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電弧等離子體及其應用
電弧等離子體及其應用
一、等離子體的概念：各種物質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電的電子所組成。帶負電的電子以一定的軌道不停地圍繞若原子核運動。在外層運動著的 電子在外力的作用下（如受熱或電磁場的作用）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 為帶負電的負離子。所以把由電子、正離子、負離子，中性的分子或原子所組成的而且其中粒子的正電荷與負電荷的總數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
等離子休簡單地說就是電離氣休，是準中性的帶電粒子的集合體。因此具有下列特性：
(1)導電：不僅電子而且還有離子在電磁場的作用下均可形成電流。由千等離子體具有高的導電性，所以當通過大電流時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體，所以可以用磁場來控制等離子體的運動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和技術上的需要。
(4)提供了離子源和光輻射源：它可以作為某些化學反應的中間反應過程的介質和促進某些光化學反應。
四、電弧等離子體的應用
1.在機械工業中的應用
(1)等離子切割，在工業生產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)切割質量高，切縫平整而光潔，切口窄，熱影響區小，工件變形小。
（c)切速快、生產效率高。
（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、生產率高、焊接質量好，對焊接過程中各種參數變化敏感小等優點，已日益廣泛地應用于生產。例如可用來焊接鋁、銅、不銹鋼、鎢、鋁、鈦及其合金鋼，用等離子焊接的優點為：
（a） 等離子弧的穩定性好，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，選擇合適的規范參數，使整個工件熔池呈酒杯狀，并伴隨有小孔效應產生，以保證焊透。
（c）被焊工件熱影響區小，工件變形小。據有關資料介紹，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，生產率高，易實現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，所以大大節省了貴重金屬。
（b）熱影響區小，保證焊接質量。
（c）表面成型好、加工余量小。
（d）等離子弧具有良好的穩定性和可控性，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、內燃機排氣閥、礦山機械中鏟運機鏟刀片、石油工業中砧頭、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，硫化物等雜質很易蒸發汽化，達到了精煉的目的，對于重熔來說，其質量甚至能與高頻真空爐重熔的質量相比美。
（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合起來，有可能實現較優高產量的大熔煉爐。
3.在化工、化治方面的應用等離子技術在化工、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。
（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。
等離子技術在化工、化冶方面的應用，就其反應過程來說，須要經過三個步驟： (i)根據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生化學反應。
（e)在高溫條件下，所生成的希望得到的產品有可能繼續分解或轉化成其它產物。因此采取急驟冷卻——淬冷的辦法，使得到的產品迅速地固定下來。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鍵問題。
等離子技術在化工應用中成功的重要例子是制造乙炔。工業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。后發展了部份氧化法制乙炔，使乙炔的生產成本大為降低，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點為：
(a)乙炔產率濃度高可達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、聯氨、制炭黑、臭氧等。
等離子技術在化冶中的應用可能具有廣泛的前景，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，有的已達到工業生產的規模。過去在電爐中熔煉鋯英石，揮發SiO?后得氧化鋯產品，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的優點是：生產連續，產量高、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?，由于經典的硫酸法消耗大量的硫酸及產生大量廢酸而受到限制，所以用CO與O?燃燒氧化TiCl4。制TiO2。是目前迅速發展的一種方法，但此法由于燃燒CO而使凈化和循環復雜化，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，尤其是陽離子濃度很低，其它雜質也便于后處理，所以產物純度很高。
（3）高溫氣相反應使生產率大大提高，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式爐中，通過等離子焰流后，先化成液膜狀，然后蒸發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，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展等離子技術及其應用領域必將進一步擴大。