等离子体冶金发表评论(0)编辑词条

　　等离子体冶金(plasma   metallurgy)

　　利用电能产生的等离子弧作为热源的电热冶金方法。又称等离子熔炼。此法具有熔炼温度高、物料反应速度快的92特点，用于熔炼、精炼、重熔高熔点金属和合金。等离子体冶金在20世纪60年代初期最早用于生产合金钢，现今在许多国家中获得广泛应用。

　　等离子体 通常把正电荷和负电荷浓度相等的电离气体称为等离子体。一般条件下，气体是电中性(不导电)的。但气体在外力例如热电离、粒子束及其他力的作用下，可以电离成电子和正离子，气体通过这些电子和离子的运动而能导电，但其正、负电荷的总和仍为零。将电离气体的离子数ηN总质点数N比ηN：N的α定义为电离度。电离度随电离温度升高和压力降低而增大。电离度为1，温度最高(106)的等离子体，称为高温等离子体；温度约为103 ~104K级范围的部分电离的等离子体称为低温等离子体。冶金上用的都是低温等离子体。等离子体电弧与自由电弧不同，属于压缩电弧。这种压缩电弧是当阴、阳极问气体放电产生的电弧受到气流、器壁或外磁场的压缩而形成的，它使弧柱变细，流速加快，热量集中，温度升高。冶金应用的直流等离子弧的弧心温度可达到24273～26273K。

　　等离子体枪 将气体加热到离子化的设备，又称为等离子体发生器。等离子体枪通常由高熔点金属钨、钽作非自耗阴极，由喷嘴或被加热物料作阳极构成。分为非转移式和转移式两种类型。非转移式是以等离子体枪的喷嘴为阳极，从阴极发射的热电子和电离气体通过喷嘴的狭窄通道被压缩，形成弧柱，被加热的物料置于阴、阳极外边。转移式等离子体枪以被加热的物料为阳极，而枪的喷嘴仅作为压缩板的孑L板。等离子体的工作气体可以是惰性气体、还原性气体、氧化性气体和氯化气体，通常沿等离子体枪的阴极轴向或切线方向通入。等离子体枪的功率从20世纪60年代初的120kw发展到现时的2800kw。

应用 等离子冶金常用于还原熔炼、氧化过程、金属精炼、金属重熔。

还原熔炼 在还原气氛下用于熔炼有色金属的等离子体炉类似电弧炉，所不同的只是前者用离子体枪代替石墨电极。炉体用耐火材料砌筑，炉顶用水套冷却。还原反应产出的金属、炉渣、炉气分别从炉内放出。原则上，适用于还原熔炼任何氧化物物料，但最适用的是还原熔炼高熔点金属氧化物，如氧化钨(或仲钨酸铵)等。将氧化钨投入氢等离子体弧(约2273～5273K)中，即可制得特细(0.02～0.1ffm)的非自燃钨粉，回收率达98％。还可用于还原熔炼气相中的TaCl。或TiCl。制取供特殊用途的细粒钽粉或钛粉。

氧化过程 用氧气氧化TiCl4制取TiO2的反应为：

　　TiCl4+O2→TiO2+2Cl2

　　此反应的热力学数据表明，反应在室温即可进行，但反应速度太慢，用等离子体氧化法在1773K下反应只需10-2 ~10-3s就可完成。在400kw的等离子体炉内，用氩气和氧气分别作为工作气体和反应气体氧化TiCl4，获得的TiO2。晶粒，具有完整的晶形，粒度小于1μm，适用作特殊颜料。

　　金属精炼 镍和镍、钻合金等可用等离子体炉(图1)进行蒸发精炼脱除铅、锌、锡。精炼时，将合金置于耐火坩埚中，坩埚外面绕以感应线圈，起加热和搅拌合金作用，等离子弧通过石墨阴极和合金阳极构成回路。由石墨阴极外套的金属水冷管内通入氩气作为工作气体，氩气兼有冷却阴极、压缩电弧和防止合金表面氧化的作用。操作温度约2273K，此温度已超过铅的沸点。此法也可用作氧化挥发精炼(见挥发熔炼)。

　　金属重熔 金属重熔是采用真空等离子体炉(图2)。这种叠加真空的等离子体炉的惰性气体流量小(0.001～0.08g／s)，因而惰性气体消耗少；工作空间压力小(0.01～1Pa)；用水冷结晶器作阴极，不会污染金属。在熔炼室上面安装钽管等离子体枪，下面接结晶器和拉锭装置。棒状物料的调节装置位于侧边。这种炉子也可以重熔粉状或粒状物料，这时物料经料仓加料器或通过等离子体枪加入，可用于重熔和提纯金属钛、铬和铌等。重熔或提纯开始时，依次接通高频和引束直流电源引弧，待电流增加、电压降低后接主电源操作。真空等离子体炉比真空电子束炉电耗低，投资少；比真空白耗电弧炉提纯效果好，省掉电极制备作业。

　　展望 等离子体冶金是一种新的冶金方法，正引起人们的重视，其发展方向是：(1)推广应用于热分解、卤化冶金、液相和气体的碳还原，热处理渗碳和生产耐热合金单晶等；(2)研制更大功率的等离子枪和提高其使用寿命；(3)采用交流等离子体枪，省去整流设备，以减少投资，提高设备容量；(4)加强对设备和人身的安全防护，特别是防止有害气O3、NO2、Cl2等的危害。