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电子束熔炼 dianzishu ronglian???? electron beam melting 字体 [大] ??[中]?? [小] 高真空下，将高速电子束流的动能转换为热能作为热源来进行金属熔炼的一种真空熔炼方法。简称EBM。 简史 1905年德国的西门子(Siemens)公司和Haisko用电子束熔炼钽首次获得成功，重熔锭的纯度和加工性能都优于真空电弧炉重熔的锭子。但当时世界上的真空技术发展水平还很低，从而影响了电子束熔炼技术的发展。直到20世纪50年代，美国的To-moscai公司才将电子束熔炼发展到工业化生产规模，引起了世界各国的关注。几个工业发达国家相继开展了电子束炉的研制工作，其中美国和德国发展最快。这样，电子束熔炼也就发展成为一种新的特种冶金技术。中国是1958年开始电子束熔炼炉的研究和试制工作的。到了60年代已经具备了工业化生产的规模。 原理、工艺特点及冶金效果 在高真空条件下，阴极由于高压电场的作用被加热而发射出电子，电子汇集成束，电子束在加速电压的作用下，以极高的速度向阳极运动，穿过阳极后，在聚焦线圈和偏转线圈的作用下，准确地轰击到结晶器内的底锭和物料上，使底锭被熔化形成熔池，物料也不断地被熔化滴落到熔池内，从而实现熔炼过程，这就是电子束熔炼原理。图1是电子束熔炼原理示意图。电子束炉的加速电压一般使用在三万伏左右，引起的X射线损失最大不超过0.5%，二次发射电子的损失会更少。所以电子束的能量几乎是全部由电能转换为动能，再由动能转换为热能。电子的运动速度V(km/s)可由下式确定： W=593(km/s) 式中υ为加速电压，V。 图1 电子束熔炼原理示意图 电子束熔炼的工艺特点是在高真空环境下进行熔炼(熔炼真空度一般在10-1至10-3Pa)，熔炼时熔池的温度及其分布可控，熔池的维持时间可在很大的范围内调整;熔炼是在水冷铜坩埚(结晶器)内进行的，可以有效地避免金属液被耐火材料污染。因此可以说，电子束熔炼为一些金属材料、特别是难熔金属提供了一种不可缺少的精炼手段。 电子束熔炼过程存在3种基本的冶金反应：(1)除气。电子束熔炼可除去大多数金属中的氢、且氢的去除很容易，一般在炉料被熔清之前即已基本完成：由于真空度高，熔池温度及处于液态的时间可控，脱氮效果也很高。(2)金属杂质的挥发。在电子束熔炼温度下，凡是比基体金属蒸气压高的金属杂质均会不同程度地得以挥发去除。(3)去除非金属夹杂物。氧化物及氮化物夹杂物在电子束熔炼温度及真空度下，有可能分解出[O]及〔N〕被去除;[O]还可以通过碳氧反应而被去掉;此外，锭子自下而上的顺序凝固特点也有利于非金属夹杂物的上浮。 电子束熔炼炉的设备 典型的电子束熔炼炉一般由6部分组成： (1)电子枪。电子枪是电子束熔炼炉的心脏。它包括枪头(一般由灯丝、阴极、阳极等组成)、聚焦线圈和偏转线圈等。电子枪按其结构形式可分为轴向枪(或称皮尔斯枪)、非自加速环形枪、自加速环形枪及横向枪，它们的基本结构及其在电子束熔炼过程中的工作情况示于图2。电子枪的数量有单枪、双枪和多枪等。(2)进料系统。如果原料为预制好的自耗电极时，一般采用纵向或横向机械进料方式：如果原料为屑、块或颗粒状时，则采用给料仓的方式。(3)铸锭系统。包括结晶器、拉锭机构和出锭机构等。(4)真空系统。包括真空机组、真空室、真空管道及阀门和真空测量系统等。(5)电源系统。包括主电源(电子枪电源)及控制电源和操作电源等。(6)冷却系统。包括全部冷却用水及管道阀门等。 电子束熔炼炉分类 按其使用的电子枪的类型不同，可分为环形枪、横向枪及轴向枪电子束熔炼炉等3类;按其用途，可分为熔炼用炉、区域精炼炉、电子束凝壳炉及多用途电子束熔炼炉等4类。 环形枪电子束熔炼炉 非自加速环形枪电子束熔炼炉的环形枪头距金属熔池仅有20mm左右，故又称近环形枪电子束熔炼炉，其阴极受金属蒸气和喷溅物的侵蚀，寿命一般只有几个小时，但它具有制作容易、成本低的特点，故常用作实验室设备。 自加速环形枪电子束熔炼炉，加大了阴极和金属熔池间的距离，故又称远环形枪电子束熔炼炉，其阴极的工作条件有所改善，但寿命一般也只有十几个小时。 横向枪电子束熔炼炉 横向枪和结晶器上口几乎处于同一平面，故又称平面电子束熔炼炉。它既具有环形枪电子束熔炼炉的优点，其阴极工作条件又得到了显著改善，使用寿命可提高到100h以上，但它与环形枪电子束熔炼炉一样，枪处于熔炼室内，故熔化时真空度不能太低。 图2 几种电子枪的基本结构和工作情况 a—轴向枪;b—非自加速环形枪;c—自加速环形枪;d—横向枪1—轴向枪;2—料棒;3—电子束;4—熔池;5—结晶器;6—锭子;7—拉锭机构;8—非自加速环形枪;9—聚束极;10—自加速环形枪;11—加速阳极;12—聚焦线圈;13—料棒;