陜西真空電子束真空冷床EB爐廠家~電子束冷床EB爐熔煉技術(shù)

電子束冷床熔煉爐較傳統(tǒng)的真空自耗電弧爐熔煉相比是一種先進(jìn)的熔煉技術(shù)；

1.簡(jiǎn)介

鈦及鈦合金熔煉有真空電弧爐(VAR)、真空感應(yīng)爐、旋轉(zhuǎn)電極爐、電渣爐等方法，目前真空自耗電弧熔煉是鈦及鈦合金鑄錠生產(chǎn)的主導(dǎo)工藝。純鈦及非航空用鈦合金一般采用兩次熔煉，航空及其它關(guān)鍵部位用鈦合金采用三次熔煉，以保證獲得成分均勻，缺陷率低的鑄錠。但實(shí)踐表明:真空電弧熔煉不能從根本上消除高低密度夾雜及成分偏析等冶金缺陷，嚴(yán)重影響材料使用的可靠性，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，為了提高鈦及鈦合金的熔煉水平和航空用鈦及鈦合金的質(zhì)量，發(fā)展了電子束冷床爐熔煉(EBCHM)技術(shù)，其熔煉過(guò)程是將提純和凝固完全分開，高密度夾雜與鈦熔體有很大的密度差異，會(huì)沉入水冷爐床底部被凝殼撲捉，低密度夾雜可通過(guò)熔池的過(guò)熱度和長(zhǎng)時(shí)間保溫使其盡可能熔解或上浮，達(dá)到去除高，低密度夾雜，充分實(shí)現(xiàn)合金化的目的，提高鑄錠質(zhì)量。本文主要介紹電子束冷床爐的結(jié)構(gòu)、工作原理、熔煉特點(diǎn)以及工藝控制等。

2.電子束冷床爐的結(jié)構(gòu)

電子束冷床爐主要由電子槍系統(tǒng)、進(jìn)料系統(tǒng)、熔煉系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成，電子束冷床爐工作示意圖見圖1。

2.1電子槍系統(tǒng)是電子束冷床爐的關(guān)鍵部件，目前通常使用的電子槍為皮爾斯環(huán)型電子槍。槍的使用壽命長(zhǎng)，控制錄敏，通過(guò)聚售和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)很容易改變電子束的大小和位置，具有很高的偏轉(zhuǎn)頻率和大的偏轉(zhuǎn)角度，電子槍在X、Y方向上的最大偏移角度可達(dá)±30，各方向的最高偏轉(zhuǎn)頻率為1250HZ，最大功率為800KW，陰，陽(yáng)兩極間的電壓為3KV，陰極與被加熱金屬間的電壓可高達(dá)50KV，大型電子束冷床爐一般配有4~7個(gè)電子槍，總功率一般為2.0MW~4.0MW。

2.2進(jìn)料系統(tǒng)一般采用垂直進(jìn)料和水平進(jìn)料兩種方式，垂直進(jìn)料系統(tǒng)合尺寸較小顆粒狀原料，水平進(jìn)料系統(tǒng)則適合體積較大塊狀料或電極。

垂直進(jìn)料系統(tǒng)的料倉(cāng)是一真空密封容器，料倉(cāng)內(nèi)尺寸較小粒狀原料(海綿鈦、返回爐料、中間合金)通過(guò)振動(dòng)加料器加入爐床，加裝隔離閥可實(shí)現(xiàn)給料倉(cāng)內(nèi)加料而不影響熔煉室真空，原料的加料速度可以根據(jù)工藝要求由振動(dòng)加料器進(jìn)行控制。

水平進(jìn)料系統(tǒng)分為裝料室和進(jìn)料室，中間用閘板閥隔開，也可實(shí)現(xiàn)給裝料室裝料，而不影響熔煉室真空，原料可通過(guò)推進(jìn)器加入爐床，實(shí)現(xiàn)連續(xù)熔煉。加料速度可根據(jù)熔煉功率、拉錠速度等因素通過(guò)改變推進(jìn)器速度進(jìn)行調(diào)整。

電子束冷床爐在其加料裝置配備有預(yù)熱和預(yù)除氣功能，使?fàn)t料在熔化前預(yù)熱到400~500℃，去除吸附的氣體。

2.3熔煉系統(tǒng)主要由冷爐床、結(jié)晶器、拉錠機(jī)構(gòu)等三部分組成。爐床為一水冷矩形銅槽，爐床的深度一般約為100mm，其長(zhǎng)度和寬度可根據(jù)金屬熔體所需的停留時(shí)間來(lái)確定。熔煉區(qū)與精煉區(qū)采用防濺屏隔開，防止熔化時(shí)噴濺物進(jìn)入精煉區(qū)，影響提純效果，結(jié)晶器帶有拉錠機(jī)構(gòu)，拉錠的速度可根據(jù)熔化速度，通過(guò)皮爾格步驟[1]進(jìn)行控制，確保鑄錠的表面質(zhì)量。

2.4電子束冷床爐的直空系統(tǒng)比較復(fù)雜，一般配備有三組，一組為電子槍直空系統(tǒng)，電子槍必須在高真空下才能正常工作，一般采用先進(jìn)的渦輪分子泵，機(jī)械泵作為它的前級(jí)泵。一組為進(jìn)料真空系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的機(jī)械泵、羅茲泵和增壓泵真空配置來(lái)維持。一組為熔煉室真空系統(tǒng)，由機(jī)械泵、羅茲泵和擴(kuò)散泵組成。熔煉室真空度一般維持在10^-1~10^-2Pa，槍室的真空度一般為10^-2~10^-4Pa。

3.工作原理

與VAR相比。電子束冷床爐在設(shè)計(jì)上將水冷銅爐床與坩堝分開，實(shí)現(xiàn)了熔化和凝固過(guò)程的分離。冷床爐分為三個(gè)工作區(qū):熔煉區(qū)、精煉區(qū)、結(jié)晶區(qū)。在熔煉區(qū)原料在電子束的掃描下由固態(tài)變?yōu)槿廴趹B(tài)，流向精煉區(qū)，在精煉區(qū)，熔融金屬進(jìn)行精煉，高密度夾雜與鈦熔體有很大的密度差異，會(huì)沉入水冷爐床底部被凝殼撲捉，低密度夾雜可通過(guò)熔池的過(guò)熱度和長(zhǎng)時(shí)間保溫使其盡可能熔解或上浮，去除高、低密度夾雜，并充分實(shí)現(xiàn)合金化，然后注入結(jié)晶器，形成鑄錠。

與傳統(tǒng)的VAR不同，其進(jìn)料方式可以是松散的小顆粒原料或壓制的電極、一次錠等。熔煉區(qū)、精煉區(qū)、結(jié)品區(qū)的電子束掃描方式，頻率，功率等工藝參數(shù)可分別進(jìn)行控制。

4.電子束冷床熔煉EB爐的特點(diǎn)

電子束冷床熔煉EB爐與VAR相比有很多特點(diǎn)，其中優(yōu)點(diǎn)有:

(1)高密度夾雜與鈦熔體有很的密度差異，會(huì)沉人水冷爐床底部被凝殼撲捉，低密度夾雜可通過(guò)熔池的過(guò)熱度和長(zhǎng)時(shí)間保溫使其盡可能熔解或上浮，去除高、低密度夾雜，并充分實(shí)現(xiàn)合金化。

(2)鈦熔體長(zhǎng)時(shí)間大面積暴露在真空下，可有效地去除易揮發(fā)雜質(zhì)，使H、Cl、Ca、Mg、K等雜質(zhì)元素達(dá)到最低水平。

(3)在相同熔速條件下，等體積鑄錠中溫度梯度電子束冷床熔煉EB爐不足VAR中的一半，鑄錠的組織均勻補(bǔ)縮工藝更易控制。

(4)在熔煉過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)有規(guī)律地從坩堝內(nèi)粘取試樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，保證生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄錠。

(5)使用軟件控制系統(tǒng)，使電子束產(chǎn)生掃描圖形與坩堝匹配，可生產(chǎn)圓錠、扁錠、空心錠等多種規(guī)格的鑄錠，其中扁錠、空心錠可減少板材與管材生產(chǎn)時(shí)的后續(xù)加工，節(jié)約成本，提高產(chǎn)量。

(6)可回收各種形式殘料，如屑料、塊料以及其它形狀返回爐料，回收比例可達(dá)100%，與VAR熔煉30%的回收量相比，可有效地降低生產(chǎn)成本。同時(shí)VAR難以回收的各種合金殘料，可根據(jù)其化學(xué)成分，進(jìn)行原料合理搭配，通過(guò)電子束冷床熔煉EB爐達(dá)到可控水平，進(jìn)行回收利用。

(7)一般民用及非航空材料可只進(jìn)行單次EB熔煉，減少熔次，有效地提高生產(chǎn)效率。 EBC電子束冷床熔煉EB爐的缺點(diǎn):

(1)電子束熔煉是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的技術(shù)，需要比其它熔煉工藝廣泛的直空技術(shù)，電子和物理知識(shí)。必須進(jìn)行高水平的培訓(xùn)，培養(yǎng)一批高素質(zhì)，經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員和高級(jí)技術(shù)人員。

(2)電子束冷床爐的高真空度和高的能量密度使金屬損失較大，金屬損失一般約達(dá)3~6%，飽和蒸汽壓高的合金元素Al揮發(fā)損失可高達(dá)1%以日2，金屬收得率較低，鑄錠化學(xué)成分的均勻性和準(zhǔn)確性較難控制。

(3)由于電子束冷床熔煉EB爐需要高直空度，對(duì)海綿鈦的使用比例有一定限制。

(4)熔煉材料的混合困難，爐床內(nèi)熔融金屬量有限。

(5)電子束冷床爐設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜(如真空系統(tǒng)，電子槍系統(tǒng)等)，使用維修成本高。

(6)由干電子束冷床爐采用高壓加速電子流，會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的X射線，需采取特殊的防護(hù)。

5.電子束冷床熔煉EB爐工藝的控制

航空用鈦合金一般采用“電子束冷床熔煉EB爐+VAR”的方法，非航空用鈦及鈦合金鑄錠可只采用單次電子束冷床熔煉EB爐。

電子束冷床爐的核心工藝是電子槍參數(shù)的控制，為了同時(shí)控制多個(gè)高功率電子槍射束功率分布，采用自動(dòng)射束功率分布軟件，即軟件控制系統(tǒng)，它是通過(guò)在計(jì)算機(jī)上繪圖標(biāo)注得到模擬的熔煉幾何尺寸和位置，選擇適宜的偏轉(zhuǎn)模式，每種模式中的有功功率由停留時(shí)間來(lái)確定。

電子束冷床熔煉EB爐的工藝參數(shù)主要有投料速度、電子束流的掃描圖形、掃描路徑、分辨率、頻率、停留時(shí)間、拉錠速度等。此工藝參數(shù)的制定必須依據(jù)生產(chǎn)合金類別、使用原料種類、進(jìn)料方式、結(jié)晶器規(guī)格等因素，采用先進(jìn)軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行能量分布，根據(jù)熔池狀況進(jìn)行能量密度調(diào)整，并結(jié)合使用測(cè)量表面溫度分布的熱成像系統(tǒng)及測(cè)量氣相中元索濃度的儀器，使共熔池溫度達(dá)到理想的狀態(tài)，各工藝參數(shù)達(dá)到合理匹配，即提高熔化速率又防止金屬熔體局部過(guò)熱，使易揮發(fā)合金元素的揮發(fā)損失得到有效控制，提高鑄錠化學(xué)成分的均勻性和準(zhǔn)確性。

在電子束冷床熔煉EB爐工藝控制方面，采用先進(jìn)軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行能量分布，根據(jù)熔池狀況進(jìn)行能量密度調(diào)整，并結(jié)合使用測(cè)量表面溫度分布的執(zhí)成像系統(tǒng)，使熔池溫度達(dá)到理想的狀態(tài)，各工藝參數(shù)達(dá)到合理匹配。在熔化階段輸入的電子束能量集中在待熔化的原料、冷爐床熔池邊部和鑄錠的外部，以補(bǔ)償由于水冷爐床及結(jié)品器造成的熱量損失，在補(bǔ)縮階段從鑄錠外部到中心建立一定梯度的遞減溫度場(chǎng)，使鑄錠的縮孔位置抬高甚至無(wú)縮孔;金屬損耗為3%~6%，它上原料種類、熔煉直空度、熔化功率、停留時(shí)間，掃描頻率、熔化速率等參數(shù)的控制有關(guān)。采用100%殘料生產(chǎn)的鑄錠表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，雜質(zhì)元素在鑄錠長(zhǎng)度方向上的分布均勻，在鑄錠橫向切片進(jìn)行組織檢測(cè)，鑄錠組織比VAR更為均勻，成份含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，未出現(xiàn)諸如氣孔、裂紋及非金屬夾雜等缺陷，生產(chǎn)的棒材性能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。