電阻-電弧熔煉應(yīng)用

礦熱爐熔煉出爐時(shí)的產(chǎn)品有的呈氣態(tài)(如磷、鋅等)，有的呈固態(tài)(如鎢鐵、碳化硼等)，但多數(shù)呈液態(tài)(如銅锍、銅鎳锍等)。現(xiàn)代化的大型礦熱爐從原料的稱量、輸送、裝料到操作和氣休輸送都是集中控制的，用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行爐子綜合控制的電阻-電弧爐已用于工業(yè)生產(chǎn) 。

電阻-電弧熔煉按作業(yè)方式不同，又可分為連續(xù)作業(yè)式和間歇作業(yè)式兩種。絕大多數(shù)熔煉都是連續(xù)作業(yè)式的。銅精礦熔煉礦熱電爐，每相兩根電極、一共6根電極，并列排在長(zhǎng)方形爐膛中。爐子每相由一臺(tái)變壓器供電。電阻-電弧熔煉耗電盆大。電爐輸入功率一般有凡千干瓦，大的幾萬(wàn)千瓦，甚至近十萬(wàn)千瓦，因而多在電力豐裕地區(qū)采用 。

成套的電阻-電弧爐主要由爐體、電極裝置和電源設(shè)備三部分組成。爐體有圓形的、長(zhǎng)方形的和橢圓形的幾種。最初的爐子不設(shè)爐蓋，但現(xiàn)代化的礦熱爐多設(shè)有護(hù)蓋。大多數(shù)爐子采用三相電源，少數(shù)采用單相，有石墨電極(或碳素電極)和自焙電極兩種電極。自堵電極是一種用無(wú)煙煤、焦炭和瀝青煤焦油拌和成的電極料在電爐工作過(guò)程中自行燒結(jié)而成的。大多數(shù)電阻-電弧熔煉都采用自焙電極 。

按照加熱方式不同，電弧熔煉又分為直接加熱式電弧熔煉和間接加熱式電弧熔煉兩類。電弧熔煉的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)有熔煉時(shí)間、單位時(shí)間熔煉固體爐料的數(shù)量(生產(chǎn)能力)、單位固體爐料電耗及耐火材料、電極消耗等。

電弧熔煉直接加熱式電弧熔煉

直接加熱式電弧熔煉的電弧產(chǎn)生在電極棒和被熔煉的爐料之間，爐料受電弧直接加熱，電弧是熔煉得以進(jìn)行的熱量來(lái)源。直接加熱式電弧熔煉主要有非真空直接加熱式三相電弧爐熔煉法和直接加熱式真空自耗電弧爐熔煉法兩種。

(1)非真空直接加熱式三相電弧熔煉法。這是煉鋼常用的方法。煉鋼電弧爐就是非真空直接加熱式三相電弧爐中最主要的一種。人們通常說(shuō)的電弧爐，就是指的這一種爐子。為了得到高合金鋼，必須往鋼中加入合金成分，調(diào)整鋼中含碳量以及其他合金成分含量，脫除有害雜質(zhì)硫、磷、氧、氮以及非金屬夾雜物至產(chǎn)品規(guī)定的范圍以下。這些熔煉任務(wù)在電弧爐中完成最為方便。在電弧爐內(nèi)可以通過(guò)造渣將爐內(nèi)氣氛控制到呈弱氧化性甚至還原性。電弧爐內(nèi)合金成分燒損較少，加熱過(guò)程比較容易調(diào)節(jié)。因此，盡管電弧熔煉需要消耗大量的電能，但工業(yè)上仍然用這種方法來(lái)熔煉各種高級(jí)合金鋼.

(2)直接加熱式真空電弧爐熔煉法。它主要用來(lái)熔煉鈦、鋯、鎢、鉬、鉭、鈮等活潑和高熔點(diǎn)金屬以及它們的合金，也用來(lái)熔煉耐熱鋼、不銹鋼、工具鋼、軸承鋼等合金鋼。經(jīng)直接加熱式真空自耗電弧爐熔煉出來(lái)的金屬，其氣體和易揮發(fā)雜質(zhì)含量下降，鑄錠一般不會(huì)出現(xiàn)中心疏松，錠子結(jié)晶較均勻，金屬性能得到改善。直接加熱式真空自耗電弧爐熔煉存在的問(wèn)題是較難調(diào)整金屬(合金)的成分。爐子設(shè)備費(fèi)雖比真空感應(yīng)爐低得多，但比電渣爐高，熔煉費(fèi)用也較之高許多。真空自耗電弧爐是1955年才開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，最初用于熔煉鈦，隨后用來(lái)熔煉其他高熔點(diǎn)金屬和活潑金屬及合金鋼等。

電弧熔煉間接加熱式電弧熔煉

間接加熱式電弧熔煉的電弧產(chǎn)生在兩根石墨電極之間，爐料被電弧間接加熱。這種熔煉方法主要用來(lái)熔煉銅和銅合金。間接加熱式電弧熔煉由于噪聲大、熔煉金屬質(zhì)量較差，正逐漸被其他熔煉方法所取代。

金屬材料的性能是由其成分、組織和結(jié)構(gòu)決定的) 實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)證明了銅鉻仍是當(dāng)前綜合性能最好的真空斷路器觸頭材料，但是不同工藝方法制造的銅鉻材料、具有不同組織結(jié)構(gòu)的銅鉻材料，其性能差異很大。

通常觸頭經(jīng)過(guò)幾次大電流分?jǐn)嗪缶哂懈叩拈_(kāi)斷可靠性，這一現(xiàn)象引發(fā)了專業(yè)技術(shù)人員研究用真空電弧熔煉的方法來(lái)制造銅鉻觸頭材料的想法，西門子公司的實(shí)踐證明了真空電弧熔煉工藝制造的銅鉻觸頭材料性能的優(yōu)越性和實(shí)際應(yīng)用的可行性。

電弧熔煉銅鉻觸頭的金相組織與形成機(jī)理

大電流開(kāi)斷后的觸頭表面金相分析顯示，觸頭表面是一層鉻在銅中呈非常細(xì)小彌散分布的組織，這層組織不同于開(kāi)斷前的原始組織，厚度約150微米，鉻顆粒大小約1-5微米。分析認(rèn)為，開(kāi)斷大電流過(guò)程中電弧產(chǎn)生的高溫使觸頭表面的銅鉻發(fā)生了互溶反應(yīng)，熄弧后，隨著溫度的下降，觸頭表面銅鉻熔液中的鉻結(jié)晶，從銅中過(guò)飽和析出，而真空滅弧室導(dǎo)電系統(tǒng)良好的導(dǎo)熱性為銅鉻觸頭提供了很強(qiáng)的散熱能力，使銅鉻熔液迅速冷凝，形成了鉻在銅中呈細(xì)小彌散分布的組織。

因此，除了通常采用的粉末冶金方法外，冶煉的方法不僅可以制造銅鉻材料，而且可以獲得鉻在銅中呈細(xì)小彌散分布的銅鉻組織：（1）把銅和鉻加熱到鉻的熔點(diǎn)1890℃以上使其熔化；（2）凝固時(shí)為銅鉻熔液提供足夠快的冷卻速度，即可用冶煉的方法制造機(jī)械混合物組織的銅鉻材料。這為真空電弧熔煉工藝制造銅鉻觸頭材料提供了依據(jù)。

電弧熔煉金相組織對(duì)電氣性能的影響

觸頭材料是一種金屬功能材料。在非納米概念的范疇，當(dāng)觸頭材料的結(jié)晶組織是假合金、機(jī)械混合物時(shí)，發(fā)揮和承擔(dān)電接觸功能的作用主要是靠觸頭材料組成元素本身的物理和化學(xué)性質(zhì)。而理想的組織結(jié)構(gòu)則能改善材料的性能，能更充分地發(fā)揮其有利的物理和化學(xué)性質(zhì)的作用，同時(shí)抑制不利的物理和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的影響。在觸頭材料研究中，首先要解決的兩個(gè)問(wèn)題是：（1）選擇理想的組元和成分；（2）尋求理想的組織結(jié)構(gòu)。其后才是如何實(shí)現(xiàn)理想的組元成分和組織結(jié)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)研究工作的目標(biāo)。

由于銅和鉻既不固溶，也不形成金屬間化合物，使得銅鉻材料不僅保持了銅和鉻各自單一的特性，而且還保存著它們共同的特性。當(dāng)銅鉻材料用作真空斷路器觸頭時(shí)，銅和鉻的這些單一特性和共同特性承擔(dān)著真空斷路器觸頭的主要功能作用，也使其表現(xiàn)出比原先使用的銅中添加低熔點(diǎn)高蒸氣壓元素等其他觸頭材料更為優(yōu)異的綜合電氣特性，即銅具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，是理想的觸頭材料組元（在真空下表現(xiàn)得更為突出），使銅鉻材料具有承載和分?jǐn)啻箅娏鞯哪芰?；鉻具有較高的熔點(diǎn)和機(jī)械強(qiáng)度、低的截流水平和強(qiáng)的親氧性，使銅鉻材料具有耐電弧燒、抗熔、截流水平低和介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)快等特性；為難得的是，銅和鉻具有相近的蒸氣壓，使得銅鉻觸頭在真空電弧的作用下，表面的銅和鉻蒸發(fā)和冷凝的速度相當(dāng)，觸頭表面始終能基本保持其原有的成分，觸頭不會(huì)因?yàn)榻?jīng)過(guò)多次分?jǐn)嗪?，表面成分發(fā)生變化而導(dǎo)致觸頭電氣性能的變化。這對(duì)保證電器可靠性是非常重要的。

經(jīng)過(guò)電弧熔煉的銅鉻觸頭材料與粉末冶金方法制造的銅鉻觸頭材料相比，結(jié)晶組織中夾雜的數(shù)量要少得多、顆粒要小得多，這些夾雜主要是金屬氧化物，如氧化鋁、氧化鉻和氧化硅，在電弧熔煉過(guò)程中，制成自耗電極的銅和鉻逐漸被熔化，銅鉻鑄錠隨之長(zhǎng)高，為了保證整個(gè)鑄錠組織的均勻性，在熔煉過(guò)程中鑄錠必須始終保持一段連續(xù)的熔池。由于金屬氧化物的熔點(diǎn)高、比重小，銅和鉻熔化后，金屬氧化物會(huì)上浮，聚積在熔池的表面，隨熔池移至鑄錠的頂端，直到熔煉結(jié)束后而被切除；或被電弧吹到熔池邊緣，冷凝在鑄錠外圓表面而被去除；電弧熔煉的真空氛圍還有利于銅和鉻中低熔點(diǎn)高蒸氣壓元素的去除?？梢?jiàn)，真空自耗熔煉有區(qū)域熔煉的提純效果。