November 9, 2025
アークはガスアーク放電の一種であり、電極間の電圧が非常に低いにもかかわらず、ガスを通過する大きな電流を特徴とします。この現象は、アーク領域内で眩しい白色光と強烈な熱を発生させ、約5000Kの温度に達します。高電流密度は、陰極からの熱電子の放出と、自発的な電子放出によって生じます。具体的には、陰極付近の正イオンの層が強力な電界を確立し、陰極が自律的に電子を放出するように促します。これらの電子は電極間のガス分子と衝突し、それらをイオン化して追加の正イオンと二次電子を生成します。電界の影響下で、これらの粒子は陰極と陽極と衝突し、高温をもたらします。陰極の温度は、電子放出にエネルギーが消費されるため、陽極の温度よりも低く保たれます。さらに、正イオンと電子の放熱的な再結合により、電極間でも高温が発生します。この原理を利用した電気アーク炉は、金属製錬に使用される工業炉です。真空環境で操作する場合、真空アーク炉と呼ばれます。
真空アーク溶解は、短アーク操作を特徴とする高電流および低電圧条件下で動作します。通常、アーク電圧は22〜65Vの範囲であり、対応するアーク長は20〜50mm（後者はより大きなインゴット用）です。1839年の白金線製錬実験の成功以来、人々は難溶性金属の製錬に関する1世紀以上の研究に着手しました。真空アーク炉は、1953年に正式に工業利用に導入されました。1956年までに、チタンは米国およびいくつかのヨーロッパ諸国で非消耗炉で製錬され、鋼は1955年に消耗炉で製錬されました。1960年頃、自己消費炉で生産されたインゴットの重量は30トンを超え、重要なマイルストーンとなりました。現在の開発は、アメリカのConsarc社が製造した真空自己消費炉によって例示できます。生産性と設備の利用率を高めるために、2つの炉が1つの主電源、真空システム、および自動制御システムを共有することがよくあります。
電極の下端での液滴の形成と降下中に、特定の物理的および化学的反応が発生し、一部のガス不純物の除去を促進します。真空消耗アーク炉は、耐火材料との相互作用による金属汚染という欠点を克服し、水冷銅結晶器内での製錬を特徴としています。強烈な水冷下で、溶鋼は凝縮して結晶化し、均一な粒配列、収縮空洞がなく、コンパクトな構造の鋼インゴットが得られます。真空消耗アーク炉内の溶解プロセスは、直流（DC）低電圧、高電流アークによって駆動されます。
最初に、消耗電極の下端と結晶器の間、および消耗電極の下端と溶融プールの間にアークプラズマゾーンが形成されます。このゾーンは非常に高温を示し、消耗電極の極端な部分を最初に溶融させます。酸化物や窒素化合物などの消耗電極内の非金属介在物は、真空および高温条件下での炭素還元によって分解または除去され、さらなる精製を達成します。真空消耗アーク炉は、ガスと非金属介在物、および一部の低融点有害不純物を除去できるため、冷間および熱間加工能力、可塑性、機械的特性、および物理的特性が大幅に向上します。特に注目すべきは、材料特性の安定性、一貫性、および信頼性を確保するために不可欠な、垂直方向と水平方向の特性の差の改善です。
高品質のスピンドルを製造するには、安定した製錬電力が必要であり、定電流特性を持つDC電源が必要です。
要約すると、真空アーク炉は次の特性を提供します。
