基本信息
- 項目名稱：
- 一種制備高性能等離子體點火用陰極材料的方法
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本實驗以提高陰極材料的壽命進而降低成本為出發(fā)點，采用SPS法（放電等離子燒結(jié)）和熔滲法制備出Ag－W陰極材料、三元復合稀土（La2O3：CeO2：Y2O3＝1：1：3（質(zhì)量比））—Ag陰極材料，與廣泛應(yīng)用的純銀陰極材料相比，抗燒蝕能力有了較大的提高，從而可以有效地降低成本。
- 詳細介紹：
- 等離子點火技術(shù)作為替代燃油點火的新型點火技術(shù)在全國范圍內(nèi)迅速發(fā)展起來。其中等離子發(fā)生器陰極材料的性能是影響該項技術(shù)的關(guān)鍵。而目前等離子發(fā)生器存在著陰極電子發(fā)射和耐電弧侵蝕能力不強，壽命較短等問題，從而影響了該技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。 本項目以提高銀陰極材料的使用壽命為出發(fā)點，從而達到降低等離子點火技術(shù)成本的目的。實驗采用SPS法（放電等離子燒結(jié)）和熔滲法制備出Ag－W陰極材料、三元復合稀土（La2O3：CeO2：Y2O3＝1：1：3（質(zhì)量比））—Ag陰極材料，并對其進行了力學性能，導電和導熱性能等測試，觀察和分析了其顯微組織結(jié)構(gòu)。 采用SPS法制備的Ag-W陰極材料，材料達到了較高的致密度，組織均勻。 采用SPS法制備Ag-三元稀土氧化物陰極材料，在500℃左右燒結(jié)時致密度和硬度均達到最大值，且組織均勻。 采用無壓熔滲法制備了W-40Ag陰極材料。制備的W-40Ag陰極材料致密度高，導電導熱能力較SPS法制備的Ag-W陰極材料高。觀察和分析了W-40Ag陰極材料的顯微組織，組織均勻。 最終實驗結(jié)果表明，本實驗陰極材料與廣泛應(yīng)用的純銀陰極材料相比，提高了使用壽命，有效地降低了成本。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 近年來，電弧等離子體被廣泛應(yīng)用于火電站鍋爐點火。裝置中的關(guān)鍵部分是等離子發(fā)生器陰極。當前常用的陰極材料是碳棒和純銀。由于兩者性能的局限，陰極工作穩(wěn)定性差。且壽命僅60小時左右。 作品發(fā)明的目的： 尋找能替代碳棒和純銀的陰極材料，通過提高等離子發(fā)生器的陰極壽命達到節(jié)約成本、提高性能的目的。 作品設(shè)計、發(fā)明的基本思路： 鑒于單一材料難以滿足陰極材料要求，我們考慮使用以銀為基底的復合材料，滿足陰極材料的使用要求。所用添加元素是鎢和稀土金屬氧化物（La2O3，CeO2和Y2O3）。 鎢具有高的熔點、硬度、良好的抗燒損和導熱性能并且價格低廉。稀土金屬氧化物作為活性物質(zhì)，可以降低材料的逸出功，提高熱電子發(fā)射能力。將鎢和稀土加入到陰極材料中，都可以降低成本。 創(chuàng)新點： ①嘗試配置不同比例的Ag-W，通過橫向比較，得出最佳配料方案。 ②在原陰極材料純銀的基礎(chǔ)上，加入稀土氧化物，提高電子發(fā)射能力。 技術(shù)關(guān)鍵： ①成分及配比。 ②樣品制備質(zhì)量。 主要技術(shù)指標： ①每瓦加熱功率下的發(fā)射電流密度； ②工作壽命； 其他技術(shù)指標：穩(wěn)定性，抗中毒能力，中毒后恢復能力以及外部性能。
科學性、先進性
- 科學性：本研究以延長等離子點火器陰極材料的使用壽命為基本出發(fā)點，采用復合材料取代傳統(tǒng)的純銀，從兩方面對材料的性能進行改進：①提高熔池的表面張力束縛作用，減少銀液滴噴濺。采用方案：借助高熔點、高硬度金屬鎢做骨架。②通過提高陰極電子發(fā)射能力，消耗陰極斑點區(qū)能量，降低陰極溫度，減少陰極熔化。采用方案：在原陰極材料純銀中加入稀土氧化物。 先進性：①制備的Ag-W陰極材料基本物理性能滿足陰極材料要求，實驗表明，與純銀相比，Ag-W陰極材料電弧亮度增加明顯，可在保證原有性能的前提下節(jié)約成本。②制備的Ag—稀土氧化物陰極材料電子發(fā)射能力增強，抗電弧燒蝕能力比目前的純銀陰極有較大幅度提高，燒蝕速率比約為1/5，即提高了陰極壽命，從而降低成本。 參考文獻： [1]劉孫和,劉心宇.在鎢電極中添加稀土元素的優(yōu)化研究.稀有金屬與硬質(zhì)合金, 2003,31(2). [2]徐國富，趙慕岳.稀土在銀及合金中的作用.冶金叢刊,1994年第2期.
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2008年12月在本校課外學術(shù)科技競賽中榮獲一等獎。 2009年6月獲首都“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽一等獎。 2009年6月，通過國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目驗收，獲一等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 暫無
作品可展示的形式
- 圖片、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 產(chǎn)品技術(shù)特點和優(yōu)勢：本研究制得的等離子發(fā)生器陰極復合材料，為銀和三元稀土氧化物（CeO2，La2O3，Y2O3）的組合及以鎢為骨架的銀鎢組合。其電子發(fā)射能力強，電弧明亮，弧形穩(wěn)定細長，陰極抗燒蝕能力較強，壽命較目前普遍使用的純銀有所提高。 使用范圍：大型工業(yè)煤粉鍋爐，大型火電廠的點火 推廣前的技術(shù)性說明：相同原料配比，不同混粉、燒結(jié)質(zhì)量也會影響產(chǎn)品壽命。要進一步通過實驗確定最佳混粉和燒結(jié)工藝。 市場分析：純銀陰極頭的平均壽命為60h，每個燃燒器一年工作500h陰極頭更換費用(每支500元)為500/60*500=0.417萬元。600MW機組一般有5—10個數(shù)量不等的燃燒器，更換成本約為2萬元。提高陰極壽命可以節(jié)約成本。 本實驗制得的稀土復合材料原基礎(chǔ)上壽命提高近5倍，且原料稀土價格低廉，經(jīng)濟效益顯著；以鎢為骨架的銀鎢組合材料，在保證原壽命的基礎(chǔ)上節(jié)約純銀用量，節(jié)約成本。
同類課題研究水平概述
- 國內(nèi)外學者們提高等離子發(fā)生器陰極材料性能的思路主要是改變陰極材料的成分和改變制備陰極材料的方法兩個方面。 （1）改變陰極材料的成分 a.單元稀土+鎢熱陰極材料 1)W-Th02：適合用于高電流密度、大功率等離子發(fā)生器。缺點是在生產(chǎn)和使用中產(chǎn)生放射性污染，而且W-Th02電極的電弧穩(wěn)定性和耐久性滿足不了日益發(fā)展的技術(shù)要求。 2)W-CeO2、W-La2O3、W-Y2O3 ：日本，埃及和國內(nèi)的學者都認為W-La2O3電極具有最突出的使用性能，電子發(fā)射本領(lǐng)最高，W-CeO2和W-Th02電極的次之。 b.多元復合稀土+鎢熱陰極材料 1)二元稀土（CeO2∶Y2O3=1∶3，CeO2∶La2O3=1∶1，La2O3∶Y2O3=1∶3）:對二元稀土鎢電極而言，這3種成份的電極性能較為突出，尤其是耐久性方面。 2)三元稀土（CeO2∶La2O3∶Y2O3=1∶1∶3）：這是最佳的三元稀土氧化物比例。此類電極的工作溫度最低，發(fā)射電子效率最高，端部形狀保持得好，綜合性能較為突出。 但總體來講以金屬鎢為主的陰極材料電子發(fā)射能力較純銀陰極材料有明顯的降低。 c. 碳棒+純銀陰極材料 優(yōu)點是碳棒的熔點很高，銀和碳棒的導電和導熱性能非常好。缺點是高溫下銀易氧化，熔點較低，不適宜在高溫下使用。無論是碳棒還是金屬銀，電子發(fā)射能力較差，導致陰極工作溫度高，易發(fā)生燒蝕，其平均工作壽命大都在50小時左右。 d.純銀陰極材料 銀屬于貴金屬，是熱和電的良好導體。具有高溫穩(wěn)定性、抗化學腐蝕、抗氧化和低膨脹系數(shù)等性能。但是純銀價格昂貴，并且熔點較低，電子發(fā)射能力較差，作為陰極材料有很大的局限性。 （2）改變制備材料的工藝 納米復合陰極材料：張暉、陳獻峰制備了納米復合W－ThO2陰極材料，并發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)陰極材料相比，納米復合陰極材料起弧電場強度低而且非常穩(wěn)定，發(fā)射電子能力強，起弧及穩(wěn)弧性能好，而且電子發(fā)射位置分布均勻，看不到明顯的電弧灼痕和灼坑。
