electron beam heating
简介
真空条件下利用电子束轰击物料产生的热能进行的电加热。电子束的加热原理如图所示，阴极接负的高电位，阳极接地，聚束极通常与阴极同电位或更低，阴、阳极间形成加速电场。被灯丝加热到一定温度的阴极所发射的电子在加速电场的作用下形成电子束并被加速到很高的速度(例如，电压为25 kV时，电子速度达9.4×104 km/s)。电子束通过阳极孔后进入等电位空间，
由于电子之间相互排斥， 电子束会逐渐发散。电磁透镜用来对电子进行聚焦，使之保持一定形状。电磁偏转器和扫描器用来按加热要求改变电子束的方向。电子束轰击被加热物料时， 其绝大部分动能转变成热能使物料加热， 有一小部分转变成X射线。
电子束加热的特点是： ①加热功率可以集中在很小的面积上; ②功率密度可高达106～109W/cm2;③电子束的参数和位置可精确调节;④在真空中进行，物料受空气污染少，真空冶金效果好;⑤设备较复杂，一次性投资较大;⑥会产生X射线，须加防护。
设备 电子束加热设备通常由电子枪、工作室、真空系统、高压电源、测量控制系统和物料输送系统等组成。先进的电子束加热设备普遍采用计算机程序控制。
电子枪 用来产生电子束的器件。电子枪有轴向、环形、横向等几种，以轴向枪用得最多。轴向枪又分为间热式和直热式两种。间热式电子枪的阴极用钨或钽制成，由灯丝发射的电子达到发射电子的温度(钨阴极为2750～2850 K， 钽阴极为2400～2550 K)。间热式电子枪的优点是发射面积大、束电流大、阴极使用寿命长(可达100～150 h)，适合于大功率(可到数百千瓦至上千千瓦)使用;缺点是结构较复杂，灯丝与阴极间另要一套直流电源。直热式电子枪的阴极通常是绕成螺旋状的钨丝，通电加热后自身发射电子束。优点是结构简单;缺点是发射稳定性差，功率小(一般不超过60kW)。环形枪的阴极呈环状，靠近被加热物料，工作时易被沾污、寿命短(有的只有几小时)。横向枪的阴极位于被加热物料的侧面，由横向磁场将电子束偏转到被加热物料上，阴极寿命约可达50 h。这两种枪只在特殊情况下使用。
电子束加热原理图
工作室 通常是用不锈钢制成的真空容器，外周必要时用水套或水管冷却，内部有工作台或坩埚、物料支承、输送机构等;外壳壁上有连接电子枪、真空机组、测温装置等的连接管。
真空系统 由机械泵、增压泵和扩散泵等组成。工作室真空度一般为10-1～10-3Pa;轴向枪通常另配一套真空机组，枪室真空度在10-3Pa以上。
高压电源 电子枪在直流高压下工作，如熔炼炉的工作电压为10～35 kV，焊接设备的为30～200 kV。电源用三相桥式整流器。整流元件用闸流管或高压硅堆。硅堆有体积小、效率高、起动快等优点，随着电路保护技术的进步，其应用已越来越多。电压调节通常用饱和电抗器或磁性调压器。高压电源配有过电压、过电流和各种连锁保护装置，以确保人身和设备的安全。
应用 电子束加热主要用于金属的熔炼、焊接、表面处理以及金属和非金属的刻蚀、钻孔、切割、电子束蒸发镀膜、电子束排烟排气处理等。
电子束熔炼 电子束熔炼的概念是M.V.皮拉尼(M.Von Pirani)于1905年提出的，但直到50年代中期美国成功地开发电子束熔炼炉后才在熔炼难熔金属钨、钼、钽等的冶金领域获得工业应用。1959年民主德国LEW公司开发了功率为45 kW的电子束熔炼炉，60年代又先后研制出200 kW和1200 kW的电子束熔炼炉，并出口苏联、中国等国。80年代，该公司又成功地开发了EH系列30、80、250、600、1200 W高能电子枪，并与苏联合作制造了能够生产30t(采用5支EH1200 kW高能电子枪)和100 t (采用7支EM1200 kW高能电子枪)钢锭的电子束熔炼炉。与此同时，联邦德国的莱宝股份有限公司(LH公司)和美国的Consarc公司相继开发了用于W、Ta、Mo、Nb、V等高熔点金属熔炼的电子束滴流熔炼炉和用于回收钛废料，生产钛锭、钛板坯，熔炼高温合金包括等轴细晶超强高温合金锭以及超强合金钢锭的电子束连续流熔炼炉。
电子束熔炼炉通常使用间热式轴向电子枪，有时一台设备配几支枪，呈环状布置，以便从几个方向轰击炉料。熔炼分滴熔和池熔两种型式。滴熔时，原料制成棒状，从水平或垂直方向进到电子束通路中，料棒端头受电子束轰击后，熔化成熔滴，滴入坩埚内的熔池中。池熔时，原料呈颗粒状或粉状直接加到熔池中，电子束轰击熔池表面使之熔化。前者冶金效果(除气、去杂)好，后者便于调整合金成分，因此两者常配合使用。坩埚又叫结晶器，用铜制成，外周用水或其他液体冷却，随着熔炼作业的进展，熔池底部金属逐渐冷凝，最后形成锭子。
电子束熔炼是在较高真空(10-4～10-2Pa)下进行的，与其他真空熔炼法(真空感应熔炼，真空电弧熔炼)相比，熔炼成本较高，但可制取更高品质的优良锭子，因此电子束熔炼仍是熔炼难熔金属、活泼金属和高品质合金的重要手段。
20世纪90年代世界最大的电子束熔炼炉是1989年在日本投产的2500 kW炉，用四支轴向枪，主要用于生产航天工业用材料，能生产出直径800 mm或截面250 mm×1250 mm、重13t的锭子。
电子束焊接 见电子束焊。
电子束表面热处理 以功率密度为103～104W/cm2的电子束对工件表面进行扫描，使受电子束轰击点的温度迅速上升(上升速率为103～105℃/s)达到相变或熔化温度，在电子束停止轰击后，靠材料自身热传导使该点快速冷却的表面处理方法。其优点是表面质量好、生产率高、工件不易变形、可用于局部处理、能耗小等。电子束表面热处理主要有相变处理、硬化凝固处理和表面合金化三种类型。
相变处理时， 电子束使金属材料表面很快上升到奥氏体相变温度(低于熔化温度)，持续一段时间后电子束停止轰击，热量很快向冷的基体金属扩散，使加热表面自行淬火，其组织转变为马氏体，表面硬度显著提高。与其他种表面淬火方法比，一个重要特征是可获得超细晶粒组织。
硬化凝固处理时， 电子束在零件表面扫描使其表层快速熔化，然后再靠自身热传导快速凝固，从而达到使表层晶粒细化、硬度和韧性综合性能提高、合金元素重新分配和表面粗糙度改善等目的。
表面合金化时， 把具有特殊性能的合金粉末涂敷在工件表面， 用电子束扫描使表面形成一层很薄的新的合金，从而提高表面的耐磨、耐蚀、耐热性能。这种方法的突出优点是能用较便宜的材料获得较好性能的零件。
电子束排烟排气处理 利用电子束照射经粉尘(煤灰)、冷却处理并添加氨的锅炉排烟排气，锅炉排气中的硫氧化物和氮氧化物与氨化学反应生成粉末状的硫酸铵和硝酸铵， 使锅炉排烟排气得到净化并回收副产品硫酸铵与硝酸铵混合肥料的一种环保技术。该技术可广泛用于焚煤、重油燃烧、钢铁冶炼、烧结以及大型设备等的各种排烟排气处理。其特点是：①脱硫、脱硝同时进行，且效率高(分别为95%和80%以上);②该处理方法为干式处理，不排水，故不需要排水处理设备;③设备构成简单，易操作、维护;④与传统的排烟排气处理方法相比， 设备费与运行费低; ⑤适用范围广，可广泛用于焚煤、重油燃烧等各种排烟排气处理。中国四川省成都热电厂100 MW级的火力发电设备已配置了这种排烟排气处理装置。日本中部电力西名古屋火力发电厂的220 MW级发电设备20世纪末也正在安装这种排烟排气处理装置。
电子束刻蚀、钻孔和切割 利用高功率密度 (达109 W/cm2) 的电子束轰击工件表面， 使之迅速气化，可实现对工件的刻蚀、钻孔和切割等。其特点是：①几乎适用于所有固态材料，如各种金属(包括熔点很高的钨、硬度很高的硬质合金)、钻石、宝石、玻璃、陶瓷、半导体材料(硅、锗、砷化镓、磷化镓)等。②加工速度极快。如用单个脉冲钻孔(一个脉冲钻一个孔)，加工时间为10-5～10-3s(束径20～80μm，工件厚度0～5 mm);用多脉冲钻孔，加工时间为0.1～50 s(束径20～2000μm， 工件厚0～15 mm); 用连续扫描脉冲，1 s内可钻1万个孔;对玻璃表面的钽层进行刻蚀，速度可达5 m/s; 切割纸或塑料薄膜， 速度可达50m/s。③加工尺寸极小，如可钻直径仅2μm的孔(一般为30～1000μm); 切割0.2mm厚硅片， 切缝仅40μm。④加工精度高，一般可控制在±5%。⑤通过计算机控制可钻异形孔， 进行仿形切割等。
电子束蒸发镀膜 用电子束使镀层材料快速蒸发而附着到固定的或连续行进的物料表面上。前者如某些电子元件的表面镀覆， 后者如带钢的表面镀覆。
拓展资料
电子束加工 电子束加热蒸发 电子束印刷 电子束表面处理 电子束曝光技术 电子束曝光系统 扫描电子束曝光 电子束投影曝光 电子束效应 电子束孔径角