等离子冶金理论与进展

等离子冶金理论与进展

李正邦

摘要综述了等离子冶金的理论与进展，着重等离子温度、射流速度及穿透深度计算，分析等离子在金属制备过程中的新应用，并展望其未来。

关键词等离子冶金射流速度穿透深度

Theory and Progress of Plasma Metallurgy

Li Zhengbang

(Central iron & Steel Research Institute, Beijing 100081)

Abstract An overview is presented on theory and progress of plasma metallurgy, including the estimating and calculating of plasma temperature, jet velocity and depth of penetration, the analysis on the recent application of plasma in metal processing and the prospect of the future of plasma metallurgy.

Material Index Plasma Metallurgy, Jet Velocity, Depth of Penetration

等离子弧可将电能转换成热能，形成高温热源。如予以原子和分子足够能量，电子可脱离原子核形成自由电子，而原子则成为正离子，电离达到一定程度，呈现明显的电磁特性，它就成为区别于物质固体、液体和气体的物质第四态—等离子体。由于等离子体的自由电子负电荷与正离子正电荷总量相等，电特性呈中性，虽然1928年美国人爱安格纽尔(J.Iangmuir)用希腊单词Plasma定名，而译成中文时，仍按物理意义定名为“等离子”。

等离子技术已成功地应用于焊接、切割及喷涂，目前正应用于磁流体发电、核聚变及半导体蚀刻等尖端技术的开发。

斯泽克里(J.Szekely)［1］认为等离子作为冶金热源的主要特点为：(1) 高温(5 000～30 000 K)；(2) 能量高度集中；(3) 离子化状态；(4) 离子流速度快(100～500 m/s)。

1 等离子的理论研究

要进一步降低电耗，提高枪及炉体寿命，必须进行模拟实验，研究等离子体中电磁学、热传递、能量转换及流体流动等现象。因为只有透彻地了解传输过程及气固反应系统，系统研究等离子条件下热力学性质，测得准确的传输系数，才能设计最佳的枪和炉体，合理扩大炉容量，提高冶金质量。

1.1 等离子体特性的理论研究方法

描述和表示等离子特性的方法有3种：等离子物理、磁流体力学及经验渐进线关系：

(1) 等离子物理。以物质的动力学理论为基础，用分布函数描述等离子系统中电磁现象，热现象以及流体流动现象。通常分别对电子和离子写独立的方程。在教学用书中［2～4］对此基本方法有详细的讨论。这些分布方程的复杂妨碍了它们对处理工程类问题的应用。

(2) 磁流体力学。采用MHD近似将等离子区域作为导电介质对待，其传导性取决于温度。将问题通过麦克斯韦(Maxwell)方程(计算电磁场)、欧姆定律(计算电流分布和发热模式)、紊流的内维尔-斯托克斯(Navier-Storcs)方程(计算速度场)以及不同的热能平衡方程(计算温度分布)表示，采用迭代的方法对不同方程进行数值求解［5～8］。这一方法虽然也复杂，但在许多情况下可以认为是合理的折衷方法。

(3) 经验渐进线关系。包括在MHD近似的应用中的近似计算方法需要使用计算机。在类似IBM 370系统的计算机上需要运算50～200s.为了评价等离子体系统的一些特殊性质，可以使用稍微简单一些渐进线表达，借助简单的代数式表达描述等离子体行为的一些情况，但不能得出用MHD方法所获得更精确的理解。

1.2 等离子体电弧的一些特性

1.2.1 最大等离子速度

非粘滞性等离子体中最大速度可由曼欧克(Meaecker)方程［9］求出：

(1)

式中r c——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u max：

(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)

u z=-az (8)

式中a——常数；

z,r——轴向和径向坐标；

u z，u r——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u c，可直接由下式得出穿透深度H0：