2400KW电子束冷床炉熔炼纯钛生产实践及工艺控制

图 2 电子枪工作示意图
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力变动对电子枪室真空度的影响，保证电子枪室 发生稳定电 子 束 ， 枪 室 的 真 空 度 一 般 为 10 ～
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匀， 形成利于物料结晶的热量场， 从而控制结晶器 内的金属凝固， 凝固的铸锭按皮尔格步骤下降， 以 无缺陷表面质量优良的铸锭 。 获取内在成分均匀、 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。 1. 5 熔炼铸锭拉锭装置 铸锭结晶过程是在水冷铜坩埚中进行，顺序 结晶形成的铸锭被连续拉入下面的锭室中，铸锭 的拉出是根据皮尔格步骤的方法由拉锭系统来完 成的。拉锭速度最大为 700mm/min， 实际生产中可 熔炼速率等参数调节拉锭速度， 以根据熔化功率、 皮尔格步骤 净速度为 0 ～50mm/min， 铸 锭 最 长 5000mm， 铸锭的重量可达 11 吨。
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图 4 电子束冷床炉生产的扁锭和圆锭实物照片
子枪用于精炼区，用于原料的精炼并保证炉床内 熔体的温度， 使已经熔化的熔液能顺利流动， 被熔 化的钛液体经过炉床溢流进铜结晶器，在铜结晶 器内凝固。为了得到良好的铸锭表面和有效控制 铸锭化学成分，有一只电子枪专门提供铸锭结晶 区的热量，电子枪按照设定功率及特定扫描图形 花样自动扫描， 来调节结晶区热量分布， 以控制结 晶器金属液面温度， 从而控制金属结晶过程。物料 的熔化速率受给料速度 、 熔化功率 、 原材料种类 、 熔炼真空度、 拉锭速度等因素的影响， 目前熔化速 度约 800kg/h 左右， 今后通过工艺改进熔速有望达 到并超过 1000kg/h。熔化的金属经过精炼区流进 结晶器， 为了得到良好的铸锭质量， 各有一只电子 枪负责精炼区和结晶区的热量控制，通过控制金 属液面温度均一， 从而控制结晶区内的金属凝固。 2. 3 挥发损失 据有关资料介绍，电子束冷床炉熔炼钛金属 一般情况下金属损耗为 2%～5%， 与真空自耗电弧 炉相比电子束冷床炉熔炼钛金属的挥发损失量明 显偏高。影响电子束冷床炉挥发损失的主要因素 包括使用的原材料种类 、 熔炼真空度 、 熔化功率 、 扫描花样及延迟时间、 熔化速率等， 目前宝钛集团 经过前期的大量试验及工艺优化，通过提高使用 返回炉料比例、 恒压熔炼、 优化熔化功率和熔化速 率的匹配关系来有效控制炉床钛金属熔液过热度 等措施，不但提高了生产效率而且有效的降低了 金属损失，目前宝钛在实际生产中金属损耗可控 制在 3％以内。 2. 4 设备维护保养 该电子束冷床炉最大的特点可以大量使用返 回炉料、连续不间断熔炼 、提供异型和高质量铸 锭。当该炉在进行同一品种钛金属熔炼时， 顺利熔
10 Pa。第二组为进料真空系统，采用传统的机械 泵、 罗兹泵和增压泵真空配置来维持。第三组为熔
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炼室真空系统， 由机械泵 、 罗兹泵和扩散泵组成， 熔炼室真空度一般维持在 10-1～10-2Pa。第四组为 铸锭拉锭室真空系统， 由机械泵、 罗兹泵组成。 在熔炼过程中，电子枪室的熔炼真空度保持 在 10-3 ～10-5Pa， 熔 炼 室 内 真 空 度 保 持 在 10-1 ～ 10-2Pa。 1. 3 进料系统装置 进料系统配备有垂直进料和水平进料两种进 料方式，实际生产中可根据原料情况任意选一种 方式进行加料，即利用垂直进料系统直接添加散 料和利用水平进料系统添加较大型的棒料。 垂直进料系统由料仓、 台秤、 斗式定量称、 混料 器、 桶式进料器装料系统和预热真空室组成。海绵 钛、 返回炉料、 中间合金分别装入不同料仓内， 根据 工艺要求由电子称进行准确称重， 倒入混料器进行 混料， 然后通过桶式进料器装料系统进入预热真空 室， 预热真空室具有预热和预除气功能， 使炉料在 熔化前预热到 400～500℃，去除吸附物料表面的 气体。原料通过振动加料器加入炉床， 加装隔离阀 可实现给料仓内加料而不影响熔炼室真空， 因此可 以不间歇的共给原料实现连续熔化， 原料的加料速 度可以根据工艺要求由振动加料器进行控制。 水平进料系统分为装料室和进料室，中间用 闸板阀隔开， 也可实现给装料室装料， 而不影响熔 炼室真空度， 原料可通过推进器加入炉床， 实现连 续熔炼。加料速度可根据熔炼功率、 拉锭速度等因 素通过改变推进器速度进行调整。 1. 4 熔炼系统 熔炼由熔炼区和精炼区两部分组成 。物料熔 化过程为：负责熔化物料的两只电子枪的电子束 射到被熔物料，待熔化材料被熔化进入一个带有 熔炼区和精炼区的水冷铜冷炉床中，一只电子枪 负责对已熔化物料进行精炼，精炼后的物料溢流 进入一个带有可伸缩基板的水冷铜坩埚中，一只 电子枪负责铸锭结晶区热量控制，电子束按照设 定的参数进行自动扫描，以控制金属液面温度均
图 1 EBCH R 工作示意图
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表 1 2400K WEBCH M炉主要性能参数
2400 kW 600kW×4 45KV 10-110-2Pa 0800kg/h 050mm/min (? 736×05000)mm !"# 10t $ (% 270 ×1085×0 5000) mm !"# 6.5t $ (% 370 ×1340×0 5000 )mm !"# 11t
Production Practice and Process Control of the 2400KW Electron Beam Cold Hearth in Melting Pure Titanium
Chen Zhanqian， Guo Bin， Chen Feng， Li Xianjun， Gao Xin
2 电子束炉床炉熔炼钛及钛合金铸锭生产 实践及工艺控制
宝钛集团有限公司在电子束冷床炉工艺控制 方面， 采用先进 ESCOSYS 软件控制系统进行能量 分布， 根据熔池状况进行能量密度调整， 并结合使 用测量表面温度分布的热成像系统，使熔池温度 达到理想的状态， 各工艺参数达到合理匹配。在熔 化阶段输入的电子束能量集中在待熔化的原料 、 冷炉床熔池及铸锭的外部，以补偿由于水冷炉床 及结晶器造成的能量损失；在补缩阶段从铸锭外 部到中心建立一定梯度的递减温度场，使铸锭的 缩孔位置抬高甚至无缩孔。 2. 1 原料 电子束冷床炉熔炼纯钛用的原料是海绵钛及 返回料 （如铸锭切屑 、 板边角料 、 废管等） ， 目前水 平进料系统使用的返回料的比例为 50％～90％ ， 只用少部分海绵钛来达到调整铸锭成分的作用， 进料系统运转顺畅， 可实现连续生产铸锭； 垂直进 料系统使用的返回料的比例为 50％～90%。 2. 2 熔炼 由水平进料系统或垂直进料系统投入到炉床 内的原料， 由 2 只电子枪负责原料的熔化， 电子束 按预先设定的扫描图形进行自动扫描，使原料熔 化并维持熔炼区的熔体温度，必要时可采用手动 调整电子束扫描图形， 实现熔炼过程顺畅。一只电
图 3 电子枪结构筒图
透镜两次聚焦及偏转系统等控制，射到被熔物进 行熔化。 该电子束冷床炉使用一种特殊的磁射束偏转 系统， 具有以下特点： （1 ）两个方向上 （X， Y ） 独立射束偏转。 （2 ） 在 X， Y 方向上的最大±45°偏转角。 （3 ） 最大 1250Hz 偏转频率。 （4 ） 射束点尺寸 <Ф20mm 和 1000mm 射束长 度。 （5 ）可获得均匀能量分布， 最小射束点过热。 1. 2 真空系统 该电子束冷床炉的真空系统比较复杂，配备 有四组真空系统， 第一组为电子枪真空系统， 电子 枪真空系统是独立系统， 在各枪的上部 、 下部各装 一台涡轮分子泵，分别与两台小型的旋转叶片泵 连接， 作为分子泵的支持泵。该电子束冷床炉的最 大特点是电子枪室独立排气，以消除熔炼室的压
Key words: Pure Titanium； Melting； Electron beam； Cold hearth
2005 年宝钛集团公司购进了一台输出功率 为 2400kW 的电子束冷床炉 （EBCHR 炉） ， 该炉是 我国目前唯一一台用于钛及钛合金铸锭工业化生 产的大型电子束冷床炉，可提供截面尺寸为 Ф736mm、 方 270mm×1085 mm、 方 370mm×1340 mm 三种规格的铸锭。 该电子束冷床炉的成功引进 和顺利实现批量化生产，使我国的钛及钛合金熔 炼装备水平和工艺技术水平实现了重大跨越， 达 到了国际先进水平。
系统、 观察系统及炉体等部分组成。图 1 为电子束 冷床炉工作示意图。表 1 为宝钛集团 2400KW 电 子束冷床炉主要性能参数。 本文主要介绍电子束冷床炉的电子枪系统 、 真空系统、 加料系统、 拉锭系统以及电子束炉床炉
1 2400K W电子束冷床炉概况
该电子束冷床炉是德国 ALD 公司设计和制 电子枪系统、 加料系统 、 熔 造的， 该炉由电源系统 、 炼炉床系统、 拉锭系统、 真空系统、 冷却系统 、 控制

熔炼钛及钛合金铸锭生产实践及工艺控制。 1. 1 电子枪 电子枪是整个电子束冷床炉的心脏，是发射 电子束的装置。宝钛集团电子束冷床炉总输出功 率为 2400kW，装有 600kW 的皮尔斯型电子枪 4 个， 4 个电子枪承担不同的工作任务，其中 2 支枪 用于冷床炉熔炼区熔炼， 1 支枪用于冷床炉精炼区 熔炼， 1 支枪用于结晶区控制结晶器内熔池的温度 以及铸锭后期补缩。 宝钛集团 EBCHR4/200/2400 炉电子枪采用间 接加热的方式， 其优点在于使用块状阴极， 有效提 高阴极使用寿命。此电子枪为皮尔斯型电子枪， 电 子枪示意图见图 2、 图 3， 该电子枪采用间接加热 方式， 间接加热则是将阴极作成块状， 而块状阴极 上方设有灯丝 （热阴极） ， 灯丝和块阴极之间加直 流电场， 灯丝为负， 块阴极为正， 灯丝直接通入交 流电升温达 2600～2800℃左右，在直流电场的作 用下， 灯丝向块阴极发射出热电子， 轰击块阴极， 使块阴极升温到发射电子束。 电子枪工作时，块状阴极与被熔物之间的电 压最大为 45KV，丝状阴极与块状阴极间电压为 3KV。 通过电流， 块状阴极被激发， 向阳极发射电子 束。被射出的电子束穿过阳极中心的孔， 通过聚焦