EB爐電子束槍的電氣控制設備及原理

王志中

摘 要 介紹EB爐鈦錠生產配套的電子束槍的電氣參數、電氣控制設備系統和電子束槍的基本控制原理。

關鍵詞 電子束熔煉爐；電子束槍；原理

中圖分類號：TF806 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0056-02

自2010年10月武鋼集團昆明鋼鐵總公司在云南省祿豐縣土官鎮工業園區建成一座年產4410噸/年規模的鈦冶煉及鈦合金鈦錠生產的EB（Electron Beam）熔煉爐，主體工藝設備是引進美國RETECH公司真空冶煉爐。EB熔煉爐的電子束熔煉過程：EB爐熔煉室端蓋上安裝的4臺電子束槍在高真空的冶煉環境中發的出高速和高頻的電子束流在聚焦線圈和偏轉線圈的作用下將電子束流準確地轟擊到結晶器內的海綿鈦原料塊及合金物料上，將電子束流的電子動量轉化為金屬加熱的熱能。海綿鈦經過高溫加熱熔化形成鈦金屬熔液，鈦熔液經過坩堝的精煉池進行電子束精煉后流入鈦錠結晶器，形成鈦錠基座。鈦錠在拉錠桿的牽引作用下形成完整的鈦錠，當錠長達到8.1 m的定尺長度時，整個熔煉工序會停止，冶煉工藝控制將進入鈦錠冷卻和出錠操作。在熔煉海綿鈦及合金原料的工藝過程中，電子束的輸出能量控制和角度控制設備是電子束槍電氣控制的核心。

1 電子束槍本體的設備組成及功能參數

單臺電子束槍一般由以下幾部分組成。

1）陰極、陽極裝置：陰極裝置由一個旋轉對稱的三電極系統組成。該系統能夠發射電子束，并帶有一個電子聚集電極。其設備構成包括：實心陰極（用于間接加熱）、聚焦電極和陽極。圖1中鎢絲安裝在固體陰極后主要用于加熱陰極，陰極加熱后產生熱電子逸出，電子在強電磁場作用下匯聚并加速運動到

陽極。

圖1 電子束槍工作原理示意圖

2）透鏡和聚焦線圈。兩個透鏡裝置可將電子束聚焦形成電子束流，陰極腔體和中間腔體（陰極和陽極間）有效隔離真空壓力，將電子束聚焦，最大程度降低能量損失。

3）電子束偏轉系統。偏轉系統可根據工藝要求將電子束流方向調整到工藝需要的偏轉角度，系統可對電子束進行靜態和動態偏轉控制。

4）電子束槍防護系統及輔助系統。電子束槍工作在高真空和惰性氣體保護的熔煉環境下熔煉鈦及鈦合金，電子束槍機體冷卻采用循環水冷卻方式。

2 電子束槍電源及電控設備的組成及輸出功率控制原理

電子束槍冶煉的主要方式是：鎢絲加熱固態陰極后產生熱電子逸出，電子在強電磁場作用下匯聚并加速運動到陽極。電子束在加速電壓的高壓的作用下，形成高頻、高速的電子束流動量轉化成熱能，在坩堝熔池和海綿鈦原料表面產生2800℃～3000℃的熔煉高溫區域。經過金屬蒸發或高壓和離子化的等離子的共同作用，完成對鈦金屬的冶煉。其中對電子束槍的輸出功率控制和電子束掃描工藝的控制要求是電子束槍冶煉電氣控制的關鍵技術，電子束槍的電氣控制系統通過控制整流輸出加速電壓、調節實心陰極溫度和調節陰極與陽極間距等控制方式控制電子束的輸出功率，從而根據工藝要求達到控制冶煉強度和進程的目的。

2.1 電子束槍的供電電源系統及電氣成套設備的主要功能

1）電子束槍主要由SCB11-1250kVA變壓器（變壓器變比10/0.5 kV）作為外部供電設備，變壓器低壓側AC.480V電源主要提供給電子束槍整流變壓器供電。

2）整流變壓器及其輸出調控系統。進線柜及整流變壓器控制單元電子束槍高壓系統包括：進線柜和整流變壓器提供每套額定功率800 kW，額定輸出電壓為：直流55 kV的電子束加速高電壓。

3）陰極高壓控制單元。設備包括：4臺陰極控制柜陰極控制單元的主要功能：可調陰極的驅動通過一個調節電路控制，在功能控制模式下，射束電流相當于調節電路的額定值。可調陰極對陰極與陽極的間距進行連續調整，直到射束電流的實際值達到整定值為止。

4）電子束引導。設備包括1～4#電子束槍電子束導向柜，其功能主要包括：實現對電子束槍工作狀態和聚焦位置、電子束掃描區域和電子束入射角度進行實施自動、手動輸入整定

控制。

5）電子束槍系統監控及控制系統。設備包括：1～4#電子束槍PLC和DCS控制柜，系統主要功能是：對電子束槍的輸出、輸入電源和功率的監控，對電子束槍的水冷卻系統、真空系統和電氣控制區域的過程儀表和電氣柜進行聯鎖控制和現場總線的數據傳輸。

2.2 電子束槍的輸出功率控制及原理分析

電子束槍的工作電源組成及高壓直流電源產生原理：

電子束槍工作電源包括：①鎢絲加熱電源：陰極金屬絲經加熱電源（工作電壓Uf=0～10 V，工作電流If=0～70 A）加熱，固態陰極在鎢絲加熱后能產生熱電子逸出。②電子束轟擊高壓電源。熱電子在高壓轟擊電源（工作電壓Us=DC1.4 kV，工作電流Is=0～1.4 A）的作用下，從固態陰極加速向陽極運動，由于聚焦電極的作用電子會聚焦為電子束流。③加速高壓電源。電子束流，在加速高壓電源（工作電壓Ud=DC55 kV，工作電流Id=16 A）的作用下形成高速、高能的電子束流。電子束流通過一次聚焦（電子束傳輸透鏡及聚焦電磁線圈）可改變輸出的電子束流的聚焦孔徑和能量分布，當電子束通過第2次聚焦后，根據工藝要求需要調節電子束偏轉角度。

電子束槍通過調整電子束加速電壓（Ub）和電子束轟擊電壓（Us）達到控制電子束流輸出功率的目的，電子束槍工作高壓直流電源主要通過調整三相全波整流可控硅導通角α控制直流輸出電壓。如果要調整整流平均電壓值只需要調整可控硅觸發控制回路的“導通角a”即可實現對電子束輸出功率的實時、連續可調，調節系統引入PID反饋調節可實現輸出和輸入的反饋調節功能，提高了電子束輸出功率控制的自動化水平。

本項目電子束加速電壓可達到直流55～60 kV的高壓水平，在此電壓的作用下，電子束聚焦可獲得理想穿透性，高熔速和有效凈化材料的有利熔煉條件。endprint

2.3 電子束直徑與輸出功率的關系

電子束槍能夠將輸出功率在最低10 kW～800 kW范圍內可調，電子束在加速電壓作用下將一個旋轉對稱的電子束發射到一個真空工藝腔內。高壓、高速的電子束經過2次聚焦將電子流束聚焦到坩堝中的原料堆上進行原料的熔煉。

2.4 調控實心陰極的溫度對電子束槍輸出功率的影響

電子束槍陰極控制柜內通過自耦變壓器調節加熱電壓（Uf）加熱陰極電熱絲調節電子束流的溫度，陰極電熱絲加熱電壓在10～108 V范圍內可調，根據控制模塊輸出給定調節陰極電熱絲加熱溫度，實心陰極溫度升高后從實心陰極表面射出的電子數將會增加，從而可調節電子束流的輸出功率大小。

2.5 可調陰極與陽極的間距對電子束槍輸出功率的影響

當加速電壓恒定時，可以通過電驅動方式調節陰極和陽極的間距，可將電子束電流的輸出發射功率在調整范圍10%～20%可調，可調陰極驅動是通過一個可調節電路控制，當操作人員設定好輸出功率整定值后，調節射速電流大小，對陰極和陽極間距可實現連續可調，經過PID反饋調節系統將控制電子束輸出功率達到設定值為止。

2.6 電子束槍的操作控制系統

電子束槍的主控系統是基于AB PLC，采用分布式I/O和PLC之間的接線是單一的通訊線總線控制。電子束槍的主操作器HMI界面可以和EB爐其他控制工藝系統實現集中聯動控制。電子束槍根據工藝要求配置在不同的熔煉坩堝區域上方，完成不同的熔煉工藝要求，即在熔煉室內的海綿鈦熔煉區域、精煉區域和鑄錠區域內采用不同的輸出功率和電子束引導路徑控制，完成整個熔煉室內的鈦金屬熔煉鑄錠工藝。

3 電子束槍在鈦錠生產總的技術特點

1）設備控制可靠性高、安全性能優越。該設備具有較高的直流電子束加速電壓，電子束槍的外部和內部的設備絕緣等級較高，電子束電氣控制設備和電源設備都具有安全聯鎖裝置，當電氣高壓系統和真空系統的設備外殼非正常開啟，整個系統將完全停止工作，以防止人員及設備安全事故的發生。

2）設備能夠最大程度滿足高強度冶煉控制要求。電子束等離子區域形成金屬蒸汽和噴濺過程，除去海綿鈦中的雜質，電子束槍具有較高的加速電壓和可控的電子束聚焦可獲得理想穿透特性，為EB爐提高熔速和有效凈化鈦錠成品提供了重要技術條件。

3）電子束槍工作在高壓條件下能夠大大降低生產能耗，提高了生產效率。本套電子束槍采用直流55～60 kV的加速電壓不僅提高了冶煉時電子束的加熱能量，同時也降低了單位產品的設備電氣能耗。

4）電子束槍控制自動化水平高，減輕了操作人員的勞動強度。在控制臺進行有兩臺HMI計算機和一臺數據輸入計算機，電子束槍的掃描區域和能量輸出與熔煉爐內的鈦錠冶煉建立了一套控制模型，操作控制人員可在輸入控制要求后，電子束槍自行控制電子束掃描區域和電子束輸出功率的自動調節，操作人員可最大限度的減少人為干預操作，大大降低了冶煉操作人員的勞動強度。

5）電子束槍結構簡單利于使用和維護，人員操作簡單易學。電子束槍針對人員維護方便的需要，設備采用模塊化設計。操作維護人員僅需3～5天的裝置培訓即可進行實際冶煉操作。

4 結束語

昆鋼土官鈦錠EB爐配套的電子束槍是一種高可靠性、高效和節能的高技術含量的冶金熔煉設備，該型設備通過3年多的鈦錠冶煉生產實踐的經驗的積累設備使用已達到成熟。該設備的電氣控制和成套技術已成為國內同類型金屬冶煉爐的標準配置設備，鑒于冶煉技術的不斷進步，稀有合金真空冶煉設備的選型和技術完善也將對冶煉設備的電氣操控性能提出更高的

要求。

參考文獻

[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 電子束直徑與輸出功率的關系

電子束槍能夠將輸出功率在最低10 kW～800 kW范圍內可調，電子束在加速電壓作用下將一個旋轉對稱的電子束發射到一個真空工藝腔內。高壓、高速的電子束經過2次聚焦將電子流束聚焦到坩堝中的原料堆上進行原料的熔煉。

2.4 調控實心陰極的溫度對電子束槍輸出功率的影響

電子束槍陰極控制柜內通過自耦變壓器調節加熱電壓（Uf）加熱陰極電熱絲調節電子束流的溫度，陰極電熱絲加熱電壓在10～108 V范圍內可調，根據控制模塊輸出給定調節陰極電熱絲加熱溫度，實心陰極溫度升高后從實心陰極表面射出的電子數將會增加，從而可調節電子束流的輸出功率大小。

2.5 可調陰極與陽極的間距對電子束槍輸出功率的影響

當加速電壓恒定時，可以通過電驅動方式調節陰極和陽極的間距，可將電子束電流的輸出發射功率在調整范圍10%～20%可調，可調陰極驅動是通過一個可調節電路控制，當操作人員設定好輸出功率整定值后，調節射速電流大小，對陰極和陽極間距可實現連續可調，經過PID反饋調節系統將控制電子束輸出功率達到設定值為止。

2.6 電子束槍的操作控制系統

電子束槍的主控系統是基于AB PLC，采用分布式I/O和PLC之間的接線是單一的通訊線總線控制。電子束槍的主操作器HMI界面可以和EB爐其他控制工藝系統實現集中聯動控制。電子束槍根據工藝要求配置在不同的熔煉坩堝區域上方，完成不同的熔煉工藝要求，即在熔煉室內的海綿鈦熔煉區域、精煉區域和鑄錠區域內采用不同的輸出功率和電子束引導路徑控制，完成整個熔煉室內的鈦金屬熔煉鑄錠工藝。

3 電子束槍在鈦錠生產總的技術特點

1）設備控制可靠性高、安全性能優越。該設備具有較高的直流電子束加速電壓，電子束槍的外部和內部的設備絕緣等級較高，電子束電氣控制設備和電源設備都具有安全聯鎖裝置，當電氣高壓系統和真空系統的設備外殼非正常開啟，整個系統將完全停止工作，以防止人員及設備安全事故的發生。

2）設備能夠最大程度滿足高強度冶煉控制要求。電子束等離子區域形成金屬蒸汽和噴濺過程，除去海綿鈦中的雜質，電子束槍具有較高的加速電壓和可控的電子束聚焦可獲得理想穿透特性，為EB爐提高熔速和有效凈化鈦錠成品提供了重要技術條件。

3）電子束槍工作在高壓條件下能夠大大降低生產能耗，提高了生產效率。本套電子束槍采用直流55～60 kV的加速電壓不僅提高了冶煉時電子束的加熱能量，同時也降低了單位產品的設備電氣能耗。

4）電子束槍控制自動化水平高，減輕了操作人員的勞動強度。在控制臺進行有兩臺HMI計算機和一臺數據輸入計算機，電子束槍的掃描區域和能量輸出與熔煉爐內的鈦錠冶煉建立了一套控制模型，操作控制人員可在輸入控制要求后，電子束槍自行控制電子束掃描區域和電子束輸出功率的自動調節，操作人員可最大限度的減少人為干預操作，大大降低了冶煉操作人員的勞動強度。

5）電子束槍結構簡單利于使用和維護，人員操作簡單易學。電子束槍針對人員維護方便的需要，設備采用模塊化設計。操作維護人員僅需3～5天的裝置培訓即可進行實際冶煉操作。

4 結束語

昆鋼土官鈦錠EB爐配套的電子束槍是一種高可靠性、高效和節能的高技術含量的冶金熔煉設備，該型設備通過3年多的鈦錠冶煉生產實踐的經驗的積累設備使用已達到成熟。該設備的電氣控制和成套技術已成為國內同類型金屬冶煉爐的標準配置設備，鑒于冶煉技術的不斷進步，稀有合金真空冶煉設備的選型和技術完善也將對冶煉設備的電氣操控性能提出更高的

要求。

參考文獻

[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 電子束直徑與輸出功率的關系

電子束槍能夠將輸出功率在最低10 kW～800 kW范圍內可調，電子束在加速電壓作用下將一個旋轉對稱的電子束發射到一個真空工藝腔內。高壓、高速的電子束經過2次聚焦將電子流束聚焦到坩堝中的原料堆上進行原料的熔煉。

2.4 調控實心陰極的溫度對電子束槍輸出功率的影響

電子束槍陰極控制柜內通過自耦變壓器調節加熱電壓（Uf）加熱陰極電熱絲調節電子束流的溫度，陰極電熱絲加熱電壓在10～108 V范圍內可調，根據控制模塊輸出給定調節陰極電熱絲加熱溫度，實心陰極溫度升高后從實心陰極表面射出的電子數將會增加，從而可調節電子束流的輸出功率大小。

2.5 可調陰極與陽極的間距對電子束槍輸出功率的影響

當加速電壓恒定時，可以通過電驅動方式調節陰極和陽極的間距，可將電子束電流的輸出發射功率在調整范圍10%～20%可調，可調陰極驅動是通過一個可調節電路控制，當操作人員設定好輸出功率整定值后，調節射速電流大小，對陰極和陽極間距可實現連續可調，經過PID反饋調節系統將控制電子束輸出功率達到設定值為止。

2.6 電子束槍的操作控制系統

電子束槍的主控系統是基于AB PLC，采用分布式I/O和PLC之間的接線是單一的通訊線總線控制。電子束槍的主操作器HMI界面可以和EB爐其他控制工藝系統實現集中聯動控制。電子束槍根據工藝要求配置在不同的熔煉坩堝區域上方，完成不同的熔煉工藝要求，即在熔煉室內的海綿鈦熔煉區域、精煉區域和鑄錠區域內采用不同的輸出功率和電子束引導路徑控制，完成整個熔煉室內的鈦金屬熔煉鑄錠工藝。

3 電子束槍在鈦錠生產總的技術特點

1）設備控制可靠性高、安全性能優越。該設備具有較高的直流電子束加速電壓，電子束槍的外部和內部的設備絕緣等級較高，電子束電氣控制設備和電源設備都具有安全聯鎖裝置，當電氣高壓系統和真空系統的設備外殼非正常開啟，整個系統將完全停止工作，以防止人員及設備安全事故的發生。

2）設備能夠最大程度滿足高強度冶煉控制要求。電子束等離子區域形成金屬蒸汽和噴濺過程，除去海綿鈦中的雜質，電子束槍具有較高的加速電壓和可控的電子束聚焦可獲得理想穿透特性，為EB爐提高熔速和有效凈化鈦錠成品提供了重要技術條件。

3）電子束槍工作在高壓條件下能夠大大降低生產能耗，提高了生產效率。本套電子束槍采用直流55～60 kV的加速電壓不僅提高了冶煉時電子束的加熱能量，同時也降低了單位產品的設備電氣能耗。

4）電子束槍控制自動化水平高，減輕了操作人員的勞動強度。在控制臺進行有兩臺HMI計算機和一臺數據輸入計算機，電子束槍的掃描區域和能量輸出與熔煉爐內的鈦錠冶煉建立了一套控制模型，操作控制人員可在輸入控制要求后，電子束槍自行控制電子束掃描區域和電子束輸出功率的自動調節，操作人員可最大限度的減少人為干預操作，大大降低了冶煉操作人員的勞動強度。

5）電子束槍結構簡單利于使用和維護，人員操作簡單易學。電子束槍針對人員維護方便的需要，設備采用模塊化設計。操作維護人員僅需3～5天的裝置培訓即可進行實際冶煉操作。

4 結束語

昆鋼土官鈦錠EB爐配套的電子束槍是一種高可靠性、高效和節能的高技術含量的冶金熔煉設備，該型設備通過3年多的鈦錠冶煉生產實踐的經驗的積累設備使用已達到成熟。該設備的電氣控制和成套技術已成為國內同類型金屬冶煉爐的標準配置設備，鑒于冶煉技術的不斷進步，稀有合金真空冶煉設備的選型和技術完善也將對冶煉設備的電氣操控性能提出更高的

要求。

參考文獻

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

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