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電弧等離子體的應(yīng)用

2020年02月21日 15:09:19人氣:2781來源:北京華測試驗儀器有限公司

  電弧等離子體的應(yīng)用
 
  1.在機械工業(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, 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(zhì)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(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,對焊接過程中各種參數(shù)變化敏感小等優(yōu)點,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,在焊接厚度在2.5mm以上的金屬時,選擇合適的規(guī)范參數(shù),使整個工件熔池呈酒杯狀,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,易實現(xiàn)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性能的要求。
 
  (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(jié)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(dá)到堆焊合金的基本性能,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)易實現(xiàn)機械化與自動化,以減輕勞動強度。
 
  目前這項新工藝正被應(yīng)用于石油化工中的高、中壓閥門密封面、汽輪機進(jìn)氣閥、內(nèi)燃機排氣閥、礦山機械中鏟運機鏟刀片、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、長時期工作的噴槍、小空間內(nèi)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(yīng)用
 
  由于等離子體溫度高、氣氛可控、設(shè)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(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,燒損的元素也可補充。
 
  (c)設(shè)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(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,這是因為等離子體在化學(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高強度輻射光源,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)鍵問題之一。
 
  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,其缺點是耗電量大,還要與鋼爭焦炭。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,使它的應(yīng)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(yōu)點為:
 
  (a)乙炔產(chǎn)率濃度高可達(dá)14~20%,原料利用率高。
 
  (b)對原料適應(yīng)性強,天然氣、石油氣、煤油、重油等均可作原料。
 
  (c)設(shè)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(yīng)用還有合成硝酸、qing氰酸、聯(lián)氨、制炭黑、臭氧等。
 
  等離子技術(shù)在化冶中的應(yīng)用可能具有更廣泛的前景,其應(yīng)用的可能性分為四個方面
 
  (1)化學(xué)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(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,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(yōu)點是:生產(chǎn)連續(xù),產(chǎn)品質(zhì)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(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,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(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性能的金屬陶瓷材料。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:
 
  (1)氣相產(chǎn)物通過淬冷后所獲得粉末具有超細(xì)的特點,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,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)一步擴大。
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