电子束熔炼（Electron-beam Melting）技术是利用高能量密度的电子束在轰击金属时产生高温使金属熔化的冶金方法。目前，电子束熔炼技术在多个领域都得到了应用，主要用于稀有金属、贵金属以及难熔金属材料的熔炼、提纯以及回收重熔，还可以用于制取半导体材料和难熔金属及其合金的单晶等。电子束重熔法（Electron-beam Remelting）是在高真空度的条件下，利用电子枪发射出高速的电子束作为热源轰击被精炼的金属料，将电子束所具有的动能转化为热能，从而使金属熔炼、提纯的一种熔炼方法。金属被熔化成金属液滴并在水冷结晶器中凝固成型。电子束熔炼是在高真空状态下进行，熔炼时过热温度高，维持液态时间长，使金属的精炼提纯作用得到充分有效进行，可以脱气、脱氧、挥发去除金属杂质。在下引铸锭过程中，不熔杂质上浮富集在锭头顶部，高熔点金属富集在外表面，去掉铸锭顶部及精整去掉外表皮可得到高纯的金属铸锭。电子束熔炼炉设备示意图见图7-1。
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图7-1 电子束熔炼炉
1-油扩散泵；2-机械泵；3-罗茨泵；4-车间地面；5-操作平台；6-装料阀门；7-料棒推送机构；
8-料棒；9-电子束偏转系统；10-电子枪；11-电子枪真空接口；12-电子束；13-熔炼室；
14-结晶器；15-水冷锭模座；16-锭车；17-拖锭机构；18-拖锭机构架；
电子束重熔法从熔炼难熔金属(钽、铌、铪以及钨、钼等)开始，现已扩展到生产半导体材料和高性能的磁性合金以及部分特殊钢，如滚珠轴承钢、耐腐蚀不锈钢、以及超低碳纯铁等。此外，电子束重熔炉还能用来熔炼某些耐热合金，特别是以铌或钽为主的含钨、含钼的合金。据报导，前苏联还曾用电子束熔炼炉来熔炼铜和镍。电子束熔炼法除用于钢和合金等金属材料的熔炼外，还可用它来熔炼不同性质的陶瓷和玻璃。
电子束熔炼技术特点可以归纳如下：
(1) 由于电子束熔炼是在真空中进行的，材料的熔融状态可以随时控制，因此可以获得高纯难熔材料。
(2) 电子束能量密度较高，其能量密度调节方便，可通过对电子束的聚散来控制调节熔池表面能量分布，因此，可用于熔炼难熔金属。
(3) 容易实现自动化控制、安全、可靠.特别是现代计算机技术、电子技术、自动化技术的应用，更容易实现对难熔材料的提炼及获取高纯材料。
(4) 容易精确控制熔料的化学成分，能得到一定性能要求的稀有难熔和高纯金属材料。
这种重熔法的不足之处在于生产率低，设备结构比较复杂，需应用高压直流电源，设备投资费用高。所以这种熔炼方法难以成为特种熔炼的主要方法。如从生产费用方面分析，电子束重熔法是最高的，若以普通熔炼方法熔炼特殊钢的费用为l，则其他熔炼法熔炼同容量、同钢种的费用分别为：电渣重熔法1.75，等离子电弧重熔2.03，真空电弧重熔2.4，电子束重熔2.72。
7.2 电子束重熔的基本原理
电子束重熔法的工作原理与真空二极管相似，即阴、阳两极置于一个真空室内，分别连接在直流电源的负极和正极上。当阴极用其他电源通电加热后，温度提高，在阴极材料中有自由电子因受热而被激发逸出。若此时的阴极和阳极被接通一定电压的直流电源，则激发出的电子就处于一定强度的电场作用下，被加速并射向阳极。在电子束重熔炉中，借此高速的电子流轰击阳极金属料，将电子的动能在阳极上转换成热能，从而加热和熔化阳极。其熔炼的工艺原理如图7-2所示。
7.3 电子束重熔炉的主要设备
电子束重熔炉由炉体、真空系统和电气系统等三部分组成，熔炼设备的原理图见图7-3。
图7-3 电子束熔炼设备原理图
1-电子束发生系统；2-真空阀；3-真空系统；4-聚焦、偏扫系统；5-工作室；6-工件；7-高压电源；8-磁透镜电源；9-偏转线圈电源；10-控制系统
本节只就炉体的主要部分介绍如下，炉体的核心部位是电子枪。除此之外，还有真空室外壳、结晶器、进料和抽锭机构。
电子枪是电子束重熔炉产生电子束的关键设备。它的结构形式很多，有轴向枪、横向枪、环形枪等。目前应用轴向枪较多。
轴向枪的它的外形像一个直筒，内部结构见图7-4，电子枪原理图见图7-5，电子枪的三维模拟结构模型见图7-6。电子束由块状阴极发射出，经过阳极的加速，以及聚焦线圈的聚焦，并且在偏转线圈的控制下，使电子束按所需要的方向，以极高的速度射到被加热的金属料上，使金属料熔化。
它是由电子束发射元件、聚束阴极、加速阳极、离子捕集器、电子束聚焦系统和电子束偏转系统等部分组成。电子束发射元件是由加热阴极3和发射阴极4两部分组成。加热阴极是钨丝绕成的双螺旋形，当用40～50A(电压5V)的交流电通过钨丝时，钨丝可加热列
图7-5 电子束的产生和形成原理
1-灯丝加热电源；2-灯丝；3-偏转线圈电源； 4-加速电压电源；5-聚焦线圈电源；6-电子束；7-聚焦线圈；8-阳极(接地)；9-阴极
图7-6 电子束轰击炉电子枪的三维结构模型图
1-引线座；2-电子束发生系统；3-三通连接管；4、5-第一、第二磁透镜；6-真空阀；7-磁偏扫系统
电子束炉的结晶器与真空电弧炉的结晶器相似，用紫铜制成，并通水冷却。结晶器的底部有固定式和活动式(用于抽锭)两种。并且根据金属成品的不同要求，结晶器的内腔截面可制成圆形、环形或矩形。
电子束炉是一种边熔化边凝固的设备。当金属料棒不断熔化时，应随即将未熔化的料棒推向电子束轰击区。料棒的推进机构多为机械传动。进料装置有纵向和横向两种型式，横向还有两侧双向交替进料的型式。
对于底部活动式的结晶器，需安装抽锭机构。这是因为当结晶器内金属不断凝固时，为了使熔池液面始终保持一定的高度，已凝固的金属锭需要不断地向下抽引。电子束炉的抽锭机构可采用机械传动和液压传动两种。
（1）开炉前，应对炉子各部位认真检查，以免由于设备中的隐患而使熔炼过程中造成事故或热停工抢修。另一方面应准备好被重熔的炉料。
（2）熔炼前，将结晶器和棒料安装好，随后密封炉体，抽真空。当炉内真空度达到(1～3)×10mmHg(0.00133～0.00399Pa)时，再开始送电加热阴极，并同时通水冷却。
（3）开始送电时的功率不宜太大，当结晶器内已有一定数量的金属液，并且金属熔池有一定深度以后，再逐渐加大功率，达到正常的熔炼速率。
（4）重熔过程中，应特别注意防止电子束打在结晶器壁上而损坏结晶器，以致造成事故。重熔时，应根据金属熔池的液面高度来判断抽锭开始的时机，并且还应始终注意抽锭速度与金属熔化速率之间的配合。
电子束重熔法是在高真空和高温的条件下使钢或合金获得净化精炼的一种熔炼方法。它与钢和合金的其他特种熔炼方法相比，有以下特点：
(1) 电子束重熔是在很高的真空度(可达～0.00133Pa)下进行。它比真空感应炉、真空电弧炉的真空度要高得多。因此对于金属中的气体、非金属夹杂以及某些有害元素的去除要完全和彻底得多，净化精炼反应的速率也较其他真空炉来得高。
(2) 在重熔过程中能对熔化炉料的功率和加热熔池的功率分别进行调节，因而当熔化速率改变时，仍可使熔池保持所需要的温度
(3) 由于射到阳极上的电子束释放出很高的能量，使金属熔池能达到很高的温度(熔池表面温度可达
(4) 电子束的可控性好，所以可通过控制电子束来控制熔池的加热部位，从而保证熔池温度分布均匀。这将有村于得到表面质量和结晶组织优良的金属锭。
(5) 电子束炉不仅能熔化料棒，还可设计成能熔化块状、屑状或粉末状的金属料。
7.5 电子束重熔的效果
电了束重熔材料具有很高的品质，可以把低熔点易挥发元素含量减少到非常低。主要可以用于以下金属的熔炼和提纯：生产具有光滑表面和足够塑性的冷加工用钛、镍铸锭；生产最高纯度的钨、钼铸锭；与真空电弧熔炼的铅相比，重熔的铅具有更高的纯度，可要用于核潜艇反应堆的控制元件；精炼的钒锭可要用于制造核潜艇反应堆零件。
电子束熔炼，钢的主要优点是金属和非金属杂质以及杂质元素极大减少，采用连续流熔炼或冷床精炼特殊钢和超耐热合金，可以大大减少生产成本。
电子束熔炼的最大特点是可以较长时间保持高真空、高温和液态金属，因此对气体、杂质元素以及其低价氧化物的去除十分有利。通过对不同材料的试验，也证明了经电子束重熔后所得材料的纯度最高，从而可使金属的性能大大改善和提高。电子束重熔法不仅对和合金有很好的除气能力，对纯金属也是如此。对于某些特殊用途的金属，甚至可通过多次重熔的办法，使金属达到更高的纯度。
重熔后金属中的气体含量除与重熔次数有关外，还与每次重熔的时间有关。延长重熔时间可显著地降低金属中氧和氮的含量。但是重熔时间延长，即表示熔化速率降低，这将降低生产率和增加生产成本，因此应当综合考虑。
由于电子束重熔法能大幅度降低金属中的气体和夹杂物含量，加之凝固条件改善，使重熔金属的性能明显改善。据报导，耐热合金经电子束重熔后，其金属中的氮、氢、氧的含量分别降低60～70％、40～50％、70～80％，合金性能显著改善。当电子束重熔合金结构钢时，若与普通熔炼方法相比较，其材料的延伸率提高了35％，断面收缩率提高65％，各向同性系数从0.6提高到0.9。