一种耐烧蚀的高热效率等离子体炬及其使用方法与流程

文档序号：20041103发布日期：2020-02-28 11:55阅读：540来源：国知局

本发明属于等离子加热设备技术领域，尤其涉及一种耐烧蚀的高热效率等离子体炬及其使用方法。

背景技术：

等离子体炬亦称等离子体发生器或等离子体加热系统，等离子体炬通过电弧来产生高温气体，可在氧化、还原或惰性环境下工作，可以为气化、裂解、反应、熔融和冶炼等各种功能的工业炉提供热源。

等离子体炬主要由阴极部件和阳极部件之间产生的电弧对流通其中的气体进行电离，电离的过程将气体等离子体化，等离子态下气体具有良好的流动性、扩散性、导电性和导热性。等离子体炬亦称等离子体发生器或等离子体加热系统，等离子体炬通过平衡电离产生的热等离子体的温度可达6000℃以上，与气体混合后可以形成2000℃的高温热源，弧心温度更是高达30000℃以上。热等离子体不仅可以在氧化性、还原性和惰性气体等环境下工作，而且具有比燃烧方式更高的温度和功率密度，再加上等离子体具有流体与电磁的双重属性，使得等离子体炬可以广泛用于工业领域。直流电弧等离子体炬具有结构简单、稳定性高、功率大、电热转化效率高等优点，比较符合工业应用的需求。在材料制备，等离子体炬用于制粉及材料的合成，在冶金行业，等离体炬用于金属的熔化与重溶、保温以及新冶炼工艺过程等，在环保领域，等离子体炬可以有效分解垃圾焚烧飞灰中的二噁英等有害物质。

等离子体炬主要是将电能转化成热能，由于材料限制及结构设计的缺陷等原因，等离子体炬的使用寿命有限，不超过500h，严重制约了等离子体炬的技术发展。为了提高等离子体炬的使用寿命，现有的等离子体炬正朝着带有电极间插入段的复杂化道路方向发展，等离子体炬结构由阴极部件、阳极部件及电极间插入段和各电极间通入的惰性气体和水冷部件构成，由于电极间插入段结构复杂，且需要通电、通气和水冷，给制造安装带来了极大困难，同时炬的总功率和使用寿命提高的非常有限，工业化前景仍然存在需要亟待解决的问题。

等离子体炬主要由阴极和阳极之间产生的电弧对流通其中的气体进行电离，电离的过程将气体等离子体化，等离子体态下气体具有良好的流动性、扩散性、导电性和导热性。高热的等离子体穿过等离子体炬的阳极端工作时，经常会对等离子体炬的阳极烧蚀，一方面，阳极发生烧蚀后，很容易导致等离子弧弧形发生畸变，严重时导致等离子体炬无法使用，直接制约了等离子体炬的使用寿命；另一方面，由于阳极材料耐高温及耐烧蚀性不强等特点，导致等离子体炬工作电流较低，无法通过简单的两电极结构获得较大功率。现在等离子体炬一般通过增加电极数量，提高等离子体炬工作电压，但是在增加电极数量的过程中，一方面不可避免的需要增加水、电、气路，这就成倍的增加了等离子体炬的安装、维修难度，难以在工业环境推广应用；另一方面增加了热等离子体在等离子体炬中的停留时间，不仅带来了等离子体炬热效率的损失，同时增加了等离子体炬的冷却难度。这些问题，不仅严重影响了等离子体炬的工业应用，更是制约了等离子体炬装置的进一步推广。

由于金属铜具有良好的导电性和导热性，其自然成为等离子体炬的阳极材料，但等离子体炬产生的等离子体弧温度较高(弧心温度可达20000℃以上)远超过金属铜的熔点和沸点，因此会造成阳极材料的烧蚀挥发，严重影响使用寿命。为了延长等离子体炬阳极的使用寿命，在专利申请号为“99219884”，名称为“双水冷等离子体枪”的专利中，为了延长等离子体枪阳极使用寿命，采用了双水冷措施即对等离子体枪的阳极和阴极部分均增加循环水冷，可以减少等离子体枪工作时等离子体弧对阳极的烧蚀以达到对阳极使用寿命延长的目的。但增加水冷对阳极(金属铜)的损耗只能起到有限的减缓，在大功率的等离子炬的使用过程中发现，冷却水无论是增加进出水温差还是提高流量对等离子体炬阳极寿命的延长作用都不太明显，因此，在大功率等离子体炬应用领域，等离子体炬阳极的寿命均不超过500h，严重制约了大功率等离子体炬的开发和使用，另外现有技术中也有采用在阳极外部加装电磁体以提高等离子体炬的聚焦效果来提高等离子体炬阳极部件的耐烧蚀性能，但由于等离子体炬使用的环境温度过高，通常超过1000℃，加装的电磁装置通常需要额外的冷却，给设计和制造安装带来了较大难度，因此研发一种在大功率工作状态下耐烧蚀的等离子体炬很有市场前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种耐烧蚀的高热效率等离子体炬及其使用方法，克服了现有技术中1：现有等离子体炬的阳极烧蚀后经需要及时更换，更换等离子体炬阳极费时费力，严重影响工业生产；2：现有技术增加水冷对阳极(金属铜)的损耗只能起到有限的减缓，在大功率的等离子炬的使用过程中，冷却水无论是增加进出水温差还是提高流量对等离子体炬阳极寿命的延长作用都不太明显；3：现有技术中还没有可用于大功率工作状态下耐烧蚀的等离子体炬；4、加装的电磁装置通常需要额外的冷却，给设计和制造安装带来了较大难度；5：阳极部件的容易烧蚀挥发，严重影响使用寿命等问题。

为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种耐烧蚀的高热效率等离子体炬，包括阴极冷却管道、气体管道、阳极冷却管道、阴极部件、阳极部件、阳极接线柱和阴极接线柱，其中气体管道同轴套装于阴极冷却管道外侧，其中阳极冷却管道同轴套装于气体管道外侧，所述阴极冷却管道一端设有阴极接线柱，其中阳极冷却管道与阴极冷却管道同一端设有阳极接线柱，其中阳极接线柱和阴极接线柱分别外接直流电源，所述阳极冷却管道轴向尺寸大于阴极冷却管道的轴向尺寸，其中气体管道轴向尺寸与阴极冷却管道的轴向尺寸相同，所述阴极冷却管道另一端设有阴极部件，其中阳极冷却管道另一端设有设有阳极部件，其中阴极部件与阳极部件相邻并存在间隙，所述阳极部件为包覆磁环的铜衬钼结构，其中铜衬钼结构由铜外壳与钼内衬组成，其中钼内衬无间隙装配于铜外壳内部，其中磁环套装于铜衬钼结构外表面。

优选的，所述铜衬钼结构的形状为圆筒型、喇叭型或哑铃型，其中钼内衬的厚度为铜外壳厚度的1/4～1/3，其中铜衬钼结构内表面的光洁度ra不大于0.8。

优选的，所述铜衬钼结构为喇叭形或哑铃型时尺寸小的一端靠近阴极部件。

优选的，所述铜衬钼结构中钼内衬轴向尺寸小于铜外壳的轴向尺寸，其中铜衬钼结构内壁靠近阴极部件一侧的材质与铜外壳的材质相同，其中铜衬钼结构内壁远离阴极部件一侧为钼内衬。

优选的，所述钼内衬由稀土钼合金材料制成，其中稀土钼合金材料是加入0.01％钕的钼基合金材料，其中铜外壳由铜材料制成，其中磁环由不低于2t的永磁铁制成。

优选的，所述阴极冷却管道包括阴极进水通道和阴极回水通道，其中阴极回水通道同轴套装于阴极进水通道外侧，所述阴极进水通道靠近阴极部件一侧开口连接阴极回水通道的端部构成阴极冷却水流回路，其中阴极回水通道端部内壁设有阴极部件，所述阴极接线柱通过阴极回水通道的管壁与阴极部件连接，其中阴极部件由钨合金材料制成。

优选的，所述阳极冷却管道包括阳极进水通道和阳极回水通道，其中阳极回水通道同轴套装于阳极进水通道外侧，其中阳极进水通道靠近阳极部件一侧开口连接阳极回水通道的端部构成阳极冷却水流回路，所述阳极回水通道端部内壁设有阳极部件，其中阳极接线柱通过阳极回水通道管壁与阳极部件连接。

优选的，所述气体管道靠近阳极部件一端设有旋流器，其中气体通过气体管道经过旋流器再从阴极部件和阳极部件的间隙流出，当阴极部件和阳极部件分别外接直流电源时构成电势差，会将流过阴极部件和阳极部件之间的气体电离形成等离子体弧。

优选的，所述气体为纯度不低于99.99％的高纯氮气。

优选的，一种如上任一项所述的耐烧蚀的高热效率等离子体炬的使用方法，包括以下步骤：

步骤1)将阳极接线柱和阴极接线柱分别外接直流电源，因此阴极部件和阳极部件之间构成电势差；

步骤2)给阴极冷却管道和阳极冷却管道分别通入冷却水，冷却水流经阴极进水通道和阴极回水通道将阴极部件进行冷却，冷却水流经阳极进水通道和阳极回水通道将阳极部件进行冷却；

步骤3)将气体通过气体管道经过旋流器再从阴极部件和阳极部件的间隙流出，阴极部件和阳极部件之间的电势差将流过阴极部件和阳极部件之间的气体电离形成等离子体弧。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明等离子体炬包括阴极冷却管道、气体管道、阳极冷却管道、阴极部件、阳极部件、阳极接线柱和阴极接线柱，其中气体管道同轴套装于阴极冷却管道外侧，其中阳极冷却管道同轴套装于气体管道外侧，所述阴极冷却管道一端设有阴极接线柱，其中阳极冷却管道与阴极冷却管道同一端设有阳极接线柱，其中阳极接线柱和阴极接线柱分别外接直流电源，所述阴极冷却管道另一端设有阴极，其中阳极冷却管道另一端设有设有阳极部件，其中阴极部件与阳极部件相邻并存在间隙，所述阳极部件为包覆磁环的铜衬钼结构，本发明通过阴极冷却管道的水流回路对阴极部件进行冷却，通过阳极冷却管道的水流回路对阳极部件进行冷却，同时阳极部件为包覆磁环的铜衬钼结构，大大提高了等离子体炬的使用寿命和热效率，有很好的应用前景；

(2)本发明包覆磁环的铜衬钼结构的阳极部件确保了阳极部件工作时必需的导电性/导热性，由于钼内衬无间隙装配于铜外壳内部，还同时兼备了高熔点的特性，在大功率等离子体炬应用领域，阳极的烧蚀大大减弱，寿命可达2000h以上，再加上阳极水冷保护后，使用寿命可达3000h，由于这种优异的结构设计，大功率等离子体炬的整体使用寿命得到大大提高，本发明的钼内衬采用稀土钼合金制成，在等离子体炬工作时，与工作介质高纯氮气发生反应生成钼的氮化物保护膜，可有效提高阳极的抗烧蚀性，同时大大提高了导电能力，可以提高等离子体炬的总功率，进而提高了等离子体炬的热效率，本发明包覆磁环的铜衬钼结构的形状为圆筒型、喇叭型或哑铃型，更大限度提高了阳极的耐烧蚀能力，当阳极部件包覆磁环的铜衬钼结构的形状为哑铃型时，大大提高了等离子体的稳定性和等离子体炬的电热转换效率；

(3)本发明阳极部件外侧包覆有磁环，这种特殊结构的阳极部件可以利用磁环的聚焦效果将等离子流聚焦减轻其对阳极部件内表面的烧蚀，同时可以降低等离子流的热损耗，提高热效率，本发明磁环采用了永磁铁，并将永磁铁设置于冷却水通道中，克服了高温失磁和电磁铁需要额外水冷的缺陷；

(4)本发明结构简单，使用寿命长，安全环保，成本低，彻底解决等离子体炬阳极容易烧蚀、使用寿命过短的问题，不用经常更换等离子体炬阳极部件，省时省力，提高了工业生产效率；

(5)本发明采用双电极结构，无电极间插入段，一路工作气体，两路冷却水通道，系统稳定性高，可维护性强；容易烧蚀的阳极部件处于等离子体炬的端部，容易进行拆装，便于工业应用。

附图说明

图1、本发明一种耐烧蚀的高热效率等离子体炬的结构示意图；

图2、本发明一种耐烧蚀的高热效率等离子体炬的阳极哑铃型结构示意图；

图3、本发明一种耐烧蚀的高热效率等离子体炬的阳极圆筒型结构示意图

图4、本发明一种耐烧蚀的高热效率等离子体炬的阳极喇叭型结构示意图。

附图标记说明：

1、阴极进水通道，2、阴极回水通道，3、阴极，4、气体管道，5、阳极进水通道，6、阳极回水通道，7、阳极，8、等离子体弧，9、阳极接线柱，10、阴极接线柱，11、旋流器；

71、铜外壳，72、钼内衬，73、磁环。

具体实施方式

下面结合实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

所述旋流器为现有技术。

实施例1

如图1～4所示，本发明公开了一种耐烧蚀的高热效率等离子体炬，包括阴极冷却管道、气体管道4、阳极冷却管道、阴极部件3、阳极部件7、阳极接线柱9和阴极接线柱10，其中气体管道4同轴套装于阴极冷却管道外侧，其中阳极冷却管道同轴套装于气体管道4外侧，所述阴极冷却管道一端设有阴极接线柱10，其中阳极冷却管道与阴极冷却管道同一端设有阳极接线柱9，其中阳极接线柱9和阴极接线柱10分别外接直流电源，所述阳极冷却管道轴向尺寸大于阴极冷却管道的轴向尺寸，其中气体管道4轴向尺寸与阴极冷却管道的轴向尺寸相同，所述阴极冷却管道另一端设有阴极部件3，其中阳极冷却管道另一端设有设有阳极部件7，其中阴极部件3与阳极部件7相邻并存在间隙，所述阳极部件7为包覆磁环73的铜衬钼结构，其中铜衬钼结构由铜外壳71与钼内衬72组成，其中钼内衬72无间隙装配于铜外壳71内部，其中磁环73套装于铜衬钼结构外表面。

实施例2

优选的，如图2～4所示，所述铜衬钼结构的形状为圆筒型、喇叭型或哑铃型，其中钼内衬72的厚度为铜外壳71厚度的1/4～1/3，其中铜衬钼结构内表面的光洁度ra不大于0.8。