電弧爐是利用電弧的電熱來熔煉金屬的一種電爐。在電弧爐中，存在一個或多個電弧，靠電弧放電作用，把電能轉(zhuǎn)變成熱能，供給加熱熔煉物料所需的熱。由于電弧溫度高，電熱轉(zhuǎn)變能力大，電熱效率高，爐內(nèi)氣氛和爐子操作容易控制，所以電弧爐工業(yè)應(yīng)用廣泛，特別適合熔煉難熔和高級材料。

　　工業(yè)上用的電弧爐分做三類。第一類是直接電熱式電弧爐。在這類電弧爐中，電弧發(fā)生在電極和被熔化的爐料之間，爐料受到電弧的接觸(直接)加熱。這類電弧爐主要有三相煉鋼電弧爐，直流電弧爐和真空自耗爐。第二類是間接電熱式電弧爐。在這類電爐中，電弧發(fā)生在兩根專用的電極棒之間，而爐料只是受到電弧的傳熱(間接)加熱。這類電弧爐主要用于銅和銅合金的熔煉，但由于噪聲大，熔煉質(zhì)量差等缺點，現(xiàn)已被其他熔煉爐代替。第三類是礦熱爐，將在第5章詳細(xì)敘述。

4．1直流電弧爐

　　工業(yè)規(guī)模直流電弧爐1982年在西德投產(chǎn)，發(fā)展迅速，顯示了技術(shù)上和經(jīng)濟上的優(yōu)越性，如節(jié)能降耗，節(jié)約石墨電極、降低噪音和降低電網(wǎng)閃爍率等。它的爐體結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步改進(jìn)。

直流電弧的形成與結(jié)構(gòu)

　　電弧是氣體導(dǎo)電的現(xiàn)象之一，通常稱為弧光放電(氣體導(dǎo)電現(xiàn)象在物理學(xué)中稱為氣體放電)。氣體放電還有其他現(xiàn)象，常見的有輝光放電、火花放電?；」夥烹娛且环N自激放電，表現(xiàn)為低電壓(可以只是幾十伏)，電流密度大(可達(dá)每平方厘米幾百安培)，連續(xù)放出耀眼的弧光，產(chǎn)生的熱量多，溫度高。

　　電弧爐中電弧主要是熱陰極發(fā)射電子所激起的氣體(包括金屬蒸氣)導(dǎo)電現(xiàn)象。而氣體導(dǎo)電必須電離產(chǎn)生帶電的微粒，帶正電的正離子、帶負(fù)電的電子或負(fù)離子。電離子的氣體所帶正電量等于負(fù)電量，因此稱為等離子體，而電弧也就稱為電弧等離子體。

熱電子發(fā)射和氣體電離

　　將固體或液體陰極加熱時，其中自由電子吸收了熱能，電子動能增加，當(dāng)電子動能增大 到足以克服其中正電荷的引力時，便逸出陰極表面向外發(fā)射，稱熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射所需消耗的能量，稱為電子的逸出功。逸出功以電子伏特為單位，leV相當(dāng)于1個電子在電位差為1v的路程上移動所需的能量，其值等于1．59×10一’J。逸出功大小取決于材料的種類和表面情況等因素，例如當(dāng)金屬表面存在氧化物或其他雜質(zhì)時，逸出功降低。

　　陰極表面的熱電子發(fā)射的電流密度(A／m2)

式中，A為與陰極材料有關(guān)的常數(shù)，對于純金屬，A=6×10。；T為陰極的絕對溫度，K；W為陰極材料的逸出功，eV，在真空中大多數(shù)純金屬為3～4 5eV"；k為玻耳茲曼常數(shù)，k=8 66×10一eV／K。

　　由上式可看出，當(dāng)明極材料一定時，陰極表面熱電子發(fā)射的電流密度隨著陰極溫度的升高而急劇增加。因此，為產(chǎn)生電弧，陰極必須達(dá)到較高的溫度，發(fā)射足夠的熱電子。

　　要使氣體電離，氣體的中性分子必須離解為正離子、電子或電子附著分子或原子形成的負(fù)離子。氣體中性分子要離解為正離子和電子，必然要消耗一定能量．此能量稱為電離功。例如氳氣電離功為15 7eV。

　　在電弧爐中，一般由以下幾方面原因引起氣體電離：

    　(1)、陰極發(fā)射電子所引起的碰撞電離。陰極因高溫發(fā)射出來的熱電子，在飛往陽極的途中-與氣體分子相碰撞．使分子獲得電離功而離解為正離子和電子，即中性分子變?yōu)閹щ姷馁|(zhì)點。

    　(2)、熱電離。在高溫條件下，氣體分子具有很大的動能，相互碰撞時，使分子獲得能量而電離,稱熱電離。氣體熱電離方程為

　　式中，r為熱電離gi'~l起的氣體電離度(已電離的分子數(shù)與原有全部分子數(shù)的比例);T為氣體的溫度。K：V為氣體的電離電位v。

　　該式說明．氣體的熱電離髓著絕對溫度的升高而增大，由此式可求出其中氣體在一定溫度下的熱電離度。

　　(3)、光電離。原子吸收光線照射的能量，也有可能被激發(fā)至電離狀態(tài)。但一般情況下．光電離不是氣體電離的主要方式。

　　(4)、電場引起的氣體電離。在電場作用下，氣體中電離出來的正離子、電子或負(fù)離子等帶電質(zhì)點，分別向正、負(fù)兩極運動,井受到電場力的加速，動能增大，它們碰撞氣體分子時，使分子電離t生成新的帶電質(zhì)點。這些新的帶電質(zhì)點同樣受到電場力的加速作用分別向兩極運動，在運動過程中碰撞氣體分子．又引起新的電離。這稱之為連鎖電離過程。

　　電場所引起的電離度．主要取決于電場強度以及質(zhì)點的自由程。電場強度越大，電場力對帶電質(zhì)點所做的功越多．質(zhì)點的動能越大，碰撞所引起的電離度就越高。自由程又與氣體密度以及帶電質(zhì)點本身的體積有關(guān)。密度稀則自由程大．故氣體在真空條件下電場引起的電離度較高。電子的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于離子，自由程較長，更容易使分子或原子電離。就是說．電場引起的氣體電離中，電子起主要作用。

　　應(yīng)指明一點，在電弧中，一方面存在氣體中性分子不斷離解為正離子和電子的電離過程，另一方面又存在正離子捕獲電子而復(fù)合成中性分子的復(fù)合過程。在一定條件下．這兩個過程將達(dá)到動態(tài)平衡，保持一定的電離度。

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