电子束冷床底锭的熔炼方法与流程

本发明涉及金属熔炼领域，特别涉及一种电子束冷床底锭的熔炼方法。

背景技术：

电子束冷床炉熔炼，是二十世纪七八十年代发展起来的新型熔炼方法，是一种把电子束和冷床炉结合，在高真空下进行熔炼的冶金技术。采用电子束冷床炉熔炼时，熔炼区和精炼区均位于冷床内。在熔融的物料经过精炼区时，高密度的杂质在重力的作用下，沉积进入低温凝壳区，得以去除；低密度的杂质上浮到熔融钛的表面，经高温加热后，向炉腔内挥发，得以去除。

具体的，参考图1，示出了现有技术中电子束冷床炉熔炼示意图。

电子束冷床炉熔炼是以电子束为加热源，在高电压下，电子从电子枪10阴极发出，经阳极加速后形成电子束20，在电磁聚焦透镜和偏转磁场的作用下，轰击原料，电子的动能转变成热能，使原料熔化。熔融的物料在冷床30(即一种比较浅的狭长水冷铜质坩埚)里流动，进行精炼、净化后流入铸模40(即配置拉锭机构的水冷结晶器)凝固结晶形成铸锭。

电子束冷床炉在进行熔炼过程中，利用炉中的电子枪可将几十甚至数百千瓦的高能电子束聚焦在很小的面积中，能够产生3000℃以上的高温。但是冷床一般是铜质的，铜的熔点仅为1083.4℃。因此在利用电子束冷床炉进行熔炼的过程中，需要在铜质的冷床中设置与熔炼金属相同材料的底锭，以避免铜质冷床在熔炼过程中受损。

由于底锭在采用电子束冷床炉进行熔炼的过程中会呈现熔融状态以保护冷床，因此底锭的纯度与熔炼的质量直接相关。所以在采用电子束冷床炉进行金属熔炼之前，需要对底锭进行熔炼。

但是进行电子束冷床炉底锭的熔炼过程中，现有技术容易出现冷床受损的问题。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种电子束冷床底锭的熔炼方法，以减少底锭的熔炼过程中冷床受损的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种电子束冷床底锭的熔炼方法，包括：

在冷床底部铺设块状物料以形成原料层；

进行熔炼以使所述原料层中的块状物料全部熔化。

可选的，在冷床底部铺设块状物料的步骤包括：使所述块状物料铺满所述冷床的底部。

可选的，在冷床底部铺设块状物料以形成原料层的步骤包括：所述块状物料为由散料压制而成的块状物料。

可选的，在冷床底部铺设块状物料以形成原料层的步骤包括：所述块状物料为钛晶经压锭机压制而成的块状物料。

可选的，在冷床底部铺设块状物料以形成原料层的步骤包括：所述块状物料的比重在2g/cm3到3g/cm3。

可选的，在冷床底部铺设块状物料以形成原料层的步骤包括：所述块状物料为长方体形状。

可选的，所述块状物料的长在100毫米到200毫米范围内，宽在50毫米到100毫米范围内，高在10毫米到20毫米范围内。

可选的，在冷床底部铺设块状物料以形成原料层的步骤包括：原料层中靠近冷床底部的所述块状物料的尺寸大于远离冷床底部的所述块状物料的尺寸。

可选的，所述冷床包括位于所述冷床侧壁上的流料口，所述流料口用于使经熔炼的物料流出；在冷床底部铺设块状物料以形成原料层的步骤包括：使原料层的表面低于所述流料口最低位置。

可选的，所述原料层表面与所述流料口最低位置高度差在8厘米到12厘米范围内。

可选的，进行熔炼以使所述原料层中的块状物料全部熔化的步骤包括： 采用区域熔炼方法进行熔炼以使所述原料层中的块状物料全部熔化。

可选的，采用区域熔炼方法进行熔炼的步骤包括：调节电子束，使所述电子束在熔炼区域内轰击所述原料层；采用调节好的电子束对所述原料层进行扫描以使所述块状物料熔化。

可选的，调节电子束的步骤包括：使所述电子束的功率20千瓦到50千瓦范围内。

可选的，调节电子束的步骤包括：调节电子束，使所述电子束的熔炼区域为长方形。

可选的，所述冷床平行于所述冷床底部的截面为长方形，所述平行于冷床底部的截面内包括扫描方向以及与所述扫描方向相垂直的持续方向；所述冷床包括位于所述冷床侧壁上的流料口，所述流料口用于使经熔炼的物料流出，所述流料口位于所述扫描方向上；调节电子束的步骤包括：沿所述持续方向，使所述熔炼区域的尺寸与所述冷床的尺寸相等。

可选的，调节电子束的步骤包括：沿所述扫描方向，使所述熔炼区域的尺寸在20毫米到40毫米范围内。

可选的，采用调节好的电子束对所述原料层进行扫描的步骤包括：使所述电子束的扫描速度为1分钟/厘米到2分钟/厘米范围内。

可选的，所述冷床包括位于所述冷床侧壁上的流料口，所述流料口用于使经熔炼的物料流出；进行熔炼以使所述原料层中的块状物料全部熔化的步骤之后，所述熔炼方法还包括：向冷床内加入物料进行熔炼，以使所述冷床中熔融的原料层表面与所述流料口的最低位置相当。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明采用块状物料铺满冷床底部以形成原料层，熔炼开始时，电子束扫射所述块状物料。由于所述块状物料重量较大，不会因为气体压力的释放而飞溅，因此避免了在熔炼过程中的原料飞溅而引起的熔融液体液面降低，从而避免了冷床底部的熔融液体以及散料的减少，降低了电子束穿透熔融液体直接轰击冷床的可能，降低了冷床被击穿或熔化的可能。而且使用块状物 料、避免原料飞溅，还能够提高熔炼速度，节省熔炼时间，提高熔炼效率，节省能源，节约原料。

可选的，在本发明的可选方案中，所述块状物料通过散料压制形成，既保证了所熔炼底锭的纯度，又增大了原料的密度，从而减少了原料中的气体的含量，减少了熔炼过程中所产生的气体，降低了熔炼过程中原料飞溅的可能。

可选的，在本发明的可选方案中，通过采用区域熔炼的方法进行块状物料的熔炼，通过控制电子束的功率，熔炼区域的尺寸以及熔炼区域的移动速度使熔炼有序进行，改善了熔炼的可控性，提高了熔炼速度，节省熔炼时间，提高熔炼效率，节省能源。

附图说明

图1是现有技术中电子束冷床炉熔炼示意图；

图2至图6是本发明所提供电子束冷床底锭的熔炼方法一实施例的示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中进行电子束冷床炉底锭熔炼过程中容易产生冷床受损的问题。现结合现有技术中电子束冷床炉底锭熔炼的过程分析冷床受损问题的原因：

现有技术中，为获得较高纯度的底锭，往往采用高纯度散料作为底锭的熔炼原料。但是采用散料进行底锭熔炼过程中，当电子束扫射到散料后，散料发生熔化。由于散料较疏松，因此散料在熔化的过程中会释放大量的气体。底层散料熔化释放的气体会被熔融状态的液体以及尚未熔化的散料覆盖。随着熔炼的进行，释放的气体的增多，被覆盖熔融液体和散料覆盖的气体的压力会增大。而电子束冷床炉的炉腔在熔炼过程中是维持高真空状态的。因此，当气体集聚到一定程度，熔融液体和未熔化的散料无法覆盖气体时，气体会向高真空状态的炉腔内释放。由于散料的颗粒普遍较细、重量较小，所以散料会随着气体的释放而飞溅至冷床外。但是熔融状态的液体粘度较大，流动速度较慢，难以及时补充飞溅出的散料，由此在飞溅出散料的区域会产生一 个液面低位。经多次飞溅后，该区域的液面越来越低，冷床底部的熔融液体以及散料越来越少，电子束可能穿透熔融液体，直接轰击铜质冷床，从而造成冷床的损伤。

为解决所述技术问题，本发明提供一种电子束冷床底锭的熔炼方法，包括：

在冷床底部铺设块状物料以形成原料层；进行熔炼以使所述原料层中的块状物料全部熔化。

本发明采用块状物料铺满冷床底部以形成原料层，熔炼开始时，电子束扫射所述块状物料。由于所述块状物料重量较大，不会因为气体压力的释放而飞溅，因此避免了在熔炼过程中的原料飞溅而引起的熔融液体液面降低，从而避免了冷床底部的熔融液体以及散料的减少，降低了电子束穿透熔融液体直接轰击冷床的可能，降低了冷床被击穿或熔化的可能。而且使用块状物料、避免原料飞溅，还能够提高熔炼速度，节省熔炼时间，提高熔炼效率，节省能源，节约原料。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图2至图6，示出了本发明所提供电子束冷床底锭的熔炼方法一实施例的示意图。需要说明的是，本实施例中，钛底锭的熔炼为例进行说明，不应以此限制本发明。

参考图2，示出了本发明所提供电子束冷床底锭的熔炼方法一实施例的流程图。

具体的，首先执行步骤S100，在冷床底部铺设块状物料以形成原料层。

结合参考图3，示出了图2所示熔炼方法实施例中电子束冷床炉的部分结构示意图。

需要说明的是，所述电子束冷床炉包括：用于加热源的电子枪100，以及用于盛放原料、进行精炼的冷床300。电子枪100发射的电子束200，在电磁聚焦透镜和偏转磁场的作用下轰击原料层500以使原料熔化。

本实施例中，采用人工铺设的方式在冷床300底部铺设块状物料，形成原料层500。具体的，所述电子束冷床炉的熔炼腔可以打开，以供操作人员进入熔炼腔，在冷床300的底部铺设块状物料。

需要说明的是，为了防止冷床300直接受到电子束200的轰击，本实施例中，在冷床底部铺设块状物料的步骤包括：使所述块状物料铺满所述冷床300的底部，以保护冷床300。也就是说，所述原料层500覆盖所述冷床300的整个底部。

结合参考图4，示出了图3中形成原料层500的块状物料550的结构示意图。

由于本实施例中，所使用的冷床300中用于承装物料的部分为长方体，因此，为铺满所述冷床300的底部，所述块状物料550为长方体形状。

具体的，长方体形状的所述块状物料550的长a1在100毫米到200毫米范围内，宽a2在50毫米到100毫米范围内，高a3在10毫米到20毫米范围内。本实施例中，所述冷床300用于承装物料部分底面的长度为1000毫米，宽度为400毫米，因此采用上述尺寸范围的块状物料550能够尽量铺满所述冷床300的底面。

需要说明的是，本实施例中，在冷床底部铺设块状物料以形成原料层的步骤还包括：原料层500中靠近冷床300底部的块状物料550的尺寸大于远离冷床300底部的块状物料550的尺寸。块状物料550的尺寸越小，其表面积越大，因此在受到电子束200轰击之后熔化也越快。使靠近原料层500表面的块状物料550的尺寸小于靠近冷床炉300底面的块状物料550，能够加快原料层500中块状物料550的熔化，提高熔炼速度，节省熔炼时间。

所述块状物料550由散料压制而成。所述散料为熔炼工艺中所使用的一般散装物料。具体的，可以采用压锭机将所述散料压制成所述块状物料550。本实施例中，所述底锭用于钛的熔炼，因此，为了获得高纯度的钛底锭，以避免底锭中的杂质影响后续的钛熔炼，本实施例中，所述散料为钛晶，也就是说所述块状物料550为钛晶经压锭机压制而成的块状物料。

由于钛晶的比重一般在1g/cm³以下，且呈蓬松零散状态，而本实施例中， 钛晶经压锭成块形成的所述块状物料550呈紧密结合状态，比重可达到2g/cm³到3g/cm³，与最终熔炼形成的钛底锭的比重接近，原料层500比重的提高能够减少底锭熔炼过程中产生的气体，降低了熔炼过程中原料飞溅的可能。

需要说明的是，形成所述块状物料500的过程中，所述块状物料500难免表面沾染粉尘或油污，而冷床300在熔炼完成后难免不受到污染，因此为了提高熔炼纯度，在冷床300底部铺满块状物料550的步骤之前，所述熔炼方法还包括：清洗所述块状物料550以及所述冷床300。

结合参考图5和图6，其中图5是图3中沿A方向的俯视图，图6是图5中沿B-B’线的剖视图。

所述冷床300包括位于所述冷床300侧壁的流料口350，所述流料口用于使经熔炼的物料流出。为了避免在底锭熔炼的过程中，熔化的物料经流料口350溢出，由块状物料550所形成的所述原料层500的表面低于所述流料口350的最低位置。具体的，所述原料层500的表面与所述流料口350最低位置的高度差H在8厘米到12厘米范围内。本实施例中，所述原料层500的表面与所述流料口的最低位置的高度差约为10厘米。

继续参考图2，执行步骤S200，进行熔炼以使所述原料层350中的块状物料550全部熔化。

具体的，结合参考图3和图5，本实施例中，采用区域熔炼的方法进行熔炼以使所述原料层300中的块状物料350全部熔化。所述区域熔炼的方法是指，通过电磁聚焦透镜和偏转磁场的作用，使电子束200在一个较小的区域内轰击所述原料层500，以提高所述原料层500表面受到电子束200轰击的能量密度，提高所述原料层500的温度，提高熔炼效率，节省熔炼时间。本实施例中，所述电子束200轰击所述原料层500的区域为熔炼区域240。

采用区域熔炼方法进行熔炼的步骤包括：

调节电子束200，使所述电子束200在熔炼区域240内轰击所述原料层500；

采用调节好的电子束200对所述原料层500进行扫描以使所述块状物料550熔化。

采用区域熔炼的方法能够通过控制电子枪100所发出的电子束200的功率，熔炼区域240的尺寸以及熔炼区域240的移动速度使熔炼有序进行，可以提高熔炼的可控性。

具体的，调节电子束200的步骤包括：首先使所述电子束200的功率在20千瓦到500千瓦范围内。在熔炼初期，会存在一定的不稳定情况，难免会有电子散射至冷床300上，因此，采用较小的电子束200的功率设置，能够有效的在熔炼初期保护冷床300免受损伤。

此外，本实施例中，所述冷床300平行于其底部的截面为长方形，因此铺满所述冷床300底部的所述原料层500平行于所述冷床300底部的截面也为长方形，所以调节电子束200的步骤还包括：使所述电子束的熔炼区域240为长方形，从而使所述电子束200能够轰击到所述原料层500的所有位置。

本实施例中，所述冷床300平行于底部的截面内包括扫描方向V以及与所述扫描方向V垂直的持续方向T，所述冷床300的流料口350位于所述扫描方向V上。如果所述熔炼区域240沿所述持续方向T的尺寸过大，所述电子束200会轰击到所述冷床300上造成冷床300的损伤；如果所述熔炼区域240沿所述持续方向T的尺寸过小，所述电子束200需要沿所述持续方向T移动以覆盖所述原料层500的表面，不利于提高熔炼效率。因此，本实施例中，调节电子束200的步骤中，沿所述持续方向T，使所述熔炼区域240的尺寸与所述冷床300的尺寸相等，以提高熔炼效率。

此外，在调节电子束200时，沿所述扫描方向V，使所述熔炼区域240的尺寸在20毫米到40毫米范围内，以防止所述电子束200过于集中，造成所述原料层500的温度过高，导致所述冷床300温度过高，进而导致冷床300中循环冷却水温度过高引起系统自我保护功能的启动而停机。

在调节好电子束200之后，采用调节好的电子束200对所述原料层500进行扫描以使所述块状物料550熔化。

本实施例中，所述熔炼区域240沿所述扫描方向T移动进行扫描，以使所述电子束200轰击所述原料层500表面的所有位置。但是，如果熔炼区域240的移动速度过慢，会使轰击过于集中，也会使原料层500的温度过高而引 起停机；如果熔炼区域240的移动过快，会使轰击过于分散，不利于提高所述原料层500的温度，提高熔炼速度。因此本实施例中，所述电子束200的熔炼区域240沿扫描方向V的移动速度在1分钟/厘米到2分钟/厘米的范围内。

此外，熔炼区域240移动速度与所述电子枪100发射电子束200的功率相关，因为如果所述电子束200的功率过大，熔炼区域240移动速度过慢，都会导致电子束200对原料层500的轰击过于集中，都会引起原料层500温度过高而引起停机；如果所述电子束200功率过小，熔炼区域240移动速度过快，也都会使电子束200对原料层500的轰击过于分散，不利于提高熔炼速度。所以本实施例中，所述熔炼区域240沿扫描方向V的移动速度是与电子束200的功率相适应的。

需要说明的是，在区域熔炼的方法中，可以通过控制电子枪100发射电子束200的功率、熔炼区域240的面积以及熔炼区域240的移动速度对区域熔炼的效率进行调控：增大所述电子束200的功率，或者减小熔炼区域240的面积，或者减缓熔炼区域240的移动，都能提高原料层500的温度，提高区域熔炼的效率，但是也容易引起设备停机；降低所述电子束200的功率，或者增大熔炼区域240的面积，或者加快熔炼区域240的移动，都能降低原料层500的温度，避免设备停机，但是会降低熔炼速度，延长熔炼时间。所以在进行区域熔炼过程中，需要对所述电子束200的功率、熔炼区域240的面积以及熔炼区域240的移动速度进行统筹设置，以获得较好的熔炼效率和熔炼效果。例如，本实施例中，当所述电子枪100功率在20千瓦到50千瓦范围内，所述熔炼区域240沿所述扫描方面尺寸在20毫米时，较佳的扫描速度为1分钟/厘米到2分钟/厘米范围内；当所述电子枪100的功率在200千瓦到250千瓦范围内，所述熔炼区域240沿所述扫描方面尺寸在300毫米时，扫描速度在0.5分钟/厘米左右为较佳。所以本发明对所述电子枪100的功率、所述熔炼区域240的尺寸以及所述熔炼区域240的移动速度都不做限制。

具体的，本实施例中，在熔炼初期，采用较小的电子枪100功率设置，并使熔炼区域240的面积以及移动速度与之相适应，尽量使电子束200轰击的原料层500熔化，以防止冷床300温度过高受损或设备停机；在熔炼进行一段时间后，增大电子枪100的功率，并增大熔炼区域240的面积和移动速 度，以加快熔炼速度，提高熔炼效率。

继续参考图2，并结合参考图3、图5和图6，随着熔炼的进行，所述原料层500中气体的释放，所述原料层500的表面会下降，厚度会减薄。为使所述底锭有一定的厚度，以实现保护功能，在冷床300内块状物料550全部熔化过后，所述熔炼方法还包括：执行步骤S300，向冷床300内加入物料进行熔炼，以使所述冷床300内熔融状态的原料层500表面与所述流料口350的最低位置相当。也就是说，熔炼所获得的熔融状态的底锭的表面与所述流料口350的最低位置齐平或略低于所述流料口350的最低位置。具体的，本实施例中，所述电子束冷床炉还包括用于添加散料的散料仓400，可以通过散料仓400向在正在进行熔炼的冷床300内加入钛晶进一步进行熔炼，以使所述冷床300内熔融的原料层500的表面与所述流料口350的最低位置相当。

本实施例中，所述冷床300为水平设置，在进行熔炼的过程中，随着原料的加入冷床300中熔融状态的原料增多，原料层500的厚度增大，原料层500的表面升高。当原料层500的表面高于所述流料口350的最低位置时，熔融状态的原料就会通过流料口350自然溢出进行后续的铸锭。因此，本实施例中，熔炼所获得的底锭的表面与所述流料口350的最低位置相当，能够在后续熔炼过程中加入较少量的原料即可使经熔炼的原料自然溢出，因此能够提高后续熔炼效率，节省熔炼时间，节约能源。

综上，本发明采用块状物料铺满冷床底部以形成原料层，熔炼开始时，电子束扫射所述块状物料。由于所述块状物料重量较大，不会因为气体压力的释放而飞溅，因此避免了在熔炼过程中的原料飞溅而引起的熔融液体液面降低，从而避免了冷床底部的熔融液体以及散料的减少，降低了电子束穿透熔融液体直接轰击冷床的可能，降低了冷床被击穿或熔化的可能。而且使用块状物料、避免原料飞溅，还能够提高熔炼速度，节省熔炼时间，提高熔炼效率，节省能源，节约原料。此外，在本发明的可选方案中，所述块状物料通过散料压制形成，既保证了所熔炼底锭的纯度，又增大了原料的密度，从而减少了原料中的气体的含量，减少了熔炼过程中所产生的气体，降低了熔炼过程中原料飞溅的可能。进一步，在本发明的可选方案中，通过采用区域熔炼的方法进行块状物料的熔炼，通过控制电子束的功率，熔炼区域的尺寸 以及熔炼区域的移动速度使熔炼有序进行，改善了熔炼的可控性，提高了熔炼速度，节省熔炼时间，提高熔炼效率，节省能源。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。