提高大功率等离子管式电极烧蚀寿命的方法研究

敬敏 刘彦涛

摘 要：本文介绍了一种能很好解决大电流、高电压的大功率等离子管式阴阳极发生器的烧蚀寿命方法。这种方法是通过在发生器的管式阴极和管式阳极上匹配与之相适应的电磁线圈，通过改变电磁线圈的电流波形、大小、频率，从而改变交变磁场的大小，通过磁场的变化来约束等离子弧的旋转与移动，再匹配尾气的调节，使得等离子弧在一定的轴向区间内，以可控的速度旋转扫描，减小烧蚀速率，从而提高等离子弧对管状铜电极的烧蚀寿命。该方法已经通过多种实验方案进行验证，取得了预期的良好效果。

关键词：电磁线圈;烧蚀速率;管式等离子阴阳极发生器

中图分类号：V439 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）21-0070-02

0 引言

节能减排已经提升为国家战略，节能减排对一些燃烧领域来说尤为必要和重要。随着等离子技术的发展，越来越多的领域采用等离子技术来实现点火或者燃烧，能达到节能减排的效果，比如在燃煤热电厂、垃圾燃烧、危废处理、固废处理等众多领域，等离子技术越来越多的被使用，但是在一些特殊的工艺场合需要采用大功率的等离子燃烧技术，功率增大，电流也随之增大，但是随着电流的增大，等离子的阴阳极烧蚀寿命短便成为瓶颈，特别是阴极，所以要使等离子技术在更多领域的推广应用，解决等离子使用寿命成了一大关键难题。本文通过研究国内国际一些参考资料或文献，提出了一种提高管状铜电极的等离子体炬在大功率大电流下的烧蚀寿命的方法。解决了大功率等离子炬在垃圾焚烧、危废处理、固废处理、以及航空航天所需的大功率等离子发生器寿命短的瓶颈问题。在产品中取得良好效果。

1 等离子弧烧蚀原因分析

1.1 等离子体烧蚀机理分析

等离子体电弧源自于电极间气隙击穿形成的火花放电。电弧形成以后，电子在阴极的电场中被加速，达到足以使原子碰撞电离的能量，同时使得从阴极发射电子的过程得以维持。如果增大放电的电流强度，那么电子碰撞的次数就增加。在熱致电离中，电子的温度接近于离子和中性粒子的温度。在管状铜电极的轴线式等离子体炬中，电弧运动的最简单形态如果在旋转气体的流场中，电弧径向段的转动平面垂直于管状电极的轴线并在空间中保持固定。这样弧斑就沿着圆周方向运动，根据高速摄影的分析结果，弧斑以约9m/S的速度沿圆周方向持续运动。当弧电流增大超过临界电流强度的阈值是，电极的烧蚀速率就会增大。如果使弧斑在径向旋转和轴向扫描，控制速率，比烧蚀将会存在2个数量级的降低。所以为了延长管状铜电极的烧蚀寿命，尽量让等离子弧在管状铜电极的内表面停留的时间足够短。那么就只有让等离子在径向的旋转速度加快，并且在管状铜电极的内表面一定区间范围内扫描移动。这样周而复始的循环。为了使得弧的运动可控，采用磁场对等离子弧作径向约束。如果弧斑在转动过程中，在轴向叠加0.1T的磁场，4～6Hz的频率相对于某一个垂直于电极轴线的平面往复平动，在这种情况下，弧斑沿电极轴线方向运行扫描的范围是通道直径的2～3倍。在弧斑沿圆周以15m/S的速度绕轴线转动的过程中，转动一圈弧斑沿轴线方向发生的位移是1～2mm。即弧斑在沿螺旋线运动的过程中，以每转一圈平移1～2mm的速度向电极表面较冷的部分发生位移。通过分析计算发现，阴极的比烧蚀的水平是10-9次方kg/C。阳极的比烧蚀在10-11次方kg/C。弧电流在600A，B=0.1T，D=50mm，工作气体G=6g/s的实验工况下，铜电极比烧蚀降低，所以在管状铜电极内，阴阳极中电弧施加气动—交变磁场轴向扫描，可以大幅度提高等离子管状电极的使用寿命。弧斑运动轨迹和施加电磁场如图1所示。

1.2 电磁场对等离子弧的约束分析

参考其它文献的一些结论，为了延长管状铜电极的烧蚀寿命，尽量让等离子弧在管状铜电极的内表面停留的时间足够短。那么就只有让等离子在径向的旋转速度加快，并且在管状铜电极的内表面一定区间范围内扫描移动。因为交变的电场产生交变的磁场，在电磁线圈中通以交变的电流，随即将产生交变的磁场。所以在管状铜电极内，阴极中电弧施加气动—交变磁场轴向扫描。由于弧根在管状铜电极内表面的瞬态近乎垂直，在磁场力的作用下，由于切割磁力线，弧斑受磁场力、表面张力、气体的旋转力，合力将使得等离子弧根沿着不同的轨迹做旋转运动。与之匹配的扫描频率和磁场强度大小使得弧斑在电极内表面旋转与移动。

2 实验验证与研究

2.1 原理验证

为了验证电弧在电磁场作用力作用下的运动特征，特别试制了高压起弧装置10000V、钨针电极、电磁线圈。为了辨别肉眼辨识清楚弧根的运行轨迹，在微电流、高电压作用下高压起弧。无空气旋转力作用，电磁线圈通以直流200A电流，目的是辨识电磁场作用下，弧根的旋转运动轨迹。实验装置：电磁线圈通直流200A，电磁场强度用高斯计测得Gs=162。钨针一电极连接内部铝环，另一端尖端靠近圆环中心位置，直径为12mm的圆孔，当上电高压起弧后，弧根沿圆周旋转。

2.2 大功率管状铜电极等离子炬

通过原理验证之后，设计与试制了大功率管状铜电极等离子体炬发生器，此发生器阳极前端套一电磁线圈，外径120mm，内径20mm，阴极中部套一电磁线圈，外径120mm，内径20mm。中间通以旋转气体。尾部预留一路旋转气体。实验装置实物图鉴于保密要求，所以省略。

2.3 不同电磁场强度下的实验数据

为了在大功率等离子体炬上验证大功率大电流条件下的等离子弧根的旋转、移动情况和烧蚀情况，试制了几种不同规格的的电磁线圈，列举一种有代表性的电磁线圈在正反向连接、不同电流和场强大小、不同结构下的实验数据如表1所示。

为了更为清晰直观的反应电磁线圈在电磁场正向（根据流过电磁线圈的电流方向判断电磁场的方向和气体的旋转方向同方向）作用下、和电磁场反向（根据流过电磁线圈的电流方向判断电磁场的方向和气体的旋转方向反方向）作用下，在不同的进气量和不同的电磁场强度下，等离子弧在电压上的变化来间接的反应等离子弧在不同磁场作用的旋转和移动影响。

利用上述实验装置，在电磁线圈中，通以交变的的电流，以不同的波形如：正弦波、三角波、方波，频率在1Hz～2KHz范围内，电流调节范围在10A～1000A区间，通过电磁线圈做实验。在多种工况下，作出的数据与实物烧蚀照片，充分验证在不同的磁场强度的约束下，使得等离子弧旋转和移动。从而使得管状铜电极的烧蚀寿命大大的延长。

3 结语

通过本文的研究可得下述几点结论：

（1）通过参考国内国际一些对大功率等离子体烧蚀机理的深度分析，结合自有的大功率等离子体炬的结构特点，借助于电磁场对等离子弧的约束的原理和理论模型分析，通过实验验证，对电磁场对等离子弧的约束在微观上有了更深层次的认知，并对等离子弧在高温下对管状铜电极的烧蚀分析，用實验验证了电磁场对大功率等离子的约束能力和可控性。

（2）通过在自主研发的大功率管状铜电极的等离子发生器上进行了验证。对比了无电磁线圈和有电磁线圈对等离子弧不约束和有电磁场约束的多种工况下，等离子弧对管式铜电极的烧蚀效果对比。

（3）通过实验验证了，等离子弧的微观运动轨迹和可约束性，电磁线圈的电流越大，磁场越强，对等离子弧的约束作用就越强。

（4）通过实验验证了在电磁线圈中，通过不同频率、不同波形的电流，在电磁线圈中产生交变的电磁场，约束弧根的旋转和移动，从而保证了弧根的旋转速率和扫描宽度。

（5）通过实验验证，电磁线圈约束弧的旋转与移动可以使得大功率等离子炬在大电流高电压下，烧蚀寿命大大提高。现有实验条件，在350A的工况下，等离子体阴极的烧蚀寿命目前从最初的3个小时，提高到现在的几十个小时，随着等离子炬的结构的完善，气体和电流电磁场大小的匹配，此方案可以将大功率等离子炬的阴阳极使用寿命提高到数百小时。此装置也在进一步的优化和完善。

参考文献

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