NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼东北大学2006年11特种熔炼NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼等离子熔炼的类型NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼6.1等离子熔炼及其特点等离子体是一种强有力的高温热源，它不仅广泛地用于焊接、切割、喷涂、化工以及宇航事业的某些试验，而且还用于冶金工业－等离子体熔等离子熔炼利用等离子弧作为热源来熔化、精炼和重熔金属的一种新型熔炼方法。上世纪60年代初应用于冶金工业，大多数都用在金属材料的精炼以及熔炼高纯度和特殊性能的钢和合金，尤其是高温合金和精密合金。NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼6.1.1等离子体的产生及其分类在一般条件下，气体是中性质点，并不导电。气体粒子是由分子和原子所组成，而气体的原子则是由原子核和电子构成。原子核和电子之间靠静电引力的作用结合在一起，形成中性原子。当给气体原子的外层电子以一定的能量时，则外层电子便会脱离原子核的吸引变成为自由电子，而原子则变成正离子。等离子体就是由大量的自由电子、正离子以及未经电离的气体原子和分子所组成的混合体，这种混合体所带的正、负电荷的总和是相等的，并表现出集体行为的一种准中性气体，也能说它是物质在高温或特定的激励下的一种物质状态。由于它的物理化学性质与一般的气体、液体和固体不同，故有物质的第四态之称。虽然等离子体在电的性质方面呈中性，但是在外电场的作用下却拥有非常良好的导电性、导热性，同时又是一个高温热源。NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼为了获得等离子体，必须供给一定的能量使气体电离。对于不同的气体，电离时供给的能量也不同。气体种类HeAr电离电位（V）24.5915.7614.5013.50表6－1常用气体电离的电位气体的电离电位越高，电离时所需供给的能量也越大。为了使气体电离，能够使用以下方式供给气体能量：将气体加热到一定的温度，使气体产生热电离。当电流通过电弧柱时，就像通过一般的电阻一样，会产生热量，这个热量可把气体加热到很高的温度，而使它产生热电离。NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼电离度由于电离后的正离子和电子的数量是相等的，离子或电子的密度与电离前中性粒子的密度比，称为电离度。气体的电离程度如何，一般可用电离度来表示。式中：d――气体的电离度；h――气体中的离子数；N――电离前其他中的总质点数。NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼气体分子在电离前，首先要分解成原子。据文献报导，各种气体分子的分解，大约在10000K时基本上能完成，而在温度为30000K时，几乎都变成了离子。气体可发生一次、二次电离，如果供给更多的能量，则还可多次电离。但等离子体在宏观上仍保持电中性。表6－2氮、氩在电离时的电离电位，V14.529.447.415.7627.540.9电离次数气体种类气体的电离程度是随着温度的变化而变化的，温度越高，电离的次数也相应增加。NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼等离子体的分类类型电离度d导电性高温等离子体低温等离子体很高较高一般表6－3高温与低温等离子体的特性根据温度和压力的不同，等离子体可分为高温等离子体、低温等离子体、高压等离子体和低压等离子体等。高压等离子体的压力可达几个到几百个大气压；而低压等离子体的压力，常为一个大气压或低于一个大气压。目前工业上应用的是低温、低压等离子体，而产生等离子体的方法主要有电弧法和高频感应法。NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼6.1.2等离子体发生器等离子发生器：是将气体加热到离子化的一种设备，有称等离子枪。电弧等离子枪非转移型转移型中空阴极型高频等离子枪等离子体发生器NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼转移型与非转移型电弧等离子枪的工作原理非转移型等离子枪有阴阳两极组成，阴钍钨电极），阳极是水冷的铜喷嘴。非转移型等离子枪工作时，先用其他的电源在阴极与阳极之间触发电弧，即通电后，阴极由于受到正离子的撞击而被加热，因温度高而不断发射出电子，由于电场的加速作用而又使这些电子不断射向阳极。这些电子在射向阳极的途中又不断撞击其他的气体原子，并使之电离，由此产生等离子体。同时连续送入的工作气体穿过电弧空间之后，成为从喷嘴喷出的高温等离子焰流动。当等离子体离开喷枪的喷嘴之后，其中的正离子和自由电子随即复合为气体的原子和分子，并放出原先在电弧中所吸收的能量。图6-2转移型与非转移型电弧等离子枪的工作原理a－非转移型电弧等电子枪；ｂ－转移型电弧等电子枪1－被加热材料；2－等离子焰；3－电弧；4－电弧等离子流；5－水冷喷嘴；6－阴极NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼中空阴极型电弧等离子枪的阴极用钽管制成，阳极为被加热的材料。采用钽管做阴极，是因为在同样的条件下，钽阴极发射电子的能力要比钨极大十倍左右。由于钽容易氧化，所以工作时炉内需要保持真空。在正常的情况下，中空阴极等离子枪也是利用高频电源来触发工作气体使之电离。当工作气体一经电离以后，在阴极和作为阳极的被加热材料之间就有电弧和等离子流通过。图3－3中空阴极型电弧等离子枪的工作原理1－被加热材料；2－电弧等离子流；3－中空阴极；4－直流电源NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼转移型等离子枪在枪体上同非转移型等离子枪几乎相同，引弧方式也一样，所不同的是起弧后电源的正极由枪体的喷嘴转移到被熔化的材料上，在阴极和阳极之间形成等离子弧，其长度比自由电弧或等离子焰流长得多，有的可达1m以上。国际焊接学会曾经建议将转移型弧称做等离子弧，而将非转移型弧称为等离子焰流。图3－4转移型等离子构1－电源接头；2－压盖；3－密封填料；4－阴极杆；5－枪体；6－分流环；7－阴极NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼高频等离子枪的枪体结构与电弧等离子枪完全不同。它的枪体用石英管制成，石英管外绕有感应线圈，此线圈与高频电源相连接，电源频率为5～50MHz。为了引发工作气体电离，在石英管的上端装有一根石墨或钨制的引发棒，供引发工作气体电离用。工作时，先将引发棒下移至感应圈的工作室中间，当通入高频电流后，它被加热到很高的温度，而将周围的工作气体电离。此时这些带电粒子在高频电场的加速作用下，发生碰撞，因而得到所需用的等离子体。当这些等离子体随着工作气体喷出管外时，形成等离子焰。图3-5高频感应等离子枪1－引发棒；2－石英管；3－感应线－高频电源NortheasternUniversity第六讲等离子熔炼这种等离子枪若以Ar为工作气体时，所产生的等离子焰的温度约为 10000～15000，而它所形成的气流，其喷射速度约为10～100/s，与 电弧等离子流的速度相比，要低得多。 高频感应型等离子枪在操作的流程中不使用电极，故能用任何气体。 另外，由于没电极材料的污染，这种等离子焰比电弧等离子焰更洁净。 但是，这种类型的枪功率较小，效率也较低。 等离子枪的类型较多，但工业上用于熔炼的等离子炉多采用转移型 和中空阴极型电弧等离子枪。 Northeastern University 第六讲 等离子熔炼 6.1.3 等离子弧的特点 等离子弧是一种气体电离度很高的电弧。国际焊接学会认为，等离子弧是一种 使用机械的或电的压缩作用而造成收缩的等离子体，能够把高度集中的热量传递到 较小表面上的电弧。等离子弧与普通电弧都是等离子体，但是只将压缩了的电弧称 之为等离子弧。 等离子弧具有以下特点： 温度高等离子弧形成时受到喷嘴器壁的机械压缩作用，本身电流产生磁收缩以及本身 的热收缩等效应的影响，弧柱为细束形状，当大电流通过，能量高度集中。炼钢电 弧炉的电弧最高温度，5000～6000K, Ar气为工作气体等离子弧温度，24000～ 26000K 导电能力强通常气体是很好的绝缘体，由中性的原子或分子构成。但当气体电离形成等离 子体以后，含大量的带电粒子，使之在外电场的作用下，显示出很强的导电能力。 等离子弧的弧柱具有较高的电场强度。普通电弧弧柱的电场强度一般很少超过 10V/cm；而等离子弧柱电场强度通常为10～100V/cm。 Northeastern University 第六讲 等离子熔炼 流速高当工作气体在喷嘴孔道中被加热到很高温度，体积剧烈膨胀。当等离子流喷 出时，以极高的速度射向被熔化的金属。Ar弧等离子流射出时，100～500m/s。 燃烧稳定由于气流的稳定作用，加之弧柱的密度大，等离子弧具有较强的稳定性。 Northeastern University 第六讲 等离子熔炼 6.1.4 等离子弧的温度特性 形成等离子弧高温的原因，有机械方面和电热方面造成的压缩作用， 表现在以下三各方面： 热收缩效应电弧射出后，受到冷却，使消电离速度大于电离速度。电弧柱导电截面积相应 缩小。缩小的截面积上通过原来大小的电流，电流密度增大，温度上升。 磁收缩效应电弧电流产生的磁场对弧柱的压缩作用。这种作用随着电流密度的增 大而增强。 机械压缩效应在等离子枪的气体喷出端安装有喷嘴，并经喷嘴口流过工作气体，因而同样使 射出的电弧受到一种压缩作用。这种压缩作用只是一种机械的压缩。 Northeastern University 第六讲 等离子熔炼 除此之外，电弧空间的气体成分，以及电极材料等，对电弧的温 度影响都较大。如果电弧空间气体的电离电位越高，则电弧的温度会 越高。但是电弧空间气体中也包含着电极材料形成的蒸气。当采用金 属电极燃烧时，由于电弧空间有金属电极的蒸气存在，而它们的电离 电位又都比较低，使得电弧的温度都比等离子弧的低。而当采用钨制 的电极燃烧时，由于钨很少蒸发，故电弧的温度比较高。 Northeastern University 第六讲 等离子熔炼 6.1.5 等离子熔炼的优越性 熔化速度快，热效率高例如一座容量为2t的等离子电弧炉与容量的三相电弧炉相比，其生产率约高 30～40%，而电耗仅为同容量电弧炉的75%左右。 去除气体和非金属夹杂物较充分在等离子电弧的高温以及等离子流的喷射作用下，金属材料中的气体和非金属 夹杂物可以充分去除。例如采用等离子电弧炉重熔GCr15钢时，与电弧炉相比，钢 中氧化物、硫化物和氮化物等夹杂都有所减少，金属中的[O]、[N]含量也分别减少 33%和29.8%。见表6－4所示。 表6－4是几种不同方法熔炼GCr15钢时钢中夹杂和[O]、[N]的含量 非金属夹杂物，% 气体，ppm 氧化物 硫化物 氮化物 电弧炉40 0.0096 0.0096 0.0020 33 104 440.0076 0.0013 0.0019 24 85 线.0041 0.0011 22 73 熔炼方法 熔炼次数 Northeastern University 第六讲 等离子熔炼 去除气体和非金属夹杂物较充分表6－5是几种不同方法熔炼1Cr13Si2Mo2时钢中非金属夹杂物的含量 氧化物 硅酸盐 球形的 线性的 可变性的 不变形的 脆性的 电弧重熔法 0.501.96 3.03线 等离子重熔法1.11 0.50 0.50 0.64 0.61 0.50

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