一種非轉移弧等離子體炬的陽極及等離子體炬的製作方法
2023-05-02 09:55:46
專利名稱：一種非轉移弧等離子體炬的陽極及等離子體炬的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於加熱氣體的非轉移弧等離子體炬的陽極和具有這種陽極的
非轉移弧等離子體炬。
背景技術：
直流電弧等離子體炬分為轉移弧和非轉移弧兩種基本形式當電弧的陽極和陰極 不在同一個等離子體炬體上時，為轉移弧等離子體炬；當電弧的陽極和陰極位於同一個等 離子體炬體上時為非轉移弧電弧等離子體炬(USP 2922869)。非轉移弧等離子體炬是依
靠在等離子體炬內電弧放電產生等離子體射流或高溫氣體射流，然後再加以利用，如高溫 噴塗、冶金加熱、材料表面處理、化工材料生產、輔助燃燒、廢物再生等等。限制電弧等離子 體炬使用的瓶頸主要是等離子體炬電極壽命不夠長，其次為較低能量利用效率。如100kW 量級的空氣非轉移弧等離子體炬，通常的電極壽命只有不到100小時，而熱效率只有70% 左右。自第一支電弧等離子體炬產生以來，除了在應用功能上不斷產生新發明外，人們一 直致力於等離子體炬本身性能——電極壽命、能量利用效率的提高。例如採用井型陰極 (USP3118046)、管型陰極或空心陰極(USP 4891490、 CN 2733198Y)提高陰極壽命，突擴型 陽極噴嘴(USP 4570048、 USP 5296670、 USP 4587397)提高陽極壽命，採用電磁線圈驅動電 弧高速移動提高電極壽命(USP 3869593、CN2479380Y)，採用多段氣流控制電弧提高電極壽 命和能量利用效率(USP4620080、 USP 4535255)等。這些發明雖然提高了等離子體炬的某 些性能，但卻降低另外某些方面性能。例如井型陰極相對於棒狀陰極、突擴型陽極噴嘴相 對於直管陽極，前者的陰極和陽極壽命雖有所提高，但能量損耗都有所的增加；電磁線圈、 多段氣流控制雖能提高電極壽命，但增加了等離子體炬結構複雜性，使用和維護變得更加 困難，此外也增加了等離子體炬的外形尺寸，給等離子體炬與其它裝置設備的配合帶來了 困難，限制了等離子體炬的使用場合。除了電極壽命和熱效率性能指標外，電弧等離子體炬 的全面性能還包括具有寬工作參數範圍(如氣體壓力及電弧電流)、低的電弧電壓波動範 圍等。目前已有的技術中還難有較為全面的高性能非轉移弧等離子體炬。
發明內容
本發明的目的是提供一種用於氣體加熱的非轉移弧等離子體炬的陽極和由這種 陽極構成的非轉移弧等離子體炬，與現有技術相比，能顯著提高電極壽命或電弧功率、提高 能量效率、拓寬工作參數範圍、簡化結構、減小弧電壓波動等多項性能。
本發明的目的由以下原理方法實現 (1)電極壽命與弧功率提高陰極和陽極的損耗速率隨著弧電流的上升而迅速增 加是眾所周知的，因此降低電弧工作電流是提高陰極和陽極的壽命最直接和最有效的手 段。在功率一定的條件下，降低電弧電流就必須提高弧電壓，而增加電弧長度是提高弧電壓 最直接、最有效的方法。在弧電流不變時，提高弧電壓使電弧功率成正比增加。此外提高弧 根移動速度和跳動頻率是降低陽極損耗速率、延長陽極壽命的有效手段。
(2)電弧控制方法電弧長度提高意味著需要對電弧穩定約束和控制，而提高電
極壽命則需要弧根在電極上高速移動，兩者是相互矛盾的。本發明採用熱陰極固定陰極弧
根、高旋流度氣體流動實現長電弧弧柱穩定控制，在臨近陽極噴嘴前設計一個擾流段，產生
高頻強擾流，帶動陽極噴嘴內弧柱的高速擺動從而實現陽極弧根的高速跳動。
(3)等離子體炬效率等離子體炬的能量損失主要來自弧根對電極的加熱以及弧
柱與弧室之間的對流傳熱和輻射換熱。其中輻射換熱最低、對流傳熱最大。降低電弧電流
即可降低弧根在陽極和陰極上的能量損耗；本發明還採用以下方法減小對流傳熱採用氣
冷壁減小穩定弧柱對陽極內筒的傳熱，減小陽極噴嘴內面積從減小其與弧柱之間傳熱，在
擾流區域增加陽極壁熱阻減少高溫湍流氣體與陽極壁的對流傳熱。 (4)結構簡化與體積縮小採用單級氣流控制電弧，簡化結構設計，縮小等離子體 炬的體積。 本發明的目的由以下方式實現。
參見圖l。 本發明的非轉移弧等離子體炬的陽極3為一具有氣體入口端(箭頭ll所示)和 出口端(箭頭14所示)的金屬圓筒，該金屬圓筒內孔從位於陰極2前端面處、到工作氣體 出口端的一段構成電弧通道30，所述電弧通道30從陰極2前端面處到出口端依次分為穩定 電弧段SA、擾流段SP和陽極噴嘴段AN。所述穩定電弧段SA電弧通道直徑均勻；所述陽極 噴嘴段AN電弧通道為一向出口端擴張的喇叭口形狀；所述擾流段SP電弧通道直徑大於所 述穩定電弧段SA和所述陽極噴嘴段AN，所述擾流段SP是連接所述穩定電弧段SA和所述陽 極噴嘴段AN之間的一個凹槽，形成所述擾流段SP兩端相對於所述穩定電弧段SA及所述陽 極噴嘴段AN的連接處的突擴臺階，所述臺階的高度(槽深)與所述擾流段長度(槽寬)比
值i : i i : io之間，最佳比值取i : 3到i : 5之間。 工作氣體流入所述陽極電弧通道的方式為旋轉方式。 本發明的非轉移弧等離子體炬基本構成部件由陽極3、外形為圓形棒狀陰極2和 使氣體產生旋轉流動的旋流器1組成。陽極3的氣體通道從氣體進口端(箭頭11所示) 到氣體出口端(箭頭14所示)，軸向分段依次分為氣體導流段IG、穩定電弧段SA、擾流段 SP和陽極噴嘴段AN，其中氣體通道的穩定電弧段SA、擾流段SP和陽極噴嘴段AN構成電弧 通道30 ;陰極2位於陽極3氣體導流段IG管內，陰極2前端指向氣體出口端，陰極前端面 位於氣體通道氣體導流段IG與穩定電弧段SA連接處；旋流器1位於氣體通道氣體導流段 的陰極2和陽極3之間，陰極2、氣體旋流器1和陽極3同軸布置；陽極3與陰極2之間由 旋流器1支撐，隔離套4將陽極與陰極電隔離。 所述陰極2前端外形為圓臺狀，為高導電性、高導熱性能的金屬材料製成，在所述 陰極2前端中心鑲嵌由低電子逸出功和高熔點材料的發射電極21，如鎢、鉿、鋯或以它們為 主的合金，在陰極前端背面通水冷卻。 所述陽極3噴嘴段AN的內孔為直管狀或向氣體出口端微張開的喇叭口狀，所述陽
極噴嘴段為高導熱、高導電性能的金屬材料製成，如銀、銅、銀銅合金等。 正常工作電弧5兩端分別連接所述陰極2的前端中心所述發射電極21的端面和
所述陽極噴嘴33的內孔表面332 (參見圖2)。 工作氣體流入氣體通道，進入所述氣體導流段IG，經過所述氣體旋流器1轉變成旋轉氣流。通常旋流器出口氣體流動的旋流數(旋轉線速度與軸向速度比值)大於1，圖1 中12所示穩定電弧段氣體流線大致說明了這一點。 所述氣體通道從所述氣體導流段IG過渡到所述穩定電弧段SA為逐漸收縮的喇叭 口形狀。旋轉流動的氣體通過收縮喇叭口後進入所述陽極穩定電弧段SA，旋轉速度進一步 提高，產生穩定的漩渦，將陰極弧根及電弧穩定電弧段弧柱限制在軸心位置；同時旋轉氣體 在弧柱外圍形成氣冷壁，阻止弧柱5對陽極3內壁的傳熱。 本發明通過增加電弧長度、主要是穩定電弧段長度來提高弧電壓。對於採用單級 氣流約束長弧，採用強旋轉氣流更加有利，但帶來問題是陽極弧根軸向移動範圍大，很容易 跑出陽極噴嘴端部，並駐留在端部引起端部快速燒損。 為了解決上述問題，在陽極弧根運行的所述陽極噴嘴段前設計了一個擾流段，使 旋轉氣流不再具有穩定漩渦，同時產生強烈的高頻湍動來擾動電弧，使噴嘴段的電弧能高 速碰撞陽極噴嘴，產生陽極弧根的高頻跳動。 所述電弧通道穩定電弧段直徑均勻，經過所述電弧通道電弧穩定段後，雖然旋轉 速度有所衰減，被電弧加熱後氣體軸向流動速度也有所提高，但氣體流出所述穩定電弧段 時仍有很大的旋轉速度和旋流數，特別是在弧柱外側流動的氣體，圖1中12所示穩定電弧 段出口附近氣體流線大致說明了這一點。 在所述擾流段SP與所述穩定電弧段SA連接處的突擴臺階處，旋轉流動的氣流突 然擴張，並與具有更高軸向流動速度電弧弧柱相耦合，在所述突擴臺階后角形區域產生強 烈的漩渦；流出所述擾流段的氣體在所述擾流段與所述陽極噴嘴段連接處的收縮臺階前角 形區域也產生強烈的漩渦；圖1中12所示擾流段氣體流線大致說明了這一點。所述擾流段 兩端臺階角形區域的漩渦以及與內部複雜流場的耦合及與電弧不穩定性之間的耦合，使氣 體在所述擾流段產生高頻湍動，電弧弧柱5隨高頻湍動氣流高速扭動，圖1中虛線13大致 示意了電弧弧柱的擺動範圍。 在所述陽極噴嘴段AN，高速扭動的弧柱在靠近臨近擾流段一端不斷地隨機高頻碰 撞陽極噴嘴內壁產生新的陽極弧根，陽極弧根在高速氣流作用下向陽極噴嘴出口處高速移 動，實現陽極弧根在陽極噴嘴內表面空間上的均勻分布。 相對於只有突擴臺階的噴嘴而言，擾流段SP相對於穩定電弧段SA和陽極噴嘴段 AN兩端的突擴臺階都產生強烈的擾動，兩端擾動相互耦合，湍動頻率相互疊加，使噴嘴段 AN電弧擺動頻率增加，從而使電弧弧柱與噴嘴碰撞周期縮短，加之縮小的陽極噴嘴直徑，提 高了弧柱與陽極噴嘴內壁的碰撞頻率，限制了陽極弧根在噴嘴上軸向移動範圍。因此可縮 短陽極噴嘴的軸向長度設計，弧根也不會被氣流吹出噴嘴出口端部和在端部停留而燒損噴 嘴端部。 進入穩定電弧段氣流的旋流數通常大於1。高的旋流數對於陰極弧根的限制、在穩
定電弧段弧柱的穩定、在擾流段擾動對陽極弧根在陽極噴嘴跳動頻率和軸向位置控制等都
是有利的；過高的旋流數增加了氣體流動阻力，需要提高工作氣體的供應壓力。 陽極噴嘴的直徑小於陽極擾流段直徑，相對於擾流段，噴嘴處氣流速度有了提高，
從而提高陽極弧根在噴嘴上的軸向移動速度，有利於降低陽極弧根的駐留時間，從而降低
陽極噴嘴損耗速率；噴嘴內表面積的減小同時降低了紊流高溫氣體對陽極噴嘴的傳熱。 進一步在陽極擾流段內壁和擾流段與噴嘴段連接端面填襯耐高溫絕緣、保溫材料6、7，如陶瓷纖維預製件、多孔陶瓷、泡沫陶瓷，或在內壁表面沉積、噴塗八1203陶瓷等，阻止
高湍流度的高溫氣體對陽極內筒傳熱，減小能量損耗，提高等離子體炬能量轉換效率。 陽極擾流段內壁填襯的耐高溫絕緣、保溫材料同時防止電弧在擾流段與陽極導電
壁接觸，加上穩定電弧段旋流氣體限制電弧不能接觸穩定電弧段陽極壁，使陽極弧根只能
落在陽極噴嘴上。即使氣體流量顯著減小，工作電弧的陽極弧根也只能落在陽極噴嘴段AN，
電弧長度也沒有顯著改變，因此電弧電壓隨工作氣體壓力沒有很大的改變。 本發明是通過增加陽極管內電弧段的長度特別是穩定電弧段SA的長度來提高電
弧電壓。所述穩定電弧段SA長度與所述陽極電弧段(SA+SP+AN)長度比值在1 : 3到9 : 10之間。 下面通過實施例及其附圖作進一步說明。
圖1是本發明所述陽極及非轉移弧等離子體炬的一種基本結構縱剖面示意圖。
圖2是本發明所述陽極及等離子體炬一則實施實例縱剖面結構示意圖。
圖3、圖4和圖5是本發明陽極擾流段三則實施實例縱剖面結構示意圖。
具體實施例方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
附圖2中示意的本發明的非轉移弧等離子體炬的陽極以及由這個陽極構成的非 轉移弧等離子體炬的一個應用實例的基本結構，由旋流器1、陰極組件2、陽極組件3XY、隔 離套4組成。陽極組件內孔從氣體進口端(圖2中箭頭11所示)到出口端(圖2中箭頭 14所示)分為氣體導流段IG以及電弧通道30的穩定電弧段SA、擾流段SP和陽極噴嘴段 AN。旋流器1、陰極2布置在陽極組件之陽極筒34的氣體導流段IG內，旋流器1位於陽極 組件之陽極筒34與陰極2之間，它們之間同軸布置，隔離套4將陽極筒34與旋流器1和陰 極2電隔離。 陰極2前端面位於氣體導流段IG與穩定電弧段聯結處。陰極2前端外形為圓臺 狀，以配合喇叭口 31形狀使陰極前端最大可能伸入喇叭口時，減少氣體流入喇叭口產生的 阻力。陰極2前端外直徑最大處大於等於所述陽極氣體導流段喇叭口最小直徑，以方便引 弧。在陰極組件2前端中心鑲嵌有圓柱形的低電子選出功的金屬或金屬合金21，在其背面 使用通常技術的通水冷卻。 陽極組件由水冷組件和氣體通道組件構成。 隔水套342及陽極筒34與噴嘴33組成通常技術的夾層套筒冷卻水通路，以冷卻 陽極噴嘴33及陽極筒34和與電弧通道30相關的其它部件。噴嘴33與陽極筒34及外筒 341之間的連接可以是焊接或螺紋等其它的機械連接方式，但須保證密封，且保證噴嘴33 與陽極筒34及外筒341之間良好的電接觸，以便提供陽極電流通路。 與氣體通道和電弧通道30相關的陽極組成部件和材料為喇叭口 31、內筒32、陽極 噴嘴33、陽極筒34，以及擾流段SP的擾流臺階8、內筒保溫層7和噴嘴保溫層6。這些部件的橫剖面均為圓形環狀結構，它們都同軸布置。喇叭口 31、內筒32和噴嘴33都與陽極筒 34保持良好的電接觸，以便提供陽極電流通路。電弧通道內壁部件和材料從氣體進口到出 口軸向依次相連為喇叭口 31 、內筒32、擾流段SP陽極筒34和位於擾流段中間的擾流臺階 8以及覆蓋兩者保溫層7、覆蓋陽極噴嘴33前端面噴嘴保溫層6和陽極噴嘴33。陽極筒34 為陽極氣體通道和電弧通道的支撐部件，其中擾流段SP的陽極筒34保溫層7、噴嘴保溫層 6 —般是由電絕緣材料製成，其它都為金屬材料製成。 本發明的電弧等離子體炬啟動電弧的方法和過程是，軸向移動陰極2使其前端端 面外緣與喇叭口 31接觸短路引弧；在陰極返回工作位置後，陰極弧根在旋轉氣流的作用 下，移動到陰極前端中心的發射電極21前端面上，陰極弧根51穩定在陰極中心；陽極弧根 在氣流作用下自喇叭口 31、沿內筒32內壁向陽極噴嘴33方向移動，在內筒32與擾流段結 合處的內筒32端面或拐角處駐留，而弧柱5在氣流作用下向陽極噴嘴33方向延伸直至與 陽極噴嘴接觸擊穿，陽極弧根跳至陽極噴嘴33內表面332，完成電弧啟動過程。
正常工作電弧5兩端的陰極弧根51和陽極弧根52分別連接陰極2的前端中心發 射電極21的端面和陽極噴嘴33的內孔表面332。 喇叭口 31軸向位置位於電弧通道的始端——陰極前端，是氣體導流段IG與穩定
電弧段SA過渡處，沿氣流方向收縮的喇叭口實現旋轉氣流進入穩定電弧段的平滑過渡和
旋轉加速。作為電弧啟動時陽極弧根產生地，喇叭口 31通常由高導熱、高導電性能的金屬
材料製成，如銀、銅、或銀銅合金、或銀、銅與其它耐高溫的金屬製成的合金。 佔穩定電弧段SA大部分長度的內筒32與喇叭口 31緊聯，連接處直徑相等，平滑
過渡，內筒內直徑均勻，也可以是緩慢均勻收縮，內表面光滑，這些都是為了減少對旋轉氣
流阻力，從而有利於電弧穩定和使氣流在內筒32出口時旋轉速度不至於衰減過多。 內筒32全長和喇叭口一部分構成穩定電弧段全長。為了提高電弧電壓，可以通過
加長穩定電弧段SA長度來加長電弧。穩定電弧段SA長度通常佔電弧通道總長(SA+SP+AN)
的比例為1 : 3到9 : 10。 內筒32用於限制穩定電弧的旋轉氣流，也是電弧啟動過程陽極弧根從喇叭口 31 向陽極噴嘴33轉移的過渡段，通常用金屬材料製成，由於有旋轉氣流冷卻和與有水冷的陽 極筒34之間的接觸和直接傳熱，通常內筒32溫度不高，可用普通鋼、不鏽鋼、銅等。
喇叭口 31、內筒32、陽極筒34可以兩兩或三者是一個整體，可用鋼、不鏽鋼、銅或 銅合金等金屬材料製成。 連接內筒32的出口 (穩定電弧段SA出口 )的是擾流段SP。擾流段SP電弧通道
是一個直徑大於內筒32出口端直徑、且大於擾流段SP出口相接的陽極噴嘴33入口端直徑
的凹槽(圖1)。為了提高擾動頻率，在擾流段凹槽增設多個凸形臺階，形成多個串接的凹
槽。在圖2的實施實例中，在擾流段SP的凹槽的中間設置了一個凸形臺階8將擾流段SP
段分成了兩個凹槽。在凹槽的氣體流入端和流出端的角形區域漩渦產生的擾動帶動電弧擺
動，兩個凹槽產生的氣流擾動頻率相互疊加，提高了電弧擺動頻率，有利於減小陽極弧根52
在噴嘴33內表面332上的軸向移動範圍，從而可縮短噴嘴的設計長度。 兩個凹槽的長度可以相等，也可以有所區別。凹槽的兩邊可以是直角臺階，也可以
是梯形臺階或其他異形結構，本例中凹槽的氣體流入端為直角臺階，凹槽的氣體流出端為
底窄口寬的梯形臺階。在凹槽臺階底部和頂部拐角處可以由圓弧過渡。臺階頂部處最小直徑一般大於或等於內筒32出口直徑，在圖2的實例中兩者相等。 在陽極噴嘴33與擾流段SP連接處端面覆蓋保溫層6，在擾流段內壁及凸形臺階8 內表面及端面填襯保溫層7 ;保溫層6、7用耐高溫的絕熱、絕緣材料製成，如，陶瓷纖維預製 件、多孔陶瓷、泡沫陶瓷，或在內壁表面沉積、噴塗八1203陶瓷。 凸形臺階8本體可以是與陽極筒34為同種材料或一個整體，也可直接用耐高溫的 絕緣材料如陶瓷材料製成。對於後者不需要再填襯保溫層。在附圖3實施實例中，擾流段SP 內表面及噴嘴與擾流段連接處端面的保溫層、以及凸形臺階三者整體是用耐高溫的絕熱、 絕緣材料製成的擾流塊78，形成兩個凹槽，其中凹槽兩邊都是梯形臺階，當然也可以製成直
角臺階。 附圖4中擾流段實施實例中，由3件同型的擾流塊781、782、783串聯而成，與內筒 32出口端面及噴嘴33入口端面配合形成相同形狀3個凹槽，在凹槽氣體流入端臺階拐角內 角為直角、流出端臺階拐角內角微大於90。。 附圖5中擾流段實施實例中，擾流塊由絕緣耐火材料製成一個整體，由相似形狀3 個三角形凹槽串接。 陽極噴嘴33位於電弧通道的氣體出口端，其內孔形狀是一個向出口方向張開的 喇叭口形狀，也可以是直筒狀，其內孔直徑最小處通常設計成不小於內筒32的出口處直 徑，以便不過多的增加氣阻。在陽極噴嘴燒損過程中，大部分工作壽命時段內陽極噴嘴直徑 總是大於內筒32的出口處直徑。 陽極噴嘴33內孔直徑小於擾流段凹槽直徑，第一為了形成擾流段與噴嘴段聯結 處的收縮臺階，能產生有效氣流擾動；其次是為了提高氣流在噴嘴內的速度從而提高陽極 弧根移動速度，降低陽極噴嘴損耗率；同時陽極噴嘴內表面的減小也降低了陽極的熱損耗。
陽極噴嘴33需要用高導熱、高導電性能的金屬材料製成，對於工作氣體具有氧化 性的氣體，還需要噴嘴材料具有耐高溫氧化性能，可用銀、銅、或銀銅合金、或銀、銅與其它 耐高溫的金屬製成的合金製造。 下面提供一個圖2實施實例具體工作參數，其中陰極電子發射極以鋯合金製作，
陽極噴嘴以銅合金製作 等離子體炬外直徑D85 電弧通道長度500 等離子體炬功率120kW 電弧平均電壓600V、電弧電流200A 電弧電壓波動±10%，> lkHz 工作氣體流量80NmVh (空氣) 電弧穩定的工作氣體壓力範圍4kPa 20kPa(電弧電流200A時)
電弧穩定的電弧電流範圍100A 400A
陰極壽命大於500h、陽極壽命大於2000h
熱轉換效率>90%。 與現有技術相比，本發明非轉移弧等離子體炬能顯著提高電極壽命或電弧功率， 提高能量效率，拓寬工作參數範圍、減小弧電壓波動等多項性能。本發明僅用單級氣流控制 電弧，相對於多級氣流或外磁場控制電弧，結構簡化很多，且外形尺寸小。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以 理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換
和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
一種非轉移電弧等離子體炬的陽極，為一具有氣體進口端和出口端的圓筒，所述圓筒內孔的一段形成電弧等離子體炬的電弧通道，其特徵在於所述陽極和所述電弧通道包括從電弧在陰極前端面起始位置向所述氣體出口端延伸的穩定電弧段(SA)、從所述氣體出口端向從所述氣體進口端延伸的陽極噴嘴段(AN)，兩端與所述穩定電弧段(SA)和所述陽極噴嘴段(AN)同軸相接的擾流段(SP)；氣體導入所述電弧通道的流動方式是旋轉流動方式；所述電弧通道穩定電弧段(SA)直徑均勻變化；所述電弧通道陽極噴嘴段(AN)直徑均勻變化；所述電弧通道擾流段(SP)至少有一個直徑相對於所述穩定電弧段(SA)和陽極噴嘴段(AN)增大的凹槽。
2. 如權利要求l所述的陽極，其特徵在於所述電弧通道穩定電弧段(SA)長度佔所述陽 極電弧通道總長度的比例大於1/3。
3. 如權利要求l所述的陽極，其特徵在於所述電弧通道擾流段(SP)凹槽的深度與寬度 比例大於l : 10。
4. 如權利要求l所述的陽極，其特徵在於至少在臨近所述電弧通道陽極噴嘴段(AN)的 擾流段(SP)兩凹槽之間的凸形臺階的表面由絕緣材料製成。
5. 如權利要求1所述的陽極，其特徵在於在所述陽極噴嘴段(AN)與擾流段(SP)之間 的內孔連接端面填襯絕緣保溫層。
6. 如權利要求l所述的陽極，其特徵在於在所述電弧通道擾流段(SP)內孔表面填襯保溫層o
7. 如權利要求1所述的陽極，其特徵在於對於電弧控制方法是在所述穩定電弧 段(SA)，旋轉氣流將電弧穩定在陽極軸心位置；在所述擾流段(SP)，高頻湍動氣流帶動電 弧高頻隨機擺動，擺動範圍限制在所述擾流段(SP)最小孔徑截面內；在所述陽極噴嘴段 (AN)，擺動的電弧弧柱使陽極弧根均勻分布在所述陽極噴嘴內表面跳動，陽極弧根在氣流 作用下在所述陽極噴嘴內向所述陽極噴嘴出口方向軸向移動和旋轉移動。
8. —種非轉移弧等離子體炬，至少包括一個氣體旋流器(1)、一個陰極(2)和一組陽極組件(3)，其中所述陰極外形為圓形棒狀，所述陽極組件為一具有氣體進口端和出口端的 圓筒，所述陰極與所述陽極之間電隔離，其特徵在於所述陽極組件內孔從氣體入口端到出口端軸向依次分為氣體導流段(IG)、穩定電弧段(SA)、擾流段(SP)和陽極噴嘴段(AN)，所述陽極的穩定電弧段(SA)、擾流段(SP)和陽極噴 嘴段(AN)的圓筒內孔構成電弧通道；所述陰極(2)位於所述氣體導流段(IG)圓形通道內，所述陰極(2)前端面位於所述氣 體導流段(IG)與所述穩定電弧段(SA)之間；所述旋流器(1)位於氣體導流段(IG)的所述陰極(2)和所述陽極之間；所述陰極(2)、 所述氣體旋流器(1)和所述陽極同軸布置；氣體進入所述氣體導流段(IG)，經過旋流器(1)轉變為旋轉方式；所述電弧通道穩定電弧段(SA)直徑均勻變化； 所述電弧通道陽極噴嘴段(AN)直徑均勻變化；所述電弧通道擾流段(SP)至少有一個直徑相對於所述穩定電弧段(SA)和陽極噴嘴段(AN)增大的凹槽。
9. 如權利要求8所述的等離子體炬，其特徵在於所述電弧通道穩定電弧段(SA)長度佔 所述陽極電弧通道總長度的比例大於1/3。
10. 如權利要求8所述的等離子體炬，其特徵在於所述電弧通道擾流段(SP)凹槽的深 度與寬度比例大於l : 10。
11. 如權利要求8所述的等離子體炬，其特徵在於至少在臨近所述電弧通道陽極噴嘴 段(AN)的擾流段(SP)兩凹槽之間的凸形臺階的表面由絕緣材料製成。
12. 如權利要求8所述的等離子體炬，其特徵在於在所述陽極噴嘴段(AN)與擾流段 (SP)之間的內孔連接端面填襯絕緣保溫層。
13. 如權利要求8所述的等離子體炬，其特徵在於在所述電弧通道擾流段(SP)內孔表 面填襯保溫層。
14. 如權利要求8所述的等離子體炬，其特徵在於所述陰極(2)外形前端直徑最大處大 於所述電弧通道穩定電弧段(SA)入口處直徑。
15. 如權力要求14所述的陰極和權利要求8所述的等離子體炬，其特徵在於通過軸向 移動陰極前端與陽極短路引弧。
16. 如權利要求8所述的等離子體炬，其特徵在於對於電弧控制方法是在所述穩定 電弧段(SA)，旋轉氣流將電弧穩定在陽極軸心位置；在所述擾流段 SP)，高頻湍動氣流帶動電弧高頻隨機擺動，擺動範圍限制在所述擾流段(SP)最小孔徑截面內；在所述陽極噴嘴段(AN)，擺動的電弧弧柱使陽極弧根均勻分布在所述陽極噴嘴內表面跳動，陽極弧根在氣 流作用下在所述陽極噴嘴內向所述陽極噴嘴出口方向軸向移動和旋轉移動。
全文摘要
本發明涉及電弧等離子體炬的陽極和具有這種陽極的非轉移弧等離子體炬。陽極包括直徑均勻變化的穩定電弧段和陽極噴嘴段，以及連接這兩段、具有直徑增大凹槽的擾流段，在擾流段填襯絕緣保溫材料。等離子體炬包含同軸布置的旋流器、陰極、本發明的陽極和陰陽極隔離套。工作氣體經旋流器旋轉流入穩定電弧段，將電弧穩定約束在軸心位置；擾流段使氣流產生高頻湍動帶動電弧弧柱隨機高頻擺動而不斷碰撞陽極噴嘴入口側；陽極弧根在高速氣流作用下快速移動。本發明的非轉移電弧等離子體炬可顯著提高電弧電壓、陽極弧根跳動頻率和移動速度，降低熱損耗，具有功率高、電極損耗率低、熱轉化效率高、運行參數範圍寬、弧壓波動小等特點，特別適用於氣體加熱。
文檔編號H05H1/34GK101699928SQ200910184998
公開日2010年4月28日 申請日期2009年10月27日 優先權日2009年10月27日
發明者俞民, 劉明侯, 夏維東, 符仲恩, 陳佺 申請人:中國科學技術大學