大尺寸电弧等离子体的产生、控制及应用1)

马中洋 , 李淩豪 , 孙红梅 倪国华 ,

* (中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所,合肥 230031)

† (中国科学技术大学研究生院科学岛分院,合肥 230026)

引言

电弧作为产生热等离子体的一种常用方式,可以提供一般燃烧所不能达到的超高温工艺环境,且具有可调控氧化、还原和惰性气氛的优点,在工业和科研领域具有重要的应用价值[1-2].电弧等离子体技术在机械加工[3-4]、环保[5-6]、航天航空[7-8]和材料制备[9-11]等诸多领域,至今仍发挥着重要的作用,这些应用大多基于电弧能量集中所带来的高温、高焓的特性优势.然而,由于电弧的自收缩特性,导致的电弧温度梯度大、高温区体积小的显著特征,也制约了电弧等离子体在现有工业应用的升级和新领域应用的拓展.例如,采用径向送粉的电弧等离子体喷涂,由于高温区的狭小,颗粒很难完全进入射流高温区域,使得一部分颗粒得不到充分的加热,造成涂层缺陷的形成.因此,研究产生大面积均匀电弧等离子体,以满足其在热喷涂、微纳粉体制备和煤制乙炔等方面的工业化实际应用,受到了国内外研究学者的广泛关注.大尺寸电弧等离子体在实际应用中具有如下优势: (1) 扩大电弧等离子体高温区的体积,提高反应区温度场均匀性,使得颗粒群与等离子体混合后,飞行过程中物理化学行为状态(如熔融)一致性得到改善;(2) 可以实现轴向送粉,提高颗粒与等离子体的混合效率;(3) 分散电极贴附电流密度,有效提高电弧等离子体发生器使用寿命.这些优势使得大尺寸电弧等离子体技术显示出非常好的应用前景.

针对电弧尺寸小以及由此带来的诸多问题,结合实际的应用场景,国内外学者开发了形式各异的大尺寸电弧等离子体发生器,其产生方式和机制各不相同,相比较自由弧和传统直流电弧等离子体炬中的等离子体产生机制而言,涉及的科学和技术问题也更多更复杂,这也给相关研究提出了新的挑战.需要说明的是,文中所涉及的“大尺寸”并无严格意义几何尺寸大小的界限,仅表示相比较传统电弧弧柱而言,大尺寸电弧发生器或反应器中热等离子体径向尺寸的增大.此外,大气压非热电弧(如滑动弧)和真空电弧也不在本文讨论范围之内.本文从大尺寸电弧等离子体的产生方式、特性控制及其应用3 个方面总结大尺寸电弧等离子体的研究进展,分析了各种类型电弧等离子体发生器结构特征,产生大尺寸电弧等离子体的基本特性及其调控方法和应用现状,并对未来的研究做出展望.

1 大尺寸电弧等离子体的产生

作为产生等离子体的装置,电弧发生器一直是低温等离子体学科的重要研究课题.基于近年来材料科学、能源化工等领域对大尺度电弧等离子体的迫切需求,各种类型的大尺寸电弧等离子体发生器研制取得了较快的进展,国内外诸多研究机构,包括俄罗斯科学院电物理与电力研究所[12-15]、日本东京工业大学[16-19]、中国科学技术大学[20-25]、法国国立巴黎高等矿业学校[26-30]和中国科学院等离子体物理研究所[31-34]等,针对具体应用需求,开发了各具特性的大尺寸电弧等离子体发生器,按结构和电弧的驱动方式不同,可以分为多相交流电弧发生器、多电极直流电弧发生器和磁驱动旋转电弧发生器这3 种类型.

1.1 多相交流电弧发生器

在交流驱动的电弧等离子体中,多相交流电弧发生器由于结构简单,且对电源的要求较低,是一种简便易行的大尺寸电弧等离子体产生方式[35].一般采用多相交流电源驱动对应相数的电极,根据采用电源的相数,主要有三相、六相和十二相交流电弧发生器,相比较传统的直流电弧等离子体炬,这种交流电弧受到的约束小很多,通过电极间的交替放电,多个电弧叠加共存于放电腔内,从而形成较大面积电弧等离子体.由于这种电弧发生器各个电极放电电压和电流的交替变化,没有固定的阴极和阳极,因此电极的烧蚀较小,电极的使用寿命较长[32,34].但是由于电极上的电流会过零点,存在电弧熄灭和再次引燃的问题,因而等离子体的波动较大,电弧等离子体及其产生的高温区的均匀性和稳定性较差,最初应用在一些对性能要求不高的领域.

早在20 世纪70 年代,法国学者Bonet 等[36-37]开始了三相交流电弧等离子体技术研究工作,发现其在耐高温粉体材料熔融和球化等热处理方面展示出非常好的应用前景,激发了研究人员对该技术的兴趣,根据实际的应用场景,并基于电极材料、工作气体类型、电流强度和结构尺寸等特征,在三相交流电弧发生器研制方面做了大量的工作,加深了人们对三相交流电弧等离子体特性的理解.到目前为止,很多研究团队根据实际的应用需求,开发了多种类型的三相交流电弧发生器,不过它们的基本结构相似,3 个沿中心轴汇聚的电极和及其腔体构成三相电弧发生器的主体,如图1 所示.Rehmet 等[38-41]采用高速摄像实验观测结合理论计算,系统研究了三相交流电弧的动态行为,发现在某一个时刻,电弧只存在于电势差最大的两个电极间,并在3 个电极之间依次切换,电弧在电极之间的循环运动,增大了等离子体的空间尺寸,增强了弧柱与工作气体之间的热交换,有助于气体加热效率的提高.此外,研究表明增加电极间距和提高弧电流可以获得更大尺寸的电弧等离子体.需要引起注意的是,由于电极烧蚀引起的金属/碳蒸气射流向电极传递的焓有助于新弧的引燃,电极表面电场位形决定了金属/碳蒸汽射流的方向,因此电极表面形貌会对原有电弧的动态行为特征造成影响,增加其不稳定性.Rutberg 等[42-43]采用类似导轨式电极结构,如图2 所示,可以有效降低电极烧蚀的速率,并避免由于电极表面形貌变化带来的熄弧风险,这种电极结构有助于电弧在气动力的作用下,弧根在较大尺寸电极表面滑动,减缓电极的烧蚀,并且在逐渐扩张的电极间隔间形成大尺寸的电弧等离子体.他们还研制出了长通道形的三相交流电弧发生器,通过为每个电极设置独立的电弧通道,避免了弧柱间的再击穿问题,获得了直径不小于0.2 m 弧柱总长超过2.5 m 的大尺寸电弧等离子体,实现了高弧电压模式下大功率三相交流电弧的稳定运行[13].

图1 三相交流电弧发生器[41]Fig.1 Diagrams of 3-phase AC arc generator[41]

图2 导轨式电极结构三相交流电弧等离子体炬[43]Fig.2 Schematic of 3-phase arc plasma torch with rail electrodes[43]

由于三相交流放电在同一时刻电弧仅存在于其中两个电极之间,等离子体的均匀性差.为此,日本东京工业大学Watanabe 团队[44-48]相继开发了六相和十二相电弧发生器,如图3 所示,结果表明电源相数(对应电极数量)的增加不仅可以提高热等离子体的尺寸,而且还可以有效降低电弧等离子体波动,提高了热等离子体的稳定性.当电极数量由6 增加到12 时,电弧再击穿更加容易,电压波形的畸变变小,波动幅度降低.尽管电弧弧柱主要集中在边缘区域,但实验诊断表明反应器中心区域温度最高,这一特性非常适合飞行颗粒的热处理.

图3 十二相交流电弧等离子体炬示意图和电弧室俯视图[48-49]Fig.3 Diagrams of 12-phase arc plasma torch and top view of the arc chamber[48-49]

为了获得更长射流的电弧等离子体,清华大学李和平等[50-53]借鉴双射流直流电弧发生器的设计理念,结合多相交流电弧发生器的结构特点,通过调整电极与中心轴的角度,结合轴线冷气路的注入,在亚大气压条件下的六电极电弧发生器中产生了最大直径和长度分别可达14 cm 和60 cm 的射流等离子体(图4).

图4 六相交流电弧等离子体炬示意图和电弧等离子体射流照片[53]Fig.4 Images of 6-phase arc plasma torch and the plasma jet[53]

1.2 多电极直流电弧发生器

多电极直流电弧发生器通常采用多组直流输出或多个直流电源驱动多个电极,在电弧室内同时产生多个电弧,通过电弧与电弧的相互耦合,形成较均匀的大尺寸热等离子体.根据阴极和阳极相对数量,可分为多阴极-多阳极电弧发生器、多阴极-单阳极电弧发生器和单阴极-多阳极电弧发生器[32].

从已有文献看,英国学者 Harry 等[54-57]早在20世纪70 年代就研制出了多电极(六阴极-六阳极)直流电弧发生器,如图5 所示,采用六组独立输出的直流电驱动6 对共面布置的石墨电极,在直径120 mm的区域产生了大尺寸热等离子体,由于电弧之间的相互约束,多弧体系中每个电弧的稳定性均有所提高.但是,由于该装置没有考虑等离子体的流动问题,实用价值不高,这也导致了之后很多年很少有人涉足这个方向.相比较而言,通过具有相同或相似结构的阴极和阳极,产生类似于英文字符“V”形状电弧的V 型电弧发生器(图6),由于考虑了等离子体的流动,其弧柱部分或全部形成于发生器喷嘴管之外,并汇聚产生射流等离子体[58,60-63],实用性更强,不仅提高了可有效利用的电弧等离子体尺寸,而且发生器的热效率也得到了明显提升,在固废处理[60]、煤制乙炔[61]等对能耗要求较高应用领域受到了一定的关注.V 型电弧发生器的结构特征为更好地设计多电极直流电弧发生器提供了借鉴.

图5 六阴极-六阳极电极直流电弧发生器装置[58]Fig.5 The photograph of DC arc generator with twelve electrode[58]

图6 V 型电弧等离子体发生器及其放电示意图[59]Fig.6 The V-type arc plasma torch[59]

中科院等离子体所倪国华课题组[33-34]在结合上述六阴极-六阳极直流电弧发生器和V 型电弧发生器优点的基础上,研制了三阴极-三阳极直流电弧发生器,采用主动控制策略调控等离子体的流动,其结构如图7 所示,每个电极均外套陶瓷套用以独立控制单个电弧的流动,并且通过电极相对位置的变化,形成对冲和涡旋流动的热等离子体放电区,通过对电弧位形的有效调控,可以获得参数可控的大尺寸热等离子体.

图7 三阴极-三阳极直流电弧发生器装置[33]Fig.7 Illustration of DC arc plasma torch with six electrode[33]

传统等离子体喷涂由于颗粒流与等离子体射流方向垂直,存在着等离子体与颗粒混合效率低,影响涂层效果等问题.为了解决这一问题,Pfender 等[64-65]提出了可以实现轴向送粉的三阴极转移弧发生器,颗粒在轴向气流作用下,与三束自由弧等离子体混合熔融铺展在阳极被处理材料表面.然而,这种没有被约束的自由弧存在流动控制困难,并进而影响其与颗粒群的混合效率和一致性.德国慕尼黑联邦国防大学[66-67]开发了非转移弧三阴极电弧发生器Triplex,并且在阴极和阳极之间插入辅助中间极,如图8 左图所示,在提高弧长的同时,避免了大尺度分流,起到稳弧和稳定功率输出的作用,此外由于有阳极喷嘴的约束,等离子体的流动更易控制,有助于颗粒群与电弧的混合,提高颗粒的熔融效果,Triplex 在热喷涂中获得很好的应用效果,随后由SulzerMetco公司实现了商业产品的转化.Marantz 等[68-69]在每个阴极外侧增加对弧柱起到约束和引导作用的辅助阳极,提高了对每个电弧定向运动的调控,在机械压缩和气流压缩的共同作用下,提高了多弧系统下电弧等离子体的稳定性.加拿大西北Mettech 公司的Axial III (图8 右图)三电极轴向送粉等离子喷涂系统的等离子体炬在该技术方案的基础上,优化了辅助阳极的结构,利用辅助阳极通道强化了对电弧行为的约束,降低了弧柱与弧柱耦合后等离子体参数波动,从而提高了轴向飞行颗粒被处理后状态的一致性,在热喷涂领域获得了很好的商业应用[70-73].通过增加阴极的数量,显然可以提高放电区等离子体的面积,在六阴极电弧发生器中,六束阴极弧向阳极汇集流动,为扩散弧的形成创造了外部条件,在合适的参数条件下,获得了直径约40 mm 均匀的扩散电弧等离子体[74-76],扩散电弧有助于层流等离子体射流的产生,图9 展示了不同电弧电流下的等离子体射流图像,在300 A 弧电流下等离子体射流的长度可达60 cm 以上[77].

图8 三阴极电弧发生器示意图Fig.8 Diagrams of the three cathode arc generator

图9 不同电弧电流下等离子体射流图像[77]Fig.9 Variation of the plasma jet with different arc currents[77]

固定阳极弧根的贴附可以提高电弧的稳定性,降低等离子体射流的脉动,从这个考虑出发,慕尼黑联邦国防军大学 Schein 等[66-67]开发了一种三阳极电弧发生器DeltaGun,如图10 所示,3 个相互绝缘、尺寸相同的扇形结构阳极构成管状喷嘴,在阴极和阳极之间通过增加辅助中间极提高弧长.研究发现弧柱在靠近阳极区域分裂成的3 根弧柱,3 个被分割的阳极避免了阳极弧根的周向旋转运动,相比较传统直线型直流电弧等离子体炬,电弧的稳定性得到明显提升.

图10 DeltaGun 发生器示意图Fig.10 Schematic of the DeltaGun

在多弧体系中,轴向并行的多个电弧在电磁力和冷气流作用下,径向等离子体特性参数会形成比较典型的特征分布,形成一个低黏度、低压的中心区域,当颗粒注入时会产生笼蔽效应,如图11 所示,类似于几股电弧将颗粒裹挟着输运到下游,这是一个非常有益的现象,不仅提高了飞行颗粒与等离子体混合的混合效率,而且有助于避免颗粒向四周飞溅造成的喷嘴或反应器堵塞的问题,这一点对于涉及等离子体作用于颗粒群,诸如热喷涂、煤制乙炔和微纳粉体制备等应用中非常重要[34,67,78].

图11 笼蔽效应示意图[78]Fig.11 Schematic of the cage effect[78]

1.3 磁驱动旋转电弧发生器

通过外加磁场方式驱动电弧高速旋转产生的电弧等离子体,可以认为是一种在较长时间尺度上的大面积均匀等离子体[79].这种发生器通常由管式阳极(构成电弧室)和棒状阴极,以及阳极外侧的磁场线圈或永磁体组成,如图12 所示[63].在轴向磁场的作用下,电弧径向电流使得弧柱产生旋转,从而使得靠近阳极区等离子体产生离心流动,径向扩张.这种旋转电弧降低了弧根在电极固定位置的贴附时间,有助于对电极的保护,因而也常被用于大功率等离子体炬中作为减缓电极烧蚀的方法[80-83].电弧的快速旋转有助于对工作气体的均匀加热,提高传热效率.

外加磁场对径向电弧分量所产生的洛伦兹力、气动力和黏滞力等对电弧的共同作用,以及由于电弧运动导致的电场和自磁场的变化,导致磁驱动旋转电弧的动态行为非常复杂.假设电弧为刚体,利用电弧受洛伦兹力和气动阻力的平衡简化模型分析,表明电弧形状近似为螺旋状[84-86],Minoo 等[87]通过实验观测得到了类似的结果,如图13 展示了磁驱动旋转电弧所产生的螺旋位形结构的照片[88].一般情况下,这种旋转电弧并没有改变电弧的自收缩特性.但在一些特殊情况下,磁驱动旋转电弧也有可能会驱动电弧的“分裂”,产生多个放电通道共存的现象,Desaulniers 等[89]利用谱线强度波动信号对磁旋转电弧进行统计分析,得到了旋转电弧平均放电通道个数.在一定条件下,这种“分裂”电弧会发展成为完全扩散的电弧等离子体,均匀分布于80 mm 内径的电弧室内,如图14 所示.相比较收缩电弧,扩散弧的弧电压相对平稳,表明该种模式下电弧的波动小.高速旋转电弧加速了电弧与弧室冷气体的强对流换热,对分散弧柱并形成扩散电弧起到促进作用[86,90-94].

图13 螺旋位形结构电弧照片[88]Fig.13 Photos of the spiral arc[88]

图14 磁扩散等离子体图像[94]Fig.14 Images of diffuse arc plasma[94]

2 大尺寸电弧等离子体控制

在大尺寸电弧等离子体产生方式确定后,通过外部参数的调整实现对等离子体的控制,可以更好地满足实际应用的需要.这些调控方式主要包括: 电场调控、磁场调控和气体调控等.

2.1 电场调控

通过改变电场的大小和方向来控制等离子体中粒子行为和能量转化过程,是调控电弧等离子体流动与传热的有效手段[34].在多相交流电弧发生器和多电极直流电弧发生器中,可以通过电极间的相对位置,便捷地调节电场方向,从而实现对电弧位形、动态行为的调控.在三相交流电弧发生器中,Rehmet等[38,41]对比了三相交流电弧发生器中两种电极排布结构对电弧特性的影响,放电图像如图15 所示,在电极共面相对结构中,电弧被约束在电极间的区域,电极烧蚀喷射的蒸气离子流能够到达未燃弧电极,提高了新电弧通道的电导率,对引燃电弧起到了很好的辅助作用,这对于低频三相交流电弧的稳定连续运行非常重要.而在轴向平行电极结构中,电极烧蚀喷射的蒸气离子流沿着轴向向下,无法起到辅助引弧的作用,未燃弧电极的电弧重燃变得比较困难,电弧稳定性变差.

图15 三相交流电弧等离子体放电图像[38,41]Fig.15 Images of three-phase AC arc plasma discharge[38,41]

东京工业大学Watanabe 课题组[95-99]在研究十二相交流电弧放电特性时,发现通过电极与电源相位连接次序的变化,显著影响了交流多弧体系中电弧的行为,从而表现出不同的等离子体空间分布和波动特征.在CW 结构(电极按照电源相位顺序逆时针依次排列)中,电弧倾向于出现在存在最大电势差的相对电极之间.类似地,在FF 结构(按逆时针方向电极依次与电源奇数相位,然后与偶数相位顺序连接) 中,电弧放电主要发生在电场最强的两电极之间.采用数字图像处理技术,以图像灰度值分布近似表征放电区温度场,在直径60 mm 的中心放电区域,CW 结构的高温区占比面积大于FF 结构,而在整个100 mm 的放电区,FF 结构高温区占比面积要高于CW 结构的.图16 的结果表明,相比较CW 结构而言,FF 结构的高温区面积波动较小,表明FF 结构中电弧的波动相对较小.这表明在多电极结构电弧发生器中,利用电极的结构配置是调控放电行为和空间温度分布的一种有效手段.

图16 一个放电周期内的电弧存在区域[98]Fig.16 The arc existence area within one discharge cycle[98]

这种调控方式同样被用于六电极直流电弧发生器中,通过电源与电极连接次序的变化,可以构造邻位电极配置和对位电极配置的电弧发生器,结合电极之间相对位置的变化,即相对电极完全正对(气流对冲)结构和所有电极中轴线在电弧室中心区域形成内切圆(旋流)的结构,配置成了电极邻位(气流对冲或旋流)、电极对位(气流对冲或旋流) 4 种结构类型,如图17 所示.通过高速摄像可以观测到,放电区等离子体形态和电弧行为表现出各自独有的特征,表明通过电极布置调节电弧室内的电场分布,可以有效调控等离子体的位形[31].

图17 六电极直流电弧发生器的4 种电极结构和对应的放电照片[31]Fig.17 Schematic diagram of four electrode structures and corresponding discharge photos of a six-electrode DC arc generator[31]

阳极弧根的贴附形式会导致电弧形态的变化,已有研究表明,扩散型的弧根贴附状态,会形成“钟罩”状而非收缩状的电弧等离子体[100].王海兴等[101-103]在研究阳极凸起影响弧根贴附特性的基础上,巧妙地设计了具有环形凸台结构的阳极,通过对电极间电场分布的分析,发现由于阳极表面的环形凸台边缘的大曲率增强了局部电场强度,从而驱动电弧均匀地分散在环形凸台上,对调节电弧阳极的附着方式起着重要的作用.这种通过设计电极表面形貌,形成特定的电极表面电场位形,调控弧根的贴附方式,从而实现相对扩散型的电弧,对于调控大尺寸均匀电弧的产生非常有意义.

2.2 磁场调控

磁场是调节等离子体中带电粒子运动行为的重要手段.在磁驱动旋转电弧等离子体中,通过外加磁场强度的调节,改变电弧弧柱的受力,可以控制电弧运动方向和速率,提高等离子体的均匀性[1].Harry等[104]通过实验观测发现随着轴向磁场的增强,电弧旋转速率持续增快,在较长的时间尺度(0.15 ms)上显示出等离子体均匀分布电弧室内.通过磁场调控电弧快速运动,有助于电弧与冷气流之间的热交换,在适宜条件下,甚至会改变电弧弧柱和弧根贴附的状态[88].夏维东等[105-110]采用高速CCD 摄像手段分别实时观测电弧和弧根的演化过程,发现增大轴向磁场强度,有助于电弧的扩散和阳极弧根转变为扩散型,当轴向磁场强度较小时,在阳极附近仅观察到一根收缩的弧根,电弧显现出较为稳定的螺旋结构形态,随着磁场的增大,电弧转速增加,稳定的螺旋结构被破坏,旋转速率的增大强化了电弧与冷气体间的对流换热,促进了多个并联电弧的形成,并进而发展为充满整个电弧室的均匀扩散电弧.

在磁旋转电弧发生器中,外加磁场不仅可以改变弧柱的动态特征和阳极弧根的贴附方式,而且可以促进阴极弧根形态的转变.磁场增强,无论是收缩电弧还是扩散电弧,其阴极斑点数量均有逐渐增多的趋势,并且阴极的端面也愈发显得明亮,如图18所示.这其中部分原因是由于外加磁场产生的洛伦兹力驱动着电弧高速旋转,从而降低了阴极附近的气压,使得阴极弧根愈易贴附该负压区域,造成阴极斑点数量的增多,并进而演化为均匀分布于阴极边缘的扩散弧根[63,111].

图18 不同磁场强度下阴极斑点图像[111]Fig.18 Cathodic spots images at different magnetic field[111]

2.3 气体调控

流动与传热是电弧等离子体技术在应用中被关注的核心问题之一.气体种类的不同、流动状态的差异直接影响着电弧等离子体的特性和被处理对象的作用效果.扩散电弧是大尺寸均匀热等离子体产生的一种理想方式,研究表明,电弧产生焦耳热与等离子体向外传递的热量关系对电弧扩散起到关键作用,焦耳热增量速率与热传导的比值越小,电弧扩散越容易[63].因此等离子体工作气体的物理性质(热导率和电导率等)起到至关重要的作用,通过调节工作气体种类和含量,可以有效调节电弧的状态,实现稳定扩散电弧的产生,在各种气体中,氦气高热导率和高电离能的典型物性特征,有助于形成扩散型电弧.因此在氩-氦电弧放电中(图19),可以清楚地看到,随着氦气比例的增大,电弧的扩散性和稳定性均得到了明显的提升[63,112].

图19 不同氩气、氦气体积流量比例下电弧的连续图像[112]Fig.19 Successive images of arc plasma under different plasmaforming gases[112]

电弧的自磁压缩是导致电弧收缩最主要的原因,Pan 等[113-114]认为如果有一个大于自磁压缩力的电弧膨胀力,就可以实现扩散电弧的产生,并通过设计具有约束和扩张结构电弧通道结构,在阴极腔与下游环境之间产生较大的压差,在快速膨胀的气动力作用下,实现了电弧的扩散,如图20 所示.

图20 放电电弧图像[114]Fig.20 Arc discharge image[114]

多电极电弧发生器中,可以方便地设置多气流通道调节发生器内的流场,这有助于通过多股气流的综合作用调控等离子体位形和动态行为.通过电极相对位置的排布,可以在电弧室内形成对冲气流和旋流.气流作用下,不仅约束了每个电弧的行为,而且可以调节与其他电弧的相互作用.不同于对冲气流,在旋流结构的三阴极-三阳极电弧发生器中,由于产生了切向气流力分量,电弧室内等离子体宏观上表现为涡流向下的运动[31-32,34].需要引起注意的是,在多电弧体系中,弧柱与弧柱之间处于强耦合状态,电弧的行为是受到电磁力、气体拖拽力、气动力和黏滞力等多种因素作用的综合结果,这需要通过建立更加精确的数学模型进行模拟计算,并结合实验诊断才能更好地理解其中的物理过程.

3 大尺寸电弧等离子体应用

工业应用需求推动了大尺寸电弧等离子体技术的发展,随着该技术的进步,促进了其在原有领域的应用升级,并拓展了应用范围.目前大尺寸电弧等离子体在热喷涂[115-118]、微纳粉体材料制备[33,119-121]、固废处理[13-14]和煤制乙炔[122-123]等方面均有很好的应用,并取得了不同程度的进展.

多阴极电弧发生器很好地解决了颗粒与等离子体高效混合问题,很快得到了商业化应用,热喷涂领域的国际知名公司瑞士SulzerMetco 和加拿大Mettech 分别开发了三阴极等离子体TriplexPro[115-116]和Axial III[73,118]喷涂系统,相比较传统的径向送粉的等离子体喷涂系统而言,三阴极轴向送粉等离子体喷涂在高沉积速率、低孔隙率、较高涂层硬度和对颗粒粒度分布要求不高等方面体现出明显的优势,已用于耐磨、耐腐蚀和耐高温等涂层的制备(图21),获得了优异的性能指标.

图21 不同应用领域的涂层[73,115-116]Fig.21 Coatings in different application fields[73,115-116]

在粉末冶金、化工、复合材料等领域,粉末的微观形貌关系到其宏观使用效果,由于球形粉体独特的性能优势,使其应用越来越广泛.热等离子体球化技术是难熔金属和陶瓷粉体球化的有效方法,其工艺工程与热喷涂中等离子体对飞行颗粒作用的物理过程非常相似[34].不规则的固体颗粒注入到等离子体中,快速熔融成液滴,进而冷却使得表面能降低生成球形颗粒,大尺寸均匀热等离子体有助于提高球化率和处理量,降低能耗.文献[33]给出了三阴极-三阳极电弧发生器处理SiO2粉体的应用案例,结果表明,被处理后的粉体球化率达到了约95%,能量效率达到了12.77 g/(kW·h),实验还证实了电弧室内高温区域的大小直接影响球化处理能力.利用六阴极电弧发生器球化处理钨粉也获得了很好的效果[121],在输入功率12 kW、进料速率5 g/min 条件下,钨粉球化率达到了95%,其流动性和表观密度分别为6.3 s/50 g 和10.6 g/cm3.

蒸发-冷凝法和等离子体合成法(前驱体注入等离子体中合成粉体材料)是热等离子体制备纳米粉体的两种主要手段.夏维东等采用磁驱动旋转电弧产生大面积均匀等离子体技术,解决了等离子体对物料快速均匀加热问题,材料制备装置如图22 所示.所制备的石墨烯平面尺寸50～ 300 nm,层数2～ 5 层,表现出良好的晶体结构和超大的比表面积,产品均匀性好;制备方法及设备简单,一步合成,无需还原,且无需基底、催化剂、溶液或酸,收率高(约14%),能耗低(约0.4 kW·h/g),成本低,突破了热等离子体工艺或高能耗、或产品均匀性低和生产稳定性不足的技术瓶颈,有望实现大规模连续生产[119-120].此外,通过改变反应气体种类和前驱体,很容易获得高品质的氮掺杂石墨烯和碳化硅纳米颗粒[124].Watanabe 等[48]在十二相交流电弧发生器中,采用石墨电极蒸发法制备了粒径20～ 40 nm 的多壁碳纳米管.

图22 石墨烯制备实验装置示意图[119]Fig.22 Schematic diagram of the experimental apparatus[119]

在环境污染物治理应用方面,降低设备成本、能耗和提高设备运行的稳定性是等离子体固废处理技术走向实用化的两个关键因素之一,三相交流电弧等离子体在使用寿命、经济性,以及可以产生大尺寸热等离子体方面体现出了一定的优势,Rutberg等[13-14]采用三相交流电弧等离子体气化处理塑料垃圾和木质残渣,通过实验发现每公斤塑料垃圾可产生3.62～ 3.48 m3的合成气,其主要成分为氢气和一氧化碳;含水率20%的木质残渣,在消耗2.16 MJ 能量气化处理后可产生13.5 MJ 化学能,这为有机垃圾的无害化和资源化处置方式提供了很好的解决方案.

利用热等离子体裂解煤制乙炔的研究始于20世纪60 年代,我国也在20 世纪90 年代开始做了大量的基础和工程试验研究[125-128],在国际上已处于领先地位,然而至今仍没有真正实现工业化生产,这与一些关键技术诸如大功率等离子体炬长时间稳定运行、等离子体反应器结焦等问题尚未完全解决有直接的关系.采用大尺寸电弧等离子体技术不仅可以提高等离子体与煤粉的混合效率,提高乙炔的收率,而且还有助于缓解反应器结焦,已基本得到了很多研究学者的共识[122-123].基于等离子体裂解煤制乙炔过程具有清洁、高效和流程短等优点,是煤炭清洁高效利用的有效途径,随着大尺度电弧等离子体技术发展和相关技术的突破,等离子体法制乙炔产业化能够彻底实现.

4 总结与展望

提供气氛可控的高温工艺环境是热等离子体特有的能力,也是其在诸多领域广泛应用的基础和优势所在,随着产业升级和应用的拓展,能够满足对物料快速均匀加热的大尺寸电弧等离子体的技术需求越来越迫切.多相交流电弧、多电极直流电弧和磁驱动旋转电弧是基于电弧技术产生大面积热等离子体的主要方式,由于产生的机制不同,表现出各具特征的等离子体时间-空间演变特性.

通过电场、磁场和气体控制电弧动态行为和空间位形,是调控获得最佳等离子体性能参数的有效手段.外加磁场不仅可以改变电弧弧柱的动态行为,而且有助于弧根贴附行为和电弧模式的转变,提高电弧等离子体的均匀性.在多相交流电弧发生器和多电极直流发生器,通过改变电极结构布置调整电场,是调控等离子体空间位形非常有效和便捷的手段.此外,通过阳极表面局部结构调节弧根贴附区域的电场,促进弧根贴附向扩散型转变并增加电弧尺寸,这种微观调节促进宏观等离子体特性的改变,对电弧等离子体的控制带来了有益的启示,是未来一段时间研究人员可以关注的重点方法.工作气体的物理性质是电弧扩散的决定因素,气流的作用力可以驱动电弧的运动,同时在气动力作用下也会影响电弧的内在属性.扩散电弧等离子体是大尺寸均匀热等离子体产生的理想方式,无论是磁驱动还是气流作用,易受到外界的扰动而转为收缩状态,通过建立模型量化电弧收缩-扩散性,有助于针对性地提出精确调控手段,是未来研究扩散电弧产生技术的重点方向.

工业生产对精细化程度越来越高,大尺寸电弧等离子体在提供电弧基本功能的基础上,适应了很多应用领域期望对物料均匀快速加热和化学反应的技术需求,提高了制备产品性能的一致性和稳定性,必然在表面处理、材料制备和能源化工等领域发挥越来越重要的作用.