电弧等离子体及其应用
一、等离子体的概念：各种物质都是由分子或原子组成的， 而原子则由带正电的原子核和核外带有负电的电子所组成。带负电的电子以一定的轨道不停地围绕若原子核运动。在外层运动着的 电子在外力的作用下（如受热或电磁场的作用）脱离自己固定的轨道而形成自由电子。 这样，原来中性的原子或分子失去电子后就成为带正电的正离子，得到电子的原子或分子就成 为带负电的负离子。所以把由电子、正离子、负离子，中性的分子或原子所组成的而且其中粒子的正电荷与负电荷的总数相等的集合体称之谓等离子体。
二、等离子体的分类
(1) 高温等离子体
(2)低温等离子体
三、等离子体的基本特性
等离子休简单地说就是电离气休，是准中性的带电粒子的集合体。因此具有下列特性：
(1)导电：不仅电子而且还有离子在电磁场的作用下均可形成电流。由千等离子体具有高的导电性，所以当通过大电流时就可形成能址高度集中，温度很高的热源。
(2)磁控，由千等离子体本身是高导体，所以可以用磁场来控制等离子体的运动和改 变等离子体的形状。
(3)气氛可控，改变等离子体的工作气体就可以形成氧化性、中性或还原性的气氛以满足各种工业和技术上的需要。
(4)提供了离子源和光辐射源：它可以作为某些化学反应的中间反应过程的介质和促进某些光化学反应。
四、电弧等离子体的应用
1.在机械工业中的应用
(1)等离子切割，在工业生产中常用的方法是用氧块火焰切割金属。 由于等离子弧具有高温、 能量集中， 吹力大的特点， 而且还可以采用惰性气体保护， 这对切割难熔金属、 有色金属、 非金属材料以及提高切割质量是一种行之有效的办法。
等离子切割的特点为：
(a)能切割任何高熔点金属、 有色金属、 非金属材料， 如不锈钢、 铝、 铜、 钨及其它合金， 并且可以进行大厚度切割。
（b)切割质量高，切缝平整而光洁，切口窄，热影响区小，工件变形小。
（c)切速快、生产效率高。
（2）等离子焊接：由于等离子焊接温度高、能量集中，不需大量焊丝、生产率高、焊接质量好，对焊接过程中各种参数变化敏感小等优点，已日益广泛地应用于生产。例如可用来焊接铝、铜、不锈钢、钨、铝、钛及其合金钢，用等离子焊接的优点为：
（a） 等离子弧的稳定性好，它既可用大电流（如几百安培）来焊接厚板，又可以用小电流（10安培以下）采用细孔径的喷咀来焊接薄板（0.05~1mm）。
（b） 等离子焊弧的穿透力强，在焊接厚度在2.5mm以上的金属时，选择合适的规范参数，使整个工件熔池呈酒杯状，并伴随有小孔效应产生，以保证焊透。
（c）被焊工件热影响区小，工件变形小。据有关资料介绍，焊接同样15mm厚的钢板，氩弧焊角变形是14.09°而等离子焊接只有5.7°。
焊速快，生产率高，易实现自动化以减轻劳动强度。
（3）等离子喷涂：与其它喷涂工艺相比，等离子喷涂具有下列特点：
（a）能熔化各种高熔点、高硬度的金属或合金粉末，以满足对涂层具有各种性能的要求。
（b）由于焰流气氛可控，能保护工件与涂层材料不被氧化，得到纯洁的涂层。
（c）由于喷射速度大，涂层与基体的粘结力和涂层强度较其它方法要高。
（4）等离子粉末堆焊：等离子粉末堆焊与氧炔、手工电弧堆焊相比有下列特点：
（a）熔深小、合金稀释率小，所以堆焊层较薄时就能达到堆焊合金的基本性能，所以大大节省了贵重金属。
（b）热影响区小，保证焊接质量。
（c）表面成型好、加工余量小。
（d）等离子弧具有良好的稳定性和可控性，一次堆焊层厚度可从0.25mm~6mm，一次堆焊宽度可达50~60mm，熔深可控制在0.025~2.5mm之间。
（e)易实现机械化与自动化，以减轻劳动强度。
目前这项新工艺正被应用于石油化工中的高、中压阀门密封面、汽轮机进气阀、内燃机排气阀、矿山机械中铲运机铲刀片、石油工业中砧头、注酸泵柱塞等等。
等离子粉末堆焊尚须进一步改进和研究的问题有大功率、长时期工作的喷枪、小空间内表面堆焊工艺、适合我国情况的合金粉末的研制等等。
2.在冶炼方面的应用
由于等离子体温度高、气氛可控、设备简单等特点，因此它在冶炼方面也已获得一定程度上的应用，特别是在精炼和重熔方面。等离子熔炼常用转移弧型喷枪，工作气用氩。等离子电弧及高温气流快迅加热熔炼炉中的炉料。炉子周围若加电磁搅拌线圈则可加速熔化，并使熔液的温度、成份均匀，等离子熔炼的特点为：
（a）熔炼质量高。由于等离子电弧温度很高，这样，S、P、O及氧化物，硫化物等杂质很易蒸发汽化，达到了精炼的目的，对于重熔来说，其质量甚至能与高频真空炉重熔的质量相比美。
（b)合金元素烧损少。由于熔炼是在氩气气氛中进行，因此合金元素的成份变化不大，烧损的元素也可补充。
（c）设备简单、成本低，熔炼速度快。如熔炼40公斤的合金钢，高频炉须95分钟，等离子炉只须25分钟，比电弧炉熔炼的耗电量也可减少~左右。
（d)由于要采用氩气，因此使等离子熔炼在某些地方的应用受到了一定的限制。
等离子熔炼还能熔炼海绵钛成钛锭、配合精密铸造，可浇出形状复杂的多种精密铸件。
还能处理耐火氧化物及延伸单晶。等离子熔炼炉还可用来化铁以节省焦炭，这也是很有意义的。
目前等离子熔炼炉正在向大容量、大功率发展，要求解决大功率喷枪的问题，由于制造大功率直流电源成本很高，正在进行交流等离子熔炼炉的研究。如果把等离子熔炼与高频感应炉结合起来，有可能实现较优高产量的大熔炼炉。
3.在化工、化治方面的应用等离子技术在化工、化冶方面的应用有广阔的前景，这是因为等离子体在化学反应中有如下的特殊作用：
(a)等离子体提供了一个能量集中，温度很高的反应环境。
（b）等离子体中存在着的大量正负离子，它可作为中间反应过程的介质。
（c）等离子体提供了一个高强度辐射光源，以引起某些光化学反应。
等离子技术在化工、化冶方面的应用，就其反应过程来说，须要经过三个步骤： (i)根据不同化学反应的需要，选择不同的工作气，以形成不同气氛的高温等离子流。
（d)在高温的等离子弧或等离子焰中发生化学反应。
（e)在高温条件下，所生成的希望得到的产品有可能继续分解或转化成其它产物。因此采取急骤冷却——淬冷的办法，使得到的产品迅速地固定下来。淬冷办法运用得是否正确和有效，往往是等离子工艺是否成功的关键问题之一。
等离子技术在化工应用中成功的重要例子是制造乙炔。工业用乙炔的古老的办法是电石法，其缺点是耗电量大，还要与钢争焦炭。后发展了部份氧化法制乙炔，使乙炔的生产成本大为降低，但部份氧化法需制氧机，使它的应用受到一定的限制。因此，电石法制乙炔在各国仍占很大的比例。而采用等离子法制乙炔其优点为：
(a)乙炔产率浓度高可达14~20%，原料利用率高。
（b）对原料适应性强，天然气、石油气、煤油、重油等均可作原料。
（c)设备简单、初投资少。
（d）耗电量比电石法要少。
等离子体在化工中的应用还有合成硝酸、氢氰酸、联氨、制炭黑、臭氧等。
等离子技术在化冶中的应用可能具有更广泛的前景，其应用的可能性分为四个方面
（1）化学裂解：用错英石（ZrO₂·SiO₂)在等离子弧及等离子焰中直接裂解制取高纯氧化错（ZrO₂）粉末是一个典型的实例，有的国家已达到工业生产的规模。过去在电炉中熔炼锆英石，挥发SiO₂后得氧化锆产品，当用等离子体将钻英石直接裂解成ZrO₂和SiO₂时，由于石英具有大的表面积，在淬冷后它能均匀地分布在ZrO2的周围。于是能用廉价的NaoH溶液在低温下浸取，获得高纯度的氧化锆。所以用等离子法制ZrO2的优点是：生产连续，产品质量高、成本低、污染少。
此外，从钛铁矿（Fe0·TiO₂)中提取钛白（TiO₂)，从蔷薇辉石（Mn（Ca)SiO3)中提取SiO₂等也属于此种类型。
（2）氧化物还原：氧化物的炭热还原法是古老的方法，至今仍然是从矿石中提取金属广泛采用的方法。采用等离子技术是一种新方法。例如，把氧化镁在炭等离子弧中气化，淬冷以后可有60%MgO被还原。将五氧化二锯与炭按化学当量比作为阳极，在电弧作用下进行反应，可得纯度为99.8%金属铌。此外还能从氧化钛、氧化钨等氧化物中还原出钛、钨等纯金属。
（3）氧化：成功的实例为制取TiO₂，由于经典的硫酸法消耗大量的硫酸及产生大量废酸而受到限制，所以用CO与O₂燃烧氧化TiCl4。制TiO2。是目前迅速发展的一种方法，但此法由于燃烧CO而使净化和循环复杂化，是其缺点，而用氧等离子体氧化TiCl4，则可克服上述缺点。同样可在氧等离子体中氧化SiCl4，生产高纯SiO₂等。
（4）氮化与炭化：金属氮化物与炭化物是具有多种特种性能的金属陶瓷材料。可用钨粉、钛粉在氮等离子体中得到TiN及WN。或用其它原料在等离子体中进行分解及氮化或炭化过程，获得BN、AlN、SI3N4。和WC，TaC，Sic，ZrC等。
4.制超细粉末利用等离子弧和等离子焰的高温条件，可以把任何难熔金属及其氧化物、氮化物、碳化物等进行蒸发或者进行化学反应以后加以淬冷条件就能获得高纯度的超细粉末。由于此种物理和化学反应过程均在气相中进行，它具有下列特点：
（1)气相产物通过淬冷后所获得粉末具有超细的特点，它的颗粒一般均在0.1µ以下，zui小的可达0.001µ，这是一般机械和化学工艺所不能达到的。
（2）气相反应易去除杂质，尤其是阳离子浓度很低，其它杂质也便于后处理，所以产物纯度很高。
（3）高温气相反应使生产率大大提高，并降低成本。
等离子制超细粉末，可以把陶瓷粉末直接注入等离子体中，或作为正体原料放在固定或旋转式炉中，通过等离子焰流后，先化成液膜状，然后蒸发再淬冷后得超细粉末，或用其它原料在等离子体中进行裂解或化学反应的同时，淬冷后获得超细粉末。目前已成功地获得了W、Mo、Ta、Re、Nb、B、Ti、Zr、V、Co的氧化物、氮化物、碳化物的超细粉末。
5.在其它方面的应用电弧等离子体作为一种新技术，它的应用范围是很广的。如电弧加热器可以作为空气动力和高温材料研究中的热风洞；可用来产生大功率激光等。等离子可直接熔制高纯石英玻璃、凿岩、除锈、球化等。随着我国建设的不断发展等离子技术及其应用领域必将进一步扩大。
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