陜西真空電子束真空冷床EB爐廠家~電子束冷床EB爐熔煉技術

電子束冷床熔煉爐較傳統的真空自耗電弧爐熔煉相比是一種先進的熔煉技術；

1.簡介

鈦及鈦合金熔煉有真空電弧爐(VAR)、真空感應爐、旋轉電極爐、電渣爐等方法，目前真空自耗電弧熔煉是鈦及鈦合金鑄錠生產的主導工藝。純鈦及非航空用鈦合金一般采用兩次熔煉，航空及其它關鍵部位用鈦合金采用三次熔煉，以保證獲得成分均勻，缺陷率低的鑄錠。但實踐表明:真空電弧熔煉不能從根本上消除高低密度夾雜及成分偏析等冶金缺陷，嚴重影響材料使用的可靠性，造成很大的經濟損失，為了提高鈦及鈦合金的熔煉水平和航空用鈦及鈦合金的質量，發展了電子束冷床爐熔煉(EBCHM)技術，其熔煉過程是將提純和凝固完全分開，高密度夾雜與鈦熔體有很大的密度差異，會沉入水冷爐床底部被凝殼撲捉，低密度夾雜可通過熔池的過熱度和長時間保溫使其盡可能熔解或上浮，達到去除高，低密度夾雜，充分實現合金化的目的，提高鑄錠質量。本文主要介紹電子束冷床爐的結構、工作原理、熔煉特點以及工藝控制等。

2.電子束冷床爐的結構

電子束冷床爐主要由電子槍系統、進料系統、熔煉系統、真空系統、冷卻系統、控制系統及電源系統組成，電子束冷床爐工作示意圖見圖1。

2.1電子槍系統是電子束冷床爐的關鍵部件，目前通常使用的電子槍為皮爾斯環型電子槍。槍的使用壽命長，控制錄敏，通過聚售和偏轉系統很容易改變電子束的大小和位置，具有很高的偏轉頻率和大的偏轉角度，電子槍在X、Y方向上的最大偏移角度可達±30，各方向的最高偏轉頻率為1250HZ，最大功率為800KW，陰，陽兩極間的電壓為3KV，陰極與被加熱金屬間的電壓可高達50KV，大型電子束冷床爐一般配有4~7個電子槍，總功率一般為2.0MW~4.0MW。

2.2進料系統一般采用垂直進料和水平進料兩種方式，垂直進料系統合尺寸較小顆粒狀原料，水平進料系統則適合體積較大塊狀料或電極。

垂直進料系統的料倉是一真空密封容器，料倉內尺寸較小粒狀原料(海綿鈦、返回爐料、中間合金)通過振動加料器加入爐床，加裝隔離閥可實現給料倉內加料而不影響熔煉室真空，原料的加料速度可以根據工藝要求由振動加料器進行控制。

水平進料系統分為裝料室和進料室，中間用閘板閥隔開，也可實現給裝料室裝料，而不影響熔煉室真空，原料可通過推進器加入爐床，實現連續熔煉。加料速度可根據熔煉功率、拉錠速度等因素通過改變推進器速度進行調整。

電子束冷床爐在其加料裝置配備有預熱和預除氣功能，使爐料在熔化前預熱到400~500℃，去除吸附的氣體。

2.3熔煉系統主要由冷爐床、結晶器、拉錠機構等三部分組成。爐床為一水冷矩形銅槽，爐床的深度一般約為100mm，其長度和寬度可根據金屬熔體所需的停留時間來確定。熔煉區與精煉區采用防濺屏隔開，防止熔化時噴濺物進入精煉區，影響提純效果，結晶器帶有拉錠機構，拉錠的速度可根據熔化速度，通過皮爾格步驟[1]進行控制，確保鑄錠的表面質量。

2.4電子束冷床爐的直空系統比較復雜，一般配備有三組，一組為電子槍直空系統，電子槍必須在高真空下才能正常工作，一般采用先進的渦輪分子泵，機械泵作為它的前級泵。一組為進料真空系統，采用傳統的機械泵、羅茲泵和增壓泵真空配置來維持。一組為熔煉室真空系統，由機械泵、羅茲泵和擴散泵組成。熔煉室真空度一般維持在10^-1~10^-2Pa，槍室的真空度一般為10^-2~10^-4Pa。

3.工作原理

與VAR相比。電子束冷床爐在設計上將水冷銅爐床與坩堝分開，實現了熔化和凝固過程的分離。冷床爐分為三個工作區:熔煉區、精煉區、結晶區。在熔煉區原料在電子束的掃描下由固態變為熔融態，流向精煉區，在精煉區，熔融金屬進行精煉，高密度夾雜與鈦熔體有很大的密度差異，會沉入水冷爐床底部被凝殼撲捉，低密度夾雜可通過熔池的過熱度和長時間保溫使其盡可能熔解或上浮，去除高、低密度夾雜，并充分實現合金化，然后注入結晶器，形成鑄錠。

與傳統的VAR不同，其進料方式可以是松散的小顆粒原料或壓制的電極、一次錠等。熔煉區、精煉區、結品區的電子束掃描方式，頻率，功率等工藝參數可分別進行控制。

4.電子束冷床熔煉EB爐的特點

電子束冷床熔煉EB爐與VAR相比有很多特點，其中優點有:

(1)高密度夾雜與鈦熔體有很的密度差異，會沉人水冷爐床底部被凝殼撲捉，低密度夾雜可通過熔池的過熱度和長時間保溫使其盡可能熔解或上浮，去除高、低密度夾雜，并充分實現合金化。

(2)鈦熔體長時間大面積暴露在真空下，可有效地去除易揮發雜質，使H、Cl、Ca、Mg、K等雜質元素達到最低水平。

(3)在相同熔速條件下，等體積鑄錠中溫度梯度電子束冷床熔煉EB爐不足VAR中的一半，鑄錠的組織均勻補縮工藝更易控制。

(4)在熔煉過程中可實現有規律地從坩堝內粘取試樣，進行化學成分分析，保證生產高質量的鑄錠。

(5)使用軟件控制系統，使電子束產生掃描圖形與坩堝匹配，可生產圓錠、扁錠、空心錠等多種規格的鑄錠，其中扁錠、空心錠可減少板材與管材生產時的后續加工，節約成本，提高產量。

(6)可回收各種形式殘料，如屑料、塊料以及其它形狀返回爐料，回收比例可達100%，與VAR熔煉30%的回收量相比，可有效地降低生產成本。同時VAR難以回收的各種合金殘料，可根據其化學成分，進行原料合理搭配，通過電子束冷床熔煉EB爐達到可控水平，進行回收利用。

(7)一般民用及非航空材料可只進行單次EB熔煉，減少熔次，有效地提高生產效率。 EBC電子束冷床熔煉EB爐的缺點:

(1)電子束熔煉是一個相當復雜的技術，需要比其它熔煉工藝廣泛的直空技術，電子和物理知識。必須進行高水平的培訓，培養一批高素質，經驗豐富的操作人員和高級技術人員。

(2)電子束冷床爐的高真空度和高的能量密度使金屬損失較大，金屬損失一般約達3~6%，飽和蒸汽壓高的合金元素Al揮發損失可高達1%以日2，金屬收得率較低，鑄錠化學成分的均勻性和準確性較難控制。

(3)由于電子束冷床熔煉EB爐需要高直空度，對海綿鈦的使用比例有一定限制。

(4)熔煉材料的混合困難，爐床內熔融金屬量有限。

(5)電子束冷床爐設備結構復雜(如真空系統，電子槍系統等)，使用維修成本高。

(6)由干電子束冷床爐采用高壓加速電子流，會產生對人體有害的X射線，需采取特殊的防護。

5.電子束冷床熔煉EB爐工藝的控制

航空用鈦合金一般采用“電子束冷床熔煉EB爐+VAR”的方法，非航空用鈦及鈦合金鑄錠可只采用單次電子束冷床熔煉EB爐。

電子束冷床爐的核心工藝是電子槍參數的控制，為了同時控制多個高功率電子槍射束功率分布，采用自動射束功率分布軟件，即軟件控制系統，它是通過在計算機上繪圖標注得到模擬的熔煉幾何尺寸和位置，選擇適宜的偏轉模式，每種模式中的有功功率由停留時間來確定。

電子束冷床熔煉EB爐的工藝參數主要有投料速度、電子束流的掃描圖形、掃描路徑、分辨率、頻率、停留時間、拉錠速度等。此工藝參數的制定必須依據生產合金類別、使用原料種類、進料方式、結晶器規格等因素，采用先進軟件控制系統進行能量分布，根據熔池狀況進行能量密度調整，并結合使用測量表面溫度分布的熱成像系統及測量氣相中元索濃度的儀器，使共熔池溫度達到理想的狀態，各工藝參數達到合理匹配，即提高熔化速率又防止金屬熔體局部過熱，使易揮發合金元素的揮發損失得到有效控制，提高鑄錠化學成分的均勻性和準確性。

在電子束冷床熔煉EB爐工藝控制方面，采用先進軟件控制系統進行能量分布，根據熔池狀況進行能量密度調整，并結合使用測量表面溫度分布的執成像系統，使熔池溫度達到理想的狀態，各工藝參數達到合理匹配。在熔化階段輸入的電子束能量集中在待熔化的原料、冷爐床熔池邊部和鑄錠的外部，以補償由于水冷爐床及結品器造成的熱量損失，在補縮階段從鑄錠外部到中心建立一定梯度的遞減溫度場，使鑄錠的縮孔位置抬高甚至無縮孔;金屬損耗為3%~6%，它上原料種類、熔煉直空度、熔化功率、停留時間，掃描頻率、熔化速率等參數的控制有關。采用100%殘料生產的鑄錠表面質量優良，雜質元素在鑄錠長度方向上的分布均勻，在鑄錠橫向切片進行組織檢測，鑄錠組織比VAR更為均勻，成份含量滿足標準要求，未出現諸如氣孔、裂紋及非金屬夾雜等缺陷，生產的棒材性能完全滿足標準要求。