等離子熔煉(plasmamelting)

利用等離子弧作為熱源來熔化、精煉和重熔金屬的一種冶煉方法，簡稱PM。有時它的熔煉對象也可以是非金屬材料。等離子熔煉屬于等離子體在冶金中的一個應用分支，也是特種熔煉技術的主要方法之一。等離子弧與自由電弧不同，屬于壓縮電弧，能量高度集中，電離度更高，它是用通有氣體的等離子槍對電弧施以壓縮而形成的。等離子熔煉的特點是電弧具有超高溫并可有效地控制爐內氣氛，因而適合于熔煉活潑金屬、難熔金屬及其合金。

發展簡史等離子體技術在冶金中的應用可追溯到18世紀中葉，肯耐斯里(E．Kinnersly)等人用電火花熔化金屬。1878年法國西門子(w．Siemens)發明了帶水冷底陽極的直流電弧爐和水平非轉移弧的直流電弧爐。后者即為現代等離子熔煉爐的雛形。它的兩根電極水平設置，其中陰極為水冷銅棒，陽極為石墨管，通入中性或還原性氣體。現代等離子熔煉技術開發于20世紀50年代末至60年代初，美國聯合碳化物(unionCarbide)公司所屬的林德(Linde)公司開始研制的11kg的等離子電弧爐PAF和實驗型等離子電弧重熔(PAR)爐。在同一時期，前蘇聯、東歐國家以及日本也進行了許多研究工作，并將其應用于工業生產。到了70年代烏克蘭巴頓電焊研究所已形成PAR爐的系列設備，最大容量為5t。原民主德國弗賴塔爾(Freital)特殊鋼廠于1973年和1977年先后投產了15t和40t兩座PAR爐。日本大同特殊鋼公司于1969年和1975年開發了0.5t和2t的等離子感應爐(PIF)。該公司于1982年還建成了2t的PAR爐。日本不銹鋼公司(Ulvac)在60年代開發了等離子電子束重熔技術，1971年建成了一臺有6支槍，每支槍輸出400kW的等離子電子束重熔(PEB)設備，直接由海綿鈦煉成3t的鈦錠。進入80年代，等離子熔煉技術已比較成熟，發展也相對減慢。近年來在鋼水加熱方面的應用發展較快，如等離子鋼包加熱和中間罐加熱。中國于70年代初開始研究等離子熔煉技術并建成了一些實驗設備和容量在0.5t以下的工業爐。等離子熔煉已在許多國家得到開發和應用，所涉及冶煉產品也十分廣泛，但總的產量還較低。

基本原理等離子熔煉主要是基于等離子體的超高溫和根據不同的需要可有效地控制爐內氣氛以實現特殊金屬或合金的熔煉。有時還可以利用水冷結晶器使金屬或合金實現順序凝固以獲得高質量結晶組織的錠子。

等離子體電弧的獲得等離子體是固態、液態和氣態之外物質的第4態，是分布于中性粒子氣體中的電子與離子的混合物。而且正電荷與負電荷的濃度相等。它具有高的導電性、熱容量和導熱性。等離子體還受電場和磁場的作用。應用于冶金的是低溫等離子體，溫度通常為5000～2000K。等離子體電弧是用直流電或交流電在兩個或更多個電極間放電，有時也用高頻電場放電獲得的。放電時氣體電離的實質是發生電子雪崩，這種雪崩具有連鎖反應特性，因而電離速度極快。等離子體電弧是比自由電弧電離度更高的壓縮電弧。當電極間氣體放電形成的電弧受到外界氣流、器壁或外磁場的壓縮，使弧柱變細，溫度更高，能量高度集中時便形成壓縮電弧。

產生上述等離子電弧的裝置叫做等離子發生器或稱等離子槍。可分為轉移型和非轉移型兩類。前者陰極裝在等離子槍內而陽極是被加熱的物體即被熔煉的金屬；后者兩根電極都裝在槍內，通入的氣體在槍內被電離，在兩極間產生電弧，并從槍端噴出高溫等離子火焰。另外，等離子槍所用的電源有直流、交流和交直流混合型。目前，等離子熔煉設備中使用的主要是直流轉移弧型等離子電弧。

工作氣體與氣氛控制根據冶煉工藝的要求通入等離子槍內的工作氣體可以是惰性、氧化性、還原性和氯化氣體。最常用的惰性氣體是氬氣。使用惰性氣體等離子電弧的爐子中具有真空冶煉相似的熱力學條件即爐內有害氣體氮、氫和氧的分壓很低。例如在含有0.05％(體積)活性氣體雜質的惰性氣氛下熔煉，其熱力學條件與在66．6Pa下的真空過程相當。因此，可以有效地防止一般電弧爐冶煉時金屬熔池吸收來自空氣中的氮、氫和氧的情況，冶煉出氣體含量低的金屬和合金。同時，合金元素的氧化損失明顯減少，收得率提高。如果采用高純氬氣可熔煉非常活潑的金屬及其合金，例如Ti和Zr。而對于易揮發元素(如Mn和Cr)的收得率可高于真空熔煉。由于等離子弧不增碳，等值真空條件使得鋼液中碳氧反應接近平衡值，因而可冶煉超低碳不銹鋼。采用(H₂+Ar)混合氣體等離子電弧可以實現金屬或合金的脫碳、脫氮和脫氧。其反應方程如下：[

[c]+4H_(g)=CH_4(g)

[N]+3H_(g)=NH3_(g)

[O]+2H_(g)=H₂O_(g)

由于反應產物是氣體，因而上述反應很容易進行。從而可冶煉出碳、氮和氧含量很低的金屬。若采用含氮等離子弧，熔融金屬能迅速有效地從等離子體中吸收氮，從而可生產出含氮1.0％左右的奧氏體不銹鋼。

熔渣精煉在熔煉過程中添加經預熔的爐渣，在高溫等離子弧的作用下渣金反應的熱力學和動力學條件得到改善。因此，金屬的脫硫效果顯著。若采用(H₂+Ar)還原性等離子弧噴射含鈣化合物粉劑，硫可降至0.0007％以下。活躍的爐渣容易吸收鋼中的非金屬夾雜物。加上碳氧反應和氫氧反應脫氧產物為氣相，因此可獲得夾雜物含量極低的金屬。

金屬凝固的控制采用銅結晶器的等離子重熔爐可以實現金屬熔化和凝固的同時進行。由于等離子電弧功率和向熔池沖擊的角度容易調節，而且可以根據錠子截面大小使用一個或多個等離子槍來控制熔池的溫度分布造成徑向溫度相對均勻，軸向溫度梯度很大，金屬熔池呈淺平形，造成金屬結晶趨于定向生長并抑制宏觀偏析的條件，因而獲得的錠子成分均勻、組織致密。另外，在重熔的補縮階段，等離子電弧比其他二次重熔方法更容易控制溫度，因而錠子頭部結晶缺陷少，可減少切頭率。

熔煉方式與爐型等離子熔煉可分為一次熔煉和二次重熔兩種方式。一次熔煉是用廢鋼和鐵合金或其他塊狀粗級金屬作原料在耐火材料坩堝中熔化成金屬液的過程。其基本爐型有PAF和PIF。二次重熔是將通過其他冶煉方法初煉的金屬或合金用等離子電弧重新熔化和精煉并在水冷結晶器中凝固成錠的過程。其基本爐型有PAR爐和PEB爐。PEB爐與PAR爐基本相同，其區別就是用等離子束槍代替常見的等離子槍。電子束槍的核心是鉭(Ta)制中空陰極。其工作原理是：在低真空下(0.13～13.3Pa之間)用氬等離子弧加熱鉭陰極，使其發射熱電子，這些熱電子在電場作用下高速飛向陽極，即飛向銅制水冷結晶器的金屬爐料或金屬熔池。在由鉭陰極發射的熱電子高速飛向陽極途中，它們又不斷激發氣體分子或原子，使之不斷電離，又不斷放出高能量的熱電子，形成熱電子流，轟擊金屬使其熔化，達到熔煉目的。與此同時，正離子飛向陰極。

工業生產概況作為特種熔煉的一個分支，等離子熔煉不及其他熔煉方法在工業中普及。主要原因有3：(1)起步較晚，技術有待于進一步完善；(2)由于設備投資費用相對較大，等離子槍壽命較低，運行過程中氣體和耐火材料消耗較大，導致生產成本較高；(3)其他熔煉技術的發展也較快，甚至爐外精煉技術韻發展也把等離子熔煉技術的應用范圍限制在較特殊的場合內。

在各種等離子熔煉方式中，PAF在工業生產中使用較多而且規模較大。除了原民主德國弗賴塔爾廠以生產不銹鋼為主的15t和40t爐子外，奧鋼聯于1983年建成了變壓器容量為36MVA的45～601，的PAF用于生產合金鋼和普碳鋼。生產能力為7～10萬t／a。而前蘇聯安裝了一臺100t的PAF用于生產鐵合金。其他國家則以小型PAF用于各種高級合金鋼的生產。PIF應用很少。工業生產主要是在日本的大同特殊鋼公司。主要是替代真空感應爐生產超低碳不銹鋼、鎳基高溫合金和電磁材料等。另有少數國家如中國、加拿大等則主要作為實驗設備用于研究工作。PAR爐在日本和前蘇聯應用較多。主要用于生產鈦及其合金，鋯合金、軸承鋼、高氮鋼、高溫合金、貴金屬及其合金、鈾合金和難熔金屬。前蘇聯最大的PAR裝置可生產3.5～5.0t錠子。日本大同特殊鋼公司則用海綿鈦生產出2t的鈦錠作VAR爐的自耗電極。日本另一家公司用PEB爐重熔出4t的鈦扁錠。其他國家應用較少，估計全世界PAR錠的年產量不足3萬t。

展望等離子熔煉的今后發展取決于技術上和經濟上與其他特種熔煉方法甚至爐外精煉方法的競爭。為此，一方面要進一步提高等離子熔煉設備的技術性能并不斷降低其操作成本，另一方面要充分發揮其冶金特點生產出特殊質量要求的產品。首先要提高大功率等離子槍的制造技術以及相應的供電和控制技術。近年來，西方發達國家的多家公司投入大量資金開發MW級的長壽命等離子槍，并已取得了明顯進展，已有6MW的槍投入運行。特別是交流等離子槍的研制取得了重要進展，已有2.4MW的交流槍投入工業運行。另外．可控硅整流設備的技術進步和價格的降低也進一步提高了直流等離子槍的競爭能力。采用中空石墨陰極等離子體在某些場合可代替水冷金屬等離子槍，從而可顯著降低生產成本。這樣的等離子爐的功率完全可以達到大型超高功率電弧爐的水平，從而使大型等離子電弧爐工業化成為可能。此外，可生產高附加值產品以彌補生產成本相對較高的缺點。例如用氮氣等離子弧生產常規方法難以生產的高氮奧氏體不銹鋼，用(H₂+Ar)等離子弧加熔渣精煉生產超純軸承鋼。這種方法還適合于生產難熔金屬、含有較高蒸氣壓組元的合金和活潑金屬及其合金。用等離子電弧在水冷銅質熔池中熔煉鈦或鎳基合金，然后澆入水冷銅坩堝中來生產近乎無雜質的金屬。此外，利用等離子電弧對鋼水無污染的特點而用于鋼包和中間包的加熱近年來發展很快。到了1996年已有數十臺連鑄機的中間包上安裝了等離子槍用于中間包鋼水的加熱和溫度控制，已取得了較好的效果。與此同時，近年來等離子冶金中其他分支的技術開發和應用十分活躍。其中包括鐵和鐵合金的直接還原與熔融還原，用碳還原活潑金屬(如Ti、Al)和難熔金屬(如V、Nb、Ta)的氧化物，還有用等離子體技術處理鋼鐵廠粉塵等冶金廢料。