A 電弧中的電壓降
真空自耗電弧熔煉利用的是弧光放電，這種放電是在低電壓（十幾伏到幾十伏）和大電流（幾千安到幾萬安）條件下產(chǎn)生的放電，放電過程產(chǎn)生強(qiáng)烈的白熾光和高溫?；」夥烹姇r(shí)兩極間的電壓降稱為電弧電壓。電弧電壓U由陰極壓降UK弧柱壓降和Uc陽極壓降組成：
U=Uk+Uc+UA
式中，Uk+UA=Us，稱為表面壓降。
表面壓降與電極材料、氣體成分、壓力和電流強(qiáng)度等有關(guān)，與兩極的距離無關(guān)。在電極材料、氣體及壓力不變的情況下，電弧電壓的變化取決于弧柱壓降Uc,但Uc值很小，兩極間距離的變化對(duì)電弧電壓的影響很小，不成直線關(guān)系（見圖1-6).

在真空自耗電弧熔煉過程中，電弧電壓U主要受極性、電流、電極直徑與坩堝直徑之比值（d/D)、電極材料和電弧長(zhǎng)度的影響。其中，以電流強(qiáng)度對(duì)表面壓降影響最大，而對(duì)弧柱壓降影響較小。即：
U=Uo+al
式中
Uo-電弧電壓的不變分量，V;
a-常數(shù)；
I-電流，A.
真空自耗電弧熔煉鈦時(shí)，在一定的弧長(zhǎng)（電極下端與熔池表面間的距離）范圍內(nèi)，弧長(zhǎng)每變化10mm便會(huì)引起0.5V的電壓變化。熔煉不同金屬，電弧長(zhǎng)度的變化也不一樣，真空自耗電弧熔煉鈦和鋼的電弧電壓與弧長(zhǎng)的特性曲線如圖1-7所示。實(shí)踐表明，真空自耗電弧熔煉鈦的電弧壓降約為30~40V.

當(dāng)電極材料和尺寸一定時(shí)，電弧壓降U隨電流大?。措S電流密度）而變，如圖1-8所示。當(dāng)電流小時(shí)，增加電流，電弧壓降變小；當(dāng)進(jìn)一步增加電流時(shí)，電弧壓降幾乎成直線增加。電弧壓降中主要是表面壓降增加，弧柱壓降增加不多。

B 電弧的溫度場(chǎng)和能量分配
電弧中溫度場(chǎng)的溫度分布情況很復(fù)雜，具體的溫度值與電極材料、電流大小和氣相組成有關(guān)。一般來說，當(dāng)以鈦陰極作自耗電極（稱為正極性熔煉）時(shí)，陰極端的溫度約為1775℃,金屬熔池表面的工作溫度約為1850℃,而弧柱區(qū)的溫度最高，可達(dá)4700℃.
正極性自耗熔煉時(shí)熔煉區(qū)的溫度場(chǎng)如圖1-9所示。圖中給出了溫度的分布情況，從其溫度分布可知，電弧的能量一部分消耗于弧柱，其余大部分則消耗于兩極。電弧能量消耗在弧柱區(qū)的能量值約為弧柱壓降與電流的乘積。部分能量由于輻射而損耗，是無效的。消耗于兩極的能量與電極熔點(diǎn)有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，金屬熔點(diǎn)越高，分配于陽極的能量與陰極的能量之比越高。對(duì)熔煉鈦而言，此比值約為1:3.

C 電弧的穩(wěn)定性
真空熔煉時(shí)，爐內(nèi)壓力自弧區(qū)至排氣口依次遞降，如圖1-10所示。熔煉時(shí)所測(cè)爐室壓力比弧區(qū)壓力低10/11~40/41.
氣相壓力對(duì)電弧的穩(wěn)定性有很大影響。當(dāng)氣相壓力和其他工藝參數(shù)控制不好時(shí)，電弧便不穩(wěn)定，易產(chǎn)生邊?。醋院碾姌O和銅址堝之間產(chǎn)生的電弧）和擴(kuò)散弧，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒穿坩堝，造成嚴(yán)重事故因此，在工藝設(shè)計(jì)和熔煉過程中都必須設(shè)法確保電弧的穩(wěn)定性。

實(shí)踐表明，氣相壓力在6..7x103~105Pa范圍內(nèi)電弧是穩(wěn)定的；壓力在67~6.～6.7x103Pa時(shí)，電弧在坩堝內(nèi)嚴(yán)重漂移，易產(chǎn)生邊弧和散弧，這個(gè)氣相壓力范圍稱為危險(xiǎn)區(qū)；氣相壓力降低至67Pa以下，電弧又恢復(fù)穩(wěn)定，稱67Pa這個(gè)恢復(fù)穩(wěn)定的氣相壓力為臨界壓力。在真空熔煉作業(yè)中，氣相壓力必須避開危險(xiǎn)區(qū)，常保持在臨界壓力以下。
雖然鈦的自耗電弧熔煉可以在惰性氣體的保護(hù)下于常壓中進(jìn)行，但與常壓熔煉相比，真空熔煉加熱溫度更均勻，弧柱壓降小，因而具有熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，正常生產(chǎn)中多采用真空熔煉工藝。如前所述，臨界壓力隨電流減少而降低。如用鋼電極試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電流為1500A時(shí)臨界壓力約為67Pa,電流為600A時(shí)臨界壓力為4Pa.因此，宜選用大的電流。
生產(chǎn)實(shí)踐中，為了使電弧工作穩(wěn)定，通常在坩堝外加穩(wěn)弧線圈。穩(wěn)弧線圈的作用是當(dāng)通入直流電（或交流電）時(shí)便會(huì)產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)，減少邊弧，穩(wěn)定電弧。穩(wěn)弧線圈示意圖如圖1-11所示。
縱向磁場(chǎng)除能減少邊弧外，也能使熔池中液態(tài)鈦旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生攪拌作用，有利于液態(tài)鈦中合金組元或雜質(zhì)的擴(kuò)散，使鈦錠質(zhì)量均勻化和結(jié)晶細(xì)化。外加縱向磁場(chǎng)對(duì)金屬熔池的影響如圖1-12所示。

使用穩(wěn)弧線圈時(shí)，應(yīng)選用合適的穩(wěn)弧電流。電流過小穩(wěn)弧作用不明顯；電流過大則由于電弧被壓縮得厲害而導(dǎo)致熄滅，并因熔池旋轉(zhuǎn)激烈而影響鈦錠質(zhì)量。合適的安匝數(shù)應(yīng)是以電弧穩(wěn)定燃燒、熔池平穩(wěn)或微微旋轉(zhuǎn)為準(zhǔn)。

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