宇航材料所需的高级冶炼设备：真空自耗电弧炉

　　世界上第一台真空自耗电弧炉是于1950年在美国诞生的。

　　真空自耗电弧炉是在真空室中利用电弧的能量来熔炼金属的一种电炉。真空自耗电弧炉主要用来熔炼钛、锆、钼等活泼金属和难熔金属，也用来熔炼耐热钢、不锈钢、工具钢、轴承钢。上个世纪五十年代初，用来重熔高温合金，显示出极好的优越性，成为高温合金和特殊钢重熔的重要手段之一。

真空自耗电弧炉的工作原理

　　真空自耗电弧炉结构示意图示于图2。

　　在电极下端部形成熔滴和熔滴滴落过程中，产生一定的物理化学反应，它能将一部分气体杂质去除掉。真空自耗电弧炉的工艺特点是在水冷铜结晶器中进行熔炼，这样就克服了金属同耐火材料之间相互作用而沾污金属的弊端。同时，在高度水冷状态下，对钢液进行凝固结晶，可得到组织均匀、无缩孔和致密的钢锭。真空自耗电弧炉熔炼过程是在直流低电压、大电流的电弧作用下进行的。

　　首先，在自耗电极下端部同结晶器之间燃起电弧，自耗电极下端部同熔池之间形成电弧等离子区，该区具有极高的温度，能使自耗电极端部先在这里被熔化掉。随着自耗电极中一些非金属夹杂物，如氧化物氮化物，在真空和高温条件下，发生离解或被碳还原而被去除掉，达到进一步提纯的目的。

　　由于真空自耗电弧炉工艺能去除气体和非金属夹杂物，以及去除某些低熔点的有害杂质，从而使冷、热加工性能、塑性和力学性能、物理性能得到明显改善。特别是改善了纵向和横向性能的差异，这对保证材料性能的稳定性、一致性和可靠性有着极其重要的意义。

真空自耗电弧炉的电气设备

　　为了获得高质量锭子，熔炼过程中要求熔炼功率稳定，对供电电源要求具有恒流特性的直流电流。真空自耗电弧炉用的硅整流电源主回路示于图3。

　　上述硅整流装置的参数为：(1)在20-40V工作电压范围内具有恒流特性，空载电压在70V左右;(2)电流调节范围为1:10;(3)当各整流臂中有10%硅元件损坏时，系统会发出信号，但能在额定电流下继续运行;(4)允许过载10%，运行1分钟。

　　综上所述，真空电弧炉有以下特点：

　　1、在真空状态下，自耗电极和锭子之间没有渣和其他材料，因此在重熔时被熔炼材料不受污染。

　　2、真空电弧炉熔炼时，被熔炼金属直接暴露在真空中，所以脱气效果非常好，能有效地除去氢氮氧等气体。

　　3、真空电弧炉熔炼时，被熔炼金属中的非金属夹杂物比重轻，总是浮在熔融金属的最上面，这就导致锭子内部结构非常纯洁。

　　4、由于锭子是在水冷铜坩锅中进行冷却，其冷却速度非常快，这就导致锭子内部结构均匀，不产生偏析。

　　5、在真空状态下，可添加大量合金剂，因而能熔炼高级合金钢。

　　6、短的出钢到出钢时间，因而提高了设备生产率，降低了生产成本。

　　目前，真空电弧炉的容量范围在15-200t之间。集加热、脱气、渣处理和合金调整等工艺都是在真空状态下连续进行的。同蒸汽喷射真空泵相结合的完全封闭式处理站，提供了对周围环境完全没有污染的清洁熔炼设备。