EB炉电子束枪的电气控制设备及原理

王志中

摘 要 介绍EB炉钛锭生产配套的电子束枪的电气参数、电气控制设备系统和电子束枪的基本控制原理。

关键词 电子束熔炼炉；电子束枪；原理

中图分类号：TF806 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0056-02

自2010年10月武钢集团昆明钢铁总公司在云南省禄丰县土官镇工业园区建成一座年产4410吨/年规模的钛冶炼及钛合金钛锭生产的EB（Electron Beam）熔炼炉，主体工艺设备是引进美国RETECH公司真空冶炼炉。EB熔炼炉的电子束熔炼过程：EB炉熔炼室端盖上安装的4台电子束枪在高真空的冶炼环境中发的出高速和高频的电子束流在聚焦线圈和偏转线圈的作用下将电子束流准确地轰击到结晶器内的海绵钛原料块及合金物料上，将电子束流的电子动量转化为金属加热的热能。海绵钛经过高温加热熔化形成钛金属熔液，钛熔液经过坩埚的精炼池进行电子束精炼后流入钛锭结晶器，形成钛锭基座。钛锭在拉锭杆的牵引作用下形成完整的钛锭，当锭长达到8.1 m的定尺长度时，整个熔炼工序会停止，冶炼工艺控制将进入钛锭冷却和出锭操作。在熔炼海绵钛及合金原料的工艺过程中，电子束的输出能量控制和角度控制设备是电子束枪电气控制的核心。

1 电子束枪本体的设备组成及功能参数

单台电子束枪一般由以下几部分组成。

1）阴极、阳极装置：阴极装置由一个旋转对称的三电极系统组成。该系统能够发射电子束，并带有一个电子聚集电极。其设备构成包括：实心阴极（用于间接加热）、聚焦电极和阳极。图1中钨丝安装在固体阴极后主要用于加热阴极，阴极加热后产生热电子逸出，电子在强电磁场作用下汇聚并加速运动到

阳极。

图1 电子束枪工作原理示意图

2）透镜和聚焦线圈。两个透镜装置可将电子束聚焦形成电子束流，阴极腔体和中间腔体（阴极和阳极间）有效隔离真空压力，将电子束聚焦，最大程度降低能量损失。

3）电子束偏转系统。偏转系统可根据工艺要求将电子束流方向调整到工艺需要的偏转角度，系统可对电子束进行静态和动态偏转控制。

4）电子束枪防护系统及辅助系统。电子束枪工作在高真空和惰性气体保护的熔炼环境下熔炼钛及钛合金，电子束枪机体冷却采用循环水冷却方式。

2 电子束枪电源及电控设备的组成及输出功率控制原理

电子束枪冶炼的主要方式是：钨丝加热固态阴极后产生热电子逸出，电子在强电磁场作用下汇聚并加速运动到阳极。电子束在加速电压的高压的作用下，形成高频、高速的电子束流动量转化成热能，在坩埚熔池和海绵钛原料表面产生2800℃～3000℃的熔炼高温区域。经过金属蒸发或高压和离子化的等离子的共同作用，完成对钛金属的冶炼。其中对电子束枪的输出功率控制和电子束扫描工艺的控制要求是电子束枪冶炼电气控制的关键技术，电子束枪的电气控制系统通过控制整流输出加速电压、调节实心阴极温度和调节阴极与阳极间距等控制方式控制电子束的输出功率，从而根据工艺要求达到控制冶炼强度和进程的目的。

2.1 电子束枪的供电电源系统及电气成套设备的主要功能

1）电子束枪主要由SCB11-1250kVA变压器（变压器变比10/0.5 kV）作为外部供电设备，变压器低压侧AC.480V电源主要提供给电子束枪整流变压器供电。

2）整流变压器及其输出调控系统。进线柜及整流变压器控制单元电子束枪高压系统包括：进线柜和整流变压器提供每套额定功率800 kW，额定输出电压为：直流55 kV的电子束加速高电压。

3）阴极高压控制单元。设备包括：4台阴极控制柜阴极控制单元的主要功能：可调阴极的驱动通过一个调节电路控制，在功能控制模式下，射束电流相当于调节电路的额定值。可调阴极对阴极与阳极的间距进行连续调整，直到射束电流的实际值达到整定值为止。

4）电子束引导。设备包括1～4#电子束枪电子束导向柜，其功能主要包括：实现对电子束枪工作状态和聚焦位置、电子束扫描区域和电子束入射角度进行实施自动、手动输入整定

控制。

5）电子束枪系统监控及控制系统。设备包括：1～4#电子束枪PLC和DCS控制柜，系统主要功能是：对电子束枪的输出、输入电源和功率的监控，对电子束枪的水冷却系统、真空系统和电气控制区域的过程仪表和电气柜进行联锁控制和现场总线的数据传输。

2.2 电子束枪的输出功率控制及原理分析

电子束枪的工作电源组成及高压直流电源产生原理：

电子束枪工作电源包括：①钨丝加热电源：阴极金属丝经加热电源（工作电压Uf=0～10 V，工作电流If=0～70 A）加热，固态阴极在钨丝加热后能产生热电子逸出。②电子束轰击高压电源。热电子在高压轰击电源（工作电压Us=DC1.4 kV，工作电流Is=0～1.4 A）的作用下，从固态阴极加速向阳极运动，由于聚焦电极的作用电子会聚焦为电子束流。③加速高压电源。电子束流，在加速高压电源（工作电压Ud=DC55 kV，工作电流Id=16 A）的作用下形成高速、高能的电子束流。电子束流通过一次聚焦（电子束传输透镜及聚焦电磁线圈）可改变输出的电子束流的聚焦孔径和能量分布，当电子束通过第2次聚焦后，根据工艺要求需要调节电子束偏转角度。

电子束枪通过调整电子束加速电压（Ub）和电子束轰击电压（Us）达到控制电子束流输出功率的目的，电子束枪工作高压直流电源主要通过调整三相全波整流可控硅导通角α控制直流输出电压。如果要调整整流平均电压值只需要调整可控硅触发控制回路的“导通角a”即可实现对电子束输出功率的实时、连续可调，调节系统引入PID反馈调节可实现输出和输入的反馈调节功能，提高了电子束输出功率控制的自动化水平。

本项目电子束加速电压可达到直流55～60 kV的高压水平，在此电压的作用下，电子束聚焦可获得理想穿透性，高熔速和有效净化材料的有利熔炼条件。endprint

2.3 电子束直径与输出功率的关系

电子束枪能够将输出功率在最低10 kW～800 kW范围内可调，电子束在加速电压作用下将一个旋转对称的电子束发射到一个真空工艺腔内。高压、高速的电子束经过2次聚焦将电子流束聚焦到坩埚中的原料堆上进行原料的熔炼。

2.4 调控实心阴极的温度对电子束枪输出功率的影响

电子束枪阴极控制柜内通过自耦变压器调节加热电压（Uf）加热阴极电热丝调节电子束流的温度，阴极电热丝加热电压在10～108 V范围内可调，根据控制模块输出给定调节阴极电热丝加热温度，实心阴极温度升高后从实心阴极表面射出的电子数将会增加，从而可调节电子束流的输出功率大小。

2.5 可调阴极与阳极的间距对电子束枪输出功率的影响

当加速电压恒定时，可以通过电驱动方式调节阴极和阳极的间距，可将电子束电流的输出发射功率在调整范围10%～20%可调，可调阴极驱动是通过一个可调节电路控制，当操作人员设定好输出功率整定值后，调节射速电流大小，对阴极和阳极间距可实现连续可调，经过PID反馈调节系统将控制电子束输出功率达到设定值为止。

2.6 电子束枪的操作控制系统

电子束枪的主控系统是基于AB PLC，采用分布式I/O和PLC之间的接线是单一的通讯线总线控制。电子束枪的主操作器HMI界面可以和EB炉其他控制工艺系统实现集中联动控制。电子束枪根据工艺要求配置在不同的熔炼坩埚区域上方，完成不同的熔炼工艺要求，即在熔炼室内的海绵钛熔炼区域、精炼区域和铸锭区域内采用不同的输出功率和电子束引导路径控制，完成整个熔炼室内的钛金属熔炼铸锭工艺。

3 电子束枪在钛锭生产总的技术特点

1）设备控制可靠性高、安全性能优越。该设备具有较高的直流电子束加速电压，电子束枪的外部和内部的设备绝缘等级较高，电子束电气控制设备和电源设备都具有安全联锁装置，当电气高压系统和真空系统的设备外壳非正常开启，整个系统将完全停止工作，以防止人员及设备安全事故的发生。

2）设备能够最大程度满足高强度冶炼控制要求。电子束等离子区域形成金属蒸汽和喷溅过程，除去海绵钛中的杂质，电子束枪具有较高的加速电压和可控的电子束聚焦可获得理想穿透特性，为EB炉提高熔速和有效净化钛锭成品提供了重要技术条件。

3）电子束枪工作在高压条件下能够大大降低生产能耗，提高了生产效率。本套电子束枪采用直流55～60 kV的加速电压不仅提高了冶炼时电子束的加热能量，同时也降低了单位产品的设备电气能耗。

4）电子束枪控制自动化水平高，减轻了操作人员的劳动强度。在控制台进行有两台HMI计算机和一台数据输入计算机，电子束枪的扫描区域和能量输出与熔炼炉内的钛锭冶炼建立了一套控制模型，操作控制人员可在输入控制要求后，电子束枪自行控制电子束扫描区域和电子束输出功率的自动调节，操作人员可最大限度的减少人为干预操作，大大降低了冶炼操作人员的劳动强度。

5）电子束枪结构简单利于使用和维护，人员操作简单易学。电子束枪针对人员维护方便的需要，设备采用模块化设计。操作维护人员仅需3～5天的装置培训即可进行实际冶炼操作。

4 结束语

昆钢土官钛锭EB炉配套的电子束枪是一种高可靠性、高效和节能的高技术含量的冶金熔炼设备，该型设备通过3年多的钛锭冶炼生产实践的经验的积累设备使用已达到成熟。该设备的电气控制和成套技术已成为国内同类型金属冶炼炉的标准配置设备，鉴于冶炼技术的不断进步，稀有合金真空冶炼设备的选型和技术完善也将对冶炼设备的电气操控性能提出更高的

要求。

参考文献

[1]ELECTRON BEAM FURNACE MODELEBCHF 3200Operation & Maintenance Manual.

[2]Continuous Wave RF Gun：Computer Simulation，Design and TuningA.Alimov，O.Chubarov，B.Ishkhanov.endprint

2.3 电子束直径与输出功率的关系

电子束枪能够将输出功率在最低10 kW～800 kW范围内可调，电子束在加速电压作用下将一个旋转对称的电子束发射到一个真空工艺腔内。高压、高速的电子束经过2次聚焦将电子流束聚焦到坩埚中的原料堆上进行原料的熔炼。

2.4 调控实心阴极的温度对电子束枪输出功率的影响

电子束枪阴极控制柜内通过自耦变压器调节加热电压（Uf）加热阴极电热丝调节电子束流的温度，阴极电热丝加热电压在10～108 V范围内可调，根据控制模块输出给定调节阴极电热丝加热温度，实心阴极温度升高后从实心阴极表面射出的电子数将会增加，从而可调节电子束流的输出功率大小。

2.5 可调阴极与阳极的间距对电子束枪输出功率的影响

当加速电压恒定时，可以通过电驱动方式调节阴极和阳极的间距，可将电子束电流的输出发射功率在调整范围10%～20%可调，可调阴极驱动是通过一个可调节电路控制，当操作人员设定好输出功率整定值后，调节射速电流大小，对阴极和阳极间距可实现连续可调，经过PID反馈调节系统将控制电子束输出功率达到设定值为止。

2.6 电子束枪的操作控制系统

电子束枪的主控系统是基于AB PLC，采用分布式I/O和PLC之间的接线是单一的通讯线总线控制。电子束枪的主操作器HMI界面可以和EB炉其他控制工艺系统实现集中联动控制。电子束枪根据工艺要求配置在不同的熔炼坩埚区域上方，完成不同的熔炼工艺要求，即在熔炼室内的海绵钛熔炼区域、精炼区域和铸锭区域内采用不同的输出功率和电子束引导路径控制，完成整个熔炼室内的钛金属熔炼铸锭工艺。

3 电子束枪在钛锭生产总的技术特点

1）设备控制可靠性高、安全性能优越。该设备具有较高的直流电子束加速电压，电子束枪的外部和内部的设备绝缘等级较高，电子束电气控制设备和电源设备都具有安全联锁装置，当电气高压系统和真空系统的设备外壳非正常开启，整个系统将完全停止工作，以防止人员及设备安全事故的发生。

2）设备能够最大程度满足高强度冶炼控制要求。电子束等离子区域形成金属蒸汽和喷溅过程，除去海绵钛中的杂质，电子束枪具有较高的加速电压和可控的电子束聚焦可获得理想穿透特性，为EB炉提高熔速和有效净化钛锭成品提供了重要技术条件。

3）电子束枪工作在高压条件下能够大大降低生产能耗，提高了生产效率。本套电子束枪采用直流55～60 kV的加速电压不仅提高了冶炼时电子束的加热能量，同时也降低了单位产品的设备电气能耗。

4）电子束枪控制自动化水平高，减轻了操作人员的劳动强度。在控制台进行有两台HMI计算机和一台数据输入计算机，电子束枪的扫描区域和能量输出与熔炼炉内的钛锭冶炼建立了一套控制模型，操作控制人员可在输入控制要求后，电子束枪自行控制电子束扫描区域和电子束输出功率的自动调节，操作人员可最大限度的减少人为干预操作，大大降低了冶炼操作人员的劳动强度。

5）电子束枪结构简单利于使用和维护，人员操作简单易学。电子束枪针对人员维护方便的需要，设备采用模块化设计。操作维护人员仅需3～5天的装置培训即可进行实际冶炼操作。

4 结束语

昆钢土官钛锭EB炉配套的电子束枪是一种高可靠性、高效和节能的高技术含量的冶金熔炼设备，该型设备通过3年多的钛锭冶炼生产实践的经验的积累设备使用已达到成熟。该设备的电气控制和成套技术已成为国内同类型金属冶炼炉的标准配置设备，鉴于冶炼技术的不断进步，稀有合金真空冶炼设备的选型和技术完善也将对冶炼设备的电气操控性能提出更高的

要求。

参考文献

[1]ELECTRON BEAM FURNACE MODELEBCHF 3200Operation & Maintenance Manual.

[2]Continuous Wave RF Gun：Computer Simulation，Design and TuningA.Alimov，O.Chubarov，B.Ishkhanov.endprint

2.3 电子束直径与输出功率的关系

电子束枪能够将输出功率在最低10 kW～800 kW范围内可调，电子束在加速电压作用下将一个旋转对称的电子束发射到一个真空工艺腔内。高压、高速的电子束经过2次聚焦将电子流束聚焦到坩埚中的原料堆上进行原料的熔炼。

2.4 调控实心阴极的温度对电子束枪输出功率的影响

电子束枪阴极控制柜内通过自耦变压器调节加热电压（Uf）加热阴极电热丝调节电子束流的温度，阴极电热丝加热电压在10～108 V范围内可调，根据控制模块输出给定调节阴极电热丝加热温度，实心阴极温度升高后从实心阴极表面射出的电子数将会增加，从而可调节电子束流的输出功率大小。

2.5 可调阴极与阳极的间距对电子束枪输出功率的影响

当加速电压恒定时，可以通过电驱动方式调节阴极和阳极的间距，可将电子束电流的输出发射功率在调整范围10%～20%可调，可调阴极驱动是通过一个可调节电路控制，当操作人员设定好输出功率整定值后，调节射速电流大小，对阴极和阳极间距可实现连续可调，经过PID反馈调节系统将控制电子束输出功率达到设定值为止。

2.6 电子束枪的操作控制系统

电子束枪的主控系统是基于AB PLC，采用分布式I/O和PLC之间的接线是单一的通讯线总线控制。电子束枪的主操作器HMI界面可以和EB炉其他控制工艺系统实现集中联动控制。电子束枪根据工艺要求配置在不同的熔炼坩埚区域上方，完成不同的熔炼工艺要求，即在熔炼室内的海绵钛熔炼区域、精炼区域和铸锭区域内采用不同的输出功率和电子束引导路径控制，完成整个熔炼室内的钛金属熔炼铸锭工艺。

3 电子束枪在钛锭生产总的技术特点

1）设备控制可靠性高、安全性能优越。该设备具有较高的直流电子束加速电压，电子束枪的外部和内部的设备绝缘等级较高，电子束电气控制设备和电源设备都具有安全联锁装置，当电气高压系统和真空系统的设备外壳非正常开启，整个系统将完全停止工作，以防止人员及设备安全事故的发生。

2）设备能够最大程度满足高强度冶炼控制要求。电子束等离子区域形成金属蒸汽和喷溅过程，除去海绵钛中的杂质，电子束枪具有较高的加速电压和可控的电子束聚焦可获得理想穿透特性，为EB炉提高熔速和有效净化钛锭成品提供了重要技术条件。

3）电子束枪工作在高压条件下能够大大降低生产能耗，提高了生产效率。本套电子束枪采用直流55～60 kV的加速电压不仅提高了冶炼时电子束的加热能量，同时也降低了单位产品的设备电气能耗。

4）电子束枪控制自动化水平高，减轻了操作人员的劳动强度。在控制台进行有两台HMI计算机和一台数据输入计算机，电子束枪的扫描区域和能量输出与熔炼炉内的钛锭冶炼建立了一套控制模型，操作控制人员可在输入控制要求后，电子束枪自行控制电子束扫描区域和电子束输出功率的自动调节，操作人员可最大限度的减少人为干预操作，大大降低了冶炼操作人员的劳动强度。

5）电子束枪结构简单利于使用和维护，人员操作简单易学。电子束枪针对人员维护方便的需要，设备采用模块化设计。操作维护人员仅需3～5天的装置培训即可进行实际冶炼操作。

4 结束语

昆钢土官钛锭EB炉配套的电子束枪是一种高可靠性、高效和节能的高技术含量的冶金熔炼设备，该型设备通过3年多的钛锭冶炼生产实践的经验的积累设备使用已达到成熟。该设备的电气控制和成套技术已成为国内同类型金属冶炼炉的标准配置设备，鉴于冶炼技术的不断进步，稀有合金真空冶炼设备的选型和技术完善也将对冶炼设备的电气操控性能提出更高的

要求。

参考文献

[1]ELECTRON BEAM FURNACE MODELEBCHF 3200Operation & Maintenance Manual.

[2]Continuous Wave RF Gun：Computer Simulation，Design and TuningA.Alimov，O.Chubarov，B.Ishkhanov.endprint