Спецэлектрометаллургия сталей и сплавов

Длина электронного луча в аксиальных пушках – до 2 м. Благодаря этому, а также собственной вакуумной системе пушек, в зоне формирования луча поддерживается хороший вакуум и в эту зону не попадают пары металла что обеспечивает увеличение срока службы катода. Кроме того, можно иметь в плавильном пространстве несколько большее давление, что уменьшает испарение   металла.

Для получения  равномерного нагрева поверхности  заготовки с помощью электромагнитных катушек (13) обеспечивается быстрое перемещение электронного луча по поверхности ванны жидкого металла. Применяются два варианта организации движения фокального пятна по поверхности ванны: круговое движение, по спирали от периферии к центру ванны или зигзагообразное движение ("змейкой").

Основными преимуществами аксиальных пушек является более высокая стабильность работы, возможность поддержание в плавильном пространстве более высоких давлений, увеличений срок службы катода. К недостаткам аксиальных пушек относятся сложность конструкций, эксплуатации и наладки, высокий уровень ускоряющего напряжения мощных пушек (до 30 кВ), что повышает уровень рентгеновского излучения, необходимость системы развертки пучка для обеспечения равномерности нагрева металла.

Установки ЭЛП  с аксиальными пушками могут иметь одну (рис.43 а) или несколько (рис.43 б) пушек; во втором случаи достигается  более равномерное распределение мощности по поверхности ванны. Однако обслуживание и эксплуатация таких установок  сложнее, поэтому в современных установках предпочитают иметь одну мощную аксиальную пушку и систему быстрого перемещения фокального пятна по поверхности ванны.

 

8.5. Установки ЭЛП с плосколучевыми пушками

 

Плосколучевые пушки занимают промежуточное положение  между аксиальными и радиальными пушками.

Такая пушка (рис.44) состоит из П-образного катода (I), выполненного из вольфрамовой ленты шириной 3-4 мм. Рабочая часть катода помещается в зазор фокусирующего анода (2). Ниже размещен ускоряющий анод (3), который имеет форму двухгранного угла. Зазор между двумя частями анода для прохождения электродов составляет 2-4 мм. Анод имеет водяное охлаждение. Напряжение между катодом и ускоряющим анодом составляет 10 - 17 кВ. Пушка такого типа формирует плоский электронный луч. Электроны луча, пройдя через зазор в ускоряющем анод, движутся далее к нагреваемому металлу по инерции.

Установки ЭЛП  с плосколучевыми пушками могут  обеспечивать отклонение электронного луча на угол до 45° (рис.45) или его разворот на 180° (рис.46). В установках с отклонением электронного анода располагается магнитная отклоняющая система (3), которая направляет луч на зону нагрева и придает ему некоторые колебания. Угол отклонения луча выбирает таким, чтобы в зону формирования электронного луча не попадали брызги и пары металла, а также тепловое излучение от расплавленного металла.

В установках ЭЛП с  поворотом электронного луча на 180° (рис.46) пушки расположены ниже и сбоку по отношению к нагреваемой поверхности.

 

 

 

Рис.43. Установки ЭЛП с аксиальными пушками: а - с одной пушкой; б - с несколькими пушками. I – переплавляемый электрод;              2 - аксиальная пушка;                            3 - электронный луч;                               4 – водоохлаждаемый кристаллизатор;                                       5 - наплавляемый слиток

 

 

 

 

Рис.44. Схема плосколучевой электронной пушки: I – катод прямого нагрева; 2 - фокусирующий анод; 3 - ускоряющий анод

 

 

 

Рис.45. Установка ЭЛП с плосколучевыми пушками и магнитным отклонением луча: I - катод;  2 - ускоряющий анод; 3 - электромагнитная система отклонения луча; 4 - переплавляемая заготовка; 5 - наплавляемый слиток; 6 - водоохлаждаемый кристаллизатор

 

Рис. 46. Схема установки ЭЛП с поворотом электронного пучка:             I - катод; 2 - ускоряющий анод 3 - кристаллизатор; 4 - наплавляемый слиток; 5 -переплавляемая заготовка;   6 - система магнитной фокусировки;     7 - система поворота электронного пучка в магнитном поле.

 

Система магнитной фокусировки (6) и поворота электронного пучка в магнитном поле (7) обеспечивает поворот электронного луча на 180°.

8.6. Конструкции установок ЭЛП

Установки ЭЛП в зависимости от их мощности и массы наплавляемого слитка условно подразделяют на лабораторные, полупромышленные и промышленные. Значения мощности, ускоряющего напряжения и массы наплавляемого слитка для этих классов установок имеют следующие значения:

Тип установки	Мощность  кВт	Ускоряющее  напряжение кВ	Масса наплавляемого  слитка, кг.
Лабораторные	60 - 120	15 - 20	60 - 150
Полупромышленные	120 - 200	15 – 27	200 - 600
Промышленные	500 - 7500	15 - 30	1000 – 100000

 

Несмотря  на большое разнообразие конструкций  установок ЭЛП, они имеют много общих узлов, основные из которых следующие: электронные пушки, источники питания, плавильные камеры, кристаллизаторы, механизмы подачи и выдачи слитков, системы вакуумирования, охлаждения и др.

Источники питания - высоковольтный выпрямитель, содержащий в своей схеме регулятор мощности электронного луча и элементы защиты от коротких замыканий.

Плавильная камера - водоохлаждаемая, имеет люки для осмотра, патрубки для присоединения к системе вакуумирования, гляделки для наблюдения за ходом процесса. Толщина стенок камеры       10 - 15 мм для защиты от рентгеновского излучения.

Кристаллизаторы - короткие, медные, толстостенные, водоохлаждаемые. Форма сечения: вверху - цилиндрическая, в нижней части конусная, расширяющаяся книзу.

Чтобы исключить  случайный прожог кристаллизатора  электронным лучем, в верхней его части располагается кольцо из тугоплавкого металла. Наплавляемый слиток непрерывно вытягивается из кристаллизатора с такой же скоростью, как его наплавление, поддерживая постоянным уровень металла в кристаллизаторе.

В современных  установках ЭЛП осуществляется раздельная откачка камеры пушки и плавильного пространства. Это позволяет поддерживать в зоне действия ускоряющего напряжения низкое давление (ниже 6.10^-2 Па), в то время как в плавильной камере давление может составлять 1*10^-1 - 1,0 Па. Для эффективного рафинирования металла нет необходимости в более глубоком вакууме, в связи с чем откачку плавильной камеры можно производить   паромасляными бустерными насосами.

Вместе с тем, необходимо учитывать, что при повышении  давления . в рабочем пространстве значительно увеличиваются потери мощности электронного луча за счет столкновения электронов с молекулами газов (рис.47).

 

 

 

 

Рис.47. Потери мощности электронного пучка при прохождении через плавильную камеру: I - энергия электронов W_e =17 кэВ; 2 - W_e =30кэВ.

 

Для откачки  катодного пространства пушек и  лучеводов используются диффузионные насосы, позволяющие поддерживать остаточное давление не более 1,5.10^-3 Па, необходимое для стабильной работы катодно-анодного узла пушек.

 

8.7. Технологические особенности ЭЛП

Возможность регулирования  в широких пределах параметров электронно-лучевого нагрева и его независимость от процесса плавления металла позволяет использовать для ЭЛП не только расходуемые электроды, но и некомпактную или сыпучую шихту (губка, стружка и т.п.), а также отходы прокатного или кузнечно-штамповочного производства.

Наиболее широко в промышленности применяют ЭЛП расходуемого электрода в кристаллизатор. В зависимости от типа и количества используемых электронных пушек расходуемый электрод подают в зону плавки вертикально, горизонтально или наклонно.

Вертикальная  подача электрода создает более выгодные условия рафинирования металла, поскольку торец расходуемого электрода, оплавляясь под воздействием электронного луча, принимает форму конуса, что увеличивает реакционную поверхность. При боковой (горизонтальной или наклонной) подаче электрода он экранирует от электронного луча участок поверхности металлической ванны в кристаллизаторе, что приводит к неоднородному распределению энергии и ухудшению условий формирования слитка.

Конструкция установок ЭЛП обеспечивает разделение электронных лучей на две части: одна - для нагрева переплавляемой заготовки, а вторая - для нагрева поверхности жидкой ванны   в кристаллизаторе. Расходуемую заготовку опускают в зону плавки с помощью подающего механизма. Под влиянием бомбардировки ускоренными электронами осуществляются нагрев и плавление нижнего торца расходуемой заготовки. Расплавленный металл при этом стекает в водоохлаждаемый кристаллизатор, где создается жидкая ванна, подогреваемая отклоненной частью электронного луча.

Разновидностью технологической схемы электронно-лучевой плавки в кристаллизатор является переплав сыпучей шихты (порошка, гранул, губки, стружки и т.п.) Переплав сыпучей шихты применяется для получения компактного слитка, который   затем подвергается повторному ЭЛП.

По такой  схеме перерабатывают   титановый  скрап, порошок ниобия и другие материалы.

Работа установки ЭЛП  требует глубокого вакуума. Поэтому  возникают проблемы при ЭЛП металлов и сплавов с высоким уровнем газонасыщенности, а также металлов и сплавов с высокой упругостью паров, а также сталей, легированных такими элементами.

Для установок ЭЛП  характерна более низкая производительность по сравнению с установками ВДП  аналогичной мощности. Так, при одинаковой мощности 150-200 кВт скорость плавления электрода в печах ВДП составляет 5 - 10 кг/мин, а в установках ЭЛП всего 0,4- 0,5 кг/мин. Поэтому полный к.п.д. электронной плавки составляет всего около 10%, и объясняется необходимостью выдерживать каждую очередную порцию загрязненного примесями металла, попадающего в ванну кристаллизатора, в перегретом состоянии в течение определенного времени, необходимого для получения требуемой степени рафинирования. Существенно повысить к.п.д. электронной плавки можно при проведении процесса рафинирования металла не в кристаллизаторе, а в промежуточной емкости, т.е. до попадания порции металла в кристаллизатор. Технологическая схема ЭЛП с промежуточной емкостью показана на рис. 48. Жидкий металл с оплавляемой заготовки попадает в кристаллизатор не сразу, а пройду дополнительное рафинирование в промежуточной емкости, выполненной в виде водоохлаждаемого лотка, а затем стекает в кристаллизатор. Наличие промежуточной емкости исключает падение в кристаллизатор кусков пе