真空感应熔炼【真空感应熔炼炉的放电现象分析及预防措施】
摘 要：本文介绍了真空感应熔炼炉放电现象，分析了其放电的原因，并提出了通过降低电压、优化线圈设计结构、加强匝间绝缘等预防措施，克服放电现象的发生。 关键词：真空感应熔炼炉；放电；预防
真空放电（电击穿）现象在真空熔炼中经常发生，尤其是在高真空熔炼中。目前国产真空感应熔炼炉真空工作压力一般在10～100Pa之间，大大高于进口设备，无法用于高纯合金的熔炼。真空放电现象已成为目前真空感应熔炼炉的设计难点。
1 真空感应熔炼炉放电现象机理
根据真空放电理论，真空中的放电有两种形式：气体放电击穿与真空放电击穿。
（1） 当真空度较低时，极间带电粒子碰撞空气分子，空气分子电离及倍增引起极间放电，称之为气体放电击穿。气体放电击穿依赖于电极之间带电粒子与残余气体的相互作用。粗真空及低真空系统（＞0.1Pa）中发生的的放电现象一般属于气体放电击穿。我国普遍使用的真空感应熔炼炉大部分属于这一范畴。
（2） 在真空度较高的情况下，空气分子的平均自由程很大，两极间残余空气分子受带电粒子碰撞电离的几率几乎为零，因此不可能发生气体放电击穿。当压力进一步降低时，空气分子的平均自由程往往大于几十米（10Pa时，空气的平均自由程为50m），由于电极的表面效应与极间电场，容易引起两极间的离子交换，产生大量的金属蒸汽、气体或等离子体，使两极之间导通，产生强大电流引起放电，称之为真空放电。真空放电一般指高真空或超高真空系统（压力范围10-3～～～10-8Pa）发生的放电[1]。
德国物理学家帕邢1889年在他的博士论文中，分析了均匀电场中气体放电击穿电压、气隙和气压三者之间的实验数据，发现击穿电压U（KV）为气隙d（cm）和气压（Torr）乘积的函数，该关系被称为帕邢定律[1, 2]。图1为空气的帕邢曲线，其中纵轴表示空气的击穿电压，横轴表示气隙和气压之积。由空气帕邢曲线的左半支可知，在气隙一定的条件下，降低气压可以大幅度提高间隙击穿电压；同时由右半支看出，提高气压对提高间隙击穿电压也有一定作用。在气隙不变的条件下，空气在某个压力范围内最容易发生放电现象。
图1 空气的帕邢曲线
Fig. 1 The Paschen curve of air
2 真空感应熔炼炉放电现象的预防
引起感应放电的原因有许多，需要采取多种措施加以预防，分别说明如下：
2.1 降低匝间电场强度
降低电源电压，增大匝间距；采用合理的线圈联接方式均可以达到降低电场强度的作用。但是，由于受到线圈结构的限制，往往不能随意增大匝间距。因此，线圈的联结方式成为感应炉设计中的关键。
（1） 小型真空感应熔炼炉一般采用单一感应线圈，两端子之间（可认为电源电压）的电压最大，匝间电压很低。因此预防此类感应电炉放电的主要措施就是降低电源电压，同时根据具体条件增大匝间距离（匝间距一般在5～10mm，不能过大否则会引起电效率的降低）。在实际设计过程中，大部分小型真空感应电炉的电源采用250V电压，生产过程中不会导致放电的现象发生[3]。
（2） 大中型真空感应熔炼炉有时需要采用两个或多个线圈相连接的形式--串联（图2（a））或并联（图2（b））所示。两种情况匝间电场强度会出现不同的情况，现分析如下。
图2（a）为两个感应线圈串联，瞬间极性如图所示。两个线圈进电端子（A+）、出电端子（B-）相邻，假设电源电压有效值为V。按照电工学原理，则相邻两端子（A+、B-）之间电压幅值相等，方向相反。瞬间最大值为2 V。最大瞬时场强为 /气隙。
图2（b）为两个感应线圈并联，瞬间极性如图所示。两个线圈进电端子（A+）、（B+）相邻，假设电源电压有效值为V。按照电工学原理，则相邻两端子（A+、B+）之间电压幅值相等，方向相同。瞬间最大值为0。最大瞬时场强为0。
（a） （b）
图2 双线圈连接方式
Fig. 2 The connection mode of double coils
通过以上分析可以看出，如果上下相邻感应线圈采用不同的联接方式，相邻匝间的瞬时电压不同，电场强度不同，放电的几率就不同。当两线圈串联时，两线圈相邻匝间电压瞬时值最大，电场强度最大，放电的可能性最大。当两线圈并联时，两线圈相邻匝间电压瞬时值为0，电场强度最小，放电的可能性最小。可见大中型感应电炉两线圈采用并联方式能够很好地预防放电现象发生。因此，设计过程中尽可能遵循“同进、同出”原则。
2.2匝间填充绝缘材料降低场强
在匝间填充绝缘材料，可以预防匝间放电，该方法的物理原理如下：
根据物理学的原理，真空中电压为V、距离为h的两极板之间的电场强度为V/h；当两极之间填充厚度为h、相对介电常数为 的材料后，材料中的电场强度为V/h 。由于一般介电材料的相对介电常数 ＞1，因此绝缘材料的电场强度小于真空的电场强度。这就是利用绝缘材料防止感应线圈匝间放电的物理原理。一些常用绝缘材料的相对介电常数见表1。
环氧树脂和酚醛树脂具有介电常数高，来源广泛，价格低廉等特点被广泛应用。在现实生产过程中，经常以玻璃丝布带缠绕线圈两到三层，外涂以环氧树脂两遍。可以起到很好的预防匝间放电效果。
2.3 炉体内充保护性气体
根据工艺特点，向炉内充氮气、氩气等保护性气体，使炉内具有一定的压力（高于可能放电的压力范围）能够有效避免放电现象的发生。
2.4 其他因素及预防措施
除了上述因素与措施外，感应线圈的放电现象还与其他因素有关，需采取多种措施积极预防。
（1）电极面积越小，边缘效应越强，容易引起放电。
预防措施：感应线圈截面采用扁平形状，扩大匝间相对面积。
（2）线圈表面加工粗糙，有尖锐棱角存在，容易引起放电。
预防措施：提高表面加工精度，焊接处打磨光滑。
（3）线圈材料含有挥发性高的金属杂质容易引起放电。
预防措施：使用合格材质的紫铜管加工线圈。
（4）炉料中含有汞、锌、铅、镁等蒸汽压较高的元素，在真空融化过程中逸出金属蒸汽，引起放电。
预防措施：炉料进行预处理，熔炼过程充气保护。
3.结语
真空感应熔炼炉真空中的放电有气体放电击穿与真空放电击穿两种形式，通过降低电压、优化线圈设计结构、加强匝间绝缘，同时采取提高真空感应炉的工作真空度等其他综合措施，可以有效克服放电现象的发生。
参考文献
[1] 沈以忱，真空工艺与实验技术，冶金工业出版社，2006.
[2] 王欲知，真空技术，四川人民出版社，1984.