中国电子枪技术发展资料

大功率电子枪技术介绍
随着科学技术的迅速发展，对高纯金属及合金的需要量越来越多，常规的冶炼方法已很难满足要求，而真空电子束熔炼是一种有效提纯方法，特别是对于在冶炼温度下具有较低蒸汽压的金属和合金更为有效。

大功率电子枪技术可对如Ta、Nb、Mo、Ti、Cr、Cu等金属进行净化，及提精。

作为超导线的基体材料所采用的高纯铜，必须具有很高的纯度（99.99%以上），而且要求结构致密，无气孔等缺陷。

完全依靠电子枪技术。

工作原理：电子束熔炼是一种特殊的真空冶金设备。

利用炉中的电子枪可将几十至数百kW的高能电子束聚焦在1cm2左右的焦点上，产生3500°C以上的高温。

当高能电子束聚焦在欲熔炼的钨、钼、钽、铌、锆等难熔金属原料上时，就能够将这些金属熔化，达到熔炼或提纯的目的。

由于高温区域有限，熔化的金属需要一点一点地滴入下面的熔池，经结晶器冷却，凝固成锭。

在高真空和高温的作用下，液态金属中的气体和杂质大量蒸发。

从而得到高纯度的致密的凝固态金属锭。

电子束熔炼炉是高温难熔金属熔炼和提纯的专用设备。

电子束熔炼在高真空下进行，熔炼时的过热温度高，维持液态的时间长，使材料的精炼提纯作用得以充分有效地进行。

电子束熔炼时，材料主要发生脱气、分解、脱氧、金属杂质的挥发和不熔杂质的上浮等。

其中，不熔杂质上浮而富集在铸锭顶部，可在切头时去除。

在真空下，电子枪的阴极被加热产生热电子逸出。

在加速电压（大于20kV）的作用下，热电子向阳极（零电位）加速运动。

由于聚束极的作用，电子束从阳极的中心孔通过，向下继续运动，经磁聚焦透镜的多次聚焦和磁偏转扫描透镜的调节，使电子束准确而集中地轰击到原料棒的表面。

在原料和熔池表面产生3000°C以上的温度，原料的表面被加热、熔化、滴入熔池中。

熔池就是锭上端的熔化部分，其周围是水冷铜坩埚（结晶器）。

由于电子束的加热作用，熔池保持不断地上下、内外对流。

随着熔化的原料不断滴入，熔池表面不断上升，拖锭装置又将锭不断向下拉动，使熔池表面保持一定高度。

工作方式：
电子束对送进中的棒
材进行照射、使棒材滴
入角形坩埚充分进行
熔解､再将熔液倾入倒
至引拔水冷坩埚。

在引
拔水冷坩埚中进行融
解･凝固･引拔、制作铸
块。

媒体对北京长城钛金公司的报道：
棒材供给部分可以安装多种类型的坩埚、用以对应各种材料的工艺需要。

棒材供给的先端部安装有法兰、可容易对各种坩埚进行交换。

多种类型的坩埚1.水冷点坩埚
传统电子枪和新型电子枪对比
1、工作原理
电子束熔炼是一种特殊的真空冶金设备。

利用炉中的电子枪可将几十至数百kW的高能电子束聚焦在1cm2左右的焦点上，产生3500°C以上的高温。

当高能电子束聚焦在欲熔炼的钨、钼、钽、铌、锆等难熔金属原料上时，就能够将这些金属熔化，达到熔炼或提纯的目的。

由于高温区域有限，熔化的金属需要一点一点地滴入下面的熔池，经结晶器冷却，凝固成锭。

在高真空和高温的作用下，液态金属中的气体和杂质
大量蒸发。

从而得到高纯度的致密的凝固态金属锭。

电子束熔炼炉是高温难熔金属熔炼和提纯的专用设备。

电子束熔炼在高真空下进行，熔炼时的过热温度高，维持液态的时间长，使材料的精炼提纯作用得以充分有效地进行。

电子束熔炼时，材料主要发生脱气、分解、脱氧、金属杂质的挥发和不熔杂质的上浮等。

其中，不熔杂质上浮而富集在铸锭顶部，可在切头时去除。

在真空下，电子枪的阴极被加热产生热电子逸出。

在加速电压（大于20kV）的作用下，热电子向阳极（零电位）加速运动。

由于聚束极的作用，电子束从阳极的中心孔通过，向下继续运动，经磁聚焦透镜的多次聚焦和磁偏转扫描透镜的调节，使电子束准确而集中地轰击到原料棒的表面。

在原料和熔池表面产生3000°C以上的温度，原料的表面被加热、熔化、滴入熔池中。

熔池就是锭上端的熔化部分，其周围是水冷铜坩埚（结晶器）。

由于电子束的加热作用，熔池保持不断地上下、内外对流。

随着熔化的原料不断滴入，熔池表面不断上升，拖锭装置又将锭不断向下拉动，使熔池表面保持一定高度。

2、电子束熔炼炉的结构
整个电子束熔炼炉由炉体部分、电子枪部分、真空系统部分、高压电源部分、进料系统、拖锭系统、自动控制系统、水冷系统等组成。

如图1所示。

2.1炉体部分
炉体部分为ψ1000×2000mm带水套卧式腔体，两边活动炉门，均采用1Cr18Ni9Ti不锈钢材料制造，炉体分别与电子枪、真空系统、进料装置、水冷铜坩埚、拖锭装置和观察测温相连接。

2.2电子枪部分
电子枪由钨丝阴极，阴极，聚束极、加速阳极、栏孔板、磁聚焦透镜、磁偏转扫描透镜等部件组成，可产生250kW的电子泵。

电子束轰击到金属表面上，其动能变成热能。

为熔炼提供热源。

2.3高压电源部分
整个系统由主高压电源、副高压电源、灯丝电源三部分组成。

①主高压部分：由晶闸管交流相控装置、交流调压器、主高压变压器、高压三相整流器、平波电抗器、滤波电容器及保护、取样部分组成。

晶闸管相控电路组成及截止保护，主高压调节范围3-30kV，直流电流输出能力7.0A，电压闭环控制，稳压精度1%取样电路接地系统由需方提供可靠的稳定接地点。

②副高压部分：由晶闸管交流相控装置、副高压隔离升压变压器、三相桥式整流电路、副高压平波电抗器组成。

晶闸管交流相控装置按束流电流闭环设计，束流控制和调节由该部分实现。

输出直流电压的调节范围300-3000V，束流反馈由分流器提供。

③灯丝部分：由晶闸管交流相控装置、隔离变压器、电流取样部分组成。

交流相控装置按灯丝电流闭环设计，灯丝电流80A，电压25V，灯丝电流稳定度1%，灯丝可脱离主高压、副高压单独设定。

以上三个部分的隔离变压器均按35kV耐压设计，试验电压要求80kV/min。

正常运行时，主高压、副高压、灯丝、束流均为闭环稳定工作状态。

当负载打火时，主高压、副高压均可自行软恢复，软恢复时间可调整。

系统具有完善的过电压、过电流、负载过冲击、打火截止等各项保护功能，能适应熔炼炉频繁短路的运行状态，并具备人工脉冲强制锁定按钮。

系统具有主高压、副高压、灯丝电压、电流、束流等各种电参数显示，并能由远控台进行操作。

2.4真空系统
真空系统在电子枪室内部获得10-3Pa真空度，确保电子束的发射聚焦；在炉体内部获得10-2Pa真空度，防止金属氧化、促使杂质蒸发。

①炉室真空系统由2台KT-600扩散泵为主泵（抽速共34000L/s），前级泵为1台ZJP-1200带旁通阀的罗茨泵（抽速为1200L/s），1台H-150滑阀泵（抽速为150L/s），2台2X-15机械泵作为扩散泵的维持泵，以及与之配套的各种阀门，如电磁放气阀、气动挡板阀、电磁真空充气阀、气动蝶阀、水冷挡板等部件组成。

这样的真空系统能保证高阀打开以后很快进入10-3Pa，并能在熔炼的过程中保证炉室的真空度。

我们选用的真空组件是国内同行业质量最好厂家的产品。

②电子枪真空系统采用3套F-450型涡流分子泵（每台抽速450L/s），每台泵前各有1只GCD-150高真空插板阀，以及2X-30型旋片泵为前级泵，组成清洁无油真空系统，不会对电子枪室造成油污染，而且启动快，抽速平衡，这在国内是首次采用，实践证明是成功的。

2.5进料机构
进料装置包括给料箱和给料装置。

其作用是使金属原料棒不断向前移动、左右摆动，以确保金属原料逐点熔化。

横向进料机构采用水平辊道推料方式送给坯料，水平辊道的端部可以摆动（已申报专利），以调整坯料熔化位置，进料速度和摆动速度采用调频电机控制，可调速。

2.6拖锭系统
拖锭装置包括锭座，拖锭杆和坩埚。

此装置保持钼锭和熔池转动，冷却熔池，不断下拉金属锭和熔池。

拖锭机构采用垂直拖锭杆拖锭，拖锭杆可以旋转，拖锭杆可以水平移出，以便于从熔化工位移动到卸料工位。

拖锭速度可调，采用调频电机控制。

2.7自动控制系统
控制系统由上位机、大型触摸屏、PLC可编程控制器、A/D接口、通讯接口、变送器、编码器等组成，实现对以下各条的控制，即：
①真空系统的所有泵、阀在满足所需真空条件时开启、关闭的全自动及手动控制。

②拖动系统：送料、摆料、拖锭、转锭、料车、料筒、定位气缸等电机在熔炼、出料全过程的运行、定位、限位的全自动运行及手动控制。

③熔炼参数：主高压电压、电流；副高压电压、电流；灯丝电压电流、聚焦电流、偏转电流、扫描电流、炉室真空度、料位显示等参数均由变送器经A/D转换后送至PLC、上位机进行实时动态监控，工业电视观测熔炼全过程。

操作台上有大型触摸屏可进行参数动态系统控制图显示、参数修改和手动操作。

④保护系统：水压、水流、水温、电子枪、炉室真空、高压系统的保护连锁、控制功能。

⑤送料、拉锭、摆料系统采用交流变频调速器控制。

⑥整个控制系统都具有手动、自动控制功能。

⑦熔炼窗观察系统由直接观察和电视观察两套组成，供熔炼操作用。

2.8水冷系统
集中供应冷却水，备有3”进水管，4”出水管，有集流水箱，有水温、水流、水压连锁保护指示功能。

3、技术指标
①电子枪额定功率：250kW；最大功率：300kW；
②加速电压：35kV；加速电流：7A；
③电子枪室真空度：10-4--3Pa；
⑤功率密度：>2.5×10-5W/cm2；
⑥阴极钨丝寿命：>400h；
⑦电子枪功率损失：<3%；
⑧电子枪阴极块寿命：>2000h；
⑨炉室真空度：1.0×10-3Pa；
⑩主变压器额定功率：375kVA；
11主调压器额定功率：400kVA；
4、调试概况
4.1工艺过程
原料准备：钽粉经等静压成型后在1600°C-1700°C烧结，根据熔炼要求，在真空氩弧焊箱中焊接成一定尺寸的棒料；
熔炼过程：将熔炼料及水冷铜坩埚底垫好后，密封、抽气，检查漏气率，通冷却水；当熔炼室和枪室真空度均达到0.002Pa左右时，将灯丝预热脱气；恢复真空度后，将枪室和熔炼室之间的横阀打开，输入高压直流电，调节聚焦和偏转磁场，使电子束对准料棒和坩埚，将坩埚底锭部分熔化，形成熔池后，即可进行熔炼；同时进行拉锭，保持液面水平一定。

熔炼过程中应该控制好熔炼速度、熔炼功率和真空度。

高熔点稀有金属往往经过一次熔炼后，还进行第二次熔炼，以进一步提高锭的纯度和使锭的成分、组织均匀。

4.2工艺参数
表1工艺参数
设备功率(kW)坩埚直
径(mm)
原料
状态
漏气率
(Pa.L/s)
真空度
(Pa)
熔炼功率
(kW)
熔炼速度(kg/h)
熔
炼
前
熔
炼
中
25090烧结
条
<0.67
4
.
2
×
1
0-
3
1.2
×1
0-2
16025.0
250110一次
锭
<0.67
5
.
×
1
0-
3
1.2
×1
0-2
18220.6
250120一次
锭
<0.67
5
.
×
1
0-
3
1.2
×1
0-2
23418.3
5、结论
电子枪：自主知识产权的大功率单枪；采用了三次磁透镜聚束电子束。

控制电子束轨迹的依据是观察电子束能平面偏转和圆扫描，偏转角度为350。

电子轰击炉用给料装置，用于固定原料和使原料熔融部位始终保持对准坩埚位置，该装置由夹料杆、卡头、进料丝杠传动机构、放置原料的辊道、辊道摆动用的丝杠传动机构等组成
实践证明：新型电子束熔炼炉具有美观、实用、耐用和熔炼金属种类范围广等特点。