等离子枪和等离子体冷炉床Word格式文档下载.docx

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（a）非转移弧等离子枪；

（b）转移弧等离子枪

1—被加热材料；

2-等膏子弧；

3-喷舅；

4-直流电源；

5-钨或钨钍阴极

工业等离子体熔炼炉系统在生产钛及镍基合金中应用转移弧等离子枪（transferredarcplasma）。

因为这些被熔化的合金都是导电的，使用转移弧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，因为转移弧枪仅仅需要一个电极，设备的易损件相对减少和经济。

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。

在工业应用中，阴极常设计成水冷空心的阴极，工作介质气体顺着阴极高速流入，在负极的钨棒与正极的工件之间产生等离子弧。

空心电极扩大了阴极的工作面，因而增大了气体的电离度。

在横向．等离子弧在水冷的喷嘴壁和磁场的作用下向中心压缩变细，从而形成一束能量集中弧柱细长的高温等离子弧，它比自由电弧具有较好的稳定性、较大的长度和较广的扫描能力，因而等离子弧在熔炼和铸造中具有独特的优势，比一般电弧温度高得多。

有资料指出，氩弧等离子束中心可达20000℃，而一般电弧最高温度只到6000-7000℃。

此外，这种等离子束的流速很高，为100-500m/s，冲击到被加热金属上，可以使金属迅速加热和熔化，这种热能转化的过程与普通电弧基本相同，但其截面较小，长度较长，所以称为压缩型等离子弧。

等离子枪是等离子体熔炼炉的核心部件，而关键是电极的设计和应用，一般分为固定的弧柱和螺旋的弧柱，其中，获得螺旋型的弧柱是最佳的，这种弧柱更为稳定。

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应用。

他们设计的得到螺旋型等离子弧的电极实际上是空心的，并且是无氧纯铜制造的，简单原理如图2-11所示。

采用直流高压电源以维持等离子弧柱。

等离子枪的主要零件是电极、气环和喷嘴。

电极和喷嘴直接由水冷却。

气体通过气环如何以螺旋的方式进入电极的端部呢？

气环使氩气或氮气呈切线方向注入，形成要求的螺旋气流。

而电极是一个带有盲孔的圆形的管。

气体的螺旋运动在电极的整个内腔伸展至弧

图2-11转移弧的等离子枪

的终端。

这种设计有效地提供了200h以上的电极寿命。

这种螺旋运动保证了获得稳定可控的等离子弧柱，并适合于喂人不同形式的原材料，如散料、颗粒状的或块状的原材料。

这时弧柱的长短宽窄变化比较大，弧柱能直接打在各种原料上而不发生漂移。

这种螺旋形的等离子弧柱的另一个特点是可以在环境气压很宽的范围内熔化金属，甚至可以在25-300kPa的环境下维持正常工作。

在低于l0lkPa的条件下操作，可改善熔化的效率，而在较高的压力下可以使不同熔化温度的元素有效地合金化，特别是那些蒸气压高的合金元素。

最后，这种转移等离子弧的优点是能够搅拌熔融金属。

搅拌功能使操作者可以有效地混合各种合金元素。

在有些情况下，等离子弧和磁场的交互作用可以重新定向熔池的形状，在重新定向的熔池中，凝固铸锭的晶粒得到了进一步细化，这是十分有趣和珍奇的物理现象。

搅拌熔融金属的物理机理是这样的：

在图2-11中可以看到等离子弧和搅拌线圈磁场的交互作用，磁场是直流线圈产生的，因为熔融金属是携带了从等离子弧过来的电流，在这里电流和磁场正好成900，这时形成的力造成熔池的运动（即搅拌）。

虽然等离子体熔炼有很多的优点，但是也有它的不足之处。

首先，等离子体熔炼的硬件比真空自耗电极电弧熔炼（VAR）或电渣熔炼在机械方面更为复杂，而且等离子枪需要三个方向的运动，而VAR熔炼仅仅是电极的一个方向的运动。

此外，由于等离子体熔炼可以在25-300kPa下进行工作，所以其熔炼合金的纯度受到所选用的气体质量的影响，在这方面就不如电子束熔炼，其真空度可达到0.0133Pa或更低。

最后，由于等离子体熔炼需要一个连续的气流，在大规模生产中需要一套气体的回收装置，对氦气或氩气进行同收。

如能实现气体的回收，则每千克金属的气体成本将明显地下降，这套回收装置可能达到总设备投资的10%一20%。

除了熔炼一拉锭的功能外，等离子体冷炉床也可以实现熔炼一雾化制粉，如图2-12所示。

这是英国伯明翰大学IRC实验章装备的等离子体冷炉床的另一种功能。

如果把拉锭坩埚改为底注式的坩埚，则可实现离心铸造的功能。

这时底部浇注口的打开靠大功率的等离子枪来实现，这是北京航空材料研究院装备的等离子体冷炉床的另一个功能，该设备外观如图2.13所示。

图2-12等离子体冷炉床的雾化制粉装置示意图

图2-13北京621所600KWPAM525等离子体冷炉床熔铸炉外观

Retech公司的（PAM）等离子弧熔炼炉

Photoofaplasmaarctorchinsideameltchamberheatingapoolofmoltentitanium

一种等离子弧焊炬内的熔体室加热池的熔融钛的照片（左）

（PAM）等离子弧熔炼炉活性金属熔体钛&

锆硅熔体（右）

双模式等离子炬操作

Retech大型等离子熔炼炉室用于钛锭生产

等离子体冷炉床熔炼具有以下的优点：

（1）等离子体作为热源熔炼钛合金时，等离子枪是在接近大气压的惰性气氛下工作，可以防止Al、Sn、Mn、Cr等高挥发性元素的挥发，可以实现高合金化和复杂合金化钛合金元素含量的精确控制；

而电子束冷炉床必须在高真空条件下熔炼，因此，熔炼含高挥发性元素的钛合金就比较困难，合金的化学成分无法精确控制。

（2）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，但等离子体熔炼的合金纯度受到工作介质纯度的影响。

（3）等离子体冷炉床熔炼时熔池大、深度相对较深，可以实现熔液的充分扩散。

（4）等离子体是在接近大气压气氛下工作，因此不受原材料种类的限制，可以利用散装料，如海绵钛、钛屑、浇道切块等，也可以用棒料送人；

而电子束炉需要在高真空度下（小于0.IPa）工作，在熔炼由海绵钛组成的进料时，因海绵钛中释放的气体会使得真空度下降，无法保证电子束枪的正常工作。

2.3冷炉床熔炼技术的应用

冷炉床熔炼技术在20多年的时间内得到了迅猛发展。

目前世界上能生产冷炉床的公司主要有四家，即美国的Retech公司、Consarc岔司，德国的ALD公司和乌克兰的巴顿焊接研究所等。

其中，Retech公司装备了世界上大部分的PAM炉子。

目前美国拥有世界上大部分的PAM炉子，且开发时间早，如GEAE发动机公司在1991年就与Allvac公司采用PAM+VAR工艺生产钛合金，用于发动机部件等关键应用领域。

经过十几年的大力发展，美国具备了批量生产优质钛合金铸锭的能力，目前装备的冷炉床熔炼能力已占美国钛总熔炼能力的45%，其中20%是采用等离子体冷炉床生产的。

单台设备的功率也在提高，如美国RMI公司在2001年安装了一台2支枪的等离子体冷炉床，总功率l000kW可生产圆锭和扁锭，质量可达7000kg。

采用PACHM一次熔炼生产钛铝铸锭，最大尺寸达￠660mm，质量为2000kg，挤压和锻造成涡轮盘件。

俄罗斯的上萨尔达冶金生产联合体（VSMPO）于2003年安装了美国Retech公司生产的8t级的等离子体冷炉床熔炼炉，如图2-14所示。

该设备有5支等离子枪，功率为4.8MW，可生产圆锭，也可生产扁锭，圆锭的最大直径可达8l0mm，扁锭的最大截面尺寸为1260mm×

320mm，质量可达8000kg，可直接投入板坯生产，年生产能力预计为3600t。

随着VSMPO新的等离子体冷炉床的投产，目前世界范围内等离子体冷炉床的总生产能力每年可达11kt。

图2-14俄罗斯上萨尔达冶金生产联合体的8t级等离子体冷炉床示意图

（a）侧视图；

（b）俯视图

等离子冷床炉熔炼示意图

钛熔炼实景

Retech等离子电弧加热熔炼在5个大气压下圆柱电弧内部的温度在4000-20000°

K

乌克兰的ANTARES公司钛扁锭

两台巴顿熔炉，可生产两种尺寸的钛锭（直径分别为640毫米及820毫米）；

钛板材的规格为1300x200x4000毫米

宝钢3300KW4枪等离子冷床炉外观（1500吨/年）

宝钢特钢离子束冷床冶炼炉从美国RETECH公司引进一套当代最先进的冶炼炉。

主要由熔炼室、拉锭室、加料室、熔炼枪、各类介质管道等组成；

设备总高21米、长22米、宽26米；

分地上三层，地下一层；

拉锭室垂直度测量达到千分之零点一（外方技术要求千分之零点五）。

据资料介绍，采用冷炉床熔炼技术生产的钛合金已经应用于F/A-18飞机的F404和F414发动机上，并将逐步扩大应用于F-14、F-16飞机的Fl10发动机、V-22直升机的T406发动机、F-15和-16飞机的F100发动机、B-2飞机的F118发动机及F-22飞机的F119发动机中。

2.4冷炉床熔炼技术的发展

冷炉床熔炼技术的开发与应用要求达到两个目标：

一是提高钛合金的冶金质量，即成分均匀、无夹杂和控制铸锭组织；

二是提高工艺的经济性，简化工艺，广泛使用各种原料和回收料。

此外，等离子冷炉床在熔炼高铝、高熔点组元的钛合金方面有不可取代的功能。

20多年来，冷炉床熔炼无论在设备还是在T艺技术方面都得到了迅速的发展。

在结构方面，对于工业生产型熔炼装置，由于技术定位，除了对容量、电子枪（或等离子枪）的功率和数量有不同的选择外，根据熔炼原材料的不同（如颗粒料、块料或压制的电极棒），采用不同的进料方式和进料口（如电子束冷炉床有两个进料斗和一个加长的电极棒进料器），并按不同的产品（锭型），配置不同的铸锭结晶器。

但是冷炉床最重要的改进是采用双室（或多室）结构，扩大炉床，把熔化和精炼部分适当分开，从而适当延长金属（合金）在液态停留的时间，使精炼、净化进行更充分，如图2-6所示的C型电子束冷炉床和等离子冷炉床。

C型冷炉床之所以可能实现，主要在于电子枪技术的进步，特别是电子束的聚束与偏转扫描系统的改进，使电子枪的工作距离增加到1500mm，扫描频率达到l0kHz，可以根据工艺的需要，通过计算机设定热源的扫描形式和覆盖范围。

工艺方面，目前应用中比较成熟的熔炼工艺路线是CHM+VAR。

以充分发挥冷炉床和真空自耗熔炼各自的优点，改善在等离子熔炼过程中可能存在提高惰性气体含量的情况，并改善了铸锭的表面质量。

数值模拟方面，为了改进和优化冷炉床熔炼工艺，美国NCEMT（NationalCenterforExcellenceinMetal-workingTechnology）公司开发了一个冷炉床熔炼模拟COMPACT软件系统，该系统可以模拟熔体流动、热量和物质转移、电磁场、等离子束、夹杂物熔化、铸锭凝固和宏观偏析、晶粒长大和微观偏析等。

这套模拟系统已转到钛合金的生产商（如Allvac），以指导实践生产出优异的钛合金铸锭。

同时，正在开发只采用单一的冷炉床熔炼技术。

根据目前的研究结果来看，单一的冷炉床熔炼工艺对于航空结构件用钛合金也是可行的。

通过减少熔炼次数和炉床熔炼生产扁锭的优势，可以节约加工成本20%~40%。

美国从1989年3月到1995年6月期间，通过由空军Man-Tech项目的资助，进行了单一的EBM和单一的PAM炉床熔炼技术的研究，结果认为是可行的。

如美国THT公司采用3.2MW电子束冷炉床一次熔炼成直径为760mm的Ti-6AI-4V合金锭，铸锭成分均匀，Al、V质量分数的标准偏差不大于0.15%。

与传统的钛合金相比，钛铝基金属间化合物是非常难以熔炼和加工的。

铸态粗晶组织的塑性很差，生产大型钛铝铸锭是一个非常大的挑战。

美国Allvac公司采用两台等离子体冷炉床（一台炉子为4枪，总功率为3000kW；

另一台为2枪，总功率为l000kW）尝试了生产小型和大型铸锭，生产的铸锭尺寸可为￠165-760mm，质量为200-5450kg。

此外，J．A．Silvus等人总结了Teledyne-Allvac公司和Retech公司曾经在等离子体冷炉床上进行了以种子形式加入各种夹杂的钛合金熔炼研究，熔制了两个￠200mm×

l000mm的圆锭，目的是研究高密度夹杂、低密度央杂在等离子体冷炉床熔炼过程中消除的程度。

谨慎地加人的杂质种子包括钽、碳化钨、氮化的海绵钛颗粒和Ti-6Al-4V的回收料。

基体合金的成分为Ti-6AI-4V。

等离子气体为氦气，炉子的气氛为lllkPa。

￠200mm锭型经过变形成￠25mm圆棒，在X射线和超声波检查中未发现任何高密度和低密度夹杂。

因为对于￠25mm的圆棒，是很容易通过无损检测方法发现夹杂的。

在X射线检查冷炉床的凝壳时发现了钽和碳化钨型高密度夹杂的颗粒。

钽和碳化钨高密度夹杂在凝壳中的分布位置如图2-15所示。

未能熔化的高密度夹杂沉积在炉床的凝壳中，纯净的钛液通过浇注槽流入拉锭坩埚，凝固形成铸锭。

图2-15钽和碳化钨高密度夹杂在凝壳中的分布位置

W．R．Chinins等人为了深入研究等离子体冷炉床熔炼技术和开发航空优质钛合金坯料，正在多方面开展工作：

（l）开发先进的参数测试仪器，如熔化表面高温计、熔池金属深度传感器、工艺气体的化学分析仪；

（2）确定实际的工艺窗口，如杂质种子与工艺参数的关系、炉床熔体保留时间的测量、缺陷跟踪试验等；

（3）工艺的数值模拟工作，并取得了多项的突破。