第三章 等离子冶金

1、1 等离子冶金等离子冶金 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、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，器壁或外磁场的压缩，使弧柱

2、变细， 温度更高，能量高度集中时，形成温度更高，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。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：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

3、： 1）等离子电弧炉；）等离子电弧炉； 2）等离子感应炉；）等离子感应炉； 3）等离子电弧重熔；）等离子电弧重熔； 4）等离子电子束重熔。）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）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。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）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。煤代焦炭。 2 1 等离子电弧炉等离子电弧炉P

4、AF（Plasma arc furnace） 图图1 敞开式等离子电弧炉示意图敞开式等离子电弧炉示意图 1-喷枪；喷枪；2-炉盖；炉盖；3-辅助阳极；辅助阳极；4-出钢口；出钢口； 5-电磁搅拌线圈；电磁搅拌线圈；6-耐火材料炉衬；耐火材料炉衬；7-阳阳 极；极；8-铈钨极；铈钨极；9-等离子弧；等离子弧；10-炉门；炉门； 11-金属液；金属液；12-渣液渣液 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，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。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年美国联合碳化物

5、公司 麦可洛设计的麦可洛设计的140kg及及900kg炉子是最早的炉型。炉子可以是敞开的，炉子是最早的炉型。炉子可以是敞开的， 也可以是密封的，如图也可以是密封的，如图1、图、图2所示。所示。 图图2 密封式等离子电弧炉示意图密封式等离子电弧炉示意图 1-观察孔；观察孔；2-喷枪；喷枪；3-操作孔；操作孔；4-炉盖；炉盖；5-出出 钢口；钢口；6-电磁搅拌线圈；电磁搅拌线圈；7-金属液；金属液；8-水冷铜水冷铜 阳极；阳极；9-电熔镁砂炉衬；电熔镁砂炉衬；10-密封石棉绳；密封石棉绳；11- 钍钨极；钍钨极；12-辅助阳极；辅助阳极；13-等离子弧等离子弧 3 由图由图1和和2可见，等离子电弧

6、炉由喷枪和炉体两大部分组戍。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

7、 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。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，必须很一样，等

8、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。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，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，亦称弧，亦称“小弧小弧”。接着，再在阴极与炉底阳极之间加上直流电压，并降低。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

9、就会起弧，此弧喷枪，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，亦称称为转移弧，亦称“大弧大弧”，一候转移弧形成，喷嘴阴极间电路即切断，非，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 又称又称“主弧主弧”。在熔炼非金属材料时，由于固态炉料不导电，可用非转移弧。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。熔化。 4 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。等离子电弧炉最重要的工艺参数是主弧电压、主弧电

10、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。来控制。 熔炼原理及电器设备图示于图熔炼原理及电器设备图示于图3。 图图3 等离子电弧熔炼原理及设备示意图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

11、弧炉那样的氧化还原操熔炼时，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。金属液通常过热到

12、较高温度，必须注意出钢和浇注温度的控制。 5 1983年年10月奥地利奥钢联公司建成一台公称容量月奥地利奥钢联公司建成一台公称容量45t的的PAF炉，该炉子炉，该炉子 具有四支具有四支46008100kw的等离子枪，被安装在炉墙内，与熔池呈一定倾斜的等离子枪，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，等离子弧长约燃烧，等离子弧长约1m，每支枪的电流约，每支枪的电流约9kA，枪的寿命达，枪的寿命达2000h，炉底，炉底 阳极寿命达阳极寿命达700炉，年产炉，年产15万吨

13、钢。万吨钢。 图图 4 奥地利奥地利 45/60 吨直流等离子电弧炉吨直流等离子电弧炉 1-阴极；阴极；2-等离子枪；等离子枪；3-等离子弧等离子弧 ；4-阳极阳极 6 德国弗瑞特勒德国弗瑞特勒(Fretal)厂于厂于1972年建成年建成15tPAF炉，于炉，于1977年建成年建成35t PAF炉，到炉，到1979年用等离子电弧炉生产了年用等离子电弧炉生产了50多万吨钢，多万吨钢，15t及及30t等离子电等离子电 弧炉的主要参数如下表弧炉的主要参数如下表1。 表表1 15 及及 30t 等离子电弧炉主要参数等离子电弧炉主要参数 7 PAF的冶金特点的冶金特点 （1）等离子弧的超高温及氩气保护）

14、等离子弧的超高温及氩气保护 这一特点使得等离子电弧炉能够熔炼难熔及活泼金属这一特点使得等离子电弧炉能够熔炼难熔及活泼金属(W、Mo、 Nb、Zr、Ti等等)和它们的合金。和它们的合金。 这一特点也使得熔炼过程中铁耗小这一特点也使得熔炼过程中铁耗小(约约2)、合金收得率高。尤其、合金收得率高。尤其 值得指出的是，在这种炉子中，易挥发元素（如值得指出的是，在这种炉子中，易挥发元素（如Mn）的收得率可优于）的收得率可优于 真空熔炼。各种元素的收得率如表真空熔炼。各种元素的收得率如表2所示。所示。 表表2 等离子电弧炉的元素收得率等离子电弧炉的元素收得率 8 （2）没有增碳的可能性且能有效脱碳）没有增

15、碳的可能性且能有效脱碳 等离子电弧炉不象普通电弧炉那样用石墨电极来熔化金属，当采用等离子电弧炉不象普通电弧炉那样用石墨电极来熔化金属，当采用 铜制水冷阳极时，在加热和精炼中，没有增碳的可能性。而且利用等离铜制水冷阳极时，在加热和精炼中，没有增碳的可能性。而且利用等离 子超高温及电弧中氧电离使氧的活性提高，比真空感应炉熔炼超低碳不子超高温及电弧中氧电离使氧的活性提高，比真空感应炉熔炼超低碳不 锈钢更灵活，熔炼含碳锈钢更灵活，熔炼含碳 0.008%的的Ni-Cr 不锈钢，其抗蚀性达到真空感应不锈钢，其抗蚀性达到真空感应 炉水平。炉水平。 （3）氩气保护下的熔渣精炼）氩气保护下的熔渣精炼 等离子熔炼

16、采用氩气保护，只要氩气纯度足够，其产品就会具有良等离子熔炼采用氩气保护，只要氩气纯度足够，其产品就会具有良 好的纯洁度。气体含量可接近真空感应炉水平，优于普通电弧炉熔炼，好的纯洁度。气体含量可接近真空感应炉水平，优于普通电弧炉熔炼， 例如例如18-8不锈钢的含氧量为电弧炉的不锈钢的含氧量为电弧炉的63。 等离子电弧炉熔炼过程中可以造渣，提高精炼效果，这既使得等离等离子电弧炉熔炼过程中可以造渣，提高精炼效果，这既使得等离 子电弧炉不仅可以象真空感应炉那样用于精料的熔炼，而且也可以吃粗子电弧炉不仅可以象真空感应炉那样用于精料的熔炼，而且也可以吃粗 料，例如高料，例如高S料。等离于电弧炉脱料。等离于

17、电弧炉脱S效果显著，资料报导，对不锈钢可脱效果显著，资料报导，对不锈钢可脱 S 30%以上，工具钢以上，工具钢60%。 由子等离子电弧炉具有良好的精炼效果，它亦被应用于高级合金钢由子等离子电弧炉具有良好的精炼效果，它亦被应用于高级合金钢 (滚珠轴承钢、超低碳不锈钢、耐热钢及高速工具钢滚珠轴承钢、超低碳不锈钢、耐热钢及高速工具钢)、精密合金及高温、精密合金及高温 合金的熔炼。合金的熔炼。 9 （4）等离子电弧炉车屑回收。）等离子电弧炉车屑回收。 德国德国 10t 等离子电弧炉一开始主要担负镍基合金、不锈钢、工具钢、等离子电弧炉一开始主要担负镍基合金、不锈钢、工具钢、 超级合金切屑回收。炉顶及炉膛

18、用铬镁砖砌，炉壁上安装两支等离子枪，超级合金切屑回收。炉顶及炉膛用铬镁砖砌，炉壁上安装两支等离子枪， 炉顶上安装一支等离子枪，每支枪工作电流炉顶上安装一支等离子枪，每支枪工作电流 6 9KA ，电压，电压 100600V 。 用用 Ar 气或气或 Ar + N2混合气体，每支枪混合气体，每支枪 Ar 消耗约消耗约 0.79m3/h 。炉衬寿命。炉衬寿命 6080 炉，熔化金属切屑能力炉，熔化金属切屑能力 69t/h，熔化期能耗，熔化期能耗500700kwh/t，总能耗，总能耗 平均小于平均小于800kwh/t。切屑合金元素收得率见表切屑合金元素收得率见表 3 。 表表 3 等离子电弧炉回收切屑

19、合金收得率等离子电弧炉回收切屑合金收得率 （5）等离子电弧炉熔炼含氮钢。）等离子电弧炉熔炼含氮钢。 通过等离子体中的氮离子渗入钢液，熔炼含氮通过等离子体中的氮离子渗入钢液，熔炼含氮 0. 14 的奥氏体不锈的奥氏体不锈 钢钢 。日本学者报道采用。日本学者报道采用 Ar + N2混合气体等离子熔炼混合气体等离子熔炼 SUS403 、SUS43O 能有效地渗氮。能有效地渗氮。 利用等离子熔炼在合金中增氮，代替加入价格较贵的含氮铁合金，利用等离子熔炼在合金中增氮，代替加入价格较贵的含氮铁合金， 是冶金工作者致力于开发的新方向。是冶金工作者致力于开发的新方向。 10 2 等离子感应炉（等离子感应炉（P

20、lasma induction furnace，PIF） 等离子感应炉是利用稳定的等离子弧的超高温和惰性气氛与感应加热等离子感应炉是利用稳定的等离子弧的超高温和惰性气氛与感应加热 及电磁搅拌作用相结合的新型炉。这样炉型是日本大同制钢公司首创，故及电磁搅拌作用相结合的新型炉。这样炉型是日本大同制钢公司首创，故 又称大同等离子感应炉，见图又称大同等离子感应炉，见图 5。 利用等离子热源助熔，从而提高感应利用等离子热源助熔，从而提高感应 炉熔化率及热效率，有效地解决了感应炉炉熔化率及热效率，有效地解决了感应炉 造渣精炼困难，提高了炉渣活度。配合感造渣精炼困难，提高了炉渣活度。配合感 应炉既有电磁搅拌

21、，可强化精炼过程，又应炉既有电磁搅拌，可强化精炼过程，又 可用惰性气体，减少活性元素的烧损。可用惰性气体，减少活性元素的烧损。 目前最大的等离子感应炉是日本大同目前最大的等离子感应炉是日本大同 制钢公司涉川工厂制钢公司涉川工厂 2t 等离子感应炉，其等离子感应炉，其 结构特点及技术参数如下：结构特点及技术参数如下： （1）等离子枪功率）等离子枪功率 400kw ，电弧电，电弧电 流流 3kA ，氩流量根据等离子弧电流来决定，氩流量根据等离子弧电流来决定， 调节范围调节范围 80 300L / min （氩压力为（氩压力为 0.5MPa ) , 精炼期喷枪效率为精炼期喷枪效率为 40。阴极。阴极

22、 用含钍钨棒或水冷铜环。用含钍钨棒或水冷铜环。 图图 5 等离子感应炉等离子感应炉 PIF定定 11 （2）炉底电极用石墨棒，在其端面上还有一层）炉底电极用石墨棒，在其端面上还有一层50mm左右厚的左右厚的 C-MgO 砖砖 ，混合制成导电炉底，炉底寿命约为，混合制成导电炉底，炉底寿命约为 60 炉，可有效地防止渗碳。炉，可有效地防止渗碳。 （3）等离子感应炉可用中频及工频，工频磁场穿透度深，影响等离子炉）等离子感应炉可用中频及工频，工频磁场穿透度深，影响等离子炉 稳定，在结构设计上要做相应变动。涉川厂稳定，在结构设计上要做相应变动。涉川厂2tPIF炉是用炉是用150Hz 600kw 的的 三

23、倍频感应炉。三倍频感应炉。 （4）为了改善冶金过程动力学条件，这台炉子装有）为了改善冶金过程动力学条件，这台炉子装有 50Hz- 200kw 三相搅三相搅 拌器，拌器， 可使钢液熔渣向心或离心方向流动。可使钢液熔渣向心或离心方向流动。 此法的特点是：此法的特点是： 1）感应炉上方用等离子加热，不但提高熔化速度，还可大大提高渣）感应炉上方用等离子加热，不但提高熔化速度，还可大大提高渣 温，使渣具有高度的括拨性，创造了有利的精拣条件温，使渣具有高度的括拨性，创造了有利的精拣条件 可炼出含硫小于可炼出含硫小于 0.005%的低硫钢和碳的低硫钢和碳0. 006 %的不锈钢。它解决了传统非真空感应护的的

24、不锈钢。它解决了传统非真空感应护的 弱点弱点- -炉炉渣靠钢水加热，炉渣温度低于钢液温度，渣子粘稠无法起精炼作渣靠钢水加热，炉渣温度低于钢液温度，渣子粘稠无法起精炼作 用，因而对炉料质量要求特高，使感应炉在冶金上的使用受到限制。用，因而对炉料质量要求特高，使感应炉在冶金上的使用受到限制。 2）由于用高纯）由于用高纯 Ar 气喷射，使熔池上面产生一个相当气喷射，使熔池上面产生一个相当 10-310- 4mmHg 的等值真空度，可使钢中的 的等值真空度，可使钢中的 H=1.5 2.5ppm, 使超低碳不锈钢中使超低碳不锈钢中 的的 O 50 ppm，同时可使易氧化元素，同时可使易氧化元素- -铝、

25、硼、硅等的收得率提高到铝、硼、硅等的收得率提高到 9599%。 12 等离子感应炉生产的钢种有：电磁合金，电阻合金，含等离子感应炉生产的钢种有：电磁合金，电阻合金，含 Ti 、 AI、B 活性元素的钢，高锰钢、超低碳不锈钢，超耐热钢。其冶金质量如下：活性元素的钢，高锰钢、超低碳不锈钢，超耐热钢。其冶金质量如下： （1）合金收得率高，见表）合金收得率高，见表 4。 表表 4 大同制钢公司等离子感应炉熔炼合金收得率大同制钢公司等离子感应炉熔炼合金收得率 （2）熔炼含）熔炼含 Al 、 Ti 的高电阻合金最大夹杂物小于的高电阻合金最大夹杂物小于 10m； （3）易于制成含硫量低于）易于制成含硫量低于

26、 0. 005 的低硫钢；的低硫钢； （4）熔炼超低碳不锈钢）熔炼超低碳不锈钢C 可降至可降至0. 006 以下以下 ； （5）渣料烘干，保持氩气的纯度，钢水含氢降至）渣料烘干，保持氩气的纯度，钢水含氢降至 0. 0001 % ，也有达到，也有达到 1.52.5ppm 的报道。的报道。 （6）脱氧效果与真空熔炼相当，）脱氧效果与真空熔炼相当， PIF 熔炼熔炼 316ULC 钢，含氧为钢，含氧为 0. 0047% 13 小野清雄对等离子感应炉小野清雄对等离子感应炉 PIF 及真空感应炉及真空感应炉 VIM优缺点进行全面比较，优缺点进行全面比较， 见下表见下表5。 表表5 等离子感应炉等离子感应

27、炉 PIF 及真空感应护及真空感应护 VIM 比较比较 14 3 等离子电弧重熔等离子电弧重熔 （Plasma arc remelting，PAR ） 现代等离子电弧重熔炉现代等离子电弧重熔炉 PAR 是前苏联巴顿是前苏联巴顿 电焊研究所巴顿等人设计，等离子电弧重熔原理电焊研究所巴顿等人设计，等离子电弧重熔原理 见图见图 6 。在惰性气体（。在惰性气体（Ar , Re ）或可控气氛）或可控气氛 （ N2, Ar + H2）中，气压由）中，气压由 1.333到几个大气压，到几个大气压， 用两个或更多的等离子枪重熔金属料棒。等离子用两个或更多的等离子枪重熔金属料棒。等离子 流束冲击棒的端头，金属熔

28、化形成液滴，滴落到流束冲击棒的端头，金属熔化形成液滴，滴落到 水冷铜质结晶器内凝固，不受耐火材料沾污。等水冷铜质结晶器内凝固，不受耐火材料沾污。等 离子温度高，可使钢中夹杂物分解，有害元素离子温度高，可使钢中夹杂物分解，有害元素S、 P、Pb、Sb、Zn、As、Bi挥发。和真空电子束挥发。和真空电子束 重熔一样，输入功率和重熔速度无直接联系，可重熔一样，输入功率和重熔速度无直接联系，可 以在很广的范围内调整熔速和金属熔池保持时间，以在很广的范围内调整熔速和金属熔池保持时间， 可以控制熔池深度、形状及结晶方向，获得定向可以控制熔池深度、形状及结晶方向，获得定向 结晶。结晶。 前苏联莱科姆斯基及萨

29、维兹斯基前苏联莱科姆斯基及萨维兹斯基 总结归纳总结归纳 等离子电弧重熔等离子电弧重熔 PAR 用途如下：用途如下： （1）用）用H2+ Ar 气重熔铁基及镍基合金，氢气重熔铁基及镍基合金，氢 可脱氧并使铸锭不含脱氧产物。可脱氧并使铸锭不含脱氧产物。 （2）可用不同成分的渣系及配比生产超纯轴）可用不同成分的渣系及配比生产超纯轴 承钢，以控制非金属夹杂物尺寸及成分。承钢，以控制非金属夹杂物尺寸及成分。 图图 6 等离子电弧重熔等离子电弧重熔 原理原理 1-重熔金属棒重熔金属棒;2-等离子枪；等离子枪；3- 水冷铜制结晶器；水冷铜制结晶器；4-铸锭；铸锭；5- 熔炼室熔炼室;6-拉锭装置拉锭装置 1

30、5 （3）用高压氮气，钢中渗氮可达）用高压氮气，钢中渗氮可达 1 。 （4）生产钛合金铸锭，柱状晶平行铸锭纵轴，不经开坯可直接穿管。）生产钛合金铸锭，柱状晶平行铸锭纵轴，不经开坯可直接穿管。 PAR 生产钛合金生产钛合金TB-4K板坯性能超过真空电子束重熔。板坯性能超过真空电子束重熔。 （5）生产钛合金及钛可以直接用压缩海绵钛与海绵钛及合金混合物。）生产钛合金及钛可以直接用压缩海绵钛与海绵钛及合金混合物。 （6）可制取难炼金属（钨、铼、钼）的大单晶体，直径可达）可制取难炼金属（钨、铼、钼）的大单晶体，直径可达 50mm 在美国空军支持下，洛伊及施里恩格于加利福尼亚圣巴福尔地方施里在美国空军支持

31、下，洛伊及施里恩格于加利福尼亚圣巴福尔地方施里 恩格公司建立等离子电弧重熔炉，可重熔直径恩格公司建立等离子电弧重熔炉，可重熔直径 356mm 的铸锭。生产镍基的铸锭。生产镍基 及钛合金、超级合金、高合金钢，及钛合金、超级合金、高合金钢， PAR 铸锭平行纵轴的定向结晶具有绝铸锭平行纵轴的定向结晶具有绝 对优势。对优势。 前苏联及日本文献报道采用前苏联及日本文献报道采用H2 + Ar 等离子电弧炉重熔精密合金等离子电弧炉重熔精密合金50Ni 及及 Ni47Cu 合金电磁性能超过真空电子束熔炼产品。合金电磁性能超过真空电子束熔炼产品。 PAR 等离子电弧重熔是二次重熔中最新出现的工艺，小野清雄对等

32、离子电弧重熔是二次重熔中最新出现的工艺，小野清雄对 PAR 和真空电弧重熔和真空电弧重熔 VAR、电渣重熔、电渣重熔ESR、真空电子束重熔、真空电子束重熔 EBR 技术技术 经济指标比较见表经济指标比较见表 6 。 16 17 前苏联巴顿电焊研究所设计了一系列等离子电弧重熔炉前苏联巴顿电焊研究所设计了一系列等离子电弧重熔炉 PAR 炉，重熔炉，重熔 最大锭重达最大锭重达 5t ，并开始用交流电源。前苏联，并开始用交流电源。前苏联 PAR 炉主要参数见表炉主要参数见表 7。 表表7 前苏联巴顿电焊研究所等离子电弧重熔炉主要参数前苏联巴顿电焊研究所等离子电弧重熔炉主要参数 18 4 等离子电子束等

33、离子电子束 PEB 炉炉 等离子电子束是用钽制的中空阴极，在低真空下，用等离子电子束是用钽制的中空阴极，在低真空下，用 Ar 等离子弧等离子弧 加热钽极，而由钽极发射电子束进行熔炼，其原理见图加热钽极，而由钽极发射电子束进行熔炼，其原理见图 7 。 图7 等离子电子束重熔 1-中空钽电极；2-加料器；3-线圈； 4-真空泵；5-金属熔池；6-抽锭装置； 7-钢锭；8-高频引弧器 这种设备的核心是钽这种设备的核心是钽(Ta)制的中制的中 空阴极，其工作原理是：在低真空空阴极，其工作原理是：在低真空 (10-2毫米汞柱数量级毫米汞柱数量级)下，用下，用Ar等离等离 子弧加热钽阴极，使其发射热电子，

34、子弧加热钽阴极，使其发射热电子， 这些热电子在电场作用下高速飞向阳这些热电子在电场作用下高速飞向阳 极，即飞向加于铜制水冷结晶器的金极，即飞向加于铜制水冷结晶器的金 属炉料或金属熔池。在由钽阴极发射属炉料或金属熔池。在由钽阴极发射 的热电子高速飞向阳极途中，它们又的热电子高速飞向阳极途中，它们又 不断激发气体分子和原于，使它们不不断激发气体分子和原于，使它们不 断电离，又不断放出高能量的热电子，断电离，又不断放出高能量的热电子， 形成热电子流，轰击金属使其熔化，形成热电子流，轰击金属使其熔化， 达到熔炼目的。达到熔炼目的。 19 5 等离子钢包精炼等离子钢包精炼 等离子钢包精炼，是炉外精炼和等

35、离子钢包精炼，是炉外精炼和 等离子冶金两项新工艺的有机结等离子冶金两项新工艺的有机结 合。它将等离子技术引用到钢包合。它将等离子技术引用到钢包 精炼领域，利用等离子高温气体精炼领域，利用等离子高温气体 稀释、熔池渣洗及电磁搅拌综合稀释、熔池渣洗及电磁搅拌综合 精炼作用，能在非真空条件下获精炼作用，能在非真空条件下获 得真空条件下精炼材料的水平。得真空条件下精炼材料的水平。 等离子钢包精炼结构简单，精炼等离子钢包精炼结构简单，精炼 功能齐全，产品适应性广，能以功能齐全，产品适应性广，能以 小功率的等离子装置处理大吨位小功率的等离子装置处理大吨位 钢液。其结构示意图见图钢液。其结构示意图见图 7。

36、 图图5 等离子钢包精炼结构示意图等离子钢包精炼结构示意图 1-等离子喷枪；等离子喷枪； 2-精炼炉盖；精炼炉盖； 3-精炼炉体精炼炉体 4-滑动水口；滑动水口； 5-炉底阳极；炉底阳极； 6-吹氮透气砖；吹氮透气砖； 7-钢包小车；钢包小车； 8-炉体倾动机构；炉体倾动机构； 9-炉盖升炉盖升 降旋转机构；降旋转机构； 10-等离子枪工作势态控制机等离子枪工作势态控制机 构；构； 11-废气排出管道（连接变量泵）废气排出管道（连接变量泵） ； 12-阳极调节机构；阳极调节机构； 13-加料孔（连接加料加料孔（连接加料 机构）机构） ；14-窥视取样孔窥视取样孔 20 等离子钢包精炼具有以下技

37、术优势：等离子钢包精炼具有以下技术优势： （1）可）可按需要控制钢包内气氛及等离子工作气体按需要控制钢包内气氛及等离子工作气体，如等离子枪供，如等离子枪供 Ar + O2混合气体脱碳，供混合气体脱碳，供 H2及烃、烷类脱氧，通及烃、烷类脱氧，通 N2以增氮。以增氮。 （2）稀释减压脱气稀释减压脱气。按道尔顿分压定律，降低钢包中氢气及氮气的压。按道尔顿分压定律，降低钢包中氢气及氮气的压 力可以去力可以去 H及及N （3）解决了钢包精炼辅助热源问题解决了钢包精炼辅助热源问题，没有石墨电极对钢液污染。，没有石墨电极对钢液污染。 （4）钢包寿命较高钢包寿命较高，在常压下不存在真空条件下耐火材料的分解损

38、害。，在常压下不存在真空条件下耐火材料的分解损害。 （5）工艺灵活工艺灵活，具有，具有 AOD 和和 VOD 对含铬钢液及纯铁进行深度脱碳对含铬钢液及纯铁进行深度脱碳 的工艺效果。控制炉内气氛，包底吹氩、电磁搅拌加上炉渣精炼具有的工艺效果。控制炉内气氛，包底吹氩、电磁搅拌加上炉渣精炼具有 ASEA-SKF 综合精炼功能。综合精炼功能。 （6）产品适应性广产品适应性广，可生产含氮不锈钢，超低碳不锈钢，高纯铁素体，可生产含氮不锈钢，超低碳不锈钢，高纯铁素体 不锈钢及航空、轴承、低温、超高强度及电磁等用钢。不锈钢及航空、轴承、低温、超高强度及电磁等用钢。 6 等离子技术的新发展等离子技术的新发展 6

39、.1 等离子熔融还原等离子熔融还原 瑞典瑞典 SKF 公司公司 PLASMARED 工艺工艺 用等离子焰裂解自然气体或用等离子焰裂解自然气体或 LPG 产生还原气体，将细粉末矿还原成产生还原气体，将细粉末矿还原成 海绵铁，最近该公司用海绵铁，最近该公司用 PLASMARED 工艺生产海绵铁的产量由原工艺生产海绵铁的产量由原3万万t/a ， 上升到上升到7万万t /a 。 21 6.2 活性金属等离子熔炼（活性金属等离子熔炼（Cr的熔炼）的熔炼） 铬是难以采用真空熔炼的金属，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。以采用等离子熔炼铬，以脱氧脱硫。以 电解铬为原料，用图电解铬为

40、原料，用图 6 所示等离子渣所示等离子渣 壳熔铸炉进行渣壳熔炼。为了提高碱壳熔铸炉进行渣壳熔炼。为了提高碱 度脱硫，以度脱硫，以 CaO 为基本熔剂，另加为基本熔剂，另加 入铝以脱氧，而入铝以脱氧，而 CaO对铝脱氧产物对铝脱氧产物 Al2O3 有共晶点，具有造渣条件。按有共晶点，具有造渣条件。按 铬的质量大小加入铬的质量大小加入 3% CaO，1% Al 的混合剂，获得渣成分接近于的混合剂，获得渣成分接近于70% CaO-30% Al2O3 。对加熔剂精炼铬。对加熔剂精炼铬 和不加熔剂只熔化的铬，熔炼条件见和不加熔剂只熔化的铬，熔炼条件见 表表 8 ，产品化学成分见表，产品化学成分见表 9

41、。 图图 6 等离子渣壳熔铸炉等离子渣壳熔铸炉 表表8 铬的熔炼条件铬的熔炼条件 22 由表由表 9 可见，等离子渣壳熔铸炉加熔剂精炼铬，脱硫率达可见，等离子渣壳熔铸炉加熔剂精炼铬，脱硫率达 65.2 % ， 脱氧率达脱氧率达 87.2 % ，冶金质量良好。，冶金质量良好。 表表 9 等离子熔炼格的化学成分等离子熔炼格的化学成分 6.3 连铸中间包加热钢水技术连铸中间包加热钢水技术 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，然而转炉损失，防止水口冻结及中间包结壳，不得不提

42、高出钢温度，然而转炉 每提高钢温每提高钢温 10 ，炉衬寿命降低，炉衬寿命降低100 炉左右。为确保连铸质量，要求炉左右。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，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。钢水报废。 23 上世纪上世纪80 年代中期，冶金工作者对中间包采用感应加热、电

43、渣加热、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。其加热原理是，气体通过电弧时吸美国、日本、英国、德国已得到应用。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，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形成高温流体，等离子炉下端温度可达 8000 ，用以对中间包加热。按，用以对中间包加热。按 所使用的电流及电极设置的不同，可分为直流型、交流型、转移型及非转所使用的电流及电极设置的不同，可分为直流型、交流型、转移型及非转 移型等离子加热。转移式只有一根电极，另一根在熔池底部与钢相连。非移型等离子加热。转移式只有一根电极，另一根在熔池底部与钢相连。非 转