等离子冶金理论与进展Word文档下载推荐.docx
- 文档编号:19444218
- 上传时间:2023-01-06
- 格式:DOCX
- 页数:12
- 大小:51.84KB
等离子冶金理论与进展Word文档下载推荐.docx
《等离子冶金理论与进展Word文档下载推荐.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《等离子冶金理论与进展Word文档下载推荐.docx(12页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
(1)
式中 rc——阴极半径;
J0——所施加的电弧电流密度;
ρ——等离子体电弧的电流密度;
u0——离子流速度。
施伊克(Schoeck)[10]和埃克(Ecker)[11]采用了更精确的方法,他们假定一抛物线电流密度分布,即:
(2)
式中 r0——电流传导带的外半径。
对于这些条件,可给出umax:
(3)
1.2.2 最大等离子体温度
若假定来自阴极的全部热损失主要是辐射、自由电子辐射等,冷却的影响忽略不计,把给予阴极的能量用于产生总电流I和阴极电压降U0,有以下近似方程[11]:
IU0=AσT4 (4)
式中 σ——斯蒂芬-玻尔兹曼常数;
A——阴极面积
T——温度
整理4式得到:
(5)
于是,只要知道总电流I、阴极压降和阴极面积A,就可计算出最高等离子体温度。
1.2.3 电弧反压力和等离子喷射流冲击区
总反压力P即冲量强度或阴极上的反向力,由曼欧克(Maecker)[9]给出:
(6)
式中 r——由阳极测量的电弧半径。
在许多情况下,主要兴趣在于研究冲击在固体或熔化表面上的等离子射流带。
对于固体阳极轴对称的非粘滞性等离子射流的速度分量近似为:
(7)
uz=-az (8)
式中 a——常数;
z,r——轴向和径向坐标;
uz,ur——轴向和径向速度分量。
对于液体阳极,借助于空腔底部能量平衡,能够将在液体熔池中的穿透深度与射流动量联系起来(图1)[12]。
若已知液体表面附近的射流速度uc,可直接由下式得出穿透深度H0:
图1 射落到金属熔池上的等离子体射流
Fig.1 Schematicofplasmaofajetimpingingintomoltenmetalpool
(9)
式中 ρ——液体密度;
ρg——气体密度。
ut=Cu0/2
式中 u0——阴极附近速度;
C——对于动量转换是一纯系数。
2 等离子技术的发展
等离子技术处于现代科技前沿,等离子技术在冶金中应用正处于发展阶段,从80年代技术推进来看,有以下值得重视的新动向。
2.1 等离子熔融还原
2.1.1 瑞典SKF公司Plasmared工艺[12]
用等离子焰裂解自然气体或LPG产生还原气体,将细粉末矿还原成海绵铁,最近该公司用Plasmared工艺生产海绵铁的产量由原3万t/a,上升到7万t/a。
2.1.2 Plasmamelt(等离子熔炼)法
等离子竖炉熔炼法如图2所示。
图2 等离子熔融还原示意图
Fig.2 Schematicofplasmasmeltingreduction
它是由高炉式的煤气化炉、还原粉矿的熔化炉和利用产生气体的流化床还原装置所组成,由瑞典SKF公司开发成功。
其特点是使用的煤无需选择。
本法于1972年在SKF霍夫斯(Hofors)厂着手研究,1981年以来对1.5MW燃烧器和0.5~1.0t/h的半工业性试验装置进行了试验。
该法先在炉内装满20~60mm焦炭块,然后由风口将高温还原铁(还原率80%)、还原剂煤、等离子化了的循环气(占全气化量的20%)吹入,实现还原铁的熔化和煤气化。
2.1.3 比利时研究协会鼓风加热工艺[13]
使用鼓风加热,随着高炉能量的增加,生产率也提高。
但常规加热空气已达到极限,在每个风口处用等离子喷嘴吹煤粉及还原气体,能提高高炉生产率。
2.1.4 美国宾西法尼亚州伯利恒(Bethlehem)钢铁公司炼钒铁[14]
伯利恒(Bethlehem)公司麦克李(D.R.McRee)等用功率1000kW转移式等离子电弧炉还原氧化铁生产粗钢,还原精选钒矿生产钒铁。
2.1.5 日本北原的等离子熔融还原工艺[15]
北原宜泰等为了使流态化所得到的预还原矿粉能最终还原,采用H2+Ar气等离子弧使预还原矿粉迅速熔化和熔融还原。
还在铬矿未还原及半还原球团中添加焦炭作还原剂,用Ar气等离子熔融还原,初步试验得到含铬18%的粗钢。
2.2 活性金属等离子熔炼
2.2.1 铬的熔炼[16,17]
铬是难以采用真空熔炼的金属,采用等离子熔炼铬,以脱氧脱硫。
以电解铬为原料,用图3所示等离子渣壳熔铸炉进行渣壳熔炼。
为了提高碱度脱硫,以CaO为基本熔剂,另加入铝以脱氧,而CaO对铝脱氧产物Al2O3有共晶点,具有造渣条件。
按铬的质量大小加入3%CaO,1%Al的混合剂,获得渣成分接近于70%CaO-30%Al2O3。
对加熔剂精炼铬和不加熔剂只熔化的铬,熔炼条件见表1,产品化学成分见表2。
由表2可见,等离子渣壳熔铸炉加熔剂精炼铬,脱硫率达65.2%,脱氧率达87.2%,冶金质量良好。
图3 等离子渣壳熔铸炉
Fig.3 Plasmaslagshellfurnace
表1 铬的等离子熔炼条件
Table1 ConditionforplasmameltingCr
熔剂使用
等离子输出
功率/kW
原料装入
量/kg
熔炼时间
/s
一次出钢量
/kg
不加熔剂
加熔剂
280
252
25
27
840
11.4
10.7
表2 等离子熔炼铬的化学成分/%
Table2 ChemicalcompositionsofCrmeltingbyplasma/%
熔炼条件
S
O
C
Al
Fe
原料铬
0.023
0.4~0.5
0.017
0.004
0.13
炼铬加熔剂
0.005~
0.011
0.038~
0.077
0.013~
0.021
0.16~
0.36
0.13~
0.16
炼铬不加熔剂
0.31~0.41
2.2.2 钛的熔炼[16,17]
钛是活性金属,通常用真空熔炼法制成钛锭。
将海绵钛压成电极,经一次真空电弧重熔(VAR)得到粗钛锭,再将粗锭经二次真空电弧重熔。
在等离子电弧重熔炉PAR内连续抽锭,可直接用海绵钛和废钛屑作原料连续熔炼铸造,一次熔炼成钛锭,对优质钛锭最好采取一次真空电弧重熔(VAR)。
表3系PAR、PAR+VAR及VAR+VAR熔炼钛锭微量元素测定结果。
表3 不同方法熔炼钛锭微量元素测定结果/×
10-6
Table3 AnalysisofmicroelementsinTiingotmeltingbydifferentmethod/×
熔炼工艺
W
Cu
Ca
Mn
Zn
As
Sn
Sb
Pb
PAR
PAR+VAR
VAR+VAR
<2
63~110
82~85
53~140
18~28
12~33
10~17
43~83
38~76
29~47
90~98
85~90
90~110
590~950
600~900
470~700
2.0~4.1
2.9~8.1
4.6~7.2
160~330
190~490
16~22
5.1~14
5.8~16
3.1~4.2
1.8~4.1
1.0~4.2
2.2.3 锆的熔炼[16,17]
锆的熔炼方法与钛大致相同(表4)。
表4 等离子渣壳熔铸炉和真空电弧熔炼锆分析结果/%
Table4 AnalysisofresidualelementsinZringotbyplasmaslagshellfurnaceandvacuumarcmelting/%
研究金属
Cr
N
Mg
H
B550ASTMG-702
海绵锆
PPC锭C2105P
PPC锭C2106P
VAM锭底部
0.014
<0.02
≤0.20
0.07
0.12
0.14
≤0.05
0.009
0.008
0.013
≤0.025
0.0034
0.005
0.006
<0.003
<0.005
0.007
0.199
0.164
0.162
0.188
≤0.005
0.0051
0.0044
0.0028
0.0017
图3所示等离子渣壳熔铸炉对活性金属进行过渣壳冶炼,然后在熔炼室内倾动渣壳坩埚,浇入熔炼室内配置的铸模中便可得到铸锭。
2.2.4 新型特种合金的熔炼[16]
新型特种合金包括:
Ti系、Zr系储氢合金,NiTi形状记忆合金,Ni-Ti系超导合金等。
采用等离子弧熔炼,不仅温度高,能量集中,无污染,而且重熔可以精确控制成分。
日本科学技术厅正在推行的“风力-热能利用计划”,变风力为热能试验采用Fe-Ti-O系储氢合金,表5是利用等离子渣壳熔铸炉配加海绵钛、电解铁以及氧化铁(氧来源)炼制合金的结果。
在此基础上连续熔炼23炉Fe-Ti-O合金,合金特性列于表6。
由表可见,化学成分及储氢与吸氢特性全面满足要求。
Ti-Mn系合金(例如TiMn1.5)也得到同样的结果。
在真空熔炼中难于控制的锰含量,而在接近0.1MPa气氛下等离子熔炼很容易控制”。
熔炼TiMn1.5合金,采用等离子渣壳熔炼,用海绵钛和电解锰作原料,所得到的成分分析和目标值相差很小。
除二元系外,同样可以熔炼Ti-Mn-X三元系或Ti-Mn-X-Y四元系。
由于Ni-Ti形状记忆合金要求严格控制成分,采用等离子渣壳炉最合适。
配入不定形料或返回料,在等离子渣壳炉熔炼和铸锭,为了真空精炼及改善铸锭结晶,往往采用真空电弧重熔(VAR),再次重熔。
表5 等离子渣壳熔铸炉熔炼Fe-Ti-O合金
Table5 Fe-Ti-Oalloymeltingbyplasmaslagshellfurnace
熔炼号
结果
Ti
原料配比
海绵钛
电解铁
三氧化
二铁
C4709
目标值
铸锭分析
48.64
48.95
51.15
50.92
0.124
0.220
51.36
48.61
0.034
C4711
48.04
50.42
51.29
49.29
0.587
0.487
51.49
46.84
1.66
表6 批量生产的Fe-Ti-O合金的特性
Table6 CharacteristicsofFe-Ti-Oalloybatch-produced
化学成分/%
吸氢特性
元素
规格
平均值
σ
项 目
48.7~50.8
49.1~51.2
0.26~0.42
49.55
50.33
0.33
0.34
0.35
0.016
吸氢量/m3
初期氢化时间/min
水浸后氢化时间/min
>170×
<6
<21.6
188×
2.76
3.9
8×
1.02
1.5
2.3 等离子弧制取超细粉末[18,19]
日本金属材料技术研究所宇田雅广等研究利用等离子气体作为富有反应活性的气体来处理金属使之超细化。
金属超细粉末,如铂黑是重要的触媒,到目前为止采取各种物理及化学方法制取尚未找到一种效率高、成本低、能大量生产金属超细粉末技术。
宇田雅广等制取超细粉末的原理是,在含氢的惰性气体中用电弧将金属熔化,熔化金属和原子氢及分子氢更容易溶解,即有大量溶入形成过饱和状态,过饱和溶解氢成分子状态,释放到非弧相气氛中,由于强烈的蒸发作用,得到金属超细粉末。
在等离子熔炼炉上安装一个超细粉末捕集器收集超细粉末。
这一工艺在密封熔炼室内进行,不消耗氢气,氢起触媒作用。
2.4 连铸中间包加热钢水技术[12,20~22]
随世界连铸比不断增大,连铸技术不断完善,为补偿连铸过程热损失,防止水口冻结及中间包结壳,不得不提高出钢温度,然而转炉每提高出钢温度10℃,炉衬寿命降低100炉左右。
为确保连铸质量,要求准确控制中间包温度。
温度过高,铸坯中心偏析严重,柱状晶发达,中间等轴晶区减少,拉漏危险增大,不得不降低拉速,势必降低生产率。
温度过低,钢水流动差,夹杂物上浮困难,易发生凝钢,严重时钢水报废。
80年代中期,冶金工作者对中间包采用感应加热、电渣加热、直流电磁加热及等离子加热等手段。
其中,以等离子加热最成熟,目前在美国、日本、英国、德国已得到应用,国内武汉钢铁(集团)公司、马鞍山钢铁(集团)公司、唐山钢铁(集团)公司、衡阳钢管厂均引进设备投入生产。
其加热原理是,气体通过电弧时吸收能量,同时由分子或原子变成导电离子流。
离子流复原时,即放出能量,形成高温流体,等离子炉下端温度可达8000℃,用以对中间包加热。
按所使用的电流及电极设计的不同,可分为直流型、交流型、转移型及非转移型等离子加热。
在直流电弧中,阳极和阴极的性能是稳定的。
在交流电弧中,阳极和阴极随电流交变无阳极保护问题。
转移式只有一根电极,另一根在熔池底部与钢相连。
非转移式等离子两根电极均在等离子枪内,对枪寿命不利,目前绝大多数厂家使用转移型等离子加热。
查普曼(C.Chapman)等人报道[12],采用等离子加热后,中间包钢液可在±
5℃以内,使出钢温度降低10~20℃,节能4kWh/t。
伊瑞它里(H.Iritani)等人[20]研究表明,采用氩气作为等离子介质,钢中增氮仅0.0005%,同样可炼出低氮钢。
新日铁广岫厂在生产中采用直流转移等离子加热装置[23],使钢水温度波动控制在±
2℃以内,减少了氧铝夹杂物,热效率达80%。
日本东京NKK京滨一台中间包等离子加热器[22],功率1.4MW的直流等离子系统,通过PID控制,使钢水温度控制在±
1℃以内,使铸坯中心偏析大大减轻。
PID系统见图4。
日本神户加古川厂采用交流转移等离子加热装置,可将钢水温度控制在±
5℃以内,热效率65%[21],中间包热状态下重复使用200次。
降低了耐火材料的消耗。
图4 日本NKK公司中间包等离子加热PID系统
Fig.4 PIDsystemwithplasmaheatingtundishatNKK
中间包等离子加热的特点如下:
(1)采用惰性气体作工作气体,不会污染钢液;
(2)用于钢水的加热保温,过程简单,操作灵活,温度控制准确,升温速度快;
(3)促进夹杂物上浮,改善铸坯质量;
(4)热效率降低,等离子枪寿命待提高,钢水温度分布不够均匀及噪音问题有待解决。
3 等离子冶金未来的展望
等离子弧作为热源在冶金领域已获得局部应用,显示了它在技术上的潜在优势。
只有当等离子冶金成本低于传统工艺成本时,等离子冶金才能在工业上形成生产力,无疑等离子冶金用于大规模生产只是时间问题,预计在21世纪初将有重大突破。
最近,世界各先进工业国都致力于研究等离子冶金,一些国外第一流学者的注意力都转向研究等离子冶金,如美国斯泽克里(J.Szekely)教授、巴特(G.K.Bhat)博士、乌克兰巴顿(Б.Е.патон)院士、日本的宇田雅广博士等。
作者认为发展等离子冶金的关键是充分发挥等离子弧作为冶金热源的潜在优势,具体为:
(1)能量集中,温度高,熔化速度快,可以提高生产率。
(2)在高温下,高速等离子流对气-固-液相反应热力学条件有利。
(3)可根据工作需要选择气体,如用还原性气体(H2、CO、烃、烷),可脱氧使铸锭不留脱氧产物。
用氮气作工作气体合金可增氮,用氩气作工作气体合金可脱氧、脱气。
(4)工作时电弧稳定,噪音小,电流及电压波动小,功率调节方便,范围广。
(5)在惰性气体保护下合金烧损相当小,合金收得高,适合于熔炼活性金属。
(6)在高温等离子弧作用下S、P、Pb、Sb、Be、Sn、As等杂质易挥发。
(7)等离子弧温度高,适应于熔炼W、Mo、Re、Ta、Zr及其合金。
(8)等离子弧温度高,有利于脱碳反应,不用石墨电极可防止增碳。
(9)由于等离子弧调整范围广,输入功率和金属熔速无直接关系,重熔可以控制金属凝固,制取单晶体。
(10)等离子枪的工作气体可兼作喷粉运载气体进行喷粉,强化冶炼过程。
作者简介:
李正邦,北京钢铁研究总院教授,博士生导师,中国电渣冶金协会主席。
1958年哈尔滨工业大学毕业,主要研究成果和领域:
工业电渣炉设计,电渣重熔机理和技术,模具钢和高速钢,获国家发明奖3项。
专著:
电渣熔铸(1981)。
作者单位:
钢铁研究总院,北京100081
参考文献
1 ChangCW.Szekely,J.JournalofMetals1982,
(2):
57
2 ChenPF.IntroductiontoPlasmaPhysics,PlenumPress,NewYork,1974
3 BoydTJ.SandersonJ.PlasmaDynamc,BarnesandNoble,NewYork,1970
4 ShoetJL.ThePlasmaStates,AcademicPress,NewYork1971
5 UshioM.SzekelyT.ChangCW.IronmakingandSteelmaking,1981,(8):
279
6 SzekelyJ.FluidFlowAspectsofMetalsProcessing,AcademicPress,NewYork,1979
7 ChangCW.SzekelyJ.TransportphenomenainthePlasmaArc,Dept,ofMaterialsSciencesandEngineeringMIT,August,1979,ProgressReporttotheUSDOE.
8 SzekelyJ.MckelligetJ.Proc,3rdInternationalArcFurnaceConference,Hungary,1981
9 MaeckerH.Z.Phys.,1955,(141):
198
10 SchoeckPA.ModernDevelopmentsinHeatTransfer,AcademicPress,NewYork,1963:
353
11 EckertERG.PfenderE.AdvancesinHeatTransfer,AcademicPress,NewYork,1967
12 ChapmanC.CIMBULLETIN,NO.132
13 西田礼次郎,熔态还原技术
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 等离子 冶金 理论 进展