等离子冶金理论与进展.doc

等离子冶金理论与进展李正邦摘要综述了等离子冶金的理论与进展，着重等离子温度、射流速度及穿透深度计算，分析等离子在金属制备过程中的新应用，并展望其未来。关键词等离子冶金射流速度穿透深度Theory and Progress of Plasma MetallurgyLi Zhengbang(Central iron & Steel Research Institute, Beijing 100081)AbstractAn overview is presented on theory and progress of plasma metallurgy, including the estimating and calculating of plasma temperature, jet velocity and depth of penetration, the analysis on the recent application of plasma in metal processing and the prospect of the future of plasma metallurgy.Material Index Plasma Metallurgy, Jet Velocity, Depth of Penetration等离子弧可将电能转换成热能，形成高温热源。如予以原子和分子足够能量，电子可脱离原子核形成自由电子，而原子则成为正离子，电离达到一定程度，呈现明显的电磁特性，它就成为区别于物质固体、液体和气体的物质第四态等离子体。由于等离子体的自由电子负电荷与正离子正电荷总量相等，电特性呈中性，虽然1928年美国人爱安格纽尔(J.Iangmuir)用希腊单词Plasma定名，而译成中文时，仍按物理意义定名为“等离子”。等离子技术已成功地应用于焊接、切割及喷涂，目前正应用于磁流体发电、核聚变及半导体蚀刻等尖端技术的开发。斯泽克里(J.Szekely)1认为等离子作为冶金热源的主要特点为：(1) 高温(5 00030 000 K)；(2) 能量高度集中；(3) 离子化状态；(4) 离子流速度快(100500 m/s)。1等离子的理论研究要进一步降低电耗，提高枪及炉体寿命，必须进行模拟实验，研究等离子体中电磁学、热传递、能量转换及流体流动等现象。因为只有透彻地了解传输过程及气固反应系统，系统研究等离子条件下热力学性质，测得准确的传输系数，才能设计最佳的枪和炉体，合理扩大炉容量，提高冶金质量。1.1等离子体特性的理论研究方法描述和表示等离子特性的方法有3种：等离子物理、磁流体力学及经验渐进线关系：(1) 等离子物理。以物质的动力学理论为基础，用分布函数描述等离子系统中电磁现象，热现象以及流体流动现象。通常分别对电子和离子写独立的方程。在教学用书中24对此基本方法有详细的讨论。这些分布方程的复杂妨碍了它们对处理工程类问题的应用。(2) 磁流体力学。采用MHD近似将等离子区域作为导 电介质对待，其传导性取决于温度。将问题通过麦克斯韦(Maxwell)方程(计算电磁场)、欧姆定律(计算电流分布和发热模式)、紊流的内维尔-斯托克斯(Navier-Storcs)方程(计算速度场)以及不同的热能平衡方程(计算温度分布)表示，采用迭代的方法对不同方程进行数值求解58。这一方法虽然也复杂，但在许多情况下可以认为是合理的折衷方法。(3) 经验渐进线关系。包括在MHD近似的应用中的近似计算方法需要使用计算机。在类似IBM 370系统的计算机上需要运算50200s.为了评价等离子体系统的一些特殊性质，可以使用稍微简单一些渐进线表达，借助简单的代数式表达描述等离子体行为的一些情况，但不能得出用MHD方法所获得更精确的理解。1.2等离子体电弧的一些特性1.2.1最大等离子速度非粘滞性等离子体中最大速度可由曼欧克(Meaecker)方程9求出：(1)式中rc阴极半径；J0所施加的电弧电流密度；等离子体电弧的电流密度；u0离子流速度。施伊克(Schoeck)10和埃克(Ecker)11采用了更精确的方法，他们假定一抛物线电流密度分布，即：(2)式中r0电流传导带的外半径。对于这些条件，可给出umax：(3)1.2.2最大等离子体温度若假定来自阴极的全部热损失主要是辐射、自由电子辐射等，冷却的影响忽略不计，把给予阴极的能量用于产生总电流I和阴极电压降U0，有以下近似方程11：IU0=AT4(4)式中斯蒂芬-玻尔兹曼常数；A阴极面积T温度整理4式得到：(5)于是，只要知道总电流I、阴极压降和阴极面积A，就可计算出最高等离子体温度。1.2.3电弧反压力和等离子喷射流冲击区总反压力P即冲量强度或阴极上的反向力，由曼欧克(Maecker)9给出：(6)式中r由阳极测量的电弧半径。在许多情况下，主要兴趣在于研究冲击在固体或熔化表面上的等离子射流带。对于固体阳极轴对称的非粘滞性等离子射流的速度分量近似为：(7)uz=-az(8)式中a常数；z,r轴向和径向坐标；uz，ur轴向和径向速度分量。对于液体阳极，借助于空腔底部能量平衡，能够将在液体熔池中的穿透深度与射流动量联系起来(图1)12。若已知液体表面附近的射流速度uc，可直接由下式得出穿透深度H0：图1射落到金属熔池上的等离子体射流Fig.1Schematic of plasma of a jet impinging into molten metal pool(9)式中液体密度；g气体密度。ut=Cu0/2式中u0阴极附近速度；C对于动量转换是一纯系数。2等离子技术的发展等离子技术处于现代科技前沿，等离子技术在冶金中应用正处于发展阶段，从80年代技术推进来看，有以下值得重视的新动向。2.1等离子熔融还原2.1.1瑞典SKF公司Plasmared工艺12用等离子焰裂解自然气体或LPG产生还原气体，将细粉末矿还原成海绵铁，最近该公司用Plasmared工艺生产海绵铁的产量由原3万t/a，上升到7万t/a。2.1.2Plasmamelt(等离子熔炼)法等离子竖炉熔炼法如图2所示。图2等离子熔融还原示意图Fig.2Schematic of plasma smelting reduction它是由高炉式的煤气化炉、还原粉矿的熔化炉和利用产生气体的流化床还原装置所组成，由瑞典SKF公司开发成功。其特点是使用的煤无需选择。本法于1972年在SKF霍夫斯(Hofors)厂着手研究，1981年以来对1.5 MW燃烧器和0.51.0 t/h的半工业性试验装置进行了试验。该法先在炉内装满2060 mm焦炭块，然后由风口将高温还原铁(还原率80%)、还原剂煤、等离子化了的循环气(占全气化量的20%)吹入，实现还原铁的熔化和煤气化。2.1.3比利时研究协会鼓风加热工艺13使用鼓风加热，随着高炉能量的增加，生产率也提高。但常规加热空气已达到极限，在每个风口处用等离子喷嘴吹煤粉及还原气体，能提高高炉生产率。2.1.4美国宾西法尼亚州伯利恒(Bethlehem)钢铁公司炼钒铁14伯利恒(Bethlehem)公司麦克李(D.R.McRee)等用功率1000 kW转移式等离子电弧炉还原氧化铁生产粗钢，还原精选钒矿生产钒铁。2.1.5日本北原的等离子熔融还原工艺15北原宜泰等为了使流态化所得到的预还原矿粉能最终还原，采用H2+Ar气等离子弧使预 还原矿粉迅速熔化和熔融还原。还在铬矿未还原及半还原球团中添加焦炭作还原剂，用Ar气等离子熔融还原，初步试验得到含铬18%的粗钢。2.2活性金属等离子熔炼2.2.1铬的熔炼16，17铬是难以采用真空熔炼的金属，采用等离子熔炼铬，以脱氧脱硫。以电解铬为原料，用图3所示等离子渣壳熔铸炉进行渣壳熔炼。为了提高碱度脱硫，以CaO为基本熔剂，另加入铝以脱氧，而CaO对铝脱氧产物Al2O3有共晶点，具有造渣条件。按铬的质量大小加入3%CaO，1%Al的混合剂，获得渣成分接近于70%CaO-30%Al2O3。对加熔剂精炼铬和不加熔剂只熔化的铬，熔炼条件见表1，产品化学成分见表2。由表2可见，等离子渣壳熔铸炉加熔剂精炼铬，脱硫率达65.2%，脱氧率达87.2%，冶金质量良好。图3等离子渣壳熔铸炉Fig.3Plasma slag shell furnace表1铬的等离子熔炼条件Table 1Condition for plasma melting Cr熔剂使用等离子输出功率/kW原料装入量/kg熔炼时间/s一次出钢量/kg不加熔剂加熔剂280252252784084011.410.7表2等离子熔炼铬的化学成分/%Table 2Chemical compositions of Cr melting by plasma/%熔炼条件SOCAlFe原料铬0.0170.0040.13炼铬加熔剂0.0050.0110.0380.0770.0130.0210.160.360.130.16炼铬不加熔剂0.0230.310.410.0170.00钛的熔炼16，17钛是活性金属，通常用真空熔炼法制成钛锭。将海绵钛压成电极，经一次真空电弧重熔(VAR)得到粗钛锭，再将粗锭经二次真空电弧重熔。在等离子电弧重熔炉PAR内连续抽锭，可直接用海绵钛和废钛屑作原料连续熔炼铸造，一次熔炼成钛锭，对优质钛锭最好采取一次真空电弧重熔(VAR)。表3系PAR、PAR+VAR及VAR+VAR熔炼钛锭微量元素测定结果。 表3不同方法熔炼钛锭微量元素测定结果/10-6Table 3Analysis of micro elements in Ti ingot melting by different method/10-6熔炼工艺WCuCaMnZnFeAsSnSbPbPARPAR+VARVAR+VAR2226311082855314018281233101743833876294790988590901105909506009004707002.04.67.216033019049016225.1145.816164.11.0锆的熔炼16，17锆的熔炼方法与钛大致相同(表4)。 表4等离子渣壳熔铸炉和真空电弧熔炼锆分析结果/%Table 4Analysis of residual elements in Zr ingot by plasma slag shell furnace and vacuum arc melting/%研究金属CrFeCNMgAlOHB550 ASTMG-702海绵锆PPC锭C2105PPPC锭C2106PVAM锭底部VAM锭底部0.0140.0140.020.020.020.020.200.040.120.050.0090.0090.0080.0140.0130.0250.00340.0040.0050.0060.0030.0030.0030.0050.0070.0080.0080.0050.0050.1990.1640.1620.1880.0050.00510.00440.00280.0017图3所示等离子渣壳熔铸炉对活性金属进行过渣壳冶炼，然后在熔炼室内倾动渣壳坩埚，浇入熔炼室内配置的铸模中便可得到铸锭。2.2.4新型特种合金的熔炼16新型特种合金包括：Ti系、Zr系储氢合金，NiTi形状记忆合金，Ni-Ti系超导合金等。采用等离子弧熔炼，不仅温度高，能量集中，无污染，而且重熔可以精确控制成分。日本科学技术厅正在推行的“风力-热能利用计划”，变风力为热能试验采用Fe-Ti-O系储氢合金，表5是利用等离子渣壳熔铸炉配加海绵钛、电解铁以及氧化铁(氧来源)炼制合金的结果。在此基础上连续熔炼23炉Fe-Ti-O合金，合金特性列于表6。由表可见，化学成分及储氢与吸氢特性全面满足要求。Ti-Mn系合金(例如TiMn1.5)也得到同样的结果。在真空熔炼中难于控制的锰含量，而在接近0.1 MPa气氛下等离子熔炼很容易控制”。熔炼TiMn1.5合金，采用等离子渣壳熔炼，用海绵钛和电解锰作原料，所得到的成分分析和目标值相差很小。除二元系外，同样可以熔炼Ti-Mn-X三元系或Ti-Mn-X-Y四元系。由于Ni-Ti形状记忆合金要求严格控制成分，采用等离子渣壳炉最合适。配入不定形料或返回料，在等离子渣壳炉熔炼和铸锭，为了真空精炼及改善铸锭结晶，往往采用真空电弧重熔(VAR)，再次重熔。 表5等离子渣壳熔铸炉熔炼Fe-Ti-O合金Table 5Fe-Ti-O alloy melting by plasma slag shell furnace熔炼号结果FeTiO原料配比海绵钛电解铁三氧化二铁C4709目标值铸锭分析48.6448.9551.1550.920.1240.22051.3648.610.034C4711目标值铸锭分析48.0450.4251.2949.290.5870.48751.4946.841.66表6批量生产的Fe-Ti-O合金的特性Table 6Characteristics of Fe-Ti-O alloy batch-produced化学成分/%吸氢特性元素规格平均值项目规格平均值FeTiO48.750.860.4249.5550.330.330.340.350.016吸氢量/m3初期氢化时间/min水浸后氢化时间/min17010-6621.618810-62.763.9810-61.021.52.3等离子弧制取超细粉末18，19日本金属材料技术研究所宇田雅广等研究利用等离子气体作为富有反应活性的气体来处理金属使之超细化。金属超细粉末，如铂黑是重要的触媒，到目前为止采取各种物理及化学方法制取尚未找到一种效率高、成本低、能大量生产金属超细粉末技术。宇田雅广等制取超细粉末的原理是，在含氢的惰性气体中用电弧将金属熔化，熔化金属和原子氢及分子氢更容易溶解，即有大量溶入形成过饱和状态，过饱和溶解氢成分子状态，释放到非弧相气氛中，由于强烈的蒸发作用，得到金属超细粉末。在等离子熔炼炉上安装一个超细粉末捕集器收集超细粉末。这一工艺在密封熔炼室内进行，不消耗氢气，氢起触媒作用。2.4连铸中间包加热钢水技术12，2022随世界连铸比不断增大，连铸技术不断完善，为补偿连铸过程热损失，防止水口冻结及中间包结壳，不得不提高出钢温度，然而转炉每提高出钢温度10 ，炉衬寿命降低100炉左右。为确保连铸质量，要求准确控制中间包温度。温度过高，铸坯中心偏析严重，柱状晶发达，中间等轴晶区减少，拉漏危险增大，不得不降低拉速，势必降低生产率。温度过低，钢水流动差，夹杂物上浮困难，易发生凝钢，严重时钢水报废。80年代中期，冶金工作者对中间包采用感应加热、电渣加热、直流电磁加热及等离子加热等手段。其中，以等离子加热最成熟，目前在美国、日本、英国、德国已得到应用，国内武汉钢铁(集团)公司、马鞍山钢铁(集团)公司、唐山钢铁(集团)公司、衡阳钢管厂均引进设备投入生产。其加热原理是，气体通过电弧时吸收能量，同时由分子或原子变成导电离子流。离子流复原时，即放出能量，形成高温流体，等离子炉下端温度可达8 000 ，用以对中间包加热。按所使用的电流及 电极设计的不同，可分为直流型、交流型、转移型及非转移型等离子加热。在直流电弧中，阳极和阴极的性能是稳定的。在交流电弧中，阳极和阴极随电流交变无阳极保护问题。转移式只有一根电极，另一根在熔池底部与钢相连。非转移式等离子两根电极均在等离子枪内，对枪寿命不利，目前绝大多数厂家使用转移型等离子加热。查普曼(C.Chapman)等人报道12，采用等离子加热后，中间包钢液可在5 以内，使出钢温度降低1020 ，节能4 kWh/t。伊瑞它里(H.Iritani)等人20研究表明，采用氩气作为等离子介质，钢中增氮仅0.0005%，同样可炼出低氮钢。新日铁广岫厂在生产中采用直流转移等离子加热装置23，使钢水温度波动控制在2 以内，减少了氧铝夹杂物，热效率达80%。日本东京NKK京滨一台中间包等离子加热器22，功率1.4 MW的直流等离子系统，通过PID控制，使钢水温度控制在1 以内，使铸坯中心偏析大大减轻。PID系统见图4。日本神户加古川厂采用交流转移等离子加热装置，可将钢水温度控制在5 以内，热效率65%21，中间包热状态下重复使用200次。降低了耐火材料的消耗。图4日本NKK公司中间包等离子加热PID系统Fig.4PID system with plasma heating tundish at NKK中间包等离子加热的特点如下：(1) 采用惰性气体作工作气体，不会污染钢液；(2) 用于钢水的加热保温，过程简单，操作灵活，温度控制准确，升温速度快；(3) 促进夹杂物上浮，改善铸坯质量；(4) 热效率降低，等离子枪寿命待提高，钢水温度分布不够均匀及噪音问题有待解决。3等离子冶金未来的展望等离子弧作为热源在冶金领域已获得局部应用，显示了它在技术上的潜在优势。只有当等离子冶金成本低于传统工艺成本时，等离子冶金才能在工业上形成生产力，无疑等离子冶金用于大规模生产只是时间问题，预计在21世纪初将有重大突破。最近，世界各先进工业国都致力于研究等离子冶金，一些国外第一流学者的注意力都转向研究等离子冶金，如美国斯泽克里(J.Szekely)教授、巴特(G.K.Bhat)博士、乌克兰巴顿()院士、日本的宇田雅广博士等。作者认为发展等离子冶金的关键是充分发挥等离子弧作为冶金热源的潜在优势，具体为：(1) 能量集中，温度高，熔化速度快，可以提高生产率。(2) 在高温下，高速等离子流对气-固-液相反应热力学条件有利。(3) 可根据工作需要选择气体，如用还原性气体(H2、CO、烃、烷)，可脱氧使铸锭不留脱氧产物。用氮气作工作气体合金可增氮，用氩气作工作气体合金可脱氧、脱气。(4) 工作时电弧稳定，噪音小，电流及电压波动小，功率调节方便，范围广。(5) 在惰性气体保护下合金烧损相当小，合金收得高，适合于熔炼活性金属。(6) 在高温等离子弧作用下S、P、Pb、Sb、Be、Sn、As等杂质易挥发。(7) 等离子弧温度高，适应于熔炼W、Mo、Re、Ta、Zr及其合金。(8) 等离子弧温度高，有利于脱碳反应，不用石墨电极可防止增碳。(9) 由于等离子弧调整范围广，输入功率和金属熔速无直接关系，重熔可以控制金属凝固，制取单晶体。(10) 等离子枪的工作气体可兼作喷粉运载气体进行喷粉，强化冶炼过程。作者简介：李正邦，北京钢铁研究总院教授，博士生导师，中国电渣冶金协会主席。1958年哈尔滨工业大学毕业，主要研究成果和领域：工业电渣炉设计，电渣重熔机理和技术，模具钢和高速钢，获国家发明奖3项。专著：电渣熔铸(1981)。作者单位：钢铁研究总院，北京100081参考文献1Chang C W.Szekely,J.Journal of Metals 1982,(2):572Chen P F.Introduction to Plasma Physics,Plenum Press,New York,19743Boyd T J.Sanderson J.Plasma Dynamc,Barnes and Noble,New York,19704Shoet J L.The Plasma States,Academic Press,New York 19715Ushio M.Szekely T.Chang C W.Ironmaking and Steelmaking,1981,(8):2796Szekely J.Fluid