直流电弧等离子体发生器结构设计及其关键技术研究

曹修全，何润东，陈林

直流电弧等离子体发生器结构设计及其关键技术研究

曹修全，何润东，陈林

（四川轻化工大学 机械工程学院，四川 自贡 643000）

本文通过对国内外各类等离子体发生器的分析，结合在等离子体发生器设计领域的最新研究成果，首先对等离子体技术领域的相关基本概念进行了阐述与说明；然后基于相应研究成果，对直流电弧等离子体发生器设计过程中常见的三类关键技术：电弧产生、大尺度分流现象、双弧现象进行了概略性分析；接着基于直流电弧等离子体发生器的发展历程，分析了典型等离子体发生器结构；最后提出直流电弧等离子体发生器的发展趋势。

直流电弧等离子体发生器；电弧产生机理；大尺度分流；双弧现象

直流电弧等离子体射流具有热转换效率高、对工作环境要求低、温度高、运行成本低、适应性广等优异特性[1-2]，因而被广泛应用于危废处理[3-4]、工件表面处理（喷涂、淬火、熔敷等）[5-7]、粉末球化[8-9]、纳米材料合成[10-11]等领域。为适应各类应用场合对等离子体射流特性的特殊需求，国内外科研工作者研制出了各种类型与形式的等离子体发生器，并重点研究了等离子体发生器结构设计中的关键技术。

本文旨在分析直流电弧等离子体发生器（以下简称等离子体发生器）的典型结构设计及其关键技术。首先介绍等离子体技术领域相关基本概念，然后综述国内外学者对等离子体发生器设计中关键技术的研究，最后结合典型案例对等离子体发生器结构设计进行分析。

1 等离子体基本概念及其分类

1.1 等离子体基本概念

（1）等离子体

等离子体（Plasma）又被称为电浆，是物质除“固态、液态、气态”外存在的第四种形态，由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状混合物质。从宏观角度分析，因其正负离子总数相等，故其呈宏观电中性；从微观的角度分析，因其蕴含大量带负电的自由电子和带正电的离子，故具有导电性能。本文中指工作气体吸收直流电能的能量而失去电子后形成的由电子、离子、中子、工作气体分子等共同组成的气体状高温混合体。

（2）等离子体发生系统

等离子体发生系统如图1所示，主要由电源子系统、供气子系统、冷却子系统和等离子体发生器组成。电源子系统将380 V交流电转换为直流恒流电源，可根据等离子体发生器工作要求调整电流大小，且其通常集成自动引弧功能；供气子系统通常由气源和气体质量流量控制器组成，根据需要为等离子体发生器供给制定流量的工作气体；冷却子系统通常由工业冷水机及其管道构成，主要为电源子系统和等离子体发生器提供指定温度的冷却水，保障系统长时间运行。

（3）等离子体发生器

等离子体发生器是利用直流电能电离工作气体而产生等离子体射流的装置，其至少由阴极和阳极组成。

（4）等离子体电弧

等离子体电弧是指在直流电能的作用下，工作气体电离而在等离子体发生器内形成的供工作电流流过的通道，通常存在于等离子体发生器阴极与阳极之间。

（5）等离子体射流

等离子体射流是指在直流电能的作用下形成的等离子体从等离子体发生器阳极喷射而出形成的高温束流。

图1 等离子体发生系统示意图

1.2 等离子体发生器分类

按照不同的划分原则，直流电弧等离子体发生器可以被划分为不同的类型，通常主要有以下两种划分方式。

1.2.1 按电弧位置划分

（1）转移弧等离子体发生器，如图2（a）所示，在等离子体发生器工作时，工件被当做等离子体发生器的阳极，即等离子体电弧在等离子体发生器阴极和工件间产生；

（2）非转移弧等离子体发生器，如图2（b）所示，等离子体电弧只在等离子体发生器阴极与阳极之间产生而不依赖于工件本身；

（3）混合型等离子体发生器，如图2（c）所示，等离子体电弧既存在于等离子体发生器阴极与阳极之间，又存在于阴极与工件之间。

1.2.2 按等离子体射流形态划分

（1）湍流等离子体发生器，产生的湍流等离子体射流如图3（a）所示，其对空气卷吸严重，长径比小、工作噪声大、轴向温度梯度大；

（2）层流等离子体发生器，产生的层流等离子体射流如图3（b）所示，其对空气的卷吸小，具有长径比大（可超过50）、工作噪声较小、长度可超过500 mm、轴向温度梯度小等优异特性。

图2 不同等离子体发生器类型示意图

图3 等离子体射流形态图

2 等离子体发生器设计关键技术研究

2.1 引弧过程分析

引弧过程是等离子体电弧从无到有后逐渐稳定在阳极上而持续不断产生等离子体射流的过程，是等离子体发生器正常工作的先决条件。因只有阴极和阳极两个电极的等离子体发生器产生的等离子体电弧阳极弧根直接落在阳极上而不需要进行转移，而具有中间插入电极的分段式等离子体发生器产生的等离子体电弧阳极弧根则需要从一个电极上逐渐转移到阳极上，因此分段式等离子体发生器的引弧过程更为复杂与困难。

在该方面，Solonenko O P et al[8]和Ghorui S et al[12]等先后对分段式等离子体发生器产生等离子体电弧的过程和原理进行了探索性的研究，但未对其开展进一步的研究工作。曹修全等[13]借助图4所示模型，将等离子体电弧产生过程划分为引弧阶段、转弧阶段和稳弧阶段，并将各阶段对应的物理结构转化为电学模型，对其产生过程及原理开展较为深入的研究，并通过实验对对应模型进行了验证，最终得出结构设计要点：阴极与引弧电极间的距离建议保证在2～3 mm，且当引弧电极与阳极间的距离超过100 mm时应考虑增加第二引弧电极。针对曹修全等的研究，等离子体电弧产生各阶段简要分析如下。

（1）引弧阶段：即原始电弧的产生阶段，在引弧模块供给的高频高压作用下，阴极与引弧电极之间的工作气体被击穿，形成电流通路（即原始电弧），此后电源供给电流维持原始电弧。

（2）转弧阶段：原始电弧产生后，因其产生的等离子体通路与阳极之间形成电势差，在该电势差的作用下，等离子体通路与阳极之间的工作气体在某一时刻被击穿，进而形成了阴极与阳极之间的电流通路（即主电弧），此时开关S断开，原始电弧消失，保证所有电流通过主电弧通路，阳极弧根从引弧电极转移到阳极上。

（3）稳弧阶段：阳极弧根转移到阳极后，在气动力、电磁力等的综合作用下，主电弧阳极弧根稳定在阳极某一范围内。至此，等离子体发生器引弧过程顺利完成。

图4 等离子体发生器引弧原理图

2.2 大尺度分流现象

当等离子体发生器阳极轴向长度超过某一值时，影响电弧稳定性最普遍的电特征便是分流现象，其简化模型如图5所示。通常存在三种分流现象：电弧与阳极内表面的大尺度分流和小尺度分流、电弧之间的分流。这三种分流现象是影响等离子体射流波动和决定阳极烧蚀速率与范围的主要因素，而大尺度分流现象其主导作用。

图5 两极式等离子体发生器中的分流模型

为了抑制大尺度分流现象，ZhuKov M F et al[14]和曹修全等[15]基于图6所示的模型较为深入地剖析了大尺度分流产生机理，并提出抑制大尺度分流现象的措施。

为简化分析过程，假设：①电场强度为常数；②阴阳极区电压降为0；③以阴极端点为轴零点。

基于上述假设，如图6所示，假定在某一时刻，等离子体电弧占据图中位置。此时，电弧沿着轴的电势分布如曲线1所示。同时，电弧与阳极壁发生击穿所需的电势U(z)沿着轴方向分布如曲线3所示。此时，曲线1始终处于曲线3的下方，电弧与阳极壁之间的电势差无法小于击穿电压，不会发生击穿现象。

在气动力和电磁力的综合作用下，阳极弧根沿着轴运动，在接下来的某一时刻，电弧占据了位置。此时，电弧沿着轴的电势分布如曲线2所示，与击穿曲线3存在共同点。因此，当电弧占据此位置时满足电弧击穿条件，电弧与阳极壁面发生击穿并产生新的电弧通道，电弧沿着轴方向的电势分布曲线4所示。随着新的电弧通道的产生，原始电弧通道逐渐消失。随后在气动力和电磁力的作用下，新电弧段继续沿着轴运动，大尺度分流过程开始循环。

通过对大尺度分流现象的研究，相关研究人员提出了以下抑制大尺度分流现象的措施：

（1）增大电弧与阳极壁面的击穿电压，使击穿电压分布曲线上移：增大工作气体流量或阳极内径、优化阳极冷等措施却可在一定程度上增加电弧与阳极壁面间的冷气层厚度，从而适当增大其击穿电压。

图6 大尺度分流模型示意图

（2）限制阳极弧根在轴的最大运动范围，使电弧沿轴线的电势分布曲线始终不满足击穿条件：采用台阶式阳极结构，基于空气动力学原理将阳极弧根稳定远离阴极的台阶上。

（3）限制阳极壁面在轴方向的带电长度，缩小击穿电压分布曲线作用范围，并在其作用范围内不满足击穿条件：限制阳极的轴向尺寸而通过在阴极与阳极之间增加不带电的中间电极达到延长电弧的目的，即采用分段式等离子体发生器结构。

2.3 双弧现象

在分段式等离子体发生器结构中，当较大轴向尺寸的中间电极工作于较小气流量时，通常发生快速烧蚀的现象，即产生了双弧现象。为此，曹修全等[16]基于以下假设和模型对双弧现象产生过程进行了分析，并提出相应的抑制措施。

假设：①分段式等离子体发生器共有段中间电极，第段中间电极的轴向宽度对应为l，第段绝缘层的轴向厚度为l，电弧在阳极段对应的长度为l；②电弧在段中间电极上发生双弧现象，且阳极压降均为V，阴极压降均为c，等离子体电弧电场强度为。

当分段式等离子体发生器不发生双弧现象时的模型如图7所示，电弧只在阴极与阳极之间稳定运行，此时等离子体电弧弧压为：

假定在某种情况下，等离子体电弧在某一中间电极对应区域的电势差达到击穿电压值且产生击穿，即产生双弧现象，简化模型如图8所示。此时等离子体电弧弧压为：

图7 分段式等离子体发生器不发生双弧现象示意图

图8 分段式等离子体发生器发生双弧现象时示意图

由最小电压原理，则不产生双弧现象的条件为：

合并同类项后得不产生双弧现象的充分条件为：

基于上述分析，可通过以下措施抑制双弧现象的产生：

（1）增加冷气膜击穿电压U：①优化PT冷却通道，改善其对弧室壁的冷却效果；②增大工作气体流量，从而增强对电弧的压缩作用；③增大电弧通道内径，从而增加电弧与弧室壁的间距。

（2）任意中间电极的轴向尺寸均满足：

3 等离子体发生器结构设计

如前所述，湍流等离子体发生器是利用直流电流电离工作气体而形成湍流等离子体射流的装置。早在1808年，Davy和Ritter等第一次在两个碳电极之间引燃了等离子体电弧，形成了如图9所示的最早的等离子体发生器[17]。该类等离子体发生器仅是在两根碳棒之间产生电弧形成等离子体，不太适合工业化应用。

为了有效利用等离子体发生器产生的等离子体射流，经过几十年的发展，优化出如图10所示的等离子体发生器。该类等离子体由一个棒状阴极和一个圆柱状阳极两个电极及其他辅件组成，因此也被称为两极式等离子体发生器。Sulzer Metco公司Anthony等[18]、Thermal Dynamics Corporation公司Joseph等[19]及国内外不少学者均已研制出该类型等离子体发生器，并已成功将其商业化应用。

然而，由于该类型等离子体发生器本身结构特点所限，存在以下有待改进之处：

（1）射流稳定性较差。其阳极一般较长，容易导致阳极段内的电弧与阳极内壁产生较大的电势差，击穿冷气层，产生大尺度分流现象，引起等离子体射流的脉动。

图9 原始湍流等离子体发生器示意图

1.阴极2.阳极3.电弧

（2）电极烧蚀较严重。该类型等离子体发生器主要部件只有阴极和阳极，其阴阳极间距离小，在大尺度分流作用的限制下，电弧长度短，导致电弧弧压较低，一般低于70 V。因此，为了获得更大功率以满足应用需要，只能采取增加电流的方式（一般工作电流为400～1000 A），而电流的增加必然增大弧根电流密度，从而加剧电极的烧蚀。

（3）应用于喷涂时粉末注入难。在进行粉末处理（如喷涂、球化等）时，由于该类型等离子体发生器产生的等离子体射流速度较大，粉末难以注入射流中心。

为优化上述两极式等离子体发生器结构，Zhukou等[14]、Sokobebko等[20]及王雨勃等[21]将圆柱状阳极优化为如图11所示的台阶式阳极，充分利用空气动力学等因素，将阳极弧根限制在台阶处。经优化后，该类等离子体发生器既适当延长了等离子体电弧长度，又限制了阳极弧根的运动范围，一定程度地提高了等离子体射流的稳定性。

然而，台阶式等离子体发生器延长电弧的长度有限，只能适当增大等离子体发生器工作弧压，当需要产生大功率等离子体射流时仍然需要较大工作电流，且未对两极式等离子体发生器其他缺陷予以改善。

1.阴极2.阳极3.电弧

为了解决两极式等离子体发生器存在的不足之处，学者们从两方面着手研制出新型等离子体发生器结构，即多极式等离子体发生器。

（1）Felix[22]、SMarqués[23]、Schein[24]、严建华[25]等提出了多阴极或多阳极式等离子体发生器结构，其中多阴极式等离子体发生器结构如图12所示。该类结构形式采用多个阴极或阳极同时工作的方式代替单个电极的工作方式，以在相同功率条件下，成倍降低了单个电极弧根的电流密度，从而减缓电极的烧蚀速率。

1.阴极2.阳极3.电弧

（2）Ghorui[12]、Tyuftyaev[26]、李裔红[27]等提出如图13所示的分段式等离子体发生器结构，即在阴极和阳极之间增加多个中间电极，延长等离子体电弧物理通道以提高等离子体电弧弧压，从而在相同功率下降低等离子体发生器工作电流，延长电极使用寿命。

多极式等离子体发生器结构形式不仅解决了两极式等离子体发生器电极烧蚀严重问题，还有利于扼制大尺度分流现象的产生，从而提高等离子体射流稳定性。然而，大多数多极式等离子体发生器仍存在以下有待改进之处：

（1）为了以较少的中间电极数量获得较大的工作弧压，中间电极轴向尺寸往往较长，这极易引起导致双弧现象的产生，造成中间电极的烧蚀和等离子体射流的波动；

1.阴极2.中间电极3.电弧4.阳极

（2）为避免双弧现象的产生，工作于大气流量下，从而产生的等离子体射流往往具有射流长径比小、对空气的卷吸严重、工作噪声大等缺点。

为了进一步优化等离子体发生器的结构，Solonenko[20,28]、Osaki[29]、潘文霞[30-31]以及余德平[15, 32]等基于分段式等离子体发生器结构提出了如图14所示的层流等离子体发生器结构形式。该类型等离子体发生器结构严格限制中间电极的轴向尺寸，通过增加中间电极的数量以延长等离子体电弧通道，从而有效避免其产生双弧现象。

虽然国内外部分科研单位已研制出层流等离子体发生器结构，但仍存在诸多有待进一步优化完善的地方，尤其在大功率层流等离子体发生器结构设计方面，还有诸多工作亟待完成。

综合上述分析，在国内外学者们的共同努力下，等离子体发生器结构设计经过近几十年的发展，正在逐步走向完善。然而，层流等离子体发生器结构设计方面的研究工作还停留于实验室研究阶段，还没有形成较为系统的结构设计基础理论。

4 展望与结论

湍流等离子体发生器结构设计正在逐渐趋于成熟，各式各样的湍流等离子体发生器已经被成功商业化应用，但层流等离子体技术尚处于实验室研究阶段，因此等离子体技术将往以下几方面发展：

（1）大功率等离子体发生器的研制。目前湍流等离子体发生器功率主要集中在几千瓦到几百千瓦的范围，仅有少数单位研制出兆瓦级等离子体发生器，但目前仍存诸如电极烧蚀等问题；层流等离子体发生器功率则更集中于几千瓦到几十千瓦，因此大功率等离子体发生器的研制必然是未来的发展趋势。

（2）等离子体射流稳定性研究。湍流等离子体射流因自身特点所限，稳定性相对较差，而层流等离子体射流虽一定程度上提高了其稳定性，但仍无法满足高精密加工应用场合的精确控制需求，因此应注重等离子体射流稳定性的研究工作，促进层流等离子体射流的工业化应用。

1.阴极2.中间电极3电弧. 4.阳极

（3）等离子体射流产生机理研究。国内外学者在湍流等离子体射流的产生机理方面开展了较多的研究工作，而对层流等离子体射流的产生机理研究还有待进一步深入。在未来的研究中，应注重结合等离子体物理、电磁学理论、空气动力学理论、流体力学理论等多学科交叉，借助于COMOSOL、ANSYS等仿真软件，辅助于实验，深入探索层流等离子体射流产生的内在机理。

本文对等离子体技术领域的相关基本概念进行了阐述与说明，综述了直流电弧等离子体发生器设计过程中常见的三类关键技术：电弧产生、大尺度分流现象、双弧现象，分析了各类典型等离子体发生器结构，展望了直流电弧等离子体发生器结构设计的发展趋势。旨在为初入直流电弧等离子体技术领域的学者提供一定的参考基础，指导其完成直流电弧等离子体发生器原型机的设计。

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Study on the Design and Key Technologies of DC Plasma Torches

CAO Xiuquan，HE Rundong，CHEN Lin

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong643000, China )

All kinds of plasma torches at home and abroad have been analyzed and the latest research achievements in the field of plasma torch design have been discussed. Firstly, some basic concepts about plasma technology have been discussed and explained firstly. Then, based on the previous researches, some key design technology of DC plasma torch, including generation mechanism of DC plasma arc, large scale shunting phenomenon and double arc phenomenon, were introduced. Sequently, based on the development history, the typical DC plasma torches have been analyzed to get some design suggestions. Lastly, the develop tendency of DC plasma torch would be discussed.

DC plasma torch；generation mechanism of plasma arc；large scale shunting phenomenon；double arc phenomenon

O536

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.05.008

1006－0316 (2020) 05－0045－09

2019－12－05

四川理工学院“2017年第二批人才引进项目”（2017RCL37）；自贡市科技局重点支撑项目（2018YYJC13）；过程装备与控制工程四川省高校重点实验室项目（GK201802）

曹修全（1989－），男，重庆人，博士，主要研究方向为先进制造装备设计、CAD/CAE、等离子体技术与应用研究，E-mail：cao_comeon@126.com。