Электронно-лучевые установки.
В последние годы все большее применение в металлургии находят электронно-лучевые пушки высоковольтного тлеющего разряда с холодным катодом (ВТР), в которых эмиссия свободных электронов из катода обеспечивается его бомбардировкой ионами водорода из тлеющего разряда. Отличительной чертой этих пушек является простота конструкции и возможность работы в вакууме 0,1-10Па.
Основным достоинством электронно-лучевого нагрева является возможность независимо от процесса плавления плавно и в широких пределах изменять мощность вкладываемого тепла и конфигурацию зоны нагрева.
Классической схемой электронно-лучевой плавки является капельная плавка, при которой заготовка переплавляется непосредственно в медный водоохлаждаемый кристаллизатор, где происходит затвердевание металла.
Конструктивно любая электронно-лучевая установка состоит из следующих основных частей (рис. 2):
1) вакуумная камера;
2) электронно-лучевые пушки;
3) источник высокого напряжения и система управления разверток лучей;
4) вакуумная система;
5) система загрузки сплавляемой заготовки, которая подает расходуемую заготовку в зону плавки;
6) технологическая оснастка установки, включающая в себя при прямом переплаве кристаллизатор с поддоном;
7) механизм вытягивания слитка.
Рис. 2. Принципиальная схема электронно-лучевой установки.
Так как жидкий металл имеет высокую температуру и интенсивно излучает тепло, для защиты от перегрева стенки вакуумной камеры и технологические узлы установки охлаждаются проточной водой.
Под влиянием бомбардировки ускоренными электронами осуществляется нагрев и плавление торца расходуемой заготовки, а расплавленный металл стекает при этом в водоохлаждаемый медный кристаллизатор, где создается ванна жидкого металла, подогреваемая электронными лучами. По мере плавления расходуемой заготовки осуществляют вытягивание формируемого слитка со скоростью, обеспечивающей поддержание постоянного уровня жидкой ванны в кристаллизаторе.
Важной составной частью электронно-лучевой установки является высокопроизводительная вакуумная система, от которой зависит эффективность работы электронно-лучевых пушек. Вакуумная система включает в себя последовательно соединённые высоковакуумные диффузионные или бустерные паромасляные насосы и механические форвакуумные насосы, а также вакуумные затворы и систему управления.
Значительный прогресс в развитии электронно-лучевой металлургии был достигнут в 80-х годах прошлого века, когда промышленное применение нашли технологические схемы электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью (рис. 3). По данной схеме плавление металла осуществляют в промежуточную емкость, в которой происходит рафинирование металла и усреднение его химического состава, а затем жидкий металл сливают в кристаллизатор, где происходит формирование слитка. Применение промежуточной емкости позволило практически полностью разделить процессы плавления и рафинирования, которые протекают в промежуточной емкости, и процессы затвердевания металла в кристаллизаторе. Это дало возможность более полно использовать такое преимущество технологии электронно-лучевой плавки, как гибкость и управляемость источника нагрева, и, создавая на поверхности слитка температурные поля специального профиля, управлять процессами кристаллизации. При ЭЛП с промежуточной емкостью не предъявляют особых требований к формированию расходуемой заготовки. В качестве переплавляемого материала могут быть использованы слитки, брикеты, гранулы, губка, а также различные отходы металлургических производств и механической обработки. Все эти особенности технологии ЭЛП с промежуточной емкостью обусловили ее широкое применение при выплавке слитков титана.
Основной тенденцией в развитии оборудования для электронно-лучевой плавки является создание больших многофункциональных электронно-лучевых установок мегаватного класса, рассчитанных на выплавку слитков весом 8 тонн и более. Электронно-лучевые установки последнего поколения позволяют за счет достаточно простой операции замены технологической оснастки осуществлять практически все технологические схемы электронно-лучевой плавки.
Благодаря возможности программного сканирования электронного луча по поверхности металлической ванны форма поперечного сечения кристаллизатора и, следовательно, формируемого слитка может быть различной (круглая, прямоугольная, квадратная и, при необходимости, другой более сложной формы).
Возрастающие требования к качеству металла, а также последние достижения в повышении надежности работы электронно-лучевого оборудования и его автоматизации обуславливают все более широкое применение технологии электронно-лучевой плавки на металлургическом переделе титана. На рубеже XX и XXI веков были введены в эксплуатацию новые электронно-лучевые печи для выплавки титановых слитков в США (фирмы TIMET, Allegheny Technologies Inc.) и Украине (Институт электросварки им. Е.О. Патона, ООО "ФИКО", МК "АНТАРЕС"). Активно используются электронно-лучевые технологии получения высококачественных слитков титана в России (Южно-Уральский металлургический комбинат, НПО "Композит"), Японии (TOHO Titanium). Ведется строительство новых электронно-лучевых печей для плавки губчатого титана и титанового лома в США (TIMET), Китае (Баоцзи), Японии (TOHO Titanium), Украине (Институт электросварки им. Е.О. Патона, МК "АНТАРЕС", ООО "Стратегия БМ").
Общая годовая производственная мощность выпуска титановых слитков методом ЭЛП в ближайшее время составит более 50 тыс. тонн. Это обусловлено тем, что основанная на использовании электронного луча как источника нагрева технология электронно-лучевой плавки получила в последние годы надежную техническую реализацию в виде современных высокопроизводительных и эффективных электронно-лучевых установок конструкции фирм Германия, США, Украины, которые обеспечивают получение высококачественных слитков (слябов) титана и снижение себестоимости металлургического передела титана.