真空電気アーク炉における真空脱ガスの動作原理

この真空電気アーク炉は、真空条件下で金属を溶解するように設計された特殊なタイプの工業炉です。真空アーク溶解の原理に基づいて動作し、短アーク運転を実現するために高電流と低電圧を利用します。これは、その独自の溶解プロセスに不可欠です。

真空アーク放電の基礎

真空アーク炉の中心には、ガスアーク放電の現象があります。このプロセスは、電極間の電圧が非常に低いことが特徴ですが、比較的大きな電流がガスを通過することを可能にします。その結果、アークゾーン内の温度は約5000Kまで上昇します。このセットアップで観察される大きな電流密度は、熱電子放出と電子の自己放出という2つの主要な源に由来します。

負極の周りには、正イオンの層が形成され、強力な電場を生成します。この電場は、陰極が自動的に電子を放出するように促し、それらの電子が2つの電極間のガス分子と衝突し、それらをイオン化します。このイオン化プロセスは、追加の正イオンと二次電子を生成します。電場の影響下で、これらの荷電粒子はそれぞれ陰極と陽極と衝突し、強烈な熱を発生させます。特に、陰極の温度は陽極の温度よりも低く保たれます。これは、エネルギーの一部が電子放出に費やされるためです。さらに、一部の正イオンと電子の再結合も、観察される高温に寄与します。

真空アーク溶解の動作特性

真空アーク溶解は短アーク運転であり、通常、アーク電圧は22〜65ボルトの範囲であり、対応するアーク長は20〜50ミリメートルです（後者はより大きなインゴットに適用されます）。このセットアップは、真空環境内での効率的で制御された溶解を保証します。

歴史的進化と産業への採用

真空アーク炉の旅は、1839年の白金線溶解実験の成功から始まりました。しかし、研究者が耐火金属の溶解を掘り下げるには1世紀以上かかりました。1953年までに、真空電気アーク炉は産業生産に導入されました。1956年まで、米国といくつかのヨーロッパ諸国は非消耗炉でチタンを溶解し続けましたが、1955年は消耗炉を使用した鋼の生産の始まりを告げました。1960年頃、消耗炉で生産された鋼インゴットの重量は30トンを超え、大きな進歩を示しました。今日、Kangsaiなどの企業が製造する真空消耗炉は、この開発傾向を例示しており、生産効率と設備利用率を高めるために、2つの炉間で共有の主電源、真空システム、および自動制御システムを備えています。

真空熱処理の利点

真空環境でワークピースまたは材料を熱処理すると、多くの利点があります。酸化や脱炭を防ぐことで工具や金型の寿命を延ばし、明るい表面仕上げ、最小限の変形、省エネルギー、無公害運転を実現します。さらに、真空熱処理は材料の機械的および冶金的特性を変えることができ、全体的な性能を向上させます。

真空溶解炉の利点

真空溶解炉は、主に反応性金属、不溶性金属、硬質合金、磁性材料、およびステンレス鋼の溶解に使用されます。低圧（減圧）条件下で動作するこれらの炉は、いくつかの重要な利点を提供します。

1. ガス除去: 真空環境は、吸着ガスの除去を促進し、溶解の後半段階での大幅な収縮を促進します。
2. 不純物除去: 真空は、ケイ素、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、およびそれらの酸化物などの不純物を除去し、材料を精製するのに役立ちます。
3. 濡れ性の向上: 真空は、液相溶解の濡れ性を向上させ、溶解プロセス中の収縮を助け、合金の構造を精製します。
4. 不活性環境: 他の一次ガスまたは不活性ガスが不適切である場合、または材料が脱炭および浸炭しやすい場合、真空溶解炉は理想的なソリューションを提供します。
5. 汚染の削減: 真空溶解は、水、酸素、窒素などの有害な大気成分による製品の汚染を最小限に抑えます。たとえば、電解水素で-40℃の露点を達成することは困難ですが、数百Paでの真空溶解は、同等のレベルの純度を達成します。

要約すると、真空電気アーク炉は、真空アーク放電の原理を利用して、材料品質、生産効率、環境への影響の点で多くの利点があり、金属を溶解するための洗練された効率的な手段を提供します。

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