ЭЛП, сущность, условия рафинирования

Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) используют для получения ультрачистых металлов и сплавов. Способ заключается в том, что пу­чок электронов высокой мощности бомбардирует шихту, расплавля­ет ее и нагревает до высоких температур в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе при глубоком вакууме, т. е. при остаточном давле­нии 66,6 мПа (5-10^-4 мм рт.ст.).

Процесс ЭЛП обеспечивает:

Ø переплав литых и деформирован­ных заготовок (электродов) и шихты любого вида;

Ø получение в во­доохлаждаемом кристаллизаторе слитков и фасонных отливок;

Ø вы­держку жидкого металла при низком давлении длительное время при любой температуре, при этом достигается высокая степень дегазации и рафинирования металла.

В ЭЛП источником свободных электронов служит накаленная спираль или пластина, т. е. катод, с которого излучается поток элек­тронов (термоэлектродная эмиссия). Скорость электронов в элект­ромагнитном поле между катодом и анодом определяется формулой: v = 593\ U,

где U — разность потенциалов в ускоряющем поле. Электронный поток за анодом 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 металл нагревается и плавится. В качестве катодов ЭЛП используют вольфрам и молибден.

В отличие от ВДП, в электронных плавильных установках имеется возможность:

Ø регулировать распределение мощности между пере­плавляемой заготовкой и жидкой ванной;

Ø концентрировать элек­тронный луч на поверхности жидкой ванны;

Ø нагревать металл до любой температуры;

Ø выдерживать ванну в течение любого времени при значительных низких давлениях.

Слитки ЭЛП отличаются от слитков ВДП более ярко выраженной осевой кристаллизацией и большей степенью рафинирования метал­ла от примесей.

Электронные плавильные установки имеют разные конструкции излучающих устройств. Известны ЭЛП с кольцевым катодом, с ради­альной пушкой и с аксиальной пушкой. В ЭЛП с кольцевым катодом (рис. а) излучателем электронов является кольцо из вольфрамо­вой проволоки, через которое пропускают переменный ток от на-кального трансформатора.

К катоду, расходуемому электроду и ванне металла в кристаллиза­торе подводят ток от полюсов высоковольтного выпрямителя (положительный потенциал к металлу). Излучаемый поток электронов формируют окружающим катод фокусирующим устройством в элек­тронный луч, который направляют на поверхность расходуемого электрода и жидкой ванны в кристаллизаторе. Установки с кольце­вым катодом просты в изготовлении, имеют меньший (на 10-15%) удельный расход электроэнергии и более высокий к.п.д. Однако рас­пространения они не получили ввиду близкого расположения катода к поверхности нагреваемого металла и бьльшей вероятности (из-за повышенного газовыделения) перехода электронного разряда в дуго­вой, выводящий катод из строя, а также попадания на катод паров жидкого металла, снижающих его эмиссионную способность.

Более широкое распространение получили ЭЛП с радиальными пушками (устройствами для формирования электронного луча). От­личие их заключается в том, что катод изготовляют не в виде отдель­ного кольца, а расчлененным на несколько участков, работающих параллельно, и положительный потенциал прикладывают не к нагреваемому металлу, а к специальному ускоряющему электроду - аноду, в котором имеется узкая щель для прохождения электронного луча.

Рис Схема электронно-лучевой печи: а - с кольцевым катодом (1- рас­ходуемый электрод; 2 - кольцевой катод; 3 - экран; 4 - водоохлаждаемый кристаллизатор; 5- наплавляемый слиток); б-с аксиальной пуш­кой 1аксиальная пушка; 2 - переплавляемый металл, 3 - водоохлаждаемый кристаллизатор; 4- наплавляемый слиток)

Определение катода от плавильного пространства узкой щелью анода препятствует попаданию выделяющихся из металла газов и па­ров в объем формирования электронного луча, что повышает надеж­ность и срок службы катода. Еще большая независимость электрон­ной пушки от плавильного объема ЭЛП достигнута в печах с аксиаль­ными пушками, в которых, в отличие от установок с кольцевыми катодами и с радиальной пушкой, электронный луч формируется не плоским, а конусообразным (рис., б).

Рабочую поверхность основного катода таких печей выполняют в виде вогнутой линзы, благодаря чему формируют сходящийся элек­тронный луч. На выходе из лучевода располагают систему электро­магнитного отклонения, обеспечивающую поворот луча в нужном направлении. В промышленных печах с аксиальными пушками дли­на электронного луча достигает 1-2 м.

Это, а также собственная вакуумная система пушек, обеспечива­ющая остаточное давление в зоне формирования луча в пределах 0,666—1,333 мПа, исключают попадание в эту зону паров металла. Срок службы катодов в аксиальных пушках составляет сотни часов. Для промышленных печей используют аксиальные пушки разного типа, мощностью от 100 до 7500 кВт. ЭЛП получили распростране­ние в металлургии тугоплавких металлов и для рафинирующего пере­плава различных марок стали и сплавов.

Электронно-лучевую плавку применяют для получения очень чи­стых по кислороду, азоту и неметаллическим включениям сплавов, шарикоподшипниковой стали для скоростных подшипников, а так­же жаропрочных, коррозионностойких и прецизионных сплавов.

Работы по совершенствованию конструкций электронно-лучевых печей и технологического процесса осуществляют в направлении увеличения производительности, повышения к.п.д. и снижения сто­имости передела. В этой связи весьма перспективными представля­ются установки с, так называемым, холодным подом. Установки мо­гут работать в непрерывном цикле с подачей металлического полу­продукта и поддержанием оптимальных условий рафинирования расплава электронными пушками в отдельных зонах.