CN103882509A

CN103882509A - 一种对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉及方法

Info

Publication number: CN103882509A
Application number: CN201210555503.6A
Authority: CN
Inventors: 尹中荣; 孙照富
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: GRIMN Engineering Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2032-12-19
Also published as: CN103882509B

Abstract

一种对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉及方法，其包括：置于工作台之上的炉体、置于炉体内的环形电子枪和固料装置，环形电子枪熔炼时套在物料的外圈，并配设制冷系统、真空机组及控制面板的摇臂机构；固料装置包括一对固定在炉体上、下端的可旋转及上下调整的棒料夹头；还具有一熔炼时可带动电子枪上下移动的电子枪升降系统，该电子枪升降系统至少包括一组分别由伺服电机驱动的丝杠和一电子枪的托置板，该对双丝杠分设在熔炼时的物料两侧，电子枪的托置板水平固定在该对双丝杠上。其是通过电子束对高温难熔物料进行悬浮区域提纯的熔炼炉，解决了当前仅凭电阻区熔炉和感应区熔炉无法实现的高温难熔物料的提纯及晶体生产等的疑难问题。

Description

一种对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉及方法

技术领域

本发明涉及一种电子束区熔炉，尤指一种通过电子束对高温难熔物料进行悬浮区域提纯的熔炼炉及方法。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，对高温难熔物料材料的纯度和晶体的完整性要求越来越高。众所周知，微量杂质对材料的物理、化学性能具有严重的影响，而材料在超纯时所具有的各种独特的性能，正是近代尖端技术迫且要求的。因此，为了实现上述材料工艺性能，电子束区熔炉就是为了适应时代的呼唤应运而生的。

要得到超纯的高温难熔物料，其熔炼设备至少需要三个基本条件：首先是要实现无坩埚熔炼；其次是要能实现3000℃以上的高温；最后还要保证熔池在高温状态下的持久性。三个条件缺一均无法实现高温难熔物料的熔炼。

为了实现上述材料的熔炼，最好的办法是采用无坩埚的悬浮区域熔炼炉（即区熔炉）进行加工。目前比较成熟的区熔炉技术有两种，一种是电阻区熔炉，另外一种是感应区熔炉。但电阻区熔炉无法实现对高温难熔物料熔池的形成，感应区熔炉能够实现高温熔池，但其熔炼区域过宽，仅凭熔池表面张力无法避免熔池坠落，因此，目前较为成熟的两种区熔炉均无法实现高温难熔物料的提纯或者晶体完整性。

发明内容

本发明的目的是提供一种对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉，其是通过电子束对高温难熔物料进行悬浮区域提纯的熔炼炉，解决了当前仅凭电阻区熔炉和感应区熔炉无法实现的高温难熔物料的提纯及晶体生产等的疑难问题。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉，其包括：置于工作台之上的炉体、置于炉体内的环形电子枪和固料装置，所述的环形电子枪熔炼时套在物料的外圈，并配设制冷系统、真空机组及控制面板的摇臂机构；

所述的固料装置包括一对固定在炉体上、下端的可旋转及上下调整的棒料夹头；

还具有一熔炼时可带动电子枪上下移动的电子枪升降系统，该电子枪升降系统至少包括一组分别由伺服电机驱动的丝杠和一电子枪的托置板，该对双丝杠分设在熔炼时的物料两侧，所述电子枪的托置板水平固定在该对双丝杠上。

所述对物料进行悬浮区域提纯的电子束区炉中，所述可旋转及上下调整的棒料夹头为同速或不同速旋转；如不同速旋转,则速度差为不大于2转/分钟。

所述对物料进行悬浮区域提纯的电子束区炉中，所述电子枪电源采用负高压电源，所述真空机组采用涡轮分子泵作为主泵的高真空机组。

所述对物料进行悬浮区域提纯的电子束区炉中，还配设一对双导轨立柱，与所述的一对双丝杠均匀分设在熔炼时物料的四周，所述电子枪的托置板沿该对双导轨立柱上下移动。

所述对物料进行悬浮区域提纯的电子束区炉中，配有快速更换夹头的装置。

所述对物料进行悬浮区域提纯的电子束区炉中，具有多工位观察窗，是在窗口处安装有一组可轮换使用、整体更换的观察用玻璃片。

所述对物料进行悬浮区域提纯的电子束区炉中，配设充氩气自动控制系统。

所述对物料进行悬浮区域提纯的电子束区炉中，配设远程控制系统，包括在该电子束区熔炉上安设一组可实时监测熔炼的物料长度的传感器及终端远程控制的计算机，由计算机实施远程控制，在工作台上设实时显示屏。

本发明的另一目的是提供一种通过电子束对物料进行悬浮区域提纯的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种通过电子束对物料进行悬浮区域提纯的方法，采用上述的电子束区熔炉，同时还具有下列结构：同时配设一对双丝杠及一对双导轨立柱，分设在熔炼时物料的四周，电子枪的托置板沿该组双丝杠及双导轨立柱上下移动；可旋转且能上下调整的棒料夹头；采用负高压电源作为电子枪电源；配有快速更换夹头的装置和氩气制冷系统；其方法如下：

a）调整上下的棒料夹头夹好待熔炼的物料后，启动工作电源及环形电子枪的引束，使环形电子枪开始在双丝杠、双导轨立柱以及伺服电机的共同作用下沿着物料的下端至上端开始移动，并保持移动速度满足待熔炼物料的工艺要求，且同时启动上、下棒料夹头旋转；

b）按该待熔炼物料的工艺要求分别调整上、下棒料夹头的旋转速度，并实时查看该待熔炼物料的长度；

c）当待熔炼物料的长度达到规定后，停止环形电子枪的工作，关闭真空阀门，并开启制冷系统快速向炉内充氩气。

所述通过电子束对高温难熔物料进行悬浮区域提纯的方法中，配设多工位观察窗；还选择性的配设远程控制系统，通过一组设置在电子束区熔炉上的可实时监测熔炼物料长度的传感器获得数据实时显示在电子束区熔炉工作台上所设的显示屏上；工作人员通过多工位观察窗或显示屏实时查看待熔炼物料的长度。

本发明的优点在于：

1.由于可以根据料棒长短的不同进行调节上下夹头，并且上下夹头可以根据不同直径的物料进行快速更换，故适应多种样品的熔炼实验，使用范围广；

2.电子枪升降系统的设置使得熔炼时电子枪能够上下移动，配合上、下棒料夹头的旋转，再凭借着电子束的特殊性能，使得本电子束区熔炉能极大化的满足对高温难熔物料的提纯和晶体的完整性要求。

3.电子束区熔炉且本电子束区熔炉既可以进行炉前操作，也可以实现远程控制，降低了操作人员的劳动强度，提供了工作舒适度。

附图说明

图1为本发明悬浮区域提纯的熔炼炉示意图（主视）。

图2为本发明悬浮区域提纯的熔炼炉示意图（侧剖视）。

图中：1-伺服电机；2-棒料夹头；3-双导轨立柱；4-双导轨立柱；5-炉门；6-多工位观察窗；7-观察窗；8-电子枪；9-棒料夹头；10-伺服电机；11-下调整机构；12-上调整机构；13-伺服电机；14-伺服电机；15-双丝杠；16-充氩气接口；17-炉体内腔；18-双丝杠；19-物料；20-真空机组。

具体实施方式

本发明对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉的主要构成是由炉体、电子枪和固料装置组合构成，并配设制冷系统、真空机组及控制面板的摇臂机构。所述的物料一般是选用棒状的高温难熔样品。

如图1所示，本发明可以设计有一个工作台，炉体置于工作台之上。

炉体内置有环形的电子枪8，熔炼时该环形的电子枪8是套在物料19的外圈，对于电子枪8可以是采用现有各功率结构的电子枪本体，在本发明中，设计了一可带动电子枪上下移动的电子枪升降系统，该电子枪升降系统可以是至少由两个以上的由伺服电机驱动的丝杠和电子枪的托置板组合构成，或至少是由一个由伺服电机驱动的丝杠、一个导轨立柱和伺服电机组合构成；本实施例中，采用了一对丝杠15和18、一对导轨立柱3与4以及伺服电机13和14共同组合构成电子枪升降系统，所述电子枪的托置板水平固定在该对双丝杠及该对导轨立柱上。电子枪的电源要采用负高压电源，才能熔炼难熔金属或各种陶瓷等不导电的样品。

在电子枪工作时，为了保证样品19被均匀的加热同时对熔池起到一个搅拌作用，在本发明设备上装有可旋转的物料固料装置，该装置的上下端均有棒料夹头2和9，夹头上装有伺服电机1和10，且上下夹头的转速不一致。为实现更佳的工作效果，让上下调整的棒料夹头不同速旋转，速度差的最大极限是2转/分钟。为了保证不同长度的样品都能够在此发明设备进行试验，在上下夹头上装有上下调整机构11和12。还可配有快速更换夹头的装置。

一般使用本发明设备的物料均需要保证高真空的要求，因此，本发明对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉上采用涡轮分子泵作为主泵的高真空机组20。

为了提高冷却速度和工艺需要，炉体上装有充氩气快冷系统，并可实现自动控制，在熔炼结束后，关掉真空阀，打开氩气流量开关对炉体充气，当炉体内压力达到6000Pa时,关闭流量开关，随着气体温度的下降，压力逐渐下降，在压力下降至5000Pa时，氩气流量开关自动打开，直至6000Pa时自动关闭。通过氩气的对流完成对物料的快速冷却。

另外炉体上有炉门5，炉门5上装有熔炼时观察熔炼状况的观察窗7，在熔炼时能够清楚的看到熔炼室内的状况，观察窗采用多个观察用玻璃片6，其是在窗口处安装有一组可轮换使用、整体更换的观察用玻璃片,当一块被镀上之后，可以通过转动一定的角度，把另一块未被镀上的玻璃转动到观察位置，等到所有的观察用玻璃片6（本实施例中为六块）玻璃均被上之后，再把所有的观察用玻璃片6全部一次更换完毕。故延长了观察窗玻璃清洗的使用时间。

通过控制面板的摇臂机构可以方便操作维修等。

本电子束区熔炉既可以进行炉前操作，也可以实现远程控制，可以在该电子束区熔炉上安设一组可实时监测熔炼物料长度的传感器，该传感器的信号输出传给远程控制的计算机，由计算机实施远程控制，在工作台上设实时显示屏，可实时显示。降低了操作人员的劳动强度，提供了工作舒适度。

本发明电子束区熔炉是根据环形电子枪从阴极发射的电子被阴极和阳极产生的电位分布偏转、聚焦和加速，通过阳极的窄缝轰击到物料上，由于电子的轰击结果，在料棒的局部集中了很大的能量而升温熔化，因电子束区熔的熔池较窄，因此，熔化了的物料靠着本身的表面张力形成细颈状熔融区域。本发明对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉的具体工作实施方式是：在环形电子枪8引束启动后，环形电子枪在双丝杠15和18、双导轨立柱3与4以及伺服电机13和14的共同作用下沿着物料19由料的下端至上端缓缓移动，根据样品工艺的不同可以调节环形电子枪8的上升移动速度，对已经熔炼的的样品19长度能够进行实时显示和控制。

随着科学技术的高速发展，本发明电子束区熔炉在将会对尖端科技技术带来新的飞跃，对国家的国防和经济建设作出重大贡献。

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及附图中所示的结构应视为例示性，而非用以限制本发明的申请专利范围。

Claims

1.一种对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉，其包括：置于工作台之上的炉体、置于炉体内的环形电子枪和固料装置，所述的环形电子枪熔炼时套在物料的外圈，并配设制冷系统、真空机组及控制面板的摇臂机构；其特征在于：

还具有一熔炼时可带动电子枪上下移动的电子枪升降系统，该电子枪升降系统包括一组分别由伺服电机驱动的丝杠和一电子枪的托置板，该对丝杠分设在熔炼时的物料两侧，所述电子枪的托置板水平固定在该对双丝杠上。

2.根据权利要求1所述的对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉，其特征在于：所述可旋转及上下调整的棒料夹头为不同速旋转；如不同速旋转则速度的最大极限是2转/分钟。

3.根据权利要求1所述的对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉，其特征在于：所述电子枪电源采用负高压电源，所述真空机组采用涡轮分子泵作为主泵的高真空机组。

4.根据权利要求1所述的对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉，其特征在于：还配设一对双导轨立柱，与所述的一对双丝杠均匀分设在熔炼时物料的四周，所述电子枪的托置板沿该对双导轨立柱上下移动。

5.根据权利要求1所述的对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉，其特征在于：具有多工位观察窗，是在窗口处安装有一组可轮换使用、整体更换的观察用玻璃片。

6.根据权利要求1所述的对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉，其特征在于：配有快速更换夹头的装置。

7.根据权利要求1所述的对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉，其特征在于：配设充氩气自动控制系统。

8.根据权利要求1所述的对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉，其特征在于：配设远程控制系统，包括在该电子束区熔炉上安设一组可实时监测熔炼物料长度的传感器，在工作台上设实时显示屏传感器的信号输出传送给远端控制的计算机，由计算机实施远程控制，并在工作台上实时显示。

9.一种通过电子束对物料进行悬浮区域提纯的方法，采用权利要求1所述的电子束区熔炉，同时还具有下列结构：同时配设一对双丝杠及一对双导轨立柱，分设在熔炼时物料的四周，电子枪的托置板沿该组双丝杠及双导轨立柱上下移动；可旋转且能上下调整的棒料夹头；采用负高压电源作为电子枪电源；配有快速更换夹头的装置；氩气制冷系统；

其特征在于方法如下：

c）当待熔炼物料的长度达到规定后，停止环形电子枪的工作，并开启制冷系统快速向炉内充氩气。

10.根据权利要求9所述的通过电子束对高温难熔物料进行悬浮区域提纯的方法，其特征在于：至少配设多工位观察窗，工作人员通过多工位观察窗；还选择性的配设远程控制系统，通过一组设置在电子束区熔炉上的可实时监测熔炼物料长度的传感器获得数据，实时显示在电子束区熔炉工作台上所设的显示屏上；工作人员通过显示屏实时查看待熔炼物料的长度。