第三章 等离子冶金.ppt

* 等离子冶金 等离子熔炼是利用等离子弧作为热源来熔融、精炼和重熔金属的一种新型冶炼方法，所谓等离子弧，也是一种电弧，不过电离度更高而已。等离子孤与自由电弧不同，属于压缩电弧。自由电弧之阴阳极间的气体放电不受外界因素的约束和影响。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，形成压缩电弧。日前在冶金生产中得到应用的主要是直流等离子弧，它是用等离子喷枪对电弧施以压缩而形成的，其特点是能量集中，温度高，弧的电压和电流较稳定。 等离子弧熔炼从六十年代初创制成功以来，已发展成为生产规模的新型电炉系列，根据不同的结构和冶炼特点，大致可以分为四大类： 1）等离子电弧炉； 2）等离子感应炉； 3）等离子电弧重熔； 4）等离子电子束重熔。 5）利用等离子能炼铁，该法还处于半工业性实验阶段，使用该法的目的是为了取消烧结，减少焦炭和优质煤用量，避免环境污染，灵活使用电能。 6）利用等离子能熔炼铁合金，其优点是热量输入分布均匀，可以以煤代焦炭。 1 等离子电弧炉PAF（Plasma arc furnace） 图1 敞开式等离子电弧炉示意图 1-喷枪；2-炉盖；3-辅助阳极；4-出钢口；5-电磁搅拌线圈；6-耐火材料炉衬；7-阳极；8-铈钨极；9-等离子弧；10-炉门；11-金属液；12-渣液 等离子电弧炉外形和普通电弧炉相似，它以等离子枪为一个电极，另一极埋在炉底。用感应线圈搅拌熔池。1962年美国联合碳化物公司麦可洛设计的140kg及900kg炉子是最早的炉型。炉子可以是敞开的，也可以是密封的，如图1、图2所示。 图2 密封式等离子电弧炉示意图 1-观察孔；2-喷枪；3-操作孔；4-炉盖；5-出钢口；6-电磁搅拌线圈；7-金属液；8-水冷铜阳极；9-电熔镁砂炉衬；10-密封石棉绳；11-钍钨极；12-辅助阳极；13-等离子弧 由图1和2可见，等离子电弧炉由喷枪和炉体两大部分组戍。 喷枪由水冷铜喷嘴及水冷铈钨棒或钍钨棒电极组成。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。在熔炼过程中，必须防止后续铜管漏水。为此，一方面要保证铈钨极与后续铜管间的焊接质量，另一方面必须注意阴极消耗情况，及时更换。 炉体包括水冷炉盖，用耐火材料砌成的炉壁及炉底。炉底埋有石墨电极或铜制水冷电极作为阳极。为使金属熔池温度均匀、成分均匀，埋有电磁搅拌线圈。为便于装料、造渣、取样、测温等操作，设有炉门。象普通电弧炉一样，等离子电弧炉设有出钢榴。由于熔炼过程中炉内温度不均匀，必须很好地注意保持合理的金属熔池或炉膛形状，及时补炉。 熔炼时，先在铈钨极或钍钨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，阴极与金属科之间就会起弧，此弧称为转移弧，亦称“大弧”，一候转移弧形成，喷嘴阴极间电路即切断，非转移弧就熄灭。可见，直流等离子电弧炉是以转移弧为工作电弧的。转移弧又称“主弧”。在熔炼非金属材料时，由于固态炉料不导电，可用非转移弧熔化。 等离子电弧炉最重要的工艺参数是主弧电压、主弧电流和氩气流量。随着炉料的熔化，弧电压、电流会有所被动，为保证熔炼的正常进行，必须控制电压与电流稳定。为此，可通过升降喷枪和控制饱和电抗器电流来控制主弧电流。当电流稳定时，电压相应亦稳定。氩气流量则通过流量计来控制。 熔炼原理及电器设备图示于图3。 图3 等离子电弧熔炼原理及设备示意图 熔炼时，炉子可通氩气保护，也可不密封进行如普通电弧炉那样的氧化还原操作。在后一种情况下，要适当造渣覆盖钢液面以防止氧化、吸气。为脱硫，还可以造碱性渣并采用换渣操作。如需炉中调整成分时，必须加速炉中取样分析过程，由于熔炼过程中化学反应速度快，如分析速度跟不上，成分就控制不住。另外，由于金属液通常过热到较高温度，必须注意出钢和浇注温度的控制。 1983年10月奥地利奥钢联公司建成一台公称容量45t的PAF炉，该炉子具有四支4600~8100kw的等离子枪，被安装在炉墙内，与熔池呈一定倾斜度。等离子枪可调整及拆卸维修。等离子弧在钨阴极和炉底中心的阳极间燃烧，等离子弧长约1m，每支枪的电流约9kA，枪的寿命达2000h，炉底阳极寿命达700炉，