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:
- переплав литых и деформированных заготовок (электродов) и шихты любого вида;
- получение в водоохлаждаемом кристаллизаторе слитков и фасонных отливок;
- 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:
- регулировать распределение мощности между переплавляемой заготовкой и жидкой ванной;
- концентрировать электронный луч на поверхности жидкой ванны;
- нагревать металл до любой температуры;
- 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. 1, а) излучателем электронов является кольцо из вольфрамовой проволоки, через которое пропускают переменный ток от накального 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 большей 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.
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. 1, б).
Рабочую поверхность основного катода таких печей выполняют в виде вогнутой линзы, благодаря чему формируют сходящийся электронный луч. На выходе из лучевода располагают систему электро-магнитного 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.
