等離子熔煉發(fā)展簡史

等離子體技術(shù)在冶金中的應(yīng)用可追溯到18世紀(jì)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(fā)明了帶水冷底陽極的直流電弧爐和水平非轉(zhuǎn)移弧的直流電弧爐。后者即為現(xiàn)代等離子熔煉爐的雛形。它的兩根電極水平設(shè)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?，F(xiàn)代等離子熔煉技術(shù)開發(fā)于20世紀(jì)50年代末至60年代初，美國聯(lián)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(shí)驗(yàn)型等離子電弧重熔(PAR)爐。在同一時(shí)期，前蘇聯(lián)、東歐國家以及日本也進(jìn)行了許多研究工作，并將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。到了70年代烏克蘭巴頓電焊研究所已形成PAR爐的系列設(shè)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(chǎn)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(fā)了0. 5t和2t的等離子感應(yīng)爐(PIF)。該公司于1982年還建成了2t的PAR爐。日本不銹鋼公司(Ul-vac)在60年代開發(fā)了等離子電子束重熔技術(shù)，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(shè)備，直接由海綿鈦煉成3t的鈦錠。進(jìn)入80年代，等離子熔煉技術(shù)已比較成熟，發(fā)展也相對減慢。在鋼水加熱方面的應(yīng)用發(fā)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(shù)并建成了一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備和容量在0.5t以下的工業(yè)爐。等離子熔煉已在許多國家得到開發(fā)和應(yīng)用，所涉及冶煉產(chǎn)品也十分廣泛，但總的產(chǎn)量還較低。

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(shí)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(gè)應(yīng)用分支，也是特種熔煉技術(shù)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(diǎn)是電弧具有超高溫并可有效地控制爐內(nèi)氣氛，因而適合于熔煉活潑金屬、難熔金屬及其合金。

等離子熔煉主要是基于等離子體的超高溫和根據(jù)不同的需要可有效地控制爐內(nèi)氣氛以實(shí)現(xiàn)特殊金屬或合金的熔煉。有時(shí)還可以利用水冷結(jié)晶器使金屬或合金實(shí)現(xiàn)順序凝固以獲得高質(zhì)量結(jié)晶組織的錠子。

等離子體電弧的獲得 等離子體是固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之外物質(zhì)的第4態(tài)，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(fù)電荷的濃度相等。它具有高的導(dǎo)電性、熱容量和導(dǎo)熱性。等離子體還受電場和磁場的作用。應(yīng)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(gè)或更多個(gè)電極間放電，有時(shí)也用高頻電場放電獲得的。放電時(shí)氣體電離的實(shí)質(zhì)是發(fā)生電子雪崩，這種雪崩具有連鎖反應(yīng)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(dāng)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(xì)，溫度更高，能量高度集中時(shí)便形成壓縮電弧。

產(chǎn)生上述等離子電弧的裝置叫做等離子發(fā)生器或稱等離子槍?？煞譃檗D(zhuǎn)移型和非轉(zhuǎn)移型兩類。前者陰極裝在等離子槍內(nèi)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(nèi)，通入的氣體在槍內(nèi)被電離，在兩極間產(chǎn)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。等離子熔煉設(shè)備中使用的主要是直流轉(zhuǎn)移弧型等離子電弧。

根據(jù)冶煉工藝的要求通入等離子槍內(nèi)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(xué)條件即爐內(nèi)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(zhì)的惰性氣氛下熔煉，其熱力學(xué)條件與在66.6Pa下的真空過程相當(dāng)。因此，可以有效地防止一般電弧爐冶煉時(shí)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(shí)，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?；顫姷慕饘偌捌浜辖穑鏣i和Zr。而對于易揮發(fā)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(yīng)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(shí)現(xiàn)金屬或合金的脫碳、脫氮和脫氧。

在熔煉過程中添加經(jīng)預(yù)熔的爐渣，在高溫等離子弧的作用下渣金反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)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?；钴S的爐渣容易吸收鋼中的非金屬夾雜物。加上碳氧反應(yīng)和氫氧反應(yīng)脫氧產(chǎn)物為氣相，因此可獲得夾雜物含量極低的金屬。

采用銅結(jié)晶器的等離子重熔爐可以實(shí)現(xiàn)金屬熔化和凝固的同時(shí)進(jìn)行。由于等離子電弧功率和向熔池沖擊的角度容易調(diào)節(jié)，而且可以根據(jù)錠子截面大小使用一個(gè)或多個(gè)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(jié)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(bǔ)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(jié)晶缺陷少，可減少切頭率。

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(jié)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(qū)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(fā)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(jié)晶器的金屬爐料或金屬熔池。在由鉭陰極發(fā)射的熱電子高速飛向陽極途中，它們又不斷激發(fā)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(dá)到熔煉目的。與此同時(shí)，正離子飛向陰極。

作為特種熔煉的一個(gè)分支，等離子熔煉不及其他熔煉方法在工業(yè)中普及。主要原因有3:(1)起步較晚，技術(shù)有待于進(jìn)一步完善;(2)由于設(shè)備投資費(fèi)用相對較大，等離子槍壽命較低，運(yùn)行過程中氣體和耐火材料消耗較大，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高;(3)其他熔煉技術(shù)的發(fā)展也較快，甚至爐外精煉技術(shù)的發(fā)展也把等離子熔煉技術(shù)的應(yīng)用范圍限制在較特殊的場合內(nèi)。

在各種等離子熔煉方式中，PAF在工業(yè)生產(chǎn)中使用較多而且規(guī)模較大。除了原民主德國弗賴塔爾廠以生產(chǎn)不銹鋼為主的15t和40t爐子外，奧鋼聯(lián)于1983年建成了變壓器容量為36MVA的45~60t的PAF用于生產(chǎn)合金鋼和普碳鋼。生產(chǎn)能力為7~10萬t/a。而前蘇聯(lián)安裝了一臺100t的PAF用于生產(chǎn)鐵合金。其他國家則以小型PAF用于各種高級合金鋼的生產(chǎn)。PIF應(yīng)用很少。工業(yè)生產(chǎn)主要是在日本的大同特殊鋼公司。主要是替代真空感應(yīng)爐生產(chǎn)超低碳不銹鋼、鎳基高溫合金和電磁材料等。另有少數(shù)國家如中國、加拿大等則主要作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備用于研究工作。PAR爐在日本和前蘇聯(lián)應(yīng)用較多。主要用于生產(chǎn)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(lián)最大的PAR裝置可生產(chǎn)3.5~5.0t錠子。日本大同特殊鋼公司則用海綿鈦生產(chǎn)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(yīng)用較少，估計(jì)全世界PAR錠的年產(chǎn)量不足3萬t。

等離子熔煉的今后發(fā)展取決于技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)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(jìn)一步提高等離子熔煉設(shè)備的技術(shù)性能并不斷降低其操作成本，另一方面要充分發(fā)揮其冶金特點(diǎn)生產(chǎn)出特殊質(zhì)量要求的產(chǎn)品。首先要提高大功率等離子槍的制造技術(shù)以及相應(yīng)的供電和控制技術(shù)。西方發(fā)達(dá)國家的多家公司投入大量資金開發(fā)MW級的長壽命等離子槍，并已取得了明顯進(jìn)展，已有6MW的槍投入運(yùn)行。特別是交流等離子槍的研制取得了重要進(jìn)展，已有2.4MW的交流槍投入工業(yè)運(yùn)行。另外，可控硅整流設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步和價(jià)格的降低也進(jìn)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(chǎn)成本。這樣的等離子爐的功率完全可以達(dá)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(yè)化成為可能。此外，可生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品以彌補(bǔ)生產(chǎn)成本相對較高的缺點(diǎn)。例如用氮?dú)獾入x子弧生產(chǎn)常規(guī)方法難以生產(chǎn)的高氮奧氏體不銹鋼，用(H2+Ar)等離子弧加熔渣精煉生產(chǎn)超純軸承鋼。這種方法還適合于生產(chǎn)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(zhì)熔池中熔煉鈦或鎳基合金，然后澆入水冷銅坩堝中來生產(chǎn)近乎無雜質(zhì)的金屬。此外，利用等離子電弧對鋼水無污染的特點(diǎn)而用于鋼包和中間包的加熱發(fā)展很快。到了1996年已有數(shù)十臺連鑄機(jī)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(shí)，等離子冶金中其他分支的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)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(shù)處理鋼鐵廠粉塵等冶金廢料。

電熱冶金電熱冶金是在電爐內(nèi)利用電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苓M(jìn)行提取或處理金屬的過程。按電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿姆椒醇訜岬姆椒ú煌?，分為電弧熔煉、電阻熔煉、感?yīng)熔煉、電子束熔煉和等離子熔煉等。

和一般火法冶金相比，電熱冶金具有加熱速度快、控溫準(zhǔn)確、溫度高(可到2000%)、可在各種氣氛、各種壓力或真空中作業(yè)以及金屬燒損少等優(yōu)點(diǎn)，成為冶煉普通鋼、鐵合金、鎳、銅、鋅、錫等重有色金屬、鎢、鉬、鉭、鈮、鈦、鋯等稀有高熔點(diǎn)金屬以及某些其他稀有金屬、半導(dǎo)體材料等的一種主要方法。但電熱冶金消耗電能較多，只有在電源充足的條件下才能發(fā)揮優(yōu)勢。

(1)電弧熔煉

電弧熔煉是利用電能在電極與電極或電極與被熔煉物之間產(chǎn)生電弧來熔煉金屬的冶金過程。電弧可以用交流電或直流電產(chǎn)生，當(dāng)使用交流電時(shí)，兩極之間會出現(xiàn)瞬間的零電壓。在真空熔煉的情況下，由于兩極之間氣體密度很小，容易導(dǎo)致電弧熄滅，所以真空電弧熔煉一般都采用直流電源。工業(yè)用電弧爐有直接加熱式三相電弧爐、直接加熱式真空白耗電弧爐和間接加熱式電弧爐三種。(2)電阻爐熔煉電阻熔煉是在電阻爐內(nèi)利用電流通過導(dǎo)體電阻所產(chǎn)生的熱量來熔煉金屬的冶金過程。按電熱產(chǎn)生的方式，電阻爐分為直接加熱和間接加熱兩種。在直接加熱電阻爐中，電爐直接通過物料，因電熱物料本身，所以物料加熱很快，且可以加熱到很高溫度，例如碳素石墨化電爐，能將物料加熱到2500，直接加熱電阻爐可做成真空或通保護(hù)氣體的熔煉爐。為使物料加熱均勻，要求物料各部位的導(dǎo)電截面和導(dǎo)電率一致。但大部分電阻爐是間接加熱的，其中裝有專門的電熱體，最常用的電熱體是鐵鉻鋁材料、碳化硅棒和二硅化鉬棒。根據(jù)熔煉需要，爐內(nèi)氣氛可以是真空或保護(hù)性氣氛。對于品種單一、批量大的物料，宜采用連續(xù)式加熱爐加熱，爐溫低于700oC時(shí)，多數(shù)還裝有鼓風(fēng)機(jī)，以強(qiáng)化爐內(nèi)傳熱，保證均勻加熱。

(3)電阻一電弧熔煉

電阻一電弧熔煉是利用電極與爐料之間產(chǎn)生的電弧和電流通過爐料產(chǎn)生的電阻熱來熔煉金屬的冶金過程，是有色金屬冶煉中應(yīng)用廣泛的一種電熱冶金方法。其爐子的主體結(jié)構(gòu)與電弧熔煉爐相似，熔煉時(shí)電極都插入爐料中。熔煉中的熱量除來自電極和爐料之間的電弧外，電流通過爐料所產(chǎn)生的電阻熱也占相當(dāng)大的份額。在加熱方式這一點(diǎn)上，與電弧熔煉有很大區(qū)別。礦石或燒結(jié)礦是電阻一電弧熔煉的主要原料，因此又稱為礦熱熔煉。成套的電阻一電弧爐主要由爐體、電極裝置和電源設(shè)備三部分組成。有石墨電極(或碳素電極)和自焙電極兩種。自焙電極是一種用無煙煤、焦炭和瀝青煤焦油拌和成的電料在電爐工作過程中自行燒結(jié)而成的。大多數(shù)電阻一電弧熔煉都采用自焙電極。電阻一電弧爐熔煉主要用于生產(chǎn)鐵合金、電石、銅锍、鎳锍、黃磷等冶金及化工產(chǎn)品。