November 9, 2025
Hồ quang đại diện cho một dạng phóng điện hồ quang trong khí, được phân biệt bởi điện áp cực thấp giữa các điện cực nhưng dòng điện đáng kể chạy qua khí. Hiện tượng này tạo ra ánh sáng trắng chói lòa và nhiệt cực mạnh trong vùng hồ quang, đạt đến nhiệt độ khoảng 5000K. Mật độ dòng điện cao phát sinh từ sự phát xạ của các electron nóng từ cathode, kết hợp với sự phát xạ electron tự phát. Cụ thể, một lớp ion dương gần cathode thiết lập một điện trường mạnh, thúc đẩy cathode tự động phát ra electron. Những electron này va chạm với các phân tử khí giữa các điện cực, ion hóa chúng và tạo ra các ion dương và electron thứ cấp bổ sung. Dưới tác động của điện trường, các hạt này va chạm với cathode và anode, dẫn đến nhiệt độ cao. Nhiệt độ của cathode vẫn thấp hơn so với anode do sự tiêu hao năng lượng trong quá trình phát xạ electron. Hơn nữa, nhiệt độ cao cũng xảy ra giữa các điện cực do sự tái hợp tỏa nhiệt của các ion dương và electron. Lò hồ quang điện, sử dụng nguyên lý này, là lò công nghiệp được sử dụng để luyện kim loại. Khi hoạt động trong môi trường chân không, chúng được gọi là lò hồ quang chân không.
Quá trình nấu chảy hồ quang chân không hoạt động trong điều kiện dòng điện cao và điện áp thấp, đặc trưng của các hoạt động hồ quang ngắn. Thông thường, điện áp hồ quang dao động từ 22 đến 65V, với chiều dài hồ quang tương ứng từ 20 đến 50mm (sau này dành cho các thỏi lớn hơn). Kể từ thí nghiệm nấu chảy dây bạch kim thành công vào năm 1839, người ta đã bắt đầu hơn một thế kỷ nghiên cứu về việc nấu chảy các kim loại chịu lửa. Lò hồ quang chân không chính thức được đưa vào sử dụng công nghiệp vào năm 1953. Đến năm 1956, titan đã được nấu chảy trong các lò không tiêu hao ở Hoa Kỳ và một số nước châu Âu, trong khi thép được nấu chảy trong các lò tiêu hao vào năm 1955. Khoảng năm 1960, trọng lượng của các thỏi do lò tự tiêu thụ sản xuất vượt quá 30 tấn, đánh dấu một cột mốc quan trọng. Sự phát triển hiện tại có thể được minh họa bằng lò tự tiêu thụ chân không do công ty Consarc của Mỹ sản xuất. Để tăng cường năng suất và sử dụng thiết bị, hai lò thường chia sẻ một nguồn điện chính, hệ thống chân không và hệ thống điều khiển tự động.
Trong quá trình hình thành và hạ xuống của các giọt ở đầu dưới của điện cực, các phản ứng vật lý và hóa học cụ thể xảy ra, tạo điều kiện loại bỏ một số tạp chất khí. Lò hồ quang chân không tiêu hao được đặc trưng bởi quá trình nấu chảy bên trong một bộ kết tinh bằng đồng làm mát bằng nước, khắc phục nhược điểm của sự nhiễm bẩn kim loại do tương tác với các vật liệu chịu lửa. Dưới sự làm mát bằng nước mạnh, thép nóng chảy ngưng tụ và kết tinh, tạo ra các thỏi thép có cấu trúc hạt đồng đều, không có lỗ co ngót và cấu trúc chặt chẽ. Quá trình nấu chảy bên trong lò hồ quang chân không tiêu hao được điều khiển bởi một hồ quang dòng điện một chiều (DC) điện áp thấp, dòng điện cao.
Ban đầu, một vùng plasma hồ quang hình thành giữa đầu dưới của điện cực tiêu hao và bộ kết tinh, cũng như giữa đầu dưới của điện cực tiêu hao và vũng nóng chảy. Vùng này thể hiện nhiệt độ cực cao, khiến phần cực của điện cực tiêu hao tan chảy trước. Các tạp chất phi kim loại bên trong điện cực tiêu hao, chẳng hạn như oxit và hợp chất nitơ, phân hủy hoặc được loại bỏ thông qua quá trình khử carbon trong điều kiện chân không và nhiệt độ cao, đạt được sự tinh chế hơn nữa. Với khả năng loại bỏ khí và tạp chất phi kim loại của lò hồ quang chân không tiêu hao, cùng với một số tạp chất có hại có điểm nóng chảy thấp, khả năng gia công nguội và nóng, độ dẻo, tính chất cơ học và tính chất vật lý được tăng cường đáng kể. Đặc biệt đáng chú ý là sự cải thiện về sự khác biệt giữa các tính chất theo chiều dọc và chiều ngang, điều này rất quan trọng để đảm bảo sự ổn định, nhất quán và độ tin cậy của các tính chất vật liệu.
Để sản xuất trục chính chất lượng cao, điều cần thiết là phải có nguồn điện nấu chảy ổn định, đòi hỏi một nguồn điện DC có đặc tính dòng điện không đổi.
Tóm lại, lò hồ quang chân không có các đặc điểm sau:
