一种串联电弧加热结构及应用

技术领域

本发明涉及一种电弧加热结构，尤其涉及一种串联电弧加热结构及应用，用于金属、非金属等加热和热处理等领域。

背景技术

工业电炉主要包括电阻加热炉、感应加热炉、等离子加热炉等，已被广泛应用于加热及热处理领域。但是工业电炉对于一些特殊领域的特殊结构产品却很难适用，例如要测量一个管件的力学性能时，需要在高温下，在管的两端分别加载管承载的扭力和拉伸力，而电阻炉其发热能量密度低且工作温度不高；感应炉需要感应线圈，对被加热材料也有要求；等离子加热炉需要流动的等离子体；都无法适用于上述管状被加热产品，尤其是对于一些细长管件而言，上述加热炉也无法进入管壁内腔。

电弧加热是利用电弧产生的热量进行加热，电弧加热虽然对于一些需要工作温度高、能量密度大、甚至高压的加热环境要求很适用；但是现有技术中的电弧加热炉热源集中、温度场均匀度差，温度场区小；也无法适用于细长管件的加热；所以对细长管件进行均匀高温加热，成为本领域一直渴望解决的技术难题。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种串联电弧加热结构，解决了现有技术中电弧加热热源集中、温度场均匀度差，温度场区小的问题。

本发明的另一个目的在于提供一种串联电弧加热结构的应用。

本发明的技术方案如下：

一种串联电弧加热结构，包括导电体I、导电体II和至少三个电极，至少三个电极包括电极I、电极II及电极III；电极I、电极II及电极III形成串联电弧，电极I和电极II之间形成加热电弧，电极III和电极II之间形成加热电弧；电极I和电极III分别连接导电体I、导电体II。

所述的导电体I和电极I采用两种材料，两者镶嵌固定在一起，或者导电体I和电极I采用同种材料一体加工成型。

所述的导电体II和电极III采用两种材料，两者镶嵌固定在一起，或者导电体II和电极III采用同种材料一体加工成型。

所述的电极I、电极II及电极III采用锥型电极。

所述的电极I和电极II之间形成的电弧，电极II和电极III之间形成的电弧，都位于电极II内部，形成内嵌式电弧。

本发明还包括，一种串联电弧加热结构在管件加热中的应用。

一种串联电弧加热结构在管件加热中的应用，包括下述步骤：

将串联电弧设置于待加热管件的内腔，并将串联电弧与电源、电流检测电路、高频电压耦合器TB1、高频发生器及开关K1、开关K2连接，形成回路；其中，电源为串联电弧提供能量；高频发生器产生高频高压交流电，用于引弧和稳定电弧燃烧；高频电压耦合器TB1把高频高压电耦合到主电路实现引弧；启动时，开关K1、开关K2闭合；电极I和电极II之间，电极II和电极III之间高频击穿，产生串联电弧，电流检测电路检测到电流值达到定值引弧成功后，K2断开，加热电极II，被加热的电极II实现对管件的加热，工作停止时，关闭开关K1。

所述的电流检测电路中电流大于5-10A时，认为电弧引燃成功。

所述的电流检测电路检测到电流小于定值时，闭合开关K2重新引弧。

本发明的优点效果如下：

本发明采用串联电弧加热，由几个电弧串联组成，把一个高功率的集中热源分解成几个低功率的热源，同时，可以采用能形成内嵌电弧的电极结构；电极首要作用导电和放电，在本发明中同时还作为发热体，其热量来源于电弧。电弧的引燃特性和高能量密度的特性使其多用于熔炼、焊接和喷涂等领域，通过本专利的结构使其可以用于加热和要求具有一定恒温区的加热场合。电弧的加热功率等于电弧电压与电弧电流的乘积，电弧电压与弧长成正比关系，弧长越长弧压越高，采用多个电弧串联，减小单个电弧的弧长；稳定的电流和放电电极面积成正比，采用锥型电极形状在小电流时，也可以获得稳定的电弧；采用多电极串联电弧，形成分布式电弧，增加加热区。具有一定间距的两个电极要形成电弧，首先要引弧，单个电弧可以采用短路引弧，多个串联电弧不易采用短路引弧，为使多个电极间产生多个电弧，采用高频高压脉冲引弧，通过串联耦合的方式，把高频高压电同时加在串联电弧的电极上，击穿电极间的气体，形成串联电弧，同时高频高压电具有稳定电弧的作用。

电极I和电极II之间形成的电弧，电极II和电极III之间形成的电弧，都位于电极II内部，形成内嵌式电弧，两个电弧首先加热电极II，电极II就成为高温热源，这个热源尺寸相对于电弧的尺寸来说，高温区扩大了数倍，形成远大于弧长的高温区，形成了温度低于电弧温度，尺寸远大于电弧的加热源。

附图说明

图1为本发明串联电弧加热结构示意图。

图2为本发明引燃及逻辑控制示意图。

图3为本发明应用实施例示意图。

图中，1-导电体I；2-电极I；3-电极II；4-电极III；5-导电体II；6-待加热管件。

实施方式

如图1所示，一种串联电弧加热结构，包括导电体I、导电体II和至少三个电极，至少三个电极包括电极I、电极II及电极III；电极I、电极II及电极III形成串联电弧，电极I和电极II之间形成加热电弧，电极III和电极II之间形成加热电弧；电极I和电极III分别连接导电体I、导电体II。

本发明还包括，一种串联电弧加热结构在管件加热中的应用。

一种串联电弧加热结构在管件加热中的应用，如图2、3所示，包括下述步骤：

将串联电弧设置于待加热管件的内腔，并将串联电弧与电源、电流检测电路、高频电压耦合器TB1、高频发生器及开关K1、开关K2连接，形成回路；其中，电源为串联电弧提供能量；高频发生器产生高频高压交流电，用于引弧和稳定电弧燃烧；高频电压耦合器TB1把高频高压电耦合到主电路实现引弧；启动时，开关K1、开关K2闭合；电极I和电极II之间，电极II和电极III之间高频击穿，产生串联电弧，电流检测电路检测到电流值达到定值引弧成功后，K2断开，加热电极II，被加热的电极II实现对管件的加热，工作停止时，关闭开关K1。

所述的电流检测电路中电流大于5-10A时，认为电弧引燃成功。

所述的电流检测电路检测到电流小于定值时，闭合开关K2重新引弧。

本发明导电体I和导电体II的主要作用是导电和散热，可以降低电极I和电极II的温度；电极I和电极II之间形成加热电弧，电极III和电极II之间形成加热电弧；电极I、电极II、电极III要求具有良好的导电性、高温特性；电极II两端产生两个电弧，两个电弧加热电极II，电极II作为热源再去加热被加热的物体，电极II应具有良好的导电性、导热性和高温性能。导电体I和电极I可采用两种材料，两者镶嵌固定在一起，也可以采用同种材料一体加工成型；导电体II和电极III可采用两种材料，两者镶嵌固定在一起，也可以采用同种材料一体加工成型；电极材料的选择根据电炉工作温度选取，熔点要大于炉的工作温度且具有良好的导电导热性。例如对于工作温度最高达1700℃炉子，导电体I、导电体II可采用铜（加冷却），也可采用钨；电极I和电极III可采用钨，电极II采用石墨。

电弧的引燃及控制如图2所示，电源为串联电弧提供能量，电源可以是直流、交流和脉冲，采用脉冲调制电源供电可以提高温度场的均匀性和电弧的燃烧的稳定性。高频发生器产生电压几千伏，频率几百KHz的高频高压交流电，用于引弧和稳定电弧燃烧。高频电压耦合器TB1把高频高压电耦合到主电路实现引弧。

图3是一种应用实例，图3是利用图1的串联电弧加热管6；在高温下，测量管6的力学性能的应用实例。在管的两端分别加载管承载的扭力和拉伸力；电气连接按图3连接。温度加热到设定温度时，分别加载拉力F或扭力M，便可测量管6的力学性能。

附加说明，如果需要的高温场区大，可以采用多于2个电弧串联。本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。