真空電弧爐

真空電弧爐按電極類型(見電弧爐電極)主要分自耗爐和非自耗爐兩大類。工業(yè)上用的主要是自耗爐。也有同時采用自耗電極和非自耗電極的爐型，由自耗電極提供主爐料，由非自耗電極進(jìn)行輔助加熱，澆制鑄件的爐子往往采用這樣的爐型。

自耗爐的電極由被熔煉材料本身制成， 叫自耗電極。在熔煉過程中，電極端頭逐漸被熔化，滴入水冷銅坩堝中，電極本身不斷自耗。真空自耗電弧爐主要用于重熔鈦、鋯、鉬、鉭、鈮等活潑金屬和難熔金屬的坯料以制取鑄錠，如把海綿鈦電極重熔成鈦錠。這種電弧爐也可用于精煉合金鋼和制取大直徑優(yōu)質(zhì)鋼錠， 如用于制造發(fā)電機軸和軋輥等的鍛坯。

非自耗爐的電極用鎢等高熔點材料制成。工作中電極本身不消耗，爐料需用別的途徑加入爐內(nèi)。這種電弧爐主要用于在真空中澆制上述材料的異型鑄件和在實驗室中制取試驗用坯錠。

以真空自耗電弧爐為例說明如下。成套設(shè)備由爐體、水冷銅坩堝、真空機組、光學(xué)觀察裝置、控制系統(tǒng)、直流電源等部分組成， 如圖1所示。

爐體由爐殼、上下端蓋、電極桿及其升降機構(gòu)、爐架等組成。電極桿與上端蓋間有滑動密封裝置，桿的下端接自耗電極、上端連升降機構(gòu)。爐體下端接坩堝。

坩堝通常做成圓筒形，分內(nèi)外兩層，分別用銅和不銹鋼制造，中間可通水冷卻。熔煉時，金屬熔滴滴入坩堝后先形成熔池，然后逐漸冷凝結(jié)晶成錠子。因此這種坩堝又叫水冷銅結(jié)晶器。還有一種坩堝呈半球形，有澆注口，可傾倒。熔煉時，其內(nèi)面會結(jié)上一層由被熔金屬本身冷凝成的殼體。采用這種坩堝的爐子用來在真空中澆制鑄件， 又叫凝殼爐或殼式真空電弧熔鑄爐。

真空機組通常以羅茨泵或油增壓泵為主， 配以前級機械泵。從熔煉工藝和安全要求出發(fā)，真空機組應(yīng)能保證爐內(nèi)工作壓力不超過10 Pa(通常在0.1～1 Pa范圍內(nèi))。

光學(xué)觀察裝置用來觀察爐內(nèi)的熔煉過程。也有采用工業(yè)電視系統(tǒng)的。

控制系統(tǒng)中主要是電極自動調(diào)節(jié)器， 用來控制電弧長度使電弧功率和熔化過程穩(wěn)定。采用計算機過程控制系統(tǒng)，一個人可管理幾臺爐子。

直流電源多采用硅整流裝置， 工作電壓20～40V， 空載電壓約為80 V， 工作電流每100 mm (直徑)結(jié)晶器為1600～3500 A， 電流可作大范圍 (約10：1)調(diào)節(jié)。電源應(yīng)具有恒流特性，短路電流應(yīng)不超過額定電流的1.2倍。自耗爐的熔化電耗在500～1100 kW·h/t范圍內(nèi)。

電弧是氣體的一種弧光放電。氣體弧光放電表現(xiàn)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(qū)溫度很高（約5000k）。巨大的電流密度來自于陰極的熱電子發(fā)射，以及電子的自發(fā)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(fā)射電子。大量電子在極間碰撞氣態(tài)分子使之電離，產(chǎn)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(jié)果獲得高溫。陰極因電子發(fā)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(fù)合放熱而產(chǎn)生高溫。

電弧爐即是用這種原理熔煉金屬的工業(yè)爐。在真空環(huán)境下的電弧爐就是真空電弧爐，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22～65V，對應(yīng)弧長為20～50mm（后者為大錠）。從1839年熔煉白金絲實驗成功以來，在以后的一百多年人們開始研究難熔金屬的熔煉。1953年真空電弧爐才正式用到工業(yè)上。直到1956年，美國和歐洲許多國家還在用非自耗爐熔煉鈦，1955年開始用自耗爐煉鋼。1960年左右自耗爐生產(chǎn)的錠重已達(dá)30多噸，初具規(guī)模。電弧爐發(fā)展的情況可以用美國康撒克公司制造的真空自耗爐為代表。為了提高生產(chǎn)率和設(shè)備的利用率，兩臺爐子共用一套主電源、真空系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。

在真空狀態(tài)下對工件（或材料）進(jìn)行熱處理，可提高工、模具的使用壽命，無氧化、無脫炭、表面光亮、變形小、節(jié)省能源無公害，并改變機械性能和冶金性能等優(yōu)點。

與煉鋼電弧爐和埋弧爐等非真空電弧爐比較， 真空電弧爐的特點是：①用直流電源供電(電極接負(fù)極、坩堝接正極)，電弧在真空中相對穩(wěn)定，不易熄滅。②電極和坩堝通常都用金屬材料制成， 爐內(nèi)沒有耐火材料爐襯。③熔煉中被熔煉金屬能免受氧化和耐火材料的污染， 并得到良好的脫氣和促進(jìn)金屬氧化物分解的精煉效果。④由于在密閉容器中熔煉， 所以環(huán)境污染小，工作環(huán)境好。⑤特別需要注意安全。真空電弧爐工作中，特別當(dāng)熔煉鈦、鋯等活潑金屬時，如冷卻水進(jìn)入坩堝，會引起爆炸。防范措施較多，主要有：電極與坩堝壁間的凈空距離應(yīng)大于電弧長度， 在坩堝外側(cè)設(shè)置直流穩(wěn)弧線圈，供電電纜作對稱布置，電極自動調(diào)節(jié)器應(yīng)足夠靈敏等， 以防止電極與坩堝壁之間產(chǎn)生邊弧把坩堝擊穿;確保冷卻水暢通;設(shè)置防護墻，操作人員在墻外觀察操縱等。

1903年， 英國人W.V. 伯頓(W.V. Bolton)首次使用自耗電極在真空充氬氣氛下進(jìn)行了鉭的熔煉。第二次世界大戰(zhàn)后，由于鈦生產(chǎn)的需要，真空電弧爐首先在美國得到工業(yè)應(yīng)用。1949～1953年美國人杰伯特 (Gillbert)成功地進(jìn)行了海綿Zr、Ti的真空電弧熔煉。50年代中期， 由于導(dǎo)彈、重型武器裝備生產(chǎn)的需要， 真空電弧爐開始用于高級合金鋼和高溫合金的重熔。1957年用于特殊鋼熔煉的真空電弧爐在美國的Allegheny Ludlum Steel公司和UniversalCyclope公司投入工業(yè)運行。同年，聯(lián)邦德國、日本等國也相繼成功地研制出特殊鋼熔煉用真空電弧爐， 并投入工業(yè)運行。

80年代初，美國特種金屬公司(SpecialMetals Corp) 研制出采用兩根水平布置的自耗電極取代傳統(tǒng)真空自耗爐中單根垂直懸掛的自耗電極，靠兩根電極極間的電弧來熔化金屬的真空電弧雙電極重熔爐。此爐的主要優(yōu)點是：①可生產(chǎn)超細(xì)晶粒的高溫合金鋼錠；②電耗低。1989年能夠生產(chǎn)?300 mm、重2 t錠子的真空電弧雙電極重熔爐在美國投入工業(yè)運行。20世紀(jì)末，世界上容量最大的真空電弧爐是美國Midvale-Heppenstall公司于1961年設(shè)置、1962年實施技術(shù)改造的特殊鋼熔煉用52 t真空電弧爐，可以用于?1520 mm鋼錠的重熔。

中國于20世紀(jì)60年代開始研究、制造真空電弧爐。60年代中期，西安電爐研究所與長春電爐廠合作為長城鋼廠設(shè)計、制造了3000 kg真空自耗爐。中國生產(chǎn)并投入使用的真空電弧爐主要有250、1000、3000 kg等幾種規(guī)格。另外，中國還擁有可熔鑄重15 t鈦錠的真空自耗爐和鑄件重達(dá)1 t的凝殼式真空電弧熔鑄爐等。

20世紀(jì)90年代以來，由于鋼包精煉爐和電渣重熔爐等的迅猛發(fā)展與競爭，真空電弧爐在煉鋼方面的應(yīng)用已日趨減少。

真空電弧爐是在抽真空的爐體中用電弧直接加熱熔煉金屬的電爐。爐內(nèi)氣體稀薄，主要靠被熔金屬的蒸氣發(fā)生電弧，為使電弧穩(wěn)定，一般供直流電。按照熔煉特點，分為金屬重熔爐和澆鑄爐。按照熔煉過程中電極是否消耗（熔化），分為自耗爐和非自耗爐，工業(yè)上應(yīng)用的大多數(shù)是自耗爐。真空電弧爐用于熔煉特殊鋼、活潑的和難熔的金屬如鈦、鉬、鈮（見真空冶金）。

真空電弧凝殼爐(Vacuum arc furnace)真空電弧重熔爐的改型設(shè)備，簡稱真空凝殼爐。它是利用真空電弧爐的熔煉條件，采用可以傾動的淺底水冷坩堝、控制冷卻水量使被熔煉金屬在坩堝壁內(nèi)形成一薄層“凝殼”，將被熔煉金屬液與坩堝陷離，這樣就避免了坩堝對活性金屬液的沾污。而且可以形成相當(dāng)大的熔池，熔煉結(jié)束時快速傾動鉗垠將金屬液注入錠?；蜩T型凝固。真空凝殼爐是克服了真空電弧爐不能鑄型和真空感應(yīng)爐有耐火材料柑渦對活性金屬沾污的弊端，集兩者優(yōu)點面成的真空電爐 。

真空爐即真空熱處理爐，根據(jù)應(yīng)用設(shè)備來區(qū)分，大概包含以下種類：

真空淬火爐、真空釬焊爐 、真空退火爐、真空加磁爐、真空回火爐、真空燒結(jié)爐、真空擴散焊爐、真空滲碳爐等。

真空爐按加熱方式分為真空電阻爐、真空感應(yīng)爐、真空電弧爐、真空自耗電弧爐、電子束爐（又稱電子轟擊爐）和等離子爐等。