电弧炉是利用电弧的电热来熔炼金属的一种电炉。在电弧炉中，存在一个或多个电弧，靠电弧放电作用，把电能转变成热能，供给加热熔炼物料所需的热。由于电弧温度高，电热转变能力大，电热效率高，炉内气氛和炉子操作容易控制，所以电弧炉工业应用广泛，特别适合熔炼难熔和高级材料。

　　工业上用的电弧炉分做三类。第一类是直接电热式电弧炉。在这类电弧炉中，电弧发生在电极和被熔化的炉料之间，炉料受到电弧的接触(直接)加热。这类电弧炉主要有三相炼钢电弧炉，直流电弧炉和真空自耗炉。第二类是间接电热式电弧炉。在这类电炉中，电弧发生在两根专用的电极棒之间，而炉料只是受到电弧的传热(间接)加热。这类电弧炉主要用于铜和铜合金的熔炼，但由于噪声大，熔炼质量差等缺点，现已被其他熔炼炉代替。第三类是矿热炉，将在第5章详细叙述。

4．1直流电弧炉

　　工业规模直流电弧炉1982年在西德投产，发展迅速，显示了技术上和经济上的优越性，如节能降耗，节约石墨电极、降低噪音和降低电网闪烁率等。它的炉体结构有待进一步改进。

直流电弧的形成与结构

　　电弧是气体导电的现象之一，通常称为弧光放电(气体导电现象在物理学中称为气体放电)。气体放电还有其他现象，常见的有辉光放电、火花放电。弧光放电是一种自激放电，表现为低电压(可以只是几十伏)，电流密度大(可达每平方厘米几百安培)，连续放出耀眼的弧光，产生的热量多，温度高。

　　电弧炉中电弧主要是热阴极发射电子所激起的气体(包括金属蒸气)导电现象。而气体导电必须电离产生带电的微粒，带正电的正离子、带负电的电子或负离子。电离子的气体所带正电量等于负电量，因此称为等离子体，而电弧也就称为电弧等离子体。

热电子发射和气体电离

　　将固体或液体阴极加热时，其中自由电子吸收了热能，电子动能增加，当电子动能增大 到足以克服其中正电荷的引力时，便逸出阴极表面向外发射，称热电子发射。热电子发射所需消耗的能量，称为电子的逸出功。逸出功以电子伏特为单位，leV相当于1个电子在电位差为1v的路程上移动所需的能量，其值等于1．59×10一’J。逸出功大小取决于材料的种类和表面情况等因素，例如当金属表面存在氧化物或其他杂质时，逸出功降低。

　　阴极表面的热电子发射的电流密度(A／m2)

式中，A为与阴极材料有关的常数，对于纯金属，A=6×10。；T为阴极的绝对温度，K；W为阴极材料的逸出功，eV，在真空中大多数纯金属为3～4 5eV"；k为玻耳兹曼常数，k=8 66×10一eV／K。

　　由上式可看出，当明极材料一定时，阴极表面热电子发射的电流密度随着阴极温度的升高而急剧增加。因此，为产生电弧，阴极必须达到较高的温度，发射足够的热电子。

　　要使气体电离，气体的中性分子必须离解为正离子、电子或电子附着分子或原子形成的负离子。气体中性分子要离解为正离子和电子，必然要消耗一定能量．此能量称为电离功。例如氲气电离功为15 7eV。

　　在电弧炉中，一般由以下几方面原因引起气体电离：

    　(1)、阴极发射电子所引起的碰撞电离。阴极因高温发射出来的热电子，在飞往阳极的途中-与气体分子相碰撞．使分子获得电离功而离解为正离子和电子，即中性分子变为带电的质点。

    　(2)、热电离。在高温条件下，气体分子具有很大的动能，相互碰撞时，使分子获得能量而电离,称热电离。气体热电离方程为

　　式中，r为热电离gi'~l起的气体电离度(已电离的分子数与原有全部分子数的比例);T为气体的温度。K：V为气体的电离电位v。

　　该式说明．气体的热电离髓着绝对温度的升高而增大，由此式可求出其中气体在一定温度下的热电离度。

　　(3)、光电离。原子吸收光线照射的能量，也有可能被激发至电离状态。但一般情况下．光电离不是气体电离的主要方式。

　　(4)、电场引起的气体电离。在电场作用下，气体中电离出来的正离子、电子或负离子等带电质点，分别向正、负两极运动,井受到电场力的加速，动能增大，它们碰撞气体分子时，使分子电离t生成新的带电质点。这些新的带电质点同样受到电场力的加速作用分别向两极运动，在运动过程中碰撞气体分子．又引起新的电离。这称之为连锁电离过程。

　　电场所引起的电离度．主要取决于电场强度以及质点的自由程。电场强度越大，电场力对带电质点所做的功越多．质点的动能越大，碰撞所引起的电离度就越高。自由程又与气体密度以及带电质点本身的体积有关。密度稀则自由程大．故气体在真空条件下电场引起的电离度较高。电子的体积远远小于离子，自由程较长，更容易使分子或原子电离。就是说．电场引起的气体电离中，电子起主要作用。

　　应指明一点，在电弧中，一方面存在气体中性分子不断离解为正离子和电子的电离过程，另一方面又存在正离子捕获电子而复合成中性分子的复合过程。在一定条件下．这两个过程将达到动态平衡，保持一定的电离度。

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