20世紀50年代，蘇聯科學院西伯利亞分院朱可夫領導並開始了低溫等離子體的研究，以解決飛行器再入大氣層的高溫燒蝕問題，建立了電弧風洞。該項目與美國國家航空航天局的等離子體研究工作同步，是世界公認的等離子體研究中心。
於90年代陸續出版了20卷的《低溫等離子體叢書》，其中的第17卷和第20卷已由中國科學院力學所、等離子體所的邱勵儉和陳明周兩位專家學者翻譯出版。
等離子冶煉技術起源於20世紀60年代，主要推動力是航空航天、核能等國防工業對尖端金屬材料的需求。
現在，科學家們已經建立了完善的等離子冶煉理論，解決了一系列涉及工業推廣應用的實踐問題。蘇聯曾用等離子冶煉技術煉製了40餘個牌號的鋼材。在金屬的純潔度、夾雜分佈、晶體組織結構等方面，等離子技術與電渣重熔、激光和電子束重熔、真空感應熔鍊等技術不相上下，在一些領域甚至有獨特作用。
在真空冶金工藝裝備中，等離子冷床熔鍊技術工藝在大型金屬鑄錠、板坯（如鈦合金、特殊鋼）等製備中作用尤為重要，國內大型鋼鐵製造企業和科研單位引進了美國Retech公司和德國ALD公司的等離子冷床爐，等離子槍的總功率已達3300MW，最大鈦錠超過7噸。
等離子冷床熔鍊對於去除高、低密度夾雜物的效果顯著，但工藝開發難度大、生產成本高、穩定性差，抑制了等離子冶煉技術的快速發展。此外，大功率等離子槍對氦氣的使用量大，對氣體提純和回收裝置的建立又提出了新的要求。
隨著技術的發展，等離子冶金技術再次回到人們的視野。本文試圖介紹電弧等離子冶煉的幾個基本特點，希望引起更多冶金專家和設備研製專家的關注。
1、對金屬的氧化、還原及合金化作用
在高溫下，氣體粒子會發生電離，產生導電性，在一定距離內出現電壓疊加，就會產生電弧。在常規電弧爐中，電弧自由燃燒，熱量通過熱輻射自由散發，加大電功率時電弧截面會擴大，電流密度卻不會相應增大。而等離子槍以從電弧四周吹冷氣流的方式強制壓縮電弧，結果在相同的電弧截面時等離子電弧所容納的電壓更高，電流密度更大，熱焓也更大。電弧中的熱焓量可以通過改變等離子氣源成分的方式進行調節。例如，在氬氣中加入電離能更高的氦氣或者加入少量雙原子活潑氣體提高熱能。有選擇地使用純潔氣體做等離子氣源，讓氣相環境發揮工藝作用。惰性氣體可以產生化學真空氣氛（惰性氣體氣氛），氧氣或氫氣可以產生氧化或還原氣氛，氮氣可以直接對金屬進行合金化。
等離子體氣源的成分和壓力可以根據任務需要進行調節。目前使用較普遍的等離子氣源是氬氣，以及氬氣分別與氧氣、氫氣、氮氣或氦氣構成的混合氣體。
2、提高傳熱方式及效率
電弧等離子體以輻射、電弧斑點和熱對流三種方式導熱，極大地擴展了受熱面積，提高了導熱效率。燃燒電弧主要依靠輻射和電弧斑點傳熱把熱量傳遞給被加熱體。電弧斑點直接落在被加熱體例如金屬熔池上。
常規電弧爐重熔時，會首先形成穿井，其它爐料懸空。而等離子電弧加熱時，向被加熱金屬傳遞熱量的方式有輻射、電弧斑點和強制熱對流。很大一部分熱能量是通過強制熱對流傳遞的。熱對流中的氣體粒子攜帶有巨大能量，同時具有氣體流動和彌散特性，可以到達直線輻射和電弧斑點不能到達的區域。這樣可以極大擴展被加熱面積，有利於預熱金屬和形成熔池，從而提高熱傳導的總體效率。
3、對物質交換和化學反應的作用
等離子體內充滿高能量的氣體粒子，它們不停地相互碰撞，極大提高了物質交換系數和化學反應速率。
等離子體是一種非平衡態，不停發生著電離與複合的過程。電子脫離氣體原子或分子，形成帶電粒子（電子和陽離子），然後又中和。有些氣體分子不斷離解為原子，然後又複合。這些過程都孕育和釋放著巨大的能量，這些能量的載體就是受激發的氣體粒子。攜帶過剩能量的氣體粒子會不停地與中性或較弱的氣體粒子，甚至金屬粒子碰撞，進行能量傳遞。釋放了過剩能量之後又返回平衡態，並有可能再次被碰撞，重新被激發。這是等離子體內的常態。
在被激發氣體粒子中，這種未馳豫的振動能量非常有助於強化能量交換，提高熱傳導速率，加快物質擴散和化學反應速率。氣體粒子被激發後的能量巨大，在等離子體狀態下化學反應速率可能會提高上千倍。
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本文首發於《真空》雜誌2019年第5期
原文標題：等離子體技術在冶煉和鑄造生產中的應用
作者：В.А.ШАПОВАЛОВ1，許小海2，汪源2，孫足來3，宋青竹3，李建軍3
作者單位：1.烏克蘭國家科學院巴頓電焊接研究所；2.武漢市樞馳科技有限公司；3.瀋陽真空技術研究所有限公司
