新型电子束熔炼炉的研制

新型电子束熔炼炉的研制

作者：尹中荣，马元，郑杰，康志君，谷洪钢，王钺，王秦，李泉旺

北京有色金属研究总院机电设备研究开发中心

图1 电子束炉结构简图

摘要：本文介绍了新型电子束熔炼炉技术参数、结构、性能及其特点。 关键词：电子束熔炼炉；结构；特点

随着科学技术的迅速发展，对高纯金属及合金的需要量越来越多，常规的冶炼方法已很难满足要求，而真空电子束熔炼是一种有效提纯方法，特别是对于在冶炼温度下具有较低蒸汽压的金属和合金更为有效。

高科技的发展对材料的性能提出了新的要求，而材料新功能的发现和应用又可促进高科技的发展，因此，作为材料基础的金属就成了材料科学的主要研究对象之一。但是，金属本性特征的揭示和应用又往往由于其中杂质的存在而受到影响，只有对金属进行深度净化提纯，才能进一步揭示其原来的本性特征，从而发现其新的功能和开拓新的应用。这就是目前金属提纯成为现代材料科学研究领域中热门课题的主要原因。世界各国极为重视金属材料高纯化的研究，借以开发材料的新功能，满足高科技的需要。在上世纪九十年代，电子束在国外已成为一种新型工业熔化金属的动力源，电子束熔化工艺导致了新一代金属材料的产生。

北京有色金属研究总院主要从事新金属材料的研究，进行新产品的研制和生产，如Ta、Nb、Mo、Ti、Cr、Cu等。作为超导线的基体材料所采用的高纯铜，必须具有很高的纯度（99.99%以上），而且要求结构致密，无气孔等缺陷。1964年，北京有色金属研究总院研制成功的120kW

电子束熔炼炉，在近四十年的实际使用过程中，北京有色金属研究总院对其各部件不断进行改进。1987年，成功改造成200kW电子束熔炼炉。1988年，获得电子枪和送料机构两项实用新型专利。在进行新材料研究和超导研究工作中发挥了重要作用。其间，自主研制成功的电子束熔炼炉在多项新材料研究工作中得到应用，如：钼电极的电子束熔炼研究、Ta、Nb、Wu、Mo、Cr、Ti等难熔金属的熔炼和提纯。它一直正常运转了近四十年，创造了巨大的经济效益。今天，北京有色金属研究总院总结近四十年的实践经验，结合近代真空设备和电器控制元件的最新发展，重新设计出高水平、大容量和外表美观的不锈钢新型电子束熔炼炉，最大功率可达300kW。 1、工作原理

电子束熔炼是一种特殊的真空冶金设备。利用炉中的电子枪可将几十至数百kW的高能电子束聚焦在1cm左右的焦点上，产生3500°C以上的高温。当高能电子束聚焦在欲熔炼的钨、钼、钽、铌、锆等难熔金属原料上时，就能够将这些金属熔化，达到熔炼或提纯的目的。由于高温区域有限，熔化的金属需要一点一点地滴入下面的熔池，经结晶器冷却，凝固成锭。在高真空和高温的作用下，液态金属中的气体和杂质大量蒸发。从而得到高纯度的致密的凝固态金属锭。 电子束熔炼炉是高温难熔金属熔炼和提纯的专用设备。电子束熔炼在高真空下进行，熔炼时的过热温度高，维持液态的时间长，使材料的精炼提纯作用得以充分有效地进行。电子束熔炼时，材料主要发生脱气、分解、脱氧、金属杂质的挥发和不熔杂质的上浮等。其中，不熔杂质上浮而富集在铸锭顶部，可在切头时去除。

在真空下，电子枪的阴极被加热产生热电子逸出。在加速电压（大于20kV）的作用下，热电子向阳极（零电位）加速运动。由于聚束极的作用，电子束从阳极的中心孔通过，向下继续运动，经磁聚焦透镜的多次聚焦和磁偏转扫描透镜的调节，使电子束准确而集中地轰击到原料棒的表面。在原料和熔池表面产生3000°C以上的温度，原料的表面被加热、熔化、滴入熔池中。熔池就是锭上端的熔化部分，其周围是水冷铜坩埚（结晶器）。由于电子束的加热作用，熔池保持不断地上下、内外对流。随着熔化的原料不断滴入，熔池表面不断上升，拖锭装置又将锭不断向下拉动，使熔池表面保持一定高度。 2、 电子束熔炼炉的结构

整个电子束熔炼炉由炉体部分、电子枪部分、真空系统部分、高压电源部分、进料系统、拖锭系统、自动控制系统、水冷系统等组成。如图1所示。 2.1 炉体部分

炉体部分为ψ1000×2000mm带水套卧式腔体，两边活动炉门，均采用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料制造，炉体分别与电子枪、真空系统、进料装置、水冷铜坩埚、拖锭装置和观察测温相连接。

2.2 电子枪部分

电子枪由钨丝阴极，阴极，聚束极、加速阳极、栏孔板、磁聚焦透镜、磁偏转扫描透镜等部件组成，可产生250kW的电子泵。电子束轰击到金属表面上，其动能变成热能。为熔炼提供热源。

2.3 高压电源部分

整个系统由主高压电源、副高压电源、灯丝电源三部分组成。

①主高压部分：由晶闸管交流相控装置、交流调压器、主高压变压器、高压三相整流器、平波电抗器、滤波电容器及保护、取样部分组成。晶闸管相控电路组成及截止保护，主高压调节范围3-30kV，直流电流输出能力7.0A，电压闭环控制，稳压精度1%取样电路接地系统由需方提

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供可靠的稳定接地点。

②副高压部分：由晶闸管交流相控装置、副高压隔离升压变压器、三相桥式整流电路、副高压平波电抗器组成。晶闸管交流相控装置按束流电流闭环设计，束流控制和调节由该部分实现。输出直流电压的调节范围300-3000V，束流反馈由分流器提供。

③灯丝部分：由晶闸管交流相控装置、隔离变压器、电流取样部分组成。交流相控装置按灯丝电流闭环设计，灯丝电流80A，电压25V，灯丝电流稳定度1%，灯丝可脱离主高压、副高压单独设定。

以上三个部分的隔离变压器均按35kV耐压设计，试验电压要求80kV/min。

正常运行时，主高压、副高压、灯丝、束流均为闭环稳定工作状态。当负载打火时，主高压、副高压均可自行软恢复，软恢复时间可调整。

系统具有完善的过电压、过电流、负载过冲击、打火截止等各项保护功能，能适应熔炼炉频繁短路的运行状态，并具备人工脉冲强制锁定按钮。

系统具有主高压、副高压、灯丝电压、电流、束流等各种电参数显示，并能由远控台进行操作。 2.4 真空系统

真空系统在电子枪室内部获得10Pa真空度，确保电子束的发射聚焦；在炉体内部获得10Pa真空度，防止金属氧化、促使杂质蒸发。

①炉室真空系统由2台KT-600扩散泵为主泵（抽速共34000L/s），前级泵为1台ZJP-1200带旁通阀的罗茨泵（抽速为1200 L/s），1台H-150滑阀泵（抽速为150 L/s），2台2X-15机械泵作为扩散泵的维持泵，以及与之配套的各种阀门，如电磁放气阀、气动挡板阀、电磁真空充气阀、气动蝶阀、水冷挡板等部件组成。这样的真空系统能保证高阀打开以后很快进入10Pa，并能在熔炼的过程中保证炉室的真空度。我们选用的真空组件是国内同行业质量最好厂家的产品。

②电子枪真空系统采用3套F-450型涡流分子泵（每台抽速450L/s），每台泵前各有1只GCD-150高真空插板阀，以及2X-30型旋片泵为前级泵，组成清洁无油真空系统，不会对电子枪室造成油污染，而且启动快，抽速平衡，这在国内是首次采用，实践证明是成功的。 2.5 进料机构

进料装置包括给料箱和给料装置。其作用是使金属原料棒不断向前移动、左右摆动，以 确保金属原料逐点熔化。横向进料机构采用水平辊道推料方式送给坯料，水平辊道的端部可以摆动（已申报专利），以调整坯料熔化位置，进料速度和摆动速度采用调频电机控制，可调速。 2.6 拖锭系统

拖锭装置包括锭座，拖锭杆和坩埚。此装置保持钼锭和熔池转动，冷却熔池，不断下拉金属锭和熔池。拖锭机构采用垂直拖锭杆拖锭，拖锭杆可以旋转，拖锭杆可以水平移出，以便于从熔化工位移动到卸料工位。拖锭速度可调，采用调频电机控制。 2.7 自动控制系统

控制系统由上位机、大型触摸屏、PLC可编程控制器、A/D接口、通讯接口、变送器、编码器等组成，实现对以下各条的控制，即：

①真空系统的所有泵、阀在满足所需真空条件时开启、关闭的全自动及手动控制。 ②拖动系统：送料、摆料、拖锭、转锭、料车、料筒、定位气缸等电机在熔炼、出料全过程的运行、定位、限位的全自动运行及手动控制。

③熔炼参数：主高压电压、电流；副高压电压、电流；灯丝电压电流、聚焦电流、偏转

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电流、扫描电流、炉室真空度、料位显示等参数均由变送器经A/D转换后送至PLC、上位机进行实时动态监控，工业电视观测熔炼全过程。操作台上有大型触摸屏可进行参数动态系统控制图显示、参数修改和手动操作。

④保护系统：水压、水流、水温、电子枪、炉室真空、高压系统的保护连锁、控制功能。 ⑤送料、拉锭、摆料系统采用交流变频调速器控制。 ⑥整个控制系统都具有手动、自动控制功能。

⑦熔炼窗观察系统由直接观察和电视观察两套组成，供熔炼操作用。 2.8 水冷系统

集中供应冷却水，备有3”进水管，4”出水管，有集流水箱，有水温、水流、水压连锁保护指示功能。 3 、技术指标

①电子枪额定功率：250kW；最大功率：300 kW； ②加速电压：35kV；加速电流：7A； ③电子枪室真空度：10-Pa； ⑤功率密度：>2.5×10W/cm； ⑥阴极钨丝寿命：>400h； ⑦电子枪功率损失：<3%； ⑧电子枪阴极块寿命：>2000h； ⑨炉室真空度：1.0×10Pa； ⑩主变压器额定功率：375kVA； 11主调压器额定功率：400 kVA； 4、 调试概况 4.1 工艺过程

原料准备：钽粉经等静压成型后在1600°C-1700°C烧结，根据熔炼要求，在真空氩弧焊箱中焊接成一定尺寸的棒料；

熔炼过程：将熔炼料及水冷铜坩埚底垫好后，密封、抽气，检查漏气率，通冷却水；当熔炼室和枪室真空度均达到0.002Pa左右时，将灯丝预热脱气；恢复真空度后，将枪室和熔炼室之间的横阀打开，输入高压直流电，调节聚焦和偏转磁场，使电子束对准料棒和坩埚，将坩埚底锭部分熔化，形成熔池后，即可进行熔炼；同时进行拉锭，保持液面水平一定。熔炼过程中应该控制好熔炼速度、熔炼功率和真空度。高熔点稀有金属往往经过一次熔炼后，还进行第二次熔炼，以进一步提高锭的纯度和使锭的成分、组织均匀。 4.2 工艺参数

表1 工艺参数

设备功率(kW) 250 坩埚直径原料状(mm) 90 态 烧结条 漏气率(Pa.L/s) <0.67 真空度(Pa) 熔炼前 熔炼中 4.2 ×10 5.0 ×10 -3-3-3-5

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熔炼功率(kW) 160 熔炼速度(kg/h) 25.0 1.2 ×10 1.2 ×10 -2-2250 110 一次锭 <0.67 182 20.6 250 120 一次锭 <0.67 5.0 ×10 -31.2 ×10 -2234 18.3 5、 结论

电子枪：自主知识产权的大功率单枪；采用了三次磁透镜聚束电子束。控制电子束轨迹的依据是观察电子束打到枪内栏孔和飘移管（均有水冷却和连接毫安表测定）的电子数量和打到熔炼物上的电子轨迹大小而定；电子流通效率在熔炼操作过程中能随时观察到，电子流通效率在96%以上，操作简便。电子枪电极及支撑元件形状简单且数量少，易于制造和装卸。电子枪主阴极钽块寿命达2000h以上，是德国商品电子枪（80-200h）10-20倍，阴极块辅助加热功率为2-3kW左右。为了使电子枪的电子发生室与熔炼室有较大的真空压差（两个数量级以上），电子枪采用三套分子泵系统抽气，电子发生室设一个抽气口，电子漂移管设两个抽气口，同时设三个气栏孔（包括阳极孔）。电子枪电子束能平面偏转和圆扫描，偏转角度为35。

电子轰击炉用给料装置，用于固定原料和使原料熔融部位始终保持对准坩埚位置，该装置由夹料杆、卡头、进料丝杠传动机构、放置原料的辊道、辊道摆动用的丝杠传动机构等组成，使原料不仅可以做沿其轴线方向的运动，还可做垂直于其轴线方向的水平运动，从而给电子轰击炉生产带来一系列优点，如扩大了所用原来直径，允许原料有一定弯曲度，二次或多次熔炼不需要更换坩埚、提高炉子产量、充分利用热能和提高产品质量等。

金属精炼或重熔用的电子轰击炉的电子枪由电子发生室和飘移室构成，在电子发生室的钨丝阴极外安装了屏蔽罩，将钨丝阴极、阴极块与电极外筒隔开，同时简化了阴极块的结构，通过三点将阴极块放在聚束极上，在飘移室将栏孔板、飘移管与毫安表相连后接地并与炉壳绝缘，由于上述改进，降低了功率消耗，提高了电子束流通效率，钨丝阴极和阴极块的寿命显著提高，简化了阴极块的安装，并可随时控制电子束的轨迹。

实践证明：新型电子束熔炼炉具有美观、实用、耐用和熔炼金属种类范围广等特点

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