Сталеплавильные процессы

Электроннолучевой переплав. Получение металла

Схема электронной пушки

Принцип работы установ­ки электроннолучевого переплава (ЭЛП) состоит в том, что пучок электронов большой мощности бомбардирует исходную металлическую шихту, металл расплавляется и заполняет медный водоохлаждаемый кристаллизатор. Установка ЭЛП оборудована электронной пушкой.

Схема электроннолучевой аксиальной пушкиНа рис. 110 представлена схема аксиальной электроннолучевой пушки. Основной массивный вольфрамовый катод, выполненный в виде диска, нагревается в результате бомбардировки электронами от вспомогательного катода, для чего между основным и вспомогательным катодом создается разность потенциалов 3—5 кВ. Раз­ность потенциалов (ускоряющее напряжение) накладывается также между основным катодом и анодом, что обеспечивает направленное движение электронов, выры­вающихся из основного катода вследствие термоэмиссии. Фокусировка электронного пучка осуществляется при по­мощи определенной формы поверхности катода, фокуси­рующего электрода и системы магнитных линз, пред­ставляющих собой катушки, по которым пропускают ток. Для равномерного расплавления шихты электронный пучок при помощи отклоняющей системы линз переме­щается по поверхности шихты либо по кругу в случае выплавки слитков небольшого диаметра, либо по слож­ной траектории, например спирали Архимеда, при пере­плаве крупных слитков.

При электроннолучевом переплаве важен правиль­ный выбор диаметра пятна электронов, которые падают на расплавленный металл. При слишком сильно сфоку­сированном пятне происходит частичное испарение заготовки, минуя стадию расплавления. Оптимальный диа­метр пятна, например, при диаметре кристаллизатора 800 мм составляет 180 мм.

Конструкция установки ЭЛП

Установка ЭЛПУстановка ЭЛП обо­рудована одной или несколькими электронными пушка­ми. На рис. 111 представлена схема установки ЭЛП с боковой подачей проплавляемой заготовки. Электронный пучок от пушки фокусируется на заготовку. Расплавляе­мый металл стекает в кристаллизатор, где наплавляется слиток. По мере наплавления слиток вытягивается вниз. Плавку обычно ведут при остаточном давлении 1,3 ÷ 0,13 сПа (10-4—10-5 мм рт. ст.). Для создания ваку­ума к камере печи присоединяется система вакуумирова­ния.

Высокопроизводительные установки ЭЛП разрабаты­ваются в Институте технической физики в ГДР (г. Дрез­ден). Одна из установок этого института системы ЕМО-6000 предназначена для выплавки слитков массой 100 т. Заготовки подают через боковые шлюзы. Ускоряющее напряжение в пушке равно 30 кВ•А, а анодная сила тока 250 А. Диаметр пятна электронного пучка равен 100— 800 мм. Электронный пучок имеет запрограммированное отклонение по синусоидальной кривой на поверхности ванны.

Если установка ЭЛП оборудована двумя электронны­ми пушками, одна из них расплавляет заготовку, вторая нагревает металл в кристаллизаторе.

Преимущества и недостатки установок ЭЛП

Основ­ные технологические преимущества электроннолучевого переплава перед вакуумным дуговым следующие:

  • возможность более широкого регулирования тем­пературы наплавляемого металла в кристаллизаторе, а следовательно, и возможность регулируемого пребывания металла в жидком состоянии:
  • возможность создания глубокого вакуума 1,33 мПа (10-5 мм рт. ст.) в связи с отсутствием дуги.

Однако при ЭЛП расход энергии в полтора-два раза выше, чем при ВДП, кроме того, в связи с глубоким ва­куумом и высокой температурой в пятне наблюдается большое испарение металла и особенно примесей с вы­сокой упругостью пара, например марганца и хрома. В эксплуатации установки ЭЛП сложнее, чем ВДП.

Выбор установок ЭЛП должен быть экономически обоснован с учетом прежде всего требований, предъяв­ляемых к качеству металла и возможности их выполне­ния при ЭЛП и ВДП.

Получение металла в установках ЭЛП

В установках ЭЛП, оборудованных шлюзами для переплавляемых за­готовок, подача заготовок может быть осуществлена без нарушения вакуума в рабочей камере. Последнюю опе­рацию в этом случае необходимо проводить только при извлечении слитка из кристаллизатора. Для качества наплавляемого слитка важным моментом является пра­вильно выбранная схема развертки электронного пятна, так как от этого зависит создание оптимальных условий кристаллизации слитка. Температура поверхностных слоев металла в кристаллизаторе в основном определя­ется удельной плотностью подводимой энергии и в мень­шей степени зависит от скорости плавления. Распреде­ление температуры по поверхности выплавляемого ме­талла зависит от характера развертки луча, например при развертке по спирали на глубине 10 мм температура металла оказалась равной 1725, 1697 и 1655° С в центре, на половине радиуса и на расстоянии 10 мм от края со­ответственно.

В процессе ЭЛП рафинирование металла происходит главным образом в результате дегазации и испарения примесей с открытой поверхности жидкого металла и в результате всплывания неметаллических включений. Испарение металла способствует удалению нежелательных цветных металлов до очень низких концентраций и, кроме того, эффективно снижается содержание азота. Од­нако при этом испаряются и легирующие элементы (мар­ганец, хром и др.). Скорость испарения определяется температурой поверхности ванны.

При сравнительно низкой температуре металла поте­ри на испарение составляют 2—4%, при более высокой температуре они возрастают до 5—7%, а при неправиль­ном режиме могут достигать >10%. Так, концентрация марганца при исходном ее значении 0,5—0,6% может понизиться в процессе ЭЛП до 0,1%.

В многопушечной установке ЭЛП в связи с более равномерным распределением температуры по поверхно­сти металла в кристаллизаторе испарение меньше, чем в однопушечной. Однако в многопушечных установках степень рафинирования металла меньше.