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等離子體冷爐床是通過電能轉化為等離子弧的能量轟擊熔化金屬的一種裝置。當電流通過氣體時，使氣體電離，形成等離子弧發出弧光，利用弧光發出的熱量熔煉高度活潑的金屬或合金。等離子體被稱為物質的第四態，是由電子、離子及中性粒子組成。雖然存在正、負電荷，但在整體上等離子體是中性的。形成等離子弧的氣體介質一般用氬氣，因為氬氣的電離功率較小，易于電離，價格比較低廉，在鈦合金熔煉過程中又起到保護的作用。但從熱效率上說，氦氣更是首選的介質，其熔煉速率大約是氬氣的2倍，但目前在國內，氦氣的成本相對要高得多。

普通電弧爐中的電弧也是等離子體，不過其電離程度較低。等離子電熱是電弧電熱的改進和強化。在工業應用上，等離子弧是通過等離子槍實現的。等離子槍由含釷的鎢電極和水冷的等離子槍體組成，實用的等離子槍分為非轉移弧和轉移弧兩種，如圖2-10所示。非轉移弧等離子槍功率較小，在熔煉和鑄造行業中主要采用轉移弧等離子槍。

工業等離子體熔煉爐系統在生產鈦及鎳基合金中應用轉移弧等離子槍（transferred arc plasma).因為這些被熔化的合金都是導電的，使用轉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，因為轉移弧槍僅僅需要一個電極，設備的易損件相對減少和經濟。轉移弧槍有一個比較寬的功率范圍，其功率的范圍是弧長和電流的函數。
在工業應用中，陰極常設計成水冷空心的陰極，工作介質氣體順著陰極高速流入，在負極的鎢棒與正極的工件之間產生等離子弧。空心電極擴大了陰極的工作面，因而增大了氣體的電離度。在橫向，等離子弧在水冷的噴嘴壁和磁場的作用下向中心壓縮變細，從而形成一束能量集中弧柱細長的高溫等離子弧，它比自由電弧具有較好的穩定性、較大的長度和較廣的掃描能力，因而等離子弧在熔煉和鑄造中具有獨特的優勢，比一般電弧溫度高得多。有資料指出，氬弧等離子束中心可達20000℃,而一般電弧最高溫度只到6000~7000℃.此外，這種等離子束的流速很高，為100~500m/s,沖擊到被加熱金屬上，可以使金屬迅速加熱和熔化，這種熱能轉化的過程與普通電弧基本相同，但其截面較小，長度較長，所以稱為壓縮型等離子弧。
等離子槍是等離子體熔煉爐的核心部件，而關鍵是電極的設計和應用，一般分為固定的弧柱和螺旋的弧柱，其中，獲得螺旋型的弧柱是最佳的，這種弧柱更為穩定。
美國Retech公司設計制造的轉移弧等離子槍在長期的生產實踐中得到了廣泛應用。他們設計的得到螺旋型等離子弧的電極實際上是空心的，并且是無氧純銅制造的，簡單原理如圖2-11所示。采用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、氣環和噴嘴。電極和噴嘴直接由水冷卻。氣體通過氣環如何以螺旋的方式進入電極的端部呢？氣環使氬氣或氦氣呈切線方向注入，形成要求的螺旋氣流。而電極是一個帶有盲孔的圓形的管。氣體的螺旋運動在電極的整個內腔伸展至弧

的終端。這種設計有效地提供了200h以上的電極壽命。這種螺旋運動保證了獲得穩定可控的等離子弧柱，并適合于喂入不同形式的原材料，如散料、顆粒狀的或塊狀的原材料。這時弧柱的長短寬窄變化比較大，弧柱能直接打在各種原料上而不發生漂移。
這種螺旋形的等離子弧柱的另一個特點是可以在環境氣壓很寬的范圍內熔化金屬，甚至可以在25~300kPa的環境下維持正常工作。在低于101kPa的條件下操作，可改善熔化的效率，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，特別是那些蒸氣壓高的合金元素。
最后，這種轉移等離子弧的優點是能夠攪拌熔融金屬。攪拌功能使操作者可以有效地混合各種合金元素。在有些情況下，等離子弧和磁場的交互作用可以重新定向熔池的形狀，在重新定向的熔池中，凝固鑄錠的晶粒得到了進一步細化，這是十分有趣和珍奇的物理現象。
攪拌熔融金屬的物理機理是這樣的：在圖2-11中可以看到等離子弧和攪拌線圈磁場的交互作用，磁場是直流線圈產生的，因為熔融金屬是攜帶了從等離子弧過來的電流，在這里電流和磁場正好成90°,這時形成的力造成熔池的運動（即攪拌）。
雖然等離子體熔煉有很多的優點，但是也有它的不足之處。首先，等離子體熔煉的硬件比真空自耗電極電弧熔煉（VAR)或電渣熔煉在機械方面更為復雜，而且等離子槍需要三個方向的運動，而VAR熔煉僅僅是電極的一個方向的運動。此外，由于等離子體熔煉可以在25~300kPa下進行工作，所以其熔煉合金的純度受到所選用的氣體質量的影響，在這方面就不如電子束熔煉，其真空度可達到0.0133Pa或更低。最后，由于等離子體熔煉需要一個連續的氣流，在大規模生產中需要一套氣體的回收裝置，對氦氣或氬氣進行回收。如能實現氣體的回收，則每千克金屬的氣體成本將明顯地下降，這套回收裝置可能達到總設備投資的10%~20%.除了熔煉一拉錠的功能外，等離子體冷爐床也可以實現熔煉一霧化制粉，如圖2-12所示。這是英國伯明翰大學IRC實驗室裝備的等離子體冷爐床的另一種功能。如果把拉錠坩堝改為底注式的坩堝，則可實現離心鑄造的功能。這時底部澆注口的打開靠
大功率的等離子槍來實現，這是北京航空材料研究院裝備的等離子體冷爐床的另一個功能，該設備外觀如圖2-13所示。

等離子體冷爐床熔煉具有以下的優點：
（1)等離子體作為熱源熔煉鈦合金時，等離子槍是在接近大氣壓的惰性氣氛下工作，可以防止A1、Sn、Mn、Cr等高揮發性元素的揮發，可以實現高合金化和復雜合金化鈦合金元素含量的精確控制；而電子束冷爐床必須在高真空條件下熔煉，因此，熔煉含高揮發性元素的鈦合金就比較困難，合金的化學成分無法精確控制。
（2)等離子槍產生的He或Ar等離子束是高速和旋轉的，對熔池內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純度的影響。
（3)等離子體冷爐床熔煉時熔池大、深度相對較深，可以實現熔液的充分擴散。
（4)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，也可以用棒料送入；而電子束爐需要在高真空度下（小于0.1Pa)工作，在熔煉由海綿鈦組成的進料時，因海綿鈦中釋放的氣體會使得真空度下降，無法保證電子束槍的正常工作。

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