2. Электроннолучевые печи

Для выплавки особо чистых металлов, стали и сплавов, получения тугоплавких металлов высокой степени чистоты молибдена, вольфрама - применяют электроннолучевые печи. Принцип нагрева металла в этих установках заключается в бомбардировке нагреваемого объекта электронным пучком высокой энергии. Наплавление металла производится в водоохлаждаемый медный кристаллизатор. Плавку ведут в глубоком вакууме.

Электроннолучевая плавка с успехом применяется для лучения слитков стали, титана и тугоплавких металлов высок степени чистоты. При переплаве вольфрама, ниобия, тантала, молибдена получают содержание углерода, азота, кислорода менее тысячной доли процента. Благодаря повышению чистоты возрастает пластичность тугоплавких металлов. Переплав гафния и циркония позволяет значительно уменьшить содержание углерода, водорода, азота, повысить антикоррозионные свойства этих металлов, значительно уменьшить содержание таких примесей медь, никель, железо. Электроннолучевой переплав может быть использован для получения слитков специальных сталей, предназначенных для изготовления особо важных и точных приборов, деталей, работающих в тяжелых условиях. При переплаве стали происходит значительное очищение ее от свинца, висмута, олова, сурьмы и других примесей цветных металлов, значите; уменьшается содержание неметаллических включений.

Преимуществами этих печей являются высокая степень рафинирования благодаря высокой температуре, глубокому вакууму, отсутствию огнеупорной футеровки, возможность переплавлять активные металлы и тугоплавкие (вольфрам, ниобий). К недостаткам печей относится повышенный расход электроэнергии, сложность и дороговизна установок.

Электроннолучевые установки разделяются на: а) установки с осевыми пушками и б) установки с кольцевым катодом. Принцип устройства осевой электроннолучевой пушки показан на рис. 3. Основной катод 2 нагревается от вспомогательного элек­трода 1 электронной бомбардировкой. Вспомогательный катод разогревается пропусканием по нему тока. Между основным и вспомогательным электродом прикладывается небольшая раз­ность потенциалов для разгона электронов. Благодаря «бомбарди­ровке» электронами основной катод, изготовленный из Мо или W, нагревается до высокой темпера­туры. С его поверхности проис­ходит мощная термоэлектронная эмиссия - излучение электронов. Вокруг катода 2 расположен фо­кусирующий электрод 3, на ко­торый подают слабый отрица­тельный заряд. Он фокусирует электронный поток в отверстие анода 4. Между катодом и ано­дом прилагается разгоняющее напряжение до 30 кВ, которое сообщает электронам большую дополнительную энергию. Ниже анода располагается трубка лучепровода 5, вокруг которого расположена фокусирующая сис­тема 6, собирающая пучок элек­тронов в узкий луч и фокусиру­ющая его на нагреваемом объек­те. Далее следует отклоняющая система 7, направляющая луч 8

Рис. 3. Схема осевой электронно­лучевой пушки:

1 - вспомогательный катод;

2 - основной катод;

3 - управляющий электрод;

4 - анод; 5 - лучепровод;

6 - фокусирующая система;

7 - отклоняющая система;

8 - электронный луч;

9 - объект нагрева - металл

любое место заготовки 9 или сообщающая лучу движение по по­верхности расплавленной заготовки по определенной траектории, например, по кругу, спирали Архимеда и т. п. Отклоняющая и фо­кусирующая системы представляют собой электромагнитные ка­тушки, создающие управляемое магнитное поле. Взаимодействие магнитного поля с электронным пучком оказывает нужное воз­действие на пучок. Для нагрева и проплавления шихты равномер­но распределяют энергию пучка по нагреваемому концу заготовки или по шихте, загруженной в тигель.

Электронная плавильная установка состоит из камеры, внутри которой расположен либо медный водоохлаждаемый кри­сталлизатор с устройством для вытягивания слитка, либо медная водоохлаждаемая чаша - тигель для плавки в гарнисаже. Разливка осуществляется наклоном чаши. Плавку ведут при давлении 10~² — 10~³ Па. Заготовку круглого или квадратного сечения подают в печь сверху по оси кристаллизатора, либо сбоку горизонтально. На рис. 4 представлена схема крупнейшей в мире печи ЕМО-1200, с пушкой мощностью до 1700 кВт, в которой можно вы­плавлять слитки массой до 11 т.

Рис. 4. Схема электроннолучевой печи ЕМО - 1200:

/ - рабочая плита; 2 - шиберы; 3 - заготовка; 4 - электронная пушка; 5 - вакуумная камера;

б - кристаллизатор;

7 - механизм вытягивания слитка; 8 – слиток.

Камера печи имеет два боковых шлюза, через которые про­изводится подача заготовки массой до 1 т. Электронный пучок имеет программированное синусоидальное отклонение по поверх­ности жидкой ванны.

Другим видом электроннолучевых установок являются ус­тановки с кольцевым катодом, рис. 5.

Рис. 5. Схема электроннолучевой печи с кольцевым катодом:

/ - заготовка; 2 - катод; 3 - фокусирующий электрод;4 - кристаллизатор; 5 - слиток

Вольфрамовый кольцевой катод располагается в непосред­ственной близости от переплавляемой заготовки. Катод разогрева­ется током от накального трансформатора до 2000-2500 °С. Фоку­сирующий электрод - экран - направляет поток электронов на за­готовку и на ванну металла в кристаллизаторе. Между катодом и заготовкой прикладываКУГ разгоняющее напряжение. Эти установ­ки удобны для выплавки больших слитков, однако вследствие близкого расположения катода к расплавленному металлу на нем осаждаются капли металла и брызги, что приводит к преждевре­менному выходу катода из строя.