分散直流非转移式电弧的实验研究

Electrode erosion in non-transferred dc-arc plasma generators is a key factor affecting their service life and even wider applications. Due to complexity of the arc behavior in the near-electrode region and the arc-electrode interaction, detailed knowledge on these problems has been quite limited up to now. The present proposal intends to achieve a state of more dispersed electric arc of low current-density before it reaches the near-electrode region, thus alleviating the complexity of the interactions in the near-electrode region and effectively solving the erosion problem associated with high-current-density arc attachment. It will also enlarge the attachment area and reduce the parameter gradients in the near-electrode layer, facilitating experimental studies of this region. Such a desirable effect will be obtained through a combination of carefully studied novel structural design and operational parameter modifications of the plasma generator so that the electromagnetic/ thermal/fluid-mechanic factors acting on the arc will work together to cause its dispersion before the near-anode region..The proposed project will use spectral diagnosis, electric probes and image technology, etc. to study the effects of arc gas composition, current density, flow configurations, etc. on the dispersive effect on the arc and the parameter distributions in the near-electrode region; and to study the correlation among the state of arc dispersion, volt-ampere characteristics, plasma stability and the effect of reduction in electrode erosion. The principles of design and operation parameter selection of dispersed-arc plasma generators suitable for various common industrial applications will be explored.

非转移式直流电弧等离子体发生器电极烧蚀是影响其寿命和更广范围应用的关键。电弧在近电极表面区行为及其与电极相互作用的复杂性，使得人们至今对其认知还极为有限。本申请项目拟通过对发生器结构和与等离子体运行参数组合效应的分析，采用平衡电磁力-传热-气动膨胀等因素对电弧共同作用的方法，使电弧在接近电极表面之前即分散为低电流密度的状态，避免涉及近电极区的复杂相互作用问题，并有效解决高电流密度弧根贴附引起的电极烧蚀问题。同时，这种分散电弧在阳极表面将增大贴附区域并降低近电极层中的参数变化梯度，为近电极区现象的实验研究提供有利条件。项目将通过光谱诊断、探针检测、图像技术等，研究电弧气体组分、电流密度、流动状况等因素对分散电弧以及近阳极表面区参数分布的影响；研究电弧分散状况与伏安特性、等离子体的稳定性以及降低电极烧损效果之间的关联。探讨适合多数常规工业应用的分散电弧发生器设计和运行参数匹配的原则。

电极烧蚀是影响非转移式直流电弧等离子体发生器寿命及其应用推广的关键问题。本项目研究的主要目标是，探讨适合常规工业应用的直流非转移式分散电弧发生器设计和运行参数匹配的原则，从根本上避免电弧弧根在阳极表面的高电流密度集聚贴附和局域深烧蚀损伤破坏。自行设计了30kW级简单结构和100kW级带有悬浮电位中间段的直流电弧等离子体发生器。电弧通道的主要结构特点在于，在靠近阴极端有2.8-5mm的小直径限流段，下游有半角为5°-10°的扩张段。在气流量3-400slm、弧电流80-370A、环境气压103-105Pa范围进行了实验。针对发生器内部结构空间狭小、电弧温度超过10000K且分布梯度非常高、弧根可能的贴附区域随工作气体条件及弧电流的变化大范围移动、电极需要充分水冷等因素，自行设计了特殊的阳极水冷结构，在不改变电弧通道结构及不影响对阳极的冷却效果的前提下，发展了对发生器通道内的电弧进行实时光谱诊断、弧根贴附行为观测、原位电探针诊断等方法。同时，对发生器的热效率和寿命进行了检测和评估，对阴极腔、约束段壁面、阳极扩张段内壁面附近的压力及其变化进行了较系统的测量。当工作气体流量高过一定值时，电弧加热将在限流段通道内形成热堵塞或热壅塞，使得阴极腔内的气压明显高于等离子体射流喷出发生器的环境压力，促使电弧弧柱在通过限流段后受气动作用而膨胀为大体积低电流密度的状态，分散到达并贴附于周向阳极表面。这种方法不仅使氮-氩、氢-氩混合气电弧，即使是纯氮、纯氢、空气电弧，也可实现弧根在水冷阳极表面的低电流密度充分分散贴附。30kW级的发生器，在弧电流80-150A、氮气流量30slm时，电弧贴附面积可达500mm2，估算平均贴附电流密度约为3×105 A/m2，较一般氮电弧在水冷阳极表面集聚贴附的电流密度低两个数量级以上。发生器累积工作40h后，阳极扩张段表面仍然完全保留着机加工的痕迹而没有烧蚀的迹象。项目研究整体按计划进行，达到了加深对近阳极表面区电弧行为的认识、并有效缓解阳极烧蚀和提高发生器寿命的研究目标。