中国自主电子枪技术介绍资料

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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 35 。 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。
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 1cm 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
媒体对北京长城钛金公司的报道：
传统电子枪和新型电子枪对比
传统电子枪 在高真空下才可以启动工作，操作复杂 功率损失小于 3% 阴极需要钨丝且正常寿命 400H 电子枪内部需要三级高真空，体积庞大 高电压 35KV 工作，功率 250KW 新型电子枪 低真空下就可以工作，大气下操作不会损坏 部件 功率损失小于 1% 使用阴极块，寿命 1000H 内部不需要抽真空，体积小巧 中电压 30KV 工作，功率 300KW
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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。
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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。
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
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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。
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（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 Pa 真空度，确保电子束的发射聚焦；在炉体内部获得10 Pa 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1200 L/s） ，1台 H-150滑阀泵（抽速为150 L/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 Pa，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
3 、技术指标 ①电子枪额定功率：250kW；最大功率：300 kW； ②加速电压：35kV；加速电流：7A； ③电子枪室真空度：10 - Pa； ⑤功率密度：>2.5×10 W/cm ； 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 Pa； ⑩主变压器额定功率：375kVA； 11主调压器额定功率：400 kVA； 4、 调试概况
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。
4.2 工艺参数 表1 工艺参数 真空度 设备功 率(kW) 坩埚直 径(mm) 原料 状态 漏气率 (Pa.L/s) (Pa) 熔 炼 前 4 . 250 90 烧结 条 2 <0.67 × 1 0
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熔 炼 中
熔炼功率 (kW)
熔炼速度(kg/h)
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5 . 250 110 一次 锭 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 1cm 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。
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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。