CN100587377C - 电子束熔炼设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子束熔炼设备，该电子束熔炼设备包括有电子束系统(1)、真空系统(2)、坩埚(3)、电源系统(4)、冷却水系统(5)、保护气源(6)、支撑机架(7)、转动机构(8)、磁液体密封件(9)和空心水冷机构(10)；电子束系统(1)的电子枪(11)安装在真空系统(2)的真空室(21)的上部(25)上；真空系统(2)的真空室(21)的下部(24)与支撑机架(7)的上部(71)之间安装有磁液体密封件(9)、从动轮(83)，磁液体密封件(9)在从动轮(83)的上方；坩埚(3)置于真空室(21)内的中心位置，且坩埚(3)的底部与空心水冷机构(10)的套筒(101)连接；空心水冷机构(10)、转动机构(8)安装在支撑机架(7)上。

Description

电子束熔炼设备
技术领域
本发明涉及一种电子束熔炼设备。
背景技术
电子束熔炼(electron beam melting)通过电子轰击将能量供给炉料进行熔化的一种真空熔炼法。采用电子束进行熔炼的设备也称作电子束熔炼设备，是利用高速电子的动能转换成热能，进而使金属熔化的一种真空熔炼设备。
电子束熔炼的主要参数有：
(1)真空度，真空度对熔炼产品的质量和操作都有很大的影响。首先真空度高，无论从热力学或动力学的角度来说，都对去除杂质有利。
真空度除影响产品的纯度外，还影响到电子束的发射，真空度低于10-4毫米汞柱，则易发生辉光放电使设备电流过载，使得熔炼无法进行。
(2)熔炼速度，正确的选择熔炼速度对提高产品的纯度和产率也很大的意义。
在熔炼功率一定的情况下，改变熔炼速率意味着改变熔池的温度和物料在高温下停留的时间。功率一定时若熔炼速度降低，一方面单位时间内熔化的冷料少，更多的能量用于熔池的加热，因此熔池的温度升高；另一方面，因熔化的速度降低，拉锭速度也降低，因此物料处于熔体状态的时间变长，这两个因素都有利于杂质从熔体中排除。
熔炼速度除影响纯度外，也影响产率和耗电量，速度过慢，则金属的蒸发损失增加，产率降低，耗电量增加。一般在一次熔炼时放气量大，熔炼速度应小一些，二次熔炼时则快一些，有时为了进一步得到更高纯度的铸锭，则需要第三次熔炼，则速度更应加快，以保证得到合乎要求的铸锭组织。
(3)熔炼功率
电子束熔炼时，熔炼功率也是重要的参数之一；当熔炼速度一定，提高熔炼功率，势必使熔池的温度升高，有利于杂质的去除；但另一方面金属的挥发损失和电能的消耗也增加，因此过程中功率应该适当的被控制。
目前，电子束熔炼设备(参见图5所示)至少包括有电子束系统1、真空系统2、坩埚3、电源系统4、冷却水系统5、保护气源6。
发明内容
本发明是一种电子束熔炼设备，该电子束熔炼设备包括有电子束系统(1)、真空系统(2)、坩埚(3)、电源系统(4)、冷却水系统(5)、保护气源(6)、支撑机架(7)、转动机构(8)、磁液体密封件(9)和空心水冷机构(10)；
电子束系统(1)的电子枪(11)安装在真空系统(2)的真空室(21)的上部(25)上；
真空系统(2)的真空室(21)的下部(24)与支撑机架(7)的上部(71)之间安装有磁液体密封件(9)、从动轮(83)，磁液体密封件(9)在从动轮(83)的上方；
坩埚(3)置于真空室(21)内的中心位置，且坩埚(3)的底部与空心水冷机构(10)的套筒(101)连接；
空心水冷机构(10)、转动机构(8)安装在支撑机架(7)上；
真空系统(2)的真空室(21)为双层水冷结构，内层(202)为不锈钢板，外层(201)为碳钢或不锈钢板，内层(202)与外层(201)之间为冷却水道(203)；真空室(21)的上部(25)设有安全阀(204)、A通孔(205)，A通孔(205)内安装有法兰盘(207)，电子枪(11)的套筒安装在法兰盘(207)上；真空室(21)的左端(26)设有观察窗(23)；真空室(21)的右端(27)设有进料口(22)；真空室(21)的下部(24)设有B通孔(206)，B通孔(206)内安装有磁液体密封件(9)；
坩埚(3)为双层水冷梯形结构；坩埚内壁(34)与坩埚外壁(33)之间为冷却水通道(32)；坩埚(3)的底部设有接头(35)，接头(35)的中心设有C通孔(37)，C通孔(37)内安装有C滚珠轴承(38)，C滚珠轴承(38)套接在空心水冷机构(10)的套筒(101)上；坩埚(3)的坩埚熔腔(31)底部为锥形底(36)；
支撑机架(7)由上支梁(71)、下支梁(72)、底座(74)构成，上支梁(71)与下支梁(72)之间设有加强筋(74)，下支梁(72)安装在底座(74)上；上支梁(71)上设有D通孔(711)、E通孔(712)，D通孔(711)内安装有A滚珠轴承(713)，E通孔(712)用于电机(81)的输出穿过；A滚珠轴承(713)套接在空心水冷机构(10)的套筒(101)上；下支梁(72)上设有F通孔(721)，F通孔(721)内安装有B滚珠轴承(722)；
转动机构(8)由电机(81)、主动轮(82)、从动轮(83)和皮带(84)构成，电机(81)安装在上支梁(71)上，主动轮(82)套接在电机(81)的输出轴上，从动轮(83)安装在空心水冷机构(10)的套筒(101)上，主动轮(82)、从动轮(83)通过皮带(84)连接；
磁液体密封件(9)包括法兰盘(91)、密封圈(93)，法兰盘(91)与密封圈(93)通过螺钉固定连接在一起，且法兰盘(91)的G通孔(92)与密封圈(93)的H通孔(94)对齐；密封圈(93)的上下端部安装有D滚珠轴承(95)、E滚珠轴承(96)，D滚珠轴承(95)、E滚珠轴承(96)分别套接在空心水冷机构(10)的套筒(101)上；
空心水冷机构(10)为管中管结构，空心水冷机构(10)包括有套筒(101)、进水管(102)、安装座(10a)、进水接头(10b)、回水接头(10c)；安装座(10a)固定连接在底座(73)上；进水管(102)的下端设有进水接头(10b)，进水接头(10b)与进水管(51)的一端连接，进水管(51)的另一端连接在冷却水系统(5)上，实现冷却水系统(5)中的冷水注入进水通道(104)中；套筒(101)的下端设有回水接头(10c)，回水接头(10c)与回水管(52)的一端连接，回水管(52)的另一端连接在冷却水系统(5)上，实现回水通道(103)中的循环水回流至冷却水系统(5)中。
附图说明
图1是本发明电子束熔炼设备的结构剖视图。
图2是本发明的坩埚的剖视图。。
图3是本发明磁液体密封件的剖视图。
图4是本发明空心水冷机构中套筒与进水管的剖视图。
图4A是本发明空心水冷机构中套筒与进水管的结构图。
图5是现有电子束熔炼设备的结构简示图。
图中：     1.电子束系统  11.电子枪   2.真空系统    21.真空室22.进料口      23.观察窗     24.下端     25.上端       26.左端27.右端        201.外层      202.内层    203.冷却水道  204.安全阀205.A通孔      206.B通孔     207.法兰盘  3.坩埚        31.坩埚熔腔32.冷却水通道  33.坩埚外壁   34.坩埚内壁 35.接头       36.锥形底37.C通孔       38.C滚珠轴承  4.电源系统  5.冷却水系统  51.进水管52.回水管      6.保护气源    7.支撑机架  71.上支梁     72.下支梁73.底座        74.加强筋     711.D通孔   712.E通孔     713.A滚珠轴承721.F通孔      722.B滚珠轴承             8.转动机构    81.电机82.主动轮      83.从动轮     84.皮带     9.磁液体密封件91.法兰盘      92.G通孔      93.密封圈   94.H通孔      95.D滚珠轴承96.E滚珠轴承   10.空心水冷机构           101.套筒      102.进水管103.回水通道   104.进水通道  10a.安装座  10b.进水接头  10c.回水接头
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明的一种电子束熔炼设备，包括有电子束系统1、真空系统2、坩埚3、电源系统4、冷却水系统5、保护气源6、支撑机架7、转动机构8、磁液体密封件9和空心水冷机构10。
电子束系统1的电子枪11安装在真空系统2的真空室21的上部25上；在本发明中，电子枪11可以是一支，也可以是两支、三支。使用多支电子枪时，电子枪在真空室21的上部25安装位置只要保证电子枪出射的电子束流的射点在坩埚3内就行，且多支电子枪在物料(置于坩埚3内)上的扫描范围可重合；电子束系统1用于提供物料熔炼时所需的能源。电子枪11的功率可以达到800kW，工作电压可以为0～30kV。在本发明中，该电子束系统1采用市售产品。
真空系统2的真空室21的下部24与支撑机架7的上部71之间安装有磁液体密封件9、从动轮83，磁液体密封件9在从动轮83的上方。在本发明中，该真空系统2包括有真空泵组和真空室21，真空泵组提供真空室21所需物料熔炼时的真空度。真空室21在物料熔炼的工作状态保持在10-3Pa～10-5Pa的真空度。真空泵组可以为分子泵+罗茨泵+滑阀泵构成，或为分子增压泵+旋片泵构成。
坩埚3置于真空室21内的中心位置，且坩埚3的底部与空心水冷机构10的套筒101连接；
空心水冷机构10、转动机构8安装在支撑机架7上；
保护气源6用于提供真空室21在物料熔炼时所需保护气氛，如Ar气。
电源系统4用于供给真空系统2、冷却水系统5、转动机构8所需电能。
参见图1所示，真空系统2的真空室21，真空室21为双层水冷结构，内层202为不锈钢板，外层201可以为碳钢或不锈钢板，内层202与外层201之间为冷却水道203；真空室21的上部25设有安全阀204、A通孔205，A通孔205内安装有法兰盘207，电子枪11的套筒安装在法兰盘207上；真空室21的左端26设有观察窗23；真空室21的右端27设有进料口22；真空室21的下部24设有B通孔206，B通孔206内安装有磁液体密封件9。磁液体密封件9套接在空心水冷机构10的套筒101上。
安全阀204的设计：当真空室21内部压力超过安全阀204设定的许用压力时，安全阀204自动开启排气，同时真空泵组自动断电、电子枪11自动断电。
观察窗23：通过该观察窗23操作者可清晰观察电子枪11在熔池中的工作状态。
进料口22：通过该进料口22将物料放入，或者外接一自动进料系统，实现连续供料熔炼物料。
参见图1、图2所示，坩埚3为双层水冷梯形结构，材料为无氧铜；坩埚内壁34与坩埚外壁33之间为冷却水通道32；坩埚3的底部设有接头35，接头35的中心设有C通孔37，C通孔37内安装有C滚珠轴承38，C滚珠轴承38套接在空心水冷机构10的套筒101上，同时为冷却水通道32提供循环冷却水；坩埚3的坩埚熔腔31底部为锥形底36；坩埚熔腔31用于熔炼物料。接头35与磁液体密封件9连接。
参见图1所示，支撑机架7由上支梁71、下支梁72、底座74构成，上支梁71与下支梁72之间设有加强筋74，下支梁72安装在底座74上；上支梁71上设有D通孔711、E通孔712，D通孔711内安装有A滚珠轴承713，E通孔712用于电机81的输出穿过；A滚珠轴承713套接在空心水冷机构10的套筒101上；
下支梁72上设有F通孔721，F通孔721内安装有B滚珠轴承722；B滚珠轴承722套接在空心水冷机构10的套筒101上；
参见图1所示，转动机构8由电机81、主动轮82、从动轮83和皮带84构成，皮带84套在主动轮82、从动轮83上，电机81安装在上支梁71上，主动轮82套接在电机81的输出轴上，从动轮83安装在空心水冷机构10的套筒101上，主动轮82、从动轮83通过皮带84带动。在本发明中，通过电机81带动主动轮82转动，进而皮带84、从动轮83转动，使得坩埚3在真空室21内转动。
参见图1、图3所示，磁液体密封件9包括法兰盘91、密封圈93，法兰盘91与密封圈93通过螺钉固定连接在一起，且法兰盘91的G通孔92与密封圈93的H通孔94对齐；密封圈93的上下端部安装有D滚珠轴承95、E滚珠轴承96，D滚珠轴承95、E滚珠轴承96分别套接在空心水冷机构10的套筒101上。
参见图1、图4、图4A所示，空心水冷机构10为管中管结构，空心水冷机构10包括有套筒101、进水管102、安装座10a、进水接头10b、回水接头10c；安装座10a固定连接在底座73上；进水管102的下端设有进水接头10b，进水接头10b与进水管51的一端连接，进水管51的另一端连接在冷却水系统5上，实现冷却水系统5中的冷水注入进水通道104中；套筒101的下端设有回水接头10c，回水接头10c与回水管52的一端连接，回水管52的另一端连接在冷却水系统5上，实现回水通道103中的循环水回流至冷却水系统5中。
本发明设计的电子束熔炼设备采用较少的器件组合就能进行电子束熔炼功能，设备的结构简单、体积相对小；转动机构8与空心水冷机构10的组合不但可以进行难熔合金的熔炼，同时也可进行电子束单晶炉的功能。电子束熔炼设备整体结构开阔，便于操作、观察和便于手动调整。

Claims (6)

1、一种电子束熔炼设备，该电子束熔炼设备包括有电子束系统(1)、真空系统(2)、坩埚(3)、电源系统(4)、冷却水系统(5)、保护气源(6)、支撑机架(7)，其特征在于：还包括有转动机构(8)、磁液体密封件(9)和空心水冷机构(10)；电子束系统(1)的电子枪(11)安装在真空系统(2)的真空室(21)的上部(25)上；
真空系统(2)的真空室(21)的下部(24)与支撑机架(7)的上部(71)之间安装有磁液体密封件(9)、从动轮(83)，磁液体密封件(9)在从动轮(83)的上方；
坩埚(3)置于真空室(21)内的中心位置，且坩埚(3)的底部与空心水冷机构(10)的套筒(101)连接；
空心水冷机构(10)、转动机构(8)安装在支撑机架(7)上；
真空系统(2)的真空室(21)为双层水冷结构，内层(202)为不锈钢板，外层(201)为碳钢或不锈钢板，内层(202)与外层(201)之间为冷却水道(203)；真空室(21)的上部(25)设有安全阀(204)、A通孔(205)，A通孔(205)内安装有A法兰盘(207)，电子枪(11)的套筒安装在A法兰盘(207)上；真空室(21)的左端(26)设有观察窗(23)；真空室(21)的右端(27)设有进料口(22)；真空室(21)的下部(24)设有B通孔(206)，B通孔(206)内安装有磁液体密封件(9)；
坩埚(3)为双层水冷梯形结构；坩埚内壁(34)与坩埚外壁(33)之间为冷却水通道(32)；坩埚(3)的底部设有接头(35)，接头(35)的中心设有C通孔(37)，C通孔(37)内安装有C滚珠轴承(38)，C滚珠轴承(38)套接在空心水冷机构(10)的套筒(101)上；坩埚(3)的坩埚熔腔(31)底部为锥形底(36)；
支撑机架(7)由上支梁(71)、下支梁(72)、底座(74)构成，上支梁(71)与下支梁(72)之间设有加强筋(74)，下支梁(72)安装在底座(74)上；上支梁(71)上设有D通孔(711)、E通孔(712)，D通孔(711)内安装有A滚珠轴承(713)，E通孔(712)用于电机(81)的输出穿过；A滚珠轴承(713)套接在空心水冷机构(10)的套筒(101)上；下支梁(72)上设有F通孔(721)，F通孔(721)内安装有B滚珠轴承(722)；
转动机构(8)由电机(81)、主动轮(82)、从动轮(83)和皮带(84)构成，电机(81)安装在上支梁(71)上，主动轮(82)套接在电机(81)的输出轴上，从动轮(83)安装在空心水冷机构(10)的套筒(101)上，主动轮(82)、从动轮(83)通过皮带(84)连接；
磁液体密封件(9)包括B法兰盘(91)、密封圈(93)，B法兰盘(91)与密封圈(93)通过螺钉固定连接在一起，且B法兰盘(91)的G通孔(92)与密封圈(93)的H通孔(94)对齐；密封圈(93)的上下端部安装有D滚珠轴承(95)、E滚珠轴承(96)，D滚珠轴承(95)、E滚珠轴承(96)分别套接在空心水冷机构(10)的套筒(101)上；
空心水冷机构(10)为管中管结构，空心水冷机构(10)包括有套筒(101)、进水管(102)、安装座(10a)、进水接头(10b)、回水接头(10c)；安装座(10a)固定连接在底座(73)上；进水管(102)的下端设有进水接头(10b)，进水接头(10b)与进水管(51)的一端连接，进水管(51)的另一端连接在冷却水系统(5)上，实现冷却水系统(5)中的冷水注入进水通道(104)中；套筒(101)的下端设有回水接头(10c)，回水接头(10c)与回水管(52)的一端连接，回水管(52)的另一端连接在冷却水系统(5)上，实现回水通道(103)中的循环水回流至冷却水系统(5)中。
2、根据权利要求1所述的电子束熔炼设备，其特征在于：电子枪(11)的功率达到800kW，工作电压为0～30kV。
3、根据权利要求1所述的电子束熔炼设备，其特征在于：真空室(21)在物料熔炼的工作状态保持在10-3Pa～10-5Pa的真空度。
4、根据权利要求1所述的电子束熔炼设备，其特征在于：保护气源(6)用于提供真空室21在物料熔炼时所需保护气氛。
5、根据权利要求1所述的电子束熔炼设备，其特征在于：电源系统(4)用于供给真空系统(2)、冷却水系统(5)、转动机构(8)所需电能。
6、根据权利要求1所述的电子束熔炼设备，其特征在于：坩埚(3)采用无氧铜材料加工。
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