電子束熔煉

按其使用的電子槍的類型不同，可分為環(huán)形槍、橫向槍及軸向槍電子束熔煉爐等3類;按其用途，可分為熔煉用爐、區(qū)域精煉爐、電子束凝殼爐及多用途電子束熔煉爐等4類。

非自加速環(huán)形槍電子束熔煉爐的環(huán)形槍頭距金屬熔池僅有20mm左右，故又稱近環(huán)形槍電子束熔煉爐，其陰極受金屬蒸氣和噴濺物的侵蝕，壽命一般只有幾個(gè)小時(shí)，但它具有制作容易、成本低的特點(diǎn)，故常用作實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

自加速環(huán)形槍電子束熔煉爐，加大了陰極和金屬熔池間的距離，故又稱遠(yuǎn)環(huán)形槍電子束熔煉爐，其陰極的工作條件有所改善，但壽命一般也只有十幾個(gè)小時(shí)。

橫向槍和結(jié)晶器上口幾乎處于同一平面，故又稱平面電子束熔煉爐。它既具有環(huán)形槍電子束熔煉爐的優(yōu)點(diǎn)，其陰極工作條件又得到了顯著改善，使用壽命可提高到100h以上，但它與環(huán)形槍電子束熔煉爐一樣，槍處于熔煉室內(nèi)，故熔化時(shí)真空度不能太低。

軸向槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難，屬遠(yuǎn)聚焦電子槍，其陰極壽命可長達(dá)幾百小時(shí)。由于槍室可單獨(dú)抽真空，從而熔煉室壓力可高于槍室壓力1~2個(gè)數(shù)量級，使得電子束熔煉的材料更廣泛些，某些含氣量較大的材料亦可進(jìn)行熔煉。這種電子束重熔爐電子束射出的方位和它的密度可以按熔煉時(shí)的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，熔煉時(shí)，電子束可以分成若干股，分別射到料棒、金屬液面或重熔錠金屬熔池表面的不同部位。這種電子束熔煉爐廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。為了增大爐子容量和實(shí)現(xiàn)不同熔煉目的，還經(jīng)常采取多支軸向槍聯(lián)合使用的方案。

應(yīng)用最多的電子束爐，主要用于特殊鋼及合金、特別是難熔金屬。

這種爐子主要是用電子束將金屬料棒局部加熱熔化形成熔區(qū)來達(dá)到精煉的目的。因此種爐子無結(jié)晶器，故又稱為無坩堝懸浮區(qū)域精煉爐。它主要用于獲取高純金屬。

這種爐子的結(jié)構(gòu)和真空凝殼爐相同，它是在電子束熔煉爐的熔煉室內(nèi)加入一套鑄造系統(tǒng)，用于真空鑄造，主要是鈦及鈦合金的真空鑄造。

德國Leybold-Heraeus公司發(fā)明了這種多用途電子束熔煉爐，即電子束連續(xù)流熔煉(Elecllron Beam Continous Flow Melting簡稱EBCFM)或電子束冷床熔煉(Electron Beam Cold Hearth Melting簡稱EBCHM)爐。日本礦業(yè)日立工廠的ESPl00/1200(:F爐子的高真空泵抽氣速率為100000L，/s，電子束功率為1200kw，主要用于生產(chǎn)高純特殊鋼、鎳基和鈷基高溫合金，用海綿鈦及廢鈦生產(chǎn)純鈦錠和用直接滴流法生產(chǎn)難熔、活潑金屬及其合金。產(chǎn)品為高3m、斷面為470ram×150mm至1350mm×250mm的扁錠或直徑為400ram和800ram的圓錠。用EBCFM爐子還可以生產(chǎn)細(xì)晶盤坯及錠子。圖3是用EBCFM方法(在ES2/12/200CF爐子上)生產(chǎn)細(xì)晶盤坯的示意圖。用這種方法可以得到宏觀晶粒尺寸小于0.2mm的718合金盤坯。這種爐子變更鑄造系統(tǒng)后可進(jìn)行真空鑄造，也可用于旋轉(zhuǎn)制粉。

1905年德國的西門子(Siemens)公司和Haisko用電子束熔煉鉭首次獲得成功，重熔錠的純度和加工性能都優(yōu)于真空電弧爐重熔的錠子。但當(dāng)時(shí)世界上的真空技術(shù)發(fā)展水平還很低，從而影響了電子束熔煉技術(shù)的發(fā)展。直到20世紀(jì)50年代，美國的Tomoscai公司才將電子束熔煉發(fā)展到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模，引起了世界各國的關(guān)注。幾個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼開展了電子束爐的研制工作，其中美國和德國發(fā)展最快。這樣，電子束熔煉也就發(fā)展成為一種新的特種冶金技術(shù)。中國是1958年開始電子束熔煉爐的研究和試制工作的。到了60年代已經(jīng)具備了工業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)模。

電子束熔煉過程存在3種基本的冶金反應(yīng):(1)除氣。電子束熔煉可除去大多數(shù)金屬中的氫、且氫的去除很容易，一般在爐料被熔清之前即已基本完成:由于真空度高，熔池溫度及處于液態(tài)的時(shí)間可控，脫氮效果也很高。(2)金屬雜質(zhì)的揮發(fā)。在電子束熔煉溫度下，凡是比基體金屬蒸氣壓高的金屬雜質(zhì)均會不同程度地得以揮發(fā)去除。(3)去除非金屬夾雜物。氧化物及氮化物夾雜物在電子束熔煉溫度及真空度下，有可能分解出[O]及[N]被去除;[O]還可以通過碳氧反應(yīng)而被去掉;此外，錠子自下而上的順序凝固特點(diǎn)也有利于非金屬夾雜物的上浮。