[科普中国]-等离子电弧炉

简介

等离子电弧炉是指利用等离子电弧作为热源，进行金属或合金的熔化和精炼的冶炼设备，简称PAF。这种炉子的外型与普通电弧炉相似，所不同的是，用等离子体发生器（即等离子枪）代替石墨电极。由于通常采用直流转移弧方式，因此，在炉底装有导电的底阳极以构成导电回路。炉子通常是密封的以保持炉内呈惰性气氛。等离子电弧炉是等离子熔炼设备的主要形式之一。

与普通电弧炉相比，其主要特点是电弧温度高，气氛可控，适合于冶炼特殊钢，特别是活泼金属及其合金、难熔金属及其合金1。

等离子电弧炉的发展历史1962年首次报道美国联合碳化物(Union Carbide)公司的子公司——林德（Linde）公司研制了一台11kg的小型等离子电弧炉，并进行了不锈钢冶炼的试验。随后不久该公司又研制了一台功率为120kW容量为136kg的工业炉。民主德国和苏联于1965年开始研究等离子电弧炉并用于炼钢。民主德国弗赖塔尔（Freital）特殊钢厂于1973、1977年先后投产了15t和40t两座转移型直流等离子电弧炉用于冶炼特殊钢。1983年奥钢联购得民主德国的技术在林茨（Linz）建成一台45～60t的等离子电弧炉。苏联在70年代末建成了一台100t的等离子电弧炉用来冶炼铁合金。联邦德国克虏伯（Krupp）公司在80年代开发了三相交流等离子电弧炉，其特点是在炉顶上安装3个交流等离子枪，而不用炉底电极。现已有许多国家具有等离子电弧炉，但总生产能力还很低。中国于70年代研制了小型的等离子电弧炉并在一些企业投入了工业生产，但容量较小，均在500kg以下。

设备及操作方法PAF由等离子枪、炉体及直流电源三大部分组成2。

（1）等离子枪由水冷铜喷嘴及水冷铈钨棒电极组成。喷嘴对电弧施加压缩并作为产生非转移弧的辅助阳极。铈钨棒或钍钨棒作阴极。喷嘴和阴极之间绝缘但允许氩气通过，氩气从喷枪上部经喷枪套管流向炉内，电离成等离子体。在PAF上使用的喷枪以直流转移弧型为主。最大喷枪功率可达到6.6MVA。容量较小的PAF通常在炉顶装有一个等离子枪。容量较大的炉子装有多个等离子枪，通常安装在炉体周围与水平方向呈30°角。

（2）炉体与普通电弧炉很相似，包括水冷炉盖，用耐火材料砌成的炉壁和炉底，并设有炉门和出钢槽。炉底埋有石墨电极或水冷金属电极作为阳极。

（3）由于PAF在惰性气氛下熔炼没有氧化期脱碳搅拌，为使金属熔池温度和成分均匀在炉体下部耐材衬中埋有电磁搅拌线圈。熔炼时，先在阴极与喷嘴之间加上直流电压，再通入氩气，然后用并联的高频引弧器引弧。高频电击穿间隙，将氩气电离，产生非转移弧，亦称“小弧”。接着，再在阴极与炉底阳极之间加上直流电压，并降低喷枪，使非转移弧逐渐接近炉料。这样，阴极与金属料之间会起弧，此弧称为转移弧，亦称“大弧”。一旦转移弧形成，喷嘴与阴极间电路便切断，非转移弧熄灭。

PAF主要工艺参数是主弧电压、主弧电流和氩气流量。电流大小可通过喷枪升降和调节饱和电抗器电流来控制。对于电压大小可通过调节可控硅触发角来控制。氩气流量则通过流量计来控制。

冶金特点（1）等离子的超高温和氩气保护使其能够熔炼难熔和活泼金属（W、Mo、Nb、Zr、Ti）及其合金。熔炼过程各种合金元素的收得率明显高于普通电弧炉，大多数元素收得率在96%以上；Al、Ti等活泼金属元素的收得率与操作工艺有关，通常在70%以上，最高可超过90%。

（2）水冷金属等离子枪代替石墨电极避免了电极对钢水的增碳，同时，等离子弧的超高温使得钢液脱碳速度很快，因而该设备适合于超低碳不锈钢。

（3）炉内充满惰性气体起到类似于真空熔炼的效果。炉中H2、O2、N2和CO的分压很低，从而使得冶炼出的钢水中气体的含量比普通电弧炉要低得多，典型值是氢（1～2）×10-6，氮约60×10-6。

（4）可以改变等离子工作气体达到特殊的冶金效果。例如，采用含氮或纯氮的工作气体可冶炼含氮0.14%～1.0%的奥氏体不锈钢;当采用渗氢弧时，又可产生含碳0.002%，含氮小于0.0065%的超纯铁素体不锈钢。

（5）熔炼过程可造高碱度炉渣，由于渣温高脱硫效果较好，钢中硫含量容易达0.010%以下。用（H2+Ar）弧喷射CaC2-CaF2粉剂，硫可降至0.0007%。

冶炼产品等离子电弧炉适合于冶炼许多钢种，包括一般合金钢和高级合金钢如轴承钢、超低碳不锈钢、耐热钢、高速工具钢、精密合金、高温合金及电热合金等，其产品的冶金质量和机械性能可同真空感应炉冶炼的金属媲美。例如电热合金Cr13A14的使用寿命是普通电弧炉产品的6倍；采用等离子电弧熔炼的GH36合金，其持久性能及冲击韧性优于电弧炉+电渣重熔合金；GH37合金的持久性能与真空熔炼相当3。

技术经济指标根据炉子大小，结构及冶炼钢种的不同其指标有较大差异。以弗赖塔尔厂40t炉为例，氩气消耗30Nm3/h，冷却水消耗160m3/h，熔化率为23t/h，电能消耗500kW·h/t，炉衬寿命150次，炉底阳极寿命大于100h。 4