电子束冷床炉熔炼技术
电子束冷床炉熔炼工业纯钛技术简述
［ ４ 】 王立新． 日本东 邦公 司的 １ ８ ０ ０ ｋ Ｗ 电子束冷床 炉［ Ｊ ］ ． 钛
熔 炼 、精炼 炉床 和坩埚 排列在 一 直线上 ，一个 防溅
挡板 放置在 熔炼 区和精 炼 区之 间 ，防止 材料 从熔 化
区溅至精炼 区［ ９ １ 。
Ｔ ｉ Ｎ的溶解 主要 经过如下两 个 阶段 ：氮 向基 体扩散 ， 出现针状组织过渡层 ；Ｔ ｉ Ｎ全部溶解并形成粗 大的铸 态组织 ，与周 围的熔体混 为 一体 。一般 在熔 炼过 程 中，Ｔ ｉ Ｎ属 于杂质 所以相对数量较少 ，其溶解 后不会 造成熔体 中氮含量有 明显 的增加㈣。 决定 夹 杂溶 解 的 因素 不仅 有 夹杂 本 身 的特 性 ，
２ 电子 束 冷床 炉 结构
电子束冷 床熔炼 （ Ｅ Ｂ Ｃ Ｈ Ｍ — Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ Ｂ ｅ ａ ｍ Ｃ ｏ ｌ ｄ
Ｈ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ Ｍｅ ｌ ｔ ｉ ｎ ｇ ）就是在冷坩埚 （ 水冷坩埚）熔炼技术
的基础 上 ，再加上 电子 束 的高 温外 加热 源作 用 的结 合 。电子束 冷床 炉主要 由炉体 、电子枪 系统 、进料 系统 、铸造 系统 、真空 系统 和 电子束 电源及 其控制
一
钛 铸 锭 中最 常 见 的夹 杂 有 低 密 度 夹 杂 （ Ｌ Ｄ Ｌ ，
Ｌ ｏ ｗ Ｄ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｙ Ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ） 和高 密度夹杂 （ Ｈ Ｄ Ｉ ， Ｈｉ
钛合金的熔炼工艺-电子束冷床熔炼法(EBCHR)
钛合金的熔炼工艺-电子束冷床熔炼法（EBCHR）真空自耗电弧熔炼一直是钛合金的主要熔炼方法。
为了提高航空发动机用钛合金铸锭成分的均匀性和尽可能消除偏析等缺陷，一般采用三次真空电弧熔炼。
但研究证明，真空电弧熔炼消除钛合金中的高密度夹杂（HDI）和低密度夹杂（LDI）的能力有限。
而这两种缺陷是钛合金零部件的疲劳裂纹源，降低了零部件的使用寿命。
若用于航空发动机，可能引起重大事故。
因此美国在20世纪80年代开始研究开发一种熔炼钛合金的新工艺———冷床熔炼（Cold Hearth Melting，简称CHM）技术。
根据热源的不同，冷床熔炼可以分为电子束冷床熔炼（Electron Beam Hearth Melting，简称EBCM 或Electron Beam Cold-Hearth Remelting，简称EBCHR）和等离子束冷床熔炼（Plasma Arc Cold Hearth Melting，简称PACHM）两种熔炼方式。
冷床炉熔炼技术独特的熔炼方式，可以有效消除钛合金中的各种夹杂物，解决了长期困扰钛工业界的一大难题，因此，冷床熔炼技术可以认为是钛合金熔炼技术发展史上的一次飞跃。
冷床熔炼就是在冷坩埚（水冷坩埚）熔炼技术的基础上，再加上电子束或等离子束的高温外加热源作用的结合。
所谓冷床实际就是凝壳熔炼的坩埚，冷床熔炼就是凝壳熔炼的新发展。
1905年，德国的西门子（Siemens）公司和Haisko用电子束熔炼钽首次获得成功，但由于当时世界的真空技术发展水平还很有限，从而阻碍了电子束熔炼技术的发展。
真正将电子束熔炼技术推向商业化是在1957年，Temescal冶金公司利用电子束熔炼钛锭。
之后Temescal冶金公司大力发展电子束熔炼技术，在20世纪60年代初期，该公司利用横向电子枪熔炼炉制备了直径80mm的钽锭和钨锭以及直径127mm、重数百公斤的钛锭。
20世纪80年代，现代轴向电子枪取代了早期的横向电子枪，使得电子束熔炼炉的产能得到真正意义上的大幅提高。
钛合金的熔炼工艺-等离子弧冷床熔炼法(PACHR)
钛合金的熔炼工艺-等离子弧冷床熔炼法（PACHR）等离子冷床熔炼以等离子束为热源。
等离子弧与自由电弧不同，它是一种压缩弧，能量集中，弧柱细长。
与自由电弧相比，等离子束具有较好的稳定性，较大的长度和较广的扫描能力。
等离子枪是在接近大气压的惰性气氛下工作的，可以防止Al、Sn、Mn、Cr等高挥发合金组元的挥发损失。
电子束冷床熔炼难以控制化学成分的缺点也促进了等离子束冷床熔炼（PACHR）技术的发展。
等离子弧与电弧炉的自由电弧相比是一种压缩弧，能量集中，弧柱细长，具有较好的稳定性，较大的长度和较广的扫描能力。
等离子束冷床熔炼以高温等离子束为热源，在接近大气压的惰性气氛（氩气或氦气）环境下工作，合金元素的挥发损失可以得到有效的控制，易于控制钛合金的化学成分，但除气和除杂效果较差。
等离子枪产生的He或Ar等离子束是高速和旋转的，对熔池内的钛液能起到搅拌作用，有助于合金成分的均匀化。
但是由于产生等离子束需要惰性气体作为工作气体，惰性气体价格较贵（尤其是氦气），增加了熔炼成本，需要添加惰性气体回收处理设备。
熔炼时工作气体的纯度会对钛合金的纯度产生影响。
等离子弧熔炼是20世纪60年代初开发的，利用等离子体作热源，温度高（弧芯可达24000～26000K），可熔炼任何金属及非金属炉料，可在大气下实现有渣熔炼，也可在保护气氛中进行无渣熔炼。
等离子电弧熔炼是利用高温等离子体加热熔化金属的一种方法。
高温等离子体由高压电弧产生，然后用惰性气体将等离子体的弧柱吹入熔室熔化炉料；这种工艺可以利用散装料，如海绵钛、钛屑、料头等，也可以用料棒送料，即缓慢将料棒送入等离子室，使金属熔化，滴入坩埚。
所谓等离子体是指一种电离气体，是由离子、电子和中性粒子组成的电离状态，称为物质的第四态。
Plasma是1928年朗缪尔（Langmuir）最早采用的称呼，我国称为等离子体。
根据物质的原子论，物质的原子、分子和分子团相互以不同的力相结合，构成不同的聚集态。
电子束粉末床熔融技术研究进展与前瞻
电子束粉末床熔融技术研究进展与前瞻引言在当今制造业领域，增材制造技术（Additive Manufacturing, AM）正日益成为一种备受关注的制造方法。
电子束粉末床熔融技术（Electron Beam Powder Bed Fusion, EBPBF）作为AM技术的一种重要形式，具有高精度、复杂性、材料选择性等优势，受到广泛关注并得到快速发展。
本文旨在介绍电子束粉末床熔融技术的研究进展，并对未来的发展进行前瞻。
一、电子束粉末床熔融技术的原理电子束粉末床熔融技术是一种利用电子束对金属粉末进行熔融成型的增材制造技术。
其基本原理是在真空或惰性气体环境中，利用一束高能电子束对金属粉末进行扫描熔融，通过控制电子束的能量和扫描路径，将金属粉末逐层熔融成型，从而实现零件的制造。
该技术具有高能量密度、熔点高、加热速度快、材料选择性好等特点，适用于制造复杂、高精度的金属零件。
二、电子束粉末床熔融技术的研究进展1. 工艺参数优化随着对电子束熔化过程的深入研究，人们逐渐认识到工艺参数对熔化质量的重要影响。
研究人员通过实验和模拟，优化电子束功率、扫描速度、层间间距等参数，提高了熔化过程中的温度分布均匀性和成形质量。
2. 材料研究电子束粉末床熔融技术可以用于加工多种金属材料，如钛合金、镍基合金、不锈钢等。
近年来，研究人员还不断拓展该技术的材料范围，探索新型合金、复合材料和非金属材料的加工应用，提高了材料的选择性和成形的多样性。
3. 建模与仿真为了更好地理解电子束熔化过程的物理机制和热力学行为，研究人员开展了大量的建模与仿真工作。
通过建立热传导、相变、熔化过程等数学模型，可以预测熔化区域的温度分布、固相成分和应力状态，为优化工艺参数提供科学依据。
4. 缺陷控制在电子束熔化过程中，由于金属熔化和凝固过程中的温度梯度、应力集中等因素，容易产生各种缺陷，如气孔、裂纹等。
研究人员利用先进的成形监测技术和非破坏检测技术，实现对缺陷的实时监测和控制，提高了成形质量和零件性能。
大功率电子束冷床 EB 炉国产化及钛合金熔炼技术研发
电子束冷床熔炼钛锭的凝固原理
☆结晶器中存在热量传输、熔质传输、动量传输耦合的凝固过程。
德国—SMS高速线材轧机
意大利—DANIELI棒材轧机
棒材的轧制
钛带卷抛丸修磨线 Shot Blasting & Grinding Line
钛带卷酸洗线 Picking Line
钛带卷脱脂机组 Degreasing Line
钛带卷修磨白化机组 Grinding & Picking Line
可以实现铸锭规格多样化（不同规格圆锭、扁锭） 和大规格化（最大熔炼单件钛锭可达26t）；
（5）原料适应性强，能大量回收残料，降低生产 成本；
（6）铸件表面和内部质量好。
EB炉熔炼是优质钛及钛合金锭不可替代的先进熔炼技术
电子束冷床熔炼是当前优质钛及钛合金锭不可替代的先进熔 炼技术，美国航空标准已将冷床炉熔炼纳入航空旋转件、结 构件用钛合金材料必须采用的熔炼技术。
4、国产化项目目标
项目各合作方内容
（1）云南钛业股份有限公司为项目总负责单位，主要负责大型电子冷 床炉的集成制造技术研究；
（2）云南昆钢重型装备制造有限公司主要负责电子束冷床炉熔炼室、 拉锭室、结晶器、真空、冷却及液压系统等关键部件的研发与制造；
（3）云南昆钢集团电子信息工程有限公司主要负责电子束冷床炉电气 控制系统的开发；
进现有EB炉，目前己申报受理专利30余件，发明 专利13件；获得授权实用新型专利9件。
钛合金熔炼设备-冷床熔炼炉
钛合金熔炼设备-冷床熔炼炉如图所示是电子束冷床熔炼炉的结构示意图，主要由炉体、电子枪系统、进料系统、铸造系统、真空系统和电子束电源及其控制部分组成。
炉体的结构形式与电子枪的类型、支数和原料状态及其进料方式有关，目前进料方式有水平和垂直两种。
根据原料形态而不同，可以同时有棒状料进料系统和粒状散料振动加料器系统。
加入散料时，原料由旋转式原料缸送出，再由振动进给加料器投入到冷床内。
为提高生产效率，一般原料是有两个，可交替使用，一台熔炼期间投料，而另一台则备料，因此可以不间歇供料。
原料室和熔炼室之间用真空阀隔开，其维修与保养可在保持熔炼室真空的情况下完成。
熔炼室一般为双壁水冷结构，电子枪和枪室的真空系统装在炉体上部或斜上方。
冷床装在炉室内，一边连接进料系统，另一边连接坩埚和拉锭系统。
原料熔炉在水冷铜床中进行。
原料经熔化后首先在水冷铜床内壁形成一层凝壳，后续原料在凝壳内熔化。
熔化的钛液达到一定高度后，经水冷铜床另一侧的浇口流入水冷凝结器，凝固成铸锭。
（1）熔炼室熔炼室是由Cr18NigTi不锈钢材料构成的方形结构，为了防止在电子束熔炼过程中产生的X射线，对熔炼室的材料有防辐射的要求，同时应定期检查其放射性。
一般熔炼室分别与电子枪、真空系统、进料机构、水冷铜坩埚、拉锭机构和观察测温机构相连接。
（2）电子枪电子枪由钨丝阴极、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的电子束。
电子束轰击到金属表面上，其动能转化成热能，为熔炼提供热源。
典型的轴向电子枪如图所示。
（3）真空系统电子枪需要在高真空下工作，电子枪室的真空度，一般是在1×10-3～2×10-2Pa的压力范围内。
当真空度低于（2～3）×10-2Pa时，就会出现放电现象。
单位时间内放电的次数随着压力的增高而增加。
熔炼室内允许的工作真空度与电子枪的结构有关，也就是与电子枪的压力分级室的数量有关。
电子束粉末床熔融技术研究进展与前瞻
电子束粉末床熔融技术研究进展与前瞻电子束粉末床熔融技术（Electron Beam Powder Bed Fusion，EB-PBF）是一种先进的金属3D打印技术，它利用电子束作为热源来熔融金属粉末，逐层堆积并制造出复杂形状的金属零件。
近年来，随着金属3D打印技术的快速发展，EB-PBF技术也得到了广泛的关注和研究。
本文将对电子束粉末床熔融技术的研究进展进行总结和分析，并对未来的发展趋势进行展望。
一、电子束粉末床熔融技术的基本原理电子束粉末床熔融技术是一种采用电子束作为热源的金属3D打印技术。
其基本原理是通过控制电子束的能量和焦点位置，将金属粉末逐层熔融成固体零件。
整个制造过程分为几个步骤：通过计算机辅助设计（CAD）软件将设计好的零件模型转化为适合打印的切片模型；然后，采用预处理软件将切片模型转化为控制指令，指导电子束逐层熔融金属粉末；通过后处理将打印出的零件清理和表面处理以得到最终的产品。
1. 材料研究随着对材料性能要求的提高，研究人员对金属粉末和其性能进行了深入的研究。
不同种类的金属粉末具有不同的熔点、流动性和传热性能，因此需要针对不同金属材料进行独立的研究和优化。
目前，常见的金属粉末包括不锈钢、钛合金、铝合金等。
随着材料科学的进步，未来可能会有更多种类的金属粉末适用于EB-PBF技术。
2. 工艺参数优化电子束粉末床熔融技术的工艺参数包括电子束功率、扫描速度、层厚等，这些参数直接影响着零件的成形质量和性能。
研究人员通过优化工艺参数，以实现更高的成形速度和更好的成形质量。
目前，一些智能化的优化算法被应用到了电子束粉末床熔融技术中，可以根据打印过程中的实时监测数据来调整工艺参数，以实现更好的打印效果。
3. 精密成形技术电子束粉末床熔融技术具有高精度的优势，可以制造出复杂的几何形状和精密的内部结构。
研究人员将重点放在了如何实现更高分辨率的打印和更精密的成形。
一些新型的光学系统和电子束控制技术被引入到了该技术中，以提高其精度和分辨率。
电子束冷床炉水冷系统工艺
电子束 冷床 炉是一 个 复杂 的真 空熔炼 设 备 ，它
主要 由炉室 、真空 系统 、电子枪 、进料 机构 、坩 埚 及 拉锭 机 构 、供 电系统 、水 冷 系统 ７大 部分 组 成 ，
其 中水冷 系统 主要 由密 闭循环冷 却 水 系统 、敞开 式 循环 冷却 水 系统 、温水 系统及应 急水 系统 四个部 分
管 接人 炉体水 高压 水分 配器 ，由高 压水 分配 器各 个 分 配支管 直接 接人 各用水 点保 证 突发事 件 时安保 水 能 供给 炉体各 冷却 用水点 。电子束 冷床 炉整 体供 回
水工艺流程 图由图 １ 所示 ；
本文 就 电子 束冷 床炉 水冷 系统 四部 分分 系统 工
艺及特点分别作介绍 。
环水 系统温水 系统及应急水 系统的运行及 工艺特 点，为相似 工程设计提供借鉴和参考。
关 键 词 电子 束 冷床 炉 给排 水 系统 循 环 冷 却 水 工程 设 计
１ 前 言
电子束 冷 床炉 （ Ｅ Ｂ Ｃ Ｈ Ｒ ） 熔炼工艺 技术是 在 ２ ０ 世纪 ６ ０年代 发展起 来 的，该设备 主要是利 用高速运 动 电子 的动能 转换成 热能 做为热 源 ，使金 属熔 化成 铸锭 的一 种真 空熔炼设 备 ；该设 备在 熔炼 纯 钛所用 的原料是 海绵钛及 返 回料 （ 如铸锭切 屑 、板边角料 、
［ ２ 】 郝志恒． 组 网用 网基础与提高【 Ｍ］ ． 北京： 电子 工业 出版
社， ２ ０ ０ ７ 。
５ ． ２ 结论
冷床卸钢 小车控 制 系统改 造 ， 自去年改 造 以来 运 行正 常 ，实 现 了冷 床卸 钢小 车 的 同步精 准停 位 ，
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电子束冷床炉熔炼技术
电子束冷床炉熔炼（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＣｏｌｄＨｅａｒｔｈＭｅｌｔｉｎｇ—ＥＢＣＨＭ）技术，是２０世纪七八十年代发展起来的新型熔炼方法。
ＥＢＣＨＭ技术是一种把电子束和冷炉床结合，在高真空下进行熔炼的冶金技术。
与真空自耗重熔不同，其主要特征是用一个可以进行精炼的冷炉床把原料或电极的熔化和铸锭浇铸分开。
以电子枪的强流电子束作为熔炼热源，使金属熔化，熔融的金属液在特殊设计的冷炉床（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（即配置拉锭机构的水冷结晶器）顺序凝固结晶形成铸锭。
电子束冷床炉熔炼技术经过近四十年的发展，已经超出了传统的冶金操作技术的范畴，成为当代战略金属钛冶金科学技术的一个重要发展前沿，是活性金属以及高熔点金属的提纯和净化能以经济的方式进行工业化大规模生产的主要技术手段，是国民经济和国防建设中一种新兴的，具有重要战略意义的高科技材料产业。
该项技术在钛冶金领域所蕴含的独特的技术经济优势主要有：
（１）能够单独调控钛合金处于熔融状态的时间，而不影响铸锭中凝固的那一部分金属液，从而创造更好的精炼条件，使富Ｎ、富Ｏ的夹杂物通过分解的方式得以去除使得合金净化，又不致造成像真空自耗重熔铸锭那样深的熔池，有效避免熔质元素偏析。
（２）能够很方便地利用重力分离的机制，使采用返回料可能夹带的ＷＣ刀具碎块和电极焊接Ｗ夹杂等高比重夹杂物下沉，落入冷炉床凝壳的糊状区而得以去除，不致流入铸锭。
（３）可以直接浇铸成如扁锭、棒条等非轴对称铸锭，比大型圆锭更适合轧制成平面产品（如厚板、薄板和条带），使产品更具竞争力。
（４）能够很有效地利用各种形式的返回料，有利于资源的保护和可持续利用。
（５）便于使用各种在线传感器，对熔化精炼过程进行实时的监测和控制，使这种复杂的高技术装置运行的稳定性与重复性有了可靠保证，并有利于工艺的优化。
电子束冷床炉熔炼设备的关键器件是电子枪，电子束具有很高的能量密度（103~106Ｗ／ｃｍ２），可以达到很高的温度，能够熔化一切金属，并且在真空条件下（＜１０－３Ｐａ）运行，能够充分地去除各种有害杂质和气体，特别适合于熔炼活性金属（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｈｆ）和难熔的高熔点金属（Ｗ，Ｍｏ，Ｔ
ａ，Ｎｂ）及合金。
目前标准电子枪的典型参数为：功率在２００～２５０ｋＷ，加速电压30～40ｋＶ，束斑直径10ｍｍ，电子枪的工作距离1000ｍｍ，偏转扫描频率1000Ｈｚ。
冷床炉最重要的改进是采用双室结构，扩大冷炉床，把熔化和精炼部分适当拉开，从而进一步延长金属在液态停留的时间，使精炼、净化的过程进行更充分。