6.1 等离子熔炼的特点
等离子体是一种强有力的高温热源，它不仅广泛地用于焊接、切割、喷涂、化工以及宇航事业的某些试验，而且还用于冶金工业，即等离子体熔炼。
等离子体熔炼，就是利用等离子弧作为热源，既可熔炼金属材料，又可熔化非金属材料。在60年代初应用到冶金领域，主要用于金属材料的精炼以及熔炼高纯度和特殊性能的钢与合金，尤其是高温合金和精密合金的生产。
等离子弧具有以下特点：
1) 等离子弧的温度高。
2) 等离子弧的导电能力强
3) 等离子弧的流速高。
等离子熔炼炉不仅能生产合金钢与合金，而且还能熔炼一些难熔的金属和活泼金属，如W、Mo、Nb、Ta、Zr、Ti等。这种设备之所以在技术上得到不断改进与提高，发展十分迅速，而且在经济上有很强的生命力，是因为它具有如下优点：
(1) 熔化速度快，热效率高。
(2) 去除气体和非金属夹杂物较充分。
(3) 合金元素烧损小。
(4) 工作电流、电压稳定。
(5) 可以在不同的气氛、压力下工作。等离子熔炼时，根据不同工艺要求，炉内可选用不同压力以及不同的气氛(如还原性、惰性等)。
(6) 可造渣精炼。等离子炉不仅可采用精料熔炼，而且还可以利用粗料，甚至硫含量较高的炉料。
(7) 避免增碳的可能性。
(8)元素蒸发量较小。等离子熔炼与其他几种熔炼方法(如真空电弧熔炼、真空感应熔炼以及电子束熔炼等)不同之处是在：熔池上方有气氛压力，因而金属中元素的蒸发量较小。
(9)可使金属渗氮。
(10)设备较简单，易于调节温度。与真空炉相比，等离子炉设备简单，其弧温比较易于调节。
(11)重熔炉料的范围较广。与真空电弧炉相比，等离子重熔炉不仅能重熔棒料，还可以重熔块料。
6.2 等离子熔炼
按照加热方式，等离子熔炼主要包括等离子电弧熔炼、等离子感应炉熔炼、等离子电弧重熔、等离
子电子束熔炼等。
（1）等离子电弧熔炼（Plasma Arc Melting，简称PAM）利用等离子弧的超高温及惰性气氛，在耐火材料坩埚中熔炼难熔金属及活泼元素。合金的回收率高，可有效脱碳，合金的纯洁度高。
（2）等离子感应熔炼（(Plasma Induction Melting，简称PIM）是利用等离子弧的超高温及惰性气氛以及感应加热及电磁搅拌作用而组合的炉子，可以有效地脱硫、去碳、去气。对易挥发元素的控制也有优势。
（3）等离子电弧重熔（Plasma Arc Remelting，简称PAR）是在惰性气氛下利用等离子弧的超高温熔融金属和炉渣，在水冷结晶器中凝固，可以获得良好的冶金效果。
（4）等离子电子束重熔（Plasma Electron-beam Remelting，简称PER）在低真空下，利用氩气等离子弧加热钽阴极，使其发射热电子，热电子在电场作用下，撞击阳极金属炉料，并在水冷结晶器中凝固，能够熔炼海绵钛及难熔金属.
等离子感应炉是由普通感应炉和等离子弧加热装置组合而成，由于在感应炉中增加了一个等离子热源，同时还可采取有渣熔炼，并使渣池温度高达
等离子感应炉通常在常压条件下工作，若因工艺的需要，也可以在负压下工作。
为了得到含[N]较高的金属，等离子感应炉可利用不活泼气体N2或N2+Ar为工作气体，通过氮气流形成等离子弧的同时进行合金化，使金属中氮的含量增高。有时为了使钢液脱碳，有的厂还在等离子感应炉中采用空气为工作气体。
这种熔炼设备还有一个重要特点，就是它可以进行有渣或无渣操作。当熔炼工艺需要采用有渣操作时，可完成脱硫、脱氧、脱碳等任务；而在采用无渣操作时，金属液面被高温等离子弧直接加热。
等离子感应炉如图6-1所示，由如下4部分组成：等离子感应炉炉体；感应炉电源；等离子枪；等离子弧发生电源。
等离子感应熔炼在脱硫，去除非金属夹杂物和减少钢与合金中的气体含量等方面，接近或超过真空感应炉熔炼的水平，是一种非常有竞争力的特种熔炼方法。
等离子电弧炉利用等离子弧的超高温及惰性气氛，在耐火材料坩埚中熔炼难熔金属及活泼元素。合金的回收率高，可有效脱碳，合金的纯洁度高。
图6-2为等离子电弧炉，它的外形与普通电弧炉相似，设有炉盖2、炉门l0、出钢槽4等，还配有电磁搅拌设备5、等离子喷枪1和炉底阳极7等。为防止炉气的污染，等离子电弧炉也可以做成密封式。
喷枪均由水冷铜喷嘴以及水冷铈钨极(或钍钨极)组成。喷嘴与铈钨阴极之间绝缘，并允许氩气流过。氩气是从喷枪上部经喷枪套管流向炉内，并电离成等离子体。炉体是由耐火材料砌成，而在炉底的中心部位，埋有一根石墨棒(或钢—铜质水冷棒)作为炉底阳极。通电时，炉底阳极与直流电源的正极相连接。
由于等离子孤的弧温高，热量集中，而且这种电弧所引起的熔池搅拌也较微弱，将会引起熔池内金属局帮过热，而在炉底，有时还会出现未熔他的块料。为了使熔炼过程中金属能得到充分地搅拌，使焙池温度和化学成分均匀，在炉底的耐火材料外层装有两个水冷铜管线圈，工作电流通过是产生磁场，搅拌金属液。
对于非密封式的等离子电弧炉，要造一定数量的熔渣覆盖金属液面，以防止氧化、吸气等。若有脱硫任务时，可造碱性炉渣，还可采用换渣操作，以使硫达到合格范围。
等离子电弧炉所显示的精炼效果十分明显，用它来熔炼的钢与合金的品种也不少，如高速工具钢、耐热钢、滚珠轴承钢、超低碳不锈钢、精密合金和高温合金等。
等离子电弧炉除熔炼合金钢之外，还能用来冶炼铁合金 在炼钢过程中，当废钢熔化后，由于金属熔池对炉壁的辐射增强，加速了炉衬耐火材料的损坏。为了延长炉衬寿命，有的将电弧炉仅作为熔化设备，而将钢液的精炼任务放到钢包内进行。为了在钢包内加热钢液，参照等离子电弧炉的工作原理，发展了等离子钢包加热设备。如当今美国建造的容量为220t等离子钢包二次加热装置；德国克鲁伯钢厂的150t等离子钢包加热炉，并在此钢包炉上装有l2kA的交流等离子枪。
等离子弧重熔法是在惰性气氛或者可控气氛中，利用等离子弧来熔炼金属的特种熔炼方法，也可以说是一种金属的重熔工艺。重熔过程中，被熔化的金属熔滴穿过熔渣层，在结晶器内凝固。它与真空自耗电弧重熔和电渣重熔一样，边熔炼、边结晶，即金属的熔炼与浇注同时进行。被重熔的金属料可以是棒料，也可以是块料。当采用棒料时，等离子弧直接射向棒料而使它熔化。
根据金属锭的质量大小，等离子重熔法可采用单枪操作或多枪操作。若采用单枪操作时，等离子枪则垂直地安装在炉膛中心，而料棒则从炉体侧面的装料孔伸入到炉膛内(图6-3)。若采用多枪操作时，料棒从炉子的正上方伸入炉内，而等离子枪(4～6支)从炉子的侧壁伸入，并倾斜地布置在料棒的四周。
在重熔块料时，为了使炉料能迅速而完全熔化，炉料应经过漏斗槽加入到熔池的中央部位。等离子弧重熔炉的炉壳，通常采用不锈钢的双层结构，中间通水冷却。结晶器安置在炉膛底部中央，电源的一端与等离子枪中的电极相连，另一端是通过凝固的金属锭与熔池相接。
重熔前，先将炉内抽成真空，采用Ar气为等离子喷枪的工作气体。工作时，一面进气到炉膛内，一面将炉内的气体抽出，并保持炉内一定压力。
等离子弧重熔与等离子电弧炉、等离子感应炉相比，不同之处是前者采用水冷结晶器，使熔炼与结晶同时进行。并且由于等离子弧的高温，可以在金属熔池上形成渣池，锭表面上形成一薄层渣壳，因而使所得的金属锭具有良好的铸态组织。重熔过程中，有Ar气保护，因此金属的化学成分波动很小，并且气体和非金属夹杂物的含量均很低,等离子重熔钢的夹杂总量和氧含量仅次于电子束重熔法。
目前，这种熔炼方法可以用来熔炼滚珠轴承钢、合金结构钢、耐腐蚀钢、含氮合金钢、难熔金属及其合金、高温台金、精密合金和活泼金属等。