等离子熔炼plasma melting用惰性气体（如氩）、还原性气体（如氢气）或两种气体 的混合物作介质，温度达3万度以上的纯净等离子电弧或等离子束作热源进行熔 炼的一类冶金方法的总称可在有炉衬的炉子中进行熔炼，也可以自耗电极的形 式熔化提纯主要用于特殊钢、超低碳不锈钢、高温合金以及活性和难熔金属（如 钨、钼、铼、钽、铌、锆等）的生产目录简介发展简史基本原理工作气体与气氛控制熔渣精炼金属凝固的控制熔炼方式与炉型展开简介发展简史基本原理工作气体与气氛控制熔渣精炼金属凝固的控制熔炼方式与炉型展开简介[1]利用等离子弧作为热源来熔化、精炼和重熔金属的一种冶炼方法，简称PM 有时它的熔炼对象也可以是非金属材料等离子熔炼属于等离子体在冶金中的一 个应用分支，也是特种熔炼技术的主要方法之一等离子弧与自由电弧不同，属 于压缩电弧，能量高度集中，电离度更高，它是用通有气体的等离子枪对电弧施 以压缩而形成的等离子熔炼的特点是电弧具有超高温并可有效地控制炉内气 氛，因而适合于熔炼活泼金属、难熔金属及其合金⑵发展简史等离子体技术在冶金中的应用可追溯到18世纪中叶，肯耐斯里(E. Kinnersly)等人用电火花熔化金属。
1878年法国西门子(W. Siemens)发明了带 水冷底阳极的直流电弧炉和水平非转移弧的直流电弧炉后者即为现代等离子熔 炼炉的雏形它的两根电极水平设置，其中阴极为水冷铜棒，阳极为石墨管，通 入中性或还原性气体现代等离子熔炼技术开发于20世纪50年代末至60年代 初，美国联合碳化物(UnionCarbide)公司所属的林德(Linde)公司开始研制的 11kg的等离子电弧炉PAF和实验型等离子电弧重熔(PAR)炉在同一时期，前苏 联、东欧国家以及日本也进行了许多研究工作，并将其应用于工业生产到了 70年代乌克兰巴顿电焊研究所已形成PAR炉的系列设备，最大容量为5t原民 主德国弗赖塔尔(Freital)特殊钢厂于1973年和1977年先后投产了 15t和40t 两座PAR炉日本大同特殊钢公司于1969年和1975年开发了 0. 5t和2t的等 离子感应炉(PIF)该公司于1982年还建成了 2t的PAR炉日本不锈钢公司 (Ul-vac)在60年代开发了等离子电子束重熔技术,1971年建成了一台有6支枪， 每支枪输出400kW的等离子电子束重熔(PEB)设备，直接由海绵钛炼成3t的钛锭 进入80年代，等离子熔炼技术已比较成熟，发展也相对减慢。
近年来在钢水加 热方面的应用发展较快，如等离子钢包加热和中间罐加热中国于70年代初开 始研究等离子熔炼技术并建成了一些实验设备和容量在0.5t以下的工业炉等 离子熔炼已在许多国家得到开发和应用，所涉及冶炼产品也十分广泛，但总的产 量还较低⑵基本原理等离子熔炼主要是基于等离子体的超高温和根据不同的需要可有效地控制 炉内气氛以实现特殊金属或合金的熔炼有时还可以利用水冷结晶器使金属或合 金实现顺序凝固以获得高质量结晶组织的锭子等离子体电弧的获得 等离子体是固态、液态和气态之外物质的第4态，是 分布于中性粒子气体中的电子与离子的混合物而且正电荷与负电荷的浓度相 等它具有高的导电性、热容量和导热性等离子体还受电场和磁场的作用应 用于冶金的是低温等离子体，温度通常为5000〜2000K等离子体电弧是用直流 电或交流电在两个或更多个电极间放电，有时也用高频电场放电获得的放电时 气体电离的实质是发生电子雪崩，这种雪崩具有连锁反应特性，因而电离速度极 快等离子体电弧是比自由电弧电离度更高的压缩电弧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 集中时便形成压缩电弧。
产生上述等离子电弧的装置叫做等离子发生器或称等离子枪可分为转移型 和非转移型两类前者阴极装在等离子枪内而阳极是被加热的物体即被熔炼的金 属;后者两根电极都装在枪内，通入的气体在枪内被电离，在两极间产生电弧， 并从枪端喷出高温等离子火焰另外，等离子枪所用的电源有直流、交流和交直 流混合型目前，等离子熔炼设备中使用的主要是直流转移弧型等离子电弧⑵ 工作气体与气氛控制根据冶炼工艺的要求通入等离子枪内的工作气体可以是惰性、氧化性、还原 性和氯化气体最常用的惰性气体是氩气使用惰性气体等离子电弧的炉子中具 有真空冶炼相似的热力学条件即炉内有害气体氮、氢和氧的分压很低例如在含 有0. 05%(体积)活性气体杂质的惰性气氛下熔炼，其热力学条件与在66.6Pa下 的真空过程相当因此，可以有效地防止一般电弧炉冶炼时金属熔池吸收来自空 气中的氮、氢和氧的情况，冶炼出气体含量低的金属和合金同时，合金元素的 氧化损失明显减少，收得率提高如果采用高纯氩气可熔炼非常活泼的金属及其 合金，例如Ti和Zr而对于易挥发元素(如Mn和Cr)的收得率可高于真空熔炼 由于等离子弧不增碳，等值真空条件使得钢液中碳氧反应接近平衡值，因而可冶 炼超低碳不锈钢。
采用(H2+Ar)混合气体等离子电弧可以实现金属或合金的脱碳、 脱氮和脱氧⑵熔渣精炼在熔炼过程中添加经预熔的炉渣，在高温等离子弧的作用下渣金反应的热力 学和动力学条件得到改善因此，金属的脱硫效果显著若采用(H2+Ar)还原性 等离子弧喷射含钙化合物粉剂，硫可降至0.0007%以下活跃的炉渣容易吸收钢 中的非金属夹杂物加上碳氧反应和氢氧反应脱氧产物为气相，因此可获得夹杂 物含量极低的金属⑵ 金属凝固的控制采用铜结晶器的等离子重熔炉可以实现金属熔化和凝固的同时进行由于等 离子电弧功率和向熔池冲击的角度容易调节，而且可以根据锭子截面大小使用一 个或多个等离子枪来控制熔池的温度分布造成径向温度相对均匀，轴向温度梯度 很大，金属熔池呈浅平形，造成金属结晶趋于定向生长并抑制宏观偏析的条件， 因而获得的锭子成分均匀、组织致密另外，在重熔的补缩阶段，等离子电弧比 其他二次重熔方法更容易控制温度，因而锭子头部结晶缺陷少，可减少切头率[2]熔炼方式与炉型等离子熔炼可分为一次熔炼和二次重熔两种方式一次熔炼是用废钢和铁合 金或其他块状粗级金属作原料在耐火材料坩埚中熔化成金属液的过程其基本炉 型有PAF和PIF。
二次重熔是将通过其他冶炼方法初炼的金属或合金用等离子电 弧重新熔化和精炼并在水冷结晶器中凝固成锭的过程其基本炉型有PAR炉和 PEB炉PEB炉与PAR炉基本相同，其区别就是用等离子束枪代替常见的等离子 枪电子束枪的核心是钽（Ta）制中空阴极其工作原理是：在低真空下（0.13〜 13.3Pa之间）用氩等离子弧加热钽阴极，使其发射热电子，这些热电子在电场作 用下高速飞向阳极，即飞向铜制水冷结晶器的金属炉料或金属熔池在由钽阴极 发射的热电子高速飞向阳极途中，它们又不断激发气体分子或原子，使之不断电 离，又不断放出高能量的热电子，形成热电子流，轰击金属使其熔化，达到熔炼 目的与此同时，正离子飞向阴极⑵工业生产概况作为特种熔炼的一个分支，等离子熔炼不及其他熔炼方法在工业中普及主 要原因有3： （1）起步较晚，技术有待于进一步完善；（2）由于设备投资费用相对 较大，等离子枪寿命较低，运行过程中气体和耐火材料消耗较大，导致生产成本 较高；（3）其他熔炼技术的发展也较快，甚至炉外精炼技术的发展也把等离子熔炼 技术的应用范围限制在较特殊的场合内在各种等离子熔炼方式中，PAF在工业生产中使用较多而且规模较大。
除了 原民主德国弗赖塔尔厂以生产不锈钢为主的15t和40t炉子外，奥钢联于1983 年建成了变压器容量为36MVA的45〜601的PAF用于生产合金钢和普碳钢生产 能力为7〜10万t/a而前苏联安装了一台1001的PAF用于生产铁合金其他 国家则以小型PAF用于各种高级合金钢的生产PIF应用很少工业生产主要是 在日本的大同特殊钢公司主要是替代真空感应炉生产超低碳不锈钢、镍基高温 合金和电磁材料等另有少数国家如中国、加拿大等则主要作为实验设备用于研 究工作PAR炉在日本和前苏联应用较多主要用于生产钛及其合金，锆合金、 轴承钢、高氮钢、高温合金、贵金属及其合金、铀合金和难熔金属前苏联最大 的PAR装置可生产3.5〜5.01锭子日本大同特殊钢公司则用海绵钛生产出21 的钛锭作VAR炉的自耗电极日本另一家公司用PEB炉重熔出41的钛扁锭其 他国家应用较少，估计全世界PAR锭的年产量不足3万1⑵展望等离子熔炼的今后发展取决于技术上和经济上与其他特种熔炼方法甚至炉 外精炼方法的竞争为此，一方面要进一步提高等离子熔炼设备的技术性能并不 断降低其操作成本，另一方面要充分发挥其冶金特点生产出特殊质量要求的产 品。
首先要提高大功率等离子枪的制造技术以及相应的供电和控制技术近年来， 西方发达国家的多家公司投入大量资金开发MW级的长寿命等离子枪，并已取得 了明显进展，已有6MW的枪投入运行特别是交流等离子枪的研制取得了重要进 展，已有2.4MW的交流枪投入工业运行另外，可控硅整流设备的技术进步和价 格的降低也进一步提高了直流等离子枪的竞争能力采用中空石墨阴极等离子体 在某些场合可代替水冷金属等离子枪，从而可显著降低生产成本这样的等离子 炉的功率完全可以达到大型超高功率电弧炉的水平，从而使大型等离子电弧炉工 业化成为可能此外，可生产高附加值产品以弥补生产成本相对较高的缺点例 如用氮气等离子弧生产常规方法难以生产的高氮奥氏体不锈钢，用（H2+Ar）等离 子弧加熔渣精炼生产超纯轴承钢这种方法还适合于生产难熔金属、含有较高蒸 气压组元的合金和活泼金属及其合金用等离子电弧在水冷铜质熔池中熔炼钛或 镍基合金，然后浇入水冷铜坩埚中来生产近乎无杂质的金属此外，利用等离子 电弧对钢水无污染的特点而用于钢包和中间包的加热近年来发展很快到了 1996年已有数十台连铸机的中间包上安装了等离子枪用于中间包钢水的加热和 温度控制，已取得了较好的效果。
与此同时，近年来等离子冶金中其他分支的技 术开发和应用十分活跃其中包括铁和铁合金的直接还原与熔融还原，用碳还原 活泼金属（如Ti、Al）和难熔金属（如V、Nb、Ta）的氧化物，还有用等离子体技术 处理钢铁厂粉尘等冶金废料。