輸出的熱效率并不是一個固定值，而是隨著等離子體噴槍輸出功率的變化而變化，但是電弧等離子體噴槍輸出的熱效率均在80%以上。

研究發現，電弧等離子體噴槍輸出的熱效率隨著功率的上升不斷上升。這是因為每一組試驗的噴槍輸出功率的增大均是通過增大工作氣體氬氣流量來實現的，氣體流量增大的過程中電弧被不斷拉長，等離子體氣體和陽極壁面間對流換熱損失的能量較小，從而減少了熱量損失。因此，從電弧等離子體噴槍的熱效率方面來考慮，在等離子體噴槍可以輸出的功率范圍之內，盡量提升電弧等離子體噴槍的輸出功率，盡最大程度的發揮等離子體噴槍的功率輸出能力，可以實現更高效率的熱量轉化效率。

圖5 等離子體噴槍工作輸出功率與熱效率之間的關系

3 等離子體噴槍火焰長度與氣量的關系

通過試驗研究，我們發現，電弧等離子體噴槍的火焰分為等離子體火焰核心區和等離子體火焰外焰，等離子體火焰的長度與氣量(氣壓)存在一定的關聯，將氣壓從0.15 MPa調至0.35 MPa的過程中，也就是增大氣體流量的過程，火焰長度由50 cm左右縮短至20 cm左右，但是等離子體火焰核心區的長度基本維持在15～20 cm這一區間，隨著等離子體工作氣體氣壓(氣流)的增大，火焰長度逐漸變短、變得更粗，核心區更加明亮耀眼，隨著氣壓(氣流)的減小，火焰長度不斷增大，但是火焰整體變得更細，核心區長度基本不變，只是等離子體火焰外焰黃色火焰部分拉長了，核心區火焰亮度降低。隨著工作氣體氬氣流量的增大，電弧柱變粗，這是因為等離子體弧柱被壓縮程度增大的結果。

等離子體噴槍火焰示意圖如圖6所示。

圖6 電弧等離子噴槍工作示意圖

4 等離子體的熱力學特性

等離子體噴槍出口處的比焓可以通過水冷卻系統進水和出水溫度差ΔT按照下式(2)計算得到。通過試驗研究，得到氣體流量與等離子體噴槍出口處的比焓之間的關系，如圖7所示。

(2)

其中，h0是氣體進入等離子體噴槍前的比焓，U、I分別表示電弧電壓和電流，qw、c和qg分別表示冷卻水流量(陰極、陽極和中間件)，水的比熱和工作氣體的質量流量。

h0取290 K時空氣的比焓，h0=292.25 kJ/kg。

圖7 等離子體噴槍工作氣體流量與氣體比焓之間的關系

h1、h2、h3、h4分別為等離子體噴槍電源模塊設定輸出電流為180A、250A、325A、395A情況下的等離子體噴槍出口處的氣體比焓。試驗研究發現，不同電流值的情況下，等離子體噴槍出口處氣體比焓隨著氣體流量的增大而不斷降低，由于在同一電源模塊電流值條件下，氣體流量的增加導致等離子體噴槍輸出功率的上升，因此，對于等離子體噴槍而言，提升輸出功率的同時，噴槍出口處的氣體比焓值在逐漸降低。對于同一氣流條件下，當等離子體噴槍電源模塊設定的電流值增大時，等離子體噴槍出口處的氣體比焓值也在逐漸增大。如在氣體流量為10.11 m3/h時，當電源模塊設定電流值為395 A和180 A的情況下，氣體比焓從28.985 MJ/kg降低到了17.395 MJ/kg。

5 結束語

文中針對民用領域200 kW量級管式直流電弧等離子體噴槍，研究了其輸出功率以及等離子體噴槍焰流等與工作氣體之間的關系。獲得了管式直流電弧等離子體噴槍輸出功率、等離子體噴槍焰流長度等參數與工作氣體流量的變化相關特性。

(1)在保持等離子體噴槍其他條件不變的情況下，隨著等離子體噴槍工作氣體流量的增加，等離子體噴槍的輸出功率也隨之逐漸增大，此外，隨著等離子體噴槍電源模塊輸出電流值的增大，單位氣體流量變化率對于輸出功率的變化率(δP/δV)的影響在逐漸增大。

(2)在等離子體噴槍電源模塊輸出電流值一定的情況下，等離子體噴槍出口處氣體比焓隨著氣體流量的增大而不斷降低，氣體流量的增加導致等離子體噴槍輸出功率的上升，因此，對于等離子體噴槍而言，提升輸出功率的同時，噴槍出口處的氣體比焓值在逐漸降低。對于工作氣體氣流保持一定的情況下，當等離子體噴槍電源模塊設定的電流值增大時，等離子體噴槍出口處的氣體比焓值也在逐漸增大。

(3)等離子體火焰的長度與工作氣體的氣量(氣壓)存在一定的關聯，研究得出增大氣體流量(壓力)的過程，火焰長度逐漸降低，最長50 cm左右，最短20 cm左右。等離子體火焰核心區的長度基本維持在15～20 cm，受氣流的影響較小。隨著氣壓(氣流)的增大，火焰變得更粗，核心區更加明亮耀眼，隨著氣壓(氣流)的減小，火焰長度不斷增大。