大尺寸電弧等離子體的產生、控制及應用1)

馬中洋 , 李淩豪 , 孫紅梅 倪國華 ,

* (中國科學院合肥物質科學研究院等離子體物理研究所,合肥 230031)

? (中國科學技術大學研究生院科學島分院,合肥 230026)

引言

電弧作為產生熱等離子體的一種常用方式,可以提供一般燃燒所不能達到的超高溫工藝環境,且具有可調控氧化、還原和惰性氣氛的優點,在工業和科研領域具有重要的應用價值[1-2].電弧等離子體技術在機械加工[3-4]、環保[5-6]、航天航空[7-8]和材料制備[9-11]等諸多領域,至今仍發揮著重要的作用,這些應用大多基于電弧能量集中所帶來的高溫、高焓的特性優勢.然而,由于電弧的自收縮特性,導致的電弧溫度梯度大、高溫區體積小的顯著特征,也制約了電弧等離子體在現有工業應用的升級和新領域應用的拓展.例如,采用徑向送粉的電弧等離子體噴涂,由于高溫區的狹小,顆粒很難完全進入射流高溫區域,使得一部分顆粒得不到充分的加熱,造成涂層缺陷的形成.因此,研究產生大面積均勻電弧等離子體,以滿足其在熱噴涂、微納粉體制備和煤制乙炔等方面的工業化實際應用,受到了國內外研究學者的廣泛關注.大尺寸電弧等離子體在實際應用中具有如下優勢: (1) 擴大電弧等離子體高溫區的體積,提高反應區溫度場均勻性,使得顆粒群與等離子體混合后,飛行過程中物理化學行為狀態(如熔融)一致性得到改善;(2) 可以實現軸向送粉,提高顆粒與等離子體的混合效率;(3) 分散電極貼附電流密度,有效提高電弧等離子體發生器使用壽命.這些優勢使得大尺寸電弧等離子體技術顯示出非常好的應用前景.

針對電弧尺寸小以及由此帶來的諸多問題,結合實際的應用場景,國內外學者開發了形式各異的大尺寸電弧等離子體發生器,其產生方式和機制各不相同,相比較自由弧和傳統直流電弧等離子體炬中的等離子體產生機制而言,涉及的科學和技術問題也更多更復雜,這也給相關研究提出了新的挑戰.需要說明的是,文中所涉及的“大尺寸”并無嚴格意義幾何尺寸大小的界限,僅表示相比較傳統電弧弧柱而言,大尺寸電弧發生器或反應器中熱等離子體徑向尺寸的增大.此外,大氣壓非熱電弧(如滑動弧)和真空電弧也不在本文討論范圍之內.本文從大尺寸電弧等離子體的產生方式、特性控制及其應用3 個方面總結大尺寸電弧等離子體的研究進展,分析了各種類型電弧等離子體發生器結構特征,產生大尺寸電弧等離子體的基本特性及其調控方法和應用現狀,并對未來的研究做出展望.

1 大尺寸電弧等離子體的產生

作為產生等離子體的裝置,電弧發生器一直是低溫等離子體學科的重要研究課題.基于近年來材料科學、能源化工等領域對大尺度電弧等離子體的迫切需求,各種類型的大尺寸電弧等離子體發生器研制取得了較快的進展,國內外諸多研究機構,包括俄羅斯科學院電物理與電力研究所[12-15]、日本東京工業大學[16-19]、中國科學技術大學[20-25]、法國國立巴黎高等礦業學校[26-30]和中國科學院等離子體物理研究所[31-34]等,針對具體應用需求,開發了各具特性的大尺寸電弧等離子體發生器,按結構和電弧的驅動方式不同,可以分為多相交流電弧發生器、多電極直流電弧發生器和磁驅動旋轉電弧發生器這3 種類型.

1.1 多相交流電弧發生器

在交流驅動的電弧等離子體中,多相交流電弧發生器由于結構簡單,且對電源的要求較低,是一種簡便易行的大尺寸電弧等離子體產生方式[35].一般采用多相交流電源驅動對應相數的電極,根據采用電源的相數,主要有三相、六相和十二相交流電弧發生器,相比較傳統的直流電弧等離子體炬,這種交流電弧受到的約束小很多,通過電極間的交替放電,多個電弧疊加共存于放電腔內,從而形成較大面積電弧等離子體.由于這種電弧發生器各個電極放電電壓和電流的交替變化,沒有固定的陰極和陽極,因此電極的燒蝕較小,電極的使用壽命較長[32,34].但是由于電極上的電流會過零點,存在電弧熄滅和再次引燃的問題,因而等離子體的波動較大,電弧等離子體及其產生的高溫區的均勻性和穩定性較差,最初應用在一些對性能要求不高的領域.

早在20 世紀70 年代,法國學者Bonet 等[36-37]開始了三相交流電弧等離子體技術研究工作,發現其在耐高溫粉體材料熔融和球化等熱處理方面展示出非常好的應用前景,激發了研究人員對該技術的興趣,根據實際的應用場景,并基于電極材料、工作氣體類型、電流強度和結構尺寸等特征,在三相交流電弧發生器研制方面做了大量的工作,加深了人們對三相交流電弧等離子體特性的理解.到目前為止,很多研究團隊根據實際的應用需求,開發了多種類型的三相交流電弧發生器,不過它們的基本結構相似,3 個沿中心軸匯聚的電極和及其腔體構成三相電弧發生器的主體,如圖1 所示.Rehmet 等[38-41]采用高速攝像實驗觀測結合理論計算,系統研究了三相交流電弧的動態行為,發現在某一個時刻,電弧只存在于電勢差最大的兩個電極間,并在3 個電極之間依次切換,電弧在電極之間的循環運動,增大了等離子體的空間尺寸,增強了弧柱與工作氣體之間的熱交換,有助于氣體加熱效率的提高.此外,研究表明增加電極間距和提高弧電流可以獲得更大尺寸的電弧等離子體.需要引起注意的是,由于電極燒蝕引起的金屬/碳蒸氣射流向電極傳遞的焓有助于新弧的引燃,電極表面電場位形決定了金屬/碳蒸汽射流的方向,因此電極表面形貌會對原有電弧的動態行為特征造成影響,增加其不穩定性.Rutberg 等[42-43]采用類似導軌式電極結構,如圖2 所示,可以有效降低電極燒蝕的速率,并避免由于電極表面形貌變化帶來的熄弧風險,這種電極結構有助于電弧在氣動力的作用下,弧根在較大尺寸電極表面滑動,減緩電極的燒蝕,并且在逐漸擴張的電極間隔間形成大尺寸的電弧等離子體.他們還研制出了長通道形的三相交流電弧發生器,通過為每個電極設置獨立的電弧通道,避免了弧柱間的再擊穿問題,獲得了直徑不小于0.2 m 弧柱總長超過2.5 m 的大尺寸電弧等離子體,實現了高弧電壓模式下大功率三相交流電弧的穩定運行[13].

圖1 三相交流電弧發生器[41]Fig.1 Diagrams of 3-phase AC arc generator[41]

圖2 導軌式電極結構三相交流電弧等離子體炬[43]Fig.2 Schematic of 3-phase arc plasma torch with rail electrodes[43]

由于三相交流放電在同一時刻電弧僅存在于其中兩個電極之間,等離子體的均勻性差.為此,日本東京工業大學Watanabe 團隊[44-48]相繼開發了六相和十二相電弧發生器,如圖3 所示,結果表明電源相數(對應電極數量)的增加不僅可以提高熱等離子體的尺寸,而且還可以有效降低電弧等離子體波動,提高了熱等離子體的穩定性.當電極數量由6 增加到12 時,電弧再擊穿更加容易,電壓波形的畸變變小,波動幅度降低.盡管電弧弧柱主要集中在邊緣區域,但實驗診斷表明反應器中心區域溫度最高,這一特性非常適合飛行顆粒的熱處理.

圖3 十二相交流電弧等離子體炬示意圖和電弧室俯視圖[48-49]Fig.3 Diagrams of 12-phase arc plasma torch and top view of the arc chamber[48-49]

為了獲得更長射流的電弧等離子體,清華大學李和平等[50-53]借鑒雙射流直流電弧發生器的設計理念,結合多相交流電弧發生器的結構特點,通過調整電極與中心軸的角度,結合軸線冷氣路的注入,在亞大氣壓條件下的六電極電弧發生器中產生了最大直徑和長度分別可達14 cm 和60 cm 的射流等離子體(圖4).

圖4 六相交流電弧等離子體炬示意圖和電弧等離子體射流照片[53]Fig.4 Images of 6-phase arc plasma torch and the plasma jet[53]

1.2 多電極直流電弧發生器

多電極直流電弧發生器通常采用多組直流輸出或多個直流電源驅動多個電極,在電弧室內同時產生多個電弧,通過電弧與電弧的相互耦合,形成較均勻的大尺寸熱等離子體.根據陰極和陽極相對數量,可分為多陰極-多陽極電弧發生器、多陰極-單陽極電弧發生器和單陰極-多陽極電弧發生器[32].

從已有文獻看,英國學者 Harry 等[54-57]早在20世紀70 年代就研制出了多電極(六陰極-六陽極)直流電弧發生器,如圖5 所示,采用六組獨立輸出的直流電驅動6 對共面布置的石墨電極,在直徑120 mm的區域產生了大尺寸熱等離子體,由于電弧之間的相互約束,多弧體系中每個電弧的穩定性均有所提高.但是,由于該裝置沒有考慮等離子體的流動問題,實用價值不高,這也導致了之后很多年很少有人涉足這個方向.相比較而言,通過具有相同或相似結構的陰極和陽極,產生類似于英文字符“V”形狀電弧的V 型電弧發生器(圖6),由于考慮了等離子體的流動,其弧柱部分或全部形成于發生器噴嘴管之外,并匯聚產生射流等離子體[58,60-63],實用性更強,不僅提高了可有效利用的電弧等離子體尺寸,而且發生器的熱效率也得到了明顯提升,在固廢處理[60]、煤制乙炔[61]等對能耗要求較高應用領域受到了一定的關注.V 型電弧發生器的結構特征為更好地設計多電極直流電弧發生器提供了借鑒.

圖5 六陰極-六陽極電極直流電弧發生器裝置[58]Fig.5 The photograph of DC arc generator with twelve electrode[58]

圖6 V 型電弧等離子體發生器及其放電示意圖[59]Fig.6 The V-type arc plasma torch[59]

中科院等離子體所倪國華課題組[33-34]在結合上述六陰極-六陽極直流電弧發生器和V 型電弧發生器優點的基礎上,研制了三陰極-三陽極直流電弧發生器,采用主動控制策略調控等離子體的流動,其結構如圖7 所示,每個電極均外套陶瓷套用以獨立控制單個電弧的流動,并且通過電極相對位置的變化,形成對沖和渦旋流動的熱等離子體放電區,通過對電弧位形的有效調控,可以獲得參數可控的大尺寸熱等離子體.

圖7 三陰極-三陽極直流電弧發生器裝置[33]Fig.7 Illustration of DC arc plasma torch with six electrode[33]

傳統等離子體噴涂由于顆粒流與等離子體射流方向垂直,存在著等離子體與顆粒混合效率低,影響涂層效果等問題.為了解決這一問題,Pfender 等[64-65]提出了可以實現軸向送粉的三陰極轉移弧發生器,顆粒在軸向氣流作用下,與三束自由弧等離子體混合熔融鋪展在陽極被處理材料表面.然而,這種沒有被約束的自由弧存在流動控制困難,并進而影響其與顆粒群的混合效率和一致性.德國慕尼黑聯邦國防大學[66-67]開發了非轉移弧三陰極電弧發生器Triplex,并且在陰極和陽極之間插入輔助中間極,如圖8 左圖所示,在提高弧長的同時,避免了大尺度分流,起到穩弧和穩定功率輸出的作用,此外由于有陽極噴嘴的約束,等離子體的流動更易控制,有助于顆粒群與電弧的混合,提高顆粒的熔融效果,Triplex 在熱噴涂中獲得很好的應用效果,隨后由SulzerMetco公司實現了商業產品的轉化.Marantz 等[68-69]在每個陰極外側增加對弧柱起到約束和引導作用的輔助陽極,提高了對每個電弧定向運動的調控,在機械壓縮和氣流壓縮的共同作用下,提高了多弧系統下電弧等離子體的穩定性.加拿大西北Mettech 公司的Axial III (圖8 右圖)三電極軸向送粉等離子噴涂系統的等離子體炬在該技術方案的基礎上,優化了輔助陽極的結構,利用輔助陽極通道強化了對電弧行為的約束,降低了弧柱與弧柱耦合后等離子體參數波動,從而提高了軸向飛行顆粒被處理后狀態的一致性,在熱噴涂領域獲得了很好的商業應用[70-73].通過增加陰極的數量,顯然可以提高放電區等離子體的面積,在六陰極電弧發生器中,六束陰極弧向陽極匯集流動,為擴散弧的形成創造了外部條件,在合適的參數條件下,獲得了直徑約40 mm 均勻的擴散電弧等離子體[74-76],擴散電弧有助于層流等離子體射流的產生,圖9 展示了不同電弧電流下的等離子體射流圖像,在300 A 弧電流下等離子體射流的長度可達60 cm 以上[77].

圖8 三陰極電弧發生器示意圖Fig.8 Diagrams of the three cathode arc generator

圖9 不同電弧電流下等離子體射流圖像[77]Fig.9 Variation of the plasma jet with different arc currents[77]

固定陽極弧根的貼附可以提高電弧的穩定性,降低等離子體射流的脈動,從這個考慮出發,慕尼黑聯邦國防軍大學 Schein 等[66-67]開發了一種三陽極電弧發生器DeltaGun,如圖10 所示,3 個相互絕緣、尺寸相同的扇形結構陽極構成管狀噴嘴,在陰極和陽極之間通過增加輔助中間極提高弧長.研究發現弧柱在靠近陽極區域分裂成的3 根弧柱,3 個被分割的陽極避免了陽極弧根的周向旋轉運動,相比較傳統直線型直流電弧等離子體炬,電弧的穩定性得到明顯提升.

圖10 DeltaGun 發生器示意圖Fig.10 Schematic of the DeltaGun

在多弧體系中,軸向并行的多個電弧在電磁力和冷氣流作用下,徑向等離子體特性參數會形成比較典型的特征分布,形成一個低黏度、低壓的中心區域,當顆粒注入時會產生籠蔽效應,如圖11 所示,類似于幾股電弧將顆粒裹挾著輸運到下游,這是一個非常有益的現象,不僅提高了飛行顆粒與等離子體混合的混合效率,而且有助于避免顆粒向四周飛濺造成的噴嘴或反應器堵塞的問題,這一點對于涉及等離子體作用于顆粒群,諸如熱噴涂、煤制乙炔和微納粉體制備等應用中非常重要[34,67,78].

圖11 籠蔽效應示意圖[78]Fig.11 Schematic of the cage effect[78]

1.3 磁驅動旋轉電弧發生器

通過外加磁場方式驅動電弧高速旋轉產生的電弧等離子體,可以認為是一種在較長時間尺度上的大面積均勻等離子體[79].這種發生器通常由管式陽極(構成電弧室)和棒狀陰極,以及陽極外側的磁場線圈或永磁體組成,如圖12 所示[63].在軸向磁場的作用下,電弧徑向電流使得弧柱產生旋轉,從而使得靠近陽極區等離子體產生離心流動,徑向擴張.這種旋轉電弧降低了弧根在電極固定位置的貼附時間,有助于對電極的保護,因而也常被用于大功率等離子體炬中作為減緩電極燒蝕的方法[80-83].電弧的快速旋轉有助于對工作氣體的均勻加熱,提高傳熱效率.

外加磁場對徑向電弧分量所產生的洛倫茲力、氣動力和黏滯力等對電弧的共同作用,以及由于電弧運動導致的電場和自磁場的變化,導致磁驅動旋轉電弧的動態行為非常復雜.假設電弧為剛體,利用電弧受洛倫茲力和氣動阻力的平衡簡化模型分析,表明電弧形狀近似為螺旋狀[84-86],Minoo 等[87]通過實驗觀測得到了類似的結果,如圖13 展示了磁驅動旋轉電弧所產生的螺旋位形結構的照片[88].一般情況下,這種旋轉電弧并沒有改變電弧的自收縮特性.但在一些特殊情況下,磁驅動旋轉電弧也有可能會驅動電弧的“分裂”,產生多個放電通道共存的現象,Desaulniers 等[89]利用譜線強度波動信號對磁旋轉電弧進行統計分析,得到了旋轉電弧平均放電通道個數.在一定條件下,這種“分裂”電弧會發展成為完全擴散的電弧等離子體,均勻分布于80 mm 內徑的電弧室內,如圖14 所示.相比較收縮電弧,擴散弧的弧電壓相對平穩,表明該種模式下電弧的波動小.高速旋轉電弧加速了電弧與弧室冷氣體的強對流換熱,對分散弧柱并形成擴散電弧起到促進作用[86,90-94].

圖13 螺旋位形結構電弧照片[88]Fig.13 Photos of the spiral arc[88]

圖14 磁擴散等離子體圖像[94]Fig.14 Images of diffuse arc plasma[94]

2 大尺寸電弧等離子體控制

在大尺寸電弧等離子體產生方式確定后,通過外部參數的調整實現對等離子體的控制,可以更好地滿足實際應用的需要.這些調控方式主要包括: 電場調控、磁場調控和氣體調控等.

2.1 電場調控

通過改變電場的大小和方向來控制等離子體中粒子行為和能量轉化過程,是調控電弧等離子體流動與傳熱的有效手段[34].在多相交流電弧發生器和多電極直流電弧發生器中,可以通過電極間的相對位置,便捷地調節電場方向,從而實現對電弧位形、動態行為的調控.在三相交流電弧發生器中,Rehmet等[38,41]對比了三相交流電弧發生器中兩種電極排布結構對電弧特性的影響,放電圖像如圖15 所示,在電極共面相對結構中,電弧被約束在電極間的區域,電極燒蝕噴射的蒸氣離子流能夠到達未燃弧電極,提高了新電弧通道的電導率,對引燃電弧起到了很好的輔助作用,這對于低頻三相交流電弧的穩定連續運行非常重要.而在軸向平行電極結構中,電極燒蝕噴射的蒸氣離子流沿著軸向向下,無法起到輔助引弧的作用,未燃弧電極的電弧重燃變得比較困難,電弧穩定性變差.

圖15 三相交流電弧等離子體放電圖像[38,41]Fig.15 Images of three-phase AC arc plasma discharge[38,41]

東京工業大學Watanabe 課題組[95-99]在研究十二相交流電弧放電特性時,發現通過電極與電源相位連接次序的變化,顯著影響了交流多弧體系中電弧的行為,從而表現出不同的等離子體空間分布和波動特征.在CW 結構(電極按照電源相位順序逆時針依次排列)中,電弧傾向于出現在存在最大電勢差的相對電極之間.類似地,在FF 結構(按逆時針方向電極依次與電源奇數相位,然后與偶數相位順序連接) 中,電弧放電主要發生在電場最強的兩電極之間.采用數字圖像處理技術,以圖像灰度值分布近似表征放電區溫度場,在直徑60 mm 的中心放電區域,CW 結構的高溫區占比面積大于FF 結構,而在整個100 mm 的放電區,FF 結構高溫區占比面積要高于CW 結構的.圖16 的結果表明,相比較CW 結構而言,FF 結構的高溫區面積波動較小,表明FF 結構中電弧的波動相對較小.這表明在多電極結構電弧發生器中,利用電極的結構配置是調控放電行為和空間溫度分布的一種有效手段.

圖16 一個放電周期內的電弧存在區域[98]Fig.16 The arc existence area within one discharge cycle[98]

這種調控方式同樣被用于六電極直流電弧發生器中,通過電源與電極連接次序的變化,可以構造鄰位電極配置和對位電極配置的電弧發生器,結合電極之間相對位置的變化,即相對電極完全正對(氣流對沖)結構和所有電極中軸線在電弧室中心區域形成內切圓(旋流)的結構,配置成了電極鄰位(氣流對沖或旋流)、電極對位(氣流對沖或旋流) 4 種結構類型,如圖17 所示.通過高速攝像可以觀測到,放電區等離子體形態和電弧行為表現出各自獨有的特征,表明通過電極布置調節電弧室內的電場分布,可以有效調控等離子體的位形[31].

圖17 六電極直流電弧發生器的4 種電極結構和對應的放電照片[31]Fig.17 Schematic diagram of four electrode structures and corresponding discharge photos of a six-electrode DC arc generator[31]

陽極弧根的貼附形式會導致電弧形態的變化,已有研究表明,擴散型的弧根貼附狀態,會形成“鐘罩”狀而非收縮狀的電弧等離子體[100].王海興等[101-103]在研究陽極凸起影響弧根貼附特性的基礎上,巧妙地設計了具有環形凸臺結構的陽極,通過對電極間電場分布的分析,發現由于陽極表面的環形凸臺邊緣的大曲率增強了局部電場強度,從而驅動電弧均勻地分散在環形凸臺上,對調節電弧陽極的附著方式起著重要的作用.這種通過設計電極表面形貌,形成特定的電極表面電場位形,調控弧根的貼附方式,從而實現相對擴散型的電弧,對于調控大尺寸均勻電弧的產生非常有意義.

2.2 磁場調控

磁場是調節等離子體中帶電粒子運動行為的重要手段.在磁驅動旋轉電弧等離子體中,通過外加磁場強度的調節,改變電弧弧柱的受力,可以控制電弧運動方向和速率,提高等離子體的均勻性[1].Harry等[104]通過實驗觀測發現隨著軸向磁場的增強,電弧旋轉速率持續增快,在較長的時間尺度(0.15 ms)上顯示出等離子體均勻分布電弧室內.通過磁場調控電弧快速運動,有助于電弧與冷氣流之間的熱交換,在適宜條件下,甚至會改變電弧弧柱和弧根貼附的狀態[88].夏維東等[105-110]采用高速CCD 攝像手段分別實時觀測電弧和弧根的演化過程,發現增大軸向磁場強度,有助于電弧的擴散和陽極弧根轉變為擴散型,當軸向磁場強度較小時,在陽極附近僅觀察到一根收縮的弧根,電弧顯現出較為穩定的螺旋結構形態,隨著磁場的增大,電弧轉速增加,穩定的螺旋結構被破壞,旋轉速率的增大強化了電弧與冷氣體間的對流換熱,促進了多個并聯電弧的形成,并進而發展為充滿整個電弧室的均勻擴散電弧.

在磁旋轉電弧發生器中,外加磁場不僅可以改變弧柱的動態特征和陽極弧根的貼附方式,而且可以促進陰極弧根形態的轉變.磁場增強,無論是收縮電弧還是擴散電弧,其陰極斑點數量均有逐漸增多的趨勢,并且陰極的端面也愈發顯得明亮,如圖18所示.這其中部分原因是由于外加磁場產生的洛倫茲力驅動著電弧高速旋轉,從而降低了陰極附近的氣壓,使得陰極弧根愈易貼附該負壓區域,造成陰極斑點數量的增多,并進而演化為均勻分布于陰極邊緣的擴散弧根[63,111].

圖18 不同磁場強度下陰極斑點圖像[111]Fig.18 Cathodic spots images at different magnetic field[111]

2.3 氣體調控

流動與傳熱是電弧等離子體技術在應用中被關注的核心問題之一.氣體種類的不同、流動狀態的差異直接影響著電弧等離子體的特性和被處理對象的作用效果.擴散電弧是大尺寸均勻熱等離子體產生的一種理想方式,研究表明,電弧產生焦耳熱與等離子體向外傳遞的熱量關系對電弧擴散起到關鍵作用,焦耳熱增量速率與熱傳導的比值越小,電弧擴散越容易[63].因此等離子體工作氣體的物理性質(熱導率和電導率等)起到至關重要的作用,通過調節工作氣體種類和含量,可以有效調節電弧的狀態,實現穩定擴散電弧的產生,在各種氣體中,氦氣高熱導率和高電離能的典型物性特征,有助于形成擴散型電弧.因此在氬-氦電弧放電中(圖19),可以清楚地看到,隨著氦氣比例的增大,電弧的擴散性和穩定性均得到了明顯的提升[63,112].

圖19 不同氬氣、氦氣體積流量比例下電弧的連續圖像[112]Fig.19 Successive images of arc plasma under different plasmaforming gases[112]

電弧的自磁壓縮是導致電弧收縮最主要的原因,Pan 等[113-114]認為如果有一個大于自磁壓縮力的電弧膨脹力,就可以實現擴散電弧的產生,并通過設計具有約束和擴張結構電弧通道結構,在陰極腔與下游環境之間產生較大的壓差,在快速膨脹的氣動力作用下,實現了電弧的擴散,如圖20 所示.

圖20 放電電弧圖像[114]Fig.20 Arc discharge image[114]

多電極電弧發生器中,可以方便地設置多氣流通道調節發生器內的流場,這有助于通過多股氣流的綜合作用調控等離子體位形和動態行為.通過電極相對位置的排布,可以在電弧室內形成對沖氣流和旋流.氣流作用下,不僅約束了每個電弧的行為,而且可以調節與其他電弧的相互作用.不同于對沖氣流,在旋流結構的三陰極-三陽極電弧發生器中,由于產生了切向氣流力分量,電弧室內等離子體宏觀上表現為渦流向下的運動[31-32,34].需要引起注意的是,在多電弧體系中,弧柱與弧柱之間處于強耦合狀態,電弧的行為是受到電磁力、氣體拖拽力、氣動力和黏滯力等多種因素作用的綜合結果,這需要通過建立更加精確的數學模型進行模擬計算,并結合實驗診斷才能更好地理解其中的物理過程.

3 大尺寸電弧等離子體應用

工業應用需求推動了大尺寸電弧等離子體技術的發展,隨著該技術的進步,促進了其在原有領域的應用升級,并拓展了應用范圍.目前大尺寸電弧等離子體在熱噴涂[115-118]、微納粉體材料制備[33,119-121]、固廢處理[13-14]和煤制乙炔[122-123]等方面均有很好的應用,并取得了不同程度的進展.

多陰極電弧發生器很好地解決了顆粒與等離子體高效混合問題,很快得到了商業化應用,熱噴涂領域的國際知名公司瑞士SulzerMetco 和加拿大Mettech 分別開發了三陰極等離子體TriplexPro[115-116]和Axial III[73,118]噴涂系統,相比較傳統的徑向送粉的等離子體噴涂系統而言,三陰極軸向送粉等離子體噴涂在高沉積速率、低孔隙率、較高涂層硬度和對顆粒粒度分布要求不高等方面體現出明顯的優勢,已用于耐磨、耐腐蝕和耐高溫等涂層的制備(圖21),獲得了優異的性能指標.

圖21 不同應用領域的涂層[73,115-116]Fig.21 Coatings in different application fields[73,115-116]

在粉末冶金、化工、復合材料等領域,粉末的微觀形貌關系到其宏觀使用效果,由于球形粉體獨特的性能優勢,使其應用越來越廣泛.熱等離子體球化技術是難熔金屬和陶瓷粉體球化的有效方法,其工藝工程與熱噴涂中等離子體對飛行顆粒作用的物理過程非常相似[34].不規則的固體顆粒注入到等離子體中,快速熔融成液滴,進而冷卻使得表面能降低生成球形顆粒,大尺寸均勻熱等離子體有助于提高球化率和處理量,降低能耗.文獻[33]給出了三陰極-三陽極電弧發生器處理SiO2粉體的應用案例,結果表明,被處理后的粉體球化率達到了約95%,能量效率達到了12.77 g/(kW·h),實驗還證實了電弧室內高溫區域的大小直接影響球化處理能力.利用六陰極電弧發生器球化處理鎢粉也獲得了很好的效果[121],在輸入功率12 kW、進料速率5 g/min 條件下,鎢粉球化率達到了95%,其流動性和表觀密度分別為6.3 s/50 g 和10.6 g/cm3.

蒸發-冷凝法和等離子體合成法(前驅體注入等離子體中合成粉體材料)是熱等離子體制備納米粉體的兩種主要手段.夏維東等采用磁驅動旋轉電弧產生大面積均勻等離子體技術,解決了等離子體對物料快速均勻加熱問題,材料制備裝置如圖22 所示.所制備的石墨烯平面尺寸50～ 300 nm,層數2～ 5 層,表現出良好的晶體結構和超大的比表面積,產品均勻性好;制備方法及設備簡單,一步合成,無需還原,且無需基底、催化劑、溶液或酸,收率高(約14%),能耗低(約0.4 kW·h/g),成本低,突破了熱等離子體工藝或高能耗、或產品均勻性低和生產穩定性不足的技術瓶頸,有望實現大規模連續生產[119-120].此外,通過改變反應氣體種類和前驅體,很容易獲得高品質的氮摻雜石墨烯和碳化硅納米顆粒[124].Watanabe 等[48]在十二相交流電弧發生器中,采用石墨電極蒸發法制備了粒徑20～ 40 nm 的多壁碳納米管.

圖22 石墨烯制備實驗裝置示意圖[119]Fig.22 Schematic diagram of the experimental apparatus[119]

在環境污染物治理應用方面,降低設備成本、能耗和提高設備運行的穩定性是等離子體固廢處理技術走向實用化的兩個關鍵因素之一,三相交流電弧等離子體在使用壽命、經濟性,以及可以產生大尺寸熱等離子體方面體現出了一定的優勢,Rutberg等[13-14]采用三相交流電弧等離子體氣化處理塑料垃圾和木質殘渣,通過實驗發現每公斤塑料垃圾可產生3.62～ 3.48 m3的合成氣,其主要成分為氫氣和一氧化碳;含水率20%的木質殘渣,在消耗2.16 MJ 能量氣化處理后可產生13.5 MJ 化學能,這為有機垃圾的無害化和資源化處置方式提供了很好的解決方案.

利用熱等離子體裂解煤制乙炔的研究始于20世紀60 年代,我國也在20 世紀90 年代開始做了大量的基礎和工程試驗研究[125-128],在國際上已處于領先地位,然而至今仍沒有真正實現工業化生產,這與一些關鍵技術諸如大功率等離子體炬長時間穩定運行、等離子體反應器結焦等問題尚未完全解決有直接的關系.采用大尺寸電弧等離子體技術不僅可以提高等離子體與煤粉的混合效率,提高乙炔的收率,而且還有助于緩解反應器結焦,已基本得到了很多研究學者的共識[122-123].基于等離子體裂解煤制乙炔過程具有清潔、高效和流程短等優點,是煤炭清潔高效利用的有效途徑,隨著大尺度電弧等離子體技術發展和相關技術的突破,等離子體法制乙炔產業化能夠徹底實現.

4 總結與展望

提供氣氛可控的高溫工藝環境是熱等離子體特有的能力,也是其在諸多領域廣泛應用的基礎和優勢所在,隨著產業升級和應用的拓展,能夠滿足對物料快速均勻加熱的大尺寸電弧等離子體的技術需求越來越迫切.多相交流電弧、多電極直流電弧和磁驅動旋轉電弧是基于電弧技術產生大面積熱等離子體的主要方式,由于產生的機制不同,表現出各具特征的等離子體時間-空間演變特性.

通過電場、磁場和氣體控制電弧動態行為和空間位形,是調控獲得最佳等離子體性能參數的有效手段.外加磁場不僅可以改變電弧弧柱的動態行為,而且有助于弧根貼附行為和電弧模式的轉變,提高電弧等離子體的均勻性.在多相交流電弧發生器和多電極直流發生器,通過改變電極結構布置調整電場,是調控等離子體空間位形非常有效和便捷的手段.此外,通過陽極表面局部結構調節弧根貼附區域的電場,促進弧根貼附向擴散型轉變并增加電弧尺寸,這種微觀調節促進宏觀等離子體特性的改變,對電弧等離子體的控制帶來了有益的啟示,是未來一段時間研究人員可以關注的重點方法.工作氣體的物理性質是電弧擴散的決定因素,氣流的作用力可以驅動電弧的運動,同時在氣動力作用下也會影響電弧的內在屬性.擴散電弧等離子體是大尺寸均勻熱等離子體產生的理想方式,無論是磁驅動還是氣流作用,易受到外界的擾動而轉為收縮狀態,通過建立模型量化電弧收縮-擴散性,有助于針對性地提出精確調控手段,是未來研究擴散電弧產生技術的重點方向.

工業生產對精細化程度越來越高,大尺寸電弧等離子體在提供電弧基本功能的基礎上,適應了很多應用領域期望對物料均勻快速加熱和化學反應的技術需求,提高了制備產品性能的一致性和穩定性,必然在表面處理、材料制備和能源化工等領域發揮越來越重要的作用.