等离子熔炼

等离子熔炼是指用惰性气体（如氩）、还原性气体（如氢气）或两种气体的混合物作介质，温度达3万度以上的纯净等离子电弧或等离子束作热源进行熔炼的一类冶金方法的总称。可在有炉衬的炉子中进行熔炼，也可以自耗电极的形式熔化提纯。主要用于特殊钢、超低碳不锈钢、高温合金以及活性和难熔金属（如钨、钼、铼、钽、铌、锆等）的生产。

利用等离子弧作为热源来熔化、精炼和重熔金属的一种冶炼方法，简称PM。有时它的熔炼对象也可以是非金属材料。等离子熔炼属于等离子体在冶金中的一个应用分支，也是特种熔炼技术的主要方法之一。等离子弧与自由电弧不同，属于压缩电弧，能量高度集中，电离度更高，它是用通有气体的等离子枪对电弧施以压缩而形成的。等离子熔炼的特点是电弧具有超高温并可有效地控制炉内气氛，因而适合于熔炼活泼金属、难熔金属及其合金。

等离子体技术在冶金中的应用可追溯到18世纪中叶，肯耐斯里(E. Kinnersly)等人用电火花熔化金属。1878年法国西门子(W. Siemens)发明了带水冷底阳极的直流电弧炉和水平非转移弧的直流电弧炉。后者即为现代等离子熔炼炉的雏形。它的两根电极水平设置，其中阴极为水冷铜棒，阳极为石墨管，通入中性或还原性气体。现代等离子熔炼技术开发于20世纪50年代末至60年代初，美国联合碳化物(UnionCarbide)公司所属的林德(Linde)公司开始研制的11kg的等离子电弧炉PAF和实验型等离子电弧重熔(PAR)炉。在同一时期，前苏联、东欧国家以及日本也进行了许多研究工作，并将其应用于工业生产。到了70年代乌克兰巴顿电焊研究所已形成PAR炉的系列设备，最大容量为5t。原民主德国弗赖塔尔(Freital)特殊钢厂于1973年和1977年先后投产了15t和40t两座PAR炉。日本大同特殊钢公司于1969年和1975年开发了0. 5t和2t的等离子感应炉(PIF)。该公司于1982年还建成了2t的PAR炉。日本不锈钢公司(Ul-vac)在60年代开发了等离子电子束重熔技术，1971年建成了一台有6支枪，每支枪输出400kW的等离子电子束重熔(PEB)设备，直接由海绵钛炼成3t的钛锭。进入80年代，等离子熔炼技术已比较成熟，发展也相对减慢。近年来在钢水加热方面的应用发展较快，如等离子钢包加热和中间罐加热。中国于70年代初开始研究等离子熔炼技术并建成了一些实验设备和容量在0.5t以下的工业炉。等离子熔炼已在许多国家得到开发和应用，所涉及冶炼产品也十分广泛，但总的产量还较低。

等离子熔炼主要是基于等离子体的超高温和根据不同的需要可有效地控制炉内气氛以实现特殊金属或合金的熔炼。有时还可以利用水冷结晶器使金属或合金实现顺序凝固以获得高质量结晶组织的锭子。

等离子体电弧的获得 等离子体是固态、液态和气态之外物质的第4态，是分布于中性粒子气体中的电子与离子的混合物。而且正电荷与负电荷的浓度相等。它具有高的导电性、热容量和导热性。等离子体还受电场和磁场的作用。应用于冶金的是低温等离子体，温度通常为5000～2000K。等离子体电弧是用直流电或交流电在两个或更多个电极间放电，有时也用高频电场放电获得的。放电时气体电离的实质是发生电子雪崩，这种雪崩具有连锁反应特性，因而电离速度极快。等离子体电弧是比自由电弧电离度更高的压缩电弧。当电极间气体放电形成的电弧受到外界气流、器壁或外磁场的压缩，使弧柱变细，温度更高，能量高度集中时便形成压缩电弧。

产生上述等离子电弧的装置叫做等离子发生器或称等离子枪。可分为转移型和非转移型两类。前者阴极装在等离子枪内而阳极是被加热的物体即被熔炼的金属;后者两根电极都装在枪内，通入的气体在枪内被电离，在两极间产生电弧，并从枪端喷出高温等离子火焰。另外，等离子枪所用的电源有直流、交流和交直流混合型。目前，等离子熔炼设备中使用的主要是直流转移弧型等离子电弧。