電子束熔鍊

1905年德國的西門子(Siemens)公司和Haisko用電子束熔鍊鉭首次獲得成功，重熔錠的純度和加工性能都優於真空電弧爐重熔的錠子。但當時世界上的真空技術發展水平還很低，從而影響了電子束熔鍊技術的發展。直到20世紀50年代，美國的To-moscai公司才將電子束熔鍊發展到工業化生產規模，引起了世界各國的關注。幾個工業發達國家相繼開展了電子束爐的研製工作，其中美國和德國發展最快。這樣，電子束熔鍊也就發展成為一種新的特種冶金技術。中國是1958年開始電子束熔煉爐的研究和試製工作的。到了60年代已經具備了工業化生產的規模。

在高真空條件下，陰極由於高壓電場的作用被加熱而發射出電子，電子彙集成束，電子束在加速電壓的作用下，以極高的速度向陽極運動，穿過陽極後，在聚焦線圈和偏轉線圈的作用下，準確地轟擊到結晶器內的底錠和物料上，使底錠被熔化形成熔池，物料也不斷地被熔化滴落到熔池內，從而實現熔鍊過程，這就是電子束熔鍊原理。圖1是電子束熔鍊原理示意圖。電子束爐的加速電壓一般使用在三萬伏左右，引起的X射線損失最大不超過0.5%，二次發射電子的損失會更少。所以電子束的能量幾乎是全部由電能轉換為動能，再由動能轉換為熱能。電子的運動速度V(km/s)可由下式確定：

式中W為加速電壓。

電子束熔鍊的工藝特點是在高真空環境下進行熔鍊(熔鍊真空度一般在10至10Pa)，熔鍊時熔池的温度及其分佈可控，熔池的維持時間可在很大的範圍內調整;熔鍊是在水冷銅坩堝(結晶器)內進行的，可以有效地避免金屬液被耐火材料污染。因此可以説，電子束熔鍊為一些金屬材料、特別是難熔金屬提供了一種不可缺少的精煉手段。

電子束熔鍊過程存在3種基本的冶金反應：(1)除氣。電子束熔鍊可除去大多數金屬中的氫、且氫的去除很容易，一般在爐料被熔清之前即已基本完成：由於真空度高，熔池温度及處於液態的時間可控，脱氮效果也很高。(2)金屬雜質的揮發。在電子束熔鍊温度下，凡是比基體金屬蒸氣壓高的金屬雜質均會不同程度地得以揮發去除。(3)去除非金屬夾雜物。氧化物及氮化物夾雜物在電子束熔鍊温度及真空度下，有可能分解出[O]及〔N〕被去除;[O]還可以通過碳氧反應而被去掉;此外，錠子自下而上的順序凝固特點也有利於非金屬夾雜物的上浮。

典型的電子束熔煉爐一般由6部分組成：

(1)電子槍。電子槍是電子束熔煉爐的心臟。它包括槍頭(一般由燈絲、陰極、陽極等組成)、聚焦線圈和偏轉線圈等。電子槍按其結構形式可分為軸向槍(或稱皮爾斯槍)、非自加速環形槍、自加速環形槍及橫向槍，它們的基本結構及其在電子束熔鍊過程中的工作情況示於圖2。電子槍的數量有單槍、雙槍和多槍等。(2)進料系統。如果原料為預製好的自耗電極時，一般採用縱向或橫向機械進料方式：如果原料為屑、塊或顆粒狀時，則採用給料倉的方式。(3)鑄錠系統。包括結晶器、拉錠機構和出錠機構等。(4)真空系統。包括真空機組、真空室、真空管道及閥門和真空測量系統等。(5)電源系統。包括主電源(電子槍電源)及控制電源和操作電源等。(6)冷卻系統。包括全部冷卻用水及管道閥門等。

按其使用的電子槍的類型不同，可分為環形槍、橫向槍及軸向槍電子束熔煉爐等3類;按其用途，可分為熔鍊用爐、區域精煉爐、電子束凝殼爐及多用途電子束熔煉爐等4類。 ^[2] 

非自加速環形槍電子束熔煉爐的環形槍頭距金屬熔池僅有20mm左右，故又稱近環形槍電子束熔煉爐，其陰極受金屬蒸氣和噴濺物的侵蝕，壽命一般只有幾個小時，但它具有製作容易、成本低的特點，故常用作實驗室設備。

自加速環形槍電子束熔煉爐，加大了陰極和金屬熔池間的距離，故又稱遠環形槍電子束熔煉爐，其陰極的工作條件有所改善，但壽命一般也只有十幾個小時。

橫向槍和結晶器上口幾乎處於同一平面，故又稱平面電子束熔煉爐。它既具有環形槍電子束熔煉爐的優點，其陰極工作條件又得到了顯著改善，使用壽命可提高到100h以上，但它與環形槍電子束熔煉爐一樣，槍處於熔鍊室內，故熔化時真空度不能太低。

軸向槍結構複雜、製造困難，屬遠聚焦電子槍，其陰極壽命可長達幾百小時。由於槍室可單獨抽真空，從而熔鍊室壓力可高於槍室壓力1～2個數量級，使得電子束熔鍊的材料更廣泛些，某些含氣量較大的材料亦可進行熔鍊。這種電子束重熔爐電子束射出的方位和它的密度可以按熔鍊時的需要進行調節，熔鍊時，電子束可以分成若干股，分別射到料棒、金屬液麪或重熔錠金屬熔池表面的不同部位。這種電子束熔煉爐廣泛用於工業生產中。為了增大爐子容量和實現不同熔鍊目的，還經常採取多支軸向槍聯合使用的方案。

熔鍊用爐 應用最多的電子束爐，主要用於特殊鋼及合金、特別是難熔金屬。

區域精煉爐 這種爐子主要是用電子束將金屬料棒局部加熱熔化形成熔區來達到精煉的目的。因此種爐子無結晶器，故又稱為無坩堝懸浮區域精煉爐。它主要用於獲取高純金屬。

電子束凝殼爐 這種爐子的結構和真空凝殼爐相同，它是在電子束熔煉爐的熔鍊室內加入一套鑄造系統，用於真空鑄造，主要是鈦及鈦合金的真空鑄造。

多用途電子束熔煉爐 德國Leybold-Heraeus公司發明了這種多用途電子束熔煉爐，即電子束連續流熔鍊(Electron Beam Continous Flow Melting簡稱EBCFM)或電子束冷牀熔鍊(Electron Beam ColdHearth Melting簡稱EBCHM)爐。日本礦業日立工廠的ESP100/1200CF爐子的高真空泵抽氣速率為100000L/s，電子束功率為1200kW，主要用於生產高純特殊鋼、鎳基和鈷基高温合金，用海綿鈦及廢鈦生產純鈦錠和用直接滴流法生產難熔、活潑金屬及其合金。產品為高3m、斷面為470mm×150mm至1350mm×250mm的扁錠或直徑為400mm和800mm的圓錠。用EBCFM爐子還可以生產細晶盤坯及錠子。圖3是用EBCFM方法(在ES2/12/200CF爐子上)生產細晶盤坯的示意圖。用這種方法可以得到宏觀晶粒尺寸小於0.2mm的718合金盤坯。這種爐子變更鑄造系統後可進行真空鑄造，也可用於旋轉制粉。

主要有熔化功率、熔化速度、比電能、真空度和漏氣速率等，如熔鍊次數、自耗電極與坩堝直徑比、冷卻速率及鑄錠冷卻制度等也須注意合理選擇。在諸參數中，熔化功率、熔化速度及比電能是影響鑄錠質量最重要的因素。在整個熔鍊過程中，這3個參數的控制應有所變化。熔鍊初期，真空度比較低，爐料及坩堝都處在常温下，熔池尚未形成，熔化功率應低一些，熔速應慢一些;熔化末期，為了消除鑄錠頂部縮孔，熔化功率及熔速必須有一個逐步下降的過程，以完成補縮。補縮時間的長短與鑄錠的大小及熔化金屬的種類有關;而在熔鍊中間大部分的正常熔化期內，熔化功率及熔速應保持穩定。

電子束熔鍊金屬，和其他方法熔鍊金屬一樣，應對其進行基本理化性能、化學成分、雜質含量、鑄態組織等進行常規測試與分析。通常電子束熔鍊金屬具有高的純潔度與良好的鑄態組織，從而具有高的機械性能，特別是高的塑性、韌性及各向同性係數。應該指出：電子束熔鍊過程中，由於熔池温度高，過熱度大，金屬處於液態的時間長，因此鑄錠在凝固時，柱狀晶發展，這就給開坯帶來不利的影響，所以在制定工藝參數時，應考慮防止柱狀晶過分長大的問題。另外，電子束熔鑄錠還易產生一些表面冶金缺陷，如表面橫向裂紋、冷隔、表面不光滑等，這些都應通過優化工藝參數及提高操作技術水平來解決。 ^[3]