基本介紹
- 中文名：電弧熔煉
- 外文名：Arc melting
- 特點：電極與被熔煉物料
- 特點：產生電弧
- 學科：物理
簡介,分類,直接加熱式電弧熔煉,間接加熱式電弧熔煉,真空電弧熔煉的銅鉻觸頭材料組織性能分析,銅鉻觸頭的金相組織與形成機理,金相組織對電氣性能的影響,
簡介
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經濟指標有熔煉時間、單位時間熔煉固體爐料的數量(生產能力)、單位固體爐料電耗及耐火材料、電極消耗等。
電弧熔煉
電弧熔煉分類
直接加熱式電弧熔煉
直接加熱式電弧熔煉的電弧產生在電極棒和被熔煉的爐料之間，爐料受電弧直接加熱，電弧是熔煉得以進行的熱量來源。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，調整鋼中含碳量以及其他合金成分含量，脫除有害雜質硫、磷、氧、氮以及非金屬夾雜物至產品規定的範圍以下。這些熔煉任務在電弧爐中完成最為方便。在電弧爐內可以通過造渣將爐內氣氛控制到呈弱氧化性甚至還原性。電弧爐內合金成分燒損較少，加熱過程比較容易調節。因此，儘管電弧熔煉需要消耗大量的電能，但工業上仍然用這種方法來熔煉各種高級合金鋼.
(2)直接加熱式真空電弧爐熔煉法。它主要用來熔煉鈦、鋯、鎢、鉬、鉭、鈮等活潑和高熔點金屬以及它們的合金，也用來熔煉耐熱鋼、不鏽鋼、工具鋼、軸承鋼等合金鋼。經直接加熱式真空自耗電弧爐熔煉出來的金屬，其氣體和易揮發雜質含量下降，鑄錠一般不會出現中心疏鬆，錠子結晶較均勻，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題是較難調整金屬(合金)的成分。爐子設備費雖比真空感應爐低得多，但比電渣爐高，熔煉費用也較之高許多。真空自耗電弧爐是1955年才開始套用於工業生產，最初用於熔煉鈦，隨後用來熔煉其他高熔點金屬和活潑金屬及合金鋼等。
間接加熱式電弧熔煉
真空電弧熔煉的銅鉻觸頭材料組織性能分析
金屬材料的性能是由其成分、組織和結構決定的) 實際套用已經證明了銅鉻仍是當前綜合性能最好的真空斷路器觸頭材料，但是不同工藝方法製造的銅鉻材料、具有不同組織結構的銅鉻材料，其性能差異很大。
通常觸頭經過幾次大電流分斷後具有更高的開斷可靠性，這一現象引發了專業技術人員研究用真空電弧熔煉的方法來製造銅鉻觸頭材料的想法，西門子公司的實踐證明了真空電弧熔煉工藝製造的銅鉻觸頭材料性能的優越性和實際套用的可行性。
銅鉻觸頭的金相組織與形成機理
大電流開斷後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小彌散分布的組織，這層組織不同於開斷前的原始組織，厚度約150微米，鉻顆粒大小約1-5微米。分析認為，開斷大電流過程中電弧產生的高溫使觸頭表面的銅鉻發生了互溶反應，熄弧後，隨著溫度的下降，觸頭表面銅鉻熔液中的鉻結晶，從銅中過飽和析出，而真空滅弧室導電系統良好的導熱性為銅鉻觸頭提供了很強的散熱能力，使銅鉻熔液迅速冷凝，形成了鉻在銅中呈細小彌散分布的組織。
因此，除了通常採用的粉末冶金方法外，冶煉的方法不僅可以製造銅鉻材料，而且可以獲得鉻在銅中呈細小彌散分布的銅鉻組織：（1）把銅和鉻加熱到鉻的熔點1890℃以上使其熔化；（2）凝固時為銅鉻熔液提供足夠快的冷卻速度，即可用冶煉的方法製造機械混合物組織的銅鉻材料。這為真空電弧熔煉工藝製造銅鉻觸頭材料提供了依據。
金相組織對電氣性能的影響
觸頭材料是一種金屬功能材料。在非納米概念的範疇，當觸頭材料的結晶組織是假合金、機械混合物時，發揮和承擔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性質。而理想的組織結構則能改善材料的性能，能更充分地發揮其有利的物理和化學性質的作用，同時抑制不利的物理和化學性質產生的影響。在觸頭材料研究中，首先要解決的兩個問題是：（1）選擇理想的組元和成分；（2）尋求理想的組織結構。其後才是如何實現理想的組元成分和組織結構，最終實現研究工作的目標。
由於銅和鉻既不固溶，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。當銅鉻材料用作真空斷路器觸頭時，銅和鉻的這些單一特性和共同特性承擔著真空斷路器觸頭的主要功能作用，也使其表現出比原先使用的銅中添加低熔點高蒸氣壓元素等其他觸頭材料更為優異的綜合電氣特性，即銅具有良好的導電和導熱性能，是理想的觸頭材料組元（在真空下表現得更為突出），使銅鉻材料具有承載和分斷大電流的能力；鉻具有較高的熔點和機械強度、低的截流水平和強的親氧性，使銅鉻材料具有耐電弧燒、抗熔、截流水平低和介質強度恢復快等特性；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，表面的銅和鉻蒸發和冷凝的速度相當，觸頭表面始終能基本保持其原有的成分，觸頭不會因為經過多次分斷後，表面成分發生變化而導致觸頭電氣性能的變化。這對保證電器可靠性是非常重要的。
