真空電弧熔煉原理
2019-05-07 來源：Goal Science
1. 真空電弧熔煉概述
真空電弧熔煉是在真空條件下，利用電弧加熱熔煉金屬的一種方法。
真空電弧熔煉電極分為自耗電極和非自耗電極兩種。自耗電極是由被熔煉材料（即爐料）制成，在熔煉過程中逐漸消耗，熔化后滴進結晶器中冷凝成錠。非自耗電極是利用鎢等高熔點材料制成，在爐料熔煉過程中基本不消耗，目前只在實驗室中用來研究制造難熔金屬和金屬碳化物。
1.1 真空電弧熔煉特點
（1）直流電源供電(電極接負極、坩堝接正極)，電弧在真空中更穩定，不易熄滅；
（2）電極和坩堝通常為金屬材料，被熔煉金屬液免受耐火材料爐襯污染；
（3）熔煉處于真空環境，被熔煉金屬免受氧化，促進脫氣和金屬氧化物分解；
（4）熔煉在密閉容器中，環境污染小，工作環境好。
1.2 真空電弧熔煉領域
（1）金屬或合金提純，真空高溫條件下去除雜質；
（2）將材料鑄成致密且成分均勻的金屬錠；
（3）熔煉高熔點金屬、活性金屬、特殊鋼等。
2. 真空電弧熔煉原理
2.1 電弧性質
電弧是氣體的一種弧光放電。氣體弧光放電表現為極間電壓很低，但通過氣體的電流卻很大，有耀眼的白光，弧區溫度很高（約5000k）。巨大的電流密度來自于陰極的熱電子發射，以及電子的自發射，即在陰極附近有正離子層，形成強大的電場，使陰極自動發射電子。大量電子在極間碰撞氣態分子使之電離，產生更大量的正離子和二次電子，在電場作用下，分別撞擊陰極和陽極，結果獲得高溫。陰極因電子發射用去部分能量，所以溫度低于陽極。極間也因部分正離子與電子復合放熱而產生高溫。
電弧的溫度和電弧電壓降
電弧的溫度分布和電弧電壓降如圖所示。1~2為電極溫度；2~3為弧柱溫度；4~5為熔池溫度；5~6為錠子溫度；2為陰極斑點溫度；4為陽極斑點溫度；5為金屬熔點。Uc為陰極區電壓降；Un為弧柱區電壓降；Ua為陽極區電壓降；Uo為電弧電壓降。
2.2 電弧組成
在真空中電弧的外形猶如一個鐘罩，由三個區組成，即陰極區、弧柱區和陽極區。
（1）陰極區
??????? 陰極區是陰極端面很短一個區域，其縱向長度約等于電子運動的自由程（即電子發射后碰到氣態分子的長度）。
??????? 陰極區有兩個顯著的特點：
??????? ① 在端面附近有正離子層，位于陰極區與弧柱區的交界面上，與陰極端面構成很大的電壓降，維持電弧正常燃燒時電子的自發射。
??????? ② 陰極端面上有光亮點，稱為陰極斑點，溫度很高，電子集中由這里向外發射，真空中陰極斑點擴大，甚至布滿整個陰極端面或更大些。斑點溫度隨陰極材料熔點增高而增高，最高達到陰極材料的沸點。斑點溫度還與斑點移動有關。由于自耗電極熔滴脫落和端面溫度場的變化等原因，斑點將向溫度高的突出位置移動。但如果移動過于頻繁，陰極斑點溫度將大幅下降，以熱發射為主的電弧將會不穩。
（2）弧柱區
??????? 弧柱區位于陰極區和陽極區之間，由于陰極區和陽極區都很短，所以弧柱區長度幾乎就等于整個電弧長度。弧柱區為等離子區，存在著激烈的碰撞電離。氣體分子和金屬蒸氣分子，一方面電離，一方面又部分復合，處于動態平衡中。建立這種平衡很迅速，即使工頻交流電弧也近于穩定狀態。由于電離程度高，弧柱區近似于導體，軸向電壓降很小，而且均勻。由于電子較正離子輕得多，在同樣電壓下加速快，因此，弧柱區的電流主要是電子流（約占99%）。
（3）陽極區
??????? 陽極區為陽極端面附近較長的區域。在真空中陽極斑點擴大，甚至“消失”。由于大量電子碰撞，陽極斑點的溫度高于陰極斑點溫度。熔池溫度高更利于金屬熔煉，因此，熔池接陽極。
2.3 影響電弧的因素
（1）氣體壓力
??????? 電弧區氣體壓力包括金屬蒸氣壓力和熔煉時放出氣體壓力，在動態情況下，高于爐膛壓力幾十倍到幾千倍。
實驗指出，在壓力為6.6×103~105Pa時，電弧穩定，有時電弧沿電極端部移動。當氣壓降到66Pa~6.6×103時，電弧移動頻繁，且有爬弧、邊弧等產生，放電失常，電弧不穩定。當壓力低于66Pa時，電弧又穩定下來。故爐膛最佳壓力應為0.67~1.3Pa。
??????? 氬氣保護時，當氬氣壓力大于4.5×104Pa時，電弧不穩定；當壓力降低到4.5×104Pa時，電弧相對穩定。但壓力過低，電弧不穩定。
（2）穩弧線圈
??????? 坩堝外繞制線圈，通以直流電或交流電，產生軸向磁場，壓縮弧柱，使之不散亂，維持電弧正常放電，稱為穩弧線圈。交流磁場并可減弱設備固有磁場不對稱的不良影響。
（3）電弧電壓與弧長的關系
??????? 直徑12mm的非自耗鎢電極在爐內壓力26Pa，直徑為175mm的結晶器內熔煉鈦時測得的電弧電壓Ua、電弧電流Ia與電弧長la的關系曲線，如圖所示。短路電極拉開后，隨著弧長la增加，電弧電壓增加，電弧電流減少。弧長較短時，電弧電壓和電流變化顯著；但是弧長增加到一定長度后，電弧電壓和電流變化開始平緩。真空電弧熔煉采用大電流低電壓，屬于短弧操作。一般電弧電壓為22~55V，對應弧長為20~50mm（后者為大錠）。因此，煉鈦時用電弧電壓控制電弧長度，以達到穩弧目的。電弧過長，會引起電弧不穩或雜散，錠子表面不光滑，氣孔多，外皮有螺紋或條紋等缺陷。電弧過短，容易短路，導致電極與熔池粘在一起等。
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電弧電壓與電弧長度的關系
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