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陶瓷金卤灯电弧管内壁腐蚀综述[3]

2012-6-5  来源:照明工程学报  作者:李炜 张善端  有9287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。

  除以上诊断方法外,还可建立输运模型来评价腐蚀程度。由于电弧管中填充物质中不含Al,因此气相中含Al 元素的物质一定都来自管壁材料。故计算气相中所有含Al 元素物质的分压的总和,就可以表征管壁的腐蚀程度。van Erk 计算了石英管和PCA 管在填充,冷端温度1300 K 时,管内气相含Al 元素物质与含Si 元素物质的分压总和[3],如表1 所示,由此可判断管壁的腐蚀程度。

  5 防止管壁腐蚀的工艺改进

  针对陶瓷金卤灯管壁腐蚀的机理,主要可以从电弧管结构和填充药丸成分两方面改进制灯工艺,以减小管壁的腐蚀程度,延长灯寿命,提高灯的性能。

  5. 1 电弧管结构的改进

  改进电弧管的形状和结构,可以改善管内的温度分布,从而控制腐蚀。Jungst 等[9]比较了圆柱形电弧管和椭球形电弧管的温度分布。结果发现,椭球形电弧管的腐蚀要小于圆柱形电弧管。这是因为:

  ( 1) 如图7 所示[9],椭球形电弧管在其下部冷

  端区域( 约为24 ~ 32 mm 之间) 温度梯度更小,温度更均匀,冷端区域金属卤化物蒸发、凝结速率小,减弱了腐蚀。Fischer 等[4]通过模型计算发现,管中输运的Al2O3含量随温度梯度的增加而增加( 图8) ,梯度越大,腐蚀越严重。

  ( 2) 椭球形电弧管相比圆柱形电弧管不易形成冷端,因此不易沉积熔盐,腐蚀少。Fischer 等[4]模拟了椭球形和圆柱形电弧管在竖直燃点下的内管壁温度分布及相应的冷端位置。由于椭球形电弧管没有圆柱形电弧管那样的棱角,故不易形成冷端,也不易沉积熔盐,相应的腐蚀就少。图9 显示了两种电弧管耐腐蚀能力的比较。可见,椭球形电弧管比圆柱形电弧管更耐腐蚀。

  5. 2 金属卤化物填充药丸的改进

  金属卤化物填充药丸的成份同样对腐蚀程度有影响。一般而言,金属卤化物浓度越高,光通量就越大,但相应的腐蚀就越严重。因此,通过增加金属卤化物填充量的方法提高光通量的时候,要兼顾金属卤化物对管壁的腐蚀问题。

  电弧管中,气相金属卤化物以MXi,M'Xj( M,M'为金属元素,X = Br,I) 等形式存在,它们会反应生成气相的络合物( heterocomplex) MM'Xi + j,这一络合物的存在,会大大增强金属元素的浓度,从而增加光源的光效,改善显色特性。

  Hilpert 等[2,10]研究了由碱金属卤化物AX 和稀土金属卤化物LnX3组成的准二元系统。他们指出,络合物ALnX4的形成经历了两个相变过程和一个化学反应过程,如图10 所示,其中A 为碱金属元素,Ln 为稀土金属元素,X 为Br,I,p 气相分压,p'凝聚相分压,a 热力学活性,Kp化学反应平衡常数。经历这些过程后,ALnX4的分压相比原来凝聚相AX和LnX3的分压有了很大的提高,因此金属元素A和Ln 的浓度大大增强,提高了光效,改善了显色特性。最终产物ALnX4的分压提高缘于两种过程: 相变与化学反应。相变过程中对分压提高的贡献用热力学活性a 表征,而化学反应过程中对分压提高的贡献用反应的平衡常数Kp表征。因此要增强电弧管中金属元素的浓度,实际上就是要使a 和Kp尽量大。另一方面,热力学活性a 越大,金属卤化物盐越容易腐蚀管壁[10]。要兼顾两方面,实际上就是要使得a 较小,而Kp较大。

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