1、等離子冶金理論與進展李正邦摘要綜述了等離子冶金的理論與進展，著重等離子溫度、射流速度及穿透深度計算，分析等離子在金屬制備過程中的新應用，并展望其未來。關鍵詞等離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 esti

2、mating 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等離子弧可將電能轉換成熱能，形成高溫熱源。如予以原子

3、和分子足夠能量，電子可脫離原子核形成自由電子，而原子則成為正離子，電離達到一定程度，呈現明顯的電磁特性，它就成為區別于物質固體、液體和氣體的物質第四態等離子體。由于等離子體的自由電子負電荷與正離子正電荷總量相等，電特性呈中性，雖然1928年美國人愛安格紐爾(J.Iangmuir)用希臘單詞Plasma定名，而譯成中文時，仍按物理意義定名為“等離子”。等離子技術已成功地應用于焊接、切割及噴涂，目前正應用于磁流體發電、核聚變及半導體蝕刻等尖端技術的開發。斯澤克里(J.Szekely)1認為等離子作為冶金熱源的主要特點為：(1) 高溫(5 00030 000 K)；(2) 能量高度集中；(3) 離子

4、化狀態；(4) 離子流速度快(100500 m/s)。1等離子的理論研究要進一步降低電耗，提高槍及爐體壽命，必須進行模擬實驗，研究等離子體中電磁學、熱傳遞、能量轉換及流體流動等現象。因為只有透徹地了解傳輸過程及氣固反應系統，系統研究等離子條件下熱力學性質，測得準確的傳輸系數，才能設計最佳的槍和爐體，合理擴大爐容量，提高冶金質量。1.1等離子體特性的理論研究方法描述和表示等離子特性的方法有3種：等離子物理、磁流體力學及經驗漸進線關系：(1) 等離子物理。以物質的動力學理論為基礎，用分布函數描述等離子系統中電磁現象，熱現象以及流體流動現象。通常分別對電子和離子寫獨立的方程。在教學用書中24對此基本

5、方法有詳細的討論。這些分布方程的復雜妨礙了它們對處理工程類問題的應用。(2) 磁流體力學。采用MHD近似將等離子區域作為導 電介質對待，其傳導性取決于溫度。將問題通過麥克斯韋(Maxwell)方程(計算電磁場)、歐姆定律(計算電流分布和發熱模式)、紊流的內維爾-斯托克斯(Navier-Storcs)方程(計算速度場)以及不同的熱能平衡方程(計算溫度分布)表示，采用迭代的方法對不同方程進行數值求解58。這一方法雖然也復雜，但在許多情況下可以認為是合理的折衷方法。(3) 經驗漸進線關系。包括在MHD近似的應用中的近似計算方法需要使用計算機。在類似IBM 370系統的計算機上需要運算50200s.為

6、了評價等離子體系統的一些特殊性質，可以使用稍微簡單一些漸進線表達，借助簡單的代數式表達描述等離子體行為的一些情況，但不能得出用MHD方法所獲得更精確的理解。1.2等離子體電弧的一些特性1.2.1最大等離子速度非粘滯性等離子體中最大速度可由曼歐克(Meaecker)方程9求出：(1)式中rc陰極半徑；J0所施加的電弧電流密度；等離子體電弧的電流密度；u0離子流速度。施伊克(Schoeck)10和埃克(Ecker)11采用了更精確的方法，他們假定一拋物線電流密度分布，即：(2)式中r0電流傳導帶的外半徑。對于這些條件，可給出umax：(3)1.2.2最大等離子體溫度若假定來自陰極的全部熱損失主要是

7、輻射、自由電子輻射等，冷卻的影響忽略不計，把給予陰極的能量用于產生總電流I和陰極電壓降U0，有以下近似方程11：IU0=AT4(4)式中斯蒂芬-玻爾茲曼常數；A陰極面積T溫度整理4式得到：(5)于是，只要知道總電流I、陰極壓降和陰極面積A，就可計算出最高等離子體溫度。1.2.3電弧反壓力和等離子噴射流沖擊區總反壓力P即沖量強度或陰極上的反向力，由曼歐克(Maecker)9給出：(6)式中r由陽極測量的電弧半徑。在許多情況下，主要興趣在于研究沖擊在固體或熔化表面上的等離子射流帶。對于固體陽極軸對稱的非粘滯性等離子射流的速度分量近似為：(7)uz=-az(8)式中a常數；z,r軸向和徑向坐標；uz

8、，ur軸向和徑向速度分量。對于液體陽極，借助于空腔底部能量平衡，能夠將在液體熔池中的穿透深度與射流動量聯系起來(圖1)12。若已知液體表面附近的射流速度uc，可直接由下式得出穿透深度H0：圖1射落到金屬熔池上的等離子體射流Fig.1Schematic of plasma of a jet impinging into molten metal pool(9)式中液體密度；g氣體密度。ut=Cu0/2式中u0陰極附近速度；C對于動量轉換是一純系數。2等離子技術的發展等離子技術處于現代科技前沿，等離子技術在冶金中應用正處于發展階段，從80年代技術推進來看，有以下值得重視的新動向。2.1等離子熔融還

9、原2.1.1瑞典SKF公司Plasmared工藝12用等離子焰裂解自然氣體或LPG產生還原氣體，將細粉末礦還原成海綿鐵，最近該公司用Plasmared工藝生產海綿鐵的產量由原3萬t/a，上升到7萬t/a。2.1.2Plasmamelt(等離子熔煉)法等離子豎爐熔煉法如圖2所示。圖2等離子熔融還原示意圖Fig.2Schematic of plasma smelting reduction它是由高爐式的煤氣化爐、還原粉礦的熔化爐和利用產生氣體的流化床還原裝置所組成，由瑞典SKF公司開發成功。其特點是使用的煤無需選擇。本法于1972年在SKF霍夫斯(Hofors)廠著手研究，1981年以來對1.5

10、MW燃燒器和0.51.0 t/h的半工業性試驗裝置進行了試驗。該法先在爐內裝滿2060 mm焦炭塊，然后由風口將高溫還原鐵(還原率80%)、還原劑煤、等離子化了的循環氣(占全氣化量的20%)吹入，實現還原鐵的熔化和煤氣化。2.1.3比利時研究協會鼓風加熱工藝13使用鼓風加熱，隨著高爐能量的增加，生產率也提高。但常規加熱空氣已達到極限，在每個風口處用等離子噴嘴吹煤粉及還原氣體，能提高高爐生產率。2.1.4美國賓西法尼亞州伯利恒(Bethlehem)鋼鐵公司煉釩鐵14伯利恒(Bethlehem)公司麥克李(D.R.McRee)等用功率1000 kW轉移式等離子電弧爐還原氧化鐵生產粗鋼，還原精選釩礦

11、生產釩鐵。2.1.5日本北原的等離子熔融還原工藝15北原宜泰等為了使流態化所得到的預還原礦粉能最終還原，采用H2+Ar氣等離子弧使預 還原礦粉迅速熔化和熔融還原。還在鉻礦未還原及半還原球團中添加焦炭作還原劑，用Ar氣等離子熔融還原，初步試驗得到含鉻18%的粗鋼。2.2活性金屬等離子熔煉2.2.1鉻的熔煉16，17鉻是難以采用真空熔煉的金屬，采用等離子熔煉鉻，以脫氧脫硫。以電解鉻為原料，用圖3所示等離子渣殼熔鑄爐進行渣殼熔煉。為了提高堿度脫硫，以CaO為基本熔劑，另加入鋁以脫氧，而CaO對鋁脫氧產物Al2O3有共晶點，具有造渣條件。按鉻的質量大小加入3%CaO，1%Al的混合劑，獲得渣成分接近于

12、70%CaO-30%Al2O3。對加熔劑精煉鉻和不加熔劑只熔化的鉻，熔煉條件見表1，產品化學成分見表2。由表2可見，等離子渣殼熔鑄爐加熔劑精煉鉻，脫硫率達65.2%，脫氧率達87.2%，冶金質量良好。圖3等離子渣殼熔鑄爐Fig.3Plasma slag shell furnace表1鉻的等離子熔煉條件Table 1Condition for plasma melting Cr熔劑使用等離子輸出功率/kW原料裝入量/kg熔煉時間/s一次出鋼量/kg不加熔劑加熔劑280252252784084011.410.7表2等離子熔煉鉻的化學成分/%Table 2Chemical compositions

13、of Cr melting by plasma/%熔煉條件SOCAlFe原料鉻0.0170.0040.13煉鉻加熔劑0.0050.0110.0380.0770.0130.0210.160.360.130.16煉鉻不加熔劑0.0230.310.410.0170.00鈦的熔煉16，17鈦是活性金屬，通常用真空熔煉法制成鈦錠。將海綿鈦壓成電極，經一次真空電弧重熔(VAR)得到粗鈦錠，再將粗錠經二次真空電弧重熔。在等離子電弧重熔爐PAR內連續抽錠，可直接用海綿鈦和廢鈦屑作原料連續熔煉鑄造，一次熔煉成鈦錠，對優質鈦錠最好采取一次真空電弧重熔(VAR)。表3系PA

14、R、PAR+VAR及VAR+VAR熔煉鈦錠微量元素測定結果。 表3不同方法熔煉鈦錠微量元素測定結果/×10-6Table 3Analysis of micro elements in Ti ingot melting by different method/×10-6熔煉工藝WCuCaMnZnFeAsSnSbPbPARPAR+VARVAR+VAR2226311082855314018281233101743833876294790988590901105909506009004707002.04.67.216033019049016225.1145.816

15、164.11.0鋯的熔煉16，17鋯的熔煉方法與鈦大致相同(表4)。 表4等離子渣殼熔鑄爐和真空電弧熔煉鋯分析結果/%Table 4Analysis of residual elements in Zr ingot by plasma slag shell furnace and vacuum arc melting/%研究金屬CrFeCNMgAlOHB550 ASTMG-702海綿鋯PPC錠C2105PPPC錠C2106PVAM錠底部VAM錠底部0.0140.0140.020.020.020.020.200.040.120.050

16、.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圖3所示等離子渣殼熔鑄爐對活性金屬進行過渣殼冶煉，然后在熔煉室內傾動渣殼坩堝，澆入熔煉室內配置的鑄模中便可得到鑄錠。2.2.4新型特種合金的熔煉16新型特種合金包括：Ti系、Zr系儲氫合金，NiTi形狀記憶合金，Ni-Ti系超導合金等。采用等離子弧熔煉，不僅溫度高，能量集中，無污染，而且重熔可以精確控制成分。日

17、本科學技術廳正在推行的“風力-熱能利用計劃”，變風力為熱能試驗采用Fe-Ti-O系儲氫合金，表5是利用等離子渣殼熔鑄爐配加海綿鈦、電解鐵以及氧化鐵(氧來源)煉制合金的結果。在此基礎上連續熔煉23爐Fe-Ti-O合金，合金特性列于表6。由表可見，化學成分及儲氫與吸氫特性全面滿足要求。Ti-Mn系合金(例如TiMn1.5)也得到同樣的結果。在真空熔煉中難于控制的錳含量，而在接近0.1 MPa氣氛下等離子熔煉很容易控制”。熔煉TiMn1.5合金，采用等離子渣殼熔煉，用海綿鈦和電解錳作原料，所得到的成分分析和目標值相差很小。除二元系外，同樣可以熔煉Ti-Mn-X三元系或Ti-Mn-X-Y四元系。由于N

18、i-Ti形狀記憶合金要求嚴格控制成分，采用等離子渣殼爐最合適。配入不定形料或返回料，在等離子渣殼爐熔煉和鑄錠，為了真空精煉及改善鑄錠結晶，往往采用真空電弧重熔(VAR)，再次重熔。 表5等離子渣殼熔鑄爐熔煉Fe-Ti-O合金Table 5Fe-Ti-O alloy melting by plasma slag shell furnace熔煉號結果FeTiO原料配比海綿鈦電解鐵三氧化二鐵C4709目標值鑄錠分析48.6448.9551.1550.920.1240.22051.3648.610.034C4711目標值鑄錠分析48.0450.4251.2949.290.5870.48751.4946

19、.841.66表6批量生產的Fe-Ti-O合金的特性Table 6Characteristics of Fe-Ti-O alloy batch-produced化學成分/%吸氫特性元素規格平均值項目規格平均值FeTiO48.750.860.4249.5550.330.330.340.350.016吸氫量/m3初期氫化時間/min水浸后氫化時間/min170×10-6621.6188×10-62.763.98×10-61.021.52.3等離子弧制取超細粉末18，19日本金屬材料技術研究所宇田雅廣等研究利用等離子氣體作為富有反應活性的氣體來處理

20、金屬使之超細化。金屬超細粉末，如鉑黑是重要的觸媒，到目前為止采取各種物理及化學方法制取尚未找到一種效率高、成本低、能大量生產金屬超細粉末技術。宇田雅廣等制取超細粉末的原理是，在含氫的惰性氣體中用電弧將金屬熔化，熔化金屬和原子氫及分子氫更容易溶解，即有大量溶入形成過飽和狀態，過飽和溶解氫成分子狀態，釋放到非弧相氣氛中，由于強烈的蒸發作用，得到金屬超細粉末。在等離子熔煉爐上安裝一個超細粉末捕集器收集超細粉末。這一工藝在密封熔煉室內進行，不消耗氫氣，氫起觸媒作用。2.4連鑄中間包加熱鋼水技術12，2022隨世界連鑄比不斷增大，連鑄技術不斷完善，為補償連鑄過程熱損失，防止水口凍結及中間包結殼，不得不提

21、高出鋼溫度，然而轉爐每提高出鋼溫度10 ，爐襯壽命降低100爐左右。為確保連鑄質量，要求準確控制中間包溫度。溫度過高，鑄坯中心偏析嚴重，柱狀晶發達，中間等軸晶區減少，拉漏危險增大，不得不降低拉速，勢必降低生產率。溫度過低，鋼水流動差，夾雜物上浮困難，易發生凝鋼，嚴重時鋼水報廢。80年代中期，冶金工作者對中間包采用感應加熱、電渣加熱、直流電磁加熱及等離子加熱等手段。其中，以等離子加熱最成熟，目前在美國、日本、英國、德國已得到應用，國內武漢鋼鐵(集團)公司、馬鞍山鋼鐵(集團)公司、唐山鋼鐵(集團)公司、衡陽鋼管廠均引進設備投入生產。其加熱原理是，氣體通過電弧時吸收能量，同時由分子或原子變成導電離子

22、流。離子流復原時，即放出能量，形成高溫流體，等離子爐下端溫度可達8 000 ，用以對中間包加熱。按所使用的電流及 電極設計的不同，可分為直流型、交流型、轉移型及非轉移型等離子加熱。在直流電弧中，陽極和陰極的性能是穩定的。在交流電弧中，陽極和陰極隨電流交變無陽極保護問題。轉移式只有一根電極，另一根在熔池底部與鋼相連。非轉移式等離子兩根電極均在等離子槍內，對槍壽命不利，目前絕大多數廠家使用轉移型等離子加熱。查普曼(C.Chapman)等人報道12，采用等離子加熱后，中間包鋼液可在±5 以內，使出鋼溫度降低1020 ，節能4 kWh/t。伊瑞它里(H.Iritani)等人20研究表明，采用

23、氬氣作為等離子介質，鋼中增氮僅0.0005%，同樣可煉出低氮鋼。新日鐵廣岫廠在生產中采用直流轉移等離子加熱裝置23，使鋼水溫度波動控制在±2 以內，減少了氧鋁夾雜物，熱效率達80%。日本東京NKK京濱一臺中間包等離子加熱器22，功率1.4 MW的直流等離子系統，通過PID控制，使鋼水溫度控制在±1 以內，使鑄坯中心偏析大大減輕。PID系統見圖4。日本神戶加古川廠采用交流轉移等離子加熱裝置，可將鋼水溫度控制在±5 以內，熱效率65%21，中間包熱狀態下重復使用200次。降低了耐火材料的消耗。圖4日本NKK公司中間包等離子加熱PID系統Fig.4PID system

24、with plasma heating tundish at NKK中間包等離子加熱的特點如下：(1) 采用惰性氣體作工作氣體，不會污染鋼液；(2) 用于鋼水的加熱保溫，過程簡單，操作靈活，溫度控制準確，升溫速度快；(3) 促進夾雜物上浮，改善鑄坯質量；(4) 熱效率降低，等離子槍壽命待提高，鋼水溫度分布不夠均勻及噪音問題有待解決。3等離子冶金未來的展望等離子弧作為熱源在冶金領域已獲得局部應用，顯示了它在技術上的潛在優勢。只有當等離子冶金成本低于傳統工藝成本時，等離子冶金才能在工業上形成生產力，無疑等離子冶金用于大規模生產只是時間問題，預計在21世紀初將有重大突破。最近，世界各先進工業國都致力

25、于研究等離子冶金，一些國外第一流學者的注意力都轉向研究等離子冶金，如美國斯澤克里(J.Szekely)教授、巴特(G.K.Bhat)博士、烏克蘭巴頓()院士、日本的宇田雅廣博士等。作者認為發展等離子冶金的關鍵是充分發揮等離子弧作為冶金熱源的潛在優勢，具體為：(1) 能量集中，溫度高，熔化速度快，可以提高生產率。(2) 在高溫下，高速等離子流對氣-固-液相反應熱力學條件有利。(3) 可根據工作需要選擇氣體，如用還原性氣體(H2、CO、烴、烷)，可脫氧使鑄錠不留脫氧產物。用氮氣作工作氣體合金可增氮，用氬氣作工作氣體合金可脫氧、脫氣。(4) 工作時電弧穩定，噪音小，電流及電壓波動小，功率調節方便，范

26、圍廣。(5) 在惰性氣體保護下合金燒損相當小，合金收得高，適合于熔煉活性金屬。(6) 在高溫等離子弧作用下S、P、Pb、Sb、Be、Sn、As等雜質易揮發。(7) 等離子弧溫度高，適應于熔煉W、Mo、Re、Ta、Zr及其合金。(8) 等離子弧溫度高，有利于脫碳反應，不用石墨電極可防止增碳。(9) 由于等離子弧調整范圍廣，輸入功率和金屬熔速無直接關系，重熔可以控制金屬凝固，制取單晶體。(10) 等離子槍的工作氣體可兼作噴粉運載氣體進行噴粉，強化冶煉過程。作者簡介：李正邦，北京鋼鐵研究總院教授，博士生導師，中國電渣冶金協會主席。1958年哈爾濱工業大學畢業，主要研究成果和領域：工業電渣爐設計，電渣

27、重熔機理和技術，模具鋼和高速鋼，獲國家發明獎3項。專著：電渣熔鑄(1981)。作者單位：鋼鐵研究總院，北京100081參考文獻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