[科普中国]-真空电弧炉

原理

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。

电弧炉即是用这种原理熔炼金属的工业炉。在真空环境下的电弧炉就是真空电弧炉，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22～65V，对应弧长为20～50mm（后者为大锭）。从1839年熔炼白金丝实验成功以来，在以后的一百多年人们开始研究难熔金属的熔炼。1953年真空电弧炉才正式用到工业上。直到1956年，美国和欧洲许多国家还在用非自耗炉熔炼钛，1955年开始用自耗炉炼钢。1960年左右自耗炉生产的锭重已达30多吨，初具规模。目前发展的情况可以用美国康撒克公司制造的真空自耗炉为代表。为了提高生产率和设备的利用率，两台炉子共用一套主电源、真空系统和自动控制系统。

在真空状态下对工件（或材料）进行热处理，可提高工、模具的使用寿命，无氧化、无脱炭、表面光亮、变形小、节省能源无公害，并改变机械性能和冶金性能等优点。

真空电弧炉特点与炼钢电弧炉和埋弧炉等非真空电弧炉比较， 真空电弧炉的特点是：①用直流电源供电(电极接负极、坩埚接正极)，电弧在真空中相对稳定，不易熄灭。②电极和坩埚通常都用金属材料制成， 炉内没有耐火材料炉衬。③熔炼中被熔炼金属能免受氧化和耐火材料的污染， 并得到良好的脱气和促进金属氧化物分解的精炼效果。④由于在密闭容器中熔炼， 所以环境污染小，工作环境好。⑤特别需要注意安全。真空电弧炉工作中，特别当熔炼钛、锆等活泼金属时，如冷却水进入坩埚，会引起爆炸。防范措施较多，主要有：电极与坩埚壁间的净空距离应大于电弧长度， 在坩埚外侧设置直流稳弧线圈，供电电缆作对称布置，电极自动调节器应足够灵敏等， 以防止电极与坩埚壁之间产生边弧把坩埚击穿;确保冷却水畅通;设置防护墙，操作人员在墙外观察操纵等。

分类真空电弧炉按电极类型(见电弧炉电极)主要分自耗炉和非自耗炉两大类。工业上用的主要是自耗炉。也有同时采用自耗电极和非自耗电极的炉型，由自耗电极提供主炉料，由非自耗电极进行辅助加热，浇制铸件的炉子往往采用这样的炉型。

自耗炉的电极由被熔炼材料本身制成， 叫自耗电极。在熔炼过程中，电极端头逐渐被熔化，滴入水冷铜坩埚中，电极本身不断自耗。真空自耗电弧炉主要用于重熔钛、锆、钼、钽、铌等活泼金属和难熔金属的坯料以制取铸锭，如把海绵钛电极重熔成钛锭。这种电弧炉也可用于精炼合金钢和制取大直径优质钢锭， 如用于制造发电机轴和轧辊等的锻坯。

非自耗炉的电极用钨等高熔点材料制成。工作中电极本身不消耗，炉料需用别的途径加入炉内。这种电弧炉主要用于在真空中浇制上述材料的异型铸件和在实验室中制取试验用坯锭。

真空电弧炉设备组成以真空自耗电弧炉为例说明如下。成套设备由炉体、水冷铜坩埚、真空机组、光学观察装置、控制系统、直流电源等部分组成， 如图所示。

炉体由炉壳、上下端盖、电极杆及其升降机构、炉架等组成。电极杆与上端盖间有滑动密封装置，杆的下端接自耗电极、上端连升降机构。炉体下端接坩埚。

坩埚通常做成圆筒形，分内外两层，分别用铜和不锈钢制造，中间可通水冷却。熔炼时，金属熔滴滴入坩埚后先形成熔池，然后逐渐冷凝结晶成锭子。因此这种坩埚又叫水冷铜结晶器。还有一种坩埚呈半球形，有浇注口，可倾倒。熔炼时，其内面会结上一层由被熔金属本身冷凝成的壳体。采用这种坩埚的炉子用来在真空中浇制铸件， 又叫凝壳炉或壳式真空电弧熔铸炉。2

真空机组通常以罗茨泵或油增压泵为主， 配以前级机械泵。从熔炼工艺和安全要求出发，真空机组应能保证炉内工作压力不超过10 Pa(通常在0.1～1 Pa范围内)。

光学观察装置用来观察炉内的熔炼过程。也有采用工业电视系统的。

控制系统中主要是电极自动调节器， 用来控制电弧长度使电弧功率和熔化过程稳定。采用计算机过程控制系统，一个人可管理几台炉子。

直流电源多采用硅整流装置， 工作电压20～40V， 空载电压约为80 V， 工作电流每100 mm (直径)结晶器为1600～3500 A， 电流可作大范围 (约10：1)调节。电源应具有恒流特性，短路电流应不超过额定电流的1.2倍。自耗炉的熔化电耗在500～1100 kW·h/t范围内。

历史与发展1903年， 英国人W.V. 伯顿(W.V. Bolton)首次使用自耗电极在真空充氩气氛下进行了钽的熔炼。第二次世界大战后，由于钛生产的需要，真空电弧炉首先在美国得到工业应用。1949～1953年美国人杰伯特 (Gillbert)成功地进行了海绵Zr、Ti的真空电弧熔炼。50年代中期， 由于导弹、重型武器装备生产的需要， 真空电弧炉开始用于高级合金钢和高温合金的重熔。1957年用于特殊钢熔炼的真空电弧炉在美国的Allegheny Ludlum Steel公司和UniversalCyclope公司投入工业运行。同年，联邦德国、日本等国也相继成功地研制出特殊钢熔炼用真空电弧炉， 并投入工业运行。

80年代初，美国特种金属公司(SpecialMetals Corp) 研制出采用两根水平布置的自耗电极取代传统真空自耗炉中单根垂直悬挂的自耗电极，靠两根电极极间的电弧来熔化金属的真空电弧双电极重熔炉。此炉的主要优点是：①可生产超细晶粒的高温合金钢锭；②电耗低。1989年能够生产⏀300 mm、重2 t锭子的真空电弧双电极重熔炉在美国投入工业运行。20世纪末，世界上容量最大的真空电弧炉是美国Midvale-Heppenstall公司于1961年设置、1962年实施技术改造的特殊钢熔炼用52 t真空电弧炉，可以用于⏀1520 mm钢锭的重熔。

中国于20世纪60年代开始研究、制造真空电弧炉。60年代中期，西安电炉研究所与长春电炉厂合作为长城钢厂设计、制造了3000 kg真空自耗炉。中国生产并投入使用的真空电弧炉主要有250、1000、3000 kg等几种规格。另外，中国还拥有可熔铸重15 t钛锭的真空自耗炉和铸件重达1 t的凝壳式真空电弧熔铸炉等。

20世纪90年代以来，由于钢包精炼炉和电渣重熔炉等的迅猛发展与竞争，真空电弧炉在炼钢方面的应用已日趋减少。3