真空電弧凝殼爐

真空電弧凝殼爐結(jié)構(gòu)示意于圖1。

凝殼爐坩堝多采用水冷銅坩堝(根據(jù)需要也可采用帶有水冷套圈的石墨坩堝)。熔煉真空度一般為5~5×10^-1Pa。

真空凝殼爐熔煉時(shí)，電弧熔化自耗電極形成的液體金屬聚集在水冷銅坩堝內(nèi)。為了盡快地獲得大量熔融金屬，需使用較高的熔煉功率，但所供入的電流和由此引起的金屬過熱不應(yīng)使在坩堝內(nèi)壁上形成的凝殼熔化。當(dāng)用自耗電極熔煉完所需要的金屬量時(shí)，斷開電源，并迅速傾轉(zhuǎn)坩堝將液體金屬注入錠模或鑄型 。

一般說來，采用自耗電極重熔工藝時(shí)，使用較高的熔煉功率可以導(dǎo)致較快的熔化速率。而欲使水冷銅坩堝內(nèi)壁凝殼保持一定的厚度，又要求坩堝內(nèi)的液體金屬保持一定的過熱溫度是比較困難的，可以將按所需金屬量制成的自耗電極熔焊在一根鎢棒上，這樣當(dāng)自耗電極材料熔完以后，利用熔池上方的鎢棒作為一個(gè)非自耗電極，繼續(xù)進(jìn)行熔煉，并提高和調(diào)整液體金屬的溫度 。

真空電弧凝殼爐(Vacuum arc furnace)真空電弧重熔爐的改型設(shè)備，簡(jiǎn)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(dòng)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(duì)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(shí)快速傾動(dòng)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(duì)活性金屬沾污的弊端，集兩者優(yōu)點(diǎn)面成的真空電爐 。

1950年美國(guó)發(fā)明了第一臺(tái)小型(4.5kg)真空電弧凝殼爐。后來各國(guó)又出現(xiàn)了電子束凝殼爐、等離子體凝殼爐等，但常用的是真空電弧凝殼爐，簡(jiǎn)稱真空凝殼爐 。

在真空電弧重熔過程中，金屬的熔化和凝固過程同時(shí)進(jìn)行，由子在水冷銅結(jié)晶器內(nèi)存在大的溫度梯度，在這種條件下凝固會(huì)形成粗大晶體。而在真空凝殼爐熔煉中，金屬的熔化和澆注完全分開進(jìn)行，由于金屬液面沒有電極的陽極輝點(diǎn)，熱場(chǎng)相對(duì)均勻，加之熔池發(fā)生攪動(dòng)，促使鑄件凝固時(shí)長(zhǎng)大的晶體前沿形成過冷金屬液，在該處出現(xiàn)補(bǔ)充的結(jié)晶中心，從而可以獲得細(xì)晶組織，這是真空凝殼爐較真空電弧爐熔煉的又一優(yōu)點(diǎn)。真空凝殼爐熔煉的鑄件具有較高的機(jī)械性能。例如一般真空電弧爐熔煉的MT(Mo 0.5%Ti)合金的延伸率占為1%-2%,而用真空凝殼爐熔煉的同一合金的占為3%~5% 。

中國(guó)1964年開始研制小型真空凝殼爐，現(xiàn)已有容量為5、25、50、100和250kg的真空凝殼爐產(chǎn)品。許多國(guó)家已廣泛應(yīng)用真空凝殼爐，坩堝聚集的金屬可達(dá)300kg以上，可以獲得各種毛坯和成型鑄件。真空凝殼爐熔煉可以用來熔煉和鑄造欽和欽合金，也用它熔煉和鑄造鎢、鉬、鉭、鈮等合金，還用以回收部分鈦和鈦合金廢料 。

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(diǎn)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(duì)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(shí)，如冷卻水進(jìn)入坩堝，會(huì)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(zhǎng)度， 在坩堝外側(cè)設(shè)置直流穩(wěn)弧線圈，供電電纜作對(duì)稱布置，電極自動(dòng)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(hù)墻，操作人員在墻外觀察操縱等。

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(shí)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(jī)軸和軋輥等的鍛坯。

非自耗爐的電極用鎢等高熔點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室中制取試驗(yàn)用坯錠。

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(diǎn)，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）。