等離子冶金

利用電能產生的等離子弧作為熱源的電熱冶金方法。又稱等離子熔煉。此法具有熔煉溫度高、物料反應速度快的特點，用於熔煉、精煉、重熔高熔點金屬和合金。電漿冶金在20世紀60年代初期最早用於生產合金鋼，現今在許多國家中獲得廣泛套用。等離子冶金常用於還原熔煉、氧化過程、金屬精煉、金屬重熔。

基本介紹

• 中文名：等離子冶金
• 外文名：plasma metallurgy                        
• 熱源：等離子流
• 時間：20世紀50年代
• 套用：金屬熔煉
• 學科：特種冶金

介紹

以等離子流作為熱源的冶金過程。等離子槍是20世紀50年代開始出現的一種高溫熱源裝置，它將電能轉變為定向等離子射流中的熱能。它的工作原理是：在一個緊縮的空間產生電弧，同時將一種氣體或氣體混合物從一個小孔以高速噴射出，穿過這個空間而成為等離子射流。等離子射流主要由陽離子和電子組成，也含有未電離的分子或原子。作為熱源，等離子射流具有下列重要特點：由於氣流的作用，電弧穩定；因為射流橫斷面很小，熱量高度集中，可以達到非常高的溫度。已有等離子槍的工作溫度約在5000～20000℃之間。

電漿

通常把正電荷和負電荷濃度相等的電離氣體稱為電漿。一般條件下，氣體是電中性(不導電)的。但氣體在外力例如熱電離、粒子束及其他力的作用下，可以電離成電子和正離子，氣體通過這些電子和離子的運動而能導電，但其正、負電荷的總和仍為零。將電離氣體的離子數ηN與總質點數N之比ηN：N的a定義為電離度。電離度隨電離溫度升高和壓力降低而增大。電離度為1，溫度最高(10K)的電漿，稱為高溫電漿;溫度約為10～10K級範圍的部分電離的電漿稱為低溫電漿。冶金上用的都是低溫電漿。電漿電弧與自由電弧不同，屬於壓縮電弧。這種壓縮電弧是當陰、陽極間氣體放電產生的電弧受到氣流、器壁或外磁場的壓縮而形成的，它使弧柱變細，流速加快，熱量集中，溫度升高。冶金套用的直流等離子弧的弧心溫度可達到24273～26273K。

電漿槍

將氣體加熱到離子化的設備，又稱為電漿發生器。電漿槍通常由高熔點金屬鎢、鉭作非自耗陰極，由噴嘴或被加熱物料作陽極構成。分為非轉移式和轉移式兩種類型。非轉移式是以電漿槍的噴嘴為陽極，從陰極發射的熱電子和電離氣體通過噴嘴的狹窄通道被壓縮，形成弧柱，被加熱的物料置於陰、陽極外邊。轉移式電漿槍以被加熱的物料為陽極，而槍的噴嘴僅作為壓縮板的孔板。電漿的工作氣體可以是惰性氣體、還原性氣體、氧化性氣體和氯化氣體，通常沿電漿槍的陰極軸向或切線方向通入。電漿槍的功率從20世紀60年代初的120kW發展到現時的2800kW。等離子冶金常用於還原熔煉、氧化過程、金屬精煉、金屬重熔。

還原熔煉

在還原氣氛下用於熔煉有色金屬的電漿爐類似電弧爐，所不同的只是前者用離子體槍代替石墨電極。爐體用耐火材料砌築，爐頂用水套冷卻。還原反應產出的金屬、爐渣、爐氣分別從爐內放出。原則上，適用於還原熔煉任何氧化物物料，但最適用的是還原熔煉高熔點金屬氧化物，如氧化鎢(或仲鎢酸銨)等。將氧化鎢投入氫電漿弧(約2273～5273K)中，即可製得特細(0.02～0.1μm)的非自燃鎢粉，回收率達98%。還可用於還原熔鍊氣相中的TaCl₅或TiCl₄製取供特殊用途的細粒鉭粉或鈦粉。

金屬凝固的控制

採用銅結晶器的等離子重熔爐可以實現金屬熔化和凝固的同時進行。由於等離子電弧功率和向熔池衝擊的角度容易調節，而且可以根據錠子截面大小使用一個或多個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，造成金屬結晶趨於定向生長並抑制巨觀偏析的條件，因而獲得的錠子成分均勻、組織緻密。另外，在重熔的補縮階段，等離子電弧比其他二次重熔方法更容易控制溫度，因而錠子頭部結晶缺陷少，可減少切頭率。

氧化過程

用氧氣氧化TiCl₄製取TiO₂的反應為：TiCl₄+O₂→TiO₂+2Cl₂

此反應的熱力學數據表明，反應在室溫即可進行，但反應速度太慢，用電漿氧化法在1773K下反應只需10～10s就可完成。在400kW的電漿爐內，用氬氣和氧氣分別作為工作氣體和反應氣體氧化TiCl₄，獲得的TiO2晶粒，具有完整的晶形，粒度小於1μm，適用作特殊顏料。

金屬精煉

鎳和鎳、鈷合金等可用電漿爐(圖1)進行蒸發精煉脫除鉛、鋅、錫。精煉時，將合金置於耐火坩堝中，坩堝外面繞以感應線圈，起加熱和攪拌合金作用，等離子弧通過石墨陰極和合金陽極構成迴路。由石墨陰極外套的金屬水冷管內通入氬氣作為工作氣體，氬氣兼有冷卻陰極、壓縮電弧和防止合金表面氧化的作用。操作溫度約2273K，此溫度已超過鉛的沸點。此法也可用作氧化揮發精煉。

金屬重熔

金屬重熔是採用真空電漿爐 (圖2)。這種疊加真空的電漿爐的惰性氣體流量小(0.001～0.08g/s)，因而惰性氣體消耗少;工作空間壓力小(0.01～1Pa);用水冷結晶器作陰極，不會污染金屬。在熔煉室上面安裝鉭管電漿槍，下面接結晶器和拉錠裝置。棒狀物料的調節裝置位於側邊。這種爐子也可以重熔粉狀或粒狀物料，這時物料經料倉加料器或通過電漿槍加入，可用於重熔和提純金屬鈦、鉻和鈮等。重熔或提純開始時，依次接通高頻和引束直流電源引弧，待電流增加、電壓降低後接主電源操作。真空電漿爐比真空電子束爐電耗低，投資少;比真空自耗電弧爐提純效果好，省掉電極製備作業。

展望

電漿冶金是一種新的冶金方法，正引起人們的重視，其發展方向是：(1)推廣套用於熱分解、鹵化冶金、液相和氣體的碳還原，熱處理滲碳和生產耐熱合金單晶等;(2)研製更大功率的等離子槍和提高其使用壽命;(3)採用交流電漿槍，省去整流設備，以減少投資，提高設備容量;(4)加強對設備和人身的安全防護，特別是防止有害氣O₃、NO₂、Cl₂等的危害。