2400KW电子束冷床炉熔炼纯钛生产实践及工艺控制

熔炼钛及钛合金铸锭生产实践及工艺控制。 1. 1 电子枪 电子枪是整个电子束冷床炉的心脏，是发射 电子束的装置。宝钛集团电子束冷床炉总输出功 率为 2400kW，装有 600kW 的皮尔斯型电子枪 4 个， 4 个电子枪承担不同的工作任务，其中 2 支枪 用于冷床炉熔炼区熔炼， 1 支枪用于冷床炉精炼区 熔炼， 1 支枪用于结晶区控制结晶器内熔池的温度 以及铸锭后期补缩。 宝钛集团 EBCHR4/200/2400 炉电子枪采用间 接加热的方式， 其优点在于使用块状阴极， 有效提 高阴极使用寿命。此电子枪为皮尔斯型电子枪， 电 子枪示意图见图 2、 图 3， 该电子枪采用间接加热 方式， 间接加热则是将阴极作成块状， 而块状阴极 上方设有灯丝 （热阴极） ， 灯丝和块阴极之间加直 流电场， 灯丝为负， 块阴极为正， 灯丝直接通入交 流电升温达 2600～2800℃左右，在直流电场的作 用下， 灯丝向块阴极发射出热电子， 轰击块阴极， 使块阴极升温到发射电子束。 电子枪工作时，块状阴极与被熔物之间的电 压最大为 45KV，丝状阴极与块状阴极间电压为 3KV。 通过电流， 块状阴极被激发， 向阳极发射电子 束。被射出的电子束穿过阳极中心的孔， 通过聚焦
Key words: Pure Titanium； Melting； Electron beam； Cold hearth
2005 年宝钛集团公司购进了一台输出功率 为 2400kW 的电子束冷床炉 （EBCHR 炉） ， 该炉是 我国目前唯一一台用于钛及钛合金铸锭工业化生 产的大型电子束冷床炉，可提供截面尺寸为 Ф736mm、 方 270mm×1085 mm、 方 370mm×1340 mm 三种规格的铸锭。 该电子束冷床炉的成功引进 和顺利实现批量化生产，使我国的钛及钛合金熔 炼装备水平和工艺技术水平实现了重大跨越， 达 到了国际先进水平。
10 Pa。第二组为进料真空系统，采用传统的机械 泵、 罗兹泵和增压泵真空配置来维持。第三组为熔
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炼室真空系统， 由机械泵 、 罗兹泵和扩散泵组成， 熔炼室真空度一般维持在 10-1～10-2Pa。第四组为 铸锭拉锭室真空系统， 由机械泵、 罗兹泵组成。 在熔炼过程中，电子枪室的熔炼真空度保持 在 10-3 ～10-5Pa， 熔 炼 室 内 真 空 度 保 持 在 10-1 ～ 10-2Pa。 1. 3 进料系统装置 进料系统配备有垂直进料和水平进料两种进 料方式，实际生产中可根据原料情况任意选一种 方式进行加料，即利用垂直进料系统直接添加散 料和利用水平进料系统添加较大型的棒料。 垂直进料系统由料仓、 台秤、 斗式定量称、 混料 器、 桶式进料器装料系统和预热真空室组成。海绵 钛、 返回炉料、 中间合金分别装入不同料仓内， 根据 工艺要求由电子称进行准确称重， 倒入混料器进行 混料， 然后通过桶式进料器装料系统进入预热真空 室， 预热真空室具有预热和预除气功能， 使炉料在 熔化前预热到 400～500℃，去除吸附物料表面的 气体。原料通过振动加料器加入炉床， 加装隔离阀 可实现给料仓内加料而不影响熔炼室真空， 因此可 以不间歇的共给原料实现连续熔化， 原料的加料速 度可以根据工艺要求由振动加料器进行控制。 水平进料系统分为装料室和进料室，中间用 闸板阀隔开， 也可实现给装料室装料， 而不影响熔 炼室真空度， 原料可通过推进器加入炉床， 实现连 续熔炼。加料速度可根据熔炼功率、 拉锭速度等因 素通过改变推进器速度进行调整。 1. 4 熔炼系统 熔炼由熔炼区和精炼区两部分组成 。物料熔 化过程为：负责熔化物料的两只电子枪的电子束 射到被熔物料，待熔化材料被熔化进入一个带有 熔炼区和精炼区的水冷铜冷炉床中，一只电子枪 负责对已熔化物料进行精炼，精炼后的物料溢流 进入一个带有可伸缩基板的水冷铜坩埚中，一只 电子枪负责铸锭结晶区热量控制，电子束按照设 定的参数进行自动扫描，以控制金属液面温度均
图 2 电子枪工作示意图
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力变动对电子枪室真空度的影响，保证电子枪室 发生稳定电 子 束 ， 枪 室 的 真 空 度 一 般 为 10 ～
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匀， 形成利于物料结晶的热量场， 从而控制结晶器 内的金属凝固， 凝固的铸锭按皮尔格步骤下降， 以 无缺陷表面质量优良的铸锭 。 获取内在成分均匀、 熔炼、 精炼炉床和坩埚排列在一直线上， 一个防溅 挡板放置在熔炼区和精炼区之间，防止材料从熔 化区溅至精炼区。 1. 5 熔炼铸锭拉锭装置 铸锭结晶过程是在水冷铜坩埚中进行，顺序 结晶形成的铸锭被连续拉入下面的锭室中，铸锭 的拉出是根据皮尔格步骤的方法由拉锭系统来完 成的。拉锭速度最大为 700mm/min， 实际生产中可 熔炼速率等参数调节拉锭速度， 以根据熔化功率、 皮尔格步骤 净速度为 0 ～50mm/min， 铸 锭 最 长 5000mm， 铸锭的重量可达 11 吨。
Production Practice and Process Control of the 2400KW Electron Beam Cold Hearth in Melting Pure Titanium
Chen Zhanqian， Guo Bin， Chen Feng， Li Xianjun， Gao Xin
work principle of the electron gun, it also introduces the production practice and process control when melting the pure Titanium and Titanium alloy. Through our deep understanding and independent innovation, we have achieved the industrialization of the production; the quality of the ingot has been improved, producing technology has reached the international advanced level.
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系统、 观察系统及炉体等部分组成。图 1 为电子束 冷床炉工作示意图。表 1 为宝钛集团 2400KW 电 子束冷床炉主要性能参数。 本文主要介绍电子束冷床炉的电子枪系统 、 真空系统、 加料系统、 拉锭系统以及电子束炉床炉
1 2400K W电子束冷床炉概况
该电子束冷床炉是德国 ALD 公司设计和制 电子枪系统、 加料系统 、 熔 造的， 该炉由电源系统 、 炼炉床系统、 拉锭系统、 真空系统、 冷却系统 、 控制
(BaoTi Group Ltd. Shaanxi Baoji 721014)
Abstract:This paper introduces the basic instruction of the 2400KW Electron Beam Cold Hearth in BaoTi company, the
图 3 电子枪结构筒图
透镜两次聚焦及偏转系统等控制，射到被熔物进 行熔化。 该电子束冷床炉使用一种特殊的磁射束偏转 系统， 具有以下特点： （1 ）两个方向上 （X， Y ） 独立射束偏转。 （2 ） 在 X， Y 方向上的最大±45°偏转角。 （3 ） 最大 1250Hz 偏转频率。 （4 ） 射束点尺寸 <Ф20mm 和 1000mm 射束长 度。 （5 ）可获得均匀能量分布， 最小射束点过热。 1. 2 真空系统 该电子束冷床炉的真空系统比较复杂，配备 有四组真空系统， 第一组为电子枪真空系统， 电子 枪真空系统是独立系统， 在各枪的上部 、 下部各装 一台涡轮分子泵，分别与两台小型的旋转叶片泵 连接， 作为分子泵的支持泵。该电子束冷床炉的最 大特点是电子枪室独立排气，以消除熔炼室的压
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2400KW 电子束冷床炉熔炼纯钛 生产实践及工艺控制
陈战乾， 国 斌， 陈 峰， 李献军， 高
（宝钛集团有限公司， 陕西 宝鸡 721014 ） 摘 要： 介绍了宝钛集团 2400KW 电子束冷床炉的基本结构， 电子枪的工作原理以及生产钛及钛合金铸锭的生产
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实践和工艺控制， 通过对设备的消化吸收和自主创新， 目前该电子束冷床炉已经实现工业化生产， 铸锭质量优良， 生产工艺技术水平先进。 关键词： 纯钛； 熔炼； 电子束； 冷床炉
图 1 EBCH R 工作示意图
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表 1 2400K WEBCH M炉主要性能参数
2400 kW 600kW×4 45KV 10-110-2Pa 0800kg/h 050mm/min (? 736×05000)mm !"# 10t $ (% 270 ×1085×0 5000) mm !"# 6.5t $ (% 370 ×1340×0 5000 )mm !"# 11t
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图 4 电子束冷床炉生产的扁锭和圆锭实物照片
子枪用于精炼区，用于原料的精炼并保证炉床内 熔体的温度， 使已经熔化的熔液能顺利流动， 被熔 化的钛液体经过炉床溢流进铜结晶器，在铜结晶 器内凝固。为了得到良好的铸锭表面和有效控制 铸锭化学成分，有一只电子枪专门提供铸锭结晶 区的热量，电子枪按照设定功率及特定扫描图形 花样自动扫描， 来调节结晶区热量分布， 以控制结 晶器金属液面温度， 从而控制金属结晶过程。物料 的熔化速率受给料速度 、 熔化功率 、 原材料种类 、 熔炼真空度、 拉锭速度等因素的影响， 目前熔化速 度约 800kg/h 左右， 今后通过工艺改进熔速有望达 到并超过 1000kg/h。熔化的金属经过精炼区流进 结晶器， 为了得到良好的铸锭质量， 各有一只电子 枪负责精炼区和结晶区的热量控制，通过控制金 属液面温度均一， 从而控制结晶区内的金属凝固。 2. 3 挥发损失 据有关资料介绍，电子束冷床炉熔炼钛金属 一般情况下金属损耗为 2%～5%， 与真空自耗电弧 炉相比电子束冷床炉熔炼钛金属的挥发损失量明 显偏高。影响电子束冷床炉挥发损失的主要因素 包括使用的原材料种类 、 熔炼真空度 、 熔化功率 、 扫描花样及延迟时间、 熔化速率等， 目前宝钛集团 经过前期的大量试验及工艺优化，通过提高使用 返回炉料比例、 恒压熔炼、 优化熔化功率和熔化速 率的匹配关系来有效控制炉床钛金属熔液过热度 等措施，不但提高了生产效率而且有效的降低了 金属损失，目前宝钛在实际生产中金属损耗可控 制在 3％以内。 2. 4 设备维护保养 该电子束冷床炉最大的特点可以大量使用返 回炉料、连续不间断熔炼 、提供异型和高质量铸 锭。当该炉在进行同一品种钛金属熔炼时， 顺利熔
2 电子束炉床炉熔炼钛及钛合金铸锭生产 实践及工艺控制
宝钛集团有限公司在电子束冷床炉工艺控制 方面， 采用先进 ESCOSYS 软件控制系统进行能量 分布， 根据熔池状况进行能量密度调整， 并结合使 用测量表面温度分布的热成像系统，使熔池温度 达到理想的状态， 各工艺参数达到合理匹配。在熔 化阶段输入的电子束能量集中在待熔化的原料 、 冷炉床熔池及铸锭的外部，以补偿由于水冷炉床 及结晶器造成的能量损失；在补缩阶段从铸锭外 部到中心建立一定梯度的递减温度场，使铸锭的 缩孔位置抬高甚至无缩孔。 2. 1 原料 电子束冷床炉熔炼纯钛用的原料是海绵钛及 返回料 （如铸锭切屑 、 板边角料 、 废管等） ， 目前水 平进料系统使用的返回料的比例为 50％～90％ ， 只用少部分海绵钛来达到调整铸锭成分的作用， 进料系统运转顺畅， 可实现连续生产铸锭； 垂直进 料系统使用的返回料的比例为 50％～90%。 2. 2 熔炼 由水平进料系统或垂直进料系统投入到炉床 内的原料， 由 2 只电子枪负责原料的熔化， 电子束 按预先设定的扫描图形进行自动扫描，使原料熔 化并维持熔炼区的熔体温度，必要时可采用手动 调整电子束扫描图形， 实现熔炼过程顺畅。一只电