电弧熔炼是利用电弧放电产生的高温来熔炼金属，并在真空条件下， 实现熔体的脱氧、杂质挥发和夹杂分解等熔体净化过程。 （1）电弧：
1 －阴极区； 2 －弧柱区； 3 －阳极区； 4 －温度曲线； 5 －聚弧； 6 －边弧； 7 －爬弧； 8 －阴极斑点； 9 －自耗电极； 10－铸锭。
电弧分区
1 －阴极区= 阴极斑点＋负刷＋暗区； 2 －弧柱区= 弧柱＋负弧焰； 3 －阳极区= 阳极斑点＋正刷。
真空熔炼
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本章内容要点： 真空熔炼技术简介 真空熔炼的相关理论 真空熔炼设备介绍
第七章，真空熔炼
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本课程内容目录：
7.1真空熔炼技术简介 7.1.1真空熔炼的特点 7.1.2稀有金属熔炼的特点 7.1.3真空熔炼对稀有金属的适应性 7.2真空熔炼的理论基础 7.2.1分解 7.2.2脱氧 7.2.3金属及非金属成分的挥发 7.2.4坩锅与金属间的反应
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1 －电缆； 2 －水冷电杆； 3 －炉壳； 4 －夹头； 5 －过渡极； 6 －真空管道； 7 －自耗电极； 8 －结晶器； 9 －稳弧线圈； 10－电弧； 11－熔池； 12－铸锭； 13－冷却水； 14－冷却水口。 真空电弧分为：自耗和非自耗型 电弧的工作电压：20～28VDC 电流：几千到几万安培


7.3真空感应炉熔炼 7.4真空电弧炉熔炼 7.4.1真空电弧炉工作原理 7.4.2真空电弧炉 7.4.3真空自耗电弧熔炼过程
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7.5电子束炉熔炼
7.6等离子炉熔炼

7.1真空熔炼技术的发展
7.1.1真空熔炼的特点 根据熔体中H的溶解度与其分压的平方根关系：
缺点是： （1）熔炼时金属容易挥发，成分控制困难； （2）熔炼炉结构复杂，造价和运行费用高； （3）电子束的高压（2万伏特～3万伏特）加速电子流，产生X射线，对 人体有伤害。
7.6等离子炉熔炼 7.6.1等离子炉熔炼的工作原理：
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1 －等离子枪； 2 －棒料； 3 －搅拌线圈； 4 －结晶器； 5 －铸锭； 6 －料槽； 7 － 振动器； 8 －料仓； 9 －电源； 10－溶池； 11－等离子体； 12－钨电极； 13－非转移弧； 14－转移弧； 15－高频电源。 等离子炉的结构原理图
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等离子炉的工作原理: 用直流电加热非自耗电极或中空阴极以产生电子束，将通过阴极附 近的惰性气体离解，再以高度稳定的等离子弧从枪口喷到阳极炉料上使 之熔化。
7.6.2等离子炉熔炼的特点：
（1）温度高，能量集中，熔化速度快； （2）功率调节方便，工艺适应性好； （3）不完全依靠真空条件，可使炉内充填所需气体； （4）具有良好的脱气净化作用； （5）合金元素的烧损比较小； （6）电压低绝缘性好。
7.1.3真空熔炼对稀有金属的适应性
（1）真空熔炼，能防止稀有金属受大气和耐火材料的污染； （2）真空熔炼，可以获得气体与夹杂含量低，机械性能高，加工性好 的金属铸锭； （3）采用真空电弧熔炼，可以获得2000°C以上的高温，保证了稀有金属熔 炼所需的高温条件。
7.2真空熔炼的理论基础
Melting & casting源自7.3.2真空感应熔炼的特点：
（1）净化效果好，是熔炼金属或合金的含气量低； （2）合金元素的氧化损失小，氧化夹杂少； （3）可以不用覆盖剂，熔体不易被氧化； （4）能提高金属或合金的机械性能和塑性成形能力。
7.4真空电弧炉熔炼 7.4.1真空电弧熔炼的工作原理：
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按合金元素与氧的亲和力的大小，由大到小 依次排列为：
Be—Li—Mg—Na—Ca—Al—Ti—Si—Mn —Cr—Zn—Fe—Ni—Cu Al以上的与氧亲和力大，是表面活性元素
7.2.3 真空使金属及非金属挥发的特点 真空熔炼不仅使易挥发（蒸汽压大）的金属挥发，而且使蒸气压较 小的杂质及某些氧化物也能挥发。因此，真空熔炼的重要问题之一是如 何控制挥发速率及其损失，可以利用此种特性，去除杂质元素，净化金 属熔体，同时，为了控制合金元素的含量不受损失，通常在真空熔炼后 期加入易挥发的合金元素，也可以在添加合金元素时，向炉内充入一定 压力的惰性气体。 7.2.3 真空条件下坩锅与金属熔体的反应情况 真空条件下，促进了坩锅与熔体的反应，而使耐火材料损坏和金属熔 体污染－增氧。 例如，熔炼含Ti的金属熔体时，与SiO2及Al2O3耐火材料反应： SiO2＋[Ti ]→2SiO↑+TiO2 真空条件下， SiO不断溢出，从而促进 了反应的进行。 同样， Al2O3＋[Ti] →4/3[Al]+TiO2 Al2O3＋3[C] →3CO↑ +2 [Al]……
真空感应电炉结构图
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7.3.1真空感应熔炼的工作原理：
（1）加热采用无铁芯的感应熔炼炉（两吨以下的真空熔炼炉，通常采用 500~4000Hz的中频电源，大型电炉多采用三倍工频或工频电源）； （2）熔炼炉装在一个真空室中，炉料在真空或惰行气体中熔炼，真空系 统采用初级真空泵和增压泵抽取真空，并由真空阀门和检测仪表 组 成，对于采用油增压泵和罗茨泵并联的真空系统，其真空度可达 0.06Pa； （3）在水冷条件下，对感应加热器及结晶器进行冷却处理； （4）并在真空条件下，熔炼和浇铸金属熔体。
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阴极斑点为：阴极表面发射的电子是在局部区域发射的，并在该区域显示出 光亮的轮廓，成为阴极斑点或发射辉点，具有游动的特点（发射电子逸出功 最小的区域移动）。
典型的螺旋型电弧图片
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弧柱：弧柱是电弧的主体，它是电弧中温度最高的区域，比阴极斑点和阳极斑点的温度还 高， 其温度的高低与气体的导电性和电离势有关，同时，压力对电弧的温度和稳定性影响非常 大，压力增加，弧柱断面积减小，电流密度增大，其温度增加，当压力在 10KPa～4KPa时， 电弧的稳定性较好，当压力低于4KPa时，电流密度降低，弧柱分散，出现爬弧现象（电弧 出现在电极侧面和坩锅之间），使电弧热量分散，不足以使熔池内的金属熔化，使电弧稳 定的临界压力为13KPa~66KPa之间，此压力下的电弧成为“真空电弧”此时，弧区完全由 金属蒸汽代替原来的气体来支持电弧。 阳极斑点：位于阳极表面，其外观与阴极斑点有些相似，是接收电子和负离子的地方，阳 极斑点是电子和离子的轰击区域，其温度高于阴极斑点，
真空电弧炉结构图
7.4.3真空自耗电弧熔炼的过程：
Melting & casting 熔炼的全过程分为：引弧阶段、正常熔炼阶段、头部补缩阶段。 （1）引弧阶段：使电弧引燃并形成一定深度的熔池； （2）正常熔炼阶段：熔炼并去除气体、金属夹杂物及有害杂质，使成分均匀化 改善结晶组织； （3）头部补缩阶段：尽量减少铸锭头部的缩孔和疏松现象，通常采用多级补缩 和低电流保温的工艺操作。
总结：
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7.1真空熔炼技术简介
7.2真空熔炼的理论基础
7.3真空感应炉熔炼 7.4真空电弧炉熔炼 7.5电子束炉熔炼 7.6等离子炉熔炼
思考题： 真空熔炼过程的动力学和热力学分析
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7.3真空感应炉熔炼
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1 －绞盘； 2 －炉料； 3 －闸门； 4 －熔炼室； 5 －加料斗； 6 －感应器； 7 －弹簧； 8 －卸锭门； 9 －锭模； 10－闸门； 11－升降机构； 12－旋转门； 13－机械泵； 14－扩散泵。
7.1.2稀有金属熔炼的特点 （1）具有较高的熔点，其中，钨、钼、钽、铌被称为四大难熔金
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属(3380℃, 2620℃, 3410 ℃, 2468℃) ，在熔炼时需要较高的加热温度， 增加了氧化、吸气、造渣的危险； （2）具有较高的化学活性，特别是与氧、氮和氢等间隙元素的亲 和力大，具有很强的氧化和吸气倾向； （3）间隙元素对稀有金属的加工性能和使用性能的影响极其敏感， 氧、氮和氢三大元素的含量大于0.035~0.045%时，则难以加 工变形。
电子枪的结构
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7.5.2电子束炉的基本特点：
电子束炉是电子束发射、真空熔炼和水冷坩锅铸锭三个主要技术的 结合，其基本优点是： （1）高的真空度（0.027Pa~0.00027Pa)，对于难熔的金属(钨、钼、钽、 铌）中的蒸汽压较高的杂质（碳、钒、铁和硅等金属）挥发并去 除； （2）熔炼速度和加热速度可以在较大范围内调节，有利于液态金属中碳 和氧反应及扩散能力低的杂质，迅速扩散到金属表面； （3）功率密度高，溶池温度高，同时电子束的扫描，对金属溶池有搅拌 作用；
还包括： 7.2.1 真空对化合物分解特点 当气体和夹杂以金属化合物形式存在时，是难以去除的，然而，在 真空和高温条件下，它们容易分解形成气体，从而比较好去除。 （见图7－1，氧化物生成自由能与温度关系曲线）
7.2.2 真空的脱氧特点
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与氮化物、氢化物相比，氧化物的分解压很低，通常是1.33×105Pa，远低于真空设备所能达到的真空条件，因此，只能靠加入脱氧剂 （还原剂）脱氧。 脱氧剂包括：碳脱氧剂、氢脱氧剂和金属脱氧剂。 （1）碳脱氧剂－在真空条件下，其脱氧能力是常压下的100倍，是一 种真空强脱氧剂，其脱氧反应简式为： [C]+[O]→CO↑由于真空条件下，生成的气体被逐渐的抽走， 所以，使反应顺利进行。 （2）氢脱氧剂－用氢还原金属氧化物的氧，其反应简式为： H2+[O]→H2O↑ 当采用碳脱氧形成稳定的化合物的情况，适 合采用氢脱氧法，但有一定的危险。 （3）金属脱氧剂－加入一种高活性的金属，它与氧的亲合力大，从而 使氧化物还原，并形成低熔解度的稳定氧化物，达到脱氧的目的。