第三章等离子冶金课件.ppt

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1、1,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， 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。 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：

2、1）等离子电弧炉； 2）等离子感应炉； 3）等离子电弧重熔； 4）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。 6）利用等离子能熔炼铁合金，其优点是热量输入分布均匀，可以以煤代焦炭。,2,1 等离子电弧炉PAF（Plasma arc furnace）,图1 敞开式等离子电弧炉示意图1-喷枪；2-炉盖；3-辅助阳极；4-出钢口；5-电磁搅拌线圈；6-耐火材料炉衬；7-阳极；8-铈钨极；9-等离子弧；10-炉门；11-金属液；12-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

3、，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麦可洛设计的140kg及900kg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1、图2所示。,图2 密封式等离子电弧炉示意图1-观察孔；2-喷枪；3-操作孔；4-炉盖；5-出钢口；6-电磁搅拌线圈；7-金属液；8-水冷铜阳极；9-电熔镁砂炉衬；10-密封石棉绳；11-钍钨极；12-辅助阳极；13-等离子弧,3,由图1和2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

4、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，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，

5、产生非转移弧，亦称“小弧”。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，阴极与金属科之间就会起弧，此弧称为转移弧，亦称“大弧”，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。转移弧又称“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。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

6、量计来控制。 熔炼原理及电器设备图示于图3。,图3 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。,5,1983年10月奥地利奥钢联公司建成一台公称容量45t的PAF炉，该炉子具有四支46008100kw的等离子枪，被安装在炉墙内，与熔池呈一定倾斜度。等离子枪可调整及拆卸维

7、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1m，每支枪的电流约9kA，枪的寿命达2000h，炉底阳极寿命达700炉，年产15万吨钢。,图 4 奥地利 45/60 吨直流等离子电弧炉 1-阴极；2-等离子枪；3-等离子弧 ；4-阳极,6,德国弗瑞特勒(Fretal)厂于1972年建成15tPAF炉，于1977年建成35t PAF炉，到1979年用等离子电弧炉生产了50多万吨钢，15t及30t等离子电弧炉的主要参数如下表1。,表1 15 及 30t 等离子电弧炉主要参数,7,PAF的冶金特点（1）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(W、Mo、N

8、b、Zr、Ti等)和它们的合金。 这一特点也使得熔炼过程中铁耗小(约2)、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Mn）的收得率可优于真空熔炼。各种元素的收得率如表2所示。,表2 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 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 0.008%的Ni-Cr 不锈钢，其抗蚀性达到真空感应炉水平。（3）氩气保护下的熔渣精炼 等离子熔炼采用氩气保护，只要氩气纯度足够

9、，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，例如18-8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S料。等离于电弧炉脱S效果显著，资料报导，对不锈钢可脱S 30%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(滚珠轴承钢、超低碳不锈钢、耐热钢及高速工具钢)、精密合金及高温合金的熔炼。,9,（4）等离子电弧炉车屑回收。 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、超级合金切屑回收。炉顶及

10、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 6 9KA ，电压 100600V 。用 Ar 气或 Ar + N2混合气体，每支枪 Ar 消耗约 0.79m3/h 。炉衬寿命 6080 炉，熔化金属切屑能力 69t/h，熔化期能耗500700kwh/t，总能耗平均小于800kwh/t。切屑合金元素收得率见表 3 。,表 3 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。 通过等离子体中的氮离子渗入钢液，熔炼含氮 0. 14 的奥氏体不锈钢 。日本学者报道采用 Ar + N2混合气体等离子熔炼 SUS403 、SUS43O 能有效地渗氮。 利用等

11、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。,10,2 等离子感应炉（Plasma 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 5。,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造渣精炼困难，提高了炉渣活度。配合感应炉既有电磁搅拌，可强化精炼过程，又可用惰性气体，减少活性元素的烧损。 目前最大的等离子感应炉是日本大同制钢公司涉川工厂 2t 等离子感应炉，其结构特点及技术参数如下：

12、 （1）等离子枪功率 400kw ，电弧电流 3kA ，氩流量根据等离子弧电流来决定，调节范围 80 300L / min （氩压力为 0.5MPa ) , 精炼期喷枪效率为 40。阴极用含钍钨棒或水冷铜环。,图 5 等离子感应炉 PIF定,11,（2）炉底电极用石墨棒，在其端面上还有一层50mm左右厚的 C-MgO砖 ，混合制成导电炉底，炉底寿命约为 60 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，影响等离子炉稳定，在结构设计上要做相应变动。涉川厂2tPIF炉是用150Hz 600kw 的三倍频感应炉。（4）为了改善冶金过程动力学条件，这台炉子装有 50Hz

13、- 200kw 三相搅拌器， 可使钢液熔渣向心或离心方向流动。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 0.005%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弱点-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 Ar 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 H=1.5 2.5ppm, 使超低碳不锈钢中的 O 50 ppm，同时可使易氧化元素-铝、

14、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 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：（1）合金收得率高，见表 4。 表 4 大同制钢公司等离子感应炉熔炼合金收得率,（2）熔炼含 Al 、 Ti 的高电阻合金最大夹杂物小于 10m；（3）易于制成含硫量低于 0. 005 的低硫钢；（4）熔炼超低碳不锈钢C 可降至0. 006 以下 ；（5）渣料烘干，保持氩气的纯度，钢水含氢降至 0. 0001 % ，也有达到1.52.5ppm 的报道。（6）脱氧效果与真空熔炼相当， PIF 熔炼 316ULC 钢，含氧为 0

15、. 0047%,13,小野清雄对等离子感应炉 PIF 及真空感应炉 VIM优缺点进行全面比较，见下表5。,表5 等离子感应炉 PIF 及真空感应护 VIM 比较,14,3 等离子电弧重熔 （Plasma arc remelting，PAR ）,现代等离子电弧重熔炉 PAR 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见图 6 。在惰性气体（Ar , Re ）或可控气氛（ N2, Ar + H2）中，气压由 1.333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。等离子温度高，可使钢中夹杂物分解

16、，有害元素S、 P、Pb、Sb、Zn、As、Bi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，获得定向结晶。 前苏联莱科姆斯基及萨维兹斯基 总结归纳等离子电弧重熔 PAR 用途如下： （1）用H2+ Ar 气重熔铁基及镍基合金，氢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承钢，以控制非金属夹杂物尺寸及成分。,图 6 等离子电弧重熔 原理 1-重熔金属棒;2-等离子枪；3-水冷铜制结晶器；4-铸锭；5-熔炼室;6-拉锭装置,15,（3）用高压氮气，钢中渗氮可达 1 。（4）生产

17、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TB-4K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。 （6）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对优势。 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50Ni 及 Ni47Cu 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

18、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 VAR、电渣重熔ESR、真空电子束重熔 EBR 技术经济指标比较见表 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 PAR 炉，重熔最大锭重达 5t ，并开始用交流电源。前苏联 PAR 炉主要参数见表 7。,表7 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 PEB 炉 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

19、置；7-钢锭；8-高频引弧器,这种设备的核心是钽(Ta)制的中空阴极，其工作原理是：在低真空(10-2毫米汞柱数量级)下，用Ar等离子弧加热钽阴极，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，达到熔炼目的。,19,5 等离子钢包精炼,等离子钢包精炼，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

20、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钢液。其结构示意图见图 7。,图5 等离子钢包精炼结构示意图 1-等离子喷枪； 2-精炼炉盖； 3-精炼炉体4-滑动水口； 5-炉底阳极； 6-吹氮透气砖； 7-钢包小车； 8-炉体倾动机构； 9-炉盖升降旋转机构； 10-等离子枪工作势态控制机构； 11-废气排出管道（连接变量泵） ；12-阳极调节机构； 13-加料孔（连接加料机构） ；14-窥视取样孔,20,等离子钢包精炼具有以下技术优势： （1）可按需要控制钢包内气氛及等离子工作气体，如等离子枪供 Ar + O2混合气体脱碳，

21、供 H2及烃、烷类脱氧，通 N2以增氮。 （2）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力可以去 H及N （3）解决了钢包精炼辅助热源问题，没有石墨电极对钢液污染。 （4）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害。 （5）工艺灵活，具有 AOD 和 VOD 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 ASEA-SKF 综合精炼功能。 （6）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6.1 等离子熔融还原 瑞典 SKF 公司 PLASM

22、ARED 工艺 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 。,21,6.2 活性金属等离子熔炼（Cr的熔炼）,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 6 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

23、剂只熔化的铬，熔炼条件见表 8 ，产品化学成分见表 9 。,图 6 等离子渣壳熔铸炉,表8 铬的熔炼条件,22,由表 9 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。,表 9 等离子熔炼格的化学成分,6.3 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，然而转炉每提高钢温 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

24、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。,23,上世纪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。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 8000 ，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

25、型等离子加热。 查普曼等人报道，采用等离子加热后，中间包钢液温度可控制在士 5 以内，使出钢温降低 10 20 ，节能 4kw h/t。伊瑞它里等人研究表明，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。 新日铁广畑厂在生产中采用直流转移等离子加热装置，使钢水温度波动控制在士 2 以内，减少了氧化铝夹杂物，热效率达80。日本东京NKK 京滨一台中间包等离子加热器 ，功率1.4MW 的直流等离子系统，通过 PID 控制，使钢水温度控制在士 1 以内，使铸坯中心偏析大大减轻。 等离子加热图如图 7。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士 5

26、 以内，热效率 65% ，中间包热状态下重复使用 200 次。降低了耐火材料消耗。,24,图 7 日本 NKK 公司中间包等离子加热 系统,中间包等离子加热特点如下：（1）采用惰性气体作工作气体，不会污染钢液，同时气氛可调，可采用中性及还原性气体，防止二次氧化。（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。,25,（3）促进夹杂物上浮，有助于铸坯质量的改善。（4）热效率较低，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。7 等离子冶金应用中存在的问题及解决途径 自 1962 年等离子电弧炉问世以来，等离子技术在冶金领域中的应用不断扩大，理论研究逐步深入，但等离子在冶金领域仍限于局部使用，只有当采用等离子技术及其优越性超过其成本时，才获得应用，所以等离子冶金炉多生产昂贵材料。工业上大规模应用等离子技术的障碍是： （1）等离子枪使用寿命问题； （2）使用直流电源问题； （3）能耗问题； （4）消耗惰性气体问题； （5）噪音问题。,