真空冶金熔煉設備的一種。爐體為密閉容器，抽成真空或充 以惰性氣體。由爐頂通入的電極和爐底水冷結晶器通電引弧後，產生電弧，借 電弧熱量使金屬或合金熔化，並在結晶器內凝固。電極由被熔煉的金屬製成的 叫“自耗電極真空電弧爐”，如用不熔化的材料作電極的叫“非自耗電極真空電 弧爐”。產品中雜質少，氣體含量低、鑄錠組織好，具有優良的機械和物理性能。 適宜於熔煉高熔點金屬、活性金屬、特殊鋼和金屬。
基本介紹
- 中文名：真空電弧爐
- 外文名： vacuum arc furnace
- 學科：冶金工程
- 類別：真空冶金熔煉設備
- 分類：自耗爐和非自耗爐
- 使用範圍：高熔點金屬、活性金屬、特殊鋼
原理,特點,分類,設備組成,歷史與發展,
原理
電弧是氣體的一種弧光放電。氣體弧光放電錶現為極間電壓很低，但通過氣體的電流卻很大，有耀眼的白光，弧區溫度很高（約5000k）。巨大的電流密度來自於陰極的熱電子發射，以及電子的自發射，即在陰極附近有正離子層，形成強大的電場，使陰極自動發射電子。大量電子在極間碰撞氣態分子使之電離，產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，結果獲得高溫。陰極因電子發射用去部分能量，所以溫度低於陽極。極間也因部分正離子與電子複合放熱而產生高溫。
電弧爐即是用這種原理熔鍊金屬的工業爐。在真空環境下的電弧爐就是真空電弧爐，真空電弧熔煉採用大電流低電壓，屬於短弧操作。一般電弧電壓為22～65V，對應弧長為20～50mm（後者為大錠）。從1839年熔煉白金絲實驗成功以來，在以後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年左右自耗爐生產的錠重已達30多噸，初具規模。目前發展的情況可以用美國康撒克公司製造的真空自耗爐為代表。為了提高生產率和設備的利用率，兩台爐子共用一套主電源、真空系統和自動控制系統。
在真空狀態下對工件（或材料）進行熱處理，可提高工、模具的使用壽命，無氧化、無脫炭、表面光亮、變形小、節省能源無公害，並改變機械性能和冶金性能等優點。
特點
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(電極接負極、坩堝接正極)，電弧在真空中相對穩定，不易熄滅。②電極和坩堝通常都用金屬材料製成， 爐內沒有耐火材料爐襯。③熔煉中被熔鍊金屬能免受氧化和耐火材料的污染， 並得到良好的脫氣和促進金屬氧化物分解的精煉效果。④由於在密閉容器中熔煉， 所以環境污染小，工作環境好。⑤特別需要注意安全。真空電弧爐工作中，特別當熔煉鈦、鋯等活潑金屬時，如冷卻水進入坩堝，會引起爆炸。防範措施較多，主要有：電極與坩堝壁間的淨空距離應大於電弧長度， 在坩堝外側設定直流穩弧線圈，供電電纜作對稱布置，電極自動調節器應足夠靈敏等， 以防止電極與坩堝壁之間產生邊弧把坩堝擊穿;確保冷卻水暢通;設定防護牆，操作人員在牆外觀察操縱等。
分類
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。工業上用的主要是自耗爐。也有同時採用自耗電極和非自耗電極的爐型，由自耗電極提供主爐料，由非自耗電極進行輔助加熱，澆制鑄件的爐子往往採用這樣的爐型。
自耗爐的電極由被熔煉材料本身製成， 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於重熔鈦、鋯、鉬、鉭、鈮等活潑金屬和難熔金屬的坯料以製取鑄錠，如把海綿鈦電極重熔成鈦錠。這種電弧爐也可用於精煉合金鋼和製取大直徑優質鋼錠， 如用於製造發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製成。工作中電極本身不消耗，爐料需用別的途徑加入爐內。這種電弧爐主要用於在真空中澆制上述材料的異型鑄件和在實驗室中製取試驗用坯錠。
設備組成
以真空自耗電弧爐為例說明如下。成套設備由爐體、水冷銅坩堝、真空機組、光學觀察裝置、控制系統、直流電源等部分組成， 如圖所示。
爐體由爐殼、上下端蓋、電極桿及其升降機構、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。爐體下端接坩堝。
坩堝通常做成圓筒形，分內外兩層，分別用銅和不鏽鋼製造，中間可通水冷卻。熔煉時，金屬熔滴滴入坩堝後先形成熔池，然後逐漸冷凝結晶成錠子。因此這種坩堝又叫水冷銅結晶器。還有一種坩堝呈半球形，有澆注口，可傾倒。熔煉時，其內面會結上一層由被熔金屬本身冷凝成的殼體。採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，真空機組應能保證爐內工作壓力不超過10 Pa(通常在0.1～1 Pa範圍內)。
光學觀察裝置用來觀察爐內的熔煉過程。也有採用工業電視系統的。
控制系統中主要是電極自動調節器， 用來控制電弧長度使電弧功率和熔化過程穩定。採用計算機過程控制系統，一個人可管理幾台爐子。
直流電源多採用矽整流裝置， 工作電壓20～40V， 空載電壓約為80 V， 工作電流每100 mm (直徑)結晶器為1600～3500 A， 電流可作大範圍 (約10：1)調節。電源應具有恆流特性，短路電流應不超過額定電流的1.2倍。自耗爐的熔化電耗在500～1100 kW·h/t範圍內。
歷史與發展
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行了鉭的熔煉。第二次世界大戰後，由於鈦生產的需要，真空電弧爐首先在美國得到工業套用。1949～1953年美國人傑伯特 (Gillbert)成功地進行了海綿Zr、Ti的真空電弧熔煉。50年代中期， 由於飛彈、重型武器裝備生產的需要， 真空電弧爐開始用於高級合金鋼和高溫合金的重熔。1957年用於特殊鋼熔煉的真空電弧爐在美國的Allegheny Ludlum Steel公司和UniversalCyclope公司投入工業運行。同年，聯邦德國、日本等國也相繼成功地研製出特殊鋼熔煉用真空電弧爐， 並投入工業運行。
80年代初，美國特種金屬公司(SpecialMetals Corp) 研製出採用兩根水平布置的自耗電極取代傳統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。此爐的主要優點是：①可生產超細晶粒的高溫合金鋼錠；②電耗低。1989年能夠生產⏀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運行。20世紀末，世界上容量最大的真空電弧爐是美國Midvale-Heppenstall公司於1961年設定、1962年實施技術改造的特殊鋼熔煉用52 t真空電弧爐，可以用於⏀1520 mm鋼錠的重熔。
中國於20世紀60年代開始研究、製造真空電弧爐。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計、製造了3000 kg真空自耗爐。中國生產並投入使用的真空電弧爐主要有250、1000、3000 kg等幾種規格。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1 t的凝殼式真空電弧熔鑄爐等。
20世紀90年代以來，由於鋼包精煉爐和電渣重熔爐等的迅猛發展與競爭，真空電弧爐在煉鋼方面的套用已日趨減少。
