馬中洋 , 李淩豪 , 孫紅梅 倪國(guó)華 ,

* (中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所,合肥 230031)

? (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院,合肥 230026)

引言

電弧作為產(chǎn)生熱等離子體的一種常用方式,可以提供一般燃燒所不能達(dá)到的超高溫工藝環(huán)境,且具有可調(diào)控氧化、還原和惰性氣氛的優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)和科研領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-2].電弧等離子體技術(shù)在機(jī)械加工[3-4]、環(huán)保[5-6]、航天航空[7-8]和材料制備[9-11]等諸多領(lǐng)域,至今仍發(fā)揮著重要的作用,這些應(yīng)用大多基于電弧能量集中所帶來(lái)的高溫、高焓的特性優(yōu)勢(shì).然而,由于電弧的自收縮特性,導(dǎo)致的電弧溫度梯度大、高溫區(qū)體積小的顯著特征,也制約了電弧等離子體在現(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用的升級(jí)和新領(lǐng)域應(yīng)用的拓展.例如,采用徑向送粉的電弧等離子體噴涂,由于高溫區(qū)的狹小,顆粒很難完全進(jìn)入射流高溫區(qū)域,使得一部分顆粒得不到充分的加熱,造成涂層缺陷的形成.因此,研究產(chǎn)生大面積均勻電弧等離子體,以滿足其在熱噴涂、微納粉體制備和煤制乙炔等方面的工業(yè)化實(shí)際應(yīng)用,受到了國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注.大尺寸電弧等離子體在實(shí)際應(yīng)用中具有如下優(yōu)勢(shì): (1) 擴(kuò)大電弧等離子體高溫區(qū)的體積,提高反應(yīng)區(qū)溫度場(chǎng)均勻性,使得顆粒群與等離子體混合后,飛行過程中物理化學(xué)行為狀態(tài)(如熔融)一致性得到改善;(2) 可以實(shí)現(xiàn)軸向送粉,提高顆粒與等離子體的混合效率;(3) 分散電極貼附電流密度,有效提高電弧等離子體發(fā)生器使用壽命.這些優(yōu)勢(shì)使得大尺寸電弧等離子體技術(shù)顯示出非常好的應(yīng)用前景.

針對(duì)電弧尺寸小以及由此帶來(lái)的諸多問題,結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開發(fā)了形式各異的大尺寸電弧等離子體發(fā)生器,其產(chǎn)生方式和機(jī)制各不相同,相比較自由弧和傳統(tǒng)直流電弧等離子體炬中的等離子體產(chǎn)生機(jī)制而言,涉及的科學(xué)和技術(shù)問題也更多更復(fù)雜,這也給相關(guān)研究提出了新的挑戰(zhàn).需要說明的是,文中所涉及的“大尺寸”并無(wú)嚴(yán)格意義幾何尺寸大小的界限,僅表示相比較傳統(tǒng)電弧弧柱而言,大尺寸電弧發(fā)生器或反應(yīng)器中熱等離子體徑向尺寸的增大.此外,大氣壓非熱電弧(如滑動(dòng)弧)和真空電弧也不在本文討論范圍之內(nèi).本文從大尺寸電弧等離子體的產(chǎn)生方式、特性控制及其應(yīng)用3 個(gè)方面總結(jié)大尺寸電弧等離子體的研究進(jìn)展,分析了各種類型電弧等離子體發(fā)生器結(jié)構(gòu)特征,產(chǎn)生大尺寸電弧等離子體的基本特性及其調(diào)控方法和應(yīng)用現(xiàn)狀,并對(duì)未來(lái)的研究做出展望.

1 大尺寸電弧等離子體的產(chǎn)生

作為產(chǎn)生等離子體的裝置,電弧發(fā)生器一直是低溫等離子體學(xué)科的重要研究課題.基于近年來(lái)材料科學(xué)、能源化工等領(lǐng)域?qū)Υ蟪叨入娀〉入x子體的迫切需求,各種類型的大尺寸電弧等離子體發(fā)生器研制取得了較快的進(jìn)展,國(guó)內(nèi)外諸多研究機(jī)構(gòu),包括俄羅斯科學(xué)院電物理與電力研究所[12-15]、日本東京工業(yè)大學(xué)[16-19]、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)[20-25]、法國(guó)國(guó)立巴黎高等礦業(yè)學(xué)校[26-30]和中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所[31-34]等,針對(duì)具體應(yīng)用需求,開發(fā)了各具特性的大尺寸電弧等離子體發(fā)生器,按結(jié)構(gòu)和電弧的驅(qū)動(dòng)方式不同,可以分為多相交流電弧發(fā)生器、多電極直流電弧發(fā)生器和磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電弧發(fā)生器這3 種類型.

1.1 多相交流電弧發(fā)生器

在交流驅(qū)動(dòng)的電弧等離子體中,多相交流電弧發(fā)生器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且對(duì)電源的要求較低,是一種簡(jiǎn)便易行的大尺寸電弧等離子體產(chǎn)生方式[35].一般采用多相交流電源驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)相數(shù)的電極,根據(jù)采用電源的相數(shù),主要有三相、六相和十二相交流電弧發(fā)生器,相比較傳統(tǒng)的直流電弧等離子體炬,這種交流電弧受到的約束小很多,通過電極間的交替放電,多個(gè)電弧疊加共存于放電腔內(nèi),從而形成較大面積電弧等離子體.由于這種電弧發(fā)生器各個(gè)電極放電電壓和電流的交替變化,沒有固定的陰極和陽(yáng)極,因此電極的燒蝕較小,電極的使用壽命較長(zhǎng)[32,34].但是由于電極上的電流會(huì)過零點(diǎn),存在電弧熄滅和再次引燃的問題,因而等離子體的波動(dòng)較大,電弧等離子體及其產(chǎn)生的高溫區(qū)的均勻性和穩(wěn)定性較差,最初應(yīng)用在一些對(duì)性能要求不高的領(lǐng)域.

早在20 世紀(jì)70 年代,法國(guó)學(xué)者Bonet 等[36-37]開始了三相交流電弧等離子體技術(shù)研究工作,發(fā)現(xiàn)其在耐高溫粉體材料熔融和球化等熱處理方面展示出非常好的應(yīng)用前景,激發(fā)了研究人員對(duì)該技術(shù)的興趣,根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景,并基于電極材料、工作氣體類型、電流強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)尺寸等特征,在三相交流電弧發(fā)生器研制方面做了大量的工作,加深了人們對(duì)三相交流電弧等離子體特性的理解.到目前為止,很多研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求,開發(fā)了多種類型的三相交流電弧發(fā)生器,不過它們的基本結(jié)構(gòu)相似,3 個(gè)沿中心軸匯聚的電極和及其腔體構(gòu)成三相電弧發(fā)生器的主體,如圖1 所示.Rehmet 等[38-41]采用高速攝像實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)合理論計(jì)算,系統(tǒng)研究了三相交流電弧的動(dòng)態(tài)行為,發(fā)現(xiàn)在某一個(gè)時(shí)刻,電弧只存在于電勢(shì)差最大的兩個(gè)電極間,并在3 個(gè)電極之間依次切換,電弧在電極之間的循環(huán)運(yùn)動(dòng),增大了等離子體的空間尺寸,增強(qiáng)了弧柱與工作氣體之間的熱交換,有助于氣體加熱效率的提高.此外,研究表明增加電極間距和提高弧電流可以獲得更大尺寸的電弧等離子體.需要引起注意的是,由于電極燒蝕引起的金屬/碳蒸氣射流向電極傳遞的焓有助于新弧的引燃,電極表面電場(chǎng)位形決定了金屬/碳蒸汽射流的方向,因此電極表面形貌會(huì)對(duì)原有電弧的動(dòng)態(tài)行為特征造成影響,增加其不穩(wěn)定性.Rutberg 等[42-43]采用類似導(dǎo)軌式電極結(jié)構(gòu),如圖2 所示,可以有效降低電極燒蝕的速率,并避免由于電極表面形貌變化帶來(lái)的熄弧風(fēng)險(xiǎn),這種電極結(jié)構(gòu)有助于電弧在氣動(dòng)力的作用下,弧根在較大尺寸電極表面滑動(dòng),減緩電極的燒蝕,并且在逐漸擴(kuò)張的電極間隔間形成大尺寸的電弧等離子體.他們還研制出了長(zhǎng)通道形的三相交流電弧發(fā)生器,通過為每個(gè)電極設(shè)置獨(dú)立的電弧通道,避免了弧柱間的再擊穿問題,獲得了直徑不小于0.2 m 弧柱總長(zhǎng)超過2.5 m 的大尺寸電弧等離子體,實(shí)現(xiàn)了高弧電壓模式下大功率三相交流電弧的穩(wěn)定運(yùn)行[13].

圖1 三相交流電弧發(fā)生器[41]Fig.1 Diagrams of 3-phase AC arc generator[41]

圖2 導(dǎo)軌式電極結(jié)構(gòu)三相交流電弧等離子體炬[43]Fig.2 Schematic of 3-phase arc plasma torch with rail electrodes[43]

由于三相交流放電在同一時(shí)刻電弧僅存在于其中兩個(gè)電極之間,等離子體的均勻性差.為此,日本東京工業(yè)大學(xué)Watanabe 團(tuán)隊(duì)[44-48]相繼開發(fā)了六相和十二相電弧發(fā)生器,如圖3 所示,結(jié)果表明電源相數(shù)(對(duì)應(yīng)電極數(shù)量)的增加不僅可以提高熱等離子體的尺寸,而且還可以有效降低電弧等離子體波動(dòng),提高了熱等離子體的穩(wěn)定性.當(dāng)電極數(shù)量由6 增加到12 時(shí),電弧再擊穿更加容易,電壓波形的畸變變小,波動(dòng)幅度降低.盡管電弧弧柱主要集中在邊緣區(qū)域,但實(shí)驗(yàn)診斷表明反應(yīng)器中心區(qū)域溫度最高,這一特性非常適合飛行顆粒的熱處理.

圖3 十二相交流電弧等離子體炬示意圖和電弧室俯視圖[48-49]Fig.3 Diagrams of 12-phase arc plasma torch and top view of the arc chamber[48-49]

為了獲得更長(zhǎng)射流的電弧等離子體,清華大學(xué)李和平等[50-53]借鑒雙射流直流電弧發(fā)生器的設(shè)計(jì)理念,結(jié)合多相交流電弧發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過調(diào)整電極與中心軸的角度,結(jié)合軸線冷氣路的注入,在亞大氣壓條件下的六電極電弧發(fā)生器中產(chǎn)生了最大直徑和長(zhǎng)度分別可達(dá)14 cm 和60 cm 的射流等離子體(圖4).

圖4 六相交流電弧等離子體炬示意圖和電弧等離子體射流照片[53]Fig.4 Images of 6-phase arc plasma torch and the plasma jet[53]

1.2 多電極直流電弧發(fā)生器

多電極直流電弧發(fā)生器通常采用多組直流輸出或多個(gè)直流電源驅(qū)動(dòng)多個(gè)電極,在電弧室內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生多個(gè)電弧,通過電弧與電弧的相互耦合,形成較均勻的大尺寸熱等離子體.根據(jù)陰極和陽(yáng)極相對(duì)數(shù)量,可分為多陰極-多陽(yáng)極電弧發(fā)生器、多陰極-單陽(yáng)極電弧發(fā)生器和單陰極-多陽(yáng)極電弧發(fā)生器[32].

從已有文獻(xiàn)看,英國(guó)學(xué)者 Harry 等[54-57]早在20世紀(jì)70 年代就研制出了多電極(六陰極-六陽(yáng)極)直流電弧發(fā)生器,如圖5 所示,采用六組獨(dú)立輸出的直流電驅(qū)動(dòng)6 對(duì)共面布置的石墨電極,在直徑120 mm的區(qū)域產(chǎn)生了大尺寸熱等離子體,由于電弧之間的相互約束,多弧體系中每個(gè)電弧的穩(wěn)定性均有所提高.但是,由于該裝置沒有考慮等離子體的流動(dòng)問題,實(shí)用價(jià)值不高,這也導(dǎo)致了之后很多年很少有人涉足這個(gè)方向.相比較而言,通過具有相同或相似結(jié)構(gòu)的陰極和陽(yáng)極,產(chǎn)生類似于英文字符“V”形狀電弧的V 型電弧發(fā)生器(圖6),由于考慮了等離子體的流動(dòng),其弧柱部分或全部形成于發(fā)生器噴嘴管之外,并匯聚產(chǎn)生射流等離子體[58,60-63],實(shí)用性更強(qiáng),不僅提高了可有效利用的電弧等離子體尺寸,而且發(fā)生器的熱效率也得到了明顯提升,在固廢處理[60]、煤制乙炔[61]等對(duì)能耗要求較高應(yīng)用領(lǐng)域受到了一定的關(guān)注.V 型電弧發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特征為更好地設(shè)計(jì)多電極直流電弧發(fā)生器提供了借鑒.

圖5 六陰極-六陽(yáng)極電極直流電弧發(fā)生器裝置[58]Fig.5 The photograph of DC arc generator with twelve electrode[58]

圖6 V 型電弧等離子體發(fā)生器及其放電示意圖[59]Fig.6 The V-type arc plasma torch[59]

中科院等離子體所倪國(guó)華課題組[33-34]在結(jié)合上述六陰極-六陽(yáng)極直流電弧發(fā)生器和V 型電弧發(fā)生器優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,研制了三陰極-三陽(yáng)極直流電弧發(fā)生器,采用主動(dòng)控制策略調(diào)控等離子體的流動(dòng),其結(jié)構(gòu)如圖7 所示,每個(gè)電極均外套陶瓷套用以獨(dú)立控制單個(gè)電弧的流動(dòng),并且通過電極相對(duì)位置的變化,形成對(duì)沖和渦旋流動(dòng)的熱等離子體放電區(qū),通過對(duì)電弧位形的有效調(diào)控,可以獲得參數(shù)可控的大尺寸熱等離子體.

圖7 三陰極-三陽(yáng)極直流電弧發(fā)生器裝置[33]Fig.7 Illustration of DC arc plasma torch with six electrode[33]

傳統(tǒng)等離子體噴涂由于顆粒流與等離子體射流方向垂直,存在著等離子體與顆?；旌闲实?影響涂層效果等問題.為了解決這一問題,Pfender 等[64-65]提出了可以實(shí)現(xiàn)軸向送粉的三陰極轉(zhuǎn)移弧發(fā)生器,顆粒在軸向氣流作用下,與三束自由弧等離子體混合熔融鋪展在陽(yáng)極被處理材料表面.然而,這種沒有被約束的自由弧存在流動(dòng)控制困難,并進(jìn)而影響其與顆粒群的混合效率和一致性.德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)[66-67]開發(fā)了非轉(zhuǎn)移弧三陰極電弧發(fā)生器Triplex,并且在陰極和陽(yáng)極之間插入輔助中間極,如圖8 左圖所示,在提高弧長(zhǎng)的同時(shí),避免了大尺度分流,起到穩(wěn)弧和穩(wěn)定功率輸出的作用,此外由于有陽(yáng)極噴嘴的約束,等離子體的流動(dòng)更易控制,有助于顆粒群與電弧的混合,提高顆粒的熔融效果,Triplex 在熱噴涂中獲得很好的應(yīng)用效果,隨后由SulzerMetco公司實(shí)現(xiàn)了商業(yè)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化.Marantz 等[68-69]在每個(gè)陰極外側(cè)增加對(duì)弧柱起到約束和引導(dǎo)作用的輔助陽(yáng)極,提高了對(duì)每個(gè)電弧定向運(yùn)動(dòng)的調(diào)控,在機(jī)械壓縮和氣流壓縮的共同作用下,提高了多弧系統(tǒng)下電弧等離子體的穩(wěn)定性.加拿大西北Mettech 公司的Axial III (圖8 右圖)三電極軸向送粉等離子噴涂系統(tǒng)的等離子體炬在該技術(shù)方案的基礎(chǔ)上,優(yōu)化了輔助陽(yáng)極的結(jié)構(gòu),利用輔助陽(yáng)極通道強(qiáng)化了對(duì)電弧行為的約束,降低了弧柱與弧柱耦合后等離子體參數(shù)波動(dòng),從而提高了軸向飛行顆粒被處理后狀態(tài)的一致性,在熱噴涂領(lǐng)域獲得了很好的商業(yè)應(yīng)用[70-73].通過增加陰極的數(shù)量,顯然可以提高放電區(qū)等離子體的面積,在六陰極電弧發(fā)生器中,六束陰極弧向陽(yáng)極匯集流動(dòng),為擴(kuò)散弧的形成創(chuàng)造了外部條件,在合適的參數(shù)條件下,獲得了直徑約40 mm 均勻的擴(kuò)散電弧等離子體[74-76],擴(kuò)散電弧有助于層流等離子體射流的產(chǎn)生,圖9 展示了不同電弧電流下的等離子體射流圖像,在300 A 弧電流下等離子體射流的長(zhǎng)度可達(dá)60 cm 以上[77].

圖8 三陰極電弧發(fā)生器示意圖Fig.8 Diagrams of the three cathode arc generator

圖9 不同電弧電流下等離子體射流圖像[77]Fig.9 Variation of the plasma jet with different arc currents[77]

固定陽(yáng)極弧根的貼附可以提高電弧的穩(wěn)定性,降低等離子體射流的脈動(dòng),從這個(gè)考慮出發(fā),慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué) Schein 等[66-67]開發(fā)了一種三陽(yáng)極電弧發(fā)生器DeltaGun,如圖10 所示,3 個(gè)相互絕緣、尺寸相同的扇形結(jié)構(gòu)陽(yáng)極構(gòu)成管狀噴嘴,在陰極和陽(yáng)極之間通過增加輔助中間極提高弧長(zhǎng).研究發(fā)現(xiàn)弧柱在靠近陽(yáng)極區(qū)域分裂成的3 根弧柱,3 個(gè)被分割的陽(yáng)極避免了陽(yáng)極弧根的周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),相比較傳統(tǒng)直線型直流電弧等離子體炬,電弧的穩(wěn)定性得到明顯提升.

圖10 DeltaGun 發(fā)生器示意圖Fig.10 Schematic of the DeltaGun

在多弧體系中,軸向并行的多個(gè)電弧在電磁力和冷氣流作用下,徑向等離子體特性參數(shù)會(huì)形成比較典型的特征分布,形成一個(gè)低黏度、低壓的中心區(qū)域,當(dāng)顆粒注入時(shí)會(huì)產(chǎn)生籠蔽效應(yīng),如圖11 所示,類似于幾股電弧將顆粒裹挾著輸運(yùn)到下游,這是一個(gè)非常有益的現(xiàn)象,不僅提高了飛行顆粒與等離子體混合的混合效率,而且有助于避免顆粒向四周飛濺造成的噴嘴或反應(yīng)器堵塞的問題,這一點(diǎn)對(duì)于涉及等離子體作用于顆粒群,諸如熱噴涂、煤制乙炔和微納粉體制備等應(yīng)用中非常重要[34,67,78].

圖11 籠蔽效應(yīng)示意圖[78]Fig.11 Schematic of the cage effect[78]

1.3 磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電弧發(fā)生器

通過外加磁場(chǎng)方式驅(qū)動(dòng)電弧高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電弧等離子體,可以認(rèn)為是一種在較長(zhǎng)時(shí)間尺度上的大面積均勻等離子體[79].這種發(fā)生器通常由管式陽(yáng)極(構(gòu)成電弧室)和棒狀陰極,以及陽(yáng)極外側(cè)的磁場(chǎng)線圈或永磁體組成,如圖12 所示[63].在軸向磁場(chǎng)的作用下,電弧徑向電流使得弧柱產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),從而使得靠近陽(yáng)極區(qū)等離子體產(chǎn)生離心流動(dòng),徑向擴(kuò)張.這種旋轉(zhuǎn)電弧降低了弧根在電極固定位置的貼附時(shí)間,有助于對(duì)電極的保護(hù),因而也常被用于大功率等離子體炬中作為減緩電極燒蝕的方法[80-83].電弧的快速旋轉(zhuǎn)有助于對(duì)工作氣體的均勻加熱,提高傳熱效率.

外加磁場(chǎng)對(duì)徑向電弧分量所產(chǎn)生的洛倫茲力、氣動(dòng)力和黏滯力等對(duì)電弧的共同作用,以及由于電弧運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的電場(chǎng)和自磁場(chǎng)的變化,導(dǎo)致磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電弧的動(dòng)態(tài)行為非常復(fù)雜.假設(shè)電弧為剛體,利用電弧受洛倫茲力和氣動(dòng)阻力的平衡簡(jiǎn)化模型分析,表明電弧形狀近似為螺旋狀[84-86],Minoo 等[87]通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得到了類似的結(jié)果,如圖13 展示了磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電弧所產(chǎn)生的螺旋位形結(jié)構(gòu)的照片[88].一般情況下,這種旋轉(zhuǎn)電弧并沒有改變電弧的自收縮特性.但在一些特殊情況下,磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電弧也有可能會(huì)驅(qū)動(dòng)電弧的“分裂”,產(chǎn)生多個(gè)放電通道共存的現(xiàn)象,Desaulniers 等[89]利用譜線強(qiáng)度波動(dòng)信號(hào)對(duì)磁旋轉(zhuǎn)電弧進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到了旋轉(zhuǎn)電弧平均放電通道個(gè)數(shù).在一定條件下,這種“分裂”電弧會(huì)發(fā)展成為完全擴(kuò)散的電弧等離子體,均勻分布于80 mm 內(nèi)徑的電弧室內(nèi),如圖14 所示.相比較收縮電弧,擴(kuò)散弧的弧電壓相對(duì)平穩(wěn),表明該種模式下電弧的波動(dòng)小.高速旋轉(zhuǎn)電弧加速了電弧與弧室冷氣體的強(qiáng)對(duì)流換熱,對(duì)分散弧柱并形成擴(kuò)散電弧起到促進(jìn)作用[86,90-94].

圖13 螺旋位形結(jié)構(gòu)電弧照片[88]Fig.13 Photos of the spiral arc[88]

圖14 磁擴(kuò)散等離子體圖像[94]Fig.14 Images of diffuse arc plasma[94]

2 大尺寸電弧等離子體控制

在大尺寸電弧等離子體產(chǎn)生方式確定后,通過外部參數(shù)的調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的控制,可以更好地滿足實(shí)際應(yīng)用的需要.這些調(diào)控方式主要包括: 電場(chǎng)調(diào)控、磁場(chǎng)調(diào)控和氣體調(diào)控等.

2.1 電場(chǎng)調(diào)控

通過改變電場(chǎng)的大小和方向來(lái)控制等離子體中粒子行為和能量轉(zhuǎn)化過程,是調(diào)控電弧等離子體流動(dòng)與傳熱的有效手段[34].在多相交流電弧發(fā)生器和多電極直流電弧發(fā)生器中,可以通過電極間的相對(duì)位置,便捷地調(diào)節(jié)電場(chǎng)方向,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧位形、動(dòng)態(tài)行為的調(diào)控.在三相交流電弧發(fā)生器中,Rehmet等[38,41]對(duì)比了三相交流電弧發(fā)生器中兩種電極排布結(jié)構(gòu)對(duì)電弧特性的影響,放電圖像如圖15 所示,在電極共面相對(duì)結(jié)構(gòu)中,電弧被約束在電極間的區(qū)域,電極燒蝕噴射的蒸氣離子流能夠到達(dá)未燃弧電極,提高了新電弧通道的電導(dǎo)率,對(duì)引燃電弧起到了很好的輔助作用,這對(duì)于低頻三相交流電弧的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行非常重要.而在軸向平行電極結(jié)構(gòu)中,電極燒蝕噴射的蒸氣離子流沿著軸向向下,無(wú)法起到輔助引弧的作用,未燃弧電極的電弧重燃變得比較困難,電弧穩(wěn)定性變差.

圖15 三相交流電弧等離子體放電圖像[38,41]Fig.15 Images of three-phase AC arc plasma discharge[38,41]

東京工業(yè)大學(xué)Watanabe 課題組[95-99]在研究十二相交流電弧放電特性時(shí),發(fā)現(xiàn)通過電極與電源相位連接次序的變化,顯著影響了交流多弧體系中電弧的行為,從而表現(xiàn)出不同的等離子體空間分布和波動(dòng)特征.在CW 結(jié)構(gòu)(電極按照電源相位順序逆時(shí)針依次排列)中,電弧傾向于出現(xiàn)在存在最大電勢(shì)差的相對(duì)電極之間.類似地,在FF 結(jié)構(gòu)(按逆時(shí)針方向電極依次與電源奇數(shù)相位,然后與偶數(shù)相位順序連接) 中,電弧放電主要發(fā)生在電場(chǎng)最強(qiáng)的兩電極之間.采用數(shù)字圖像處理技術(shù),以圖像灰度值分布近似表征放電區(qū)溫度場(chǎng),在直徑60 mm 的中心放電區(qū)域,CW 結(jié)構(gòu)的高溫區(qū)占比面積大于FF 結(jié)構(gòu),而在整個(gè)100 mm 的放電區(qū),FF 結(jié)構(gòu)高溫區(qū)占比面積要高于CW 結(jié)構(gòu)的.圖16 的結(jié)果表明,相比較CW 結(jié)構(gòu)而言,FF 結(jié)構(gòu)的高溫區(qū)面積波動(dòng)較小,表明FF 結(jié)構(gòu)中電弧的波動(dòng)相對(duì)較小.這表明在多電極結(jié)構(gòu)電弧發(fā)生器中,利用電極的結(jié)構(gòu)配置是調(diào)控放電行為和空間溫度分布的一種有效手段.

圖16 一個(gè)放電周期內(nèi)的電弧存在區(qū)域[98]Fig.16 The arc existence area within one discharge cycle[98]

這種調(diào)控方式同樣被用于六電極直流電弧發(fā)生器中,通過電源與電極連接次序的變化,可以構(gòu)造鄰位電極配置和對(duì)位電極配置的電弧發(fā)生器,結(jié)合電極之間相對(duì)位置的變化,即相對(duì)電極完全正對(duì)(氣流對(duì)沖)結(jié)構(gòu)和所有電極中軸線在電弧室中心區(qū)域形成內(nèi)切圓(旋流)的結(jié)構(gòu),配置成了電極鄰位(氣流對(duì)沖或旋流)、電極對(duì)位(氣流對(duì)沖或旋流) 4 種結(jié)構(gòu)類型,如圖17 所示.通過高速攝像可以觀測(cè)到,放電區(qū)等離子體形態(tài)和電弧行為表現(xiàn)出各自獨(dú)有的特征,表明通過電極布置調(diào)節(jié)電弧室內(nèi)的電場(chǎng)分布,可以有效調(diào)控等離子體的位形[31].

圖17 六電極直流電弧發(fā)生器的4 種電極結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的放電照片[31]Fig.17 Schematic diagram of four electrode structures and corresponding discharge photos of a six-electrode DC arc generator[31]

陽(yáng)極弧根的貼附形式會(huì)導(dǎo)致電弧形態(tài)的變化,已有研究表明,擴(kuò)散型的弧根貼附狀態(tài),會(huì)形成“鐘罩”狀而非收縮狀的電弧等離子體[100].王海興等[101-103]在研究陽(yáng)極凸起影響弧根貼附特性的基礎(chǔ)上,巧妙地設(shè)計(jì)了具有環(huán)形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極,通過對(duì)電極間電場(chǎng)分布的分析,發(fā)現(xiàn)由于陽(yáng)極表面的環(huán)形凸臺(tái)邊緣的大曲率增強(qiáng)了局部電場(chǎng)強(qiáng)度,從而驅(qū)動(dòng)電弧均勻地分散在環(huán)形凸臺(tái)上,對(duì)調(diào)節(jié)電弧陽(yáng)極的附著方式起著重要的作用.這種通過設(shè)計(jì)電極表面形貌,形成特定的電極表面電場(chǎng)位形,調(diào)控弧根的貼附方式,從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)擴(kuò)散型的電弧,對(duì)于調(diào)控大尺寸均勻電弧的產(chǎn)生非常有意義.

2.2 磁場(chǎng)調(diào)控

磁場(chǎng)是調(diào)節(jié)等離子體中帶電粒子運(yùn)動(dòng)行為的重要手段.在磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電弧等離子體中,通過外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的調(diào)節(jié),改變電弧弧柱的受力,可以控制電弧運(yùn)動(dòng)方向和速率,提高等離子體的均勻性[1].Harry等[104]通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)隨著軸向磁場(chǎng)的增強(qiáng),電弧旋轉(zhuǎn)速率持續(xù)增快,在較長(zhǎng)的時(shí)間尺度(0.15 ms)上顯示出等離子體均勻分布電弧室內(nèi).通過磁場(chǎng)調(diào)控電弧快速運(yùn)動(dòng),有助于電弧與冷氣流之間的熱交換,在適宜條件下,甚至?xí)淖冸娀』≈突「N附的狀態(tài)[88].夏維東等[105-110]采用高速CCD 攝像手段分別實(shí)時(shí)觀測(cè)電弧和弧根的演化過程,發(fā)現(xiàn)增大軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度,有助于電弧的擴(kuò)散和陽(yáng)極弧根轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散型,當(dāng)軸向磁場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí),在陽(yáng)極附近僅觀察到一根收縮的弧根,電弧顯現(xiàn)出較為穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu)形態(tài),隨著磁場(chǎng)的增大,電弧轉(zhuǎn)速增加,穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu)被破壞,旋轉(zhuǎn)速率的增大強(qiáng)化了電弧與冷氣體間的對(duì)流換熱,促進(jìn)了多個(gè)并聯(lián)電弧的形成,并進(jìn)而發(fā)展為充滿整個(gè)電弧室的均勻擴(kuò)散電弧.

在磁旋轉(zhuǎn)電弧發(fā)生器中,外加磁場(chǎng)不僅可以改變弧柱的動(dòng)態(tài)特征和陽(yáng)極弧根的貼附方式,而且可以促進(jìn)陰極弧根形態(tài)的轉(zhuǎn)變.磁場(chǎng)增強(qiáng),無(wú)論是收縮電弧還是擴(kuò)散電弧,其陰極斑點(diǎn)數(shù)量均有逐漸增多的趨勢(shì),并且陰極的端面也愈發(fā)顯得明亮,如圖18所示.這其中部分原因是由于外加磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力驅(qū)動(dòng)著電弧高速旋轉(zhuǎn),從而降低了陰極附近的氣壓,使得陰極弧根愈易貼附該負(fù)壓區(qū)域,造成陰極斑點(diǎn)數(shù)量的增多,并進(jìn)而演化為均勻分布于陰極邊緣的擴(kuò)散弧根[63,111].

圖18 不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下陰極斑點(diǎn)圖像[111]Fig.18 Cathodic spots images at different magnetic field[111]

2.3 氣體調(diào)控

流動(dòng)與傳熱是電弧等離子體技術(shù)在應(yīng)用中被關(guān)注的核心問題之一.氣體種類的不同、流動(dòng)狀態(tài)的差異直接影響著電弧等離子體的特性和被處理對(duì)象的作用效果.擴(kuò)散電弧是大尺寸均勻熱等離子體產(chǎn)生的一種理想方式,研究表明,電弧產(chǎn)生焦耳熱與等離子體向外傳遞的熱量關(guān)系對(duì)電弧擴(kuò)散起到關(guān)鍵作用,焦耳熱增量速率與熱傳導(dǎo)的比值越小,電弧擴(kuò)散越容易[63].因此等離子體工作氣體的物理性質(zhì)(熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率等)起到至關(guān)重要的作用,通過調(diào)節(jié)工作氣體種類和含量,可以有效調(diào)節(jié)電弧的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定擴(kuò)散電弧的產(chǎn)生,在各種氣體中,氦氣高熱導(dǎo)率和高電離能的典型物性特征,有助于形成擴(kuò)散型電弧.因此在氬-氦電弧放電中(圖19),可以清楚地看到,隨著氦氣比例的增大,電弧的擴(kuò)散性和穩(wěn)定性均得到了明顯的提升[63,112].

圖19 不同氬氣、氦氣體積流量比例下電弧的連續(xù)圖像[112]Fig.19 Successive images of arc plasma under different plasmaforming gases[112]

電弧的自磁壓縮是導(dǎo)致電弧收縮最主要的原因,Pan 等[113-114]認(rèn)為如果有一個(gè)大于自磁壓縮力的電弧膨脹力,就可以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散電弧的產(chǎn)生,并通過設(shè)計(jì)具有約束和擴(kuò)張結(jié)構(gòu)電弧通道結(jié)構(gòu),在陰極腔與下游環(huán)境之間產(chǎn)生較大的壓差,在快速膨脹的氣動(dòng)力作用下,實(shí)現(xiàn)了電弧的擴(kuò)散,如圖20 所示.

圖20 放電電弧圖像[114]Fig.20 Arc discharge image[114]

多電極電弧發(fā)生器中,可以方便地設(shè)置多氣流通道調(diào)節(jié)發(fā)生器內(nèi)的流場(chǎng),這有助于通過多股氣流的綜合作用調(diào)控等離子體位形和動(dòng)態(tài)行為.通過電極相對(duì)位置的排布,可以在電弧室內(nèi)形成對(duì)沖氣流和旋流.氣流作用下,不僅約束了每個(gè)電弧的行為,而且可以調(diào)節(jié)與其他電弧的相互作用.不同于對(duì)沖氣流,在旋流結(jié)構(gòu)的三陰極-三陽(yáng)極電弧發(fā)生器中,由于產(chǎn)生了切向氣流力分量,電弧室內(nèi)等離子體宏觀上表現(xiàn)為渦流向下的運(yùn)動(dòng)[31-32,34].需要引起注意的是,在多電弧體系中,弧柱與弧柱之間處于強(qiáng)耦合狀態(tài),電弧的行為是受到電磁力、氣體拖拽力、氣動(dòng)力和黏滯力等多種因素作用的綜合結(jié)果,這需要通過建立更加精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬計(jì)算,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)診斷才能更好地理解其中的物理過程.

3 大尺寸電弧等離子體應(yīng)用

工業(yè)應(yīng)用需求推動(dòng)了大尺寸電弧等離子體技術(shù)的發(fā)展,隨著該技術(shù)的進(jìn)步,促進(jìn)了其在原有領(lǐng)域的應(yīng)用升級(jí),并拓展了應(yīng)用范圍.目前大尺寸電弧等離子體在熱噴涂[115-118]、微納粉體材料制備[33,119-121]、固廢處理[13-14]和煤制乙炔[122-123]等方面均有很好的應(yīng)用,并取得了不同程度的進(jìn)展.

多陰極電弧發(fā)生器很好地解決了顆粒與等離子體高效混合問題,很快得到了商業(yè)化應(yīng)用,熱噴涂領(lǐng)域的國(guó)際知名公司瑞士SulzerMetco 和加拿大Mettech 分別開發(fā)了三陰極等離子體TriplexPro[115-116]和Axial III[73,118]噴涂系統(tǒng),相比較傳統(tǒng)的徑向送粉的等離子體噴涂系統(tǒng)而言,三陰極軸向送粉等離子體噴涂在高沉積速率、低孔隙率、較高涂層硬度和對(duì)顆粒粒度分布要求不高等方面體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì),已用于耐磨、耐腐蝕和耐高溫等涂層的制備(圖21),獲得了優(yōu)異的性能指標(biāo).

圖21 不同應(yīng)用領(lǐng)域的涂層[73,115-116]Fig.21 Coatings in different application fields[73,115-116]

在粉末冶金、化工、復(fù)合材料等領(lǐng)域,粉末的微觀形貌關(guān)系到其宏觀使用效果,由于球形粉體獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì),使其應(yīng)用越來(lái)越廣泛.熱等離子體球化技術(shù)是難熔金屬和陶瓷粉體球化的有效方法,其工藝工程與熱噴涂中等離子體對(duì)飛行顆粒作用的物理過程非常相似[34].不規(guī)則的固體顆粒注入到等離子體中,快速熔融成液滴,進(jìn)而冷卻使得表面能降低生成球形顆粒,大尺寸均勻熱等離子體有助于提高球化率和處理量,降低能耗.文獻(xiàn)[33]給出了三陰極-三陽(yáng)極電弧發(fā)生器處理SiO2粉體的應(yīng)用案例,結(jié)果表明,被處理后的粉體球化率達(dá)到了約95%,能量效率達(dá)到了12.77 g/(kW·h),實(shí)驗(yàn)還證實(shí)了電弧室內(nèi)高溫區(qū)域的大小直接影響球化處理能力.利用六陰極電弧發(fā)生器球化處理鎢粉也獲得了很好的效果[121],在輸入功率12 kW、進(jìn)料速率5 g/min 條件下,鎢粉球化率達(dá)到了95%,其流動(dòng)性和表觀密度分別為6.3 s/50 g 和10.6 g/cm3.

蒸發(fā)-冷凝法和等離子體合成法(前驅(qū)體注入等離子體中合成粉體材料)是熱等離子體制備納米粉體的兩種主要手段.夏維東等采用磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電弧產(chǎn)生大面積均勻等離子體技術(shù),解決了等離子體對(duì)物料快速均勻加熱問題,材料制備裝置如圖22 所示.所制備的石墨烯平面尺寸50～ 300 nm,層數(shù)2～ 5 層,表現(xiàn)出良好的晶體結(jié)構(gòu)和超大的比表面積,產(chǎn)品均勻性好;制備方法及設(shè)備簡(jiǎn)單,一步合成,無(wú)需還原,且無(wú)需基底、催化劑、溶液或酸,收率高(約14%),能耗低(約0.4 kW·h/g),成本低,突破了熱等離子體工藝或高能耗、或產(chǎn)品均勻性低和生產(chǎn)穩(wěn)定性不足的技術(shù)瓶頸,有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)[119-120].此外,通過改變反應(yīng)氣體種類和前驅(qū)體,很容易獲得高品質(zhì)的氮摻雜石墨烯和碳化硅納米顆粒[124].Watanabe 等[48]在十二相交流電弧發(fā)生器中,采用石墨電極蒸發(fā)法制備了粒徑20～ 40 nm 的多壁碳納米管.

圖22 石墨烯制備實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[119]Fig.22 Schematic diagram of the experimental apparatus[119]

在環(huán)境污染物治理應(yīng)用方面,降低設(shè)備成本、能耗和提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性是等離子體固廢處理技術(shù)走向?qū)嵱没膬蓚€(gè)關(guān)鍵因素之一,三相交流電弧等離子體在使用壽命、經(jīng)濟(jì)性,以及可以產(chǎn)生大尺寸熱等離子體方面體現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì),Rutberg等[13-14]采用三相交流電弧等離子體氣化處理塑料垃圾和木質(zhì)殘?jiān)?通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)每公斤塑料垃圾可產(chǎn)生3.62～ 3.48 m3的合成氣,其主要成分為氫氣和一氧化碳;含水率20%的木質(zhì)殘?jiān)?在消耗2.16 MJ 能量氣化處理后可產(chǎn)生13.5 MJ 化學(xué)能,這為有機(jī)垃圾的無(wú)害化和資源化處置方式提供了很好的解決方案.

利用熱等離子體裂解煤制乙炔的研究始于20世紀(jì)60 年代,我國(guó)也在20 世紀(jì)90 年代開始做了大量的基礎(chǔ)和工程試驗(yàn)研究[125-128],在國(guó)際上已處于領(lǐng)先地位,然而至今仍沒有真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),這與一些關(guān)鍵技術(shù)諸如大功率等離子體炬長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行、等離子體反應(yīng)器結(jié)焦等問題尚未完全解決有直接的關(guān)系.采用大尺寸電弧等離子體技術(shù)不僅可以提高等離子體與煤粉的混合效率,提高乙炔的收率,而且還有助于緩解反應(yīng)器結(jié)焦,已基本得到了很多研究學(xué)者的共識(shí)[122-123].基于等離子體裂解煤制乙炔過程具有清潔、高效和流程短等優(yōu)點(diǎn),是煤炭清潔高效利用的有效途徑,隨著大尺度電弧等離子體技術(shù)發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的突破,等離子體法制乙炔產(chǎn)業(yè)化能夠徹底實(shí)現(xiàn).

4 總結(jié)與展望

提供氣氛可控的高溫工藝環(huán)境是熱等離子體特有的能力,也是其在諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)所在,隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)和應(yīng)用的拓展,能夠滿足對(duì)物料快速均勻加熱的大尺寸電弧等離子體的技術(shù)需求越來(lái)越迫切.多相交流電弧、多電極直流電弧和磁驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電弧是基于電弧技術(shù)產(chǎn)生大面積熱等離子體的主要方式,由于產(chǎn)生的機(jī)制不同,表現(xiàn)出各具特征的等離子體時(shí)間-空間演變特性.

通過電場(chǎng)、磁場(chǎng)和氣體控制電弧動(dòng)態(tài)行為和空間位形,是調(diào)控獲得最佳等離子體性能參數(shù)的有效手段.外加磁場(chǎng)不僅可以改變電弧弧柱的動(dòng)態(tài)行為,而且有助于弧根貼附行為和電弧模式的轉(zhuǎn)變,提高電弧等離子體的均勻性.在多相交流電弧發(fā)生器和多電極直流發(fā)生器,通過改變電極結(jié)構(gòu)布置調(diào)整電場(chǎng),是調(diào)控等離子體空間位形非常有效和便捷的手段.此外,通過陽(yáng)極表面局部結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)弧根貼附區(qū)域的電場(chǎng),促進(jìn)弧根貼附向擴(kuò)散型轉(zhuǎn)變并增加電弧尺寸,這種微觀調(diào)節(jié)促進(jìn)宏觀等離子體特性的改變,對(duì)電弧等離子體的控制帶來(lái)了有益的啟示,是未來(lái)一段時(shí)間研究人員可以關(guān)注的重點(diǎn)方法.工作氣體的物理性質(zhì)是電弧擴(kuò)散的決定因素,氣流的作用力可以驅(qū)動(dòng)電弧的運(yùn)動(dòng),同時(shí)在氣動(dòng)力作用下也會(huì)影響電弧的內(nèi)在屬性.擴(kuò)散電弧等離子體是大尺寸均勻熱等離子體產(chǎn)生的理想方式,無(wú)論是磁驅(qū)動(dòng)還是氣流作用,易受到外界的擾動(dòng)而轉(zhuǎn)為收縮狀態(tài),通過建立模型量化電弧收縮-擴(kuò)散性,有助于針對(duì)性地提出精確調(diào)控手段,是未來(lái)研究擴(kuò)散電弧產(chǎn)生技術(shù)的重點(diǎn)方向.

工業(yè)生產(chǎn)對(duì)精細(xì)化程度越來(lái)越高,大尺寸電弧等離子體在提供電弧基本功能的基礎(chǔ)上,適應(yīng)了很多應(yīng)用領(lǐng)域期望對(duì)物料均勻快速加熱和化學(xué)反應(yīng)的技術(shù)需求,提高了制備產(chǎn)品性能的一致性和穩(wěn)定性,必然在表面處理、材料制備和能源化工等領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用.