[科普中国]-等离子熔炼

简介

利用等离子弧作为热源来熔化、精炼和重熔金属的一种冶炼方法，简称PM。有时它的熔炼对象也可以是非金属材料。等离子熔炼属于等离子体在冶金中的一个应用分支，也是特种熔炼技术的主要方法之一。等离子弧与自由电弧不同，属于压缩电弧，能量高度集中，电离度更高，它是用通有气体的等离子枪对电弧施以压缩而形成的。等离子熔炼的特点是电弧具有超高温并可有效地控制炉内气氛，因而适合于熔炼活泼金属、难熔金属及其合金1。

发展简史等离子体技术在冶金中的应用可追溯到18世纪中叶，肯耐斯里(E. Kinnersly)等人用电火花熔化金属。1878年法国西门子(W. Siemens)发明了带水冷底阳极的直流电弧炉和水平非转移弧的直流电弧炉。后者即为现代等离子熔炼炉的雏形。它的两根电极水平设置，其中阴极为水冷铜棒，阳极为石墨管，通入中性或还原性气体。现代等离子熔炼技术开发于20世纪50年代末至60年代初，美国联合碳化物(UnionCarbide)公司所属的林德(Linde)公司开始研制的11kg的等离子电弧炉PAF和实验型等离子电弧重熔(PAR)炉。在同一时期，前苏联、东欧国家以及日本也进行了许多研究工作，并将其应用于工业生产。到了70年代乌克兰巴顿电焊研究所已形成PAR炉的系列设备，最大容量为5t。原民主德国弗赖塔尔(Freital)特殊钢厂于1973年和1977年先后投产了15t和40t两座PAR炉。日本大同特殊钢公司于1969年和1975年开发了0. 5t和2t的等离子感应炉(PIF)。该公司于1982年还建成了2t的PAR炉。日本不锈钢公司(Ul-vac)在60年代开发了等离子电子束重熔技术，1971年建成了一台有6支枪，每支枪输出400kW的等离子电子束重熔(PEB)设备，直接由海绵钛炼成3t的钛锭。进入80年代，等离子熔炼技术已比较成熟，发展也相对减慢。在钢水加热方面的应用发展较快，如等离子钢包加热和中间罐加热。中国于70年代初开始研究等离子熔炼技术并建成了一些实验设备和容量在0.5t以下的工业炉。等离子熔炼已在许多国家得到开发和应用，所涉及冶炼产品也十分广泛，但总的产量还较低。1

基本原理等离子熔炼主要是基于等离子体的超高温和根据不同的需要可有效地控制炉内气氛以实现特殊金属或合金的熔炼。有时还可以利用水冷结晶器使金属或合金实现顺序凝固以获得高质量结晶组织的锭子。

等离子体电弧的获得 等离子体是固态、液态和气态之外物质的第4态，是分布于中性粒子气体中的电子与离子的混合物。而且正电荷与负电荷的浓度相等。它具有高的导电性、热容量和导热性。等离子体还受电场和磁场的作用。应用于冶金的是低温等离子体，温度通常为5000～2000K。等离子体电弧是用直流电或交流电在两个或更多个电极间放电，有时也用高频电场放电获得的。放电时气体电离的实质是发生电子雪崩，这种雪崩具有连锁反应特性，因而电离速度极快。等离子体电弧是比自由电弧电离度更高的压缩电弧。当电极间气体放电形成的电弧受到外界气流、器壁或外磁场的压缩，使弧柱变细，温度更高，能量高度集中时便形成压缩电弧。

产生上述等离子电弧的装置叫做等离子发生器或称等离子枪。可分为转移型和非转移型两类。前者阴极装在等离子枪内而阳极是被加热的物体即被熔炼的金属;后者两根电极都装在枪内，通入的气体在枪内被电离，在两极间产生电弧，并从枪端喷出高温等离子火焰。另外，等离子枪所用的电源有直流、交流和交直流混合型。等离子熔炼设备中使用的主要是直流转移弧型等离子电弧。1

工作气体与气氛控制根据冶炼工艺的要求通入等离子枪内的工作气体可以是惰性、氧化性、还原性和氯化气体。最常用的惰性气体是氩气。使用惰性气体等离子电弧的炉子中具有真空冶炼相似的热力学条件即炉内有害气体氮、氢和氧的分压很低。例如在含有0. 05%(体积)活性气体杂质的惰性气氛下熔炼，其热力学条件与在66.6Pa下的真空过程相当。因此，可以有效地防止一般电弧炉冶炼时金属熔池吸收来自空气中的氮、氢和氧的情况，冶炼出气体含量低的金属和合金。同时，合金元素的氧化损失明显减少，收得率提高。如果采用高纯氩气可熔炼非常活泼的金属及其合金，例如Ti和Zr。而对于易挥发元素(如Mn和Cr)的收得率可高于真空熔炼。由于等离子弧不增碳，等值真空条件使得钢液中碳氧反应接近平衡值，因而可冶炼超低碳不锈钢。采用(H+Ar)混合气体等离子电弧可以实现金属或合金的脱碳、脱氮和脱氧。1

熔渣精炼在熔炼过程中添加经预熔的炉渣，在高温等离子弧的作用下渣金反应的热力学和动力学条件得到改善。因此，金属的脱硫效果显著。若采用(H2+Ar)还原性等离子弧喷射含钙化合物粉剂，硫可降至0.0007%以下。活跃的炉渣容易吸收钢中的非金属夹杂物。加上碳氧反应和氢氧反应脱氧产物为气相，因此可获得夹杂物含量极低的金属。1

金属凝固的控制采用铜结晶器的等离子重熔炉可以实现金属熔化和凝固的同时进行。由于等离子电弧功率和向熔池冲击的角度容易调节，而且可以根据锭子截面大小使用一个或多个等离子枪来控制熔池的温度分布造成径向温度相对均匀，轴向温度梯度很大，金属熔池呈浅平形，造成金属结晶趋于定向生长并抑制宏观偏析的条件，因而获得的锭子成分均匀、组织致密。另外，在重熔的补缩阶段，等离子电弧比其他二次重熔方法更容易控制温度，因而锭子头部结晶缺陷少，可减少切头率。1

熔炼方式与炉型等离子熔炼可分为一次熔炼和二次重熔两种方式。一次熔炼是用废钢和铁合金或其他块状粗级金属作原料在耐火材料坩埚中熔化成金属液的过程。其基本炉型有PAF和PIF。二次重熔是将通过其他冶炼方法初炼的金属或合金用等离子电弧重新熔化和精炼并在水冷结晶器中凝固成锭的过程。其基本炉型有PAR炉和PEB炉。PEB炉与PAR炉基本相同，其区别就是用等离子束枪代替常见的等离子枪。电子束枪的核心是钽(Ta)制中空阴极。其工作原理是：在低真空下(0.13～13.3Pa之间)用氩等离子弧加热钽阴极，使其发射热电子，这些热电子在电场作用下高速飞向阳极，即飞向铜制水冷结晶器的金属炉料或金属熔池。在由钽阴极发射的热电子高速飞向阳极途中，它们又不断激发气体分子或原子，使之不断电离，又不断放出高能量的热电子，形成热电子流，轰击金属使其熔化，达到熔炼目的。与此同时，正离子飞向阴极。1

工业生产概况作为特种熔炼的一个分支，等离子熔炼不及其他熔炼方法在工业中普及。主要原因有3：(1)起步较晚，技术有待于进一步完善;(2)由于设备投资费用相对较大，等离子枪寿命较低，运行过程中气体和耐火材料消耗较大，导致生产成本较高;(3)其他熔炼技术的发展也较快，甚至炉外精炼技术的发展也把等离子熔炼技术的应用范围限制在较特殊的场合内。

在各种等离子熔炼方式中，PAF在工业生产中使用较多而且规模较大。除了原民主德国弗赖塔尔厂以生产不锈钢为主的15t和40t炉子外，奥钢联于1983年建成了变压器容量为36MVA的45～60t的PAF用于生产合金钢和普碳钢。生产能力为7～10万t/a。而前苏联安装了一台100t的PAF用于生产铁合金。其他国家则以小型PAF用于各种高级合金钢的生产。PIF应用很少。工业生产主要是在日本的大同特殊钢公司。主要是替代真空感应炉生产超低碳不锈钢、镍基高温合金和电磁材料等。另有少数国家如中国、加拿大等则主要作为实验设备用于研究工作。PAR炉在日本和前苏联应用较多。主要用于生产钛及其合金，锆合金、轴承钢、高氮钢、高温合金、贵金属及其合金、铀合金和难熔金属。前苏联最大的PAR装置可生产3.5～5.0t锭子。日本大同特殊钢公司则用海绵钛生产出2t的钛锭作VAR炉的自耗电极。日本另一家公司用PEB炉重熔出4t的钛扁锭。其他国家应用较少，估计全世界PAR锭的年产量不足3万t。1

展望等离子熔炼的今后发展取决于技术上和经济上与其他特种熔炼方法甚至炉外精炼方法的竞争。为此，一方面要进一步提高等离子熔炼设备的技术性能并不断降低其操作成本，另一方面要充分发挥其冶金特点生产出特殊质量要求的产品。首先要提高大功率等离子枪的制造技术以及相应的供电和控制技术。西方发达国家的多家公司投入大量资金开发MW级的长寿命等离子枪，并已取得了明显进展，已有6MW的枪投入运行。特别是交流等离子枪的研制取得了重要进展，已有2.4MW的交流枪投入工业运行。另外，可控硅整流设备的技术进步和价格的降低也进一步提高了直流等离子枪的竞争能力。采用中空石墨阴极等离子体在某些场合可代替水冷金属等离子枪，从而可显著降低生产成本。这样的等离子炉的功率完全可以达到大型超高功率电弧炉的水平，从而使大型等离子电弧炉工业化成为可能。此外，可生产高附加值产品以弥补生产成本相对较高的缺点。例如用氮气等离子弧生产常规方法难以生产的高氮奥氏体不锈钢，用(H2+Ar)等离子弧加熔渣精炼生产超纯轴承钢。这种方法还适合于生产难熔金属、含有较高蒸气压组元的合金和活泼金属及其合金。用等离子电弧在水冷铜质熔池中熔炼钛或镍基合金，然后浇入水冷铜坩埚中来生产近乎无杂质的金属。此外，利用等离子电弧对钢水无污染的特点而用于钢包和中间包的加热发展很快。到了1996年已有数十台连铸机的中间包上安装了等离子枪用于中间包钢水的加热和温度控制，已取得了较好的效果。与此同时，等离子冶金中其他分支的技术开发和应用十分活跃。其中包括铁和铁合金的直接还原与熔融还原，用碳还原活泼金属(如Ti、Al)和难熔金属(如V、Nb、Ta)的氧化物，还有用等离子体技术处理钢铁厂粉尘等冶金废料。 1