等離子體冷爐床是通過(guò)電能轉(zhuǎn)化為等離子弧的能量轟擊熔化金屬的一種裝置。當(dāng)電流通過(guò)氣體時(shí)，使氣體電離，形成等離子弧發(fā)出弧光，利用弧光發(fā)出的熱量熔煉高度活潑的金屬或合金。等離子體被稱(chēng)為物質(zhì)的第四態(tài)，是由電子、離子及中性粒子組成。雖然存在正、負(fù)電荷，但在整體上等離子體是中性的。形成等離子弧的氣體介質(zhì)一般用氬氣，因?yàn)闅鍤獾碾婋x功率較小，易于電離，價(jià)格比較低廉，在鈦合金熔煉過(guò)程中又起到保護(hù)的作用。但從熱效率上說(shuō)，氦氣更是首選的介質(zhì)，其熔煉速率大約是氬氣的2倍，但目前在國(guó)內(nèi)，氦氣的成本相對(duì)要高得多。

普通電弧爐中的電弧也是等離子體，不過(guò)其電離程度較低。等離子電熱是電弧電熱的改進(jìn)和強(qiáng)化。在工業(yè)應(yīng)用上，等離子弧是通過(guò)等離子槍實(shí)現(xiàn)的。等離子槍由含釷的鎢電極和水冷的等離子槍體組成，實(shí)用的等離子槍分為非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧兩種，如圖2-10所示。非轉(zhuǎn)移弧等離子槍功率較小，在熔煉和鑄造行業(yè)中主要采用轉(zhuǎn)移弧等離子槍。

工業(yè)等離子體熔煉爐系統(tǒng)在生產(chǎn)鈦及鎳基合金中應(yīng)用轉(zhuǎn)移弧等離子槍?zhuān)╰ransferred arc plasma).因?yàn)檫@些被熔化的合金都是導(dǎo)電的，使用轉(zhuǎn)移弧等離子槍使輸入的能量更多地用于熔化金屬工件上。高效率地利用電能以獲得高的熔化速率，此外，因?yàn)檗D(zhuǎn)移弧槍僅僅需要一個(gè)電極，設(shè)備的易損件相對(duì)減少和經(jīng)濟(jì)。轉(zhuǎn)移弧槍有一個(gè)比較寬的功率范圍，其功率的范圍是弧長(zhǎng)和電流的函數(shù)。
在工業(yè)應(yīng)用中，陰極常設(shè)計(jì)成水冷空心的陰極，工作介質(zhì)氣體順著陰極高速流入，在負(fù)極的鎢棒與正極的工件之間產(chǎn)生等離子弧?？招碾姌O擴(kuò)大了陰極的工作面，因而增大了氣體的電離度。在橫向，等離子弧在水冷的噴嘴壁和磁場(chǎng)的作用下向中心壓縮變細(xì)，從而形成一束能量集中弧柱細(xì)長(zhǎng)的高溫等離子弧，它比自由電弧具有較好的穩(wěn)定性、較大的長(zhǎng)度和較廣的掃描能力，因而等離子弧在熔煉和鑄造中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，比一般電弧溫度高得多。有資料指出，氬弧等離子束中心可達(dá)20000℃,而一般電弧最高溫度只到6000~7000℃.此外，這種等離子束的流速很高，為100~500m/s,沖擊到被加熱金屬上，可以使金屬迅速加熱和熔化，這種熱能轉(zhuǎn)化的過(guò)程與普通電弧基本相同，但其截面較小，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以稱(chēng)為壓縮型等離子弧。
等離子槍是等離子體熔煉爐的核心部件，而關(guān)鍵是電極的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，一般分為固定的弧柱和螺旋的弧柱，其中，獲得螺旋型的弧柱是最佳的，這種弧柱更為穩(wěn)定。
美國(guó)Retech公司設(shè)計(jì)制造的轉(zhuǎn)移弧等離子槍在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。他們?cè)O(shè)計(jì)的得到螺旋型等離子弧的電極實(shí)際上是空心的，并且是無(wú)氧純銅制造的，簡(jiǎn)單原理如圖2-11所示。采用直流高壓電源以維持等離子弧柱。等離子槍的主要零件是電極、氣環(huán)和噴嘴。電極和噴嘴直接由水冷卻。氣體通過(guò)氣環(huán)如何以螺旋的方式進(jìn)入電極的端部呢？氣環(huán)使氬氣或氦氣呈切線(xiàn)方向注入，形成要求的螺旋氣流。而電極是一個(gè)帶有盲孔的圓形的管。氣體的螺旋運(yùn)動(dòng)在電極的整個(gè)內(nèi)腔伸展至弧

的終端。這種設(shè)計(jì)有效地提供了200h以上的電極壽命。這種螺旋運(yùn)動(dòng)保證了獲得穩(wěn)定可控的等離子弧柱，并適合于喂入不同形式的原材料，如散料、顆粒狀的或塊狀的原材料。這時(shí)弧柱的長(zhǎng)短寬窄變化比較大，弧柱能直接打在各種原料上而不發(fā)生漂移。
這種螺旋形的等離子弧柱的另一個(gè)特點(diǎn)是可以在環(huán)境氣壓很寬的范圍內(nèi)熔化金屬，甚至可以在25~300kPa的環(huán)境下維持正常工作。在低于101kPa的條件下操作，可改善熔化的效率，而在較高的壓力下可以使不同熔化溫度的元素有效地合金化，特別是那些蒸氣壓高的合金元素。
最后，這種轉(zhuǎn)移等離子弧的優(yōu)點(diǎn)是能夠攪拌熔融金屬。攪拌功能使操作者可以有效地混合各種合金元素。在有些情況下，等離子弧和磁場(chǎng)的交互作用可以重新定向熔池的形狀，在重新定向的熔池中，凝固鑄錠的晶粒得到了進(jìn)一步細(xì)化，這是十分有趣和珍奇的物理現(xiàn)象。
攪拌熔融金屬的物理機(jī)理是這樣的：在圖2-11中可以看到等離子弧和攪拌線(xiàn)圈磁場(chǎng)的交互作用，磁場(chǎng)是直流線(xiàn)圈產(chǎn)生的，因?yàn)槿廴诮饘偈菙y帶了從等離子弧過(guò)來(lái)的電流，在這里電流和磁場(chǎng)正好成90°,這時(shí)形成的力造成熔池的運(yùn)動(dòng)（即攪拌）。
雖然等離子體熔煉有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是也有它的不足之處。首先，等離子體熔煉的硬件比真空自耗電極電弧熔煉（VAR)或電渣熔煉在機(jī)械方面更為復(fù)雜，而且等離子槍需要三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，而VAR熔煉僅僅是電極的一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。此外，由于等離子體熔煉可以在25~300kPa下進(jìn)行工作，所以其熔煉合金的純度受到所選用的氣體質(zhì)量的影響，在這方面就不如電子束熔煉，其真空度可達(dá)到0.0133Pa或更低。最后，由于等離子體熔煉需要一個(gè)連續(xù)的氣流，在大規(guī)模生產(chǎn)中需要一套氣體的回收裝置，對(duì)氦氣或氬氣進(jìn)行回收。如能實(shí)現(xiàn)氣體的回收，則每千克金屬的氣體成本將明顯地下降，這套回收裝置可能達(dá)到總設(shè)備投資的10%~20%.除了熔煉一拉錠的功能外，等離子體冷爐床也可以實(shí)現(xiàn)熔煉一霧化制粉，如圖2-12所示。這是英國(guó)伯明翰大學(xué)IRC實(shí)驗(yàn)室裝備的等離子體冷爐床的另一種功能。如果把拉錠坩堝改為底注式的坩堝，則可實(shí)現(xiàn)離心鑄造的功能。這時(shí)底部澆注口的打開(kāi)靠
大功率的等離子槍來(lái)實(shí)現(xiàn)，這是北京航空材料研究院裝備的等離子體冷爐床的另一個(gè)功能，該設(shè)備外觀如圖2-13所示。

等離子體冷爐床熔煉具有以下的優(yōu)點(diǎn)：
（1)等離子體作為熱源熔煉鈦合金時(shí)，等離子槍是在接近大氣壓的惰性氣氛下工作，可以防止A1、Sn、Mn、Cr等高揮發(fā)性元素的揮發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)高合金化和復(fù)雜合金化鈦合金元素含量的精確控制；而電子束冷爐床必須在高真空條件下熔煉，因此，熔煉含高揮發(fā)性元素的鈦合金就比較困難，合金的化學(xué)成分無(wú)法精確控制。
（2)等離子槍產(chǎn)生的He或Ar等離子束是高速和旋轉(zhuǎn)的，對(duì)熔池內(nèi)的鈦液能起到攪拌作用，有助于合金成分的均勻化，但等離子體熔煉的合金純度受到工作介質(zhì)純度的影響。
（3)等離子體冷爐床熔煉時(shí)熔池大、深度相對(duì)較深，可以實(shí)現(xiàn)熔液的充分?jǐn)U散。
（4)等離子體是在接近大氣壓氣氛下工作，因此不受原材料種類(lèi)的限制，可以利用散裝料，如海綿鈦、鈦屑、澆道切塊等，也可以用棒料送入；而電子束爐需要在高真空度下（小于0.1Pa)工作，在熔煉由海綿鈦組成的進(jìn)料時(shí)，因海綿鈦中釋放的氣體會(huì)使得真空度下降，無(wú)法保證電子束槍的正常工作。

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