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A 电弧中的电压降
真空自耗电弧熔炼利用的是弧光放电，这种放电是在低电压（十几伏到几十伏）和大电流（几千安到几万安）条件下产生的放电，放电过程产生强烈的白炽光和高温。弧光放电时两极间的电压降称为电弧电压。电弧电压U由阴极压降UK弧柱压降和Uc阳极压降组成：
U=Uk+Uc+UA
式中，Uk+UA=Us，称为表面压降。
表面压降与电极材料、气体成分、压力和电流强度等有关，与两极的距离无关。在电极材料、气体及压力不变的情况下，电弧电压的变化取决于弧柱压降Uc,但Uc值很小，两极间距离的变化对电弧电压的影响很小，不成直线关系（见图1-6).

在真空自耗电弧熔炼过程中，电弧电压U主要受极性、电流、电极直径与坩埚直径之比值（d/D)、电极材料和电弧长度的影响。其中，以电流强度对表面压降影响最大，而对弧柱压降影响较小。即：
U=Uo+al
式中
Uo-电弧电压的不变分量，V;
a-常数；
I-电流，A.
真空自耗电弧熔炼钛时，在一定的弧长（电极下端与熔池表面间的距离）范围内，弧长每变化10mm便会引起0.5V的电压变化。熔炼不同金属，电弧长度的变化也不一样，真空自耗电弧熔炼钛和钢的电弧电压与弧长的特性曲线如图1-7所示。实践表明，真空自耗电弧熔炼钛的电弧压降约为30~40V.

当电极材料和尺寸一定时，电弧压降U随电流大小（即随电流密度）而变，如图1-8所示。当电流小时，增加电流，电弧压降变小；当进一步增加电流时，电弧压降几乎成直线增加。电弧压降中主要是表面压降增加，弧柱压降增加不多。

B 电弧的温度场和能量分配
电弧中温度场的温度分布情况很复杂，具体的温度值与电极材料、电流大小和气相组成有关。一般来说，当以钛阴极作自耗电极（称为正极性熔炼）时，阴极端的温度约为1775℃,金属熔池表面的工作温度约为1850℃,而弧柱区的温度最高，可达4700℃.
正极性自耗熔炼时熔炼区的温度场如图1-9所示。图中给出了温度的分布情况，从其温度分布可知，电弧的能量一部分消耗于弧柱，其余大部分则消耗于两极。电弧能量消耗在弧柱区的能量值约为弧柱压降与电流的乘积。部分能量由于辐射而损耗，是无效的。消耗于两极的能量与电极熔点有关。试验结果表明，金属熔点越高，分配于阳极的能量与阴极的能量之比越高。对熔炼钛而言，此比值约为1:3.

C 电弧的稳定性
真空熔炼时，炉内压力自弧区至排气口依次递降，如图1-10所示。熔炼时所测炉室压力比弧区压力低10/11~40/41.
气相压力对电弧的稳定性有很大影响。当气相压力和其他工艺参数控制不好时，电弧便不稳定，易产生边弧（即自耗电极和铜址埚之间产生的电弧）和扩散弧，严重时会烧穿坩埚，造成严重事故因此，在工艺设计和熔炼过程中都必须设法确保电弧的稳定性。

实践表明，气相压力在6..7x103~105Pa范围内电弧是稳定的；压力在67~6.～6.7x103Pa时，电弧在坩埚内严重漂移，易产生边弧和散弧，这个气相压力范围称为危险区；气相压力降低至67Pa以下，电弧又恢复稳定，称67Pa这个恢复稳定的气相压力为临界压力。在真空熔炼作业中，气相压力必须避开危险区，常保持在临界压力以下。
虽然钛的自耗电弧熔炼可以在惰性气体的保护下于常压中进行，但与常压熔炼相比，真空熔炼加热温度更均匀，弧柱压降小，因而具有热效率高的优点，正常生产中多采用真空熔炼工艺。如前所述，临界压力随电流减少而降低。如用钢电极试验时，发现电流为1500A时临界压力约为67Pa,电流为600A时临界压力为4Pa.因此，宜选用大的电流。
生产实践中，为了使电弧工作稳定，通常在坩埚外加稳弧线圈。稳弧线圈的作用是当通入直流电（或交流电）时便会产生纵向磁场，减少边弧，稳定电弧。稳弧线圈示意图如图1-11所示。
纵向磁场除能减少边弧外，也能使熔池中液态钛旋转产生搅拌作用，有利于液态钛中合金组元或杂质的扩散，使钛锭质量均匀化和结晶细化。外加纵向磁场对金属熔池的影响如图1-12所示。

使用稳弧线圈时，应选用合适的稳弧电流。电流过小稳弧作用不明显；电流过大则由于电弧被压缩得厉害而导致熄灭，并因熔池旋转激烈而影响钛锭质量。合适的安匝数应是以电弧稳定燃烧、熔池平稳或微微旋转为准。

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