等离子体熔炼炉的工作原理及应用

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：等离子枪是等离子冷床炉的核心部件，工业等离子熔炼炉在生产钛及镍基合金时采用转移弧式等离子枪。如图3-40所示为等离子熔炼中常使用的两种典型的等离子枪，即钨尖电极等离子枪和中空铜电极等离子枪。图3-40 钨尖电极等离子枪和中空铜电极等离子枪等离子熔炼炉通常采用双壁、真空密封、水冷结构的炉体，以抵挡由等离子柱产生的热辐射和对流热传导，并且可以防止炉外大气（O、N）对炉内气氛的污染。

等离子枪是等离子冷床炉的核心部件，工业等离子熔炼炉在生产钛及镍基合金时采用转移弧式等离子枪。因为这些被熔化的合金都是导电的，使用转移等离子枪使输入的能量更多地用于熔化金属工件上，高效率地利用电能以获得高的熔化速率。此外，因为转移弧枪仅需要一个电极，易损件少，故相对经济。还有转移弧枪有一个比较宽的功率范围，其功率的范围是弧长和电流的函数。由等离子枪喷出的等离子弧焰，分为固定和螺旋形两种，其中获得螺旋形的弧柱是最佳的，弧柱更为稳定。

美国Retech公司设计制造的转移弧等离子枪在长期的生产实践中得到了广泛的应用。主要由电源、电极、气环和喷嘴组成。采用直流高压电源来维持等离子弧柱，能产生螺旋形等离子弧的电极，是用无氧铜制作的空心水冷电极。气环使工作气体氩气或氦气沿切线方向注入，生产要求的是螺旋形气流以气体的螺旋运动在电极的整个内腔一直延伸到弧的终端。这种枪的特点如下：

1）气流的螺旋运动保证了获得稳定的可控的等离子弧柱，并适合于熔化不同形式的炉料，如散料、颗粒状和块状的炉料等。这时弧柱的长短宽度变化比较大，弧柱能直接打在各种炉料上而不发生漂移。

2）可以在环境气压很宽的范围内熔化金属，甚至可以在25～304 kPa的环境下维持正常工作。在101kPa条件下工作，可以改善熔化效率，而在较高的压力下可以使不同熔点的元素有效地合金化，特别是那些蒸气压高的合金元素。

3）这种螺旋形等离子弧柱能搅拌熔融金属。搅拌功能可以有效地使各种元素均匀混合。在有些情况下，等离子弧和磁场的交互作用可以改变熔池形状，并使凝固铸锭晶粒得到进一步的细化。此种转移弧式等离子枪可以有效地工作200h以上。

如图3-40所示为等离子熔炼中常使用的两种典型的等离子枪，即钨尖电极等离子枪和中空铜电极等离子枪。在熔炼过程中，对极为被熔炼的金属。

钨尖电极等离子枪一般作为阴极，其电极由钨制成，钨中添加少量氧化钍以降低钨的热离子功函数。电子发射要求很高的电极温度（3500～6000 K），因此电弧附着点的阴极材料是液态的，尽管阴极尾部有水冷。由于这一原因，氧化气体不能直接与钨尖直接接触，所以通常采用氩气密封。此外，阴极钨尖上小熔池中的部分钨液会射入被熔化的金属，而成为高熔点夹杂物。这种缺陷对于飞机用高强度钛合金及超耐热合金来说是不允许的。以氩气为等离子气体时，钨尖阴极的工作寿命一般为30～150 h，气体耗量较低，但等离子柱的稳定性较差。

中空铜电极等离子枪电极由铜铬或铜锆合金制造，工作过程中进行强烈水冷。相对于钨（热离子发射源），铜是电子的场发射源，因为其沸点较低。如果将这种中空铜电极作为冷阴极使用，由于其上电流密度大、铜的局部蒸发严重，会加快腐蚀。因此，通常将这种中空铜电极作为阳极使用，而被熔化金属为阴极，这样可以减小铜电极的腐蚀。形成等离子的气体从电极和喷嘴之间沿切向进入，产生旋流或涡流使电弧稳定，并使接触电弧在电极上旋转。采用氩气的铜电极寿命可达1000h，但气体耗量较高。其他惰性气体和活性气体或其混合气体也可以用于这种等离子枪，但它们对电极的腐蚀各不相同。

图3-40 钨尖电极等离子枪和中空铜电极等离子枪

等离子熔炼炉通常采用双壁、真空密封、水冷结构的炉体，以抵挡由等离子柱产生的热辐射和对流热传导，并且可以防止炉外大气（O、N）对炉内气氛的污染。等离子冷床熔炼示意图如图3-41所示。炉子通常具有振动或旋转给料装置，以及相应的料仓或杆料进给系统。炉子在充气前须用真空泵将炉子抽真空；如果炉子工作在减压状态，必须设有一台抽气泵和在线气体控制阀。真空密封的炉子可以工作在5～200 kPa的压力下；作为等离子气体的氩气纯度一般为99.999%。炉内气氛的其他污染源是原料带入的和炉壁吸附的水分和气体。气体中的O和N易于被金属熔体吸入，最终成为金属的氧化物和氮化物夹杂。因此，为了获得清洁的炉内原始气氛，除必须对原料进行预处理外，必须利用真空泵将熔炼炉抽真空（一般约为1Pa），同时在炉子的双壁之间通入热水对炉壁水分进行解吸，然后向炉内充入高纯惰性气体，压力至1 kPa后，再抽真空至1 Pa，最后再充至工作压力。

20世纪80年代中期，Axel Johnson Metals Inc.（现在的Timet）和Wyman-Gordon Co.合作开发出了用于HR+VAR（冷床炉熔炼+1次真空电弧重熔）熔炼工艺，用于生产飞机发动机盘用的高级钛合金材料，代替当时普遍采用的3×VAR熔炼工艺，如图3-42所示[29]。其中的冷床熔炼炉可以是等离子冷床炉，也可以是电子束冷床炉。这种工艺消除硬质α粒子和高密度夹杂物的能力远高于3×VAR工艺。

图3-41 等离子冷床熔炼示意图

美国Lectrotherm公司发明了一种等离子枪与直接电弧电极相结合的钛合金熔炼工艺和设备，可熔炼铸造钛、不锈钢、镍、钼、钽、钨、铌、锆和其他金属或合金^[29]。这种熔炼炉包括1个主冷床、1个或多个等离子枪、直接电弧电极、铸造坩埚或铸型、半连续铸造机等。可以随具体用途不同采用不同的热源和设备组合，以实现最佳的熔铸工艺。

如图3-43所示为这种改进的冷床炉的典型设计方案，即第一种方案，包括1个主冷床、2个等离子枪、2个直接电弧电极、2套半连续铸造系统、2套供料系统等。供料系统包括1个带旋转混合器的漏斗形料仓，混合器的作用是混合原料并使其进入底部漏斗，然后通过溜槽供入炉内；热源（等离子枪或直接电弧电极）在传动机构的控制下可以轴向伸缩、旋转或左右移动；主冷床为圆形或椭圆形水冷铜池，采用高热传导性能的无氧铜制造。除标准主冷床外，还可以采用更深（4～6 ft）、容量更大（2000～3000lb）^[1]的主冷床，浇注时可以借助耳轴倾动15°～105°。与标准的溢流式主冷床相比，这种倾动式主冷床不仅可以提高铸造能力，而且可以控制熔炼时间，保证低密度和高密度粒子被除去或沉淀；熔炼后的熔体通过主冷床两端的溢流口或整体倾动浇入邻接的结晶器进行半连续铸造，铸造成圆锭或扁锭。

图3-42 HR+VAR工艺中的等离子冷床炉

第二种设计方案即直接铸造成形最终铸件，工艺、设备大体与上述第一种方案相同，只是用铸型代替半连续铸造结晶器。热源可以是等离子枪，也可以是直接电弧电极，或者二者兼有。

第三种设计方案采用半连续铸造、等离子枪和直接电弧电极组合热源、倾动式主冷床。与第一种、第二种方案的主要不同点是增加了2个精炼冷床和2个相应的精炼热源。精炼冷床与主冷床的结构相同，或更浅、更圆一些；精炼热源一般为直接电弧电极，但也可以是等离子枪。工作过程中，将主冷床熔化的金属液转入精炼炉床进行进一步加热、精炼。

图3-43 等离子枪与直接电弧电极相结合的冷床熔炼炉

等离子体熔炼炉的工作原理及应用

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