CN1049554C - 一种用于化学过程的炬装置 - Google Patents

Abstract

用于例如化学过程的能源而设计的一种等离子体炬，该等离子炬至少包括三个同轴地位于相互里边的固体管状电极(1、2和3)，这些电极(1，2，3)相互间可以轴向移动，它们相互最好是电绝缘的(5，6，7)并具有电源连接线(8，9和10)。当使用三个电极时，中间的电极(2)用作辅助电极或引燃电极。然后它与其中一个另外电极(1)结合，到第三电极(3)的距离与工作电压是以这样一种方式相适应，即当接上工作电压时，可以获得跳跃的火花。

Description

本发明关系到，一种最好用于化学过程能源的等离子炬，该等离子炬具有一些相互同轴放置的管状电极，这些电极被连接到一个电源上，气体一直输送到内电极和电极之间的空间中，借助于在电极之间延伸的电弧所加热的气体而形成高温等离子体。

为了在气体中或在气体和液体的混合物或固体颗粒中取得理想的化学反应，在某些情况下，必须供给能量。在极高的温度大约1000至3000度温度下，某些这样的化学反应才在气体中发生。为了能够控制和调节这种化学反应，检测气体的量和温度也是必要的，利用在等离子炬中的电弧呈加热气体的技术可以满足上述要求。

迄今所知的等离子炬首先被用一在焊接和切割钢中加热气体，在冶金过程中和在实验室试验中用于加热。由于它们常常需要高消耗量的等离子气，当气体输送通过炬时，气体要消耗电极所产生的热量，因此，从经济加热的观点出发，在某些应用场合中，它们是不太有利的。因此本发明的目的是提供一种等离子炬，它具有良好的热经济性，长的电极寿命以及工作可靠，适于工艺应用的结构。

一种用于例如化学过程的能源而设计的非转移电弧的等离子体炬，其中等离子体炬包括几个同轴地位于相互里边的管状电极，这些电极具有能接到交流电或直流电的电源连接线，在电弧的工作区内安置有轴向磁场，其中这些电极由一种高熔点的非金属材料构成以及形成等离子体的气体和/或反应物可以被输送到整个中心电极和电极间的环状空间中，其特征在于：至少要用三种电极即外电极1，辅助电极2和中心电极3来构成，电极1，2和3可以相互轴向移动并且辅助电极2与其它两个电极1，3之一连接，这样的两个电极2，1或2，3具有相同极性和电压，其中辅助电极2能被抽离等离子体区域。

该等离子体炬，具有一个控制***用来调节辅助电极2与等离子体区的距离，以使流过所述辅助电极的电流最小。

该等离子体炬，其中，接到电源的一个极性上的辅助电极2与接到电源另一个极性上的电极1或3之间的径向距离要这样来确定尺寸，即当接有工作电压时，在它们之间要出现电火花跳跃。

该等离子炬由一些同轴安置在相互外边的管状电极构成。该等离子炬的一头封闭，而另一头是打开的，这些电极相互可轴向移动，这些电极相互最好是电绝缘的并具有电源连接线，整个内电极和在电极间的空间中提供有输送气体的接头，高温等离子体通过气体被加热并被电弧电离而形成。

在本发明中，三个或更多的管状电极同轴地被安置在相互的外边，该炬的最简单形式是装有三根电极，一根中心电极，一根辅助电极和一根外电极。在另一个实施例中，一根或多根电极可以同轴地安置在外电极的外边。在这些电极之间形成环状通道，在中心电极中间及在环状通道中可以辅入形成等离子体的气体和/或反应物。

一种情性气体比如氮或氩可以用作形成等离子的气体，这样的气体通常将不参与或不影响炬内发生的化学反应，形成等离子的气体也可以是同类型的形成为等离子炬内反应产物的气体。

反应物可以是纯气体或者混有液体的气体或者是在等离子焰内发生的化学反应，例如热分解反应所需要的固体颗粒。反应物本身也可以是形成等离子的气体。

等离子炬内的电极是固态的并且可以是损耗型的，最好用石墨作为一种电极材料，石墨具有高熔点和只需短时间冷却的特点。

这样就构成一种实际上设计简单的等离子炬并且重要的是改进了炬的能效。

这些电极可以相互轴向移动，电极的相互调节提供了改变电弧平均长度和那儿的工作电压的可能性，这些又影响了热量的输出，此外，电弧的形状也会改变。如果外电极以这样一种方式调节，即它突出到中心电极的外边，则等离子区将成为漏斗形状并对输送到等离子区中心的反应物供以高温，如果中心电极以这样一种方式调节，即它突出在外电极之外，则等离子区将呈尖形并将较大部分的热量传给周围的腔而直接传给输送到中心处的反应物的较少。在这种方法中，按照必须加热的介质特性，可以调节这些电极的轴向位置。

该等离子炬被从一个供电***中供以电源，如果有必要冷却的话，这些电极经导体接到电源上，可以向等离子炬供以交流电或者最好供给直流电。

等离子炬的电极可以以两种不同的方式连接在一起，辅助电极可以接到中心电极上或者接到外电极上，因此当使用直流电时可以使用四种不同的连接。

一种可能的连接是把辅助电极接到外电极上，在这种方式中这两个电极具有同电位，最好作为阳极时它们与正电压相接，然后中心电极被接到负电压上作为阴极。

使用这种连接方式极性可以互换，能够把中心电极接到正电压上作为阳极用，而把两个连起来的电极接到负电压上作为阴极。

另一种可能的连接是辅助电极与中心电极结合，使这两个电极具有同电位，然后它们最好被接到正电压上作为阳极而把外电极接到负电压上作为阴极。用这种连接方式，电极的极性也可以互换，能够把两个连在一起的电极接到负电压上作为阴极，而把外电极接到正电压上作为阳极。

当使用如上所述的第一种提到的连接方式时，外电极和它的座与辅助电极和它的座一起最好接地电位，这样两个所述的电极和它们的座没有相互接触的危险。由于中心电极和它的座对地有某个电压，因此相对于轴向定位所用的设备应当是电绝缘的。

设计具有外电极和内辅助电极、同时这两个电极接到同一电压上的这种炬的目的是为了获得等离子炬的电弧可靠引燃和等离子炬稳定再引燃装置。

当在冷等离子气情况下起动炬和在低电极温度情况下以获得稳定工作时，辅助电极是极其重要的。

试验也已表明，当使用一种或同种类等离子气时，在低电极温度情况下，装有辅助电极的炬比没装辅助电极的炬工作更稳定。

当工作电压接到电极上时，辅助电极提供炬的可靠引燃，辅助电极设置地靠近中心电极，使得电压接上时，在它们之间有电火花跳跃并瞬间形成电弧。所以辅助电极可以被称为引燃极，电极之间所选定距离首先由工作电压决定，但它也取决于其它因素例如所使用的形成等离子体的气体种类。

磁力将把电弧移至电极端部和移出进入到电极外部的空间内，并当电极之间存在相同电压时，一旦电弧被引燃，它就有能力获得较长的长度，这样在辅助电极上的它的足点将向外移动然后将跳跨到同电位的外电极上。由于这种现象只存在很短时间，与电弧足点要存在很长时间的外电极和中心电极上的烧蚀相比，辅加电极仅权承受很小的烧蚀量。

辅加电极相对于外电极可以在轴向上移动，在工作期间它被抽出，但只远得足以使直接在辅助电极端部上的中心电极表面有足够高的温度，能使它易于发射电子就行，这样以确保再引燃，然而辅加电极要被抽离远的足以阻止它继续形成弧足点才行。

外电极和辅加电极具有相同电压，连接可以在炬内可炬外进行，如果在炬内进行连接，这两个电极之同一般不用电绝缘材料。

控制***可以进行辅加电极轴向位置的调节，这样可使最小的平均电流强度通过它，从而在辅加电极上的损耗实际上减小了。之后外电极和辅加电极彼此电绝缘，因此可以彼此无关的测量通过这两电极的电流，并将数值输入控制设备。

发现，按照本发明所设计的等离子炬中的电弧朝着电极的端部被推出并出来进入到它们端部外的空间里，这是由于电弧中产生的电磁力以及所提供的气体迫使它朝外这个事实的原因。最后，这个电弧可以拉到它断裂为止的长度，从而熄灭。

当外电极和中心电极之间的电弧熄灭时，它将在辅助电极和中心电极之间迅速地再引燃，在正常工作情况中发现，电弧不断熄灭并必须被再引燃，这样按照所述，使辅加电极用于按照本发明的等离子炬的连续工作是绝对必不可少的。

该等离子炬装有环状磁性线圈或者环状永久磁铁，它们位于电极外边，或在电弧形成的炬区内围绕着电极的端部设置或者靠近这个区域设置。该磁性线圈或永久磁铁以这样一种方式设置，即它们在炬的这个区域内产生轴向磁场，从而引起电弧围绕着炬的中心轴旋转，这点对于炬的工作可靠性是重要的。

沿炬的中心轴可以放置一个或多个铁磁材料体，这样的物体将把磁场集中在工作弧区内，如果理想话，可将磁场从具有较强轴向磁场的区域引至弧区，这种物体及它的放置情况，在申请人的挪威专利申请号914910中加以了描述。

此外，磁场将阻止电弧由内电极上的一个具体点运动到外电极上的一个具体点，这样引起在电极表面上形成弧坑和裂口的情况。在磁场影响下电弧将沿着这些电极的圆周旋转，于是可以获得无凹陷烧蚀的电极表面从实质上减少了电极上的损耗，结果可以增加电极上的电力负荷。

在下文中，将参照一个等离子体炬的示意实例图，对本发明进行更详细的叙述。

该图描述了按照本发明的等离子体炬的纵剖面情况。

图1所示的等离子体炬由外电极1，辅助电极2和中心电极3组成，这些电极是管状的并同轴地位于相互的里边，这些电极相互可以轴向移动。电极的轴向定位装置例如液压缸或汽动缸没有在图中示出。

这些电极是固体的而且是可消耗的，即它们可以被连续地朝着它们被腐蚀或损耗的方向输送，这样它们就不需要用冷却剂冷却内部，事实上可以构成一个相当简单的等离子炬。所有类型的导电非金属材料都可以用来作为电极。最好是高熔点的材料例如碳化硅或石墨。材料的选择也将取决于在有关的加工过程期间，在使用区中它们抗气氛的耐久性。

等离子体炬的一端借助于环状绝缘盘5、6和7被封住，这些绝缘盘同时充当电极之间的密封件作用。

在中心电极3当中和电极间的环状空间里，可以输送形成等离子体的气体和/或反应物。图中未示出通过绝缘盘将气体输送到等离子体炬上的气体供应管。

等离子体炬被设计成能使反应物穿过中心电极3输进一个***其中的导入管4中，一种合适的导入管例如是申请人的挪威专利申请号914911中所述的一种管子。

由于电极最好是可消耗的，所以中心电极3能在工作期间伸长并可以轴向移动，这样它的端部位置可按需要调节。

这些电极从一个图中未示出的电力供应***中获得电源，电源通过导线8、9和10输送到这些电极上，这些导线在图中用线示出。

在炬外，借助于桥接或一个连接板11，外电极导线10和中间电极导线9被连在一起。这种连接是在任何***的用于记录电流流过这些电极的测量仪器的连接之前进行。这样，外电极1和中间电极2具有相同电位，并且最好作为阳极时连接到正电压上，而中心电极3最好作为阴极连到负电压上。

在电弧形成区的外边，围绕着这些电极最好放置一个环状电磁线圈12或环状永久磁铁，电磁线圈12或永久磁铁将在炬的这个区域中建立一个轴向磁场。

辅助电极2和中心电极3的尺寸如此选定即，使它们之间的径向距离是小的，当接上电压时，在这些电极之间将出现电火花跳跃并将形成电弧，这些电极之间的工作电压和距离安排成这样的方式即，使火花始终发生。因此由于这种原因，可以获得等离子体炬的可靠引燃。

电磁力将把电弧移到这些电极的端部，并且当两个电极之间具有相同电压时，一旦电弧被引燃，它就有能力达到较长的长度。弧的足点在径向上将移到辅助电极2的外边，并且跨到具有同电位的外电极1上。电弧被引燃之后，它将在中心电极3和外电极1之间运动。

辅助电极2可以在轴向上移动，在工作期间，它被从等离子体区中抽出，然后辅助电极2被移离足够远以免它再形成电弧足点，而电弧足点不喜欢从外电极1移跨到中心电极3上。辅助电极2的最佳位置可以借助于例如测量通过它的电流的控制仪器来确立，在通过辅助电极2的平均电流强度最小时，可以获得最佳位置。

按照本发明的等离子体炬中的电弧将由这些电极的端部推出，这是由于电弧中的电磁力被间隔开，以及气体流出来进入到这些电极间的空间中并迫使电弧向外的原因，最后电弧拉长到断裂和熄灭时的长度。

当外电极1和中心电极3之间的电弧熄灭时，在辅助电极2和中心电极3之间的电弧将迅速地二次点燃。在这些电极之间的场强度足使电子从阴极表面发射出来，阴极表面具有高温，这样电弧瞬间就可以点燃。因为主电流将从外电极1流到辅助电极2上，因此不会显示出电能中断现象。

之后，电弧的足点将由辅助电极2转到外电极1上，这些电极具有如此高的温度使它们能把电子发射到它们周围的区域，并且使外电极1和中心电极3之间的电弧在它已经熄灭之后仅仅几个毫秒之内恢复。

已发现在工作期间，正如上面所述的一样，电弧不断地熄灭和被再引燃。对于按照本发明的等离子炬的连续工作来说，也可以称为引燃极的辅助电极2是绝对不可少的。

Claims (3)

1.一种用于例如化学过程的能源而设计的非转移电弧的等离子体炬，其中等离子体炬包括几个同轴地位于相互里边的管状电极，这些电极具有能接到交流电或直流电的电源连接线。在电弧的工作区内安置有轴向磁场，其中这些电极由一种高熔点的非金属材料构成以及形成等离子体的气体和/或反应物可以被输送到整个中心电极和电极间的环状空间中，其特征在于：至少要用三种电极即外电极(1)，辅助电极(2)和中心电极(3)来构成，电极(1，2和3)可以相互轴向移动并且辅助电极(2)与其它两个电极(1，3)之一连接，这样的两个电极(2，1)或(2，3)具有相同极性和电压，其中辅助电极(2)能被抽离等离子体区域。

2.按照权利要求1所述的一种等离子体炬，其特征在于：一控制***用来调节辅助电极(2)与等离子体区的距离，以使流过所述辅助电极的电流最小。

3.按照权利要求1所述的一种等离子体炬，其特征在于：接到电源的一个极性上的辅助电极(2)与接到电源另一个极性上的电极(1或3)之间的径向距离要这样来确定尺寸，即当接有工作电压时，在它们之间要出现电火花跳跃。