新型真空电子束熔炼炉的制作方法

975 编辑：中冶有色技术网来源：北京有色金属研究总院

2023-09-21 15:41:57

本发明涉及电子束熔炼技术的设备，尤指一种新型真空电子束熔炼炉。

背景技术：

高纯金属、合金材料是现代工业制造及自动化生产中的不可或缺的元素，对其的需求也越来越大，因此对高纯金属合金材料(特别是难熔金属)的获取方法研究也越来越受关注。真空电子束熔炼是一种有效的提纯方法，特别是对于在冶炼温度下具有较低蒸汽压的金属和合金更有效。电子束熔炼炉是一种特殊的真空冶金设备。利用电子枪可将几十至数百kw的高能电子束聚集并产生高温，能量密度大，当高能电子束聚焦在钨、钽、铌、锆等难熔金属物料上时，使其熔化，并剔取杂质，达到熔炼及提纯的目的。此间，高温熔融区域金属需点滴进入熔池，在结晶器(铸锭坩埚)中冷却、凝固，经拉锭机构作用成锭。熔化过程中，材料发生脱气、分解、脱氧、金属杂质的挥发等，其杂质气体通过真空系统的抽空排出，保持铸锭纯洁。

真空电子束熔炼设备依据所熔物料物理特征选取不同的进料方式，并协同结晶器、拉锭机构熔炼成锭。一般设备的组成都必须包含有炉体、进料系统、铸锭坩埚、拉锭及转锭系统、真空机组、水循环冷却系统和电控系统，并配设主功能组件为一组大功率电子枪。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可连续化加工且生产率较高的新型真空电子束熔炼炉。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种新型真空电子束熔炼炉，包含炉体及配设的一组大功率电子枪、进料系统、铸锭坩埚、拉锭及转锭系统、真空机组、水循环冷却系统和电控系统，所述的进料系统至少包括一与炉体处于同水平方位的横向进料系统，所述的铸锭坩埚置于炉体内底部；

同时配设一竖直进料系统，该竖直进料系统的输出接口设在炉体顶端且位于铸锭坩埚的正上方；

所述的横向进料系统采用连续横向整料进料系统；

在炉体的下方设置一回转单元系统，包括有：一回转盘和作为其支撑和转轴的支撑立柱，在该回转盘上安放一组用于满足熔炼前后铸锭坩埚的安装及置换的坩埚置换系统，各坩埚置换系统可随回转盘的转动而轮换到达铸锭坩埚安装位置的正下方；

在支撑立柱上设一滑动导轨，所述的拉锭及转锭系统整体可沿该滑动导轨实现升降；该拉锭及转锭系统的拉锭杆上部连接底锭，并可伸长至铸锭坩埚内以在熔炼坩埚内形成熔池。

所述新型真空电子束熔炼炉中，所述的横向整料进料系统中包括有带箱门的箱体和推料装置，箱体内的底面上安装有一对水平辊道，由链传动系统驱动一进料架组件沿该对水平辊道横向往复移动；所述进料架组件包括有：一底托，底托的下面带有行走车轮，底托的上方安装有若干排平行排列的滚轮轴组，还安装有若干组可将装料空间分离开的料架板。

所述横向整料进料系统中，各料架板通过螺杆和螺母固定在底托上，且可通过螺杆和螺母的调整改变相邻两个料架之间的距离。

在所述连续横向整料进料系统中，所述链传动系统由电机、主动轮单元、从动轮单元和安装在主、从动轮单元间的一对传动链条组成；其中：

所述的主动轮单元包括有第一驱动轴、一对轴承座、一联轴器、一第二驱动轴和一对链轮，所述电机的输出端与第一驱动轴连接，所述的第二驱动轴安装在一对轴承座上且通过联轴器与第一驱动轴连接，一对链轮同时安装在第二驱动轴上并可随其转动；

所述的从动轮单元包括有两组独立设置的链轮组，每个链轮组中包括一对轴承座和安装在其上的短轴，一个链轮套设在短轴上，两链轮组上的链轮所设位置与主动轮单元的一对链轮位置相对应；

所述的传动链条绕经主、从动轮单元的链轮后一端与进料架组的一端连接，另一端与进料架组的另一端连。

在所述连续横向整料进料系统中，所述的箱门具有位置锁定装置。

在所述连续横向整料进料系统中，所述进料箱支腿底部设有调整装置，包括与进料箱支腿底端相连接的调整板和位于调整板下方的一垫板，调整板与垫板之间通过六角螺栓连接并可通过该六角螺栓的改变调整两者间的间距。

在所述连续横向整料进料系统中，在箱体的顶部设有上开启的双门结构，其中：一个门为利用液压缸伸缩实现开启与闭合的箱门，另一个为直开式且与箱体之间采用双密封结构。

所述新型真空电子束熔炼炉中，电子枪与炉体之间加装有可保证两者间的真空腔室相互不干扰的真空隔离闸阀。

所述新型真空电子束熔炼炉中，炉体与所有外部件的连接处均采用梯性密封槽。

本发明新型电子束熔炼炉是基于“获取熔炼效率高，产品纯度高为目的”的宗旨进行设计、改新，其结构运行方式采用连续进料传送方式，大大改善了熔炼中的辅助过程，较传统电子束熔炼设备在同等的电子枪加热功率下具更高的加工效率；并采用一种新的竖直进料方式，一方面达到预熔料棒无接触式清洁熔炼，另一方面可实现一次熔炼成锭后的二次熔炼提纯。熔炼成锭后，新型电子束熔炼炉采用机电液技术结合，可以实现自动控制出料方式，实现生产连续化操作。新型电子束熔炼炉能够满足工业生产中的高效率、高清洁产品要求，在未来的行业领域中会发挥越来越重要的作用。

本发明的优点是：

1.本发明新型电子束熔炼炉可对预熔棒材实现连续化加工，生产率较高；

2.双向进料系统的采用，不仅使得工作效率高，且熔炼均匀，不会出现熔炼盲区；

3.通过回转盘系统可实现满足熔炼前后铸锭坩埚的及时安装及置换、拉锭及转锭系统与铸锭坩埚的及时对接，动作灵便、省力，且方便实现自动化操控，效率会更高；

4.连续横向整料进料系统的料架板将装料空间分离开，这样可以放置多根料棒，容积能力增大；料架板通过螺杆和螺母固定在底托上，通过调整螺杆与螺母，便可以改变料架之间的距离，以适应不同尺寸大小的坯料；推料装置放置在进料箱体的后面，通过伺服电机带动丝杠来来控制推料杆，这样大大节省了箱体内部空间，容积能力变大；进料箱支腿底部设计有调整板，通过调整中间的六角螺栓改变调整板与垫板之间的间距，从而调整进料箱的高度，方便进料箱与炉体之间的安装。

附图说明

图1为本发明新型真空电子束熔炼炉结构示意图(主视图)。

图2为本发明新型真空电子束熔炼炉结构示意图(侧视图)。

图3为本发明新型真空电子束熔炼炉结构示意图(俯视图，未示出真空机组部分)。

图4为本发明炉体部分结构示意图(剖视图)。

图5为本发明拉锭及转锭系统结构示意图(主视)。

图6为本发明连续横向整料进料系统结构示意图(后视图)。

图7为本发明连续横向整料进料系统结构示意图(俯视图)。

图8为图7中的b-b剖视图。

图9为图6中的c-c剖视图。

图10为本发明连续横向整料进料系统结构示意图(侧视图)。

图中：1-连续横向进料系统；2-电子枪；3-真空机组；4-伺服电机；5-拉锭及转锭系统；6-回转盘系统；7-支撑立柱；8-坩埚置换系统；9-铸锭室闸阀；10-熔炼室闸阀；11-横向进料系统闸阀；12-竖直进料系统；13-炉体；14-观察窗；15-料棒；16-铸锭坩埚；17-铸锭；18-料棒；51-丝杆旋转电机；52-拉锭杆旋转电机；53-丝杆螺母滑动座；54-拉锭杆；55-丝杆；56-机架；57-拉锭筒；101-箱体；102-进料架组件；103、104-箱门；105-链传动系统；106-液压系统；107-推料装置；108-进料箱支腿；109-筋板；110-铰链；111-支架；112-销轴；113-箱盖限位板；114-底托；115-进料架；116-车轮；117-辊轮；118-料架板；119-螺杆；120-螺母；121-电机；122-第一主轴；123-轴承座；124-联轴器；125-链轮；126-第二主轴；127-链条；128-推料电机；129-方钢；130-垫板；131-调整板。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明。

具体实施方式

参见图1至图4所示，本发明新型真空电子束熔炼炉主要由炉体及配设的一组大功率电子枪、进料系统、铸锭坩埚、拉锭及转锭系统、真空机组、水循环冷却系统和电控系统组成。

本发明新型电子束熔炼炉的炉体13采用卧式水冷圆筒形结构，均为不锈钢材料焊接制成，焊接性能可靠，保证可靠漏率。炉体顶端中部有竖直进料系统12接口，左右对称分布电子枪2的安装基座，左端炉门及侧面均可置有观察窗，方便观察熔炼室内熔炼情况。炉体右端为真空机组3的接口，侧面为连续横向进料系统12接口，炉体13与所有外部件连接处采用梯形密封槽，以保证熔炼室极限真空3x10-4pa，压升率：0.3pa/h。炉体内壁及炉门处均设防幅射隔热层，阻挡、隔离x射线，保护工作人员。

大功率电子枪2阴极在高压电场的作用下加热发射出电子，集成电子束在加速电压的作用下，以极高的速度向阳极运动，并通过聚焦线圈和偏转线圈的作用轰击物料并熔化，物料也不断地被熔化滴落到熔池内，在拉锭及转锭系统5作用下熔炼成锭；电子枪2与炉体13之间加装真空隔离闸阀，通过闸阀开合，保证真空枪室与炉体真空室相互不干扰。

如图1至图4所示，本发明新型电子束熔炼炉一较佳实施例中采用了双向(横向和竖直)进料系统：包括一与炉体处于同水平方位的连续横向进料系统1，同时配设一竖直进料系统1，该竖直进料系统的输出接口设在炉体13顶端且位于铸锭坩埚16的正上方。

所述的连续横向整料进料系统的具体构成可参见图5至图9所示，主要由箱体101、进料架组件102、箱门103和箱门104、链传动系统105、液压系统106、推料装置107和进料箱支腿108等组成。

横向整料进料系统的箱体101采用方形结构，由304不锈钢板焊接而成，所用材料具有无裂纹、焊接性能好、受热不易变形和渗气率低等优点。箱体的侧壁和底面有加强筋，能够增加其刚度和强度，防止箱体在负压状态下变形，保证设备安全可靠。箱体侧壁的加强筋采用筋板的形式，在该筋板109的端部开有孔，其作用是方便箱体吊装。箱体的内壁经过打磨喷砂处理，表面光滑，这样减少气体吸附，防止箱体内壁氧化腐蚀。有利于缩短抽气时间，并获得一个良好的真空极限。

箱体的上方有两个箱门，其中箱门103与箱体101固定连接在一起，箱门104可以直接拉开实现开启和关闭。纵横交错的筋板焊接在箱门的外侧，增加其刚度和强度，防止箱门在负压状态下变形。箱门104和箱体101之间采用双密封结构，即在两个环形密封槽中间加一个用于抽气的槽，密封槽内装有o型橡胶圈密封圈，箱门104的设计可以为本系统实现双保险，且方便随时维修，维修时不用启动电控系统。箱门103和箱体101通过铰链110相连，以此实现箱门的转动。其内部的轴上套有锡青铜轴承，放置在不锈钢底座与上盖之间，以增强其耐磨性；上盖上装有注油器，方便润滑时注油。箱门103的开启和关闭采用液压传动实现，它由两个液压油缸、支架111等组成；液压油缸平行地安装在箱门左右两侧，利用液压缸伸缩实现箱门的开启与闭合；箱门具有位置锁定装置，当箱门打开至竖直位置时，用销轴112将箱盖限位板113和箱门103锁住，这样保证了箱门的安全性，防止液压系统失效时发生危险。箱门的上开启大大简便了装料过程，同时也方便了对料架和箱体内部维修等工作。

横向整料进料架组件102由底托114、进料架115、车轮116和辊轮117等组成，底托114的上方用来安装若干平行排列的滚轮轴，滚轮轴上装有辊轮117和粉末冶金轴承，尽量减小滚轮转动时的摩擦；底托114的下方装有车轮116，其在箱体内部的两条轨道(一对水平辊道)上移动，以此实现连续进料。横向整料进料架上的料架板118将装料空间分离开，这样可以放置多根料棒，容积能力增大。料架板通过螺杆119和螺母120固定在底托114上，通过调整螺杆与螺母，便可以改变料架之间的距离，以适应不同尺寸大小的坯料。

横向整料进料架的移动采用链传动实现，本发明使用的链传动系统可以由电机121、主动轮单元、从动轮单元和安装在主、从动轮单元间的一对传动链条127组成；其中，所述的主动轮单元包括有第一驱动轴122、一对轴承座123、一联轴器124、一第二驱动轴126和一对链轮125，所述电机的输出端与第一驱动轴连接，所述的第二驱动轴安装在一对轴承座上且通过联轴器与第一驱动轴连接，一对链轮同时安装在第二驱动轴上并可随其转动；所述的从动轮单元包括有两组独立设置的链轮组，每个链轮组中包括一对轴承座和安装在其上的短轴，一个链轮套设在短轴上，两链轮组上的链轮所设位置与主动轮单元的一对链轮位置相对应；所述的传动链条绕经主、从动轮单元的链轮后一端与进料架组的一端连接，另一端与进料架组的另一端连接。电机121带动第一驱动轴122旋转，通过联轴器123传递给第二驱动轴126，第二驱动轴126又带动链轮125转动，通过链条127使进料架移动。这样的设计，使得链传动可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力，能在低速、重载和高温等不良环境中工作，传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小，传递效率较高。

推料装置107位于进料箱体101的后面，主要功能是实现原料的进给。推料装置与箱体之间采用动密封连接。推料电机128带动丝杠转动时，推料杆随着螺帽沿着丝杠方向做直线运动，这样便实现原料的进给。

横向整料进料箱支腿108由方钢129、垫板130和调整板131组成，调整板131焊接在方钢129上，通过螺纹连接与垫板130连接在一起，方钢下部开有孔，通过调整中间的六角螺栓改变调整板与垫板之间的间距，从而调整进料箱的高度，方便进料箱与炉体之间的安装。

横向进料系统闸阀11连接于炉体与连续横向进料系统12接口之间，可控制其开闭。在熔炼过程中，若继续向进料箱中加料，可直接关闭闸阀进行而不影响炉室真空，节省熔炼辅助时间。

竖直进料系统12可对原始料棒18进行熔炼，减少料棒与进料炉床的接触污染；也可对一次熔锭进行再加工，实现二次提纯。送料期间，可通过丝杆传动机构实现料棒的上下运动，也可保证料棒在熔化时能够不停的旋转，使料棒端部呈削铅笔状，均匀熔炼，不出现熔炼盲区。

本发明回转盘系统6底部以支撑立柱7为转轴，参见图1，在基础面b固定安装。其内旋转大盘通过链条带动其向正、反方向旋转。且大盘上安放坩埚置换系统8、拉锭及转锭系统5，并分别预留电控线孔及液压管道线孔；此种布置便可通过控制伺服电机4满足熔炼前后铸锭坩埚16的安装及置换、拉锭及转锭系统5与铸锭坩埚16对接位(熔炼工作位)，熔炼完毕后出锭位(出料位)的调换。所有控制动作均以机电液控制结合，动作灵便、省力，可以实现自动化操控(现有技术可实现，此处不赘述)。

铸锭坩埚16(结晶器)为水冷坩埚，安装入位时由坩埚置换装置8旋转到炉体坩埚接口位置并抬升实现。且内部循环冷却水管改为炉体外部接入，避免传统炉体内部引水而产生泄漏的危险。坩埚置换系统8安置于回转大盘上，可绕支撑立柱7旋转到不同工位；其本身在液压控制作用下，实现升降动作，以满足装载、卸载铸锭坩埚16所需的不同高度。

在支撑立柱7上设滑动导轨，所述的拉锭及转锭系统5整体可沿该滑动导轨实现升降。参见图5，拉锭及转锭系统5为一体，主要包括丝杆旋转电机51、拉锭杆旋转电机52、丝杆螺母滑动座53、拉锭杆54、丝杆55、机架56和拉锭筒57，实现拉锭杆的上下运动及旋转运动，依拖于固定于支撑立柱上的机架6(固定)；且机架6的一侧安装有与丝杆螺母座3相连的导轨滑块，导向其上下运动。

拉锭杆旋转电机2带动拉锭杆4实现旋转功能；且两者均于丝杆螺母座3相固连；丝杆5在丝杆旋转电机的带动下，通过螺母座3里的螺母副带动3实现上下运动，从而拉锭杆上下运动。拉锭杆54上部连接底锭，伸长至铸锭坩埚16内，在熔炼坩埚内形成熔池；熔料在冷却的过程中，拉锭杆既能保持升降，也能保持自身旋转，继而坩埚内铸锭越练越长，且表面也能保持光洁。在熔炼结束准备出锭时，可使拉锭杆降至最低位，通过支撑立柱7上的滑动导轨，使拉锭及转锭系统5整体下移，保证大盘旋转至出料位。

设备在熔炼位时，铸锭坩埚16下端连接熔炼室闸阀10；且拉锭及转锭系统5上端的拉锭筒端部也连接铸锭室闸阀9；通过两个阀门的自由开闭，可保证一次熔炼后出料时，炉体真空不破；同进也可使置换不同规格铸锭坩埚16时，铸锭筒内真空不破；两种动作均可减少熔炼辅助时间，保证熔炼效率。

真空系统3部分包括真空泵、真空阀和检测仪器等，该系统采用油扩散泵机组三级配置，即包括油扩散泵，罗茨泵，滑阀式机械泵，在熔炼过程中为真空室提供所必需的真空条件。真空管路中设计有水冷挡板，阻挡了蒸汽中的杂质进入真空泵，起到了保护作用。该部分可以采用现有技术。

本发明新型电子束熔炼炉可对预熔棒材实现连续化加工，生产率较高。整体设备安装需三层，如图1所示的基准面b以下为拉锭转锭系统安装空间，能够保证拉锭系统能够自如升降熔炼成锭。基准面回转盘安装基面，其下有支撑立柱7为大盘旋转支撑轴，其上有坩埚置换系统8，可在伺服电机4的带动下随回转盘旋转至工作位置；拉锭转锭系统5平行安装于支撑立柱7之上，并以立柱为升降导轨，穿回转盘系统6而装，且拉锭筒伸出盘面，上接铸锭室闸阀9，也可随回转盘的转动到熔炼室闸阀10处(拉锭熔炼位)或者出锭位置(根据地基位置选择)。设备运行之初，可利用远程操纵控制系统，启动连续横向进料系统12箱门升降液压缸，开启箱门，将捆绑好的多捆预炼料棒18依次序放入进料小车中的各料槽中，关闭箱门。待启动真空机组3抽空满足工作真空时，开启电子枪2，随着电子束流的生成，聚集扫描至料棒18端部，如图2侧视图所示。随着熔炼的进行，连续横向进料系统1可通过推料杆徐徐向前送至铸锭坩埚16口处熔炼，待料槽里料棒熔完，可横向移动箱内进料小车，将下一料槽内料棒推至熔炼处，以此反复，实现连续化生产。竖直进料系统1为另一进料方式，其料筒底部直接固定于炉体的顶端法兰。此种送料方式所用料棒15可为原始料棒，也可为单次熔炼后的成型铸锭；熔炼时炉体上两把电子枪可同时启动，且料棒在竖直进料系统12作用旋转下降，在两电子束流作用下成销铅笔状，如图4炉体剖视图所示。炉体13安装于基准面a之上，与连续横向进料系统12水平；其上设置有观察窗14，在熔炼过程中，可借此观察炉内熔炼状况。

上述各实施例可在不脱离本发明的范围下加以若干变化，故以上的说明所包含应视为例示性，而非用以限制本发明申请专利的保护范围。

技术特征：

技术总结

本发明一种新型真空电子束熔炼炉，包含炉体及配设的一组大功率电子枪、进料系统、铸锭坩埚、拉锭及转锭系统、真空机组、水循环冷却系统和电控系统，所述的进料系统至少包括横向进料系统，铸锭坩埚置于炉体内底部；同时配设一竖直进料系统，在炉体的下方设置一回转单元系统，包括有：一回转盘和作为其支撑和转轴的支撑立柱，在该回转盘上安放一组用于满足熔炼前后铸锭坩埚的安装及置换的坩埚置换系统，各坩埚置换系统可随回转盘的转动而轮换到达铸锭坩埚安装位置的正下方；在支撑立柱上设一滑动导轨，所述的拉锭及转锭系统整体可沿该滑动导轨实现升降；该拉锭及转锭系统的拉锭杆上部连接底锭。其可实现连续化加工且生产率较高。

技术研发人员：孙照富;宁堃;郭文亮;魏中青;陈俊

受保护的技术使用者：北京有色金属研究总院

技术研发日：2015.12.28

技术公布日：2017.07.04

声明：

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我是此专利(论文)的发明人(作者)