1. 真空电弧熔炼概述

       真空电弧熔炼是在真空条件下，利用电弧加热熔炼金属的一种方法。

       真空电弧熔炼电极分为自耗电极和非自耗电极两种。自耗电极是由被熔炼材料（即炉料）制成，在熔炼过程中逐渐消耗，熔化后滴进结晶器中冷凝成锭。非自耗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。
 

1.1 真空电弧熔炼特点

       （1）直流电源供电(电极接负极、坩埚接正极)，电弧在真空中更稳定，不易熄灭；

       （2）电极和坩埚通常为金属材料，被熔炼金属液免受耐火材料炉衬污染；

       （3）熔炼处于真空环境，被熔炼金属免受氧化，促进脱气和金属氧化物分解；

       （4）熔炼在密闭容器中，环境污染小，工作环境好。
 

1.2 真空电弧熔炼领域

       （1）金属或合金提纯，真空高温条件下去除杂质；

       （2）将材料铸成致密且成分均匀的金属锭；

       （3）熔炼高熔点金属、活性金属、特殊钢等。
 

2. 真空电弧熔炼原理

2.1 电弧性质

       电弧是气体的一种弧光放电。气体弧光放电表现为极间电压很低，但通过气体的电流却很大，有耀眼的白光，弧区温度很高（约5000k）。巨大的电流密度来自于阴极的热电子发射，以及电子的自发射，即在阴极附近有正离子层，形成强大的电场，使阴极自动发射电子。大量电子在极间碰撞气态分子使之电离，产生更大量的正离子和二次电子，在电场作用下，分别撞击阴极和阳极，结果获得高温。阴极因电子发射用去部分能量，所以温度低于阳极。极间也因部分正离子与电子复合放热而产生高温。

电弧的温度和电弧电压降

       电弧的温度分布和电弧电压降如图所示。1~2为电极温度；2~3为弧柱温度；4~5为熔池温度；5~6为锭子温度；2为阴极斑点温度；4为阳极斑点温度；5为金属熔点。Uc为阴极区电压降；Un为弧柱区电压降；Ua为阳极区电压降；Uo为电弧电压降。
 

2.2 电弧组成

       在真空中电弧的外形犹如一个钟罩，由三个区组成，即阴极区、弧柱区和阳极区。

（1）阴极区

​​​​​​​       阴极区是阴极端面很短一个区域，其纵向长度约等于电子运动的自由程（即电子发射后碰到气态分子的长度）。

​​​​​​​       阴极区有两个显著的特点：

​​​​​​​       ① 在端面附近有正离子层，位于阴极区与弧柱区的交界面上，与阴极端面构成很大的电压降，维持电弧正常燃烧时电子的自发射。

​​​​​​​       ② 阴极端面上有光亮点，称为阴极斑点，温度很高，电子集中由这里向外发射，真空中阴极斑点扩大，甚至布满整个阴极端面或更大些。斑点温度随阴极材料熔点增高而增高，最高达到阴极材料的沸点。斑点温度还与斑点移动有关。由于自耗电极熔滴脱落和端面温度场的变化等原因，斑点将向温度高的突出位置移动。但如果移动过于频繁，阴极斑点温度将大幅下降，以热发射为主的电弧将会不稳。

（2）弧柱区

​​​​​​​       弧柱区位于阴极区和阳极区之间，由于阴极区和阳极区都很短，所以弧柱区长度几乎就等于整个电弧长度。弧柱区为等离子区，存在着激烈的碰撞电离。气体分子和金属蒸气分子，一方面电离，一方面又部分复合，处于动态平衡中。建立这种平衡很迅速，即使工频交流电弧也近于稳定状态。由于电离程度高，弧柱区近似于导体，轴向电压降很小，而且均匀。由于电子较正离子轻得多，在同样电压下加速快，因此，弧柱区的电流主要是电子流（约占99%）。

（3）阳极区

​​​​​​​       阳极区为阳极端面附近较长的区域。在真空中阳极斑点扩大，甚至“消失”。由于大量电子碰撞，阳极斑点的温度高于阴极斑点温度。熔池温度高更利于金属熔炼，因此，熔池接阳极。
 

2.3 影响电弧的因素

（1）气体压力

​​​​​​​       电弧区气体压力包括金属蒸气压力和熔炼时放出气体压力，在动态情况下，高于炉膛压力几十倍到几千倍。

实验指出，在压力为6.6×10³~10⁵Pa时，电弧稳定，有时电弧沿电极端部移动。当气压降到66Pa~6.6×10³时，电弧移动频繁，且有爬弧、边弧等产生，放电失常，电弧不稳定。当压力低于66Pa时，电弧又稳定下来。故炉膛最佳压力应为0.67~1.3Pa。

​​​​​​​       氩气保护时，当氩气压力大于4.5×10⁴Pa时，电弧不稳定；当压力降低到4.5×10⁴Pa时，电弧相对稳定。但压力过低，电弧不稳定。

（2）稳弧线圈

​​​​​​​       坩埚外绕制线圈，通以直流电或交流电，产生轴向磁场，压缩弧柱，使之不散乱，维持电弧正常放电，称为稳弧线圈。交流磁场并可减弱设备固有磁场不对称的不良影响。

（3）电弧电压与弧长的关系

​​​​​​​       直径12mm的非自耗钨电极在炉内压力26Pa，直径为175mm的结晶器内熔炼钛时测得的电弧电压Ua、电弧电流Ia与电弧长la的关系曲线，如图所示。短路电极拉开后，随着弧长la增加，电弧电压增加，电弧电流减少。弧长较短时，电弧电压和电流变化显著；但是弧长增加到一定长度后，电弧电压和电流变化开始平缓。真空电弧熔炼采用大电流低电压，属于短弧操作。一般电弧电压为22~55V，对应弧长为20~50mm（后者为大锭）。因此，炼钛时用电弧电压控制电弧长度，以达到稳弧目的。电弧过长，会引起电弧不稳或杂散，锭子表面不光滑，气孔多，外皮有螺纹或条纹等缺陷。电弧过短，容易短路，导致电极与熔池粘在一起等。

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电弧电压与电弧长度的关系

参考文献：

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