一种基于双阴极的等离子体炬装置的制作方法

1.本实用新型属于直流电弧等离子体炬技术领域，具体涉及一种基于双阴极的等离子体炬装置。


背景技术：

2.等离子体炬是指能产生和稳定维持温度为3000
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30000k的等离子体装置，在冶金、材料表面处理、焊接\切割、固废\危废处理等领域具有广阔的应用前景。在应用比较广泛的直流电弧等离子体炬领域中，可以将其分为轴线式等离子体炬和同轴式等离子体炬。轴线式等离子体炬又分为有中心电极的轴线式等离子体炬和有杯状电极的轴线式等离子体炬。有中心电极的轴线式等离子体炬可以获得高的弧电压，可以在较小的电流下得到高的发生器功率，可以提高电极寿命，容易得到平坦的或上升的等离子体电弧的伏安特性。有杯状电极的轴线式等离子体炬可以使用空气等作等离子体介质，功率大，容易达到兆瓦量级。
3.制约电弧等离子体炬在飞灰熔融行业广泛应用的直接原因是寿命问题，有中心电极的轴线式等离子体炬的寿命一般为500小时，有杯状电极的轴线式等离子体炬的寿命一般为300小时。目前研究人员一般采用更改电极材料、优化电极传热方式、外加磁场等提高电极寿命，但是即便采用这些方式还没有大幅度的提高等离子体炬的使用寿命。对于飞灰熔融而言，它分为升温和保温阶段，相应的对等离子体炬电压、电流等要求也有变化，对于有中心电极的轴线式等离子体炬电压较高、电流较低，适用于保温阶段；对于有杯状电极的轴线式等离子体炬电流较高、电压较低，适用于升温阶段。无论使用哪一种等离子体炬都需要在飞灰熔融的不同阶段进行相应的调节，使等离子体炬工作在非最佳状态，进一步降低等离子体炬的使用寿命。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种基于双阴极的等离子体炬装置，能够增加等离子体炬的使用寿命。
5.本实用新型所采用的技术方案是，一种基于双阴极的等离子体炬装置，包括有棒状阴极回路组件、保护气通入组件、杯状阴极回路组件、工作气通入组件及阳极回路组件；其中，棒状阴极回路组件嵌装于保护气通入组件内部，保护气通入组件嵌装于杯状阴极回路组件内部，杯状阴极回路组件套嵌装于工作气通入组件内部，工作气通入组件嵌装于阳极回路组件内部。
6.本实用新型的特征还在于，
7.阳极回路组件包括有阳极冷却水进水通道、阳极冷却水回水通道、阳极及阳极外加电磁线圈；其中阳极冷却水回水通道同轴套装于阳极冷却水进水通道外侧，阳极冷却水进水通道一端开口与阳极冷却水回水通道的端部连通构成阳极冷却水流回路，阳极装于阳极冷却水进水通道内侧一端部；阳极内部为等径通道，阳极外壁上套有阳极外加电磁线圈；工作气通入组件同轴嵌装于阳极冷却水进水通道内侧。
8.工作气通入组件包括有工作气体通道和工作气体旋流器；其中，工作气体通道同轴嵌装于阳极冷却水进水通道内侧，工作气体通道端部连接工作气体旋流器，工作气体旋流器靠近阳极设置；杯状阴极回路组件同轴嵌装于工作气体通道内侧。
9.杯状阴极回路组件包括有杯状阴极冷却水进水通道、杯状阴极冷却水回水通道、杯状阴极外加电磁线圈及杯状阴极；其中，杯状阴极冷却水回水通道同轴嵌装于工作气体通道内侧，杯状阴极冷却水进水通道同轴嵌装于杯状阴极冷却水回水通道内侧，杯状阴极冷却水进水通道一端开口与杯状阴极冷却水回水通道的端部连通构成杯状阴极冷却水流回路，杯状阴极装于杯状阴极冷却水进水通道内侧一端部；杯状阴极内部为等径通道，杯状阴极内部通道的内径小于阳极内部通道的内径，杯状阴极外壁上套有杯状阴极外加电磁线圈；保护气组件同轴嵌装于杯状阴极冷却水进水通道内侧。
10.保护气组件包括有保护气通道和保护气旋流器；其中，保护气通道同轴嵌装于杯状阴极冷却水进水通道内侧，保护气通道端部连接保护气旋流器，保护气旋流器靠近杯状阴极设置；棒状阴极回路组件同轴嵌装于保护气通道内侧。
11.棒状阴极回路组件包括有棒状阴极冷却水进水通道、棒状阴极冷却水回水通道及棒状阴极；其中，棒状阴极冷却水回水通道同轴嵌装于保护气通道内侧，棒状阴极冷却水进水通道同轴嵌装于棒状阴极冷却水回水通道内侧，棒状阴极设置在棒状阴极冷却水回水通道端部，棒状阴极冷却水进水通道靠近棒状阴极一侧开口连接棒状阴极冷却水回水通道的端部构成棒状阴极冷却水流回路。
12.本实用新型的有益效果是：
13.本实用新型装置针对等离子体炬寿命过短的实际工作情况，提出了一种采用棒状电极和杯状电极组合的双阴极等离子体炬结构。引弧电极位于棒状阴极和杯状阴极之间，工作时两阴极之间气流流量较小，因此他们之间的间隙较小，有助于引弧成功率。等离子体炬阴极寿命要远远小于阳极寿命，这就导致等离子体炬的使用寿命受到阴极寿命的制约，本实用新型中电弧先在棒状阴极和阳极之间，待棒状电极达到使用寿命后再切换到杯状阴极和阳极之间，这样等离子体炬的寿命是棒状电极和杯状电极的叠加，大大提高了等离子体炬的寿命。阳极外部添加磁场，磁场和切向气流一起增加弧根的切向速度，使阳极处电极弧根旋转起来，避免了弧根落在同一个位置，增加了阳极的使用寿命。杯状电极外部添加磁场，当电弧弧根落在棒状阴极和阳极时，此时磁场对杯状电极里面的电弧起到禁箍效应，避免杯状电极的烧蚀，同时提高等离子体炬的热效率，当电弧弧根落在杯状阴和阳极时，此时磁场和切向气流一起驱动阴极弧根在杯状电极的旋转运动，避免弧根落在同一个位置，增加了杯状阴极的使用寿命。
附图说明
14.图1是本实用新型一种基于双阴极的等离子体炬装置中棒状阴极工作时的结构示意图；
15.图2是本实用新型一种基于双阴极的等离子体炬装置中杯状阴极工作时的结构示意图。
16.图中，1.保护气通道，2.棒状阴极冷却水进水通道，3.棒状阴极冷却水回水通道，4.杯状阴极冷却水进水通道，5.杯状阴极冷却水回水通道，6.工作气通道，7.阳极冷却水进
水通道，8.阳极冷却水回水通道，9.棒状阴极，10.保护气旋流器，11.杯状阴极外加电磁线圈，12.杯状阴极，13.工作气旋流器，14.阳极，15.阳极外加电磁线圈。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
18.本实用新型一种基于双阴极的等离子体炬装置，如图1
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2所示，包括有棒状阴极回路组件、保护气通入组件、杯状阴极回路组件、工作气通入组件及阳极回路组件；其中，棒状阴极回路组件嵌装于保护气通入组件内部，保护气通入组件嵌装于杯状阴极回路组件内部，杯状阴极回路组件套嵌装于工作气通入组件内部，工作气通入组件嵌装于阳极回路组件内部。
19.阳极回路组件包括有阳极冷却水进水通道7、阳极冷却水回水通道8、阳极14及阳极外加电磁线圈15；其中阳极冷却水回水通道8同轴套装于阳极冷却水进水通道7外侧，阳极冷却水进水通道7一端开口与阳极冷却水回水通道8的端部连通构成阳极冷却水流回路，阳极14装于阳极冷却水进水通道7内侧一端部；阳极14内部为等径通道，阳极14外壁上套有阳极外加电磁线圈15，阳极冷却水回水通道8远离阳极14的一端外接阳极接线柱，阳极外加电磁线圈15外接电源；工作气通入组件同轴嵌装于阳极冷却水进水通道7内侧。采用单独的冷却水回路对阳极14进行冷却，有助于提高阳极14的冷却效果，提高电极寿命。阳极14有助于增加电弧切向速度，进一步提高阳极14的寿命。
20.工作气通入组件包括有工作气体通道6和工作气体旋流器13；其中，工作气体通道6同轴嵌装于阳极冷却水进水通道7内侧，工作气体通道6端部连接工作气体旋流器13，工作气体旋流器13靠近阳极14设置；杯状阴极回路组件同轴嵌装于工作气体通道6内侧。工作气体通道6和工作气体旋流器13采用绝缘材料制作，共同组成工作气通入装置，其中工作气旋流器13上的切向小孔，使得工作气以一定的切向速度通入放电通道。工作气一般采用空气等经济价值低的气体，用于降低等离子体炬的使用成本。
21.杯状阴极回路组件包括有杯状阴极冷却水进水通道4、杯状阴极冷却水回水通道5、杯状阴极外加电磁线圈11及杯状阴极12；其中，杯状阴极冷却水回水通道5同轴嵌装于工作气体通道6内侧，杯状阴极冷却水进水通道4同轴嵌装于杯状阴极冷却水回水通道5内侧，杯状阴极冷却水进水通道4一端开口与杯状阴极冷却水回水通道5的端部连通构成杯状阴极冷却水流回路，杯状阴极12装于杯状阴极冷却水进水通道4内侧一端部；杯状阴极12内部为等径通道，杯状阴极12内部通道的内径小于阳极14内部通道的内径，杯状阴极12外壁上套有杯状阴极外加电磁线圈11，杯状阴极冷却水回水通道5远离杯状阴极12的一端外接阴极接线柱，杯状阴极外加电磁线圈11外接电源；保护气组件同轴嵌装于杯状阴极冷却水进水通道4内侧；采用单独的冷却水回路对杯状阴极12进行冷却，有助于提高杯状阴极12的冷却效果，提高电极寿命。通过杯状阴极外加电磁线圈11外加磁场有助于增加电弧切向速度或等离子体炬的热效率，进一步提高杯状电极12的寿命。
22.保护气组件包括有保护气通道1和保护气旋流器10；其中，保护气通道1同轴嵌装于杯状阴极冷却水进水通道4内侧，保护气通道1端部连接保护气旋流器10，保护气旋流器10靠近杯状阴极12设置；棒状阴极回路组件同轴嵌装于保护气通道1内侧。保护气通道1和保护气旋流器10采用绝缘材料制作，共同组成保护气通入装置，其中保护气旋流器10上的
切向小孔，使得保护气以一定的切向速度通入放电通道。保护气一般采用氮气或其他惰性气体，用于提高棒状阴极9的使用寿命。
23.棒状阴极回路组件包括有棒状阴极冷却水进水通道2、棒状阴极冷却水回水通道3及棒状阴极9；其中，棒状阴极冷却水回水通道3同轴嵌装于保护气通道1内侧，棒状阴极冷却水进水通道2同轴嵌装于棒状阴极冷却水回水通道3内侧，棒状阴极9设置在棒状阴极冷却水回水通道3端部，棒状阴极冷却水进水通道2靠近棒状阴极9一侧开口连接棒状阴极冷却水回水通道3的端部构成棒状阴极冷却水流回路；采用单独的冷却水回路对棒状电极9进行冷却，有助于提高棒状电极9的冷却效果，提高电极寿命；棒状阴极冷却水回水通道3远离棒状阴极9的一端外接阴极接线柱。
24.棒状阴极9工作时的场景如图1所示，弧根落在棒状阴极9和阳极14上，此时等离子体炬弧电压较高、电流较低。
25.杯状阴极12工作时的场景如图2所示，弧根落在杯状阴极12和阳极14上，此时等离子体炬弧电压较低、电流较高。
26.其中，杯状阴电弧通道的内径小于阳极电弧通道的内径，阳极头部有一弧度，使得工作气能平稳的进入阳极电弧通道。
27.本实用新型的优点在于：
28.(1)引弧电极位于棒状阴极和杯状阴极之间，工作时两阴极之间气流流量较小，因此他们之间的间隙较小，有助于引弧成功率。等离子体炬阴极寿命要远远小于阳极寿命，这就导致等离子体炬的使用寿命受到阴极寿命的制约，本实用新型装置中电弧先在棒状阴极和阳极之间，待棒状电极达到使用寿命后再切换到杯状阴极和阳极之间，这样等离子体炬的寿命是棒状电极和杯状电极的叠加，大大提高了等离子体炬的寿命。阳极外部添加磁场，磁场和切向气流一起增加弧根的切向速度，使阳极处电极弧根旋转起来，避免了弧根落在同一个位置，增加了阳极的使用寿命。杯状电极外部添加磁场，当电弧弧根落在棒状阴极和阳极时，此时磁场对杯状电极里面的电弧起到禁箍效应，避免杯状电极的烧蚀，同时提高等离子体炬的热效率，当电弧弧根落在杯状阴和阳极时，此时磁场和切向气流一起驱动阴极弧根在杯状电极的旋转运动，避免弧根落在同一个位置，增加了杯状阴极的使用寿命。
29.(2)该装置将有中心电极的轴线式等离子体炬和有杯状电极的轴线式等离子体炬结合起来，在保温阶段使用棒状电极，在升温阶段使用杯状电极。不仅是等离子体炬工作在最佳的状态，而且可以增加等离子体炬的使用寿命，装置使用方便、成本较低，能够及大地提高等离子体炬的寿命。
30.(3)直引弧电极位于棒状阴极和杯状阴极之间，工作时两阴极之间气流流量较小，因此他们之间的间隙较小，有助于引弧成功率。