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電弧等離子體的分類及其特點(diǎn)

更新時(shí)間:2019-12-04      點(diǎn)擊次數(shù):2407

電弧等離子體是氣體放電形成的,分為自由弧與壓縮弧。

 

1.自由弧

定義:當(dāng)陰極和陽極間的氣體放電不受外界附加因素的約束和影響(如器壁、 氣流、 磁場等) 而形成的電弧稱自由電弧, 也稱普通電弧。 開關(guān)電弧、 焊弧、 電爐電弧都是屬于自由電弧,它們?cè)缇捅粦?yīng)用于照明、 電焊、 冶煉等各個(gè)方面。

 

自由電弧的原理:自由電弧的原理如圖所示。 在兩電極上加上直流電壓后, 在電極間就存在著電場。 經(jīng)過點(diǎn)火(接觸點(diǎn)火或高頻點(diǎn)火)后, 電極間隙中的自由電子在電場中被加速, 以很高的速度撞擊中性的分子和原子, 從而使氣體電離以產(chǎn)生多的自由電子, 再去電離多的中性粒子, 這就產(chǎn)生了通常所說的電子雪崩現(xiàn)象。 與此同時(shí),飛向陰極的正離子撞擊陰極,使陰極加熱,不斷發(fā)射出電子流,從而使電極間隙中形成了電流通路, 產(chǎn)生光和熱。 這種在氣體中自由燃燒的電弧就稱之謂自由弧。


 

 

自由弧的特點(diǎn):

1)設(shè)備簡單使用方便

2)弧柱粗, 分散, 溫度較低,5000°K~8000° K, 如用來切割金屬, 還存在吹力差的弱點(diǎn)

 (3) 弧穩(wěn)定性差, 影響工藝質(zhì)量;

 (4)弧電壓低。

 

2.壓縮電弧

當(dāng)陰極和陽極間氣體放電形成的電弧受到外界氣流、 器壁或者外磁場的壓縮, 使弧柱變細(xì)、弧溫高, 能量高度集中的弧稱壓縮電弧。一般常稱的電弧等離子體指的就是壓縮電弧。根據(jù)外界壓縮的條件不同, 壓縮電弧可分成下面四種:

(1)氣壓縮弧(也稱氣穩(wěn)弧)從陰極周圍引入外界冷氣流(見圖3l),它必然使電弧 周圍和電弧本身受到冷卻, 在電弧和壁面之間形成一層低溫絕緣的冷氣膜, 其中不能通過電流, 等離子電弧只能被迫通過中心一個(gè)很窄小的通道一這就意味著電流受到冷氣流的壓縮, 弧柱直徑變小了。 電弧受冷卻而被壓縮的現(xiàn)象通常稱之謂熱力壓縮現(xiàn)象(或效應(yīng))。

(2)壁壓縮弧(也稱壁穩(wěn)弧)在電弧等離子體的噴槍設(shè)備中常裝有陽極噴咀, 特別是當(dāng)噴咀直徑較小, 氣流黛小時(shí), 壁壓縮起主要作用。 因噴咀是強(qiáng)烈水冷的, 因此壁面附近的 氣體必然同時(shí)受到冷卻而形成冷氣膜, 從而迫使等離子弧向中心壓縮, 使電弧截面變細(xì)。 圖所示為作電弧加熱器用的壁壓縮弧。通過容器鑒面或噴咀對(duì)電弧進(jìn)行壓縮,通常稱之稱機(jī)械壓縮。實(shí)際上壁壓縮或機(jī)械壓縮,本質(zhì)上仍然是通過冷卻電弧即通過熱力壓縮來實(shí)現(xiàn)的。


 

 

(3)磁壓縮弧(也稱碰穩(wěn)弧)弧柱在外加磁場的作用下(常指非轉(zhuǎn)移弧的情況),由于電磁力作用將產(chǎn)生圍繞噴槍軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),電弧受力方向由左手定則來確定。電弧的旋轉(zhuǎn)意味著與周圍氣體產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng),等于受到了氣流冷卻,因此磁旋就對(duì)電弧起壓縮作用。電弧旋轉(zhuǎn)愈快,對(duì)電弧的冷卻愈厲害,對(duì)電弧的壓縮也就愈強(qiáng)烈。這里也可看到磁壓縮歸根到底也是通過熱力壓縮而實(shí)現(xiàn)的。

(4)水壓縮弧(也稱水穩(wěn)弧)水切向進(jìn)入水穩(wěn)室在室內(nèi)旋轉(zhuǎn),中間形成渦旋。電弧被迫只能從水渦旋中心通過(見圖),水渦旋表面受電弧加熱而蒸發(fā),而電弧本身則受到水渦旋的冷卻而被壓縮。


 

上面簡述了四種壓縮弧的類型,實(shí)際上工業(yè)應(yīng)用中的等離子發(fā)生器中各種壓縮方式常常是同時(shí)存在的, 在不同的條件下, 各種壓縮方式起作用的程度不同而已。

壓縮弧就其電弧的組成、電極和弧柱過程來說與自由弧沒有本質(zhì)的差別,但由電弧受強(qiáng)烈壓縮后,將賦壓縮弧一系列特點(diǎn),正由此,使壓縮弧即等離子電弧在各工業(yè)部門中獲得了比自由電弧廣泛得多的技術(shù)應(yīng)用。

壓縮弧的特點(diǎn)為,

1. 溫度高、能高度集中。 由壓縮弧的電流密度比自由弧高得多, 以致造成高溫和能集中。氧乙焰中心溫度只3000°K左右, 電焊電弧中心溫度5000~ 6000° K, 即使高強(qiáng)度碳弧中心溫度也只1oooo°K~2oooo°K,而壓縮弧的中心溫度zui高可達(dá)30000~50000°K, 另外壓縮弧弧柱截面細(xì)后, 能就能高度集中。

2.氣氛、剛度、參數(shù)、可控性好。根據(jù)不同工藝的需要,只要變換工作氣種類,就可以得到氧化、中性或還原性的氣氛。不同工藝要求弧的剛度不同的電弧,我們可以改變噴咀尺寸,調(diào)節(jié)電參數(shù)、氣流量等得到不同剛性的電弧。由于壓縮弧的可調(diào)參數(shù)很多,因此可以在很廣的弧參數(shù)范圍內(nèi)穩(wěn)定工作以滿足名種等離子工藝的要求,這是自由弧所不能做到的的

3.穩(wěn)定性好。壓縮弧要比自由電弧穩(wěn)定得多。因?yàn)殡娀∈軌嚎s后溫度增加,溫度梯度大,再加上強(qiáng)烈的磁抽吸現(xiàn)象,電弧中氣流具有很高的速度,所以電弧的位置、形狀、和弧參數(shù)都比較穩(wěn)定而不易受外界因素的千擾,這對(duì)于提高各種等離子加工工藝的質(zhì)量有著重要意義。

4.壓縮弧的弧電壓高。由于電弧受壓縮后,弧壓增高,這就為大幅度提高等離子發(fā)生器的弧功率提供了可能性,從而擴(kuò)大了等離子工藝在工業(yè)中的應(yīng)用范圍。

 5.壓縮弧對(duì)陽極工件的傳熱率高。

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