非自耗电极电弧炉（又称为纽扣炉）电极是利用钨等高熔点材料制成，在炉料熔炼过程中基本不消耗，目前只在实验室中用来研究制造难熔金属和金属碳化物。是问世和应用最早的一种真空电弧炉。炉子体积小，占地空间小，操作方便，不需要专业人员和专业技能，封闭操作，无辐射，对人体无害，对环境无污染，制样快速，目前多用于实验室科研中，用来研究制造难熔金属和金属碳化物等。
 

1. 非自耗电极电弧炉特点
 

1.1 非自耗电极电弧炉优点

      非自耗电极电弧炉优点：
      （1）体积小，操作方便，占地空间小；

1.2 非自耗电极电弧炉缺点

      非自耗电极电弧炉缺点：

2. 非自耗电极电弧炉主要结构
 

      非自耗电极电弧炉一般体积较小，主要结构包括：炉体及真空室、坩埚、电极、真空系统和电源系统组成。

非自耗电极电弧炉真空室示意图

2.1 炉体及真空室

      炉体结构多采用不锈钢加工的双层水冷结构，真空室要求加工密封性好，可在高温高真空下、以及在保护气氛下使用。炉侧有观察窗用来操作引弧，观察窗上装有墨色玻璃保护操作者眼睛。

2.2 坩埚

      坩锅材质多采用水冷铜坩埚，可方便拆卸，采用四周循环水冷却，达到快速急冷的效果；坩埚具有一定倾斜角度并可旋转，利于样品脱出，无需脱模剂，同时不会造成样品与坩埚的交叉污染，可以直接熔化合金粉末样品，避免了其它熔样炉操作复杂以及铂金坩埚被腐蚀的问题；坩埚上可以同时设计多个熔炼工位，方便一次进行多个样品熔炼。

不同形式坩埚示意图

      部分增加电弧搅拌功能，强烈的电弧火花搅拌配合移动操纵杆可获得均质效果，消除样品粒度和基体效应产生的影响，增加熔制样品均匀性。

2.3 电极

　　电极一般有石墨电极和钨电极两种。石墨电极价格便宜，但会烧损；钨电极寿命长，价格贵，可以做超低碳金属样品，扩大使用范围。

顶部和底部分别通有正负电极，顶部为机械手结构，方便在多个熔炼工位之间移动，密封采用动密封装置，保证在移动过程中的真空度。
 

2.4 真空系统

      真空系统由油扩散泵（或者分子泵）、直联泵、压力表、真空阀、压力罐、手动阀门和管路组成，可方便的实现手动充放气，还可实现超压排气，保护真空室安全。

结合抽真空，熔炼可在高纯氩气环境保护下进行，避免表面氧化。部分苛刻科研条件下，也可以不抽真空或改充二氧化碳保护气，以模拟现场焊接状态。
 

2.5 电源系统

      电源根据功率等要求采用电弧熔炼专用电源，安全系数高，稳定性强，操作简单，结构小巧，并设有断水报警及保护等功能。
 

3. 非自耗电极电弧炉熔炼工艺

      非自耗真空电弧炉熔炼主要分为准备阶段、抽真空阶段、熔炼阶段、吸铸试样阶段、结束阶段。

吸铸的基本原理是利用炉体内和铜模具之间的压力差将坩埚中的液态金属压入铜模中，利用循环水冷却和铜良好的散热性使液态金属快速冷却凝固，制备非晶态合金。

3.1 准备阶段

      （1）打开炉体，对电极和坩埚进行清洗，可采用酒精，蒸发速度快，且无毒性。

      （2）将待熔炼金属放入坩埚中，关闭炉体，均匀拧紧各紧固件，检查各设备各个阀门处于关闭状态。

      注：①当含有大量非导电材料时，在原料顶部加入一定量的纯铁粉末，以助于引弧开始熔化，纯铁量算入成分配比中；②粉末样品应整平并压实，在低电流下开始熔化，低电流不足以使样品完全熔化，但可以在样品上形成一个凝壳，当调高电流时，电弧力不会将粉末吹走；③车削料放在坩埚中压实，但不要损坏坩埚；④较大块的金属放在小块金属上面，防止被小块金属被电弧吹走。

　 （3）打开电源总闸，循环水阀门，依次打开设备上循环水电源开关，电源开关，待设备运行稳定，打开控制柜的分子泵电源开关。
 

3.2 抽真空阶段
      （1）第一级抽真空，设备稳定后，打开炉体阀门与机泵开关电源，启动压力显示屏，在抽真空的过程中，对炉体盖上各个紧固件及炉体密封件进行紧固，确保密封性。

      （2）第二级抽真空，等炉体内压力达到初级设定之后，依次打开分子泵阀门，分子泵开关，关闭炉体阀门，关闭机泵开关。

       注：为保证炉体内不残留有空气，第一、二级抽真空可重复2~3次，尤其粉末样品。

　　（3）等炉体内压力达到设定之后，依次关闭分子泵阀门，分子泵按钮开关，设备抽真空完毕。

　　（4）向抽完真空的炉体内充入高纯氩气，达到一个大气压。
 

3.3 熔炼阶段

      （1）移动电极与坩埚上电极对正，移动过程中通过观察窗进行实时观察，使二者距离达到要求值。

      （2）调高电流，准备熔炼，按下引弧按钮，通过摇杆上手轮移动炉体内两电极接触引弧，在起弧之后立即转动手轮使两电极分开，并用摇杆将移动电极移开，防止烧坏坩埚上电极。通过观察窗操作整个过程。

　　（3）利用电弧依次熔炼待熔金属，熔炼完毕，关闭电弧。

　　（4）利用机械手翻转坩埚内金属，反复熔炼金属2到3次保证熔炼均匀。

3.4 吸铸试样阶段

　　（1）利用机械手将熔炼好的合金锭移动到中间的坩埚中，并利用熔炼阶段操作对试样进行加热。

　　（2）通过观察镜观察被加热金属完全熔化为液态时，准备吸铸金属。

　　（3）吸铸金属时，关闭电弧，同时按下吸铸阀门手柄，待1-2秒钟后提起吸铸阀门手柄，将液态合金吸到坩埚下方的铜模中。

　　（4）等炉体温度下降后，从真空炉下方打开模具通道，取出铜模，试样制备完成。

3.5 结束阶段

　　（1）打开炉体，清洗炉腔，去除烟尘、沙砾及飞溅金属，将铜模清洗干净放回模具通道，拧紧密封盖。

　　（2）炉腔内清洗完毕吹干后关闭炉体，同时抽真空。

　　（3）抽真空完毕后，依次关闭分子泵开关，循环水开关，外部循环水阀门，电源总闸等。

　　（4）检查设备各开关，阀门处于正确的启闭状态，实验完成。

3.6 操作安全及注意事项

      （1）操作人员应始终戴上手套，使操作人员免受电击，并佩戴其他安全保护装置。

      （2）定期清洁观察窗玻璃，保证熔炼时视野清晰。

      （3）在启动设备之前检查循环水阀门是否开启，严紧在没有循环水的状态下启动设备。

      （4）在第一级抽真空的过程中注意拧紧炉体上紧固件和炉体模具通道处的密封盖。

真空非自耗电极电弧炉部分设备实物图如下：

AM200-500 [3]

电弧熔炼炉-Model BJ5 [4]

MODEL 2701X [5]

参考文献：

[1] 刘喜海，徐成海，郑险峰编著.真空冶炼[M]. 化学工业出版社，2013.

[2] 孙足来, 党哲鹏, 汤淇帅等. 真空电弧炉和真空感应炉的研究[J]. 真空，2008.
[3] https://www.edmund-buehler.de/

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