Chương 3

LUYỆN KIM TRONG
LÒ ĐIỆN TỬ
(Electron Beam Metallurgy)
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Nội dung
3.1 Mở đầu
3.2 Nguyên lý
3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng
3.4 Cấu tạo lò chùm tia điện tử
3.5 Chế độ nhiệt của lò chùm tia điện tử
3.6 Cơ sở hoá lý khi nấu luyện trong lò chùm tia
điện tử
3.7 Nấu luyện trong lò chùm tia điện tử
3.8 Kiểm soát quá trình
3.9 Các biến thể của quá trình
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.1 Mở đầu
• Phương pháp tinh luyện trong lò chùm tia điện
tử được sử dụng rộng rãi để sản xuất các thép
và hợp kim có yêu cầu rất cao về độ sạch
• Đây là phương pháp tinh luyện kết hợp khả
năng nấu luyện với độ chân không cao (áp suất
dưới 10-4mmHg) và nhiệt độ rất cao
• Trong lò chùm tia điện tử, kim loại lỏng có thể
được giữ lâu trong lò, độ sạch của kim loại có

thể rất cao

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.1 Mở đầu
• Lò có thể đạt nhiệt độ rất cao, thoả mãn mọi
điều kiện của các phản ứng luyện kim và có
mức độ linh hoạt cao về khả năng điều chỉnh
điều chỉnh của nguồn nhiệt
• Trong lò điện tử, điện năng được dùng để gia
tốc cho điện tử, phát ra từ catod, đạt vận tốc lớn
trong điện trường cao thế giữa anod và catod.
Khi các điện tử va chạm vào vật nung thì động
năng của chúng sẽ chuyển thành nhiệt năng

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.2 Nguyên lý
• Trong lò chùm tia điện tử, liệu có thể được chế
tạo sẳn ở dạng thỏi và được cấp liên tục vào lò
• Khi có chùm tia điện tử có năng lượng đủ lớn
bắn vào, liệu sẽ chảy ra, đi vào bình kết tinh
bằng đồng được làm nguội bằng nước và tạo
thành vũng kim loại
• Kim loại lõng trong vũng sẽ được tinh luyện khỏi
khí và tạp chất, sau đó kết tinh thành thỏi đúc và
được kéo ra khỏi khuôn
• Lò có thể có một hoặc nhiều súng điện tử

• Hình 3.1 trình bày sơ đồ lò chùm tia điện tử có
một súng điện tử
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 3.1: Lò điện tử chân không với một súng
electron và liệu được cấp liên tục ở dạng thỏi
1-súng electron
2-thỏi kim loại cần tinh
luyện
3-bình kết tinh có nước
làm nguội
4-thỏi đúc

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 3.2: sơ đồ lò chùm tia điện tử với 2 súng
electron
1- súng electron
2- cần giữ điện
cực
3- điện cực cần
tinh luyện
4- chùm tia
electron
5- thỏi đúc
6- khuôn bằng
đồng có nước
làm nguội

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.2 Nguyên lý
• Hình 3.2 trình bày sơ đồ lò chùm tia điện tử có
hai súng electron
• Trong lò này, liệu dạng thanh (3) được cấp liên
tục từ trên xuống nhờ cơ cấu cấp liệu (2)
• Hai súng điện tử (1), nhờ thiết bị làm lệch chùm
tia, sẽ bắn vào đầu thanh liệu và làm chảy kim
loại xuống khuôn (6)
• Quá trình tiếp theo giống như ở sơ đồ hình 3.3
• Lò chùm tia điện tử cũng có thể dùng để nấu
luyện liệu dạng rời để đúc thành thỏi
• Ngoài ra, lò chùm tia điện tử cũng có thể nấu
luyện kim loại để đúc thành chi tiết máy (hình
3.3)
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 3.3: lò chùm tia điện tử dùng nấu chảy liệu
dạng cục
1-Súng điện tử
2-Bộ phận nung
3-Nồi lò kim loại
4-Khuôn đúc

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ



3.2 Nguyên lý
• Các điện tử hình thành do phát xạ nhiệt-điện sẽ
được gia tốc trong một trường tĩnh điện giữa
anod và catod. Nhờ vậy, các điện tử đạt vận tốc
v rất lớn, được tính theo công thức:
v = 593(V)0,5 [km]
(3.1)
trong đó:
V- hiệu thế trong trường gia tốc [V]
Khi V= 30 KV ⇒ v= 105 Km/s
• Một nam châm điện được đặt sau anod để tạo
một từ trường nhằm mục đích tập trung các
chùm tia điện tử đến kim loại cần nung
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.2 Nguyên lý
• Quỹ đạo bay của chùm điện tử được quyết định
bởi: vận tốc ban đầu của điện tử khi thoát khỏi
catod và cường độ từ trường, được xác định theo
phương trình u
Lorentz:
u
r
ur ur
q v ×B.
F
(3.2)
• Mật độ dòng điện tử sinh ra do phát xạ nhiệt catod
được xác định theo phương trình Richarson:

je =AT 2 exp 
(3.3)
( −qΦ) / kT 
.

=−

trong đó:
I - mật độ dòng catod [A/cm2]
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.2 Nguyên lý
A - hằng số Richarson, phụ thuộc bản chất và
độ sạch của kim loại [A/cm2.K]
q - điện tích của điện tử
Φ - công thoát
K-hằng số Boltzmann
• Mật độ dòng catod cũng có thể được tính theo
một dạng khác của phương trình Richarson:
I = A.T2.exp(-b/T)
(3.4)
trong đó:
b - hằng số;
b= ϕo.lo / K, với ϕo.lo – công thoát [eV]
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.2 Nguyên lý
• Theo công thức trên, ta thấy rằng để mật độ

dòng catod I lớn thì vật liệu làm catod cần phải
có công thoát ϕo.lo nhỏ. Ngoài ra, catod phải có
nhiệt độ nóng chảy cao
• Những vật liệu đáp ứng các yêu cầu trên:
- vonfram: Tnc= 33700C; ϕo.lo = 4,522 eV
- molipđen: Tnc= 26200C; ϕo.lo = 4,30 eV
- tantan: Tnc= 28500C; ϕo.lo = 4,10 eV
• Hiện nay, các lò chùm tia điện tử thường có
catod làm bằng W hoặc Mo
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.2 Nguyên lý
• Công suất riêng của chùm tia điện tử có thể đạt
đến 100 kW/cm2, do đó tạo được nguồn nhiệt rất
cao
• Kim loại lỏng được tạo thành vũng trong khuôn
với bề mặt lớn và độ sâu nhỏ nên tạo hiệu quả
rất tích cực đến cấu trúc của thỏi đúc
• Mặt thoáng kim loại lỏng tiếp xúc với môi trường
có độ chân không cao nên hiệu quả khử khí và
kim loại màu có hại rất cao

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng
Đặc điểm
• Lò chùm tia điện tử có thể nấu luyện bất kỳ dạng
liệu nào (cục, kim loại xốp, thanh)

• Khi được trang bị nhiều súng, công suất của lò
có thể rất cao (đến trên 5000 kW); có thể tinh
luyện được thỏi đúc có đường kính đến 1000
mm
• Dễ điều khiển nhiệt độ, quá trình nấu chảy được
thực hiện nhanh chóng
• Dễ cơ khí hoá, tự động hoá các quá trình của lò
• Có khả năng tinh luyện tốt
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng
• Thỏi đúc có thể được kết tinh cố định trong
khuôn hoặc có thể được kéo ra liên tục
• Có thể đúc được chi tiết đúc
• Tận dụng được năng lượng điện lớn nhất; nhiệt
bề mặt kim loại cao
• Kim loại lỏng có thể giữ trong lò trong điều kiện
áp suất thấp trong một thời gian dài và ở bất kỳ
nhiệt độ nào trong giới hạn cho phép để tạo điều
kiện tốt cho việc khử khí và tinh luyện
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng
• Thiết bị phức tạp và đắt tiền vì lò yêu cầu áp
suất chân không rất thấp (10-9 – 10-10mmHg) và
nhiệt độ lò cao (3000-40000C)
• Một số nguyên tố hợp kim dễ bay hơi trong quá
trình nấu luyện

• Chùm tia điện tử có thể tạo ra bức xạ rơnghen
làm ảnh hưởng đến sức khoẻ công nhân
• Liệu cần được khử khí sơ bộ bằng các phương
pháp tinh luyện khác
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng
Phạm vi sử dụng
• Lò chùm tia điện tử được dùng để sản xuất:
- Các kim loại và hợp kim có yêu cầu về độ sạch
rất cao
- Các kim loại khó chảy và có hoạt tính cao như
Ni, Mo, W, Nb, Ta, Pt, Pd, Zr, Ir và các hợp kim
của chúng
- Các hợp kim đặc biệt
- Các hợp kim siêu sạch trong kỹ thuật điện tử
- Vật liệu phun phủ siêu sạch

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.3 Đặc điểm và phạm vi sử dụng
•
-

Các ứng dụng của quá trình lò chùm tia điện tử:
Nấu chảy trong lò bằng (Hearth Melting)
Đồng nhất hoá liệu, phế liệu, hồi liệu
Chế tạo thỏi kim loại đúc

Chế tạo chi tiết đúc
Chế tạo ra các tấm kim loại dày
Tạo bột kim loại
Một số quá trình trên sẽ được trình bày ở phần
sau.
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.4 Cấu tạo lò chùm tia điện tử
3.4.1 Lò có súng điện tử dọc trục
• Lò chùm tia điện tử thường được chia làm 2 loại là lò có
súng dọc trục và lò có súng không dọc trục
• Hình 3.4 trình bày sơ đồ nguyên lý của lò chùm tia điện
tử có ống dọc trục
• Trong lò có súng dọc trục:
- Catod có thể được nung nóng nhờ dòng điện qua nó
hoặc nhờ một catod phụ cung cấp điện tử bắn phá nó
- Bao quanh catod là điện cực tích điện âm có tác dụng
dẫn hướng tập trung chùm tia điện tử qua lỗ hở của
anod
- Anod có dạng 1 màn chắn với lỗ hở, thường được nối
đất
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 3.4 : lò chùm tia điện tử dọc trục
C-catod
A-anod
Lf-hệ thống hội tụ
Ld-hệ thống làm lệch

chùm tia điện tử
M-vật nung
Eo-điện cực dẫn hướng

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 3.5: Cấu hình súng điện tử với anôt độc lập
a) Anôt đĩa; b) Anôt có thấu kính từ

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.4.1 Lò có súng điện tử dọc trục
• Hình 3.5 trình bày cấu hình của súng điện tử với
anod độc lập
• Khi đặt một hiệu điện thế gia tốc đủ cao giữa
anod và catod, các điện tử sau khi qua hệ thống
hội tụ sẽ tập trung thành chùm tia hẹp và hướng
vào vật nung
• Nhờ hệ thống làm lệch chùm tia điện tử, có thể
hướng chùm tia đến vị trí bất kỳ trên vật nung
• Việc nung nóng chỉ được thực hiện trên bề mặt
kim loại. Chùm tia điện tử cần phải được điều
chỉnh để có thể quét đều hết bề mặt được nung
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


3.4.1 Lò có súng điện tử dọc trục
• Hình 3.6 trình bày sơ đồ nguyên lý và thiết bị

của một lò chùm tia điện tử có súng dọc trục
• Hai điện cực 4 cần tinh luyện được cấp theo
phương ngang vào buồng lò 2 nhờ các cơ cấu
cấp liệu
• Chùm tia điện tử phát xạ từ súng 1 sẽ làm điện
cực nóng chảy và đi vào vũng kim loại trên bề
mặt khuôn 3
• Thỏi đúc đã được tinh luyện được kéo liên tục
xuống buồng đúc thỏi 6
TS. NGUYỄN NGỌC HÀ


Hình 3.6: sơ đồ lò có súng điện tử dọc trục

1-súng điện tử
2-buồng nấu
3-bình kết tinh
4-điện cực cần tinh luyện
5-bơm chân không
6-buồng đúc thỏi
7-làm nguội bằng nước

TS. NGUYỄN NGỌC HÀ