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电子轰击炉（电子轰击炉）

次浏览 | 更新时间：2023-05-20

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电子轰击炉

电子轰击炉，利用加速的电子流轰击物料，使物料加热的一种电炉，加热温度可达约3500℃，具有调节控制方便，已广泛用于金属提纯，单晶硅的生长，特种材料的熔炼和高温X射线衍射仪的加热装置等。

基本信息

外文名	electronic impact furnace
应用	金属提纯

设备介绍

用高速电子轰击物料使之加热熔化的电炉。在真空炉壳内，由阴极电子枪发射电子，电子束受加速阳极的高压电场的作用加速，轰击位于阳极的金属物料，使之发热熔化，滴入水冷铜结晶器中凝固成锭。整个密闭炉体由电子发射系统、真空系统以及金属熔炼系统构成。由于电子束可经电磁聚焦装置高度密集，所以可在物料受轰击的部位产生很高的温度。电子束炉适合于熔炼高熔点、高纯度的金属，如W、Mo、Ta、Nb等。

结构与原理

电子轰击炉是利用高速运动电子的能量来加热材料，又称为电子轰击加热器。其原理类似于一个二极管，通过热电发射的方式获得初速度的电子，在2 kV以上的高电压降作用下向试样加速，并用电磁方法或静电透镜使电子束朝着试样聚焦。使被加热区的温度≥3500℃。用电子轰击加热需要在发射器和试样之间产生受控制的电流。这只有在真空中才能够实现（实际中，这一过程只有存绝对压强<10 mmHg时才可行）。

某电子轰击加热器的工作原理如图1所示，其中低电压加热发射器一般用钨丝构成，其上施加负电位。与加热发射器相比，试样处于正电位（通常接地），因此电子向着试样表面加速，并将电子动能转变为热能来加热试样，该装置比较适用于加热面积较大的试样；图1（b）所示的是该装置的改进型，它是用一个金属屏（聚束极）环绕在加热发射器灯丝的周围来控制加热面积，而且金属屏与灯丝保持等电位。这样，一束定向的电子流就可以穿过聚束极上的孔洞而冲向试样；更为先进且应用较广的电子源设备如图1（c）所示：电子从与图1（b）相同的装置中发射出来后向阳极（通常接地）加速，这些电子通过阳极的孔洞后形成电子柬，并用电磁方法或静电透镜来聚焦，也可以用电磁场或静电场来控制电子束的偏转。灯丝、聚束极与阳极的大小、形状及位置都很重要，例如，只需调节通过聚焦线圈的电流，电子束的加热面积就能改变至100倍以上。因此，即便是使用同一装置，也可以有效地加热1～100 mm （甚至更大）的面积。调节偏转线圈中的电流也能够改变电子束的方向，从而精确地选择被加热区域。电子束功率可以通过改变加速的电压或通过改变阴极发射的方法来调节。

图1 电子轰击加热原理

特点

电子轰击炉特点是：

①可以达到很高的功率密度，最大可达10 W/cm ，用于熔炼高熔点材料，工件自身淬火金属热处理及进行快速表面硬化；

②控制方便、精度高，只要调节一下通过聚焦线圈的电流，电子束的加热面积就能改变至100倍以上，电子束的功率密度、方向、轰击时间等都可以精确凋节和控制，可用于选择性硬化处理；

③电子轰击加热．需要在发射器和待加热物之问产生受控制的电流，这只有在真空中才能做到；

④炉料在真空室内进行加热或熔化，除气好、无耐火材料污染，熔炼的材料纯度高；

⑤工作时产生X射线，需采取防护措施；

⑥没备和技术比较复杂。

应用情况

电子轰击炉是利用被电场加速后高速运动的电子轰击炉料时所产生的热能来加热或熔炼炉料的一种电炉。电子束轰击加热已广泛地应用于很多领域。电子束轰击加热器，已经用来加热高温X光粉末照相机巾的试样，用电子束加热浮区熔化法制备高熔点金属单品（如超纯钨单品的纯度达99.9975%），用电子束加热的硅单品炉和电子束熔炼炉等。另外，电子束还用于焊接、蒸发镀膜、热处理等许多方面。

电子轰击炉主耍刚来熔炼钨、铝、铌、钽、钛、锆及其合金，生产优质合金钢和超纯铁素体不锈钢，制取半导体材料和高温合金的单品等。常采用活底水冷铜结晶器制取金属锭，锭室可以整体置换。

自动化

电子轰击炉主要是作为冶炼和制造高熔点活泼金属（如钼、铌、钛、钽等）和含有这类元素的难熔合金之用。.这种真空冶金法是将金属在高真空即低于10 Pa的条件下熔化和精炼。

以加热的螺线阴极或板阴极作为自由电子源，并以此作为热电子发射。在高真空中，阴极被加热，并接通高压直流电而使电子发射，在加速阳极作用下，电子被加速，高速电子轰击自耗电极（或熔池，取决于电子枪对准地点），产生大量热能，将自耗电极熔化（或加热熔池）并保持液态熔池，进行精炼。

电子轰击炉熔炼过程是：电极和结晶器准备，抽真空，轰击种熔，锭子处理。电子轰击炉大部分仍然主要用在研究院所、高校或试验工厂，但正逐渐用作生产设备，其容量正逐渐增大。

电子轰击炉的自动化主要集中在：

（1）数据采集、监测、整理、显示与记录。包括灯丝电流（使螺线阴极或板阴极发射电子）、施加的高压、冶炼时间和真空度等工艺参数。

（2）发射电子控制。包括灯丝加热电流控制和控制栅电压控制。

（3）施加的高压的电压值控制。

（4）限流与安全保护。这是最关键的，因为冶炼时自耗电极或熔池会逸出气体，导致短路而跳闸，无法进行冶炼，闭环自动控制系统如改变控制栅电压以控制电子流或控制灯丝电流都因快速性不足而不能解决跳闸问题。最有效的方法是在主回路串入饱和电抗器的开环自动控制方式，利用饱和电抗器的特性，即一定控制电流下有一定最大输出电流，逸出气体导致短路，但电流受限而不会过大而跳闸，这就使冶炼得以继续进行。

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