[科普中国]-等离子冶金

介绍

以等离子流作为热源的冶金过程。等离子枪是20世纪50年代开始出现的一种高温热源装置，它将电能转变为定向等离子射流中的热能。它的工作原理是：在一个紧缩的空间产生电弧，同时将一种气体或气体混合物从一个小孔以高速喷射出，穿过这个空间而成为等离子射流。等离子射流主要由阳离子和电子组成，也含有未电离的分子或原子。作为热源，等离子射流具有下列重要特点：由于气流的作用，电弧稳定；因为射流横断面很小，热量高度集中，可以达到非常高的温度。已有等离子枪的工作温度约在5000～20000℃之间。1

等离子体通常把正电荷和负电荷浓度相等的电离气体称为等离子体。一般条件下，气体是电中性(不导电)的。但气体在外力例如热电离、粒子束及其他力的作用下，可以电离成电子和正离子，气体通过这些电子和离子的运动而能导电，但其正、负电荷的总和仍为零。将电离气体的离子数ηN与总质点数N之比ηN：N的a定义为电离度。电离度随电离温度升高和压力降低而增大。电离度为1，温度最高(10K)的等离子体，称为高温等离子体;温度约为10～10K级范围的部分电离的等离子体称为低温等离子体。冶金上用的都是低温等离子体。等离子体电弧与自由电弧不同，属于压缩电弧。这种压缩电弧是当阴、阳极间气体放电产生的电弧受到气流、器壁或外磁场的压缩而形成的，它使弧柱变细，流速加快，热量集中，温度升高。冶金应用的直流等离子弧的弧心温度可达到24273～26273K。

等离子体枪将气体加热到离子化的设备，又称为等离子体发生器。等离子体枪通常由高熔点金属钨、钽作非自耗阴极，由喷嘴或被加热物料作阳极构成。分为非转移式和转移式两种类型。非转移式是以等离子体枪的喷嘴为阳极，从阴极发射的热电子和电离气体通过喷嘴的狭窄通道被压缩，形成弧柱，被加热的物料置于阴、阳极外边。转移式等离子体枪以被加热的物料为阳极，而枪的喷嘴仅作为压缩板的孔板。等离子体的工作气体可以是惰性气体、还原性气体、氧化性气体和氯化气体，通常沿等离子体枪的阴极轴向或切线方向通入。等离子体枪的功率从20世纪60年代初的120kW发展到现时的2800kW。等离子冶金常用于还原熔炼、氧化过程、金属精炼、金属重熔。

还原熔炼在还原气氛下用于熔炼有色金属的等离子体炉类似电弧炉，所不同的只是前者用离子体枪代替石墨电极。炉体用耐火材料砌筑，炉顶用水套冷却。还原反应产出的金属、炉渣、炉气分别从炉内放出。原则上，适用于还原熔炼任何氧化物物料，但最适用的是还原熔炼高熔点金属氧化物，如氧化钨(或仲钨酸铵)等。将氧化钨投入氢等离子体弧(约2273～5273K)中，即可制得特细(0.02～0.1μm)的非自燃钨粉，回收率达98%。还可用于还原熔炼气相中的TaCl5或TiCl4制取供特殊用途的细粒钽粉或钛粉。

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。

氧化过程用氧气氧化TiCl4制取TiO2的反应为：TiCl4+O2→TiO2+2Cl2

此反应的热力学数据表明，反应在室温即可进行，但反应速度太慢，用等离子体氧化法在1773K下反应只需10～10s就可完成。在400kW的等离子体炉内，用氩气和氧气分别作为工作气体和反应气体氧化TiCl4，获得的TiO2晶粒，具有完整的晶形，粒度小于1μm，适用作特殊颜料。

金属精炼镍和镍、钴合金等可用等离子体炉(图1)进行蒸发精炼脱除铅、锌、锡。精炼时，将合金置于耐火坩埚中，坩埚外面绕以感应线圈，起加热和搅拌合金作用，等离子弧通过石墨阴极和合金阳极构成回路。由石墨阴极外套的金属水冷管内通入氩气作为工作气体，氩气兼有冷却阴极、压缩电弧和防止合金表面氧化的作用。操作温度约2273K，此温度已超过铅的沸点。此法也可用作氧化挥发精炼。

金属重熔金属重熔是采用真空等离子体炉 (图2)。这种叠加真空的等离子体炉的惰性气体流量小(0.001～0.08g/s)，因而惰性气体消耗少;工作空间压力小(0.01～1Pa);用水冷结晶器作阴极，不会污染金属。在熔炼室上面安装钽管等离子体枪，下面接结晶器和拉锭装置。棒状物料的调节装置位于侧边。这种炉子也可以重熔粉状或粒状物料，这时物料经料仓加料器或通过等离子体枪加入，可用于重熔和提纯金属钛、铬和铌等。重熔或提纯开始时，依次接通高频和引束直流电源引弧，待电流增加、电压降低后接主电源操作。真空等离子体炉比真空电子束炉电耗低，投资少;比真空自耗电弧炉提纯效果好，省掉电极制备作业。

展望等离子体冶金是一种新的冶金方法，正引起人们的重视，其发展方向是：(1)推广应用于热分解、卤化冶金、液相和气体的碳还原，热处理渗碳和生产耐热合金单晶等;(2)研制更大功率的等离子枪和提高其使用寿命;(3)采用交流等离子体枪，省去整流设备，以减少投资，提高设备容量;(4)加强对设备和人身的安全防护，特别是防止有害气O3、NO2、Cl2等的危害。2