［技术应用］TECHNICAL APPLICATION等离子体技术在冶金中的应用文 吴 杰 邹振球等离子技术作为一种非常规手段，在冶金、化工、焊接、切割、磁流体发电、微电子态，等离子体可分为平衡态等离子体（Equilibrium）与非平衡态等离子体（Non-thermal equilibrium plasma）。所谓平衡态等离子体其电子温度Te和离子温度Ti相等时，等离子体在宏观上处于热力学平衡状态，因体系温度可达到上万度，故又称之为高温等离子体（Thermal plasma）。当电子温度Te远大于离子温度Ti时，其电子温度可达到10K以上，而离子和中性粒子的温度只有300K ～500K，因此，整个体系的表观温度还是很低，又称之为低温等离子体（Cold plasma）。产生等离子体的方法和途径很多，除自然界本身产生的等离子体外，人为发生的等离子体的方法主要有气体放电法、射线辐射法、光电离法、热电离法和冲击波法等。其中在化工应用中最为常见的是气体放电法。根据所加电场的频率不同，气体放电可分为直流放电、低频放电、高频放电和微波放电等多种类型。根据其放电形式又可以分为汤生、电晕、辉光、弧光和无声(介质阻挡)等离子体等；根据气压可分为低压(辉光、微波等)等离子体和常压(电晕、无声等)等离子体。加工、材料的表面改性等工业领域逐渐得到广泛的应用。等离子体的基本概念1808年，Davy研究稳态直流弧光放电，便开始了对等离子体的科学研究。1879年，Crookes认为等离子体是物质的第四态，1927年I.langmair在研究水银蒸气的离子化状态时最先引入“等离子体”这个术语。等离子体是气体分子受热、电场、辐射等外加能量激发而离解、电离形成的电子、离子、原子、分子、自由基等的集合体，因其正负电荷总量相等而称为等离子体。按等离子体的热力学平衡状等离子体技术 在冶金中的应用１．等离子体技术制备超细金属粉末、金属氧化物粉末。在冶金领域中，高温等离子体技术的应用是最为广泛的。高温等离子体体系温度可达上万度，在通入惰性气体保护的状态下，可以熔炼难熔金属及活跃金属如钨、钼、锆、钛等及其合金，88中国有色金属|2007年11月［技术应用］TECHNICAL APPLICATION也可制取粉末。在通入氧气或清洁空气的状态下，可以制取超细金属氧化物粉末。（１）等离子体技术应用于金属精炼。等离子弧是利用等离子弧作为热源来精炼、熔化金属的一种新型方法。等离子弧与自由电弧不同，属于压缩电弧。自由电弧的阴阳极间的气体放电不受外界因素的约束。当电极间气体放电形成的电弧受到外界气流、器壁、或外磁场的压缩，使弧柱变细，温度更高，能量高度集中时形成压缩电弧。目前得到应用的主要是直流等离子弧，它是用等离子喷对电弧施以压缩而形成的，其特点是：①能量集中，温度高，弧心温度可达24000K～26000K（一般自由电弧为5000K~6000K）；②流速快，最大可达到10m/s；③弧的电压和电流较稳定。（２）等离子体技术制备钠米金属材料。等离子技术制备钠米金属粉末是利用高温等离子体的特点，使金属在惰性气体保护并具备一定负压时，形成金属蒸气，通过控制金属熔融、气化、成核和长大，最终形成钠米粉体。使用该法制得的粉体是无污染的干燥金属粉末，具备优良的表面活性。（３）等离子体技术制备超细金属氧化物粉末。等离子体技术制备超细金属氧化物粉末是近年来一种新型的粉备方法。传统的金属氧化物粉末一般通过湿法、火法工艺制得，普遍存在污染大，粉体颗粒不均匀的弊病。利用等离子体的高温，使金属蒸气在一定温度及压力下与干燥空气接触反应，所形成的粉末颗粒较细，分布均匀。江西铜业集团（贵溪）新材料有限公司是国内首家采用该法生产氧化铋粉体的企业。其生产的Bi2O3粉末物理形态稳定，产品杂质含量低，Bi2O3含量达到99.9%，且粉体粒径符合正态分布，平均体积粒径小于1µm。除了该公司采用的电弧等离子体法外，目前还有微波等离子体法（MC），高频等离子体法（HF）、射频等离子体法（RF），其中微波、射频与高频法制得的粉末纯度更高，粒度更细，但是处理量小，目前难以实现工业化生产。而电弧等离子体法由于其处理量大，可连续定态操作，工业化应用前景较好。２．等离子体表面冶金技术。材料表面改性方法包括化学和物理方法。通常化学方法比较繁琐，且大量应用有毒化学试剂，容易对环境造成污染，对人体也有极大危害。与其相比，等离子表面处理具有以下优点：①等离子体具有更高的温度和能量密度。因此，在等离子体辅助作用下易于产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学变化，活性成分包括紫外和可见光子、电子、离子和自由基；②可以精确地控制表面处理工艺参数；③节省能源；④减少污染。等离子体表面冶金技术是以等离子弧为热源，采用同步送粉的方式，在基体材料表面获得一层均匀致密结合牢固的冶金涂层。实现涂层与金属基体的冶金结合，具有表面冶金结合、成分可调范围大、不需要前期处理、效率高、成本低、冶金层质量好等优点，适合于处理一些既耐冲击又需要耐磨耐腐蚀的金属零件，是一种极有发展前途的金属表面改性处理新技术。目前，很多人在研究等离子束表面冶金过程中熔体的动力学特征，现在已证实在等离子束表面冶金过程中存在由重力、温度梯度和浓度梯度以及表面张力引起的自然对流。同时，等离子束作为导电体，还存在由电磁搅拌、气流吹力和等离子弧冲击力引起的强制对流，以及在凝固界面上原子和分子扩散产生的结晶流或其他的亚运输过程中引起的流动。 存在的问题和建议由于等离子物理学的确立和系统研究较晚，等离子体技术在化学工业中的应用涉及物理学和化学两门学科，对其研究属于交叉学科的前沿课题，以往的研究均将二者剖裂，侧重于自己学科范围内，常常从自身学科需要和知识角度出发来开展研究，所以等离子体在化学工业中的应用基础研究相当缺乏。在前人研究过程中，无论是过程机理还是过程数学模拟都忽略了等离子态微观粒子对宏观颗粒的本质作用，而代以普通传热学与普通流体力学公式再加上缺乏高温条件下的基础物性和动力学数据，而使用现有常温数据外延。因此，目前的研究大多限于实验室规模，还不具有普遍的工业放大应用。结语等离子体技术作为一门新兴学科，在冶金工艺中有着广泛的应用前景，推动等离子体技术的发展，势必引发新的技术，其具有重要的战略意义，由于国内对该技术一般停留在实验室研究阶段，我们应更加关注其工业应用的经验，完善等离子体技术在冶金工业中的应用，促进这门学科的快速发展。（作者单位：江铜集团（贵溪）新材料有限公司）2007年11月|中国有色金属
