真空电弧凝壳炉

真空电弧凝壳炉结构示意于图1。

凝壳炉坩埚多采用水冷铜坩埚(根据需要也可采用带有水冷套圈的石墨坩埚)。熔炼真空度一般为5~5×10^-1Pa。

真空凝壳炉熔炼时，电弧熔化自耗电极形成的液体金属聚集在水冷铜坩埚内。为了尽快地获得大量熔融金属，需使用较高的熔炼功率，但所供入的电流和由此引起的金属过热不应使在坩埚内壁上形成的凝壳熔化。当用自耗电极熔炼完所需要的金属量时，断开电源，并迅速倾转坩埚将液体金属注入锭模或铸型 。

一般说来，采用自耗电极重熔工艺时，使用较高的熔炼功率可以导致较快的熔化速率。而欲使水冷铜坩埚内壁凝壳保持一定的厚度，又要求坩埚内的液体金属保持一定的过热温度是比较困难的，可以将按所需金属量制成的自耗电极熔焊在一根钨棒上，这样当自耗电极材料熔完以后，利用熔池上方的钨棒作为一个非自耗电极，继续进行熔炼，并提高和调整液体金属的温度 。

真空电弧凝壳炉(Vacuum arc furnace)真空电弧重熔炉的改型设备，简称真空凝壳炉。它是利用真空电弧炉的熔炼条件，采用可以倾动的浅底水冷坩埚、控制冷却水量使被熔炼金属在坩埚壁内形成一薄层“凝壳”，将被熔炼金属液与坩埚陷离，这样就避免了坩埚对活性金属液的沾污。而且可以形成相当大的熔池，熔炼结束时快速倾动钳垠将金属液注入锭模或铸型凝固。真空凝壳炉是克服了真空电弧炉不能铸型和真空感应炉有耐火材料柑涡对活性金属沾污的弊端，集两者优点面成的真空电炉 。

1950年美国发明了第一台小型(4.5kg)真空电弧凝壳炉。后来各国又出现了电子束凝壳炉、等离子体凝壳炉等，但常用的是真空电弧凝壳炉，简称真空凝壳炉 。

在真空电弧重熔过程中，金属的熔化和凝固过程同时进行，由子在水冷铜结晶器内存在大的温度梯度，在这种条件下凝固会形成粗大晶体。而在真空凝壳炉熔炼中，金属的熔化和浇注完全分开进行，由于金属液面没有电极的阳极辉点，热场相对均匀，加之熔池发生搅动，促使铸件凝固时长大的晶体前沿形成过冷金属液，在该处出现补充的结晶中心，从而可以获得细晶组织，这是真空凝壳炉较真空电弧炉熔炼的又一优点。真空凝壳炉熔炼的铸件具有较高的机械性能。例如一般真空电弧炉熔炼的MT(Mo 0.5%Ti)合金的延伸率占为1%-2%,而用真空凝壳炉熔炼的同一合金的占为3%~5% 。

中国1964年开始研制小型真空凝壳炉，现已有容量为5、25、50、100和250kg的真空凝壳炉产品。许多国家已广泛应用真空凝壳炉，坩埚聚集的金属可达300kg以上，可以获得各种毛坯和成型铸件。真空凝壳炉熔炼可以用来熔炼和铸造钦和钦合金，也用它熔炼和铸造钨、钼、钽、铌等合金，还用以回收部分钛和钛合金废料 。

与炼钢电弧炉和埋弧炉等非真空电弧炉比较， 真空电弧炉的特点是：①用直流电源供电(电极接负极、坩埚接正极)，电弧在真空中相对稳定，不易熄灭。②电极和坩埚通常都用金属材料制成， 炉内没有耐火材料炉衬。③熔炼中被熔炼金属能免受氧化和耐火材料的污染， 并得到良好的脱气和促进金属氧化物分解的精炼效果。④由于在密闭容器中熔炼， 所以环境污染小，工作环境好。⑤特别需要注意安全。真空电弧炉工作中，特别当熔炼钛、锆等活泼金属时，如冷却水进入坩埚，会引起爆炸。防范措施较多，主要有：电极与坩埚壁间的净空距离应大于电弧长度， 在坩埚外侧设置直流稳弧线圈，供电电缆作对称布置，电极自动调节器应足够灵敏等， 以防止电极与坩埚壁之间产生边弧把坩埚击穿;确保冷却水畅通;设置防护墙，操作人员在墙外观察操纵等。

真空电弧炉按电极类型(见电弧炉电极)主要分自耗炉和非自耗炉两大类。工业上用的主要是自耗炉。也有同时采用自耗电极和非自耗电极的炉型，由自耗电极提供主炉料，由非自耗电极进行辅助加热，浇制铸件的炉子往往采用这样的炉型。

自耗炉的电极由被熔炼材料本身制成， 叫自耗电极。在熔炼过程中，电极端头逐渐被熔化，滴入水冷铜坩埚中，电极本身不断自耗。真空自耗电弧炉主要用于重熔钛、锆、钼、钽、铌等活泼金属和难熔金属的坯料以制取铸锭，如把海绵钛电极重熔成钛锭。这种电弧炉也可用于精炼合金钢和制取大直径优质钢锭， 如用于制造发电机轴和轧辊等的锻坯。

非自耗炉的电极用钨等高熔点材料制成。工作中电极本身不消耗，炉料需用别的途径加入炉内。这种电弧炉主要用于在真空中浇制上述材料的异型铸件和在实验室中制取试验用坯锭。

真空电弧炉是在抽真空的炉体中用电弧直接加热熔炼金属的电炉。炉内气体稀薄，主要靠被熔金属的蒸气发生电弧，为使电弧稳定，一般供直流电。按照熔炼特点，分为金属重熔炉和浇铸炉。按照熔炼过程中电极是否消耗（熔化），分为自耗炉和非自耗炉，工业上应用的大多数是自耗炉。真空电弧炉用于熔炼特殊钢、活泼的和难熔的金属如钛、钼、铌（见真空冶金）。