等离子装置（精选八篇）
等离子装置 篇1
山西古交发电厂一期2×300 MW锅炉, 是采用美国燃烧工程公司 (CE) 的引进技术设计和制造的。锅炉为亚临界参数一次中间再热自然循环汽包炉, 采用平衡通风直流式燃烧器四角切圆燃烧方式, 型号为HG-1025/17.5-YM17, 燃用山西烟煤。锅炉以最大连续负荷 (BMCR工况) 为设计参数, 其最大连续蒸发量为1 045 t/h, 机组电负荷为300 MW (额定工况) 时, 锅炉的额定蒸发量为945.6 t/h。制粉系统为正压直吹式, 配5台ZGM95G中速磨煤机, 在BMCR工况时, 4台磨煤机运行, 一台备用。
1 炉本体主要结构
锅炉为单炉膛, 摆动式直流燃烧器正四角布置切向燃烧方式, 每角燃烧器为5层一次风喷口, 燃烧器采用CE传统的大风箱结构, 由隔板将大风箱分隔成若干风室。在各风室的出口处布置数量不等的燃烧器喷嘴, 一次风喷嘴可上下摆动各20°, 二次风喷嘴可作上下各30°的摆动, 顶部燃尽风室喷嘴反切18°, 可削弱炉膛上部的气流旋转, 减少炉膛出口烟温偏差, 并且能够上下作+30°～-5°摆动, 以此来改变燃烧中心区的位置, 调节炉膛内各辐射受热面的吸热量, 从而调节再热汽温。每角燃烧器共有14个风室, 从上至下依次布置为顶部燃尽风室2个, 上部燃尽风室1个, 上端部风室1个, 煤粉风室5个, 油风室3个, 中间空气风室1个, 下端部风室1个。
2 等离子的点火原理
本装置利用直流电流 (280 A～350 A) 在介质气压0.01 MPa～0.03 MPa的条件下接触引弧, 在强磁场下获得稳定功率的直流空气等离子体。该等离子体在燃烧器的一次燃烧筒中形成t>5 000 K梯度极大的局部高温区, 煤粉颗粒通过该等离子高温作用, 在10-3 s内迅速释放出挥发物, 使煤粉颗粒破裂粉碎, 从而迅速燃烧。由于反应是在气相中进行, 使混合物组分的粒级发生了变化, 因而使煤粉的燃烧速度加快, 这样就大大地减少促使煤粉燃烧所需要的引燃能量E (E等=1/6E油) 。由于等离子体内含有大量化学活性的粒子, 如, 原子 (C、H、O) 、原子团 (OH, H2, O2) 、离子 (O2-, H2-, OH-, O-, H+) 和电子等, 可加速热化学转换, 促进燃料完全燃烧。除此之外, 等离子体对煤粉的作用, 可比通常情况下提高20%～80%的挥发分, 即, 等离子体有再造挥发分的效应。这对于点燃低挥发分煤粉强化燃烧有特别的意义。
3 燃烧机理
由于高温等离子体有限能量不可能同无限的煤粉量及风速相匹配, 因此设计了多级燃烧器。它的意义在于应用多级放大的原理, 使系统的风粉浓度、气流速度处于十分有利于点火的工况条件, 从而完成持续稳定的点火、燃烧过程。实验证明运用这种方法使单个燃烧器的出力, 从2 t/h扩达到10 t/h。在建立一级点火燃烧过程中, 我们采用了将经过浓缩的煤粉垂直送入等离子火炬中心区, 10 000 ℃的高温等离子体同浓煤粉的汇合, 使煤粉原挥发份的含量提高了80%, 其点火延迟时间不大于1 s。
点火燃烧器的性能决定着整个燃烧器运行的成败, 在设计上该燃烧器出力约为500 kg/h～800 kg/h, 其喷口温度不低于1 200 ℃。另外, 我们加设了第一级气膜冷却技术, 避免了煤粉的贴壁流动及挂焦, 同时又解决了燃烧器的烧蚀问题。该区称为第一区。
第二区为混合燃烧区。在该区内一般采用“浓点浓”的原则, 即, 环形浓淡燃烧器将淡粉流贴壁而浓粉掺入主点火燃烧器燃烧。这样既利于混合段的点火, 又冷却了混合段的壁面。如果在特大流量条件还可采用多级点火。
第三区为强化燃烧区。在一、二区内挥发分基本燃尽。为提高疏松炭的燃尽率, 采用提前补氧强化燃烧措施, 目的在于提高该区的热焓进而提高喷管的初速达到加大火焰长度, 达到提高燃尽度的目的。采用气膜冷却技术旨在避免结焦。
第四区为燃尽区。疏松碳的燃尽率, 决定于火焰的长度, 且随烟气的温升, 燃尽率逐渐加大。
4 DLZ-200型等离子点火装置运行的主要参数
a) 电源。
三相电源380 V, 电压波动范围在-5%～+10%之间;
频率:50±2% Hz;
最大消耗功率:250 kVA;
负荷电流工作范围: (200～375) A, 波动范围在±2%之内;
电弧电压调节范围: (250～400) , 波动范围在±5%之内。
5 DLZ-200型等离子点火装置运行中的控制与调节
a) 锅炉具备点火启动条件, 引送风机投入, 相应的等离子燃烧器一次风速保持在25 m/s～30 m/s, 气膜或周界冷却风少开或不开。
b) 等离子发生器拉弧稳定后, 根据炉温及所燃煤种的好坏情况, 调节电弧的电流及电压, 使电弧功率稳定在90 kW～110 kW范围内。
c) 根据实际情况, 将点火状态切换到“点火”或“助燃”状态, 启动相应的给粉机, 迅速调节给粉机的转速, 使给粉浓度在0.35 kg/kg～0.55 kg/kg范围内, 调节一次风速18 m/s～22 m/s (冷态) 或24 m/s～28 m/s (热态) , 等离子燃烧器开始燃烧。
d) 磨煤机对应的所有煤粉输送管道, 应进行冷态输粉风 (一次风) 调平, 煤粉分配器进行初步调整。尽可能保持各煤粉输送管道内风速一致、煤粉浓度一致、煤粉细度一致。根据磨煤机的型式, 调整其出力和细度至最佳状态。如, 适当调整回粉门的开度、调整分离器开度, 适当减小一次风量 (但风量的调整应满足一次风管的最低流速, 中速磨最低风量应保证允许的风环风速) , 对于中速磨煤机还应适当调整碾磨压力。在等离子点火装置投运期间, 磨煤机受最低煤量限制, 投入的燃料量可能较大。要注意观察锅炉蒸汽压力升高的速度以及过热器、再热器的温升情况。根据锅炉升压、升温曲线, 通过调整机组旁路系统阀门的开度, 控制锅炉升压、升温速度。
e) 投入等离子燃烧器后, 为防止可燃气体沉积在未投燃烧器的邻角, 产生爆燃, 应适当开启邻角下二次风, 使可燃气体及时排出炉膛。
f) 加强炉内燃烧状况监视, 实地观察炉膛燃烧, 火焰应明亮, 燃烧充分, 火炬长, 火焰监视器显示燃烧正常。如, 发现炉内燃烧恶劣, 炉膛负压波动大, 应迅速调节一次风速及给粉机转速。若炉膛燃烧仍不好, 应立即停止相应的给粉机, 必要时停止等离子发生器, 经充分通风, 查明原因后重新再投。
g) 调整等离子燃烧器燃烧的原则为:既要保证着火稳定, 减少不完全燃烧损失, 提高燃尽率, 又要随炉温和风温的升高尽可能开大气膜或周界冷却风, 提高一次风速。控制燃烧器壁温测点不超温, 燃烧器不结焦。在满足升温、升压曲线的前题下, 应尽早投入其他等离子燃烧器, 尽快提高炉膛温度, 有利于提高燃烧效率。
h) 等离子燃烧器都投入后, 还需投入其他主燃烧器时, 应以先投入等离子燃烧器相邻上部主燃烧器为原则, 并原地观察实际燃烧情况, 合理配风组织燃烧。
i) 机组并网带负荷后, 根据燃烧情况及锅炉运行规程规定, 将“点火”状态及时切换到“助燃”状态。
6 结语
煤粉炉采用DLZ-200型等离子点火装置, 可强化煤炭燃尽率, 减少锅炉耗煤。
注:写作此文时参阅了哈尔滨锅炉制造厂编写的《锅炉说明书》号以及DLZ-200型等离子点火装置技术性能考核试验报告、DLZ-200型等离子点火煤粉燃烧器工业运行报告和DLZ-200型等离子点火装置技术及应用等技术资料。
摘要：叙述了山西古交发电厂锅炉本体的结构、DLZ-200型等离子点火装置的点火原理、燃烧机理。给出了运行的主要参数及等离子点火装置运行中控制与调节的方法。探讨了等离子点火技术在兴能发电公司两台300MW发电机组上应用的可行性。
关键词：等离子,点火,锅炉
参考文献
10万离子膜法电解装置运行小结 篇2
目前氯碱行业正处于深度结构调整之中，企业必须取得技术优势，调整产业结构和产品结构，采用“四新技术”，淘汰高耗能设备，才能在激烈的市场竞争中站稳脚跟。集团公司为淘汰高耗能的隔膜电解槽，于2009年上马了10万吨离子膜节能技改项目，2010年10月投产，该项目大幅降低了生产成本，提高了企业抵抗风险的能力，并为企业创造了可观的经济效益。装置简介
集团公司原来仅有16万吨∕年膈膜电解槽，设备陈旧、技术水平较低，企业经济效益受到制约。集团决定于2009年开始进行20万吨∕年离子膜烧碱节能技改项目，淘汰全部隔膜电解槽，上马先进、节能的离子膜电解槽，总体设计能力为20万吨/年离子膜烧碱，分两期建设，一期上马10万吨/年，采用英国依诺斯Bi-ChlorTM电解槽，该装置为大型复极式零极距电解槽，于2010年10月实现一次投料试车成功。投产后生产运行稳定，各项生产指标合格，产品质量优良，装置生产能力完全符合设计要求，下面将这半年多的生产运行情况做一总结。1.1工艺流程简述
1）阳极液循环：过滤盐水经螯合树脂塔处理合格进入精盐水罐后，通过热调节系统送入电解槽阳极室，每个电解槽盐水管道均安装调控阀调节入槽盐水流量，入槽盐水在阳极室内分解成为钠离子和氯离子，钠离子在直流电流作用下透过离子膜进入阴极室，氯离子结合生成氯气。
含有淡盐水和湿氯气的流体从每个阳极室出口汇集进入阳极液总管，在总管末端被分离成淡盐水和氯气，淡盐水流入阳极液罐，氯气被送往氯处理，来自阳极液罐的淡盐水经液面控制调节阀，送往脱氯槽脱除游离氯后送回盐水工序配水使用。
2）阴极液循环：循环碱通过热调节系统后送入电解槽阴极室，在每个电槽碱液管道上均安装调控阀调节进槽流量，碱液在阴极室中发生分解反应，将水分解成为氢气和氢氧根离子，氢氧根离子与透过离子膜的钠离子结合生成氢氧化钠。含有碱液和氢气的流体从阴极室出口汇集进入阴极液总管，在总管出口末端被分离成碱液和氢气，碱液流入阴极液罐，一部分作为循环碱液返回电槽，另一部分经冷却后送往成品碱罐。1.2 电槽优点与缺点
1.2.1 优点：
1）设计独特的单元槽结构，安装、维护、维修方便； 2）电解槽材料镍材多，钛材少，电耗及维修费用低。
3）电流效率高，离子膜使用寿命长。电槽阴极室内设有挡板，以增强电解液的混合，能完全浸润离子膜，充分利用膜的有效面积。
4）电解槽操作简单，停车时间少。单元槽采用螺栓紧固，单元槽之间压紧要求严格，能保证每台单元槽通电良好，每台单元槽的密封都是单独的，换膜时间短。
5)自动化程度高，操作方便、简单，具有完善的连锁保护系统，能避免突发事故对离子膜造成的损坏。
6）单元槽采用全浸没式设计，不会出现干膜情况。1.2.2 缺点：
1）由于弹性十字导电爪与阴极网的接触面有限，不能保证把全部的阴极网都和离子膜、阳极网紧密的紧压在一起，也就是不能实现全部阴阳极的最小极距。
2）长时间运行弹性十字导电爪可能出现弹性衰减，影响使用效果。
3）电解槽操作中压力波动范围要求严格，如果责任心不到位，氯氢系统的压力波动会造成电解槽的联锁停车。2.装置运行情况
在日常生产管理工作中逐步掌握了一套行之有效的管理方法和操作经验，只要严格按照生产操作规程进行操作，就能保证装置安全，稳定，长期运行。
四台电解槽运行至今已超过半年，期间经历了13次紧急停车，5次计划停车，停车后要严格按照依诺斯及膜厂家的要求进行操作，紧急停车后马上投入极化电源，测量单元槽极化电压；计划停车维修则严格按操作要求降温到45℃以下排液，如果停车时间长，电槽不检修，6小时之内电解槽一直处于循环状态，进行自然降温，保持碱温度与槽温对应；如电解槽停车时间超过6小时，一般作降温排液，然后水洗封槽处理。以下为四台电槽不同时期不加酸运行数据对比：
注；吨碱耗电包括电厂至电解线耗和变压器消耗。
通过以上数据分析可以看出依诺斯电解槽高电流密度自然循环的情况下还是比较理想的，但三月份电流效率有所下降，槽电压有所上升，与一次盐水质量及前段时间频繁开停车有很大关系。
3.生产过程中出现的问题和解决措施
3.1生产过程中部分管道连接质量不好，出现漏点，正在逐步解决。
3.2 因电气方面原因，电机出现过载及跳闸现象，已设法解决。4.结语
等离子点火装置改造及应用分析 篇3
【关键词】电站；锅炉；等离子
等离子作为一种较为先进的点火技术现已被很多电厂采用，但多数是基建时就直接安装使用，许多老电厂也想使用等离子点火器但很少有实践依据，现将福建大唐宁德电厂等离子改造的情况作为分析。
1.改造方案
原设计方案为：拆除前墙下层原燃烧器的中心风管及其内部的油枪，将其替换为可实现分级点火的等离子燃烧器，在原一次风管上加装分叉管，引出部分煤粉为等离子燃烧器供粉。在锅炉点火启动阶段，一次风分叉管上的插板门打开，原一次风管内的部分煤粉通过分叉管被引至等离子燃烧器，煤粉被等离子电弧点燃并喷入炉膛；一次风管内剩余的煤粉继续沿一次风管进入原燃烧器的一次风室，并向前喷入炉膛后被等离子燃烧器所产生的煤粉火焰点燃。在锅炉高负荷运行阶段，一次风分叉管上的气动插板门关闭，所有煤粉仍按原设计路径进入燃烧器的一次风室，燃烧器完全按原设计方式运行。
等离子燃烧器的外形尺寸完全按照原燃烧器的中心风管设计，只需将前墙下层燃烧器中心风管从燃烧器后端抽出，将等离子燃烧器插入即可。加装等离子点火装置后前墙下层燃烧器与锅炉厂设计唯一不同的是其中心油枪被拆除，其点火及助燃的功能将由等离子发生器替代。
改造方案：为了完善等离子燃烧器，彻底解决原分叉管设计方案出现的问题，进一步对等离子燃烧器进行改造，整体更换原一次风喷嘴为等离子燃烧器，彻底取消英巴燃烧器原设计的中心风筒及油枪结构，取消原设计等离子燃烧器的分叉管结构，用等离子点火器代替原来的油枪，一次风由原设计的带有一定旋流的方式改为纯直流方式进入燃烧器，同时增大原英巴燃烧器一次风筒的喷口截面积，并在一次风与二次风之间增加夹层风（改原来中心风为夹层风），取消原分叉管电动调节机构和电动插板门电气和控制部分，其它电气、控制以及辅助系统不做任何改动。等离子点火燃烧器的外形尺寸完全按照原燃烧器的一次风部分设计，现场改造时只需将前墙下层燃烧器一次风结构从燃烧器后端抽拆出，将等离子燃烧器插入，等离子燃烧器入口与带有浓缩机构的一次风弯头用法兰连接；等离子点火器沿轴向插入等离子燃烧器，由支座安装在一次风弯头上；一次风粉由一次风弯头进燃烧器见图1。
图1 为等离子燃烧器改造方案
在锅炉点火和稳燃期间，该燃烧器具有等离子点火和稳燃功能；在锅炉正常运行时，该燃烧器具有主燃烧器功能，且在出力方面及燃烧工况与原来保持一致。
2.改造前后性能比较
改造前：原设计方案为了尽量保证等离子燃烧器与原英巴型燃烧器性能完全相同，虽然保证了燃烧器在正常运行时的性能，但此方案限制了等离子装置的设计空间，影响了其点火效果和煤种适应性，容易造成燃烧器结焦甚至烧坏燃烧器；同时这种方案等离子系统的运行调试難度较高，检修和维护工作量大。
改造后：
2.1与原有燃烧器相比较
对一次风筒的内部结构有较大改变，一次风筒内的油枪及中心风取消，正常运行中原有的四周浓缩变为中心浓缩。原有的浓缩含粉气流接触的是相对较冷的二次风，改造后的燃烧器浓缩的煤粉集中在一次风管中心（中心为高温烟气回流区），更容易着火，同时实现浓淡燃烧，降低NOx。
2.2改造后增加了多项防止燃烧器结焦的措施
设计采用电磁线圈磁压缩作用的长距离输送等离子发生器，并沿燃烧器轴向布置，这样，在燃烧器的内部结构设计上避免了一次风、等离子流可能形成的回流区，是避免结焦的主要措施。
2.3增加监测手段
在每台等离子燃烧器热负荷较高的区域，增加2个燃烧器壁温测点，并在逻辑上增加“燃烧器壁温高声光报警”，运行中发生“燃烧器壁温高声光报警”时，及时调整给煤量、一次风量，可以很快消除结焦的隐患。
2.4改造后等离子燃烧器系统进一步优化
关键设备寿命提高等离子燃烧器充分考虑了在作为主燃烧器使用时的耐磨损、耐烧损问题，寿命能满足锅炉检修周期的要求。
3.改造前后经济性对比
改造前：由于等离子磨煤机运行不稳定，等离子燃烧器燃烧不稳定，得伴油枪运行，在机组达到冲车参数时，磨煤机燃料量在27T/h左右，同时还有3T/h的燃油量，机组启动一次耗油达40吨。
改造后：由于设备性能改善，真正实现冷态无油点火，无油稳燃，而且运行稳定，只有在升温冲车投其它磨煤机时，需投油枪点火，每次启动耗油8吨，节约燃油32吨，按每吨燃油5000元计算，每次启动可节省燃油费用16万元，按单台机组全年启停3次计，单台机组年节约费用48万元。由于设备可靠性提高，部件损坏大大减少，年节约更换部件（输送弧、一次风筒等）费用达20万元，同时由于燃尽性的提高，总燃料量会有所下降。
技术改造以设备投运最大化、投资最小化为原则，改造内容仅为燃烧器及连接部分，其它部分不做变动。改造费用为每台机组60万元人民币，一年可收回改造投资。
改造后检修维护、运行调整工作量大大减小。技术改造以取消分叉管、原燃烧器改造成等离子燃烧器为主；对各系统进行优化调整，使等离子燃烧器在最合理的运行参数下运行，保证系统的安全性与稳定性。改造后，运行及检修人员仅按照厂家操作说明执行，不必再次调整各参数，减少电厂在该系统设备上投入的人力物力，提高设备利用率。
4.改造结论
等离子装置 篇4
关键词：石油,等离子喷涂,内燃机,缸套,内壁
前言
等离子喷涂技术作为表面工程热喷涂技术之一, 主要特点是用等离子焰流作为喷涂的热源。由于等离子火焰流温度高、能量集中和喷涂可控等优点, 是各种难熔材料的良好热源, 并且粉末材料在焰流的飞行速度极高, 所以在喷涂过程中为获得结合良好、结构致密的喷涂涂层提供了有利条件[1]。等离子喷涂是气体在电场作用下被加速, 与中性粒子产生碰撞, 使中性粒子发生电离, 产生离子电弧。同时受到热收缩、磁收缩和机械收缩三种效应的作用, 使离子电弧具有高温高速的焰流, 从而使喷涂材料被加热到溶化或软化状态, 高速喷射到工件表面, 经过就变形, 淬冷而粘结在工件表面上, 形成了等离子喷涂涂层[2]。为了减少汽车燃油消耗和降低二氧化碳排放, 减轻汽车质量已经成为众所关注的焦点之一。研究调查表明, 如果汽车整备质量每减少100k g, 一百公里石油消耗可降低0.3~0.6L[3]。此外, 而且汽车轻量化可以提高汽车动力性, 节省材料和石油, 降低成本。预计到2010年汽车整备质量平均将减轻17%;小轿车整体质量将从目前的平均1300kg左右降至1000kg左右。其中最重要的就是减轻发动机的质量。这就有了用等离子喷涂技术在发动机缸体内部喷涂一层耐磨涂层然后代替原有的铸钢套。这就必须实现等离子枪体在缸体内进行旋转升降。等离子旋转升降喷涂是缸体表面金属涂层的有效方法, 该方法具有生产效率高、生产成本低、设备操作简单、涂层质量稳定且易于控制的优点, 因此, 越来越受到人们的重视[4]。本文借助电机由皮带带动旋转, 由丝杠来实现升降移动枪体, 为这项新技术在汽缸中的广泛应用提供可靠的参考。
1 内孔等离子喷涂原理
主轴旋转带动等离子喷枪旋转, 冷却水、电、氩气、喷涂粉末通过旋转装置向下输送至喷枪, 主轴可以上下移动和旋转, 实现对汽缸内孔喷涂, 在汽缸内壁沉积防腐和耐磨涂层, 图1.1为等离子内孔旋转喷涂装置喷涂汽缸内壁的简图。
2 内孔等离子旋转-升降机构的设计
2.1 旋转机构的设计
内孔等离子旋转装置要要去汽缸内壁进行喷涂, 这就要求等离子枪体能够进行旋转。这样才能使喷涂材料均匀的喷涂到内壁。旋转机构带动主轴旋转, 旋转主轴下端连接等离子枪体并带动其旋转, 实现对缸体内壁的喷涂。
旋转机构主要由电动机、皮带、旋转主轴组成。电动机与小齿轮连接, 皮带轮安装在旋转主轴上, 电动机带动皮带可以实现旋转, 通过调节电动机的转速可调节枪体的旋转速度。
2.2 升降机构的设计
升降机构的设计要实现主轴带动下端喷枪实现升降的基本运动。升降机构由精密线性模组、外箱体、轴承座、轴承丝杠组成。
精密线性模组主要是由滚珠丝杠和滑板机构组成, 动力驱动滚珠丝杠带动滑板实现升降运动, 滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动的一种传动原件, 具有高精度的保证和微进给的可能, 并且成本低、效率较高。由精密线性模组带动与轴承座相连的外箱体升降运动, 最后通过轴承座, 轴承将升降运动的动力传递给旋转的主轴, 既不妨碍主轴的旋转运动, 又实现了主轴带动下端等离子喷枪上下运动的目的。
2.3 旋转升降装置输水、电采用一体设计
等离子枪体在喷涂过程中, 气体电离将产生大量的热量, 等离子喷枪上的钨极和喷嘴部分的受热最严重, 通常的方法是采用气体冷却或者水冷却, 因为水的比热容较大, 冷却水在流经喷枪钨极和喷嘴时将带走大量的热, 达到对喷枪冷却的效果。通常的等离子内孔旋转喷涂装置系统都采用空气冷却, 但本装置采用水冷系统, 虽然结构稍显复杂, 但冷却效果将明显优于空气冷却的效果, 可延长喷枪的使用寿命。通入等离子喷枪内部的气体要被电离产生电弧, 需要电能的输入, 本装置将电和冷却水同时通过水电段供给, 外界水电通过水电缆送入水电段, 接口结构简单, 水电通过水电段经主轴向下被送至喷枪。
由于电流与导线横截面积成正比的关系, 导线截面积越大, 允许通过的电流越大, 同时和导线的电阻率有关, 电阻率越大, 允许通过的电流越小。本装置采用水电一体的方式, 在铜管内部进行冷却水的输入, 铜管外部进行电的输入, 表面进行绝缘处理。如图2水电一体结构剖面图, 等离子枪体水电一体的设计方法可以大大图2水电一体结构剖面图
减小整个装置的体积, 从而使升降旋转装置进入缸体内部喷涂提供了可能性。
本装置采取水管内通入冷却水, 其外壁进行时导电, 由于导电能力和导体的横截面积成正比, 因此这样设计可以增大水管的横截面积从而提高其导电能力, 而且流动的冷却水也可以大大提高整个装置的导电能力, 使得以通过较大电流。
3 内孔等离子旋转—升降装置有望使用在内燃机气缸套喷涂中
内燃机是汽车、摩托车、农业机械、工程机械、船舶等一些通用机械上最重的配套产品, 并且是这些整体机械上最为关键的部件[5]。而气缸套则是内燃机工作环境磨损最为严重的零部件, 工作环境极其恶劣, 承受高温、高压的冲击和活塞的往复摩擦直运动, 磨损较快, 这样容易产生拉缸现象。气缸套的磨损大致可以分为磨料磨损、腐蚀磨损、熔着磨损[6]。
气缸套内表面经过等离子喷涂处理后, 可显著提高硬度和耐磨性能, 延长疲劳寿命, 从而大大提高产品质量和经济效益[7]。当前, 等离子喷涂金属陶瓷粉末而形成的陶瓷气缸套在国外已取得成功, 并且已应用于生产, 其磨性能提高幅度能达到原来的1~1.5倍。而在国内, 还处于研究的初级阶段。据调查, 山东某大学在这方面做了大量工作, 取得了成功[8]。用等离子喷涂新型金属陶瓷粉末后的气缸套耐磨度比原来提高120%以上, 还可以减轻汽车的质量, 减少内燃机石油消耗, 最终实现节能减排。等离子旋转-升降装置体积较小, 因此可以进入缸体内部对其旋转升降喷涂, 有效解决了缸体内壁喷涂困难的问题, 从而提高缸体内壁的耐磨性能。
5 结论
内孔等离子旋转—升降装置的研制可以通过自动控制, 并结合孔内喷涂的设计, 可以成功解决缸体喷涂困难问题, 并可以实现缸体内壁表面的防腐, 能够满足现在内燃机高级防腐耐磨的需要。与传统的汽缸套相比, 可以使发动机的缸体大小和重量大大减轻, 节省石油, 提高内壁的耐磨性和润滑性, 从而延发动机的使用寿命, 提高工作效率。
参考文献
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太阳能等离子体发电装置 篇5
等离子体发电 (Plasma Generation) 又称磁流体发电, 是利用高温高速等离子体在磁场中切割磁力线产生的电动势来发电[2]。等离子体也被称为第四物质状态, 分为高温和低温等离子体, 其中高温等离子体用作发电, 低温等离子体常用于生产领域。基于高效率、低污染的理念, 将太阳能作为获得等离子体的能量来源, 结合等离子体发电技术, 形成一种发电装置。
1太阳能等离子体发电装置涉及的原理
太阳能等离子体发电装置主要分为等离子体的产生和利用等离子体发电两部分。等离子体的产生涉及到光生伏特效应、高频逆变技术、涡流效应以及高温下的电离;利用等离子体发电则涉及到霍尔效应、洛伦兹力等。
1.1等离子体的产生
(1) 高频逆变。逆变是一种将直流电变为交流电的技术。高频逆变通常现将低压直流电通过高频振荡变为低压高频交流电, 在变压器的作用下, 变为高压高频交流电。此时的高压高频交流电含纹波等不稳定因素, 通常在需要通过滤波的整流变为幅值比较稳定的符合要求的交流电。
(2) 高温电离。在高温气体中加入容易电离的钾盐或钠盐, 这些物质中的原子和电子在获得能量后运动剧烈, 物质中的电子甚至可脱离原子核的引力束缚, 最终变成自由电子及失去电子的离子等的混合物, 产生等离子体。
1.2利用等离子发电
(1) 霍尔效应。当一电流垂直于外磁场方向通过导体时, 在垂直于电流和磁场方向导体的两侧会产生一电势差, 这种现象称为霍尔效应, 而所产生的电势差也被称为霍尔电压[3]。
(2) 洛伦兹力。运动电荷在磁场中所受的力称为洛伦兹力, 因其始终与运动电荷速度方向垂直而对运动电荷永远不做功[4]。
2等离子体发电技术的国内外情况及展望
前苏联是世界上对磁流体发电研究投入最多的实验装置的国家[5]。中国在二十世纪六十年代初期开始研究磁流体发电, 先后在北京、上海等地建成试验基地。将它作为“863”计划中能源领域的两个研究主题之一。
等离子体发电也受到高温环境、空气导电率低、电极易腐蚀等限制, 但随着技术水平的提高, 问题逐步得到解决。等离子体发电技术对比传统火力发电技术, 在发电效率、燃煤利用率、污染物排放等方面都有显著提高。同时太阳能等离子体发电也继承部分优点, 与新型能源结合, 在降低污染和减少化石燃料的使用方面有一定裨益。
3太阳能等离子体发电装置的基本思路
利用等离子体发电, 首先要获得足够电离空气等的高温。太阳能电池板通过光生伏特效应获得的直流电压, 在大阵列的太阳能电池板条件下, 获得足够的电能并储蓄在蓄电池组中。利用太阳能电池板获得是直流电压, 其电压只有大小区分, 不具有方向性, 不能产生涡流效应。在高频逆变器的作用下, 可将低压直流电逆变成高压交流电, 并通过调节逆变器件, 获得所需的电压平均值和频率, 对于涡流熔炉而言, 该平均值和频率要求较高。涡轮熔炉在高频交流电压通过涡流效应, 可产生足够温度和热量来为电离提供能量。
气体在常温下通常绝缘, 只有在高温下, 才能电离和有较大的导电率。通常的做法是在高温燃烧的气体中添加一定量的且容易电离的物质, 如钾、钠等碱金属化合物, 以此引导等离子体的产生。气体在高达10^4K的温度下电离, 体系中会出现多种组分, 如氩气电离, 体系中会出现电子、氩离子、氩分子等[6]。产生的等离子体经高速喷射器打入发电通道后, 通道相对应侧放置N极和S极磁体, 在磁场的作用下, 带不同极性的等离子体均受到垂直于运动方向但方向相向的洛伦兹力的作用, 运动轨迹产生偏转, 正负离子朝不同方向运动, 从而带同种电荷的离子落到同一极板上, 从而产生电势差。图1为太阳能等离子体发电装置的结构示意图。
等离子体发电中, 输出功率P, 可表示为:
式中k为负载系数, σ 导电流体的电导率, u为导电流体的速度, B为磁感应强度, V为发动机的体积[7]。
4结束语
太阳能等离子体发电装置在继承传统的等离子体发电的基础上改变原有的等离子体的产生, 通过太阳能为等离子体的产生提供清洁能源, 代替以燃烧化石燃料获得等离子体的传统等离子体发电的做法, 是该装置的主要思想。在此设想的基础上, 我们也可以寻找有别于传统做法的清洁、节能做法, 获得更多合理的设计方案。虽然太阳能以及等离子体的转换效率不一定有预计的理想, 但通过该设计, 能降低有害物排放, 减少对环境的破坏, 提高对新型能源的利用。太阳能等离子体发电由热能直接转换成电流, 无需经机械转换, 所以称之为直接发电。且理论上只要提高离子体喷射的速度和磁场的强度, 从而能获得较高电压, 可实现具有工业应用价值的等离子体发电, 满足一些需要大功率电力的场合。
参考文献
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[2]郭铁梁.等离子体及磁流体发电技术[J].煤矿机械, 2004 (5) .
[3]张云会.霍尔效应的发展及应用[J].纺织高校基础科学学报, 2002 (3) .
[4]李中玉.洛伦兹力做功微探[J].物理通报, 2010 (9) .
[5]严陆光, 居滋象, 等.磁流体发电技术国际进展与我国战略[J].电工电能新技术, 1994 (1) .
[6]常海花.高温部分电离气体射流引射特性研究[D].北京:北京航空航天大学, 2008 (12) .
等离子装置 篇6
一、电控离子交换实验原理介绍
电控离子交换实验原理图如图1所示。实验工艺过程如下:
(一) 膜电极吸附过程。
打开阀门13、1、16、9, 其余阀门关闭。开启泵B1、B2, 使再生液和处理液分别打入反应器腔体A1、A2内, 通电后发生反应, 并使液体一直循环。经过一定的时间后, 处理液的浓度降低到一定程度且膜得到再生。
关闭泵B1、B2, 及阀门13、16, 打开阀门3、17, 凭重力作用使再生液和处理液流入槽C1和C2中 (可能由于阻力过大液体流速太慢可打开吹气阀0、10) 。
(二) 吸附冲洗过程。
关闭阀门1、9, 3、17, 打开泵B3及阀门14、2, 用清水清洗反应器中的再生液经过的腔体A1。经过一定时间后, 关闭泵B3及阀门14。打开阀门5靠重力使腔体A1中的液体流入废液槽C4 (打开吹气阀19加快液体回流速度) , 关闭阀门5、2。
(三) 膜再生过程。
开启阀门19、4、20、12, 打开泵B1、B2, 使再生液和处理液分别打入反应器腔体A2、A1内, 循环一定时间后, A2中的膜得到再生, A1中的膜吸收一定的离子。
关闭泵B1, B2及阀门19、4, 打开阀门15和7, 凭重力作用使再生液和处理液流入槽C1和C2中 (打开吹气阀0, 10可加快液体回流) 。
(四) 再生冲洗过程。
关闭阀门15、7, 20、12, 打开泵B3及阀门18、8, 用清水清洗反应器中的再生液经过的腔体A2。经过一定时间后, 关闭泵B3及阀门18, 打开阀门6, 靠重力使腔体A2中的液体流入废液槽C4 (打开吹气阀20) , 关闭阀门6、8。
以此为一个操作周期, 循环几次, 使处理液达到标准要求后关闭整个装置, 实验结束。
二、实验装置设计
电控离子交换实验装置设计主要包括三个内容:实验台设计, 控制系统硬件电路设计和软件设计。实验台设计分为两部分:实验装置布局设计 (如图2) 和管路布局设计 (如图3) 。实验装置控制系统设计包括硬件和软件系统设计。
(一) 实验装置设计。
实验装置由实验台和电控柜两部分构成, 实验装置布局如图2所示:实验台由下到上依次为第1、2、3、4层。第四层安装反应器, 第三层分前后两排安装22路电磁阀。第二层为三个水泵, 用于将槽中的液体打入反应器中。第一层装有四个水槽, 分别用于存储废液、再生液、清水、处理液。
1. 实验装置布局。如图2所示。
2. 管路分布。
实验台各层之间通过管路来连接, 管路分布如图3所示, 共使用0~21共22路电磁阀, 其中编号为0, 10, 11, 21的电磁阀为备用电磁阀。黑色箭头表示管路走向, “+”表示电磁阀的入口, “-”表示电磁阀的出口。前排 (“前排”和“后排”的定义是参照实物图定义的) 的三通不仅要连通本层的各路电磁阀而且要实现本层与上层的连接。图中溢出口a和b表示的是反应器结构图3中标号为2的接口, 作为液体的溢出口。进出口a1, a2, b1, b2为图3标号为6的接口, 作为液体的入口及回流口。
(二) 基于单片机的PLC控制器设计。
1. 控制器硬件系统设计。
为减少成本, 开发了基于单片机的可编程控制器。控制器采用内部资源较丰富的ADu C812单片机为核心, 其芯片内部包含了12位的A/D、12位D/A转换器, 大大简化了A/D, D/A转换电路;另外ADUC83X和ADUC84X系列产品可作为ADUC812的升级产品。为以后微型可编程控制器的进一步升级提供了良好的硬件基础。基于AUDC812的微型可编程控制器采用模块化设计方法, 包括模拟量输入输出模块、数字量输出输入模块、显示按键模块、通讯模块、电源模块和时钟模块等六大模块。
2. 控制器软件系统设计。
软件设计采用上下位机结构, 上位机软件用于在PC机上创建、编辑和编译PLC用户程序, 本设计采用STEP7软件编写PLC程序, 采用VB语言编码PLC用户程序, 并将其发送至下位机。下位机采用串行中断的方式接收保存PLC指令。
控制系统软件设计采用模块化设计方法, 整个系统按功能划分为梯形图和指令表编辑转化模块、指令表编译模块、通信模块, 语句表解释执行模块, 键盘显示模块, 实时时钟模块等6个模块。梯形图和指令表编辑转化模块通过STEP7软件来实现。指令表编译模块负责将指令转化为下位机可以识别的十六进制指令编码。系统执行解释程序时读取指令编码, 根据指令编码调用相应的指令子程序完成相应的功能。通信模块采用Modbus通讯协议来实现上下位机数据交换。
三、结语
基于可编程控制器的电控离子交换实验装置是一种新型、高效、低成本的连续离子交换设备, 可广泛用于特定有效物质及有害物质分离和回收。它引入了可编程控制技术, 提高了实验效率, 缩短了实验与工业化生产的差距, 为电化学控制离子交换技术的工业化提供了良好的过渡平台。可以预见, 这种新型的电控离子交换实验装置将随着ESCI技术的发展有着很好的推广应用前景。
参考文献
[1] .郝晓刚, 张忠林, 刘世斌等.电活性铁氰化镍离子交换膜的制备及应用[P].中国专利.ZL200410012195.8.2006
等离子装置 篇7
关键词：等离子,光谱,聚集
等离子体发射光谱法物质成分分析装置是高敏感度和高精度的能够分析液态、固态及气态中不同物质成分的装置。该装置可实地确定所有门捷列夫周期表中的元素, 所研究物质不受伴随物质基质及处于何种聚集状态的影响, 这是以等离子发射光谱分析为基础而研制成功的装置。
装置包括光源, 频率为44千赫的交流电发电机, 送样机构, 摄像仪PGS-2, 信息处理扫描仪, 如图1所示。摄影记录PGS-2摄像仪具有扁平的衍射光栅, 651pl/mm (离散差7.4 A/mm) 。扫描仪UMAX Power Look 3000 分辨率为3048点/英寸。
光源——位于可水冷铜制电极之间, 在氩气流中或在氩-氦混合气体中放电, 如图2所示。其中, 一个电极是可水冷铜制圆柱状电极, 带有轴心孔;另一个是可水冷铜圈, 可使带有放电电流的同相电流通过。放电电源的频率电流为66或44千赫。放电具有最低腐蚀值—10-12 г/К, 并以等离子涡流束的形式燃烧, 这就排除管线自旋转的影响。根据份量聚集情况, 不同化学物质的检出值范围为10-5%～10-7%;等离子体气流量为1.5～2l/s。
研究表明, 主要的等离子参数是不恒定的, 即电极间间隔长度不恒定, 距离电极中心端面的最大距离值为3mm。从氩气中拍摄到的空白光谱中, 具有以下指标:T=7700K, Ne=3.4·1016cm-3。
1-空白谱;2-苯光谱;3-带有硼的富勒烯合成物质图谱
在分析液态试样时, 试样量为1～10ml, 按苯中的碳界线计算, 波长为2478Å时, 标准偏差为4.98%;该设备中, 粉末试样送样机构采用吹扫方法将试样送入装置中, 它可以提高试样利用率、分析精度及结果重现性。被分析的试样的数量可以从10毫克到几百克, 按碳界线计算得到的标准偏差为1.6%。
通过对该装置及光谱处理方法的研究, 用于分析硼-铁的富勒烯衍生物是有一定可能性的, 因为富勒烯和它的衍生物溶解在非极性的溶质中, 在液态下可分析它的苯溶液。
图3的硼波段范围内波长与黑度关系曲线图, 在富勒烯衍生物中元素含量设定为:B-0.01%, Fe-0.03%。
综上所示, 该装置可高效再现试验结果, 分析精度高, 试样损耗量小, 试样量大, 可是毫克级的、也可以是克数级的;而且光谱范围在200～800HM时, 物质中高碳含量下装置仍具有工作的可能性。
参考文献
[1]#12
[2]#12
[3]#12
等离子装置 篇8
1 钨涂层制备技术多样化
热喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积等涂层技术在实验聚变堆装置材料制备中得到了广泛应用。等离子喷涂技术由于制备成本低、制备效率高、可原位修复等特点,在用于实验聚变堆装置涂层材料的制备方面发挥了重要的作用[6]。等离子喷涂主要有大气等离子喷涂(Air plasma spray,APS)、惰性气体等离子喷涂(Inert plasma spray,IPS)、真空等离子喷涂(Vacuum plasma spray,VPS)、低压等离子喷涂(Low pressure plasma spray,LPPS)和水稳等离子喷涂(Water stabilized plasma spray,WSPS)。表1是各种制备工艺的性能对比[7,8,9]。
VPS和LPPS由于制备的涂层致密,含氧量低,结合强度高,是目前大多数研究者所采用的制备技术。WSPS的能量密度高,燃烧稳定,因此,可喷涂高熔点材料,喷涂效率非常高,对于高熔点的钨是一大优点,也得到少数研究者的青睐。捷克共和国的Jiri Matejicek等[10,11,12]长期致力于WSPS制备各种钨涂层,不仅喷涂到铜基体上用于偏滤器中,而且喷涂到316L不锈钢上用于第一壁结构材料,制备的涂层性能虽弱于VPS技术制备的钨涂层,但是成本低。APS技术经过优化后也能得到较好的性能,北京科技大学核材料研究所在利用低成本的大气等离子体喷涂技术制备钨涂层方面取得了一些效果[913],针对大气等离子喷涂技术制备钨涂层所面临的常见问题,做了较为系统的研究,优化了大气等离子喷涂技术制备钨涂层的喷涂工艺,X射线衍射分析和能谱分析都未检测到涂层的氧化现象,在室温下没有中间层的钨铜涂层表现出较高的结合强度,可达到35MPa。
PVD-W技术主要有电子束蒸发、磁控溅射、电弧沉积[14]。PVD技术主要的问题是低的结合力和高的不纯物含量(如氧和碳),同时,得到的钨涂层也只从几微米到几十微米厚,总体来说还不是很成熟。目前主要与其他喷涂技术相结合用于制备钨涂层,如用作涂层的过渡层制备。德国将磁控溅射和离子注入相结合的CMSⅡ技术(CMSⅡ,Combined magnetron sputtering and ion implantation)已经用于制备10μm厚工业用尺寸的W/CFC[15]。
CVD技术制备的涂层虽然沉积速度慢(目前的沉积速度为0.2mm/h),成本也高,但涂层质量和性能较高。日本等国家一直在大量研究CVD-W[16,17,18]。表2的热疲劳性能对比表明,针对PS-W涂层,在相同的测试条件下,由于VPS-W的涂层纯度高,结合力较强,VPS-W比IPS-W涂层热疲劳性能高出3～8倍,而CVD-W表现出比VPS-W更优的热疲劳性能。表3数据表明,CVD-W涂层的临界热流密度明显高于VPS-W,CVD-W涂层在28MW/m[2]的临界能量密度冲击下的涂层破坏主要是由于在高的温度下大的热膨胀系数不同引起裂纹产生,铜熔化并溢出到涂层表面,从而在界面产生大的空洞。避免这种失效发生可以采取2种途径:(1)通过快速冷却使界面保持较低的温度,或者提高涂层的厚度;(2)引入梯度层来减小热应力或引入盒式结构减小热应力。由于CVD涂层过程中引入过渡层比较困难,一个直接的方法就是增加涂层的厚度,因此目前主要是制备2～5mm厚的CVD涂层。
2 钨涂层基体材料多元化
ITER偏滤器中的PFM承受着5～30MW/m[2]的高热流密度,对于高功率、稳态运行聚变装置,高热负荷的实时移出是第一壁安全运行的必要条件,这不仅对PFM,而且对其与热沉材料的连接提出了苛刻的要求。钨常温下属于脆性材料,加工和使用不方便,特别是钨与铜合金热沉材料的热膨胀系数相差4倍左右,这给钨第一壁材料系统功能集成带来了相当大的困难。ITER的偏滤器靶板项目已发展了在铜合金热沉材料上通过活性金属浇铸一纯铜层,再经过热等静压或电子束焊接等实现钨棒、层和刷等3种概念连接[25]。该工艺复杂且成本很高,难以大面积使用。为了实现W与热沉材料的很好连接,W涂层到热沉材料铜基体(主要是无氧铜和CuCrZr合金)已考虑用于偏滤器中的面向等离子体部件[13,26],成为研究的热点。
在将来的聚变堆装置中,低活化钢、EUROFER、F82H和316L将是面向等离子体材料器件(Plasma facing components,PFC)的候选,这些PFC承受着1MW/m[2]的中等热流密度。目前,ITER中的结构材料主要选择316L不锈钢,这种结构材料耐中子辐照的积分剂量只有几个dpa,而今后聚变反应堆需要能耐80～150个dpa,低活化的马氏体/铁素体不锈钢是符合需要的结构材料,如欧共体的EUROFER97与日本的F82H的低活化钢已经商品化。低活化的马氏体/铁素体不锈钢不仅是聚变堆中理想的结构支撑材料,同时可以直接作为热沉材料,这样将省去结构材料与热沉材料的大面积连接问题,只需要实现结构材料与面向等离子体材料之间的直接连接即可。德国、日本已研究将W直接喷涂到结构钢基体上(如EUROFER、F82H和316L)[27,28],采用的制备技术主要是APS和VPS。在国内,陈俊凌等申请了采用真空等离子体技术在钢基体上制备厚钨涂层的专利[29]。由于第一壁结构材料在整个聚变堆装置中占据相当大的比例,因此,如果能将W直接喷涂的第一壁结构材料应用于聚变堆中,将大大降低成本,同时由于全钨聚变堆装置的提出使得W涂层基体材料的多元化进程加速。
3 功能梯度涂层引入到钨涂层的制备中
功能梯度材料(FGM,Functionally graded materials)的概念在1984年由日本材料科学家提出,用于制备热障涂层(TBC,Thermal barrier coatings)[30],很快就被利用在其他功能材料的构想和研究中,并由最初的结构型材料向功能型材料拓展。现在,随着FGM的研究和发展,其用途扩大到航空航天、核能、电子、化学、生物医学工程等领域。在聚变堆中,面向等离子体材料在服役过程中承受着0.1～30MW/m[2]的高热流密度和高能粒子的撞击,为了解决面向等离子体材料在聚变堆服役过程中复杂而恶劣的环境,功能梯度材料的概念在核聚变材料的制备中被采纳,它被认为是解决聚变堆中面向等离子体材料和热沉材料连接这一难题的理想选择。葛昌纯等于1996年提出采用功能梯度材料概念设计和制备功能梯度材料,先后成功制备了SiC/Cu FGM、SiC/C FGM、W/Cu FGM、Mo/Cu FGM等块体材料[30,31]。为了有效缓解异种材料的界面应力,功能梯度材料的概念最近也引入到涂层制备中,先后采用等离子喷涂技术成功制备了W/Cu功能梯度涂层[13]、B4C/Cu功能梯度涂层[32]、Mo/Cu功能梯度涂层[13]、W/不锈钢功能梯度涂层等,用于聚变堆中偏滤器装置和第一壁的功能梯度涂层。
利用等离子喷涂制备W/Cu功能梯度涂层是研究得最早,同时也是最为成熟的功能梯度涂层。在偏滤器中,钨涂层承受着5～30MW/m[2]的热量密度冲击,由于钨和铜的热膨胀系数和弹性模量相差很大(αcu≈4αw,ECu≈2Ew),在高热流密度下,W/Cu界面应力非常大,W/Cu功能梯度涂层是有效降低热应力的方法之一。图1是分别利用APS、IPS和VPS等3种典型等离子喷涂技术制备的W/Cu功能梯度涂层。其中,真空等离子喷涂的功能梯度涂层孔隙率较其他2种功能梯度涂层低,可达到3%左右,而且含氧量也比较低。对于功能梯度涂层制备工艺来说,一般有2种送粉方式:一种是将2种粉末预先按设计混合比例混匀后,采用单送粉器输送复合粉末;另一种是采用双送粉器或多送粉器分别输送多种粉料,通过控制送粉率来实现涂层成分的连续梯度过渡变化。Doring等[33]通过实验对比研究发现,采用双送粉器制备的W/Cu功能梯度涂层的孔隙率比预先混合的单送粉器制备的功能梯度涂层低,双送粉器更有利于功能梯度涂层的制备,而且可以根据粉末熔点的不同采用不同的位置进料。
不锈钢的热膨胀系数是钢的3～4倍,在材料制备和服役过程中必然产生显著的应力,引起界面和钨涂层的失效。Thomas等[34]将FGM概念引入到W/不锈钢涂层制备,利用真空等离子体喷涂技术成功制备了W/不锈钢功能梯度涂层,涂层形貌如图2所示;同时还利用有限元方法研究了基体不同的表面处理形貌对涂层结合力的影响,研究表明基体表面雕刻能够缓解涂层中的应力。
4 FEM有限元分析引入到钨涂层的设计中
在核聚变堆中高热负荷部件的设计方面,有限元法已经得到应用。美、日、德等国学者对C/Cu、W/Cu等高热负荷部件的残余应力、界面形状和连接件结构对热应力的影响等进行了有限元分析[35,36,37,38],结果表明合理的结构、界面设计和FGMs的设计能够有效缓解在制备和服役过程中高热负荷部件中产生的热应力。有限元分析也被引入到W/Cu功能梯度涂层的设计中,主要分析W/Cu元件在工况下的热应力和温度情况,从而逆向对W/Cu功能梯度材料进行理论设计[39,40]。目前,主要包括W/Cu功能梯度块材和W/Cu功能梯度涂层的设计。研究表明[13,41],不论是W/Cu块材还是W/Cu涂层,其热应力和表面温度与成分指数、梯度层层数、每层的厚度密切相关,合理的梯度层设计能有效降低材料在服役过程中的热应力。当成分分布指数为1时,热应力能够得到有效缓解[42,43]。同时,也开展对W/Cu功能梯度涂层、W/Cu功能梯度涂层的有限元分析。对于W/Cu功能梯度涂层,为了模拟当等离子破裂极端情况下PFC承受高热流密度下的性能表现,选择表面层厚度和中间梯度层厚度均为1mm的模块进行热冲击性能的模拟分析,热流密度分别选择了5 MW/m[2]、10 MW/m[2]和15 MW/m[2],其他条件不变。模拟分析发现,涂层样品的最高温度依然分布在涂层表面的芯部,热应力在表面层和中间界面层的界面上得到最大集中[][3]]。
5 超细晶钨、纳米钨涂层等新概念引入到钨涂层的制备中
由于用较小原始喷涂粉末制得的钨涂层具有较好的微观结构,较高的致密度,而且具有较好的抗热冲击能力,同时细化晶粒有利于提高涂层的韧性,对于解决钨的脆性尤为有益。北京科技大学核材料研究所[13]将超细晶钨涂层的概念引入到钨涂层的制备中,首次用惰性气体保护的等离子喷涂技术成功制备了0.2μm原始喷涂粉末的钨涂层。结果表明,涂层更加致密,气孔率明显降低,喷涂过程中晶粒没有明显长大,在激光束热冲击实验中表现出更好的抗热冲击能力。
近年来,纳米结构涂层的研究已经引起世界各国的高度重视。我国在“十五”、“十一五”期间,纳米涂层材料的应用研究列为材料科学重点的研究方向。等离子喷涂制备纳米结构的涂层已经在其他涂层中得到研究,纳米涂层与常规涂层相比有着优越的性能[44,45,46,47]。北京科技大学核材料研究所[13]将纳米涂层的概念引入到钨涂层的制备中,首次用冷等静压压结破碎法成功地对纳米钨颗粒进行了造粒,并用惰性气体保护的等离子喷涂技术成功地制备了纳米钨涂层,发现涂层具有复杂的微观组织。
6 结语