電弧等離子體的應用

　　電弧等離子體的應用
 

　　1.在機械工業(yè)中的應用
 

　　(1)等離子切割，在工業(yè)生產(chǎn)中常用的方法是用氧塊火焰切割金屬。 由于等離子弧具有高溫、 能量集中， 吹力大的特點， 而且還可以采用惰性氣體保護， 這對切割難熔金屬、 有色金屬、 非金屬材料以及提高切割質(zhì)量是一種行之有效的辦法。
 

　　等離子切割的特點為：
 

　　(a)能切割任何高熔點金屬、 有色金屬、 非金屬材料， 如不銹鋼、 鋁、 銅、 鎢及其它合金， 并且可以進行大厚度切割。
 

　　(b)切割質(zhì)量高，切縫平整而光潔，切口窄，熱影響區(qū)小，工件變形小。
 

　　(c)切速快、生產(chǎn)效率高。
 

　　(2)等離子焊接：由于等離子焊接溫度高、能量集中，不需大量焊絲、生產(chǎn)率高、焊接質(zhì)量好，對焊接過程中各種參數(shù)變化敏感小等優(yōu)點，已日益廣泛地應用于生產(chǎn)。例如可用來焊接鋁、銅、不銹鋼、鎢、鋁、鈦及其合金鋼，用等離子焊接的優(yōu)點為：
 

　　(a) 等離子弧的穩(wěn)定性好，它既可用大電流(如幾百安培)來焊接厚板，又可以用小電流(10安培以下)采用細孔徑的噴咀來焊接薄板(0.05~1mm)。
 

　　(b) 等離子焊弧的穿透力強，在焊接厚度在2.5mm以上的金屬時，選擇合適的規(guī)范參數(shù)，使整個工件熔池呈酒杯狀，并伴隨有小孔效應產(chǎn)生，以保證焊透。
 

　　(c)被焊工件熱影響區(qū)小，工件變形小。據(jù)有關(guān)資料介紹，焊接同樣15mm厚的鋼板，氬弧焊角變形是14.09°而等離子焊接只有5.7°。
 

　　焊速快，生產(chǎn)率高，易實現(xiàn)自動化以減輕勞動強度。
 

　　(3)等離子噴涂：與其它噴涂工藝相比，等離子噴涂具有下列特點：
 

　　(a)能熔化各種高熔點、高硬度的金屬或合金粉末，以滿足對涂層具有各種性能的要求。
 

　　(b)由于焰流氣氛可控，能保護工件與涂層材料不被氧化，得到純潔的涂層。
 

　　(c)由于噴射速度大，涂層與基體的粘結(jié)力和涂層強度較其它方法要高。
 

　　(4)等離子粉末堆焊：等離子粉末堆焊與氧炔、手工電弧堆焊相比有下列特點：
 

　　(a)熔深小、合金稀釋率小，所以堆焊層較薄時就能達到堆焊合金的基本性能，所以大大節(jié)省了貴重金屬。
 

　　(b)熱影響區(qū)小，保證焊接質(zhì)量。
 

　　(c)表面成型好、加工余量小。
 

　　(d)等離子弧具有良好的穩(wěn)定性和可控性，一次堆焊層厚度可從0.25mm~6mm，一次堆焊寬度可達50~60mm，熔深可控制在0.025~2.5mm之間。
 

　　(e)易實現(xiàn)機械化與自動化，以減輕勞動強度。
 

　　目前這項新工藝正被應用于石油化工中的高、中壓閥門密封面、汽輪機進氣閥、內(nèi)燃機排氣閥、礦山機械中鏟運機鏟刀片、石油工業(yè)中砧頭、注酸泵柱塞等等。
 

　　等離子粉末堆焊尚須進一步改進和研究的問題有大功率、長時期工作的噴槍、小空間內(nèi)表面堆焊工藝、適合我國情況的合金粉末的研制等等。
 

　　2.在冶煉方面的應用
 

　　由于等離子體溫度高、氣氛可控、設備簡單等特點，因此它在冶煉方面也已獲得一定程度上的應用，特別是在精煉和重熔方面。等離子熔煉常用轉(zhuǎn)移弧型噴槍，工作氣用氬。等離子電弧及高溫氣流快迅加熱熔煉爐中的爐料。爐子周圍若加電磁攪拌線圈則可加速熔化，并使熔液的溫度、成份均勻，等離子熔煉的特點為：
 

　　(a)熔煉質(zhì)量高。由于等離子電弧溫度很高，這樣，S、P、O及氧化物，硫化物等雜質(zhì)很易蒸發(fā)汽化，達到了精煉的目的，對于重熔來說，其質(zhì)量甚至能與高頻真空爐重熔的質(zhì)量相比美。
 

　　(b)合金元素燒損少。由于熔煉是在氬氣氣氛中進行，因此合金元素的成份變化不大，燒損的元素也可補充。
 

　　(c)設備簡單、成本低，熔煉速度快。如熔煉40公斤的合金鋼，高頻爐須95分鐘，等離子爐只須25分鐘，比電弧爐熔煉的耗電量也可減少~左右。
 

　　(d)由于要采用氬氣，因此使等離子熔煉在某些地方的應用受到了一定的限制。
 

　　等離子熔煉還能熔煉海綿鈦成鈦錠、配合精密鑄造，可澆出形狀復雜的多種精密鑄件。
 

　　還能處理耐火氧化物及延伸單晶。等離子熔煉爐還可用來化鐵以節(jié)省焦炭，這也是很有意義的。
 

　　目前等離子熔煉爐正在向大容量、大功率發(fā)展，要求解決大功率噴槍的問題，由于制造大功率直流電源成本很高，正在進行交流等離子熔煉爐的研究。如果把等離子熔煉與高頻感應爐結(jié)合起來，有可能實現(xiàn)較優(yōu)高產(chǎn)量的大熔煉爐。
 

　　3.在化工、化治方面的應用等離子技術(shù)在化工、化冶方面的應用有廣闊的前景，這是因為等離子體在化學反應中有如下的特殊作用：
 

　　(a)等離子體提供了一個能量集中，溫度很高的反應環(huán)境。
 

　　(b)等離子體中存在著的大量正負離子，它可作為中間反應過程的介質(zhì)。
 

　　(c)等離子體提供了一個高強度輻射光源，以引起某些光化學反應。
 

　　等離子技術(shù)在化工、化冶方面的應用，就其反應過程來說，須要經(jīng)過三個步驟： (i)根據(jù)不同化學反應的需要，選擇不同的工作氣，以形成不同氣氛的高溫等離子流。
 

　　(d)在高溫的等離子弧或等離子焰中發(fā)生化學反應。
 

　　(e)在高溫條件下，所生成的希望得到的產(chǎn)品有可能繼續(xù)分解或轉(zhuǎn)化成其它產(chǎn)物。因此采取急驟冷卻——淬冷的辦法，使得到的產(chǎn)品迅速地固定下來。淬冷辦法運用得是否正確和有效，往往是等離子工藝是否成功的關(guān)鍵問題之一。
 

　　等離子技術(shù)在化工應用中成功的重要例子是制造乙炔。工業(yè)用乙炔的古老的辦法是電石法，其缺點是耗電量大，還要與鋼爭焦炭。后發(fā)展了部份氧化法制乙炔，使乙炔的生產(chǎn)成本大為降低，但部份氧化法需制氧機，使它的應用受到一定的限制。因此，電石法制乙炔在各國仍占很大的比例。而采用等離子法制乙炔其優(yōu)點為：
 

　　(a)乙炔產(chǎn)率濃度高可達14~20%，原料利用率高。
 

　　(b)對原料適應性強，天然氣、石油氣、煤油、重油等均可作原料。
 

　　(c)設備簡單、初投資少。
 

　　(d)耗電量比電石法要少。
 

　　等離子體在化工中的應用還有合成硝酸、qing氰酸、聯(lián)氨、制炭黑、臭氧等。
 

　　等離子技術(shù)在化冶中的應用可能具有更廣泛的前景，其應用的可能性分為四個方面
 

　　(1)化學裂解：用錯英石(ZrO?·SiO?)在等離子弧及等離子焰中直接裂解制取高純氧化錯(ZrO?)粉末是一個典型的實例，有的已達到工業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模。過去在電爐中熔煉鋯英石，揮發(fā)SiO?后得氧化鋯產(chǎn)品，當用等離子體將鉆英石直接裂解成ZrO?和SiO?時，由于石英具有大的表面積，在淬冷后它能均勻地分布在ZrO2的周圍。于是能用廉價的NaoH溶液在低溫下浸取，獲得高純度的氧化鋯。所以用等離子法制ZrO2的優(yōu)點是：生產(chǎn)連續(xù)，產(chǎn)品質(zhì)量高、成本低、污染少。
 

　　此外，從鈦鐵礦(Fe0·TiO?)中提取鈦白(TiO?)，從薔薇輝石(Mn(Ca)SiO3)中提取SiO?等也屬于此種類型。
 

　　(2)氧化物還原：氧化物的炭熱還原法是古老的方法，至今仍然是從礦石中提取金屬廣泛采用的方法。采用等離子技術(shù)是一種新方法。例如，把氧化鎂在炭等離子弧中氣化，淬冷以后可有60%MgO被還原。將五氧化二鋸與炭按化學當量比作為陽極，在電弧作用下進行反應，可得純度為99.8%金屬鈮。此外還能從氧化鈦、氧化鎢等氧化物中還原出鈦、鎢等純金屬。
 

　　(3)氧化：成功的實例為制取TiO?，由于經(jīng)典的硫酸法消耗大量的硫酸及產(chǎn)生大量廢酸而受到限制，所以用CO與O?燃燒氧化TiCl4。制TiO2。是目前迅速發(fā)展的一種方法，但此法由于燃燒CO而使凈化和循環(huán)復雜化，是其缺點，而用氧等離子體氧化TiCl4，則可克服上述缺點。同樣可在氧等離子體中氧化SiCl4，生產(chǎn)高純SiO?等。
 

　　(4)氮化與炭化：金屬氮化物與炭化物是具有多種特種性能的金屬陶瓷材料?？捎面u粉、鈦粉在氮等離子體中得到TiN及WN?；蛴闷渌显诘入x子體中進行分解及氮化或炭化過程，獲得BN、AlN、SI3N4。和WC，TaC，Sic，ZrC等。
 

　　4.制超細粉末利用等離子弧和等離子焰的高溫條件，可以把任何難熔金屬及其氧化物、氮化物、碳化物等進行蒸發(fā)或者進行化學反應以后加以淬冷條件就能獲得高純度的超細粉末。由于此種物理和化學反應過程均在氣相中進行，它具有下列特點：
 

　　(1)氣相產(chǎn)物通過淬冷后所獲得粉末具有超細的特點，它的顆粒一般均在0.1µ以下，zui小的可達0.001µ，這是一般機械和化學工藝所不能達到的。
 

　　(2)氣相反應易去除雜質(zhì)，尤其是陽離子濃度很低，其它雜質(zhì)也便于后處理，所以產(chǎn)物純度很高。
 

　　(3)高溫氣相反應使生產(chǎn)率大大提高，并降低成本。
 

　　等離子制超細粉末，可以把陶瓷粉末直接注入等離子體中，或作為正體原料放在固定或旋轉(zhuǎn)式爐中，通過等離子焰流后，先化成液膜狀，然后蒸發(fā)再淬冷后得超細粉末，或用其它原料在等離子體中進行裂解或化學反應的同時，淬冷后獲得超細粉末。目前已成功地獲得了W、Mo、Ta、Re、Nb、B、Ti、Zr、V、Co的氧化物、氮化物、碳化物的超細粉末。
 

　　5.在其它方面的應用電弧等離子體作為一種新技術(shù)，它的應用范圍是很廣的。如電弧加熱器可以作為空氣動力和高溫材料研究中的熱風洞；可用來產(chǎn)生大功率激光等。等離子可直接熔制高純石英玻璃、鑿巖、除銹、球化等。隨著我國建設的不斷發(fā)展等離子技術(shù)及其應用領域必將進一步擴大。