TWI553127B - An electron beam vacuum refining furnace - Google Patents

Description

一種電子束真空精煉爐

本發明係關於一種真空精煉爐，特別是關於一種電子束真空精煉爐。

高純度金屬材料是許多應用領域的重要關鍵原物料，尤其是高純度且高熔點的難熔金屬材料，是國防工業、航太工業，半導體產業及光電產業等重要的基礎，高熔點的難熔金屬材料是非常耐熱和耐磨性，其特質包含超過2000℃以上，在室溫下具有很高的硬度。

一般業界用於冶煉礦物和熔煉金屬的工業爐，常用的有高爐、電爐、轉爐、鐵合金電爐，有色金屬工業中常用的有鼓風爐、反射爐、臥式轉爐、閃速爐等，其他如感應電爐、電子束真空精煉爐等，也都稱做熔煉爐；而在眾多的冶金熔煉方法中，對於高熔點的難熔金屬材料的精煉與純化，電子束熔煉法為一種低汙染、高效率的製作方法，電子束熔煉過程在電子束真空精煉爐中的高真空下進行，主要優點有熔煉速度可在大工作範圍內調整，功率密度高，熔池表面溫度高，液態的維持時間長，使材料的精煉與純化作用得以有效進行，同時在熔煉過程中時，材料發生脫氣、分解、 雜質的揮發和不熔雜質的上浮或沉澱等以利排除，來達到難熔金屬材料的精煉與純化。

電子束真空熔煉爐可利用重力法來提供電子束真空熔煉爐的進料，此種進料系統雖然在裝置設計及製作程序上較為簡易與操作容易，但在進料上針對不同物料產生若干缺失如下：1.物料進料口必須遠離熔煉坩鍋上方，因為對於難熔金屬而言，熔煉坩鍋的溫度非常高，因此進料口必須具有一定高度，方能避免進料口的裝置購件因過熱而變形；2.物料為塊狀物料來進行投料時，由於高溫使進料口離熔煉坩鍋具有一段距離，因此對於投擲塊狀物料時極易造成坩鍋內熔湯產生飛濺情形；3.物料為顆粒狀或粉體物料來進行投料時，則容易因進料口與熔煉坩鍋具有一段距離，因而造成顆粒狀或粉體物料容易飛散於坩鍋外；因此不論是投擲塊狀物料產生的熔湯飛濺，或是投擲顆粒狀或粉體物料產生的物料飛散於坩鍋外，皆會造成物料浪費，並增加裝置維護頻率，造成額外龐大的生產成本。

因此目前業界極需發展出一種具有有效進料的電子束真空精煉爐，可同時用於解決投擲塊狀物料產生的熔湯飛濺問題，或是投擲顆粒狀或粉體物料產生的物料飛散於坩鍋外的問題，如此一來，方能同時兼具成本與效率，製備出可降低因物料投料動作導致坩堝噴濺或物料飛散於坩鍋外的問題產生，以得到可降低成本的電子束真空精煉爐。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種電子束真空精煉爐，整合一爐體、一電子束單元、一坩堝、及一進料系統，以製備出可降低成本的電子束真空精煉爐。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種電子束真空精煉爐，包括：一精煉爐本體；一電子束單元，設置於該精煉爐本體內上方區域，係用以提供電子束；一坩堝，設置於該電子束單元下方；一進料系統，用以提供物料至該坩堝，係包含一進料倉單元、一斜向導管單元、一運輸單元，該進料倉單元連接該斜向導管單元；其中該運輸單元一側設置於該斜向導管單元下方，該運輸單元另一側包含有一冷卻系統，並設置於該坩堝上方。

上述的進料倉單元可包含一進料倉、一上止漏閥門、一真空傳送腔、一下止漏閥門、一上真空閥門、一下真空閥門，其中，真空傳送腔設置於上止漏閥門與下止漏閥門間。

本案發明中，設置於進料倉單元下方與該進料倉單元連接的斜向導管單元，其內部可利用重力或一導管運輸機構來運輸物料，或利用一震動機構協助運輸，以避免物料停留在斜向導管單元內。

運輸單元可包含一金屬製成之金屬運輸帶、一主動輪軸、一被動輪軸，該金屬運輸帶用來運送物料至坩堝，另該金屬運輸帶上可包含一物料容置空間，例如一凹槽結構或一承接器，以分批方式運送物料；運輸單元一側(主動輪軸側)設置於斜向導管單元下方，其另一側(被動輪軸側)則包含有一冷卻系統，位置設置於該坩堝上方，該冷卻系統可設置於被動輪軸上，其可設計由一封閉水路循環機構組成，用來冷卻運輸單元位於坩堝那一側的構件，避免因高溫而受影響，該冷卻系統的封閉水路循環機構可利用銅做為管壁(不以此為限)，以降低輻射熱影響；被動輪軸上更包含一投料機構，可讓物料以更接近坩堝的方式，平緩滑落至坩鍋內。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。

101‧‧‧精煉爐本體

102‧‧‧電子束單元

103‧‧‧電子束

104‧‧‧坩堝

11‧‧‧進料倉單元

12‧‧‧進料倉

13‧‧‧上止漏閥門

14‧‧‧上真空閥門

15‧‧‧真空傳送腔

16‧‧‧下止漏閥門

17‧‧‧下真空閥門

18‧‧‧斜向導管單元

19‧‧‧運輸單元

21、31‧‧‧主動輪軸

22、32‧‧‧金屬運輸帶

23、33‧‧‧被動輪軸

24、34‧‧‧冷卻系統

25、35‧‧‧物料容置空間

36‧‧‧投料機構

第一圖係為本發明一種電子束真空精煉爐示意圖；第二圖係為本發明一種實施例之運輸單元結構示意圖；第三圖係為本發明另一種實施例之運輸單元結構示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

本案發明主要目的之一乃在於提供一種應用在電子束真空精煉爐的進料系統之作法，藉以改善過去習知技術中的投料方法，以縮短投料裝置與熔爐坩鍋的操作距離，大大地減少物料因投料過程所造成的損失，避免物料的浪費尤其是對於精煉高純度材料的電子束熔爐而言，物料精煉之前的價格即以不斐，因此減少物料在精煉過程中的損失，是一項具經濟意義之重要的生產製程技術改良，同時，本案發明還可以改善損失的物料所造成熔爐真空腔體的汙染，降低熔爐系統的維修頻率，避免物料汙染電子槍源、真空抽氣馬達、控制閥門及達到延長機電系統的壽命；另本案發明還可以有效處理塊狀、顆粒狀及粉體狀等三種型態的物料所產生的問題，是一種可以處理不同物料形態的電子束真空精煉爐，可提高電子束真空精煉爐的工作效率。

請參閱第一圖所示，為本發明一種電子束真空精煉爐示意圖。如圖一所示，本發明所提供一種電子束真空精煉爐，包括有下列組成：一精煉爐本體101、一電子束單元102(可發出電子束103)、一坩堝104及一進料系統，其中該進 料系統包含有一進料倉單元11、一斜向導管單元18及一運輸單元19，而該進料倉單元11更包含一進料倉12、一上止漏閥門13、一上真空閥門14、一真空傳送腔15、一下止漏閥門16、一下真空閥門17等元件；本發明所提供的電子束真空精煉爐，根據物料的種類需求，可能為單一種高純度金屬材料，或是兩種、兩種以上的高純度合金材料，因而進料倉單元11可以包含至少一個或一個以上之進料倉12。

本發明所提供的電子束真空精煉爐由於其爐體內工作時需為高真空環境，當物料進入到進料倉12後，依據生產製程需求，可將上真空閥門14及上止漏閥門13開啟(上真空閥門14及上止漏閥門13可管控物料進入真空傳輸腔體15)，讓物料由進料倉12依靠重力自由落進連接於進料倉12下方的真空傳輸腔體15(此一腔體15也可做為不同比例合金材料(物料)的混料腔)，接續可將上止漏閥門13及上真空閥門14關閉，讓真空傳輸腔內氣體排出，排出到與精煉爐本體101內的壓力一致時，將下真空閥門17與下止漏閥門開啟16，讓物料進入斜向導管單元18，本實施例中的斜向導管單元18是為減緩物料因重力作用所產生的衝力，該斜向導管單元18具有一水平傾斜角度(水平傾斜角度係為和地表垂直線傾斜的夾角，故水平傾斜角度0即為垂直(自由落體)，通常此角度會大於0)，該水平傾斜角度範圍可設計為1度到40度，可將物料以減低重力衝擊的狀態，以較平緩的方式讓物料落在運輸單 元19上，再將物料運輸至精煉爐的坩鍋104。

物料如果藉由重力法讓其自由落入坩鍋，雖然進料裝置的製作與操作較為單純及簡易，但是對於粉體或顆粒狀物料，可能會發生飛散情形，而如果是塊狀原料，則可然會發生熔湯飛濺情形，因此本發明導入斜向導管單元28的傾斜設計，減緩重力加速作用，有助於改善前述兩種情形，然而當斜向導管單元傾斜後，則可能發生部分物料積聚於斜向導管單元中，因此本發明除了對斜向導管的置放方式予以改進外，同時在導管內可增加震動或導管傳輸機構，可藉由震動方式有效地改善部分粉體或顆粒狀物料積聚情事，或直接藉由導管傳輸機構，以自動化方式將粉體或顆粒狀物料運送至運輸單元上。

請參閱第二圖所示，為本發明一種實施例之運輸單元結構示意圖。如圖二所示，運輸單元可由兩個轉動軸輪(21、23)與具有物料容置空間25的金屬運輸帶22所構成，本實施例中。轉動軸輪分別為主動軸輪21，來帶動具有承接器(物料容置空間25)的金屬運輸帶22移動，讓金屬運輸帶22上的承接器移動至被動輪軸23處，藉由旋轉方式，讓承接器中的物料倒入至坩鍋內，承接器可設計為上方及前方具開口的金屬容器，控制承接器在被動輪軸23處的旋轉位置時，讓承接器的開口在旋轉點時位於坩鍋上方，然後將物料平緩地倒入坩鍋內，其中，冷卻系統36可由一封閉水路循環機構組 成，用來冷卻位於被動輪軸23處那一側附近的構件，避免因高溫而受影響，該冷卻系統的封閉水路循環機構可利用銅做為管壁(不以此為限)以硬銲的方式(不以此為限)完成封閉系統，以降低輻射熱影響。

請參閱第三圖所示，為本發明另一種實施例之運輸單元結構示意圖。如圖三所示，當物料經由斜向導管單元落進金屬運輸帶32上的物料容置空間35，可簡化為金屬運輸帶32上具有承接功能的金屬帶的結構與製作，可使用旋轉插銷及凹型金屬片頭尾疊加成為一種具有一凹槽結構(物料容置空間35)的金屬運輸帶32上，此外，在被動軸輪33處可設計另有一投料機構36，利用軸輪將落在金屬運輸帶32上的物料移動至被動輪軸33處，藉由旋轉方式，讓物料自凹槽結構倒入金屬的投料機構36，該投料機構36(具有類似刮刀的功能，可把金屬運輸帶32上的物料由下往上將大部分的物料刮下)，可再以更接近坩堝的方式，讓物料更平緩滑落至坩鍋內，由於被動軸輪33具有冷卻系統，而金屬的投料機構36附裝置於被動軸輪33上，可以避免熔湯高溫對其性能的影響。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

101‧‧‧精煉爐本體

102‧‧‧電子束單元

103‧‧‧電子束

104‧‧‧坩堝

11‧‧‧進料倉單元

12‧‧‧進料倉

13‧‧‧上止漏閥門

14‧‧‧上真空閥門

15‧‧‧真空傳送腔

16‧‧‧下止漏閥門

17‧‧‧下真空閥門

18‧‧‧斜向導管單元

19‧‧‧運輸單元

Claims (7)

1. 一種電子束真空精煉爐，包括：一精煉爐本體；一電子束單元，設置於該精煉爐本體內上方區域，係用以提供電子束；一坩堝，設置於該電子束單元下方；一進料系統，用以提供物料至該坩堝，係包含一進料倉單元、一斜向導管單元、一運輸單元，該進料倉單元連接該斜向導管單元，其中該運輸單元包含一金屬運輸帶、一主動輪軸、一被動輪軸，一投料機構設置於該被動輪軸上；其中該運輸單元一側設置於該斜向導管單元下方，該運輸單元另一側包含有一冷卻系統，設置於該坩堝上方。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電子束真空精煉爐，其中，該進料倉單元係包含一進料倉、一上止漏閥門、一真空傳送腔、一下止漏閥門、一上真空閥門、一下真空閥門。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電子束真空精煉爐，其中，該斜向導管單元內係包含一震動機構或一導管傳輸機構。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電子束真空精煉爐，其中，該金屬運輸帶係包含一物料容置空間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電子束真空精煉爐，其中，該冷卻系統設置於該被動輪軸上。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電子束真空精煉爐，其中，該冷卻系統係包含一封閉水路循環機構。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電子束真空精煉爐，其中，該封閉水路循環機構係利用銅做為管壁，以降低輻射熱影響。