等离子技术在冶炼和铸造生产中的应用（上）
20世纪50年代 ， 苏联科学院西伯利亚分院朱可夫领导并开始了低温等离子体的研究 ， 以解决飞行器再入大气层的高温烧蚀问题 ， 建立了电弧风洞 。 该项目与美国国家航空航天局的等离子体研究工作同步 ， 是世界公认的等离子体研究中心 。
于90年代陆续出版了20卷的《低温等离子体丛书》 ， 其中的第17卷和第20卷已由中国科学院力学所、等离子体所的邱励俭和陈明周两位专家学者翻译出版 。
等离子冶炼技术起源于20世纪60年代 ， 主要推动力是航空航天、核能等国防工业对尖端金属材料的需求 。
现在 ， 科学家们已经建立了完善的等离子冶炼理论 ， 解决了一系列涉及工业推广应用的实践问题 。 苏联曾用等离子冶炼技术炼制了40余个牌号的钢材 。 在金属的纯洁度、夹杂分布、晶体组织结构等方面 ， 等离子技术与电渣重熔、激光和电子束重熔、真空感应熔炼等技术不相上下 ， 在一些领域甚至有独特作用 。
在真空冶金工艺装备中 ， 等离子冷床熔炼技术工艺在大型金属铸锭、板坯（如钛合金、特殊钢）等制备中作用尤为重要 ， 国内大型钢铁制造企业和科研单位引进了美国Retech公司和德国ALD公司的等离子冷床炉 ， 等离子枪的总功率已达3300MW ， 最大钛锭超过7吨 。
等离子冷床熔炼对于去除高、低密度夹杂物的效果显著 ， 但工艺开发难度大、生产成本高、稳定性差 ， 抑制了等离子冶炼技术的快速发展 。 此外 ， 大功率等离子枪对氦气的使用量大 ， 对气体提纯和回收装置的建立又提出了新的要求 。 随着技术的发展 ， 等离子冶金技术再次回到人们的视野 。
本文试图介绍电弧等离子冶炼的几个基本特点 ， 希望引起更多冶金专家和设备研制专家的关注 。
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1、对金属的氧化、还原及合金化作用
在高温下 ， 气体粒子会发生电离 ， 产生导电性 ， 在一定距离内出现电压叠加 ， 就会产生电弧 。 在常规电弧炉中 ， 电弧自由燃烧 ， 热量通过热辐射自由散发 ， 加大电功率时电弧截面会扩大 ， 电流密度却不会相应增大 。 而等离子枪以从电弧四周吹冷气流的方式强制压缩电弧 ， 结果在相同的电弧截面时等离子电弧所容纳的电压更高 ， 电流密度更大 ， 热焓也更大 。 电弧中的热焓量可以通过改变等离子气源成分的方式进行调节 。 例如 ， 在氩气中加入电离能更高的氦气或者加入少量双原子活泼气体提高热能 。 有选择地使用纯洁气体做等离子气源 ， 让气相环境发挥工艺作用 。 惰性气体可以产生化学真空气氛（惰性气体气氛） ， 氧气或氢气可以产生氧化或还原气氛 ， 氮气可以直接对金属进行合金化 。
等离子体气源的成分和压力可以根据任务需要进行调节 。 目前使用较普遍的等离子气源是氩气 ， 以及氩气分别与氧气、氢气、氮气或氦气构成的混合气体 。
2、提高传热方式及效率
电弧等离子体以辐射、电弧斑点和热对流三种方式导热 ， 极大地扩展了受热面积 ， 提高了导热效率 。 燃烧电弧主要依靠辐射和电弧斑点传热把热量传递给被加热体 。 电弧斑点直接落在被加热体例如金属熔池上 。
常规电弧炉重熔时 ， 会首先形成穿井 ， 其它炉料悬空 。 而等离子电弧加热时 ， 向被加热金属传递热量的方式有辐射、电弧斑点和强制热对流 。 很大一部分热能量是通过强制热对流传递的 。 热对流中的气体粒子携带有巨大能量 ， 同时具有气体流动和弥散特性 ， 可以到达直线辐射和电弧斑点不能到达的区域 。 这样可以极大扩展被加热面积 ， 有利于预热金属和形成熔池 ， 从而提高热传导的总体效率 。
3、对物质交换和化学反应的作用
等离子体内充满高能量的气体粒子 ， 它们不停地相互碰撞 ， 极大提高了物质交换系数和化学反应速率 。
等离子体是一种非平衡态 ， 不停发生着电离与复合的过程 。 电子脱离气体原子或分子 ， 形成带电粒子（电子和阳离子） ， 然后又中和 。 有些气体分子不断离解为原子 ， 然后又复合 。 这些过程都孕育和释放着巨大的能量 ， 这些能量的载体就是受激发的气体粒子 。 携带过剩能量的气体粒子会不停地与中性或较弱的气体粒子 ， 甚至金属粒子碰撞 ， 进行能量传递 。 释放了过剩能量之后又返回平衡态 ， 并有可能再次被碰撞 ， 重新被激发 。 这是等离子体内的常态 。
在被激发气体粒子中 ， 这种未驰豫的振动能量非常有助于强化能量交换 ， 提高热传导速率 ， 加快物质扩散和化学反应速率 。 气体粒子被激发后的能量巨大 ， 在等离子体状态下化学反应速率可能会提高上千倍 。
--未完待续----
本文首发于《真空》杂志2019年第5期
原文标题：等离子体技术在冶炼和铸造生产中的应用
作者：В.А.ШАПОВАЛОВ1 ， 许小海2 ， 汪源2 ， 孙足来3 ， 宋青竹3 ， 李建军3
【等离子技术在冶炼和铸造生产中的应用（上）】作者单位：1.乌克兰国家科学院巴顿电焊接研究所；2.武汉市枢驰科技有限公司；3.沈阳真空技术研究所有限公司
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