等離子槍和等離子體冷爐床

等離子槍和等離子體冷爐床等離子體冷爐床是通過電能轉(zhuǎn)化為等離子弧的能量轟擊熔化金屬的一種裝置。當(dāng)電流通或合金。等離子體被稱為物質(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)2倍，但目前在國(guó)內(nèi)，氦氣的本錢相對(duì)要高得多。一般電弧爐中的電弧也是等離子體，不過其電離程度較低。等離子槍由含釷的鎢電極和水冷的等離子槍體組成兩種，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)中主要承受轉(zhuǎn)移弧等離子槍。2-10等離子槍示意圖(a)非轉(zhuǎn)移弧等離子槍；(b)轉(zhuǎn)移弧等離子槍1—被加熱材料；2-等膏子??；3-噴舅；4-直流電源；5-鎢或鎢釷陰極工業(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(transferredarcplasma)。由于這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，由于轉(zhuǎn)移弧槍僅僅需要一個(gè)電極，設(shè)備的易損件相對(duì)削減和經(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)。202306000-7000℃。此外，100-500m/s化，這種熱能轉(zhuǎn)化的過程與一般電弧根本一樣，但其截面較小，長(zhǎng)度較長(zhǎng)等離子弧?；≈吐菪幕≈渲?，獲得螺旋型的弧柱是最正確的，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。他圖2-11所示。承受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)和使氬氣或氮?dú)獬是芯€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)腔伸展至弧圖2-11 轉(zhuǎn)移弧的等離子槍的終端。這種設(shè)計(jì)有效地供給了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25-300kPal0lkPa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素。重定向的熔池中，凝固鑄錠的晶粒得到了進(jìn)一步細(xì)化，這是格外好玩和珍奇的物理現(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圈磁場(chǎng)的900，這時(shí)形成的力造成熔池的運(yùn)動(dòng)〔即攪拌。比真空自耗電極電弧熔煉(VAR)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)展工作，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0.0133Pa或更低。最終，由于等離子體熔煉需要一個(gè)連體的回收，則每千克金屬的氣體本錢將明顯地下降，這套回收裝置可能到達(dá)總設(shè)備投資的10%20%。2-12所示。這是英國(guó)伯明翰大學(xué)IRC試驗(yàn)章裝備的等離子體冷爐床的另一種功能。假設(shè)把拉錠坩13所示。圖2-12 等離子體冷爐床的霧化制粉裝置示意圖圖2-13北京621所600KW PAM525等離子體冷爐床熔鑄爐外觀Retech公司的(PAM)等離子弧熔煉爐Photoofaplasmaarctorchinsideameltchamberheatingapoolofmoltentitanium一種等離子弧焊炬內(nèi)的熔體室加熱池的熔融鈦的照片(左)(PAM)等離子弧熔煉爐活性金屬熔體鈦&鋯硅熔體〔右〕雙模式等離子炬操作Retech大型等離子熔煉爐室用于鈦錠生產(chǎn)等離子體冷爐床熔煉具有以下的優(yōu)點(diǎn)：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Al、Sn、Mn、Cr等高揮發(fā)性元素的揮發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)高合金化和簡(jiǎn)單合金化鈦合金元的鈦合金就比較困難，合金的化學(xué)成分無(wú)法準(zhǔn)確掌握。HeAr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。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)熔液的充分集中。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，也可以用棒料送人；而電子束爐需要在高真空度下〔小于0.IPa〕無(wú)法保證電子束槍的正常工作。冷爐床熔煉技術(shù)的應(yīng)用冷爐床熔煉技術(shù)在20多年的時(shí)間內(nèi)得到了迅猛進(jìn)展。目前世界上能生產(chǎn)冷爐床的公司主要有四家，即美國(guó)的Retech公司、ConsarcALD公司和烏克蘭的巴頓焊接爭(zhēng)論所等。其中，Retech公司裝備了世界上大局部的PAM爐子。目前美國(guó)擁有世界上大局部的PAM爐子，且開發(fā)時(shí)間早，如GEAE1991年就與Allvac公司承受PAM+VAR工藝生產(chǎn)鈦合金，用于發(fā)動(dòng)機(jī)部件等關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過十幾年的大力進(jìn)展，美國(guó)具備了批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鈦合金鑄錠的力量45%，其中20%是承受等離子體冷爐床生產(chǎn)的。單臺(tái)設(shè)備的功率也在提高，如美國(guó)RMI公20232支槍的等離子體冷爐床，總功率l000kW可生產(chǎn)圓錠和扁錠，質(zhì)量可達(dá)7000kPACHM一次熔煉生產(chǎn)鈦鋁鑄錠660m(VSMPO)2023年安裝了美國(guó)Retech8t2-145支等離子槍，4.8MW，可生產(chǎn)圓錠，也可生產(chǎn)扁錠，圓錠的最大直徑可達(dá)8l0mm，扁錠的最大截面尺寸為1260mm×320mm，質(zhì)量可達(dá)8000kg，可直接投入板坯生產(chǎn)，年生產(chǎn)力量估量為3600t。隨著VSMPO的等離子體冷爐床的投產(chǎn)，目前世界范圍內(nèi)等離子體冷爐床的總生11kt。圖2-14 俄羅斯上薩爾達(dá)冶金生產(chǎn)聯(lián)合體的8t級(jí)等離子體冷爐床示意圖(a)側(cè)視圖；(b)俯視圖等離子冷床爐熔煉示意圖等離子冷床爐熔煉示意圖鈦熔煉實(shí)景Retech5個(gè)大氣壓下圓柱電弧內(nèi)部的溫度在4000-20230°K等離子冷床爐熔煉示意圖烏克蘭的ANTARES公司鈦扁錠兩臺(tái)巴頓熔爐，可生產(chǎn)兩種尺寸的鈦錠〔直徑分別為640毫米及820毫米1300x200x4000毫米3300KW4槍等離子冷床爐外觀〔1500噸/年〕寶鋼特鋼離子束冷床冶煉爐從美國(guó)RETECH公司引進(jìn)一套當(dāng)代最先進(jìn)的冶煉爐。主要21米、長(zhǎng)22米、寬26米；分地上三層，地下一層；拉錠室垂直度測(cè)量到達(dá)千分之零點(diǎn)一〔外方技術(shù)要求千分之零點(diǎn)五。F/A-18飛機(jī)的F404和F414發(fā)動(dòng)機(jī)上，并將逐步擴(kuò)大應(yīng)用于F-14、F-16Fl10發(fā)動(dòng)機(jī)、V-22直升機(jī)的T406發(fā)動(dòng)F-15和-16F100B-2F118發(fā)動(dòng)機(jī)及F-22F119發(fā)動(dòng)機(jī)中。冷爐床熔煉技術(shù)的進(jìn)展收料。此外，等離子冷爐床在熔煉高鋁、高熔點(diǎn)組元的鈦合金方面有不行取代的功能。20多年來，冷爐床熔煉無(wú)論在設(shè)備還是在T藝技術(shù)方面都得到了快速的進(jìn)展。在構(gòu)造方面，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)型熔煉裝置，由于技術(shù)定位，除了對(duì)容量、電子槍〔或等離子槍〕的功率和數(shù)量有不同的選擇外，依據(jù)熔煉原材料的不同〔如顆粒料、塊料或壓制的電極棒，承受不同的進(jìn)料方式和進(jìn)料口〔如電子束冷爐床有兩個(gè)進(jìn)料斗和一個(gè)加長(zhǎng)的電極棒進(jìn)料器，〔錠型重要的改進(jìn)是承受〔或多室〕構(gòu)造，擴(kuò)大爐床，把熔化和精煉局部適當(dāng)分開，從而適當(dāng)延長(zhǎng)金屬〔合金〕在液態(tài)停留的時(shí)間，使精煉、凈化進(jìn)展更充分，如2-6所示的C型電子束冷爐床和等離子冷爐床。C1500mml0kHz，可以依據(jù)工藝的需要，通過計(jì)算機(jī)設(shè)定熱源的掃描形式和掩蓋范圍。工藝方面，目前應(yīng)用中比較成熟的熔煉工藝路線是CHM+VAR。以充分發(fā)揮冷爐床和改善了鑄錠的外表質(zhì)量。數(shù)值模擬方面，為了改進(jìn)和優(yōu)化冷爐床熔煉工藝，美國(guó)NCEMT(NationalCenterforExcellenceinMetal-workingTechnology)公司開發(fā)了一個(gè)冷爐床熔煉模擬COMPACT軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以模擬熔體流淌、熱量和物質(zhì)轉(zhuǎn)移、電磁場(chǎng)、等鈦合金的生產(chǎn)商〔如Allva，以指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)出優(yōu)異的鈦合金鑄錠。床熔煉工藝對(duì)于航空構(gòu)造件用鈦合金也是可行的優(yōu)勢(shì)，可以節(jié)約加工本錢20%~40%。美國(guó)從1989319956月期間，通過由空軍Man-Tech工程的資助，進(jìn)展了單一的EBM和單一的PAM爐床熔煉技術(shù)的爭(zhēng)論，結(jié)果認(rèn)為是可行的。如美國(guó)THT公司承受3.2MW電子束冷爐床一次熔煉成直徑為760mm的Ti-6AI-4V合金錠，鑄錠成分均勻，Al、V0.15%。塑性很差，生產(chǎn)大型鈦鋁鑄錠是一個(gè)格外大的挑戰(zhàn)。美國(guó)Allvac公司承受兩臺(tái)等離子體冷爐床〔43000kW2l000kW〕嘗試了生產(chǎn)小型和大型鑄錠，生產(chǎn)的鑄錠尺寸可為￠165-760mm200-5450kg。此外，J．A．SilvusTeledyne-AllvacRetech公司曾經(jīng)在等離子體冷爐床上進(jìn)展了以種子形式參加各種夾雜的鈦合金熔煉爭(zhēng)論，熔制了兩個(gè)￠200mm×l000mm慎地加人的雜質(zhì)種子包括鉭、碳化鎢、氮化的海綿鈦顆粒和Ti-6Al-4V的回收料?；w合金的成分為Ti-6AI-4V氦氣lllkPa￠200mm錠型經(jīng)過變形成￠25mm圓棒，