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電子轟擊爐
基本信息
| 外文名 | electronic impact furnace |
| 應(yīng)用 | 金屬提純 |
設(shè)備介紹
用高速電子轟擊物料使之加熱熔化的電爐。在真空爐殼內(nèi)，由陰極電子槍發(fā)射電子，電子束受加速陽(yáng)極的高壓電場(chǎng)的作用加速，轟擊位于陽(yáng)極的金屬物料，使之發(fā)熱熔化，滴入水冷銅結(jié)晶器中凝固成錠。整個(gè)密閉爐體由電子發(fā)射系統(tǒng)、真空系統(tǒng)以及金屬熔煉系統(tǒng)構(gòu) 成。由于電子束可經(jīng)電磁聚焦裝置高度密集，所以可在物料受轟擊的部位產(chǎn)生很高的溫度。電子束爐適合于熔煉高熔點(diǎn)、高純度的金屬，如W、Mo、Ta、Nb等。
結(jié)構(gòu)與原理
電子轟擊爐是利用高速運(yùn)動(dòng)電子的能量來(lái)加熱材料，又稱(chēng)為電子轟擊加熱器。其原理類(lèi)似于一個(gè)二極管，通過(guò)熱電發(fā)射的方式獲得初速度的電子，在2 kV以上的高電壓降作用下向試樣加速，并用電磁方法或靜電透鏡使電子束朝著試樣聚焦。使被加熱區(qū)的溫度≥3500℃。用電子轟擊加熱需要在發(fā)射器和試樣之間產(chǎn)生受控制的電流。這只有在真空中才能夠?qū)崿F(xiàn)（實(shí)際中，這一過(guò)程只有存絕對(duì)壓強(qiáng)<10 mmHg時(shí)才可行）。
某電子轟擊加熱器的工作原理如圖1所示，其中低電壓加熱發(fā)射器一般用鎢絲構(gòu)成，其上施加負(fù)電位。與加熱發(fā)射器相比，試樣處于正電位（通常接地），因此電子向著試樣表面加速，并將電子動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄?lái)加熱試樣，該裝置比較適用于加熱面積較大的試樣；圖1（b）所示的是該裝置的改進(jìn)型，它是用一個(gè)金屬屏（聚束極）環(huán)繞在加熱發(fā)射器燈絲的周?chē)鷣?lái)控制加熱面積，而且金屬屏與燈絲保持等電位。這樣，一束定向的電子流就可以穿過(guò)聚束極上的孔洞而沖向試樣；更為先進(jìn)且應(yīng)用較廣的電子源設(shè)備如圖1（c）所示：電子從與圖1（b）相同的裝置中發(fā)射出來(lái)后向陽(yáng)極（通常接地）加速，這些電子通過(guò)陽(yáng)極的孔洞后形成電子柬，并用電磁方法或靜電透鏡來(lái)聚焦，也可以用電磁場(chǎng)或靜電場(chǎng)來(lái)控制電子束的偏轉(zhuǎn)。燈絲、聚束極與陽(yáng)極的大小、形狀及位置都很重要，例如，只需調(diào)節(jié)通過(guò)聚焦線(xiàn)圈的電流，電子束的加熱面積就能改變至100倍以上。因此，即便是使用同一裝置，也可以有效地加熱1～100 mm （甚至更大）的面積。調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)線(xiàn)圈中的電流也能夠改變電子束的方向，從而精確地選擇被加熱區(qū)域。電子束功率可以通過(guò)改變加速的電壓或通過(guò)改變陰極發(fā)射的方法來(lái)調(diào)節(jié)。
圖1 電子轟擊加熱原理
特點(diǎn)
電子轟擊爐特點(diǎn)是：
②控制方便、精度高，只要調(diào)節(jié)一下通過(guò)聚焦線(xiàn)圈的電流，電子束的加熱面積就能改變至100倍以上，電子束的功率密度、方向、轟擊時(shí)間等都可以精確凋節(jié)和控制，可用于選擇性硬化處理；
③電子轟擊加熱．需要在發(fā)射器和待加熱物之問(wèn)產(chǎn)生受控制的電流，這只有在真空中才能做到；
④爐料在真空室內(nèi)進(jìn)行加熱或熔化，除氣好、無(wú)耐火材料污染，熔煉的材料純度高；
⑥沒(méi)備和技術(shù)比較復(fù)雜。
應(yīng)用情況
電子轟擊爐是利用被電場(chǎng)加速后高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊爐料時(shí)所產(chǎn)生的熱能來(lái)加熱或熔煉爐料的一種電爐。電子束轟擊加熱已廣泛地應(yīng)用于很多領(lǐng)域。電子束轟擊加熱器，已經(jīng)用來(lái)加熱高溫X光粉末照相機(jī)巾的試樣，用電子束加熱浮區(qū)熔化法制備高熔點(diǎn)金屬單品（如超純鎢單品的純度達(dá)99.9975%），用電子束加熱的硅單品爐和電子束熔煉爐等。另外，電子束還用于焊接、蒸發(fā)鍍膜、熱處理等許多方面。
電子轟擊爐主耍剛來(lái)熔煉鎢、鋁、鈮、鉭、鈦、鋯及其合金，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)合金鋼和超純鐵素體不銹鋼，制取半導(dǎo)體材料和高溫合金的單品等。常采用活底水冷銅結(jié)晶器制取金屬錠，錠室可以整體置換。
自動(dòng)化
電子轟擊爐主要是作為冶煉和制造高熔點(diǎn)活潑金屬（如鉬、鈮、鈦、鉭等）和含有這類(lèi)元素的難熔合金之用。.這種真空冶金法是將金屬在高真空即低于10 Pa的條件下熔化和精煉。
以加熱的螺線(xiàn)陰極或板陰極作為自由電子源，并以此作為熱電子發(fā)射。在高真空中，陰極被加熱，并接通高壓直流電而使電子發(fā)射，在加速陽(yáng)極作用下，電子被加速，高速電子轟擊自耗電極（或熔池，取決于電子槍對(duì)準(zhǔn)地點(diǎn)），產(chǎn)生大量熱能，將自耗電極熔化（或加熱熔池）并保持液態(tài)熔池，進(jìn)行精煉。
電子轟擊爐熔煉過(guò)程是：電極和結(jié)晶器準(zhǔn)備，抽真空，轟擊種熔，錠子處理。電子轟擊爐大部分仍然主要用在研究院所、高校或試驗(yàn)工廠(chǎng)，但正逐漸用作生產(chǎn)設(shè)備，其容量正逐漸增大。
電子轟擊爐的自動(dòng)化主要集中在：
（1）數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、整理、顯示與記錄。包括燈絲電流（使螺線(xiàn)陰極或板陰極發(fā)射電子）、施加的高壓、冶煉時(shí)間和真空度等工藝參數(shù)。
（2）發(fā)射電子控制。包括燈絲加熱電流控制和控制柵電壓控制。
（3）施加的高壓的電壓值控制。
（4）限流與安全保護(hù)。這是最關(guān)鍵的，因?yàn)橐睙挄r(shí)自耗電極或熔池會(huì)逸出氣體，導(dǎo)致短路而跳閘，無(wú)法進(jìn)行冶煉，閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)如改變控制柵電壓以控制電子流或控制燈絲電流都因快速性不足而不能解決跳閘問(wèn)題。最有效的方法是在主回路串入飽和電抗器的開(kāi)環(huán)自動(dòng)控制方式，利用飽和電抗器的特性，即一定控制電流下有一定最大輸出電流，逸出氣體導(dǎo)致短路，但電流受限而不會(huì)過(guò)大而跳閘，這就使冶煉得以繼續(xù)進(jìn)行。
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