一种电子束悬浮区域熔炉及熔炼方法技术

本发明专利技术公开了一种电子束悬浮区域熔炉及熔炼方法，包括有一炉体及配设的充氩气快冷系统、水冷却系统及高真空机组；炉体由上炉室与下炉室组成，工作状态时，上炉室与下炉室纵向密封对接；在炉体内的工作区域，固定安装有用于固定料棒的装料固定装置，并设有一环形电子枪，为环形电子枪配设电子枪移动系统，还配设一可带动下装料机构旋转的物料旋转机构。熔炼方法是在高真空环境下，原料棒在高能热量的作用下实现狭小区域熔化的效果，熔区内物料则借助于其液态表面张力保持在料棒中间，同时在同一方向沿轴向缓缓移动，在整个复杂的物理化学过程中，气体析出、杂质蒸发并生成单晶，从而达到熔炼效果。

Electron beam suspension zone furnace and smelting method

The invention discloses an electron beam floating zone melting furnace and method, which comprises a water cooling system and high vacuum unit fast cooling system, a furnace with argon gas and the furnace body comprises a furnace chamber; and the lower furnace chamber. The working state, the furnace chamber and the furnace chamber longitudinal sealing joint in the working area; the furnace body, is fixedly provided with a fixing device for charging rods, and is provided with an annular electron gun, annular electron gun equipped with mobile gun system, also equipped with a charging mechanism driven by rotation of the rotating mechanism of material. Smelting method in high vacuum environment, raw material rod small area melting in high energy under the effect of heat effect, the material melting zone by the liquid surface tension remains in the middle of rods, at the same time in the same direction along the axial direction to move slowly, in the complex physical process, precipitation, gas the impurity evaporation and generate crystal, so as to achieve the effect of melting.

【技术实现步骤摘要】
一种电子束悬浮区域熔炉及熔炼方法
本专利技术涉及高纯度难熔金属的熔炼技术，尤其涉及一种电子束悬浮区域熔炉及熔炼方法。
技术介绍
随着科学技术的飞速发展，航空、航天、军工、核能和生物工程等许多高
及相关装备制造业和自动控制业技术也快速进步，高纯度难熔金属以及其合金单晶材料因其本身优越的物理及化学性能、力学性能也越来越受科技术人员关注。国内外的诸多研究机构也对这种高纯难熔及合金单晶结构材料的制备方法做出很大的投入。电子束熔炼技术的主要工作原理是电子枪(阴极)通过加热发射的电子在高压静电场的加速下形成高能电子束，电子束通过聚焦后轰击要熔炼的金属，使高熔点金属熔化。一般的电子束熔炼设备(如一种电子束熔炼炉)包括电子束熔炼炉本体(含电子枪、炉体、坩埚以及冷却机构)及配套的辅助设施(真空系统、高压电源和低压电源)和操作系统等。真空系统为电子束熔炼炉提供真空工作环境；高压电源为电子枪发射出的电子提供加速电压和对阴极块的轰击电压等；低压电源主要是用来对聚焦、偏转和扫描线圈提供电流，进而用来控制电子枪发射出的电子,使之能够按设计的工艺要求准确轰击到被熔化的料棒。但目前的电子束熔炼炉炉体的电子枪设置都是采用固定方式，对一些高纯难熔及合金单晶结构材料的熔炼效果不佳；且现电子束熔炼的方法一般是将待处理的金属先熔化，盛置在坩埚中，在重组得到新性能材料(提纯并制成单晶材料)的料棒，在这些过程中，易存在坩埚被污染问题，导致熔炼后得到的最终产品纯度达不到要求。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供一种加热效率高的电子束悬浮区域熔炉，利用该设备可以制备高纯难熔及合金单晶结构材料。为实现上述目的，本专利技术采取以下设计方案：一种电子束悬浮区域熔炉，包括有一炉体及配设的充氩气快冷系统、水冷却系统及高真空机组；所述的炉体由上炉室与下炉室组成；其中，下炉室固定在炉体机座上，上炉室配设有可将其进行提拉及下放的上炉室提升机构，工作状态时，上炉室与下炉室纵向密封对接；在炉体内的工作区域，固定安装有用于固定料棒的装料固定装置；在炉体内设有一环形电子枪，其所设位置可使装料固定装置所夹持的料棒沿其中轴线穿过。所述电子束悬浮区域熔炉中，为环形电子枪配设电子枪移动系统，该电子枪移动系统采用伺服电动缸传动并带有水冷系统。所述电子束悬浮区域熔炉中，所述装料固定装置包括上装料机构和下装料机构，两者相向的两个头端分别带有用于夹持固定料棒的夹头。所述电子束悬浮区域熔炉中，配设一可带动下装料机构旋转的物料旋转机构。所述电子束悬浮区域熔炉中，所述的上炉室配有观察窗，该观察窗由外至内依次安设防护玻璃、密封玻璃和一组反射玻璃。所述电子束悬浮区域熔炉中，所述一组反射玻璃倾斜设置，且该组的反射玻璃彼此是平行的。所述电子束悬浮区域熔炉中，为上、下装料机构配设一对中机构，包括有一偏心法兰和一调整固定法兰，偏心法兰和调整固定法兰呈球面且非同心相对接；上装料机构带有外凸结构以卡座于偏心法兰之上，两者同心设置；上装料机构与调整固定法兰固定连接。所述电子束悬浮区域熔炉中，还具有下述的结构之一：1)所述上炉室提升机构通过左右两个导向立柱穿炉体机架而过并与之固定；2)配设有用于对所述电子束悬浮区域熔炉实现电控的人机操作面板；3)上炉室含高真空抽口。本专利技术的另一目的是提供一种电子束悬浮区熔炼的方法，利用该方法不仅可以简化熔炼过程，且熔炼后得到的产品纯度会更高。为实现上述目的，本专利技术采取以下设计方案：一种电子束悬浮区域熔炼方法，具有上述的电子束悬浮区域熔炉，其熔炼方法的具体步骤如下：a)首先通过上炉室提升机构将上炉室抬高至合理位置并锁定，保证炉膛敞开；b)根据预加工料棒的长度调整上装料机构下端部与下装料机构上端部之间的距离，使其与料棒长度吻合，同时将料棒两端分别用上、下装料机构端部的夹头固定；c)释放上炉室提升机构，降落上炉室并与下炉室密封锁合，完成上料；d)待水冷却系统运行正常，通过人机操作面板启动高真空机组以达到要求的真空度；e)控制高、低压电源系统，开启环形电子枪；f)控制伺服电动缸，调整枪移动机构，使环形电子枪所设位置处于料棒最底端的平面上，按设定的速度向上匀速移动；g)控制伺服电机带动物料旋转机构的旋转速度，匀速旋转料棒，直到满足一次熔炼要求；h)结束熔炼，或转入步骤a进行下一次的熔炼。所述电子束悬浮区域熔炼方法中，还具有下述的特征方法：所述步骤b中，上、下装料机构端部的夹头对正同心采用偏心圆对中找正方法，若上、下装料机构出现偏心状态，通过对偏心法兰的圆周向调整，对其中心位置偏差进行纠正。本专利技术电子束悬浮区域熔炼方法是制备高纯难熔及合金单晶结构材料的典型方法。此法实质是在高真空环境下，原料棒在高能热量的作用下实现狭小区域熔化的效果，熔区内物料则借助于其液态表面张力保持在料棒中间，同时在同一方向沿轴向缓缓移动，在整个复杂的物理化学过程中，气体析出、杂质蒸发并生成单晶，从而达到熔炼效果。电子束悬浮区域熔炼炉为专用制备高纯金属及单晶设备，利用此设备可以在高真空的条件下,将钨、钼、钽、铌、钛、锆、铪等难熔、活性金属等加以提纯并拉制成单晶,还可以将Al2O3、宝石、陶瓷等绝缘材料加温脱气等。该设备通过环形电子枪从阴极发射的电子在电位分布作用下，通过聚集和加速过程将电子束轰击到夹持的原料棒上，在高热能转换作用下使料棒轰击区域升温熔化。本专利技术的优点是：1.电子枪采用环形枪,避免了灯丝与物料的直接面向，可以消除熔化过程中物料产生的飞溅物对灯丝的污染，延长了灯丝的寿命；并同时配备电子枪移动系统，较其他传动方式，具有设计新颖精致、体积小、精度高、完全同步、自锁性能好、卫生等优点；2.本专利技术中还配备物料旋转机构，可以在熔炼时保证物料的均匀熔炼和晶体正常生长；3.由于本专利技术的环形电子枪电子束扫描宽度，较电阻加热区域小的多，熔区与待熔炼区域的温度梯度明显，在电子枪上下移动的过程中，任一熔化区域的熔液形态更易受其表面张力的作用控制，故加热效率高，温度梯度易于控制；4.不用配备坩埚，因而无坩埚污染的问题存在，还有效节省设备的空间和制作成本；附图说明图1为本专利技术电子束悬浮区域熔炉结构示意图(主视图)。图2为本专利技术电子束悬浮区域熔炉结构示意图(侧视图)。图3为本专利技术观察窗结构示意图。图4为本专利技术装料固定装置部分结构示意图。图中：1-上炉室；2-真空观察窗；3-充氩气冷却系统；4-上装料机构；5-料棒；6-环形电子枪；7-下装料机构；8-下炉室；9-物料旋转机构；10-伺服电机；11-伺服电动缸；12-炉体机座；13-枪移动机构；14-上炉室提升机构；15-人机操作面板；16-高真空机组；17-偏心法兰；18-调整固定法兰；201-防护玻璃；202-密封玻璃；203-反射玻璃。下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的说明。具体实施方式参见图1和图2所示，本专利技术电子束悬浮区域熔炉采用立式结构，主要包括有包括炉体机座，上炉室，下炉室，上炉室提升机构，上装料机构，下装料机构，环形电子枪，枪移动机构，物料旋转机构，高真空机组，真空观察窗，人机操控面板，充氩气冷却系统，冷却水系统。其中枪移动机构参用伺服电动缸驱动，物料旋转机构采用伺服电机驱动，在相应的伺服控制器作用下，通过人机操控台的控制实现精确动作，获得完本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电子束悬浮区域熔炉，包括有一炉体及配设的充氩气快冷系统、水冷却系统及高真空机组；其特征在于：所述的炉体由上炉室与下炉室组成；其中，下炉室固定在炉体机座上，上炉室配设有可将其进行提拉及下放的上炉室提升机构，工作状态时，上炉室与下炉室纵向密封对接；在炉体内的工作区域，固定安装有用于固定料棒的装料固定装置；在炉体内设有一环形电子枪，其所设位置可使装料固定装置所夹持的料棒沿其中轴线穿过。

【技术特征摘要】
1.一种电子束悬浮区域熔炉，包括有一炉体及配设的充氩气快冷系统、水冷却系统及高真空机组；其特征在于：所述的炉体由上炉室与下炉室组成；其中，下炉室固定在炉体机座上，上炉室配设有可将其进行提拉及下放的上炉室提升机构，工作状态时，上炉室与下炉室纵向密封对接；在炉体内的工作区域，固定安装有用于固定料棒的装料固定装置；在炉体内设有一环形电子枪，其所设位置可使装料固定装置所夹持的料棒沿其中轴线穿过。2.如权利要求1所述的电子束悬浮区域熔炉，其特征在于：为环形电子枪配设电子枪移动系统，该电子枪移动系统采用伺服电动缸传动并带有水冷系统。3.如权利要求1所述的电子束悬浮区域熔炉，其特征在于：所述装料固定装置包括上装料机构和下装料机构，两者相向的两个头端分别带有用于夹持固定料棒的夹头。4.如权利要求1所述的电子束悬浮区域熔炉，其特征在于：配设一可带动下装料机构旋转的物料旋转机构。5.如权利要求1所述的电子束悬浮区域熔炉，其特征在于：所述的上炉室配有观察窗，该观察窗由外至内依次安设防护玻璃、密封玻璃和一组反射玻璃。6.如权利要求5所述的电子束悬浮区域熔炉，其特征在于：所述一组反射玻璃倾斜设置，且该组的反射玻璃彼此是平行的。7.如权利要求1所述的电子束悬浮区域熔炉，其特征在于：为上、下装料机构配设一对中机构，包括有一偏心法兰和一调整固定法兰，偏心法兰和调整固定法兰呈球面且非同心相对接；上装料机构带有外凸结构以卡座于偏心法兰之上，两者同心...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙照富，郭文亮，魏中青，宁堃，陈俊，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11