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间热式电子束熔炼炉电源的研究和设计
间热式电子束熔炼炉电源的研究和设计 1.1引言 电子束溶炼技术(EBM)是冶金溶炼技术领域里的一个重要分支技术,在尖 端金属冶炼领域中占有着重要地位,同时也是未来冶炼领域里的一个重要组成部 分。从本质上来讲,电子束的冶炼就是在真空环境较高的条件下,先通过加热的手 段使负载电阻丝产生电子,然后通过一定的高压使电子进行高速运动,最后将高速 运动的电子束流的动能转化为热能从而冶炼金属的一种溶炼方法。它主要针对于 难溶金属进行冶炼,比如鹤、钽、银、银、铪、铬、银、错和钛等溶点较高,轻易 难以融化的金属。在难溶金属的冶炼领域里面,钛合金是其中一种使用开发程度 较高的金属。金属钛是自上世纪中叶被人们逐步发现并加以利用的一种金属,相 比于其他难溶金属而言,金属钛的强度很高,且不容易被腐烛,在温度较高的条件 下依然能保持自己本身的特性,所以钛合金在高温、恶劣、特殊的环境下被广泛 使用;如航空航天领域、军工化工制造领域、汽车医疗领域等。在钛合金的优质 特性逐渐被人们发现之后,慢慢被人们所熟知,许多国家开始着手于钛合金的冶炼 与开发。到了上个世纪五六十年代,钛合金在航空航天飞行器的发动机的使用上 发挥了重要的作用。到了上个世纪80年代以后,钛合金的应用得到了进一步的发 展,得益于军工领域的进步,钛合金在火箭、导弹等装备设施上得到了更多的应用 [2]。正由于以钛合金为代表的难溶金属在工业以及民用发展的进程中得到了广 泛的应用,为电子束焰炼技术的发展提供了重要的基础[3]。1.2课题背景及意义 电子束溶炼炉电源的发展趋势是大功率、高频化、小型化。目前国内的开 发应用水平与国外发达国家的先进水平仍有很非常明显的差距;其中美国ATI公 司已经成功生产出由8支电子枪同时工作,总功率达到5.6MW的溶炼炉,冶炼功率 等级为世界最大;德国溶炼炉产业以ALD公司为主要代表,公司成功生产出单台功 率为600kW的电子枪,4台电子枪同时运转功率能够达到2000kW。在我国,北京有 色金属研究院开发出4台电子枪同时工作可提供2.4MW的大型高效电子束冷床炉。
但是目前世界各大公司生产的电子束溶炼炉电源主要还是釆用传统的工频升压 方式,高频电源的开发仍是未来电子束溶炼炉的发展的难点和热点。
1.2.1电子束溶炼炉的发展历史 电子束的概念第一次出现在人们的视野中是在上个世纪的80年代,美国的Temescal冶金公司在1957年首度使用电子束进行了对金属钛等难溶金属的冶炼, 此时才正式开启了商业方面对电子束溶炼的运用的时代。而到了 20世纪60年代, 横向电子枪技术相对成熟起来,能够投入使用,并且己经能够对直径达到80的组锭 和鹤锭进行冶炼。到了上世纪80年代中期,过去的横向电子枪己经完全被现在新 式的轴向电子枪所取代,现在电子束溶炼炉的溶炼能力得到了质的飞越。在90年 代后期美国提出了冶炼的新思路,将需要溶炼的金属放置在溶炼的容器内进行冶 炼的同时,另一个溶炼装置同时进行准备,这样的搭配使溶炼的效率和能力都已经 大幅提高[9]。
1.2.2电子束溶炼炉的工作原理 电子束溶炼是利用大功率电子束流,通过控制电子束流的功率,束流的大小, 进行难溶金属的溶化与冶炼,通过凝固结晶后将杂质去掉,提纯、结晶的一种冶炼 方法[4]。电子束熔炼炉的主要结构包括三个部分组成:(1)电子枪。(2)电源系统(3) 电子束控制系统。电子枪是用于发射电子束的设备,电源系统分别由灯丝电源、 轰击电源、加速电源三部分组成,用于电子枪不同部分的供电使用。电子束控制 系统负责完成对电子束的聚焦和偏转。电子束以极快的速度发射到金属表面,将 动能转化为热能并将金属溶化达到溶炼的目的。
如图1.1所示为电子束溶炼炉电子枪结构示意图,它的基本工作过程如下所 述 3)灯丝电源通过输出稳定的电流对灯丝进行加热,灯丝通入电流后产生高 温并在其周围溢出少量电子;
4)轰击电源将灯丝周围产生的电子轰击到阴极板上;
5)阴极板受到高速电子的轰击,温度急剧升高 6)在阴极板与馆炼金属之间加入高压加速电源,使电子形成电子束,溶化金 属,达到冶炼、提纯的目的。
2灯丝电源系统结构设计及控制策略 灯丝电源是电子束溶炼炉电源系统的重要组成部分。灯丝电源系统主要功 能是对灯丝负载两端进行加热,负载在通过较大的电流之后温度升高发射出大量 电子,然后供给后级电源继续进行处理。在已经成熟的电子束系统中最常用的办法是通过闭环的调节和控制使电流最终达到一个稳定的状态,从而让灯丝电流达 到稳定的电流输出,能够使溢出电子的数量达到一个稳定的平衡,如果灯丝的电流 能够稳定,最终会促使怀炼炉电子束流也随之稳定。在电子束溶炼的过程中,灯丝 电流的大小与稳定程度直接影响电子束流的大小,从而成为影响溶炼功率的重要 因素。
2.1电子束溶炼炉灯丝电源的结构 电子束溶炼炉灯丝电源系统的结构主要包括: 1)不控整流部分 2)Buck变换器 3)全桥逆变部43分 4)降压隔离变压器 5)采样电路、控制电路与过流保护电路 2.2灯丝电源的工作原理 灯丝电源的作用在于使灯丝通过电流而溢出电子,然后提供给后级电路,灯 丝电流的大小以及其稳定程度最终影响溶炼炉电子束流的大小。而电子束流的大 小与稳定程度直接决定了溶炼过程中的金属产量和质量。本课题所设计的电子束 溶炼炉灯丝电源为一个高频交流电源,输出电流范围为交流0-20A可调,输出电压 稳定在交流0~10V。
2.2.1主电路基本原理 电子束溶炼炉灯丝电源的拓扑结构如图2.1所示。电源主回路的部分主要 由下面几个单元构成:不控整流部分;Buck变换器部分;全桥逆变部分;高频降压变 压器部分。在电子束恪炼炉中灯丝电源与轰击电源以及加速电源部分串联组成, 所以输出端必须有变压器对其进行隔离,可起到保护低压控制回路的功能。单相 工频220V交流输入电源经过不控整流滤波后,得到280V左右的直流电压,直流电 压经过Buck变换器的电压调整将Buck变换器电压输出控制在180V;所得到的直 流电压经过全桥逆变器后逆变为高频的交流方波,最后经过降压隔离变压器可得 到10A的交流电流。2.2.2Buck变换器的工作模式 Buck变换器共分为两种完全不同的工作状态;分别是电感电流连续模式, 即CCM (输出滤波电感上的电流值总是大于零)模式;与电感电流断续模式,即 DCM (开关管关断后有一段时间滤波电感上的电流等于零)模式两种模式。在大 功率电路应用场合多采用CCM模式,通过串接较大的电感使负载电流连续且纹波 较小,同时灯丝电源的核心要求是使输出电流稳定,所以本设计釆取CCM模式。
Buck变换器后级采用全桥逆变方式,将高频的直流电压逆变为高频的方波电压,从 而通给隔离变压器,通过控制变压器的变比,可调整需要的灯丝电流。
在Buck变换器输出直流电压后,将直流电压通给全桥逆变电路,其中全桥变 换器主要的作用是将直流电源逆变为交流方波。全桥电路开关频率设定为15kHz, 占空比为最大值并保持不变,死区时间设定为16.7us,这样可以保证将Buck电路所 产生的能量最大程度地传输到后级。逆变电路后级接入隔离变压器,变压器的变 比设计为18:1,从而使变压器输出电压额定值降低为10V左右,根据功率守恒的原 则,输出电流有效值可以达到20A左右。最终将输出端接入灯丝负载,从而完成灯 丝电流的作用,为电子束恪炼炉加热产生所要的电子数量。
