等离子弧冷床熔炼法（PACHR）优化方案

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【摘要】：等离子冷床熔炼以等离子束为热源。图3-26 等离子冷床炉工作示意图电子束冷床熔炼难以控制化学成分的缺点也促进了等离子束冷床熔炼技术的发展。此外，真空等离子弧凝壳炉的熔池较浅，熔池面积较大，且无遮盖，热辐射损失大，熔池的过热度不高，只适合浇注厚壁铸件。等离子电子束熔炼又名冷阴极放电熔炼，这是一种新型的熔炼方法，近年来发展很快。等离子电弧熔炼是利用高温等离子体加热熔化金属的一种方法。

等离子冷床熔炼以等离子束为热源（见图3-26）。等离子弧与自由电弧不同，它是一种压缩弧，能量集中，弧柱细长。与自由电弧相比，等离子束具有较好的稳定性，较大的长度和较广的扫描能力。等离子枪是在接近大气压的惰性气氛下工作的，可以防止Al、Sn、Mn、Cr等高挥发合金组元的挥发损失。

图3-26 等离子冷床炉工作示意图

电子束冷床熔炼难以控制化学成分的缺点也促进了等离子束冷床熔炼（PACHR）技术的发展。等离子弧与电弧炉的自由电弧相比是一种压缩弧，能量集中，弧柱细长，具有较好的稳定性，较大的长度和较广的扫描能力。等离子束冷床熔炼以高温等离子束为热源，在接近大气压的惰性气氛（氩气或氦气）环境下工作，合金元素的挥发损失可以得到有效的控制，易于控制钛合金的化学成分，但除气和除杂效果较差。等离子枪产生的He或Ar等离子束是高速和旋转的，对熔池内的钛液能起到搅拌作用，有助于合金成分的均匀化。但是由于产生等离子束需要惰性气体作为工作气体，惰性气体价格较贵（尤其是氦气），增加了熔炼成本，需要添加惰性气体回收处理设备。熔炼时工作气体的纯度会对钛合金的纯度产生影响。等离子弧熔炼是20世纪60年代初开发的，利用等离子体作热源，温度高（弧芯可达24000～26000K），可熔炼任何金属及非金属炉料，可在大气下实现有渣熔炼，也可在保护气氛中进行无渣熔炼。

等离子电弧熔炼是利用高温等离子体加热熔化金属的一种方法。高温等离子体由高压电弧产生，然后用惰性气体将等离子体的弧柱吹入熔室熔化炉料；这种工艺可以利用散装料，如海绵钛、钛屑、料头等，也可以用料棒送料，即缓慢将料棒送入等离子室，使金属熔化，滴入坩埚。

所谓等离子体是指一种电离气体，是由离子、电子和中性粒子组成的电离状态，称为物质的第四态。Plasma是1928年朗缪尔（Langmuir）最早采用的称呼，我国称为等离子体。根据物质的原子论，物质的原子、分子和分子团相互以不同的力相结合，构成不同的聚集态。固体是以粒子间结合力强的键构成晶格，当其粒子的平均动能大于粒子在晶格中的结合能时，晶格解体，固体转化为液体。液体粒子间由结合力较弱的键联系，如果进一步得到外界的能量，这个较弱的键被破坏，液体转变为粒子间没有作用键的气体。如果再给予气体足够的能量，气体就电离成电子和粒子而成为等离子体。实际上只要部分粒子电离，并不需要整个物体的每一粒子都电离就能呈现等离子体的特征。等离子体的广泛定义是，凡包含足够多的电荷数目近于相等的正、负带电粒子的物质的聚集状态，称为等离子体。

等离子弧熔炼炉的等离子枪是喷枪式的，通常采用无氧铜制备，带有水冷装置，能旋转，可进行x-y方向扫描，可使熔池各部分都得到均匀加热，成本低，寿命长，并且设备结构简单、操作方便、熔融金属温度较高，但由于等离子体被引入炉膛，炉膛内气压较高，不利于金属除气。此外，真空等离子弧凝壳炉的熔池较浅，熔池面积较大，且无遮盖，热辐射损失大，熔池的过热度不高，只适合浇注厚壁铸件。因此，它没有获得工业生产推广应用，但它非常适合用作回收废料。

等离子电子束熔炼又名冷阴极放电熔炼，这是一种新型的熔炼方法，近年来发展很快。这种方法的原理是：使一定流量的氩气通过空心阴极（钽管或钨管），在高频电场下离子化，从而在空心阴极里形成由电子、正离子和氩气分子组成的混合气体等离子，如图3-27所示。呈中性的等离子体中等离子冲击阴极内壁，使阴极本身温度上升到2300～2500K，发射出一股强的电子束，射向装料的正极坩埚，同时部分电子与气体分子相碰，使所产生的正离子又冲向空心阴极，使之进一步激发电子束。

图3-27 等离子电子束熔炼示意图

等离子冷床炉熔炼是将棒料、松散料或碎屑连续地供入水冷铜熔炼池（通常称冷床），并用等离子枪加热熔炼，熔体通过冷床溢出口流入铸造机的结晶器或铸造坩埚。等离子冷床炉熔炼是由电子束冷床炉熔炼转化而来的，以等离子代替真空（0.01～1 Pa）电子束加热，可以减小合金元素的分馏。在冷床内，原料中碳化钨刀具的高密度夹杂物（W、WC、Mo、Ta、Nb等）将沉入渣壳，低密度夹杂物在与过热熔体和等离子射流的相互反应过程中分解或溶解在基体金属内。生产工艺的最佳化是必要的，以防止冷床被未熔粒子短路，并在高熔化速度下保证充分的停顿时间。利用自动移炬装置可以保证合理分配等离子枪的功率，使熔炼和铸造稳定有序地进行。

等离子弧熔炼技术主要有以下优点：

1）能量集中，温度高，熔化速度快，可以提高生产效率。

2）可稳定熔炼钛及钛合金，工作特性稳定，噪声小，工作环境安全。

3）冶炼过程容易控制，设备操作方便。

4）炉内真空度较低（一般在0.13～13 Pa）。铝元素挥发较少。

5）相对独立的能量进给系统、搅动系统和供料系统可以保证铸锭有良好的表面和很少的疏松。

6）偏析程度较小。据报道，已经利用等离子电弧熔炼方法成功生产了质量达200kg的TiAl锭坯，其顶部到底部和中心到末端的铝的变化不超过0.3%。

等离子体弧熔炼过程中需要控制很多参数，本文仅给出最大速度和最高温度的计算方法。

最大等离子体速度：非粘性等离子体最大速度可由曼欧克（Meaecker）方程求出：

式中 r_c——阴极半径（m）；

J₀——所施加的电弧电流密度（A/m²）；

ρ——等离子体电弧电流密度（A/m²）；

u₀——离子流速度（m/s）。

施伊克（Schoeck）和埃克（Ecker）采用了更精确的方法，他们假定以抛物线电流密度分布，即

式中 r₀——电流传导带的外半径（m）。

综合以上条件，可得出

最高等离子体温度：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：

IU₀=AσT⁴

式中 σ——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10^-8W/（m²·K⁴）；

A——阴极面积（m²）；

T——温度（℃）。

整理后得到

因此，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。

某一现代化等离子冷床炉，炉体为双壁、水冷、真空密封结构，使用3个等离子枪（2个用于冷床，另1个用于铸造坩埚），均为中空水冷铜电极，可生产直径710 mm的钛锭。由于气体耗量大，必须提供有效的气体循环系统，特别是以氦气为等离子气体时。

与传统钛合金相比，TiAl基金属晶间化合物难以熔炼和加工。铸态粗晶组织的塑形很差，生产大型TiAl铸锭是一个非常大的挑战。美国Allvac公司采用两台等离子冷床炉（一台炉子为4枪，总功率为3000kW；另一台为2枪，总功率1000kW，尝试了生产小型和大型铸锭，生产的铸锭尺寸为直径165～765mm，质量为200～5450kg。英国伯明翰大学也采用等离子冷床炉熔炼TiAl合金铸锭，取得了较好的效果。

三种熔炼技术的综合比较见表3-11。

表3-11 三种熔炼技术的综合比较

等离子弧冷床熔炼法（PACHR）优化方案

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