November 7, 2025
DC電気アーク炉の形成と構造
はじめに電気アーク炉
電気アーク炉は、電気アークによって発生する強烈な熱を利用して金属を溶解および精錬する冶金容器です。炉内では、1つ以上の持続的なアークが確立されます。アーク放電を通じて、電気エネルギーは、電荷を加熱および処理するために必要な熱エネルギーに効率的に変換されます。アークの非常に高い温度は、その高い電力密度、優れた電気熱効率、および炉の雰囲気と操作を比較的容易に制御できることと相まって、アーク炉を多用途の工業用ツールにしています。耐火金属の溶解や高品質の特殊材料の製造に特に適しています。
電気アーク炉の分類
工業用アーク炉は、アークが電荷とどのように相互作用するかに基づいて、主に3つのタイプに分類されます。
1. 直接アーク炉：アークは電極と金属電荷の間で直接発生し、直接衝突によって加熱されます。このカテゴリには以下が含まれます。
三相AC製鋼アーク炉
DC（直流）電気アーク炉
真空消耗電極アーク炉（VAR）
2. 間接アーク炉：アークは2つの電極間で形成され、電荷はアークからの放射によって間接的に加熱されます。歴史的には銅合金に使用されていましたが、高いノイズや溶融品質のばらつきなどの欠点があるため、これらの炉はほとんど置き換えられています。
3. サブマージアーク炉（SAF）：電極は鉱石と炭素の負荷に部分的に埋められ、アークは負荷自体内で発生し、主にフェロアロイの製造に使用されます。
このドキュメントでは、DC電気アーク炉の形成と構造に焦点を当てています。
電気アークの性質
電気アークは、ガス放電の一形態であり、具体的には自己持続型（自己励起型）放電です。その主な特徴には、比較的低い電圧降下（数十ボルト）、非常に高い電流密度（平方センチメートルあたり数百アンペア）、強烈な光の放出、および非常に高い温度での集中熱の発生が含まれます。
アーク炉では、アークは主にガス（金属蒸気を含む）中の伝導現象であり、熱陰極（電極チップ）からの電子の熱電子放出によって開始されます。ガスが導電性になるには、イオン化を受け、荷電粒子を生成する必要があります。正に帯電したイオンと負に帯電した電子（または、あまり一般的ではありませんが、負イオン）。正と負の電荷がバランスの取れた、このイオン化された準中性状態の物質は、プラズマと呼ばれます。したがって、アークは基本的にアークプラズマです。
アークにおけるガスイオン化のメカニズム
アークプラズマを維持するために必要なイオン化は、いくつかのメカニズムを通じて生成されます。
1. 衝突イオン化（主要メカニズム）：熱い陰極から放出される高エネルギー電子は、電界によって加速されます。これらの電子が中性ガス分子と衝突すると、他の電子をノックオフするのに十分なエネルギーを伝達し、正イオンと追加の自由電子を生成できます。
2. 熱イオン化：アーク柱内の非常に高い温度では、ガス分子と原子はかなりの運動エネルギーを持っています。これらの高エネルギー粒子の衝突は、直接イオン化を引き起こす可能性があります。
3. 光イオン化：原子は高エネルギー光子（アーク自体の光）を吸収し、イオン化する可能性があります。存在しますが、これは一般的に二次的なイオン化経路です。
4. 電界誘起（アバランシェ）イオン化：これは連鎖反応プロセスです。最初にイオン化された粒子（電子とイオン）は電界によって加速され、運動エネルギーを獲得します。その後、中性粒子と衝突すると、さらにイオン化を引き起こし、新しい荷電粒子を生成します。これらの新しいキャリア自体が加速され、より多くの衝突とイオン化につながります—プラズマを維持する「アバランシェ」効果。
このプロセスの効率は、電界強度と粒子の平均自由行程に依存します。より強い電界はより多くのエネルギーを与えます。より長い平均自由行程（より低いガス密度/真空条件と電子の小さなサイズによって支持される）により、粒子は衝突する前に高いエネルギーまで加速し、イオン化確率を高めることができます。電子は、その小さな質量とサイズのために、電界誘起イオン化において支配的な役割を果たします。
イオン化平衡
安定したアーク内では、動的平衡が存在することに注意することが重要です。イオン化（荷電粒子の生成）の継続的なプロセスは、再結合（正イオンと電子が再結合して中性粒子を形成する）の反対のプロセスによってバランスが取られています。この平衡は、特定の動作条件下で、アークプラズマ内の安定した特定のイオン化度を維持します。
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