真空电子束炉精炼提纯

真空电子束炉精炼提纯
电子束精炼技术(Electron-Beam Melting Tech.)
原理
电子束炉是利用高速电子的动能转换成热能，进而使
金属熔化的一种真空熔炼设备。

其工作原理类似于真空二
极管。

如右图所示，将阴极(钽或钨丝)加热至2600~2800℃
时, 阴极将发射出大量热电子, 此时若在阴极与阳极(或
称为加速阳极)间保持大的电位差, 则电子在电场作用下
产生加速效果, 即电能转换成电子之动能, 根据能量守衡
定律, 此时若加速电压为25 KV, 电子之速度约为94000
公里/秒, 约光速之1/3。

在此同时, 若系统内(炉体)之真空度达到2x10-4
mmHg以上时, 气体之平均自由径将远远超过炉体之尺寸,
极高速之电子将不会与气体分子发生碰撞, 因此, 在将此
一电子流以磁透镜聚焦后, 便以极高之速度撞击待熔融之金属, 并将其动能转换成热能, 使金属升温融化。

电子束炉的结构
1.炉体
炉体的结构型式与电子枪的型式、数量及原料状态、加料方式等有关，它可以做成卧式或立式。

炉壁一般为钢板焊成夹套式，中间可通水冷却，电子枪及枪室的真空系统装在炉体的上部会斜上方，单枪电子束炉一般垂直装在炉室上部中央，由侧面水平进料;双枪或多枪时，则对称的分布于炉室的斜上方，炉室
内有结晶器、进料装置、炉门、
观察孔及与真空相关的孔道
等装置。

2.加料装置
电子束炉可加散料，各种
进料方式如图所示。

其中a为垂直进料，料棒
通过机械装置可上下运动，同
时为了熔化均匀，某些设备的料棒还可旋转。

c为棒状料的水进料，水平进料的缺点是料棒的局部挡住了电子束，在坩锅内存在阴影区，故此处温度较低，虽由于熔体不断搅动，能部分克服此毛病，但克服此缺点主要还是利用电子束的偏转，或间断进料以克服阴影，否则锭的表面会不光泽，去除杂质的效果也会不好。

为了提高作业效率，炉子一般设有装料箱，箱内放几根棒料，当一根料棒熔完后，通过转换装置，可接着熔化另一根棒料(垂直或水平进料都可)，直到铸锭达到
要求的长度为止。

图中b为加散料的装置，即密封仓内的散料通过电磁震荡器逐步掉入坩锅内(结晶器)内熔化。

加散料往往放气量大，对真空系统的要求更严格。

3.真空系统
电子束熔炼要求真空度达10-4毫米汞柱以上，否则，可能会发生辉光放电，使电流过载，熔炼无法进行，因此要求真空系统排气能力大，能迅速将熔炼过程中放出的气体排除，同时要求其极限真空度高，能维持炉内真空度在10-4～10-5毫米汞柱。

为此长江机械泵(或路兹泵)以及扩散泵串联使用。

枪室往往有单独的真空系统。

电子束熔炼的主要参数
(1)真空度真空度对产品的质量和操作都有很大
的影响
首先真空度高，无论从热力学或动力学的角度来
说，都对去除杂质有利，根据实验，铌电子束熔炼时，
碳氧含量与真空度有很大的关系，如图。

由图可知，真
空度越高，则产品中碳、氧的含量越低。

真空度除影响产品的纯度外，还影响到电子束的
发射，真空度低于10-4毫米汞柱，则易发生辉光放电
使设备电流过载，使得熔炼无法进行。

(2)熔炼速度正确的选择熔炼速度对提高产品的纯度和产率也很大的意义
在熔炼功率一定的情况下，改变熔炼速率(即进料速率)意味着改变熔池的温度和物料在高温下停留的时间，功率一定时若熔炼速度降低，一方面单位时间内熔化的冷料少，更多的能量用于熔池的加热，因此熔池的温度升高;另一方面，因熔化的速度降低，拉锭速度也降低，因此物料处于熔体状态的时间变长，这两个因素都有利于杂质从熔体中排除。

熔炼速度除影响纯度外，也影响产率和耗电量，速度过慢，则金属的蒸发损失增加，产率降低，耗电量增加。

一般在一次熔炼时放气量大，熔炼速度应小一些，二次熔炼时则快一些，有时为了进一步得到更高纯度的铸锭，则需要第三次熔炼，则速度更应加快，以保证得到合乎要求的铸锭组织。

(3)熔炼功率
电子束熔炼时，熔炼功率也是重要的参数之一;当熔炼速度一定，提高熔炼功率，势必使熔池的温度升高，有利于杂质的去除;但另一方面金属的挥发损失和电能的消耗也增加，因此过程中功率应该适当的被控制。

应用
电子束熔炼可以应用在熔制具有下列特性之金属：
1.利用电子束产生之极高热量可以熔制高溶点之金属；例如钨、铌、钽、钼、钒以及贵重
金属；
2.利用电子束熔炼炉中之高真空环境，可以熔制对氧元素具有高亲和力之金属(氧的来源
可以来自大气或熔炼时使用之耐火材)或含有此种元素之合金；例如钛和钛合金，以及镍基超合金或铁镍基超合金(其中含有钛、铝、硼、钇等对氧有高亲和力之元素)；
3.利用电子束熔炼炉中之高真空和极高热量解离氧化物以及杂质漂浮去除方式，可以熔制
需要去除氧化物或杂质之高性能金属；例如制作极微细线材之高级不锈钢。

区域熔炼纯化技术原理
区域精炼为一系列熔融区间在工件中往某一方向进行,以做为纯化的区域熔炼方法。

当熔融区间在工件中行进时，会产升两个固-液相接口,前面的是熔融接口，在后面的是凝固接口。

在熔融接口,固相材料仅为熔解，并和区间内的材料混合;在凝固接口，刚凝固之固相的浓度和在液相的不同，有两种情形:
(一)使工件(原料)之熔点下降
之熔质(K<1):此类熔质在凝固时,
流入溶质浓度小于留在液相的浓
度。

即溶质被刚凝固的凝固区所赶
出，因此溶质往加热区间行进的方
向集中。

(二)使工件(原料)之熔点上升
之熔质(K>1):此类熔质在凝固时,
流入溶质浓度大于留在于液相的浓
度。

即溶质被刚凝固的凝固区所吸
收，因此溶质往加热区间行进的方
向递减。