一种用于等离子体火炬的阳极及等离子体火炬的制作方法

本申请涉及等离子体火炬领域，尤其涉及一种用于等离子体火炬的阳极及等离子体火炬。

背景技术：

等离子体火炬：又叫等离子发生器或等离子体加热系统。等离子体火炬通过电弧来产生高温，可在氧化、还原或惰性气体环境下工作，可以为气化、裂解、反应、熔融和冶金等功能的工业炉提供热源。

相关技术中，工业化应用的多为以惰性气体或空气为气体工质的等离子体火炬，以水蒸气为气体工质的等离子体火炬的焓值更高，更加环保，存在独特的技术优势。但普遍存在以下问题：由于等离子弧的烧蚀及高温水蒸气的腐蚀，阳极和阴极的寿命普遍较短，50kw的等离子体火炬在水蒸气介质中一般在50-100小时。这方面的缺陷导致以水蒸气为气体工质的等离子体火炬的应用受限。

技术实现要素：

本申请提供一种用于等离子体火炬的阳极及等离子体火炬，能够延长电极的寿命。

第一方面，本申请的实施例提供了一种用于等离子体火炬的阳极，阳极包括主体，主体具有电弧通道，电弧通道配置成供等离子体火炬的电弧流过，电弧通道包括沿电弧的流向依次布置的第一流段、第二流段、第三流段和第四流段，其中，第一流段的内壁面为沿电弧的流向逐渐收缩的圆锥面，第二流段和第三流段的内壁面均分别为圆柱面，且第二流段的内径小于第三流段的内径，第四流段的内壁面为沿电弧的流向逐渐扩张的圆锥面。

在其中一些实施例中，第二流段的长度小于第三流段的长度。

在其中一些实施例中，第二流段与第三流段的内径比为2-40:4-80。第一流段、第二流段、第三流段和第四流段的长度比为20-200:5-80:20-200:1-10。

在其中一些实施例中，主体具有沿电弧的流向布置的进口端和出口端，进口端处和出口端处分别具有沿电弧通道的径向凸出的第一凸起和第二凸起，第一凸起和第二凸起均分别环绕电弧通道的轴线，且均分别用于与套置于主体的外部的阳极水冷套密封连接。

在其中一些实施例中，第一凸起的端面具有容置凹槽，容置凹槽环绕电弧通道的轴线，容置凹槽用于容置密封圈，使得第一凸起经密封圈与阳极水冷套密封连接。容置凹槽的数量为至少两个，各容置凹槽沿电弧通道的轴向布置。

第二方面，本申请的实施例提供了一种等离子体火炬，等离子体火炬包括上述任一实施例中的阳极和阴极。阴极包括基座，基座的第一端具有金属芯，金属芯陷于基座中，第一端置于阳极的第一流段中，金属芯的轴线与第一流段的轴线重合。

在其中一些实施例中，金属芯的外径小于第二流段的内径。

在其中一些实施例中，金属芯的外径和第二流段的内径的比值为2-10:2-40。

在其中一些实施例中，第一端处的外壁面与第一流段的内壁面的距离为0.5-2mm。

在其中一些实施例中，基座具有螺纹，螺纹位于容置卡槽靠近第二端的一侧，使得基座可螺纹安装。

根据本申请的实施例提供的一种用于等离子体火炬的阳极，阳极包括主体，主体具有电弧通道，电弧通道配置成供等离子体火炬的电弧流过，电弧通道包括沿电弧的流向依次布置的第一流段、第二流段、第三流段和第四流段，其中，第一流段的内壁面为沿电弧的流向逐渐收缩的圆锥面，第二流段和第三流段的内壁面均分别为圆柱面，且第二流段的内径小于第三流段的内径，第四流段的内壁面为沿电弧的流向逐渐扩张的圆锥面。通过设置第二流段并使第二流段的内径小于第三流段的内径，使得电弧的压缩效果更佳，电弧更加集中，从而减轻了电弧对阳极的内壁的烧蚀，延长了阳极的寿命，进而延长了等离子体火炬的寿命，降低了运行成本，为等离子体火炬开辟新的应用提供了可能性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例中阳极的结构示意图；

图2为本申请实施例中阴极的结构示意图；

图3为本申请实施例中阳极和阴极配合后的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

参阅图1，本申请的实施例提供了一种用于等离子体火炬的阳极10，其中，等离子体火炬可以以水蒸气为气体工质，也可以以惰性气体、空气为气体工质。

阳极10可以由紫铜或铜合金制成，也可以由银制成。阳极10包括主体100，主体100为筒状结构。主体100的中部具有电弧通道110，电弧通道110供等离子体火炬的电弧流过。电弧通道110包括沿电弧的流向依次布置的第一流段111、第二流段112、第三流段113和第四流段114。其中，第一流段111的内壁面为沿电弧的流向逐渐收缩的圆锥面，第二流段112和第三流段113的内壁面均分别为圆柱面，且第二流段112的内径小于第三流段113的内径，第四流段114的内壁面为沿电弧的流向逐渐扩张的圆锥面。

通过设置第二流段112并使第二流段112的内径小于第三流段113的内径，使得电弧的压缩效果更佳，电弧更加集中，从而减轻了电弧对阳极10的内壁的烧蚀，延长了阳极10的寿命，进而延长了等离子体火炬的寿命，降低了运行成本，为等离子体火炬开辟新的应用提供了可能性。

可选地，第二流段112和第三流段113的内径比可以为1:1-1:3。通过上述设置，有效控制了等离子弧在阴极20的表面、阳极10的内壁的动态分布及阳极10内部的温度场。

第二流段112的长度可以小于第三流段113的长度，从而减轻了电弧对阳极10的内壁的烧蚀，延长了阳极10的寿命。为进一步延长了电极的寿命，第二流段112和第三流段113的内径比可以为2-40:4-80。通过上述设置，有效控制了等离子弧在阴极20的表面、阳极10的内壁的动态分布及阳极10内部的温度场。

第一流段111、第二流段112、第三流段113和第四流段114的长度比可以为20-200:5-80:20-200:1-10。可选地，第一流段111和第二流段112的长度比可以为2:1～4:1。第二流段112和第三流段113的长度比可以为1:2～1:5。通过上述设置，有效控制了等离子弧在阴极20的表面、阳极10的内壁的动态分布及阳极10内部的温度场。

在等离子体火炬中，可以采用水流对阳极10进行冷却，为实现上述目的，可以采用如下方案：等离子体火炬包括阳极水冷套，阳极水冷套为筒状结构，阳极水冷套套至阳极10的外部，阳极水冷套与阳极10连接并限定出阳极水冷腔，阳极水冷腔分别与进水管路和出水管路连通。

为实现与阳极水冷套连接，主体100具有沿电弧的流向布置的进口端和出口端。进口端处可以具有沿电弧通道110的径向凸出的第一凸起120，第一凸起120环绕电弧通道110的轴线，第一凸起120用于与阳极水冷套密封连接。同样地，出口端处可以具有沿电弧通道110的径向凸出的第二凸起130，第二凸起130环绕电弧通道110的轴线，第二凸起130用于与阳极水冷套密封连接。

另外，第一凸起120的端面可以具有容置凹槽121，容置凹槽121环绕电弧通道110的轴线，容置凹槽121用于容置密封圈，使得第一凸起120经密封圈与阳极水冷套密封连接。其中，容置凹槽121的数量为至少两个，各容置凹槽121沿电弧通道110的轴向布置。第二凸起130可以与阳极水冷套焊接，以实现密封连接。

第二凸起130的凸出高度可以凸出于第一凸起120的凸出高度，以使得阳极水冷套套至阳极10的外部后，阳极水冷套在自身轴向上的一端与第二凸起130靠近第一凸起120的一侧相抵触，从而实现定位。

参阅图2、3，本申请的实施例提供了一种等离子体火炬，等离子体火炬包括上述任一实施例中的阳极10和阴极20。

阴极20包括基座200。基座200可以由铜制成。基座200可以为柱状。基座200的第一端具有金属芯210，金属芯210可以由锆或银或铪或钛或上述任一几种金属的合金制成。金属芯210为杆状。金属芯210的轴线可以与基座200的轴线重合。金属芯210陷于基座200中。

为使得金属芯210陷于基座200中，基座200与金属芯210可以通过机械镶嵌、焊接或烧结等方法连接成一体。如，基座200具有安装凹槽，金属芯210插入至安装凹槽中。

在等离子体火炬中，第一端置于阳极10的第一流段111中，以使电流更加集中，且降低电流对第一流段111的烧蚀。金属芯210的轴线与第一流段111的轴线重合。其中，第一端处的外壁面与第一流段111的内壁面的距离可以为0.5-2mm。通过上述设置，有效控制了等离子弧在阴极20的表面、阳极10的内壁的动态分布及阳极10内部的温度场。

金属芯210的外径可以小于第二流段112的内径。其中，金属芯210的外径和第二流段112的内径的比值可以为2-10:2-40。可选地，金属芯210的外径和第二流段112的内径的比值可以为1:3～1:6。上述设置使阴极发射出来的等离子电弧的内径小于阳极的内径，降低电弧对阳极内壁的烧蚀。

出口端的内径与金属芯210的内径比为10:1～2:1，例如7:2、3:1。通过上述设置，有效控制了等离子弧在阴极20的表面、阳极10的内壁的动态分布及阳极10内部的温度场。

在等离子体火炬中，可以采用水流对阴极20进行冷却，为实现上述目的，可以采用如下方案：基座200具有与第一端相对设置的第二端，第二端可以具有冷却凹腔220。冷却凹腔220的轴线可以与金属芯210的轴线重合。此时，等离子体火炬还可以包括阴极水冷套，阴极水冷套可以包括底座，底座配置成可封闭冷却凹腔220的开口构成冷却腔室。其中，底座可以具有输水管，输水管配置成可置于冷却腔室中并连通冷却腔室的内部和外部。输水管的轴线可以与冷却凹腔220的轴线重合。底座可以具有出水口，出水口配置成连通冷却腔室的内部和外部，以实现水流对阴极20进行冷却。

底座可以包括套体，套体为筒状结构，套体套至阴极20的外部并与阴极20连接。为实现与套体连接，基座200可以具有沿金属芯210的径向凹陷的容置卡槽230，容置卡槽230环绕金属芯210的轴线，容置卡槽230用于容置密封圈，使得基座200经密封圈与套体密封连接。其中，容置卡槽230的数量可以为至少两个，各容置卡槽230沿金属芯210的轴向布置。

基座200可以具有螺纹240，螺纹240位于容置卡槽230靠近第二端的一侧，使得基座200可螺纹240安装。基座200可以与底座一体设置。通过上述设置，在使用一段时间后，若第一端出现烧蚀，则向阳极10的内部旋进阴极20，以保证电弧的稳定性。

等离子体火炬还可以包括阳极10水冷控制装置和阴极20水冷控制装置，阳极10水冷控制装置配置成控制阳极水冷腔中的水流的温度和流速。阴极20水冷控制装置配置成控制阴极水冷腔中的的水流的温度和流速。通过设置阳极10水冷控制装置和阴极20水冷控制装置，减轻了阳极10的内壁以及阴极20的表面的烧蚀。

在本申请的实施例中，当等离子体火炬接通电源工作时，气体工质从等离子体的进气口进入，气体工质在阴极20和阳极10之间被电离形成等离子体，在经过阳极10的机械压缩及水冷的作用后，等离子弧被吹出阳极10外，形成高能量密度的等离子弧。

等离子体火炬以水蒸气为气体工质、功率为50kw时，在等离子体火炬运行中，阳极10内部的水蒸气与阳极10外部的水冷相遇，使得阳极10的内壁形成一层气膜，减轻对阳极10的内壁的烧蚀，延长阳极10的寿命。形成的等离子弧将阴极20斑点最大限度的控制在金属芯210的表面，一方面避免了对基座200的烧蚀进而引起的断弧及电弧的不稳定，另一方面减少了阴极20斑点在金属芯210的表面不规则跳跃造成的金属芯210的飞溅，降低了阴极20的烧蚀速率，从而使得阳极10的寿命达到250小时以上，阴极20的寿命达到200小时以上。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。