yandex.metrica
Печи цветной металлургии

Электроннолучевые печи

В электроннолучевых печах плавят вольфрам, молибден, ниобий, тантал, цирконий, уран, высококачественную сталь и другие металлы. Большая открытая поверхность ванны металла, высокая температура и вакуум создают условия лучшие, чем при ДВП, для испарения примесей из металла и удаления растворенных газов.

Электроннолучевые печи различаются по типу элек­тронной пушки (кольцевые, радиальные, аксиальные и магнетронные), а также по назначению: для получения слитков, литья, зонной перекристаллизации, термиче­ской обработки.

Варианты плавильных электроннолучевых установокНа рис. 174 показаны схемы плавильных устройств с использованием аксиальной и кольцевой пушек для получения слитков в водоохлаждаемом кристаллизаторе. В плавильных устройствах, показанных на рис. 174, а, б, нагрев производится аксиальными пушками, располагае­мыми по вертикальной оси установки и под углом к вер­тикали соответственно. В последнем случае для большей равномерности плавления и увеличения скорости пере­плава может применяться несколько пушек, установлен­ных по окружности. Переплавляемый слиток располага­ется наклонно так, чтобы конец его обогревался электронным лучом и оплавлялся, стекая в ванну крис­таллизатора. Пучок электронов одновременно со слит­ком подогревает и металл в ванне. В качестве загрузки могут быть использованы слитки или спрессованные по­рошки и скрап (рис. 174, а и в), а также кусковой мате­риал в виде скрапа, гранул, порошка, подаваемые в печь равномерно из бункера (рис. 174, б). Печи с кольцевыми пушками (рис. 174, в) используют в качестве анода ме­талл в кристаллизаторе и переплавляемый слиток. Поток электронов здесь разветвляется на слиток и металл в ванне кристаллизатора. Кольцевой катод находится внутри фокусирующего электрода, что позволяет сконцентрировать пучок элек­тронов на ванне металла и частично предохранить катод от быстрого разру­шения брызгами металла.

Схема электроннолучевой установки для получения отливокДля получения отли­вок плавление металла может производиться также в водоохлаждае­мом тигле с образованием защитного гарниссажа на стенках (рис. 175). Для нагрева используют преимущественно аксиальные пушки 1. Расплавленный металл выливается наклоном тигля 2. Отдельная пушка ставится для подогрева сли­вающегося металла. Применяется также выпуск метал­ла через донное отверстие в тигле 3. Специальная пушка прожигает гарниссаж.

Для получения металлов высокой чистоты широкое распространение находит метод зонной перекристалли­зации. Метод основан на том, что вдоль слитка с неболь­шой скоростью проходит узкая расплавленная зона. Примесь, имеющая большую растворимость в расплаве, концентрируется в зоне и оттесняется к концу слитка. Начало закристаллизовавшегося слитка получается бо­лее чистым. Таким свойством обладает большинство примесей. Некоторые примеси, наоборот, имеют боль­шую растворимость в твердом материале. Это приводит к тому, что концентрация примеси к концу слитка убы­вает. Особенно эффективен процесс зонной перекристал­лизации в бестигельном варианте, когда расплавленная зона создается в вертикально расположенном слитке и благодаря силам поверхностного натяжения удержива­ется от растекания. В этом случае исключено загрязне­ние от контейнера, в котором плавится металл. Для зон­ной очистки тугоплавких металлов успешно использует­ся электроннолучевой нагрев (рис. 176)Схема электроннолучевого нагрева  при бестигельной зонной плавке с кольцевыми пушками, в которых нагретое вольфрамовое кольцо соз­дает равномерный поток электронов в сторону металла. Слиток (или пушка) перемещается по вертикали и вра­щается. Для защиты катода от испаряющихся примесей используются формирующие электроды, позволяющие увеличить срок службы катода. Формирующий электрод (экран) имеет потенциал катода и при водяном охлаж­дении практически устраняет попадание паров металла на катод.

Электроннолучевой нагрев нашел широкое примене­ние для распыления металла перед нанесением его на другой материал в виде пленок и тонких слоев в напы­лительных установках различного типа.

Пример установки с использованием радиальных пу­шек конструкции Института электросварки показан на рис. 177. Печи изготавливаются для получения слитков диаметром до 380 и длиной до 1200 мм. Мощность 10 ра­диальных пушек 500 кВт, ускоряющее напряжение 14—17 кВ. Вертикальная заготовка 8 переплавляется при опускании вниз специальным механизмом 6. Готовый слиток вытягивается штоком 14 и разгружается ма­нипулятором 12. Для создания вакуума используются паромасляные диффузионные и бустерные насосы и ме­ханический форвакуумный насос. Вместо паромасляных насосов могут быть использованы двухроторные.Электроннолучевая плавильная установка с радиальными пушками

Созданы конструкции печей, мощность которых до­стигает 7,5 МВт при ускоряющем напряжении 30 кВ. На такой печи можно получить слитки диаметром до 2,0 и длиной до 4,0 м (масса до 100 т).

Показатели работы электроннолучевых печей зави­сят от выбранной температуры перегрева поверхности металла и продолжительности выдержки металла при этой температуре. Перегрев должен быть оптимальным, так как эффективность очистки при слишком высоком перегреве может снизиться. С повышением температуры растут потери тепла излучением с поверхности металла и передача тепла теплопроводностью по слитку и к стен­кам кристаллизатора. Изменения подводимой к металлу удельной мощности в зависимости от температуры его перегрева приведены в табл. 11. Из таблицы видно, что потребляемая мощность растет много быстрее, чем отношение температуры жидкого металла к его темпе­ратуре плавления (tж.м/tпл).

Зависимость мощности  электроннолучевой установки от перегрева металла

Электрический к. п. д. всей установки (ηэ) опреде­ляется значением к. п. д. преобразователя (ηпр), элек­тронной пушки (ηэ.п) и преобразования кинетической энергии ускоренных электронов пучка в тепло (ηп) : ηэ= ηпрηэ.пηп

Обычно ηпр достаточно велико и составляет 0,85—0,95; ηэ.п для аксиальной пушки большой мощности 0,96—0,98; ηп зависит от потерь на рентгеновское излу­чение (около 0,1%), ионизацию паров металла (3—5%), на вторичный и отраженный поток электронов, завися­щий от заряда атомного ядра (порядкового номера) эле­мента Z. Для титана (Z=22) ηп=0,92, а для урана (Z=92) ηп=0,76. Электрический к. п. д. всей установки колеблется от 0,6 до 0,8.

Малое значение теплового к. п. д. установок электрон­нолучевого нагрева приводит к тому, что удельный рас­ход электроэнергии при плавке металлов высок и со­ставляет для молибдена 8—15, ниобия 7—10, тантала 6—30, циркония 2—4, вольфрама 20—40 кВт-ч/кг.

Совершенствование технологии плавки и конструк­ции электроннолучевых печей должно привести к умень­шению удельного расхода электроэнергии.

0

Нажмите здесь, чтобы оставить комментарий