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電弧等離子體及其應(yīng)用

一、等離子體的概念：各種物質(zhì)都是由分子或原子組成的， 而原子則由帶正電的原子核和核外帶有負(fù)電的電子所組成。帶負(fù)電的電子以一定的軌道不停地圍繞若原子核運(yùn)動(dòng)。在外層運(yùn)動(dòng)著的 電子在外力的作用下（如受熱或電磁場(chǎng)的作用）脫離自己固定的軌道而形成自由電子。 這樣，原來中性的原子或分子失去電子后就成為帶正電的正離子，得到電子的原子或分子就成 為帶負(fù)電的負(fù)離子。所以把由電子、正離子、負(fù)離子，中性的分子或原子所組成的而且其中粒子的正電荷與負(fù)電荷的總數(shù)相等的集合體稱之謂等離子體。

二、等離子體的分類

(1) 高溫等離子體

(2)低溫等離子體

三、等離子體的基本特性

等離子休簡(jiǎn)單地說就是電離氣休，是準(zhǔn)中性的帶電粒子的集合體。因此具有下列特性：

(1)導(dǎo)電：不僅電子而且還有離子在電磁場(chǎng)的作用下均可形成電流。由千等離子體具有高的導(dǎo)電性，所以當(dāng)通過大電流時(shí)就可形成能址高度集中，溫度很高的熱源。

(2)磁控，由千等離子體本身是高導(dǎo)體，所以可以用磁場(chǎng)來控制等離子體的運(yùn)動(dòng)和改變等離子體的形狀。

(3)氣氛可控，改變等離子體的工作氣體就可以形成氧化性、中性或還原性的氣氛以滿足各種工業(yè)和技術(shù)上的需要。

(4)提供了離子源和光輻射源：它可以作為某些化學(xué)反應(yīng)的中間反應(yīng)過程的介質(zhì)和促進(jìn)某些光化學(xué)反應(yīng)。

四、電弧等離子體的應(yīng)用

1.在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)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(diǎn)， 而且還可以采用惰性氣體保護(hù)， 這對(duì)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(diǎn)為：

   (a)能切割任何高熔點(diǎn)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(jìn)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(duì)焊接過程中各種參數(shù)變化敏感小等優(yōu)點(diǎn)，已日益廣泛地應(yīng)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(diǎn)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(xì)孔徑的噴咀來焊接薄板（0.05~1mm）。

   （b） 等離子焊弧的穿透力強(qiáng)，在焊接厚度在2.5mm以上的金屬時(shí)，選擇合適的規(guī)范參數(shù)，使整個(gè)工件熔池呈酒杯狀，并伴隨有小孔效應(yīng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化以減輕勞動(dòng)強(qiáng)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(diǎn)：

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

    （b）由于焰流氣氛可控，能保護(hù)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(qiáng)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(diǎn)：

（a）熔深小、合金稀釋率小，所以堆焊層較薄時(shí)就能達(dá)到堆焊合金的基本，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(dá)50~60mm，熔深可控制在0.025~2.5mm之間。

 （e)易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

    目前這項(xiàng)新工藝正被應(yīng)用于石油化工中的高、中壓閥門密封面、汽輪機(jī)進(jìn)氣閥、內(nèi)燃機(jī)排氣閥、礦山機(jī)械中鏟運(yùn)機(jī)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(jìn)一步改進(jìn)和研究的問題有大功率、長(zhǎng)時(shí)期工作的噴槍、小空間內(nèi)表面堆焊工藝、適合我國(guó)情況的合金粉末的研制等等。

    2.在冶煉方面的應(yīng)用

由于等離子體溫度高、氣氛可控、設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因此它在冶煉方面也已獲得一定程度上的應(yīng)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(diǎn)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(dá)到了精煉的目的，對(duì)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?zé)龘p少。由于熔煉是在氬氣氣氛中進(jìn)行，因此合金元素的成份變化不大，燒損的元素也可補(bǔ)充。

    （c）設(shè)備簡(jiǎn)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(yīng)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(fù)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(jìn)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(yīng)爐結(jié)合起來，有可能實(shí)現(xiàn)較優(yōu)高產(chǎn)量的大熔煉爐。

   3.在化工、化治方面的應(yīng)用等離子技術(shù)在化工、化冶方面的應(yīng)用有廣闊的前景，這是因?yàn)榈入x子體在化學(xué)反應(yīng)中有如下的特殊作用：

  (a)等離子體提供了一個(gè)能量集中，溫度很高的反應(yīng)環(huán)境。

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

（c）等離子體提供了一個(gè)高強(qiáng)度輻射光源，以引起某些光化學(xué)反應(yīng)。

    等離子技術(shù)在化工、化冶方面的應(yīng)用，就其反應(yīng)過程來說，須要經(jīng)過三個(gè)步驟： (i)根據(jù)不同化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)。

 （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(yùn)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。 

等離子技術(shù)在化工應(yīng)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(diǎn)是耗電量大，還要與鋼爭(zhēng)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(jī)，使它的應(yīng)用受到一定的限制。因此，電石法制乙炔在各國(guó)仍占很大的比例。而采用等離子法制乙炔其優(yōu)點(diǎn)為：

    (a)乙炔產(chǎn)率濃度高可達(dá)14~20%，原料利用率高。

 （b）對(duì)原料適應(yīng)性強(qiáng)，天然氣、石油氣、煤油、重油等均可作原料。

 （c)設(shè)備簡(jiǎn)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(yīng)用還有合成硝酸、聯(lián)氨、制炭黑、臭氧等。

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

（1）化學(xué)裂解：用錯(cuò)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(cuò)（ZrO?）粉末是一個(gè)典型的實(shí)例，有的已達(dá)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(dāng)用等離子體將鉆英石直接裂解成ZrO?和SiO?時(shí)，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(jià)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(diǎn)是：生產(chǎn)連續(xù)，產(chǎn)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?gòu)V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(xué)當(dāng)量比作為陽極，在電弧作用下進(jìn)行反應(yīng)，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(shí)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(fù)雜化，是其缺點(diǎn)，而用氧等離子體氧化TiCl4，則可克服上述缺點(diǎn)。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的金屬陶瓷材料。可用鎢粉、鈦粉在氮等離子體中得到TiN及WN。或用其它原料在等離子體中進(jìn)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(xì)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(jìn)行蒸發(fā)或者進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以后加以淬冷條件就能獲得高純度的超細(xì)粉末。由于此種物理和化學(xué)反應(yīng)過程均在氣相中進(jìn)行，它具有下列特點(diǎn)：

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

（2）氣相反應(yīng)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(yīng)使生產(chǎn)率大大提高，并降低成本。

    等離子制超細(xì)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(xì)粉末，或用其它原料在等離子體中進(jìn)行裂解或化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，淬冷后獲得超細(xì)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(xì)粉末。

    5.在其它方面的應(yīng)用電弧等離子體作為一種新技術(shù)，它的應(yīng)用范圍是很廣的。如電弧加熱器可以作為空氣動(dòng)力和高溫材料研究中的熱風(fēng)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(guó)建設(shè)的不斷發(fā)展等離子技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域必將進(jìn)一步擴(kuò)大。