Принцип действия установок ЭЛП

Сущность электронно-лучевого нагрева заключается в том, что кинетическая энергия мощного направленного потока электронов при бомбардировке ими поверхности нагреваемого материала превращается в тепловую энергию. Применение электронно-лучевого нагрева в промышленных целях стало возможным благодаря интенсивному развитию электроники, обеспечившей получение мощных потоков электронов и возможность управления ими, и больших достижений в области вакуумной техники, позволивших создать эффективные вакуумные системы технологического оборудования.

Устройство для получения мощного потока электронов, их ускорения и концентрирования в пучок, направляемый в рабочее пространство, где электрическое поле отсутствует, называют электронной пушкой. Она представляет собой трехэлектродную систему, состоящую из вольфрамового катода, управляющего электрода и кольцевого анода. Электроны, вылетающие с нагреваемого катода, формируются в электронный луч, который ускоряется за счет разности потенциалов между катодом и анодом (10 - 50 кВ).

Регулирование потока электронов (электронного луча) осуществляется управляющим электродом путем изменения отрицательного потенциала по отношению к катоду. В электронно-лучевых печах необходимо поддерживать вакуум не менее 0,01 Па, так как в этом случае длина свободного пробега электронов достаточно велика и они двигаются практически без соударений между собой и молекулами остаточного газа. Для обеспечения эффективной работы электронной пушки в печи обычно создается вакуум 10³ - 10⁵ Па.

Для управления электронным лучом, выходящим из электронной пушки, используют фокусирующую и отклоняющую системы, с помощью которых соответственно изменяют сечение потока (пучка) электронов и направляют его под заданным углом на обрабатываемое изделие.

В ЭЛП нагрев металла осуществляется потоком ускоренных электронов, генерируемых в специальных устройствах (электронных пушках). Электроны разгоняются электрическим полем, сталкиваются с переплавляемым веществом, взаимодействуя как с кристаллической решеткой в целом, так и с отдельными встречающимися микрочастицами: положительными ионами, свободными и связанными электронами. При этом электрическое поле первичных электронов вызывает соответствующее возмущение кристаллической решетки, которое проявляется в виде перемещения ионов и увеличения амплитуды их колебания, т.е. повышения температуры металла.

При резком торможении электронов часть их энергии теряется в виде излучения. При ускоряющем напряжении в десятки киловольт, которое используется в плавильных установках, возникает рентгеновское излучение. Его мощность не превышает половины мощности электронного пучка, но само излучение представляет серьезную опасность для обслуживающего персонала. Поэтому величину ускоряющего напряжения ограничивают до 30 - 35 кВ (опасный уровень - более 40 кВ) и принимают специальные меры при конструировании, изготовлении и эксплуатации ЭЛП.

В ЭЛП источником свободных электронов служит накаленная спираль или пластина, т.е. катод, с которого излучается поток электронов (термоэлектронная эмиссия). Электронный поток сжимают электромагнитным полем в луч и направляют на металлический электрод или шихту и жидкую ванну. При столкновении луча с металлом выделяется большое количество энергии, под действием которой он нагревается и плавится. Для катодов ЭЛП используют вольфрам и молибден.

Конструктивно-технологические особенности.

Схема типичной печи ЭЛП представлена на рисунке 5.11. Основным узлом является вакуумная плавильная камера 4, толщина стенки которой составляет 10 - 15 мм, что обеспечивает жесткость конструкции и одновременно надежную защиту от рентгеновского изучения.

Плавильная камера охлаждается водой. В ней размещен кристаллизатор 11, охлаждаемый умягченной водой при давлении 3 - 6 атм. Кристаллизаторы могут иметь различную форму, В плавильной камере или в отдельной автономной камере располагается один или несколько электронно-лучевых нагревателей (пушек) 9. Подача переплавляемого материала, в частности заготовки 8, осуществляется при помощи механизма подачи. При переплаве заготовок могут использоваться механизмы подачи, применяемые в вакуумных дуговых печах, с учетом того, что для установок ЭЛП не требуется мощных токоподводов. При ЭЛП могут с успехом также переплавляться брикеты, штабики, гранулы, стружка и т.д., и в этом случае предусматриваются специальные способы их подачи.

Наплавленный слиток формируется в водоохлаждаемом кристаллизаторе по методу полунепрерывной разливки. Для создания наиболее выгодных условий рафинирования металла и упрощения конструкции плавильных установок поверхность жидкой ванны на протяжении всей плавки поддерживается на уровне верхнего среза кристаллизатора. Это достигается перемещением слитка по ходу плавки специальным механизмом вытягивания 14.

1 - площадка обслуживания; 2,3- вакуумные насосы; 4 - камера; 5 - шток механизма подачи заготовки; 6 - привод механизма подачи; 7- механизм вращения заготовки; 8 - заготовка; 9 - электроннолучевая пушка; 10 - стробоскопическая смотровая система; 11 - поворотный кристаллизатор; 12 - манипулятор; 13 - слиток; 14 - шток механизма вытягивания слитка; 15 - привод механизма вытягивания

Рисунок 5.11 - Схема электронно-лучевой установки

ЭЛП осуществляется при остаточном давлении 133-10^-4 - 133-10^-5 Н/м² (10^-4 - 10^-5мм рт. ст.). Печь имеет вакуумную систему, включающую насосы трех типов: диффузионные, бустерные и механические (форвакуумные), которые включаются последовательно. Для рациональной загрузки и выгрузки электронно-лучевые печи обеспечиваются специальными шлюзовыми устройствами. Наблюдение за плавкой осуществляется через смотровые стекла, которые защищаются от конденсации паров стробоскопической смотровой системой 10 (один или два диска с узкими щелями, расположенными перед смотровым стеклом, вращаются с большой скоростью; в случае двух дисков они вращаются в противоположные стороны; в результате стробоскопического эффекта быстровращающиеся диски становятся как бы прозрачными; при этом резко снижается интенсивность напыления материала на смотровые стекла).

Существуют различные технологические схемы ЭЛП (рисунок 5.12):

а) с боковой подачей расходуемых электродов при вертикальном расположении электроннолучевой пушки (рисунок 5.12,а);

б) с вертикальным расположением расходуемого электрода и использованием нескольких аксиальных пушек с электромагнитным отклонением лучей (рисунок 5.12,6) или применением радиального электронно-лучевого нагревателя с электромагнитным управлением лучей (рисунок 5.12,в), или применением нескольких пушек с линейными лучами, отклоненными на 180 град (рисунок 5.12,г).

1 - пушка; 2 - электронный луч; 3 - переплавляемая заготовка; 4 - водоохлаждаемый кристаллизатор; 5 – слиток

Рисунок 5.12 - Схемы электронно-лучевого переплава

Указанные схемы отличаются условиями нагрева и величиной реакционной поверхности жидкой металлической фазы. Считают, что схема с вертикальным расположением заготовки отвечает лучшим условиям протекания процесса ЭЛП.

Для повышения эффективности рафинирования в электроннолучевых печах применяют схемы переплава с использованием промежуточной емкости (рисунок 5.13). Эта схема обеспечивает более развитую реакционную поверхность, увеличение производительности, исключает попадание в кристаллизатор твердых кусков, иногда отваливающихся от переплавляемых электродов, и позволяет производить дополнительную обработку жидкого металла, например микролегирование редкоземельными элементами и раскисление.