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陶瓷金卤灯电弧管内壁腐蚀综述[1]

2012-6-5  来源:照明工程学报  作者:李炜 张善端  有9179人阅读

  本文分析了陶瓷金卤灯工作过程中,陶瓷管内壁的气相腐蚀机理及电弧管中的输运过程。介绍了诊断管壁腐蚀程度的X 光成像、扫描电镜和努森泄流质谱等方法,从电弧管结构、金属卤化物组分改进和电极封接等方面总结了减少陶瓷管壁腐蚀的措施。

  陶瓷金卤灯电弧管的管壁材料为多晶氧化铝( PCA) . 在1150℃以下,PCA 一般不与填充的金属卤化物发生化学反应,因此陶瓷电弧管的工作温度比石英电弧管提高约200℃,这使陶瓷金卤灯的光效和显色性进一步提高。

  虽然陶瓷电弧管能承受更高的温度,陶瓷金卤灯的发展仍受到种种限制。其中就包括在相对温度较高的情况下,陶瓷管内壁材料与金属卤化物发生化学反应而受腐蚀[1],引起管壁温度改变,导致灯的光色电参数改变。特别是在材料、工艺不成熟的情况下,严重的腐蚀会导致陶瓷管壁发白,影响出光,甚至引起电弧管漏气而使灯失效。因此,研究陶瓷金卤灯中管壁的腐蚀机理及影响腐蚀程度的各种因素,对优化制灯工艺,延长灯寿命,改善灯特性有着非常重要的意义。

  1 电弧管内的温度分布与对流

  在工作状态下,陶瓷金卤灯的电弧温度比管壁温度高得多,因此电弧管内的温度梯度很大,会产生强烈的对流,在电弧管的中部向上流动,在管壁处向下流动。图1 所示为工作状态下陶瓷电弧管内的温度分布。轴心的温度最高,可达6000 K; 电极上电弧附着点的温度约为3000 K; 管壁的温度最低,只有1300 K。电弧管内强烈的对流决定了冷端的位置。Hilpert 等描述了一种竖直燃点的陶瓷电弧管内的温度分布[2],如图1 ( a) 所示,电弧位于中心轴线上,最高温度位于上端电极下方附近,冷端位于下端电极附近。van Erk 等描述了一种水平燃点的电弧管内的温度分布[3],如图1 ( b) ,管内对流使电弧上飘,使得电弧管的温度分布不对称,上端靠近电弧,温度最高( 1550 K) ; 下端远离电弧,温度最低( 1300 K) ,为冷端。

  图2 为本文实测的70 W 陶瓷电弧管工作状态的红外热成像图。受两种燃点位置下电弧管内对流的影响,电弧管外表面的最高温度和冷端温度分别在上椭圆和下椭圆区域内。

  灯燃点时电弧管内的对流决定了电弧管内壁的腐蚀。一方面,气相金属卤化物随对流输运,在管壁高温区与管壁材料反应,腐蚀管壁。反应的产物又随对流在电弧管内输运。另一方面,对流决定了电弧管内壁的冷端,过量的金属卤化物以熔盐的形式沉积在冷端,腐蚀冷端的管壁。

  2 管壁的腐蚀机理

  电弧管内通常填充过量金属卤化物药丸,它们在管内高温下部分蒸发,部分以熔盐形式存在,平衡时达到饱和蒸气压。陶瓷管内壁的腐蚀主要由两个因素造成: 一是气相金属卤化物盐与管壁材料反应造成的腐蚀; 二是金属卤化物熔盐沉积在冷端,对冷端管壁的腐蚀[3]。

  以为例,气相金属卤化物盐对管壁的腐蚀主要发生了以下化学反应[3]:

  反应( 1 ) 中的金属卤化物盐与管壁材料反应,生成进一步与管壁材料反应,生成AlOI。其中反应( 1) 中的产物作为输运剂,高温下反应( 2) 向右边进行,低温下反应( 2) 向左边进行。因此在气相物质中,被灯内强烈的对流输运到低温区域,而AlI3可源源不断从反应( 1) 中得到补充,从而连续将Al2O3从高温区向低温区输运。

  除了气相物质对陶瓷管壁的腐蚀外,金属卤化物熔盐也会腐蚀管壁。但这一腐蚀的机理目前尚不清楚。van Erk 指出金属卤化物熔盐对石英管壁的腐蚀是源于熔盐使发生了相变,从玻璃相变为晶体相[3]。而熔盐对PCA 管的腐蚀机理尚无定论,只是提出与PCA 的结构变化无关。通常熔盐沉积在内管壁的冷端,熔盐对管壁的严重腐蚀可能导致管壁发白甚至泄漏。

  3 陶瓷金卤灯中的输运过程

  将电弧管内部视为一热力学系统,使该系统从非平衡状态向平衡状态过渡的过程称为输运过程。陶瓷金卤灯工作时,电弧管内存在复杂的输运过程,主要的过程有两个: 化学反应与热传导。上述只介绍了陶瓷电弧管管壁腐蚀的基本机理。事实上,任何关系到管壁材料输运的过程都与管壁的腐蚀有关。要研究陶瓷金卤灯管壁的腐蚀,就必须研究电弧管内的输运过程。

  电弧管内的输运过程十分复杂,因此抓住输运过程中的主要因素,对过程作一些简化,有助于对过程进行模拟、计算,从而对实际过程做出定性、半定量分析。Fischer 等通过一个简化模型对电弧管内的输运过程进行了模拟计算[4]。他们模拟了系统,用三个反应描述管内的输运过程。其中一个反应如式( 2) 所示,另两个反应与Al2O3的蒸发有关:

  图3 显示了灯内与反应( 2 ~ 4) 相关的输运过程。如上所述,反应( 2) 是与陶瓷管壁腐蚀有关的可逆反应。在高温区,反应( 2) 向右边进行,管壁材料以AlOI 为载体输运到低温区; 在低温区,反应( 2) 向左进行,就沉积在低温区,同时释放出AlI3,继续参与高温区的反应。这一可逆反应中,以AlOI 的形式从高温区区输运到低温区,是输运剂,本身并不减少,而维持反应的持续进行。反应( 3,4) 是的蒸发过程,通过蒸发,管壁材料以AlO 和 的形式输运到低温区,在那里又凝结成沉积。通过这一模型进行模拟计算,结果显示,温度低于1773 K时,反应( 2) 决定的输运过程起主导作用; 温度高于1773 K 时,的蒸发( 反应( 3,4) ) 决定的输运过程占主导。此外,熔盐的成份决定了相物质的成份,会影响电弧管内的输运过程,进而影响腐蚀程度。另一影响腐蚀程度的因素是高温区与低温区的温差。

  

 

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