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極發生器的燒蝕壽命方法。這種方法是通過在發生器的管式陰極和管式陽極上匹配與之相適應的電磁線圈，通過改變電磁線圈的電流波形、大小、頻率，從而改變交變磁場的大小，通過磁場的變化來約束等離子弧的旋轉與移動，再匹配尾氣的調節，使得等離子弧在一定的軸向區間內，以可控的速度旋轉掃描，減小燒蝕速率，從而提高等離子弧對管狀銅電極的燒蝕壽命。該方法已經通過多種實驗方案進行驗證，取得了預期的良好效果。

關鍵詞：電磁線圈;燒蝕速率;管式等離子陰陽極發生器

中圖分類號：V439 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）21-0070-02

0 引言

節能減排已經提升為國家戰略，節能減排對一些燃燒領域來說尤為必要和重要。隨著等離子技術的發展，越來越多的領域采用等離子技術來實現點火或者燃燒，能達到節能減排的效果，比如在燃煤熱電廠、垃圾燃燒、危廢處理、固廢處理等眾多領域，等離子技術越來越多的被使用，但是在一些特殊的工藝場合需要采用大功率的等離子燃燒技術，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在更多領域的推廣應用，解決等離子使用壽命成了一大關鍵難題。本文通過研究國內國際一些參考資料或文獻，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生器壽命短的瓶頸問題。在產品中取得良好效果。

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，電子在陰極的電場中被加速，達到足以使原子碰撞電離的能量，同時使得從陰極發射電子的過程得以維持。如果增大放電的電流強度，那么電子碰撞的次數就增加。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，電弧運動的最簡單形態如果在旋轉氣體的流場中，電弧徑向段的轉動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動，根據高速攝影的分析結果，弧斑以約9m/S的速度沿圓周方向持續運動。當弧電流增大超過臨界電流強度的閾值是，電極的燒蝕速率就會增大。如果使弧斑在徑向旋轉和軸向掃描，控制速率，比燒蝕將會存在2個數量級的降低。所以為了延長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表面停留的時間足夠短。那么就只有讓等離子在徑向的旋轉速度加快，并且在管狀銅電極的內表面一定區間范圍內掃描移動。這樣周而復始的循環。為了使得弧的運動可控，采用磁場對等離子弧作徑向約束。如果弧斑在轉動過程中，在軸向疊加0.1T的磁場，4～6Hz的頻率相對于某一個垂直于電極軸線的平面往復平動，在這種情況下，弧斑沿電極軸線方向運行掃描的范圍是通道直徑的2～3倍。在弧斑沿圓周以15m/S的速度繞軸線轉動的過程中，轉動一圈弧斑沿軸線方向發生的位移是1～2mm。即弧斑在沿螺旋線運動的過程中，以每轉一圈平移1～2mm的速度向電極表面較冷的部分發生位移。通過分析計算發現，陰極的比燒蝕的水平是10-9次方kg/C。陽極的比燒蝕在10-11次方kg/C。弧電流在600A，B=0.1T，D=50mm，工作氣體G=6g/s的實驗工況下，銅電極比燒蝕降低，所以在管狀銅電極內，陰陽極中電弧施加氣動—交變磁場軸向掃描，可以大幅度提高等離子管狀電極的使用壽命。弧斑運動軌跡和施加電磁場如圖1所示。

1.2 電磁場對等離子弧的約束分析

參考其它文獻的一些結論，為了延長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表面停留的時間足夠短。那么就只有讓等離子在徑向的旋轉速度加快，并且在管狀銅電極的內表面一定區間范圍內掃描移動。因為交變的電場產生交變的磁場，在電磁線圈中通以交變的電流，隨即將產生交變的磁場。所以在管狀銅電極內，陰極中電弧施加氣動—交變磁場軸向掃描。由于弧根在管狀銅電極內表面的瞬態近乎垂直，在磁場力的作用下，由于切割磁力線，弧斑受磁場力、表面張力、氣體的旋轉力，合力將使得等離子弧根沿著不同的軌跡做旋轉運動。與之匹配的掃描頻率和磁場強度大小使得弧斑在電極內表面旋轉與移動。

2 實驗驗證與研究

2.1 原理驗證

為了驗證電弧在電磁場作用力作用下的運動特征，特別試制了高壓起弧裝置10000V、鎢針電極、電磁線圈。為了辨別肉眼辨識清楚弧根的運行軌跡，在微電流、高電壓作用下高壓起弧。無空氣旋轉力作用，電磁線圈通以直流200A電流，目的是辨識電磁場作用下，弧根的旋轉運動軌跡。實驗裝置：電磁線圈通直流200A，電磁場強度用高斯計測得Gs=162。鎢針一電極連接內部鋁環，另一端尖端靠近圓環中心位置，直徑為12mm的圓孔，當上電高壓起弧后，弧根沿圓周旋轉。

2.2 大功率管狀銅電極等離子炬

通過原理驗證之后，設計與試制了大功率管狀銅電極等離子體炬發生器，此發生器陽極前端套一電磁線圈，外徑120mm，內徑20mm，陰極中部套一電磁線圈，外徑120mm，內徑20mm。中間通以旋轉氣體。尾部預留一路旋轉氣體。實驗裝置實物圖鑒于保密要求，所以省略。

2.3 不同電磁場強度下的實驗數據

為了在大功率等離子體炬上驗證大功率大電流條件下的等離子弧根的旋轉、移動情況和燒蝕情況，試制了幾種不同規格的的電磁線圈，列舉一種有代表性的電磁線圈在正反向連接、不同電流和場強大小、不同結構下的實驗數據如表1所示。

為了更為清晰直觀的反應電磁線圈在電磁場正向（根據流過電磁線圈的電流方向判斷電磁場的方向和氣體的旋轉方向同方向）作用下、和電磁場反向（根據流過電磁線圈的電流方向判斷電磁場的方向和氣體的旋轉方向反方向）作用下，在不同的進氣量和不同的電磁場強度下，等離子弧在電壓上的變化來間接的反應等離子弧在不同磁場作用的旋轉和移動影響。

利用上述實驗裝置，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，電流調節范圍在10A～1000A區間，通過電磁線圈做實驗。在多種工況下，作出的數據與實物燒蝕照片，充分驗證在不同的磁場強度的約束下，使得等離子弧旋轉和移動。從而使得管狀銅電極的燒蝕壽命大大的延長。

3 結語

通過本文的研究可得下述幾點結論：

（1）通過參考國內國際一些對大功率等離子體燒蝕機理的深度分析，結合自有的大功率等離子體炬的結構特點，借助于電磁場對等離子弧的約束的原理和理論模型分析，通過實驗驗證，對電磁場對等離子弧的約束在微觀上有了更深層次的認知，并對等離子弧在高溫下對管狀銅電極的燒蝕分析，用實驗驗證了電磁場對大功率等離子的約束能力和可控性。

（2）通過在自主研發的大功率管狀銅電極的等離子發生器上進行了驗證。對比了無電磁線圈和有電磁線圈對等離子弧不約束和有電磁場約束的多種工況下，等離子弧對管式銅電極的燒蝕效果對比。

（3）通過實驗驗證了，等離子弧的微觀運動軌跡和可約束性，電磁線圈的電流越大，磁場越強，對等離子弧的約束作用就越強。

（4）通過實驗驗證了在電磁線圈中，通過不同頻率、不同波形的電流，在電磁線圈中產生交變的電磁場，約束弧根的旋轉和移動，從而保證了弧根的旋轉速率和掃描寬度。

（5）通過實驗驗證，電磁線圈約束弧的旋轉與移動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。現有實驗條件，在350A的工況下，等離子體陰極的燒蝕壽命目前從最初的3個小時，提高到現在的幾十個小時，隨著等離子炬的結構的完善，氣體和電流電磁場大小的匹配，此方案可以將大功率等離子炬的陰陽極使用壽命提高到數百小時。此裝置也在進一步的優化和完善。

參考文獻

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