CN110468286A - 一种冷阴极电子枪熔炼炉控制系统和金属锭冶炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷阴极电子枪熔炼炉控制系统和金属锭冶炼方法，包括设于熔炼炉中的若干冷阴极电子枪；还包括冷阴极电子枪控制系统、冷阴极电子枪控制系统的高压电源、拉钉控制系统、真空控制系统、左右进料系统、与熔炼炉连通的气体发生器；总控制器均与冷枪控制系统、冷枪控制系统的高压电源、拉钉控制系统、真空控制系统、左右进料系统和气体发生器连接。本发明能够满足连续工业化的难熔金属冶炼和提纯。本发明结构简单，故障少，成本低，各部件接口模块化设计，易于更换维护，软硬件人性化设计，对操作人员水平的要求低。

Description

一种冷阴极电子枪熔炼炉控制系统和金属锭冶炼方法

技术领域

本发明涉及一种控制系统，尤其是一种冷阴极电子枪熔炼炉控制系统，还涉及金属锭冶炼方法，属于冶炼领域。

背景技术

在真空条件下，利用电子枪发射出来的高能电子束，将动能转化成热能来进行金属熔炼的技术是目前最先进的金属冶炼技术之一，其广泛应用于昂贵难熔的金属冶炼和提纯。

电子枪主要可分为热阴极枪和冷阴极枪。热阴极枪的阴极采用钨丝结构，工作过程中电子枪阴极需要加热到2000℃以上，具有故障多，能耗高，造价高等缺点。

冷阴极枪的阴极采用铝块结构，还能省去热枪的加热、加速电极，工作时不需对电子枪阴极加热，只须通入气体，具有故障少，能耗低，造价低等优点。

然而，现有热阴极枪熔炼炉存在故障多，能耗高，造价高等不足，目前也并不能精准控制冷阴极电子枪进而完成金属锭冶炼，进而，急需一种能够精确控制的、操控简便的系统。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种冷阴极电子枪熔炼炉控制系统和金属锭冶炼方法，本发明的7把大功率冷阴极电子枪分布巧妙，该系统能控制7把大功率冷阴极电子枪，组成一个完全功能的冷阴极电子枪熔炼炉控制系统。本发明的技术方案具体如下：

一种冷阴极电子枪熔炼炉控制系统，包括设于熔炼炉中的若干冷阴极电子枪；还包括冷阴极电子枪控制系统、冷阴极电子枪控制系统的高压电源、拉钉控制系统、真空控制系统、左右进料系统、与熔炼炉连通的气体发生器；总控制器均与冷枪控制系统、冷枪控制系统的高压电源、拉钉控制系统、真空控制系统、左右进料系统和气体发生器连接。

进一步地，包括7把冷阴极电子枪，其中，1和3号冷阴极电子枪用于炉子左边进入原料的加热熔化；2和4号冷阴极电子枪用于右边进入原料的加热熔化；5号冷阴极电子枪分为3个阶段的扫描，用于提供精炼并保持冷床内液态金属的流动性，同时也为液态金属从冷床流向结晶器提供导流的能量；6和7号冷阴极电子枪用于结晶器内金属锭完全精炼和保温。

进一步地，拉锭控制系统包括拉锭控制单元、视频液位识别单元和若干摄像头，摄像头实时采集拉锭状态信息，视频液位识别单元处理拉锭状态信息，并将处理结果传至拉锭控制单元，拉锭控制单元根据处理结果对拉锭进行实时控制。

进一步地，真空控制系统包括由PLC控制的若干水环泵真空泵、若干机械真空泵、若干罗茨真空泵和若干油气真空泵，其中，第一层是水环泵真空泵，第二层是机械真空泵，第三层是罗茨真空泵，第四层是油气真空泵，还包括若干真空规。

进一步地，冷阴极电子枪控制系统包括控制器，与控制器连接的输入端、氢气控制器、氧气控制器、上聚焦端、下聚焦端、X扫描端和Y扫描端，通过控制器控制氢气控制器、氧气控制器、上聚焦端、下聚焦端、X扫描端和Y扫描端，使得原料熔化为液态；控制器设置有3个扫描内存，装载有3个不同图形参数，3个图形区域的大小、位置、扫描时间片各自单独设置，不影响其它扫描图形。

进一步地，高压电源包括依次连接的断路开关、过滤器、可控硅整流电路、第一级升压电路、第一级整流电路、第二级升压电路、第二级整流电路和短路打火保护电路，控制核心板与第一级升压电路、第一级整流电路、第二级升压电路、第二级整流电路和短路打火保护电路连接，控制核心板对第一级升压电路、第一级整流电路、第二级升压电路、第二级整流电路进行控制，短路打火保护电路的信号输出到控制核心板，380V交流电与断路开关输入端连接，断路打火保护电路输出端持续输出30KV直流电。

本发明还涉及的基于上述控制系统的金属锭冶炼方法，包括如下步骤：

第一步、按设定条件启动真空控制系统：先启动水环泵真空泵，通过真空规测量真空度，当真空度下降达到0.2Pa时启动机械真空泵，当真空度继续下降达到0.09Pa时启动罗茨真空泵，当真空度继续下降达到0.01Pa时启动油气真空泵，等待真空度低于0.001Pa，并且保持小于等于0.001Pa；

第二步、启动气体发生器，等待气体压力达到200 Pa；

第三步、开启5号枪：首先打开5号枪的高压电源，将5号枪的气体控制电流缓慢从4ma调节到6ma，观察高压电源的电压和电流是否稳定，如果稳定可继续调大气体流量，直到炉内5号枪位置出现电子束的红斑，调节聚焦，使得电子束红斑大小合适，调节X和Y位移旋钮，使得红斑位于炉子中轴线上；调入5号枪的P1图形，调大5号枪电流到0.5A，调整P1图形的位置和大小至合适；调入5号枪的P2图形，调整P2图形的位置和大小至合适；调入5号枪的P3图形，调整P3图形的位置和大小至合适，P3图形应正对着冷床的出口；调大5号枪电流到1.5A；

第四步、开启6号枪：打开6号枪的高压电源，将6号枪的气体控制电流缓慢从4ma调节到6ma，观察高压电源的电压和电流是否稳定，如果稳定可继续调大气体流量，直到炉内6号枪位置出现电子束的红斑，调节聚焦，使得电子束红斑大小合适，调节X和Y位移旋钮，使得红斑位于拉锭头的中轴线上；调入6号枪的P1图形，调大6号枪电流到0.5A，调整P1图形的位置和大小至合适，6号枪的P1图形应刚好覆盖锭头的左半边位置；调大6号枪电流到1.5A；

第五步、开启7号枪：开启方法与6号枪相同，7号枪的P1图形应刚好覆盖锭头的右半边位置；

第六步、开启1号枪：首先打开1号枪的高压电源，将1号枪的气体控制电流缓慢从4ma调节到6ma，观察高压电源的电压和电流是否稳定，如果稳定可继续调大气体流量，直到炉内1号枪位置出现电子束的红斑，调节聚焦，使得电子束红斑大小合适，调节X和Y位移旋钮，使得红斑位于拉锭头的中轴线上；调入1号枪的P1图形，调大1号枪电流到0.5A，调整P1图形到近乎成一条直线， 1号枪的P1图形应刚好覆盖左边进入原材料的上半部分的截面位置；调大1号枪电流到1A；

第七步、开启3号枪：开启方法与1号枪的类似，3号枪的P1图形应刚好覆盖左边进入原材料的下半部分的截面位置；

第八步、开启2号枪：开启方法与1号枪的类似，2号枪的P1图形应刚好覆盖右边进入的原材料上半部分的截面位置；

第九步、开启4号枪：开启方法与1号枪的类似，4号枪的P1图形应刚好覆盖右边进入的原材料下半部分的截面位置；

第十步、设置好拉钉控制系统中金属液位的阀值及一次拉锭锭头行走的长度为20mm；

第十一步、调节各枪电流：6、7号枪电流至6A，保证结晶器内拉锭头材料充分熔化为液态；调节5号枪电流至5A，保证冷床出口部位的材料充分熔化为液态；调节1、3和2、4号枪电流至7A，保证左、右两边进入的原料熔化为液态并流入冷床；

第十二步、冶炼：在1、3和2、4号枪电子束的加热下，原料熔化成液态进入冷床，经过5号枪精炼后，由冷床出口流入结晶器，并在6、7号枪电子束加热下进一步精炼，当结晶器内金属液面达到视频拉锭启动的阀值时，自动将金属锭向下拉动20mm；

第十三步、推料：当左右进入的原料料头熔化后，进料子系统自动控制推动剩下的原料缓慢移入炉子内部的1、3和2、4号枪冶炼加热区；

持续执行第十一至十三步，直至所有原料都熔化后，冶炼完成的金属锭慢慢拉出，完成金属锭冶炼。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

（1）本发明的冷阴极电子枪设置巧妙，能够无死角的完成金属锭冶炼。

（2）本发明的电源采用高频升压技术，整个电源体积小、重量轻、负载能力强，具有工作稳定，易于更换维护，远程操作方便等优点。

（3）本发明的电源采用了两级升压、倍压整流、三级高压串联、双重抗短路打火的方式来保证30kv下大电流的稳定输出，效率高，使得额定电压下工作稳定，可以满足连续工业化的难熔金属冶炼和提纯。

（4）本发明在不同阶段控制氢气和氧气的输出、准确调节调电子束位置、装载多个扫描图形进行调节，并且准确设置扫描图形的时间，实现整个过程精确控制。

（5）本发明采用冷阴极电子枪，结构简单，故障少，成本低；各部件接口模块化设计，易于更换维护；软硬件人性化设计，对操作人员水平的要求低，操作方便，对操作人员水平的要求低，满足连续工业化的难熔金属冶炼和提纯。

附图说明

图1为本发明的系统的结构框图；

图2为本发明的冷阴极电子枪控制系统的结构框图；

图3为本发明的高压电源的结构框图；

图4为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例的冷阴极电子枪熔炼炉控制系统，包括

由七把冷枪1、七套冷阴极电子枪控制系统2、七套冷阴极电子枪控制系统的高压电源3、气体发生器4、中央操作控制器5、炉前操作器6、炉后操作器7、拉锭控制系统8、真空控制系统9和左右进料系统10。中央操作控制器5、炉前操作器6、炉后操作器7通过以太网控制总线与七套冷阴极电子枪控制系统2、七套冷阴极电子枪控制系统的高压电源3、气体发生器4、拉锭控制系统8、真空控制系统9和左右进料系统10连接在一起，各组成部件之间的控制和数据信号通过以太网控制总线进行传输和共享。

其中，1和3号枪用于炉左边进入原料的加热熔化；2和4号枪用于右边进入原料的加热熔化；5号枪分为3个阶段的扫描，提供精炼并保持冷床内液态金属的流动性，同时也为液态金属从冷床流向结晶器提供导流的能量；6和7号枪负责结晶器内金属锭完全精炼和保温。每一套冷枪控制电路板控制对应的冷枪。

拉锭控制系统包括拉锭控制单元、视频液位识别单元和5个摄像头，摄像头实时采集拉锭状态信息，视频液位识别单元处理拉锭状态信息，并将处理结果传至拉锭控制单元，拉锭控制单元根据处理结果对拉锭进行实时控制。视频液位识别单元可以是视频液位识别软件，拉锭控制单元可以是PLC，拉锭装置为现有结构，包括变频器、电机和减速器等。

真空控制系统包括由PLC控制的1台水环泵真空泵、5台机械真空泵、3台罗茨真空泵和若干油气真空泵，其中，第一层是水环泵真空泵，第二层是机械真空泵，第三层是罗茨真空泵，第四层是油气真空泵，还包括若干真空规。

左右进料系统为现有结构，包括PLC、变频器、电机和减速器等结构。

本实施例中，中央操作控制器5、炉前操作器6和炉后操作器7可对冷阴极电子枪控制系统2、七套冷阴极电子枪控制系统的高压电源3、气体发生器4、拉锭控制系统8、真空控制系统9和左右进料系统10的控制器或者PLC进行控制。

如图2所示，本实施例的七套冷阴极电子枪控制系统2，分别控制对应的七把冷阴极电子枪，让枪在设定的扫描图形、聚焦、电压电流和气体环境下工作。控制时，可以在对应的冷阴极电子枪的控制板面上操控即可。

该系统包括输入端2.1、控制器2.2、正负28伏电源2.3、氢气控制器2.4、氧气控制器2.5、上聚焦端2.6、下聚焦端2.7、X扫描端2.8和Y扫描端2.9。

输入端2.1安装在工控机，通过网线与控制器2.2连接；正负28伏电源2.3可以通过电缆与控制器2.2、氢气控制器2.4、氧气控制器2.5、上聚焦端2.6、下聚焦端2.7、X扫描端2.8、Y扫描端2.9连接，为其提供电源。氢气控制器2.4、氧气控制器2.5通过RS485通讯接口与控制器2.2连接。上聚焦端2.6、下聚焦端2.7、X扫描端2.8、Y扫描端2.9通过自定义通讯接口与控制器2.2连接。

本实施例的输入端2.1安装在工控机，通过工控机的网线连接控制器，控制器执行输入端2.1指令，控制氢气控制器、氧气控制器、上聚焦端、下聚焦端、X扫描端、Y扫描端执行操作。输入端通过以太网与控制器通信，为冷阴极电子枪设置扫描图形和其它相关控制参数。

控制器2.2通过以太网与输入端通信，获取相关数据，控制冷阴极电子枪，让枪在设定的扫描图形、聚焦、电压电流和气体环境下工作。

正负28伏电源2.3为系统中其它电路板提供正负28V/5A的工作电源。氢气控制器给冷枪提供的氢气质量流量。氧气控制器给冷枪提供的氧气质量流量。

通过上聚焦端控制冷枪光波导中上半部分电子束的聚焦。通过下聚焦端控制冷枪光波导中下半部分电子束的聚焦。通过X扫描端控制冷枪电子束在炉内X方向的偏移。通过Y扫描端控制冷枪电子束在炉内Y方向的偏移。

冷阴极电子枪控制系统的控制需要首先做好准备工作，在炉子内装填好原材料、抽好真空，然后启动某一冷枪，具体步骤如下：

第一步、启动正负28伏电源3。

第二步、关断气体：调节氢气控制器4、氧气控制器5输出值均为4ma。

第三步、启动30kV高压电源控制冷阴极电子枪。

第四步、将氢气控制器4的输出值缓慢从4ma调节到7ma，观察高压电源的电压和电流是否稳定，如果稳定继续调大氢气流量，直到炉内枪对应位置出现电子束的红斑。

第五步、调节聚焦：调节上聚焦输出值为0.5A；在0.4-0.5A范围内缓慢调节下聚焦，使得电子束红斑尽可能小。

第六步、调电子束位置：调节X扫描端和Y扫描端移旋钮，使得电子束红斑位于原料正中心位置；缓慢调大氢气流量，使得枪高压电流到1A；

第七步、装载扫描图形：通过输入端装入枪的P1图形，调节X和Y缩放旋钮，从而调整P1图形的大小至合适；通过输入端装入枪的P2图形，调节X和Y缩放旋钮，调整P2图形的大小至合适；通过输入端装入枪的P3图形，调节X和Y缩放旋钮，调整P3图形的大小至合适；设置三个扫描图形的时间片分别为500毫秒、200毫秒、100毫秒。

第八步、熔炼金属：缓慢调大氢气流量，使得枪高压电流高于6A；缓慢调大氧气流量输出值为6ma；原料开始熔化成为液态，电子枪进入正常冶炼状态。

当执行以上八个步骤，直至原料都熔化成为液态，冶炼目的达到。

其中的高压电源有七台，分别为对应的七把冷阴极电子枪提供-30KV/15A的工作电源。

如图3所示，本实施例的大功率冷阴极电子枪直流高压电源，包括断路开关3.1、过滤器3.2、可控硅整流电路3.3、控制核心板3.4、第一级升压电路3.5、第一级整流电路3.6、第二级升压电路3.7、第二级整流电路3.8、断路打火保护电路3.9、风冷控制器3.10和水冷控制器3.11。

380V交流电与断路开关3.1输入端连接，断路开关3.1输出端与过滤器3.2输入端连接，过滤器3.2输出端与可控硅整流电路3.3输入端连接，可控硅整流电路3.3输出端与第一级升压电路3.5输入端连接，第一级升压电路3.5输出端与第一级整流电路3.6输入端连接，第一级整流电路3.6输出端与第二级升压电路3.7输入端连接，第二级升压电路3.7输出端与第二级整流电路3.8输入端连接，第二级整流电路3.8输出端与断路打火保护电路3.9输入端连接，断路打火保护电路3.9输出端输出30KV直流电；第一级升压电路3.5、第一级整流电路3.6、第二级升压电路3.7、第二级整流电路3.8的控制信号输入端与控制核心板3.4控制信号输出端连接，断路打火保护电路3.9信号输出端与控制核心板3.4信号输入端连接，风冷控制器3.10、水冷控制器3.11控制信号输入端与控制核心板3.4控制信号输出端连接。

第一级升压电路，采用8个大功率IGBT组成的桥式推挽电路，将500v的电压提升到1000v。第一级整流电路，将1000v的交流电转化为直流电。

第二级升压电路有3个子模块，各子模块分别采用8个大功率IGBT组成的桥式推挽电路，将1000v的电压提升到5000v。

第二级整流电路有3个子模块，每个子模块采用倍压整流电路，将5000v的交流电转化为10000v直流电；并将三个子模块串联起来，得到30kv电压。

双重短路打火保护电路，第一重，采用高速DSP以1微秒的速率采集短路打火信号并实现软关断保护；第二重，采用LR一阶电路缓冲微秒级的打火短路。

由30kV端串联的LR电路过滤几微秒的短路打火；持续时间超过100微秒的短路打火，由控制核心板根据短路电流的大小调整第二级升压电路的脉冲占空比，降低输出电流，缓解短路情况，当短路电流继续超过设定的极值，或者短路持续的时间超过设定的极限时间，则控制核心板软关闭第二级升压电路，并在100毫秒后再次启动第二级升压电路，并再次判断短路电流大小，从而维持整个高压电源的正常工作。控制时，可以在对应的高压电源的控制板面上操控即可。

本实施例的电源进行稳压输出的工作流程，首先准备好电子束熔炼炉，给本实时流接好输入和输出的线缆，然后启动本实施例，具体步骤如下：

第一步、合上断路开关3.1，380v的输入电压通过过滤器3.2过滤掉干扰杂波，然后送入可控硅整流电路3.3，将交流电变成约500V的直流电，供后级使用。

第二步、启动第一级电路工作：控制核心板3.4通过通信接口，接收到上位软件的启动指令后，延时100ms后软启动第一级升压电路3.5，第一级升压电路3.5采用八个大功率IGBT组成的桥式推挽电路，配合高频铁氧体磁芯，将500v的电压提升到1000v；再次延时100毫秒后控制核心板3.4软启动一级整流电路3.6，将1000v交流电变成直流电，供后级使用。同时控制核心板3.4对水冷控制器3.11发出运转信号，让其驱动水泵对可控硅、IGBT进行冷却。

第三步、启动第二级电路工作：控制核心板3.4再次延时100毫秒后软启动第二级升压电路3.7，第二级升压电路3.7的每一个升压子模块都分别将1000V的电压提升到5000V；第二级整流电路3.8的每一整流子模块将5000V交流电变成10000V直流电，并将三个整流子模块进行串联，输出30kv的直流电压。同时控制核心板3.4对控制风冷控制器3.10发出运转信号，让其驱动风扇对铁氧体磁芯进行冷却。

第四步、实时监测输出：断路打火保护电路3.9实时监测30kv的输出电压和电流，并将监测结果返回给控制核心板3.4，控制核心板3.4根据反馈回来的不同电压和电流，判断下一运行步骤。

第五步、正常负载输出：如果30kV的输出电压和电流正常，控制核心板3.4保持当前运行参数继续运行。

第六步、短路打火保护：如果电子枪发生了持续几微秒的短路打火时，由LR电路自行过滤调整，当短路打火持续时间超过100微秒时，由控制核心板3.4根据短路电流的大小调整第二级升压电路3.7的脉冲占空比，降低输出电流，缓解短路情况，如果短路电流继续超过设定的极值，或者短路持续的时间超过设定的极限时间，则控制核心板3.4软关闭第二级升压电路3.7，并在100毫秒后再次启动，若电流仍然超过极值，则完全关闭电源并通过通信接口上传上位控制单元，本机因短路电流过大关闭，如果没有超过极值，则保持电源继续工作。

持续执行第四至六步，就可以持续为电子枪提供30kv/500kw的高压工作电源。

中央操作控制器5供工作人员在中控室远距离操作控制枪、电源、进料、拉锭的装置。炉前操作器6方便工作人员在炉子前面近距离操作控制枪、电源、进料、拉锭的装置。炉后操作器7方便工作人员在炉子后面近距离操作控制枪、电源、进料、拉锭的装置。七把冷阴极电子枪设置扫描图形和其它相关控制参数可以通过上位控制进行。

如图4所示，基于上述系统和方法，本实施例的金属锭冶炼方法需要首先做好准备工作，在结晶器内放入拉锭头作为引子，在冷床底部放入一层原材料，为炉子左右两边装填好原材料，并将各系统复位为初始位置，电器设备处于关闭状态，然后启动炉子，具体步骤如下：

（101） 按设定条件启动真空子系统：先启动水环泵真空泵，通过真空规测量真空度，当真空度下降达到0.2Pa时启动机械真空泵，当真空度继续下降达到0.09Pa时启动罗茨真空泵，当真空度继续下降达到0.01Pa时启动油气真空泵，等待真空度低于0.001Pa，并且维持住不会大于0.001Pa。

（102） 启动气体发生器，等待气体压力达到200 Pa；

（103） 开启5号枪：首先打开5号枪的高压电源，将5号枪的气体控制电流缓慢从4ma调节到6ma，观察高压电源的电压和电流是否稳定，如果稳定可继续调大气体流量，直到炉内5号枪位置出现电子束的红斑，调节聚焦，使得电子束红斑大小合适，调节X和Y位移旋钮，使得红斑位于炉子中轴线上；调入5号枪的P1图形，调大5号枪电流到0.5A，调整P1图形的位置和大小至合适；调入5号枪的P2图形，调整P2图形的位置和大小至合适；调入5号枪的P3图形，调整P3图形的位置和大小至合适，P3图形应正对着冷床的出口；调大5号枪电流到1.5A。

（104）开启6号枪：首先打开6号枪的高压电源，将6号枪的气体控制电流缓慢从4ma调节到6ma，观察高压电源的电压和电流是否稳定，如果稳定可继续调大气体流量，直到炉内6号枪位置出现电子束的红斑，调节聚焦，使得电子束红斑大小合适，调节X和Y位移旋钮，使得红斑位于拉锭头的中轴线上；调入6号枪的P1图形，调大6号枪电流到0.5A，调整P1图形的位置和大小至合适，6号枪的P1图形应刚好覆盖锭头的左半边位置；调大6号枪电流到1.5A。

（105）开启7号枪：开启方法与6号枪的类似，7号枪的P1图形应刚好覆盖锭头的右半边位置。

（106）开启1号枪：首先打开1号枪的高压电源，将1号枪的气体控制电流缓慢从4ma调节到6ma，观察高压电源的电压和电流是否稳定，如果稳定可继续调大气体流量，直到炉内1号枪位置出现电子束的红斑，调节聚焦，使得电子束红斑大小合适，调节X和Y位移旋钮，使得红斑位于拉锭头的中轴线上；调入1号枪的P1图形，调大1号枪电流到0.5A，调整P1图形到近乎成一条直线， 1号枪的P1图形应刚好覆盖左边进入原材料的上半部分的截面位置；调大1号枪电流到1A。

（107）开启3号枪：开启方法与1号枪的类似，3号枪的P1图形应刚好覆盖左边进入原材料的下半部分的截面位置。

（108）开启2号枪：开启方法与1号枪的类似，2号枪的P1图形应刚好覆盖右边进入的原材料上半部分的截面位置。

（109）开启4号枪：开启方法与1号枪的类似，4号枪的P1图形应刚好覆盖右边进入的原材料下半部分的截面位置。

（110）设置好拉锭子系统中金属液位的阀值及一次拉锭锭头行走的长度为20mm。

（111）调节各枪电流：6、7号枪电流至6A，保证结晶器内拉锭头材料充分熔化为液态；调节5号枪电流至5A，保证冷床出口部位的材料充分熔化为液态；调节1、3和2、4号枪电流至7A，保证左、右两边进入的原料熔化为液态并流入冷床。

（112）冶炼：在1、3和2、4号枪电子束的加热下，原料熔化成液态进入冷床，经过5号枪精炼后，由冷床出口流入结晶器，并在6、7号枪电子束加热下进一步精炼，当结晶器内金属液面达到视频拉锭启动的阀值时，自动将金属锭向下拉动20mm。

（113）推料：当左右进入的原料料头熔化后，进料子系统自动控制推动剩下的原料缓慢移入炉子内部的1、3和2、4号枪冶炼加热区。

持续执行（111）、（112）、（113）三个步骤，当所有原料都熔化后，冶炼完成的金属锭也慢慢的拉出了，至此金属锭冶炼成功。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种冷阴极电子枪熔炼炉控制系统，其特征在于：包括设于熔炼炉中的若干冷阴极电子枪；还包括冷阴极电子枪控制系统、冷阴极电子枪控制系统的高压电源、拉钉控制系统、真空控制系统、左右进料系统、与熔炼炉连通的气体发生器；总控制器均与冷枪控制系统、冷枪控制系统的高压电源、拉钉控制系统、真空控制系统、左右进料系统和气体发生器连接。

2.根据权利要求1所述的冷阴极电子枪熔炼炉控制系统，其特征在于：包括7把冷阴极电子枪，其中，1和3号冷阴极电子枪用于炉子左边进入原料的加热熔化；2和4号冷阴极电子枪用于右边进入原料的加热熔化；5号冷阴极电子枪分为3个阶段的扫描，用于提供精炼并保持冷床内液态金属的流动性，同时也为液态金属从冷床流向结晶器提供导流的能量；6和7号冷阴极电子枪用于结晶器内金属锭完全精炼和保温。

3.根据权利要求1所述的冷阴极电子枪熔炼炉控制系统，其特征在于：拉锭控制系统包括拉锭控制单元、视频液位识别单元和若干摄像头，摄像头实时采集拉锭状态信息，视频液位识别单元处理拉锭状态信息，并将处理结果传至拉锭控制单元，拉锭控制单元根据处理结果对拉锭进行实时控制。

4.根据权利要求1所述的冷阴极电子枪熔炼炉控制系统，其特征在于：真空控制系统包括由PLC控制的若干水环泵真空泵、若干机械真空泵、若干罗茨真空泵和若干油气真空泵，其中，第一层是水环泵真空泵，第二层是机械真空泵，第三层是罗茨真空泵，第四层是油气真空泵，还包括若干真空规。

5.根据权利要求1所述的冷阴极电子枪熔炼炉控制系统，其特征在于：冷阴极电子枪控制系统包括控制器，与控制器连接的输入端、氢气控制器、氧气控制器、上聚焦端、下聚焦端、X扫描端和Y扫描端，通过控制器控制氢气控制器、氧气控制器、上聚焦端、下聚焦端、X扫描端和Y扫描端，使得原料熔化为液态；控制器设置有3个扫描内存，装载有3个不同图形参数，3个图形区域的大小、位置、扫描时间片各自单独设置，不影响其它扫描图形。

6.根据权利要求1所述的冷阴极电子枪熔炼炉控制系统，其特征在于：高压电源包括依次连接的断路开关、过滤器、可控硅整流电路、第一级升压电路、第一级整流电路、第二级升压电路、第二级整流电路和短路打火保护电路，控制核心板与第一级升压电路、第一级整流电路、第二级升压电路、第二级整流电路和短路打火保护电路连接，控制核心板对第一级升压电路、第一级整流电路、第二级升压电路、第二级整流电路进行控制，短路打火保护电路的信号输出到控制核心板，380V交流电与断路开关输入端连接，断路打火保护电路输出端持续输出30KV直流电。

7.基于权利要求1-6之一的控制系统的金属锭冶炼方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步、按设定条件启动真空控制系统：先启动水环泵真空泵，通过真空规测量真空度，当真空度下降达到0.2Pa时启动机械真空泵，当真空度继续下降达到0.09Pa时启动罗茨真空泵，当真空度继续下降达到0.01Pa时启动油气真空泵，等待真空度低于0.001Pa，并且保持小于等于0.001Pa；

第二步、启动气体发生器，等待气体压力达到200 Pa；

第三步、开启5号枪：首先打开5号枪的高压电源，将5号枪的气体控制电流缓慢从4ma调节到6ma，观察高压电源的电压和电流是否稳定，如果稳定可继续调大气体流量，直到炉内5号枪位置出现电子束的红斑，调节聚焦，使得电子束红斑大小合适，调节X和Y位移旋钮，使得红斑位于炉子中轴线上；调入5号枪的P1图形，调大5号枪电流到0.5A，调整P1图形的位置和大小至合适；调入5号枪的P2图形，调整P2图形的位置和大小至合适；调入5号枪的P3图形，调整P3图形的位置和大小至合适，P3图形应正对着冷床的出口；调大5号枪电流到1.5A；

第四步、开启6号枪：打开6号枪的高压电源，将6号枪的气体控制电流缓慢从4ma调节到6ma，观察高压电源的电压和电流是否稳定，如果稳定可继续调大气体流量，直到炉内6号枪位置出现电子束的红斑，调节聚焦，使得电子束红斑大小合适，调节X和Y位移旋钮，使得红斑位于拉锭头的中轴线上；调入6号枪的P1图形，调大6号枪电流到0.5A，调整P1图形的位置和大小至合适，6号枪的P1图形应刚好覆盖锭头的左半边位置；调大6号枪电流到1.5A；

第五步、开启7号枪：开启方法与6号枪相同，7号枪的P1图形应刚好覆盖锭头的右半边位置；

第六步、开启1号枪：首先打开1号枪的高压电源，将1号枪的气体控制电流缓慢从4ma调节到6ma，观察高压电源的电压和电流是否稳定，如果稳定可继续调大气体流量，直到炉内1号枪位置出现电子束的红斑，调节聚焦，使得电子束红斑大小合适，调节X和Y位移旋钮，使得红斑位于拉锭头的中轴线上；调入1号枪的P1图形，调大1号枪电流到0.5A，调整P1图形到近乎成一条直线， 1号枪的P1图形应刚好覆盖左边进入原材料的上半部分的截面位置；调大1号枪电流到1A；

第七步、开启3号枪：开启方法与1号枪的类似，3号枪的P1图形应刚好覆盖左边进入原材料的下半部分的截面位置；

第八步、开启2号枪：开启方法与1号枪的类似，2号枪的P1图形应刚好覆盖右边进入的原材料上半部分的截面位置；

第九步、开启4号枪：开启方法与1号枪的类似，4号枪的P1图形应刚好覆盖右边进入的原材料下半部分的截面位置；

第十步、设置好拉钉控制系统中金属液位的阀值及一次拉锭锭头行走的长度为20mm；

第十一步、调节各枪电流：6、7号枪电流至6A，保证结晶器内拉锭头材料充分熔化为液态；调节5号枪电流至5A，保证冷床出口部位的材料充分熔化为液态；调节1、3和2、4号枪电流至7A，保证左、右两边进入的原料熔化为液态并流入冷床；

第十二步、冶炼：在1、3和2、4号枪电子束的加热下，原料熔化成液态进入冷床，经过5号枪精炼后，由冷床出口流入结晶器，并在6、7号枪电子束加热下进一步精炼，当结晶器内金属液面达到视频拉锭启动的阀值时，自动将金属锭向下拉动20mm；

第十三步、推料：当左右进入的原料料头熔化后，进料子系统自动控制推动剩下的原料缓慢移入炉子内部的1、3和2、4号枪冶炼加热区；

持续执行第十一至十三步，直至所有原料都熔化后，冶炼完成的金属锭慢慢拉出，完成金属锭冶炼。