电子束冷床炉的制作方法
【专利摘要】电子束冷床炉属于金属冶炼【技术领域】，特别是稀有金属冶炼。该设备是以真空熔炼室系统为基体，一侧与水平进料系统连接，另一侧安装真空系统，熔炼室顶部设置3套电子枪系统及竖直屑料进料系统，在熔炼室内部，设置有冷床系统及防护罩，结晶器系统安装在熔炼室底部，结晶器系统底下设置有连续拖锭系统；冷却系统对需要冷却的结构、部件加以冷却。该设备可广泛应用于钛、锆等活性金属，钨、钽、铌等难熔金属及特种钢的熔炼；具有熔炼真空度高、提纯效果好的特点；尤其是在航空、航天需用钛及钛合金材料方面，可生产出其它设备不能生产的产品；此设备还可将钛残料回收熔炼成满足使用要求的钛材，此过程相比传统工艺过程，节约能耗20％～30％。
【专利说明】电子束冷床炉
【技术领域】
[0001]本发明属于金属冶炼【技术领域】，特别是稀有金属的冶炼专用设备。
【背景技术】
[0002]随着国家航空、航天及航海的快速发展，对优质钛材的需求也迅速增大；由于传统真空自耗电弧炉熔炼的钛材存在夹杂、偏析等缺陷，已不能满足需求，电子束冷床炉可以很好的解决这个问题；之前只有几个发达国家已经研制出电子束冷床炉，但价格特别昂贵，且技术封锁，严重制约着我国相关产业的发展，我国迫切的需要自己的电子束冷床炉技术及设备。
[0003]目前使用的电子束冷床炉大都为热阴极电子枪，其电子枪室的抽气系统是独立系统。熔炼过程中，电子枪室真空度保持在10_3~10_4Pa。熔炼室内真空度保持在KT1~IO-2Pa0合金成分控制困难是电子束冷床炉熔炼制取合金锭的主要障碍。由于真空度高，在熔炼钛合金过程中，熔池温度高，液态金属保持的时间长，一般合金组元的挥发损失率都较大。由于在熔炼温度下的蒸汽压力，维持液态时间的不同而有较大的波动。合金元素由于蒸气压的不同，挥发速度也相差极大，不利于钛合金铸锭的生产。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于研制一种可以生产出更优质钛材的成套熔炼设备一电子束冷床炉。
[0005]电子束冷床炉，其主要包括真空熔炼室、电子枪、电源、加料系统、冷床、结晶器、拖锭系统、真空系统、冷却系统、液压系统、压缩空气系统和电气控制系统；电子枪有三把并安装在真空熔炼室上部，其中两把电子枪的电子束正对位于真空熔炼室中部的冷床，另外一把电子枪的电子束正对位于真空熔炼室下部的结晶器；加料系统由水平连续进料机构和竖直屑料进料仓组成，竖直屑料进料仓位于真空熔炼室上部；水平连续进料机构位于真空熔炼室侧面并分为进料室和装料室，进料室和装料室两者之间用插板阀隔开；结晶器位于冷床下部并且其底部与拖锭系统通过闭锁阀连接；真空系统连接在真空熔炼室上并满足真空系统的密封要求；混合工作气体制气及供气系统与电子枪的电子枪室连通将混合气体输送到电子枪室。
[0006]该设备可广泛应用于钛、锆等活性金属，钨、钽、铌等难熔金属及特种钢的熔炼；具有熔炼真空度高、提纯效果好的特点；尤其是在航空、航天需用钛及钛合金材料方面，可生产出其它设备不能生产的产品；此设备还可将钛残料回收熔炼成满足使用要求的钛材，此过程相比传统工艺过程，节约能耗20%~30%。
[0007]本发明冷阴极电子枪是将混合气体输送到电子枪室，在气体放电电子枪中，阴阳极之间通过高电压作用发生辉光放电产生等离子体，由其轰击阴极而形成电子束熔化物料，气体放电电子枪不需要每个单独使用高真空泵，可在10~10_2Pa压力区间稳定工作，并且在熔炼过程中对熔炼室中的压力变化和金属气体甚至飞溅物的影响敏感度低。炉室真空度10~10_2Pa工作。熔炼钛合金过程中，合金元素的含量及成份均匀性容易控制。生产的钛合金铸锭性能更好。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明结构示意图。
[0009]图2为图1侧面视图。
[0010]图号说明:1_推料块；2_棒料；3_驱动链轮；4_预备进料；5_装料室炉门；6_装料室；7_插板阀；8_进料室；9_电子枪；10-屑料进料仓；11_冷床；12-熔炼室系统；13_真空系统；14-混合工作气体制气及供气系统；15_电源；16-液压系统；17-压缩空气系统；18-回转大盘；19-拖锭筒；20_伺服电机；21_电气控制系统；22_冷床小车；23_折叠轮；24-牵引小车；25_冷却系统；26_防护罩；27_观察装置；28_熔炼室支架；29_结晶器；30-插板阀；31_波纹管；32_拖锭杆。
【具体实施方式】
[0011]如图1-2所示给出了本发明【具体实施方式】，电子束冷床炉，其主要包括真空熔炼室12、电子枪9、电源14、加料系统、冷床11、结晶器29、拖锭系统、真空系统13、混合工作气体制气及供气系统14冷却系统25、液压系统16、压缩空气系统17和电气控制系统21 ;电子枪9有三把并安装在真空熔炼室12上部，其中两把电子枪9的电子束正对位于真空熔炼室12中部的冷床11，另外一把电子枪9的电子束正对位于真空熔炼室12下部的结晶器29 ;加料系统由水平连续进料机构和竖直屑料进料仓10组成，竖直屑料进料仓10位于真空熔炼室12上部；水平连续进料机构位于真空熔炼室12侧面并分为进料室8和装料室6，进料室和装料室两者之间用插板阀7隔开；结晶器28位于冷床11下部并且其底部与拖锭系统通过闭锁阀30连接；真空系统13连接在真空熔炼室12上并满足真空系统的密封要求。混合工作气体制气及供气系统14与电子枪9的电子枪室连通将混合气体输送到电子枪室。冷床11位于冷床小车21上，冷床11和真空熔炼室12上的移动炉门固定在冷床小车22上整体可由牵引小车24驱动开进或者开出真空炉室12。结晶器29整体固定在真空熔炼室12的底部由两对称的油缸压紧在炉体上，结晶器29为嵌套式结构，内部为结晶容器，外部为冷却水套，冷却水套与冷却系统24连接。拖锭系统主要由拉锭机构、拖锭筒18及回转机构组成，所述回转机构中的回转大盘18固定在基础上，两拖锭筒19安装在回转大盘18上并在油缸的驱动下可上下动作，拉锭机构20由电机驱动滚珠丝杠，使拖锭杆32组件上下移动。真空熔炼室12上安装有监测结晶器液位高度的距离传感器，该传感器与拖锭系统中电机开关连接控制拖锭系统中拖锭杆32的动作。
[0012] 冷阴极电子枪系统、加料系统、冷床系统、结晶器系统、真空系统等很好的连接在真空熔炼室上，满足真空系统的密封要求。三支枪冷阴极电子枪系统安装在方形真空熔炼室上部，一支枪熔化原料并维持冷床内液态金属的温度；一支枪进行精炼并保证冷床内熔液的过热度；一支枪维持结晶器内液态熔池表面温度的过热度，避免局部凝固引起铸锭表面质量下降。加料系统由水平连续进料和竖直屑料进料组成，水平连续进料系统分为进料室和装料室，两者之间用插板阀隔开；冷床系统主要包括冷床、冷床小车、移动炉门和牵引小车，冷床和移动炉门固定在冷床小车上，三者整体可由牵引小车驱动，开进或者开出真空炉室；结晶器系统整体固定在方形真空室的底部，由两对称的油缸压紧在炉体上，结晶器组件为嵌套式结构，内部为结晶器，外部为冷却水套；拖锭系统主要由拖锭机构、拖锭筒及回转机构组成，回转大盘可固定在基础上，两拖锭筒安装在回转大盘上，在油缸的驱动下可上下动作，拖锭机构固定在拖锭桶内，由电机驱动滚珠丝杠，使拖锭杆组件上下移动；真空系统由两组相同配置的熔炼室真空泵组、一组拖锭筒及装料室真空机组组成、三组枪室真空机组和一组垂直加料真空机组组成。
[0013] 真空熔炼室为方形炉体，支撑架将熔炼室抬离地面，在熔炼室长度方向设置有对开门；真空熔炼室由炉室支撑架支撑。水平进料系统由装料室、进料室及预备进料组成，预备进料的推料机构为链条传动，由电机驱动链轮、链条，带动推料块在轨道上平移；装料室和进料室之间用插板阀隔开；进料室连接在炉体上，装料室与进料室间用插板阀隔开，二者有相互独立的动力、传动装置。冷床由前后两段组成装料室的炉门悬挂在炉门支架上，可来回平移将装料室封闭、开启；冷床整体固定在冷床小车上，小车带有折叠轮，移动炉门固定在冷床上车上，整体可由牵引小车驱动来回移动，冷床上方设有防护罩。移动炉门也固定在冷床小车上，整体由牵引小车驱动，开进或开出真空熔炼室，冷床上部有防护罩；结晶器组件的固定法兰为圆形法兰，即可安装圆锭结晶器，又可安装扁锭结晶器，结晶器组件为嵌套式结构，内层为结晶器，外层为冷却水套，结晶器组件另一端法兰连接插板阀，插板阀另一端与波纹管连接；结晶器组件的固定法兰为圆形法兰，即可安装圆锭结晶器，又可安装扁锭结晶器，结晶器组件为嵌套式结构，内层为结晶器，外层为冷却水套，结晶器组件另一端法兰连接插板阀，插板阀另一端与波纹管连接。拖锭系统以回转大盘支架为支撑，两组拖锭筒对称安装在回转大盘上，两组拖锭筒同步抬升；拖锭筒内部有拖锭装置。拖锭系统回转大盘支撑架既可固定在基础上，又可由行车牵引，在地坑地面上平移。两拖锭筒安装在回转大盘上，在油缸的驱动下可上下动作，拖锭机构固定在拖锭桶内，由电机驱动滚珠丝杠，使拖锭杆组件上下移动；真空系统由两组相同配置的熔炼室真空泵组、一组拖锭筒及装料室真空机组组成、三组枪室真空机组和一组垂直加料真空机组组成。真空熔炼室上安装有监测结晶器液位高度的距离传感器，用以控制拖锭装置的动作。
[0014]工作过程:
[0015]该设备是以真空熔炼室系统为基体，一侧与水平进料系统连接，另一侧安装真空系统，熔炼室顶部设置3套冷阴极电子枪系统及竖直屑料进料系统，在熔炼室内部，设置有冷床系统及防护罩，结晶器系统安装在熔炼室底部，结晶器系统底下设置有连续拖锭系统；冷却系统对需要冷却的结构、部件加以冷却。设备还配备有液压系统、压缩空气系统、电气控制系统及观察装置等。该设备可广泛应用于钛、锆等活性金属，钨、钽、铌等难熔金属及特种钢的熔炼；除了具有普通电子束炉可熔炼提纯高熔点合金的优点外，电子束冷床炉最大的特点是将熔化、精炼和铸锭凝固过程分离，即熔化后进入冷床的精炼区进行精炼，最后流入结晶内凝固成锭。
[0016]物料可以接收多种加料方式进入水冷铜炉床上方，被高密度电子束轰击熔入床形成熔池。可根据物料纯度和成分要求。选择液态金属在熔池的停留时间，在有效提纯的同时，可使熔池内高密度杂质沉入熔池底部，由于冷炉床床壁能形成凝壳，它的“粘滞区”能够捕捉如WC、Mo、Ta等高密度夹杂物(HDI)，同时，在精炼区，低密度夹杂(LDI)颗粒在高温液体中滞留时间延长，可以确保LDI的完全溶解，从而有效地清除夹杂缺陷。也就是说，冷床熔炼的提纯机理可分为比重分离和溶解分离两种。捕捉高密度夹杂，低密度杂质浮在熔池表面，在高温液体中滞留时间延长，可以确保低密度杂质溶解或被电子挡渣板挡住，有效地防止了高、低两种密度杂质流入结晶器内，从而清除了夹杂缺陷，达到常规熔炼方法难以达到的提纯效果，提高了钛合金铸锭质量；尤其是在航空、航天需用钛及钛合金材料方面，可生产出其它设备不能生产的产品；此设备还可将钛残料回收熔炼成满足使用要求的钛材，此过程相比传统工艺过程，节约能耗20%~30% ;设备采用冷阴极电子枪系统，与国内外同类设备相比，炉室真空度低，生产钛合金的性能更好。
[0017]将待熔化棒料装入水平进料系统，待熔化屑料装入竖直进料系统，熔炼室真空机组对熔炼开始抽空，达到真空度要求后，化料电子枪系统工作，冷床内逐渐建立熔池，精炼电子枪系统 开始工作，随着熔化过程，冷床熔池液面升高到溢流口处，液态金属开始滴流到结晶器内，结晶电子枪开始工作，随着原料的熔化，拖锭系统中的引锭头不断下拉，得到预定外形、尺寸的铸锭；工作过程中，冷却系统对需要冷却的结构、部件加以冷却，液压系统、压缩空气系统根据工艺要求，配合电气控制系统，执行特定的动作。
【权利要求】
1.电子束冷床炉，其特征是主要包括真空熔炼室(12)、电子枪(9)、电源(14)、加料系统、冷床(11)、结晶器(29)、拖锭系统、真空系统(13)、混合工作气体制气及供气系统(14)、冷却系统(24)、液压系统(16)、压缩空气系统(17)和电气控制系统(21);电子枪(9)有三把并安装在真空熔炼室(12)上部，其中两把电子枪(9)的电子束正对位于真空熔炼室(12)中部的冷床(11)，另外一把电子枪(9)的电子束正对位于真空熔炼室(12)下部的结晶器(29);加料系统由水平连续进料机构和竖直屑料进料仓(10)组成，竖直屑料进料仓(10)位于真空熔炼室(12)上部；水平连续进料机构位于真空熔炼室(12)侧面并分为进料室(8)和装料室(6)，进料室和装料室两者之间用插板阀(7)隔开；结晶器(29)位于冷床(11)下部并且其底部与拖锭系统通过闭锁阀(30)连接；真空系统(13)连接在真空熔炼室(12)上并满足真空系统的密封要求；混合工作气体制气及供气系统(14)与电子枪(9)的电子枪室连通将混合气体输送到电子枪室。
2.根据权利要求1所述的电子束冷床炉，其特征是冷床(11)位于冷床小车(22)上，冷床(11)和真空熔炼室(12)上的移动炉门固定在冷床小车(22)上整体可由牵引小车(24)驱动开进或者开出真空炉室(12)。
3.根据权利要求1所述的电子束冷床炉，其特征是结晶器(29)整体固定在真空熔炼室(12)的底部由两对称的油缸压紧在炉体上，结晶器(29)为嵌套式结构，内部为结晶容器，外部为冷却水套，冷却水套与冷却系统(25)连接。
4.根据权利要求1所 述的电子束冷床炉，其特征是拖锭系统主要由拉锭机构、拖锭筒(19)及回转机构组成，所述回转机构中的回转大盘(18)固定在基础上，两拖锭筒(19)安装在回转大盘(18)上并在油缸的驱动下可上下动作，拉锭机构(20)由电机驱动滚珠丝杠，使拖锭杆(32)组件上下移动。
5.根据权利要求4所述的电子束冷床炉，其特征是真空熔炼室(12)上安装有监测结晶器液位1?度的距尚传感器，该传感器与拖徒系统中电机开关连接控制拖徒系统中拖徒杆(32)的动作。
【文档编号】C22B9/22GK103952569SQ201410164509
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月23日 优先权日:2014年4月23日
【发明者】马开道, 高辉, 党磊, 邵波 申请人:宝鸡市凯博真空科技有限公司