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等离子枪和等离子体冷炉床 等离子体冷炉床是通过电能转化为等离子弧的能量轰击熔化金属的一种装置。当电流通过气体时，使气体电离，形成等离子弧发出弧光，利用弧光发出的热量熔炼高度活泼的金属或合金。等离子体被称为物质的第四态，是由电子、离子及中性粒子组成。虽然存在正、负电荷，但在整体上等离子体是中性的。形成等离子弧的气体介质一般用氩气，冈为氩气的电离功率较小，易于电离，价格比较低廉，在钛合金熔炼过程中又起到保护的作用。但从热效率上说，氦气更是首选的介质，其熔炼速率大约是氩气的2倍，但目前在国内，氦气的成本相对要高得多。 普通电弧炉中的电弧也是等离子体，不过其电离程度较低。 等离子电热是电弧电热的改进和强化。在工业应用上，等离子弧是通过等离子枪实现的。等离子枪由含钍的钨电极和水冷的等离子枪体组成，实用的等离子枪分为非转移弧和转移弧两种，如图2-10所示。非转移弧等离子枪功率较小，在熔炼和铸造行业中主要采用转移弧等离子枪。 图2-10等离子枪示意图 (a)非转移弧等离子枪；(b)转移弧等离子枪 1—被加热材料；2-等膏子弧；3-喷舅；4-直流电源；5-钨或钨钍阴极 工业等离子体熔炼炉系统在生产钛及镍基合金中应用转移弧等离子枪(transferred arc plasma)。因为这些被熔化的合金都是导电的，使用转移弧等离子枪使输入的能量更多地用于熔化金属工件上。高效率地利用电能以获得高的熔化速率，此外，因为转移弧枪仅仅需要一个电极，设备的易损件相对减少和经济。转移弧枪有一个比较宽的功率范围，其功率的范围是弧长和电流的函数。 在工业应用中，阴极常设计成水冷空心的阴极，工作介质气体顺着阴极高速流入，在负极的钨棒与正极的工件之间产生等离子弧。空心电极扩大了阴极的工作面，因而增大了气体的电离度。在横向．等离子弧在水冷的喷嘴壁和磁场的作用下向中心压缩变细，从而形成一束能量集中弧柱细长的高温等离子弧，它比自由电弧具有较好的稳定性、较大的长度和较广的扫描能力，因而等离子弧在熔炼和铸造中具有独特的优势，比一般电弧温度高得多。有资料指出，氩弧等离子束中心可达20000℃，而一般电弧最高温度只到6000-7000℃。此外，这种等离子束的流速很高，为100-500m/s，冲击到被加热金属上，可以使金属迅速加热和熔化，这种热能转化的过程与普通电弧基本相同，但其截面较小，长度较长，所以称为压缩型等离子弧。 等离子枪是等离子体熔炼炉的核心部件，而关键是电极的设计和应用，一般分为固定的弧柱和螺旋的弧柱，其中，获得螺旋型的弧柱是最佳的，这种弧柱更为稳定。 美国Retech公司设计制造的转移弧等离子枪在长期的生产实践中得到了广泛应用。他们设计的得到螺旋型等离子弧的电极实际上是空心的，并且是无氧纯铜制造的，简单原理如图2-11所示。采用直流高压电源以维持等离子弧柱。等离子枪的主要零件是电极、气环和喷嘴。电极和喷嘴直接由水冷却。气体通过气环如何以螺旋的方式进入电极的端部呢？气环使氩气或氮气呈切线方向注入，形成要求的螺旋气流。而电极是一个带有盲孔的圆形的管。气体的螺旋运动在电极的整个内腔伸展至弧 图2-11 转移弧的等离子枪 的终端。这种设计有效地提供了200h以上的电极寿命。这种螺旋运动保证了获得稳定可控的等离子弧柱，并适合于喂人不同形式的原材料，如散料、颗粒状的或块状的原材料。这时弧柱的长短宽窄变化比较大，弧柱能直接打在各种原料上而不发生漂移。 这种螺旋形的等离子弧柱的另一个特点是可以在环境气压很宽的范围内熔化金属，甚至可以在25-300kPa的环境下维持正常工作。在低于l0lkPa的条件下操作，可改善熔化的效率，而在较高的压力下可以使不同熔化温度的元素有效地合金化，特别是那些蒸气压高的合金元素。 最后，这种转移等离子弧的优点是能够搅拌熔融金属。搅拌功能使操作者可以有效地混合各种合金元素。在有些情况下，等离子弧和磁场的交互作用可以重新定向熔池的形状，在重新定向的熔池中，凝固铸锭的晶粒得到了进一步细化，这是十分有趣和珍奇的物理现象。 搅拌熔融金属的物理机理是这样的：在图2-11中可以看到等离子弧和搅拌线圈磁场的交互作用，磁场是直流线圈产生的，因为熔融金属是携带了从等离子弧过来的电流，在这里电流和磁场正好成900，这时形成的力造成熔池的运动（即搅拌）。 虽然等离子体熔炼有很多的优点，但是也有它的不足之处。首先，等离子体熔炼的硬件比真空自耗电极电弧熔炼( VAR)或电渣熔炼在机械方面更为复杂，而且等离子枪需要三个方向的运动，而VAR熔炼仅仅是电极的一个方向的运动。此外，由于等离子体熔炼可以在25-300kPa下进行工作，所以其熔炼合金的纯度受到所选用的气体质量的影响，在这方面就不如电子束熔炼，其真空度可达到0. 0133Pa或更低。最后，由于等离子体熔炼需要一个连续的气流，在