【科研仪器非标】真空电弧熔炼

  真空电弧炉熔炼，是在真空条件下，通过低电压、大电流形成的电弧作为热源来熔炼金属或合金，并产生铸锭的冶金生产过程。产生电弧的电极可以是损耗的，也可以是不损耗的。科研仪器非标不损耗的电极在熔炼过程中电极实际上只是产生热量，使熔池中的炉料熔化，电极本身并不消耗。这种电极一般采用高耐热材料，如钨（镀钍）、金属碳化物或石墨等制造，近代采用的水冷电极也是一种不损耗电极。为有助于气体离子化及减少电极蒸发，一般在惰性气体保护下，而不在真空下使用。采用非自耗电极的真空电弧炉叫做非自耗电极及电弧炉，简称非自耗炉。损耗电极是通常把需要熔化的材料制成棒状电极，电极在熔炼过程中消耗。采用自耗电极的真空电弧炉叫做自耗电极电弧炉，简称自耗炉。目前真空电弧熔炼已经应用相当广泛，不仅用来生产活泼金属（钛）和难熔金属（如钨、钼、钒、锆等），而且也用来生产大量的镍基合金。

  真空自耗电极电弧熔炼炉（VAR）的基本过程是，金属电极在直流电弧高温作用下，迅速熔化并在水冷结晶器内凝固。当液态金属以熔滴形式通过近5000K的电弧区并汇聚到结晶器保持和凝固的过程中，发生一些列的物理化学反应，使金属得到精炼，从而达到成分均匀，金属净化、改善结晶结构，提高性能的目的。

  随着阴极被加热的温度的提高，发射出的热电子在电场作用下使得气体发生电离。在电弧中，引起气体电离的方式有如下方式：

  ①.热电子与气体分子的碰撞电离；

  ②.高温气体在高能作用下相互碰撞产生的热电离；

  ③.原子吸收光能发生的光电离；

  ④.电场作用下的正负离子运动与气体分子碰撞产生的连锁电离过程。

  在整个电离过程中，一方面存在气体分子不断离解为正离子和电子的电离过程；另一方又存在正离子捕获电子而复原成中性分子的复合过程。在一定条件下，这两个过程将达到动态平衡，保持一定的电离度。

  在电场作用下，气体发生电离而导电的现象叫做气体放电。气体放电有微光放电、辉光放电、弧光放电三种形式，辉光放电和弧光放电都是气体自激导电的形式。辉光放电的特点是电压高电流小，仅有少量电子和正离子参与导电过程。由于弧光放电是在低压大电流的条件下产生电离、中和及电子发射过程，所以电弧能产生很高的温度而使金属熔化，并发出耀眼的光。电弧实际上是由阴极发射的热电子和气体电离以后离子构成的等离子体组成。电弧分为阴极区、弧柱区和阳极区三部分组成，在真空中电弧的外形犹如一个钟罩。

  电弧的稳定性对真空电弧熔炼是非常重要的，当炉内气体压力和其他工艺参数控制不好时，电弧便不稳定，易产生边弧和扩散弧，严重时会烧穿坩埚，造成严重事故。因此在工艺设计和熔炼过程中必须确保电弧的稳定，电弧的稳定除了弧长之外，主要收到炉内压力和电磁场的影响。

  ①.压力对电弧的影响

  真空自耗电极电弧炉熔炼时，炉室的压力要比弧区的压力低。炉内压力对电弧的影响，一般弧柱随着气体压力增高，弧柱断面被压缩，电流密度增大，弧柱温度升高。实践证明，气相压力在10⁵～6.7×10³Pa范围内电弧是稳定的，。当压力在6.7×10³～67Pa时，科研仪器非标电弧在坩埚内会严重漂移，弧芯与四周晕光的界线逐渐消失，阴极斑点面积扩大，电流密度降低，弧柱开始分散，并且电极可能爬上电极侧面和坩埚之间，这种现象称为“爬弧”，爬弧可能造成坩埚烧穿出现事故。当气压降低到67Pa以下时，电弧又恢复稳定，此电弧称为真空电弧，此压力称为临界压力。一般电弧熔炼的压力控制在67Pa～1.3Pa之间就是要创造真空电弧熔炼的环境。

  ②.磁场对电弧的影响及稳弧线圈的作用

  在理想情况下,电弧的轴线应该与电极的轴线相重合,但电弧本身是由各种荷电质点组成的等离子体,当电弧受到周围气流和磁场的干扰,电弧将发生不同程度的歪扭和偏转,电弧的这种改变被称为吹偏,分为气吹偏和磁吹偏。为了避免磁吹偏，常利用外加磁场来稳定电弧。就是外加一个沿电极轴线方向的纵向磁场，这一磁场是靠绕在电弧炉水冷结晶器外的电磁线圈建立起来的，称这一线圈为稳弧线圈。稳弧线圈可以纠正电弧中任何带电粒子由于受到某种干扰而偏离轴线的运动。

  一般电弧熔炼过程，弧区和两极的温度有明显不同。具体的温度值与电极材料、电流大小、气相成分等都有关系。对于以钛做阴极的自耗电弧炉来说，阴极的温度高达1775℃，科研仪器非标作为阳极的金属熔池的表面温度约为1850℃，而弧柱中心的温度则高达4700℃。