[科普中国]-等离子加热

特点

等离子加热的特点：①温度高；②功率密度大，热量集中；③等离子体一般呈中性，可避免物料的氧化和还原，还可在真空或控制气氛中加热；④等离子体可有极高的流速，有利于某些作业如切削、喷涂等的进行；⑤与电子束加热和激光加热相比， 设备和生产费用都较低， 更适合于碳钢、低合金钢等一般材料的加工；⑥易于与其他加热方法（如感应加热、燃料加热等）配合，取长补短；⑦正、负离子可促使很多化学反应产生；⑧用不同工作气体可获得不同化学活性的等离子体；⑨能用磁场控制等离子体的分布和运动， 有利于化工过程的进行；⑩高频等离子体洁净，加热时不会使物料受污染等。

等离子体与加热原理气体电离形成的等离子体是由未电离的气体分子、原子以及总电荷量相等的正离子、自由电子和负离子组成的，其聚集态列在固态、液态和气态之后，称为物质的第四态。等离子体在总体上呈中性，但有较大的导电率，其运动主要受电磁力的支配。等离子体有很高的温度，气体电离的程度愈高，等离子体的温度也愈高。天然等离子体在地球上虽不多见，但却是宇宙空间物质存在的一种主要形式。

根据电离度的不同，等离子体分为超高温、超高能量密度的完全电离等离子体（如核聚度）和电离度不足1%的弱电离等离子体（如电弧放电等）两大类。工业上应用的等离子体属后者。这种弱电离等离子体根据其中性粒子、离子、电子三者之间是否呈热平衡态，又分为平衡等离子体， 即高温等离子体和非平衡等离子体， 即低温等离子体两类。

高温等离子体温度很高，约为4500℃至数万摄氏度，热容量也非常大，主要用于物料的加热、熔化。

低温等离子体在真空条件下， 用高压电场或灯丝电子发射等方法使工作气体电离而成，温度较低，一般不超过1000℃，而且热容量也非常小，主要用于材料表面处理。有离子渗、离子溅射、离子蒸镀、离子刻蚀、离子注入等。

（1）离子渗：用来在工件表面渗入氧、碳、硫、硼或进行碳氧共渗、硫氮共渗、碳氮氧共渗等，以提高工件的耐磨、耐蚀和抗疲劳性能，其中以离子渗氮用得最普遍。所用设备叫离子氮化炉。工作时，工件接阴极，炉壳等接阳极， 先抽真空， 然后送入氨或氨氮混合气体，在400～800 V电压下，炉内气体辉光放电，产生等离子体。其中的氮正离子轰击工件使其温度升高（到500～560℃），同时进入工件表面并向内部扩散形成渗氮层。离子渗碳在真空渗碳炉内进行，送入的是甲烷，电离后得到碳离子， 须以电阻加热辅助， 使工件达到1200～1250℃。渗其他元素或多元素共渗情况类似。

（2）离子溅射：分阳极溅射和阴极溅射两种。工作气体主要用氩。

阳极溅射用于离子镀膜。工作时，工件接阳极，成膜物质接阴极。氩电离成等离子体后， 氩离子经高压（1～4 kV） 电场加速，轰击阴极， 使成膜物质以分子状态溅射并沉积在工件表面上。也可以进行反应溅射，即将反应气体 （O2、N2、H2S、CH4等）加入氩中， 反应气体及其离子与工件原子和溅射原子发生反应生成化合物（如氮化物、氧化物）而沉积在工件表面。阳极溅射主要用于电子工业中（如在半导体基片上镀膜）和机械工业中（如在工件表面镀TiC、WC等耐磨层）。

阴极溅射主要用于电子工业，用来对半导体基片表面进行清洗、抛光、磨削、减薄等。工作时，基片接阴极，氩离子轰击基片表面，起到清洗等作用。

（3）离子蒸镀：是真空蒸发和阴极溅射技术的结合。工作时，工件接阴极，成膜物质接阳极，成膜物质用其他热源（如电阻热、电子束等）加热，所产生的蒸气电离成等离子体。其正离子经高压（1～5 kV）电场加速轰击工件而沉积在工件表面。氩正离子有清洗工件表面作用，可使膜层附着力大为提高。类似的方法还有活性离子蒸镀、高频离子蒸镀、空心阴极离子蒸镀等。

（4）离子刻蚀：工作原理与阴极溅射类似，但更精细，设备更复杂。工作气体通常用氩气。由于氩离子直径只有零点几纳米，可以认为刻蚀是对逐个原子的剥离，剥离速度约每秒一层到几十层，是一种纳米级加工，可用来刻蚀出分辨率极高的图形，刻蚀精度是任何其他加工方法都无法达到的。例如，能在10 nm厚的膜上刻出8 nm的线。离子刻蚀用于集成电路、声表面波器件、磁泡器件、超导器件、光集成器件等微电子器件的高精度刻蚀。

（5）离子注入：用来把正离子经高压（10～800kV）加速，“打进”接阴极的工件内（注入深度一般在1μm以内）。在电子工业中用于半导体渗杂，在机械工业中用来把选定的原子（He、N、C、B、Al、Ti、Cr、Ni、Co、Mo等）注入机械零件表面以提高其机械性能。

设备由等离子枪、电源、加热装置、控制系统、气路系统和冷却系统等组成。

等离子枪 也称等离子发生器、等离子炬等，有电弧等离子枪和高频等离子枪两种。等离子枪的工作原理如图所示。在图（a）中，阴极（通常用钍钨或铈钨电极）与作为阳极的铜喷嘴之间产生由工作气体弧光放电而形成的电弧。电弧等离子体由于工作气体的压力和喷嘴口的压缩而形成小直径的流束，其温度在3000℃以上，气流速率一般在10 m/s以上，可高达5000 m/s。因为电弧没有转移到被加热物料上，所以叫非转移弧式。图中的高频电源用来引发电弧，电弧形成后即断开。

在图（b）中，电极与喷嘴之间产生的电弧在生成后即被转移到接电源阳极的物料上，所以叫转移弧式。在阴极与物料间的电弧由于机械压缩效应（由喷嘴口引起）、热收缩效应（由于弧柱中心比其外围温度高、电离度高、导电率大，电流自然趋于弧柱中心）和磁压缩效应（由弧柱本身的磁场引起）三者的联合作用，而受到强烈压缩，弧柱变得细长（细如针，也可长到1m以上）。在与弧柱内部膨胀压力保持平衡的条件下，弧柱中心气体高度电离，其温度可达10000～52000℃，气流速度可高达10000 m/s。转移弧等离子枪在等离子加热中用得最广。在实际应用中，有时除阴极与物料之间的电弧——主电弧外，仍保留阴极与铜喷嘴间的电弧——维持电弧。两者合称混合弧。

图（c）所示等离子枪用钽管作阴极。钽管内的工作气体先由高频电源电离，生成的正离子轰击钽管，使其温度上升，自行发射电子。阴极与物料间的等离子弧与转移弧类似。钽比钨更容易发射电子，但易氧化，须在真空中工作，因此，供给物料的能量中有较大部分由阴极发射的电子束提供。除图示者外，电弧等离子枪（或装置）还有其他型式，如石墨中空阴极式、石墨套管式、三相石墨电极式等。

在图（d）和图（e）中，工作气体分别通过高频感应线圈和电容式电极激发电离，所生成的等离子体可经由喷口喷出形成等离子体焰，也可留在工作区内供加热物料用。高频等离子体的优点是不受电极材料的污染，但生产成本高，发生器功率小，用得较少。

电源 电弧等离子枪的电源一般用具有陡降外特性的直流电源，正接，也有用三相交流电源的。其空载电压：用于机械加工的一般在75～400V范围内，用于熔炼的可高到3000 V以上，高频等离子枪的电源通常用高频电子管振荡器，频率在0.4～75 MHz范围内。

加热装置 随设备用途而异，如等离子熔炼炉具有耐火材料炉衬或水冷结晶器的炉体；等离子切割和喷涂装置的工作台或工作小车； 化工生产用的反应罐等。

应用等离子加热用于冶金、机械、化工、电子、航空等许多工业部门。

在冶金工业中，等离子加热用于炼钢、炼钛，处理炼钢电弧炉等废气中的粉尘，以回收合金元素，与感应熔炼炉配合以强化精炼过程， 加热为连铸机提供钢水的钢水包等。设备以有耐火材料炉衬的等离子炼钢炉用得较普遍，最大容量已到45 t（1983年在奥地利投产，用4支6MW直流等离子枪），具有金属收得率高、噪声低、无电压闪变等优点，生产成本可低于炼钢电弧炉，但限于枪的输出功率，炉子容量尚小。等离子加热用于处理炼钢电弧炉的粉尘时，具有炉子密封性好、有的粉尘不必预先烧结、可确保炉内的还原条件、操作方便、设备和生产费用低等优点， 已有较大发展。

在机械工业中，等离子加热用于焊接、切割、喷涂（包括堆焊）和金属表面处理等。等离子切割现在主要用于不锈钢、高合金钢、铸铁、铜、铝及其合金、钨、钼等，有逐步应用于碳钢和低合金钢的趋势；另外，还用于矿石、水泥板、陶瓷等非金属材料的切割。它有切口窄、切割边质量好等优点，切割厚度可达150～250 mm。20世纪70年代后期还发展了双层等离子切割、微弧等离子切割、喷水等离子切割等。通常，切割金属薄板和非金属材料用非转移弧，切割金属厚板用转移弧。等离子喷涂分粉末等离子喷涂和填丝等离子喷涂两种，以前者用得较多。等离子喷涂用于工件表面喷涂耐高温、耐磨蚀的高熔点金属或非金属涂层，以提高工件表面的机械性能，或对受损工件进行堆焊修补。粉末等离子喷涂主要用非转移弧，有时用混合弧。等离子喷涂有工件变形小， 喷涂层平滑整齐，易实现机械化、自动化等优点，已广泛用于阀门、模具，以及电站、化工、石油机械上耐磨耐蚀件的制造和维修。

在化学工业中，等离子加热用于制取乙炔、硝酸、联氨、炭黑等化工产品，合成高温碳化物、氮化物和硼化物（如碳化钨、氮化钛），制取超细粉末（如0.01～1μm的三氧化二铝、二氧化硅和氧化硅粉）等。高频等离子体用于制取高纯材料，如石英玻璃、单晶、钛白粉等。

另外， 等离子加热还在航空工业部门用于加热风洞中的空气，在建筑工业中用于喷饰建筑物外表面等，应用面很广。

历史与发展等离子加热的工业应用始于20世纪50年代， 美国首先将等离子加热用于切割和焊接。60年代中期等离子加热开始步入冶金和其他工业领域。60年代末美国成功地研制出迄今世界上最大的等离子发生器，功率52 MW，供加热风洞中空气之用。80年代是等离子加热的工业应用研究和技术开发最活跃的时期，等离子熔炼、等离子中间包钢水加热、等离子钢包烘烤、等离子钢包精炼、等离子化学气相沉积、等离子喷镀、等离子冲天炉复合加热熔炼等新技术、新工艺相继开发并获得推广、应用。美国、奥地利、德国、日本等国的等离子加热技术的发展颇引人注目。80年代初，奥地利奥钢联公司（VOESALPINE）和美国的PEC公司分别研制出世界最大的、容量为4.5 t的直流等离子熔炼炉和4.5 MW（DC5kA×900V）转移弧式直流等离子枪， 用于特种钢和难熔金属的熔炼。1986年联邦德国的Krupp公司开发了交流转移弧式12 kA的等离子枪， 用于废钢和有色金属的熔炼。80年代末，该公司又成功地为本公司的Siegen工厂设计制造了10 t/20 MV·A的三相等离子熔炼炉，用于废钢熔炼。与此同时， 联邦德国的莱宝股份有限公司（LH） 开发了4.5 MW的直流等离子熔炼炉， 用于钛合金和高温合金的凝壳熔炼。现在德国Krupp公司可提供60、150 t乃至200 t的等离子钢包炉。中国从60年代开始等离子加热的应用，首先在切割和喷涂方面。西安电炉研究所于70年代末开始等离子枪的研究，80年代初成功地研制出100 kW实验室用等离子熔炼炉。紧接着，戚墅堰机车车辆厂和天津第三钢厂等单位也相继开发、引进了一些较大功率的等离子加热设备。1994年唐山钢铁公司从英国RD公司引进了1.25MW直流转移弧式等离子加热装置，用于连铸中间包钢水的加热。1998年上海交通大学自行开发了650kW等离子枪。

等离子加热的发展方兴未艾。从含锌材料中提取锌，从精选矿中生产铬铁、锰铁、硅铁和其他铁合金，重熔冲天炉废料，与高炉、冲天炉、高频感应炉等的配合使用，以及等离子切割、喷涂、堆焊、表面热处理新工艺等都在开发、改进、完善、推广中。2