真空非自耗电弧炉(又称为纽扣炉)电极是利用钨等高熔点材料制成，在炉料熔炼过程中基本不消耗，目前只在实验室中用来研究制造难熔金属和金属碳化物。是问世和应用最早的一种真空电弧炉。炉子体积小，占地空间小，操作方便，不需要专业人员和专业技能，封闭操作，无辐射，对人体无害，对环境无污染。制样快速，目前多用于实验室科研中，用来研究制造难熔金属和金属碳化物等。

非自耗电极电弧炉优点:

(1)体积小，操作方便，占地空间小;(2)熔炼温度可达3000℃以上;

(3)真空腔体小，可快速抽真空，快速充氩气，效率快及氩气消耗少;(4)水冷铜电极可移动，方便拆卸，可同时熔炼多个样品;

(5)样品多样性，可为粉末、丝状、屑状及钻屑、粒状、条状、环状、泥沙状等;

非自耗电极电弧炉缺点:

(1)熔炼金属易被电极材料污染，这种污染通常在局部，极少，但仍然有害;

(2)真空中非自耗电弧稳定性不好，难于操作;

(3)非自耗电极熔炼形成熔池后才可脱气;

(4)单次熔炼合金质量少，几十至几百克;

(5)加料方式难于控制合金成分比例，成分控制较难。

工艺流程

真空非自耗电弧炉熔炼主要分为准备阶段，抽真空阶段、熔炼阶段，吸铸试样阶段，结束阶段吸铸的基本原理是利用炉体内和铜模具之间的压力差将坩埚中的液态金属压入铜模中，利用循环水冷却和铜良好的散热性使液态金属快速冷却净固，制备非晶态合金。

1 准备阶段

(1)打开炉体，对电极和坩埚进行清洗，可采用酒精，蒸发速度快，且无毒性。

(2)将待熔炼金属放入坩埚中，关闭炉体，均匀拧紧各紧固件，检查各设备各个阀门处于关闭状态。

(3)打开电源总闸，循环水阀门，依次打开设备上循环水电源开关，电源开关，待设备运行稳定，打开控制柜的分子泵电源开关。

2 抽真空阶段

(1) 第一级抽真空，设备稳定后，打开炉体阀门与机泵开关电源，启动压力显示屏，在抽真空的过程中，对炉体盖上各个紧固件及炉体密封件进行紧固，确保密封性。

(2）第二级抽真空，等炉体内压力达到初级设定之后，依次打开分子泵阀门，分子泵开关，关闭炉体阀门，关闭机泵开关。

注:为保证炉体内不残留有空气，第一、二级抽真空可重复2~3次，尤其粉末样品。

（3）等炉体内压力达到设定之后，依次关闭分子泵阀门，分子泵按钮开关，设备抽真空完毕。

(4)向抽完真空的炉体内充入高纯氩气，达到一个大气压。

3 熔炼阶段

(1)移动电极与坩埚上电极对正，移动过程中通过观察窗进行实时观察，使二者距离达到要求值。

(2)调高电流，准备熔炼，按下引弧按钮，通过摇杆上手轮移动炉体内两电极接触引弧，在起弧之后立即转动手轮使两电极分开，并用摇杆将移动电极移开，防止烧坏坩埚上电极。通过观察窗操作整个过程。

(3)利用电弧依次熔炼待熔金属，熔炼完毕，关闭电弧。

(4)利用机械手翻转坩埚内金属，反复熔炼金属2到3次保证熔炼均匀。

4 吸铸试样阶段

(1)利用机械手将熔炼好的合金锭移动到中间的坩埚中，并利用熔炼阶段操作对试样进行加热。

(2)通过观察镜观察被加热金属完全熔化为液态时，准备吸铸金属。

(3)吸铸金属时，关闭电弧，同时按下吸铸阀门手柄，待1-2秒钟后提起吸铸阀门手柄，将液态合金吸到坩埚下方的铜模中。

(4)等炉体温度下降后，从真空炉下方打开模具通道，取出铜模，试样制备完成。

5 结束阶段

(1)打开炉体，清洗炉腔，去除烟尘，沙砾及飞溅金属，将铜模清洗干净放回模具通道，拧紧密封盖。

(2)炉腔内清洗完毕吹干后关闭炉体，同时抽真空。

(3)抽真空完毕后，依次关闭分子泵开关，循环水开关，外部循环水阀门，电源总闸等。

(4)检查设备各开关，阀门处于正确的启闭状态，实验完成。

6 操作安全及注意事项

(1)操作人员应始终戴上手套，使操作人员免受电击，并佩戴其他安全保护装置。

(2)定期清洁观察窗玻璃，保证熔炼时视野清晰。

(3)在启动设备之前检查循环水阀门是否开启，严禁在没有循环水的状态下启动设备。

(4)在第一级抽真空的过程中注意拧紧炉体上紧固件和炉体模具通道处的密封盖。

影响电弧的因素

(1)气体压力

电弧区气体压力包括金属蒸气压力和熔炼时放出气体压力，在动态情况下，高于炉膛压力几十倍到几千倍。实验指出，在压力为6.6x10³~10⁵Pa时，电弧稳定，有时电弧沿电极端部移动。当气压降到66Pa~6.6x10³时，电弧移动频繁，且有爬弧、边弧等产生，放电失常，电弧不稳定，当压力低于66Pa时，电弧又稳定下来。故炉膛最佳压力应为0.67~1.3Pa。氩气保护时，当氩气压力大于4.5x 10⁴Pa时，电弧不稳定;当压力降低到4.5x 10⁴Pa时，电弧相对稳定。但压力过低，电弧不稳定。

(2)稳弧线圈

坩埚外绕制线圈，通以直流电或交流电，产生轴向磁场，压缩弧柱，使之不散乱，维持电弧正常放电，称为稳弧线圈，交流磁场并可减弱设备固有磁场不对称的不良影响。

(3)电弧电压与弧长的关系

直径12mm的非自耗钨电极在炉内压力26Pa，直径为175mm的结晶器内熔炼钛时测得的电弧电压Ua，电弧电流la与电弧长la的关系曲线，如图所示，短路电极拉开后，随着弧长la增加，电弧电压增加，电弧电流减少。弧长较短时，电弧电压和电流变化显著;但是弧长增加到一定长度后，电弧电压和电流变化开始平缓，真空电弧熔炼采用大电流低电压，属于短弧操作，一般电弧电压为22~55V，对应弧长为20~50mm(后者为大锭)，因此，炼钛时用电弧电压控制电弧长度，以达到稳弧目的。电弧过长，会引起电弧不稳或杂散，锭子表面不光滑，气孔多，外皮有螺纹或条纹等缺陷。电弧过短，容易短路，导致电极与熔池粘在一起等。

纽扣锭案例