Электронно-лучевые установки

Принцип электронно-лучевого нагрева

Одновременно с ВДП с середины 50-х годов для глубокого рафинирования стали и сплавов применяют установки электронно-лучевого переплава (ЭЛП). В этих установках металл нагревается потоком электронов, генерируемым специальным устройством — электронной пушкой.

На пути от источника электронов до поверхности нагреваемого объекта электроны разгоняются электрическим полем до скорости 50...100 тыс. км/с. При встрече с поверхностью металла поле движущегося электрона вызывает возмущение поля ионов в узлах решетки металла, в результате чего усиливается колебательное движение ионов, т. е. повышается температура металла, а электроны тормозятся.

Глубина проникновения электрона в металл определяется энергией падающего электрона. Электронный нагрев является ярко выраженным поверхностным нагревом, а передача тепла основной массе металла осуществляется теплопроводностью или конвекцией. Но при проникновении электронов в металл не вся их энергия передается металлу. Средняя доля энергии, уносимой отраженными электронами, составляет 35 ... 45 % первоначальной энергии. При резком торможении электронов часть их энергии теряется также в виде излучения.

В электронных плавильных установках мощность потерь на рентгеновское излучение не превышает 0,5 % мощности электронного луча, и при оценке тепловой работы установок ее можно не учитывать. Однако с увеличением ускоряющего напряжения мощность излучения быстро возрастает, и при напряжениях > 20 кВ рентгеновское излучение может представлять опасность для обслуживающего персонала. При напряжениях > 50 кВ защита обслуживающего персонала от излучения становится очень сложной, поэтому установки с таким ускоряющим напряжением не строят.

Потери энергии луча на пути к поверхности металла зависят от длины пути, силы тока луча, скорости электронов и давления.

Типы электронно-лучевых плавильных установок

Первоначально электронно-лучевая плавка появилась и развивалась как процесс капельного переплава заготовок. Капельная электронно-лучевая плавка может осуществляться с вертикальной или горизонтальной подачей расходуемой заготовки (рис. 85, а, б).

Более универсальной является электронно-лучевая плавка с переливом (рис. 85, в), при которой плавление ведется в медной водоохлаждаемой ванне, откуда расплав непрерывно переливается в водоохлаждаемый кристаллизатор. При этом процессы плавления, рафинирования и кристаллизации разделены и для каждого из них могут быть обеспечены наиболее благоприятные условия. Известные три типа установок: с кольцевым катодом, радиальной или аксиальной пушкой.

В установках с кольцевым катодом источником электронов является кольцо из вольфрамовой проволоки, через которую пропускают переменный ток. Между катодом и переплавляемой заготовкой, а также между катодом и ванной металла в кристаллизаторе прикладывают ускоряющее напряжение, подключая катод и металл к полюсам высоковольтного выпрямителя. Эмиттированные разогретым катодом электроны формируются фокусирующим устройством в электронный луч и направляются на поверхность расплавляемой заготовки и жидкой ванны в кристаллизаторе.

Достоинство установок с кольцевым катодом заключается в простоте конструкции излучателя электронов. Кроме того, по сравнению с другими типами установки с кольцевым катодом отличаются и более высоким к. п. д. Недостатки их работы обусловлены в основном двумя причинами: 1. Ввиду близкого расположения катода от поверхности нагреваемого металла в случае повышенного газовыделения или испарения электронный разряд легко переходит в дуговой. Появление высоковольтной дуги может привести к выходу из строя катода и электрооборудования установки.
2. Близкое расположение катода от жидкого металла обусловливает попадание на катод паров переплавляемого металла, это приводит к его перегоранию.

В настоящее время используются установки более совершенных типов. Схема плавильных установок с радиальными пушками (устройствами для формирования электронного луча) аналогична схеме установки с кольцевым катодом. Отличие заключается в том, что катод выполняют не в виде единого кольца, а расчлененным на несколько участков, работающих параллельно, и положительный потенциал прикладывается не к нагреваемому объекту, а к специальному ускоряющему электроду — аноду.

Для увеличения надежности работы радиальных пушек в конструкции предусмотрена возможность отклонения электронного луча магнитной системой на 60°. Это исключает прямое попадание на электроды брызг и паров металла и одновременно увеличивает технические возможности установки, так как, изменяя угол отклонения луча, можно на одной и той же установке выплавлять слитки различных диаметров.

При выходе из строя катода одного элемента в установках с радиальной пушкой можно продолжать плавку на оставшихся элементах. Исходя из этого, целесообразно иметь возможно большее число элементов.

Стремление сделать электронную пушку независимой от плавильного объема привело к появлению печей с аксиальными пушками, в которых в отличие от установок с кольцевым катодом и с радиальной пушкой формируется не плоский, а конусообразный электронный луч. У мощных аксиальных пушек имеется массивный катод косвенного подогрева, разогреваемый до рабочей температуры в результате бомбардировки его электронами, эмиттируемыми вспомогательным катодом накального типа. Рабочая поверхность основного катода имеет форму вогнутой линзы, благодаря чему формируется сходящийся электронный луч.

На выходе из лучевода располагают систему электромагнитного отклонения, обеспечивающую отклонение луча в нужном направлении до 180°.

Установки с аксиальными пушками могут иметь одну или несколько пушек.

Конструкция электронно-лучевых плавильных установок

При сравнительно небольшом числе действующих электронно-лучевых плавильных установок их конструкции весьма разнообразны. Это обусловлено, в частности, использованием электронных пушек разных типов.

Они имеют ряд узлов одинакового назначения: электронные пушки, источники питания, плавильные камеры, кристаллизаторы, механизмы подачи и выдачи слитков, системы вакуумирования, охлаждения и др.

Электронные пушки радиального типа в располагают вокруг вертикально подаваемой заготовки. Пушки оборудованы системой электромагнитов для отклонения электронных лучей и колебания их с частотой 50 Гц. Регулируя угол отклонения и амплитуду колебания лучей, добиваются нужного распределения мощности между поверхностью переплавляемой заготовки и жидкой ванной в кристаллизаторе, что позволяет независимо изменять скорости плавления и кристаллизации и, таким образом, управлять процессами рафинирования.

Источником питания электронных пушек служит тиратронный выпрямитель, который включает регулятор мощности электронного луча и элементы защиты от коротких замыканий.

Плавильная камера предназначена для размещения переплавляемой заготовки, электронных пушек и кристаллизатора. Для удобства чистки внутренняя поверхность камеры должна быть гладкой с минимальным числом труднодоступных мест. Камера снабжена патрубками. При помощи одного или двух из них камера сообщается с вакуумной системой, а один патрубок закрывается съемной крышкой и служит люком для доступа внутрь камеры обслуживающего персонала.

Для защиты обслуживающего персонала от излучений стенки рабочей камеры должны быть изготовлены из стали толщиной 10...15 мм, а смотровые окна защищены специальными стеклами толщиной ? 40 мм. Стенки рабочей камеры воспринимают тепловое излучение с поверхности заготовки и жидкой ванны в кристаллизаторе, поэтому их охлаждают водой.

Кристаллизатор в установках ЭЛП должен удовлетворять тем же требованиям, что и в установках ВДП, поэтому и конструкции кристаллизаторов подобны. Однако вследствие сложности изменения фокусировки электронного луча жидкий уровень ванны в кристаллизаторах установок ЭЛП должен быть постоянным. В связи с этим в установках ЭЛП применяют укороченные кристаллизаторы, из которых слиток по мере наплавления вытягивают специальным механизмом. Для предотвращения перегрева гильзы и во избежание деформации кристаллизатора необходимо обеспечить интенсивное водяное охлаждение.

Для уменьшения локального перегрева кристаллизатора внутреннюю гильзу изготавливают из медного или бронзового листа большой толщины.

Острофокусированный электронный луч при случайном отклонении способен быстро (за 10...20 с) прожечь верхний фланец кристаллизатора. Для защиты фланца кристаллизатора от прожигания над ним устанавливают экран из тугоплавкого металла. Механизм вытягивания слитка представляет собой водоохлаждаемый шток с закрепленной на нем затравкой, проходящий через вакуумное уплотнение под печь, где он соединен с приводом вытягивания. Слиток вытягивают в водоохлаждаемую камеру, которую можно отделять от плавильной вакуумным затвором и выкатывать из-под печи. В этом случае для непрерывной работы установку необходимо комплектовать двумя однотипными механизмами вытягивания, работающими поочередно.

Механизм подачи расходуемой заготовки на установках с вертикальным расположением заготовки подобен аналогичному механизму, используемому в ВДП.

Системы вакуумирования электронно-лучевых установок являются самыми сложными и мощными по сравнению с электропечами других систем.