Оборудование и технология электронно-лучевой горнисажной плавки

Введение

Современный уровень развития различных отраслей промышленности диктует определённые требования к производству металлов и сплавов. Конкурентоспособность технологий и продукции обеспечивается за счет получения высококачественных изделий и полуфабрикатов с низкой себестоимостью, которая, в свою очередь, зависит от количества затраченных энергоресурсов и безвозвратных потерь.
Экономически выгодной альтернативой для производства различных изделий может быть качественное литье с контролируемым комплексом структурно-механических свойств получаемого продукта. Такие цели достигаются при комплексном подходе использования принципов структурной наследственности, физической обработки расплавов, модифицирования, контролированной кристаллизации и т.д.
Титан и сплавы на его основе относятся к ряду современных и наиболее перспективных материалов в машиностроении, энергетике, авиакосмической промышленности, медицине, архитектуре и прочих сферах. Получение титана и его сплавов, не смотря на свою важность, относительно небольшую историю и значительную перспективность, не ограничивается «нано»-производственными мощностями, а является полноценным промышленным звеном государственной промышленности.
Электронно-лучевое воздействие на металлы, приводящее к их нагреву, плавлению и испарению, как новое технологическое направление в области обработки материалов интенсивно развивается с середины XX в.
Следовательно, получение дешевых и качественных готовых изделий и полуфабрикатов из титана и его сплавов можно рассматривать как важную промышленную задачу.


1.Техника и технология электронно-лучевой плавки
Впервые возможность плавить металл электронным лучом была доказана еще в конце прошлого века. Первые слитки чистого тантала и других металлов, выплавленные с помощью электронно-лучевого нагрева, были получены в начале XX века. Однако только в 50-х годах бурное развитие аэрокосмической и атомной техники, для которых требовались качественно новые конструкционные материалы, привело к разработке и промышленному использованию электронно-лучевых технологий (плавка, сварка, нанесение покрытий и т. п.). С тех пор объемы выплавляемого методом ЭЛП металла непрерывно возрастают. Возрастающее использование технологии ЭЛП обусловлено исключительно высоким качеством металла, часто не достигаемом другими методами плавки.
Классической схемой электронно-лучевой плавки является прямой переплав расходуемой заготовки непосредственно в медный водоохлаждаемый кристаллизатор, где происходит затвердевание металла (рис. 1).

Рисунок 1- Принципиальная схема электронно-лучевой установки: 1 —вакуумная камера с водоохлаждаемым кожухом; 2 — электронные пушки; 3 — источник высокого напряжения и система управления разверток лучей; 4 — система загрузки сплавляемой заготовки; 5 — вакуумная система; 6 — технологическая оснастка; 7 — механизм вытягивания слитка; 8 — поддон; 9 — слиток

Рисунок 2- Технологические схемы электронно-лучевой плавки непосредственно в кристаллизатор: а — ЭЛП с вертикальной подачей расходуемой заготовки; б — ЭЛП с горизонтальной подачей расходуемой заготовки
В настоящее время существует большое количество технологических схем электронно-лучевой плавки как непосредствен но в кристаллизатор (рис. 2), так и с применением промежуточной емкости (рис. 3).
Использование этих технологических схем позволяет подавать в зону плавки расходуемую заготовку и вертикально, и горизонтально, а также переплавлять нескомпактированную шихту. Особенно перспективными представляются технологические схемы электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью, которые позволяют практически полностью разделить процессы плавления и рафинирования, протекающие в промежуточной емкости, и затвердевания металла в кристаллизаторе. А это, в свою очередь, дает возможность более полно использовать одно из преимуществ процесса ЭЛП — плавное и в широких пределах изменение мощности электронного пучка и конфигурации зон нагрева. Создавая на поверхности слитка или расплава в кристаллизаторе температурные поля специального профиля, можно эффективно влиять на процессы кристаллизации металла.
Различные схемы плавки, кроме конструкционных, имеют и технологические особенности. Так, вертикальная подача расходуемой заготовки снижает потери металла на испарение и улучшает условия рафинирования, а горизонтальная подача расходуемой заготовки расширяет технологические возможности установки, снимая требования к механической прочности электрода, что позволяет использовать даже нескомпактированную шихту.

Рисунок 3- Технологические схемы электронно-лучевой плавки с промежуточной емкостью: а —- ЭЛП с горизонтальной подачей одной расходуемой заготовки; б — ЭЛП с одновременной подачей трех расходуемых заготовок
Кроме переплавных процессов, перспективна также технология электронно-лучевой гарнисажной плавки и литья, при которой накопленный в специальной емкости металл сливается не в проходной кристаллизатор, а в фасонные формы. При этом для увеличения объема сливаемого металла, как правило, используют дополнительный индукционный нагрев и электромагнитное перемешивание жидкого металла. Основная тенденция в развитии оборудования для реализации технологии ЭЛП — создание больших многофункциональных электронно-лучевых установок мегаваттного класса, рассчитанных на выплавку слитков весом 5 тонн и более.
2. Особенности электронного нагрева
Электронно-лучевой нагрев происходит за счет превращения кинетической энергии электронов, разгоняемых в электрическом поле до высоких скоростей, в тепловую энергию при торможении электронов о поверхность твердого тела или жидкого металла. При этом часть электронов отражается, остальная часть поглощается металлом, кинетическая энергия поглощенных электронов преобразуется в тепловую и энергию рентгеновского излучения.
Поток электронов создается специальным устройством -электронной пушкой, в которой имеется катод, являющийся источником электронов. Вылетающие из нагретого вольфрамового катода пушки электроны ускоряются в поле высокого напряжения (20-40 кВ), приложенного между катодом и анодом. Необходимая для нагрева металла плотность потока электронов достигается с помощью фокусирующей электромагнитной системы пушки. Таким образом, в электронной пушке происходит испускание, ускорение и фокусирование электронов в плотный пучок, называемым электронным лучом.

Рисунок 4- Схема явлений, происходящих при электронно-лучевом нагреве металла
При столкновении электронов с поверхностью не вся их энергия передается металлу, т.е. преобразуется в теплоту (рис. 4). Часть электронов отражается, унося с собой часть энергии, потери мощности электронного луча в результате отражения электронов могут достигать 20 % мощности бомбардирующего электронного пучка. Но наиболее заметные потери мощности могут происходить на пути электронного пучка от катода до поверхности металла. Эти потери слагаются из потерь энергии отдельных электронов при столкновении их с частицами газа и потерь, возникающих в результате взаимодействия электронного пучка в целом с ионизированным остаточным газом.
Потери энергии электронного луча происходят как на пути следования его от катода к нагреваемой поверхности, так и непосредственно при бомбардировке металла (рис

. 4)
Глубокий вакуум и высокая плотность энергии в электронном луче определяют специфику электронно-лучевой плавки (ЭЛП) как способа получения особо чистых металлов и сплавов. Как известно, в вакууме интенсивно развиваются многие реакции дегазации, раскисления, восстановления и испарения летучих примесей, которые при атмосферном давлении не протекают. Возможность нагрева поверхности ванны до более высоких температур, чем при индукционной и электродуговой плавках, также способствует развитию процессов рафинирования при ЭЛП, благодаря этому ЭЛП позволяет максимально рафинировать расплав и получать металл самого высокого качества
3. Конструкции электроннолучевых плавильных установок (ЭЛУ)
Конструкции электроннолучевых плавильных установок (ЭЛУ) могут быть отнесены к одному из следующих типов:
установки с кольцевым катодом;
установки с радиальной пушкой;
установки с аксиальной пушкой;
установки с плазменным катодом;
установки с магнетронными пушками.
Рассмотрим некоторые установки более подробно их устройство и работу.


3.1 Установки с кольцевым катодом
В установках с кольцевым катодом (рис. 5) источником электронов является кольцевой катод, представляющий собой кольцо из вольфрамовой проволоки 1, через которое для увеличения электронов пропускают переменный ток от накального трансформатора. Между катодом 1 и переплавляемым электродом 2, а также между катодом 1 и жидкой ванной металла 5 в кристаллизаторе 4 прикладывают рабочее напряжение, подключая катод и металл к полюсам высоковольтного выпрямителя. Эмитированные катодом электроны формируются окружающим катод фокусирующим устройством 3 (экраном) в электронный луч6 и направляются на поверхность расплавляемого электрода 2 и жидкой ванны 5 кристаллизующегося слитка 7. Известные в настоящее время ЭЛУ этого вида имеют мощность N = 60 ÷ 225 кВ и рабочее напряжение U раб= 4÷12 кВ, они применяются в основном для выплавки слитков туго-плавких металлов диаметром до 100 мм.

Рисунок 5- Схема ЭЛУ с кольцевым катодом: 1 – кольцевой катод;2 – расходуемый электрод;3 – фокусирующее устройство(экран);4 – кристаллизатор водоохлаждаемый;5 – жидкая ванна;6 – электронный луч;7 – закристаллизовавшийся слиток;8 – плавильная камера
Так как жидкий металл имеет высокую температуру и интенсивно излучает тепло, для защиты от перегрева стенки вакуумной камеры и технологические узлы установки охлаждаются проточной водой
Под влиянием бомбардировки ускоренными электронами осуществляется нагрев и плавление торца расходуемой заготовки, а расплавленный металл стекает при этом в водоохлаждаемый медный кристаллизатор, где создается ванна жидкого металла, подогреваемая электронными лучами. По мере плавления расходуемой заготовки осуществляют вытягивание формируемого слитка со скоростью, обеспечивающей поддержание постоянного уровня жидкой ванны в кристаллизаторе. Важной составной частью электронно-лучевой установки является высокопроизводительная вакуумная система, от которой зависит эффективность работы электронно-лучевых пушек. Вакуумная система включает в себя последовательно соединенные высоковакуумные диффузионные или бустерные паромасляные насосы, а также вакуумные затворы и систему управления.
Преимуществом установок с кольцевым катодом является простота конструкции излучателя электронов. Кроме того, по сравнению с другими установками, такие установки отличаются более высоким КПД (15-40 %),так как расход энергии на плавление в них на 10-15 % меньше. Объясняется это тем, что в установках с кольцевым катодом положительный потенциал приложен непосредственно к нагреваемому металлу, поэтому исключает отражение электронов от поверхности металла. Электрическое поле тормозит отраженные электроны и снова возвращает их к поверхности металла, что предотвращает унос энергии из зоны нагрева. В связи с этим установки такого типа иногда называют установками автоэлектронного нагрева.
3.2 Установки с магнетронной пушкой
Новым направлением в электронно-лучевом нагреве является применение магнетронных пушек, в которых пучок электронов формируется как в однородном, так и неоднородном магнитных полях. Возможность применения как радиальных, так и аксиальных и даже кольцевых катодов с большой рабочей поверхностью позволяет получать высокую проводимость магнетронных пушек (до 20 мкА/В1,5). Это дает возможность создания мощных цилиндрических или трубчатых электронных пушек. Они могут работать с однородным (рис. 6,а) или неоднородным (рис. 6,б ) формирующим магнитным полем.

Рисунок 6- Схема магнетронной пушки с однородным (а) и неоднородным магнитным полем (б) : 1 – вспомогательный катод;2 –фокусирующий электрод;3 – рабочий катод;4 – анод;5 – магнитная катушка формирующей системы;6 – магнитная катушка фокусировки
В этих пушках наложение магнитного поля на поток электронов приводит к их движению по винтовой траектории с переменным шагом, зависящим от разброса кинетической энергии. Подбором напряженностей магнитного и электрического полей можно установить радиус закруткиэ лектронов, исключающий попадание их на анод.
Таким образом, при той же мощности в магнетронной пушке можно снизить ускоряющее напряжение. Магнетронные пушки менее чувствительны к точности юстировки электродов и установки катода. Даже при перекосах и эксцентриситетах электродов электроны следуют за линиями индукции магнитного поля.

4. Классификация электронно-лучевых печей
Электронно-лучевые печи (ЭЛП) по технологическому назначению подразделяются на переплавные, рафинировочные и литейные. В переплавных установках плавка металла производится в кристаллизатор. В установках, предназначенных для фасонного литья в условиях вакуума, плавка металла проводится в тигель с гарнисажем из этого же металла. В рафинировочных установках, которые могут быть с промежуточной емкостью или холодным подом, плавка ведется одновременно в гарнисаж и кристаллизатор. По конструктивному признаку ЭЛП различают с вертикальной и горизонтальной (боковой) подачей переплавляемой заготовки. По виду переплавляемой заготовки ЭЛП делятся на использование сплошной заготовки (электрода) и в виде сыпучей (кусковой) шихты.

Рисунок 7- Схема ЭЛУ с аксиальной пушкой: а – вертикальная подача переплавляемой заготовки; б – горизонтальная подача;1 – плавильная камера;2 – аксиальная пушка;3 – кристал-лизатор;4 – слиток;5 – поддон;6 – шток для вытягивания слитков;7 – вакуумный патрубок;8 – переплавляемый металл;9 – электродо-держатель;10 – рольганг
Наиболее распространены в настоящее время ЭЛП с боковой и вертикальной подачей (рис.7) переплавляемой заготовки. Электронно-лучевая пушка может быть любой из рассмотренных. На рис. 8 приведен общий вид ЭЛП, предназначенной для выплавки стальных слитков в катализатор. В плавильной камере 10 размещаются переплавляемая заготовка 5, электронная пушка6 и кристаллизатор 11. Стенки камеры – двойные водоохлаждаемые. В камеру вварены патрубки 7 для соединения с ваку-умной системой. Установка предназначена для переплавки стали и получения слитка массой до 18 т.

Рисунок 8- Схема электронно-лучевой переплавной печи ЕМО-1200: 1 – рабочая плита; 2 – запорный вентиль; 3 – транспортер для подачи переплавляемого стержня; 4 –запорный вентиль; 5 – переплавляемая заготовка; 6 – электроннаяпушка; 7 – откачные патрубки; 8 – отклоняющая система; 9 – отклоняемый электронный пучок; 10 – плавильное пространство; 11 – кристаллизатор; 12 – устройство вытяжки слитка; 13 – устройство для транспортировки слитка; 14 ,15 – механизм вытяжки слитка; 16 – рабочий диффузионный насос; 17 – форвакуумный насос; 18 – двухроторный бустерный насос;19 – пол цеха
Заготовки 5, полученные в другом металлургическом агрегате, подаются с двух сторон горизонтально и переплавляются электронным лучом 9 в медный водоохлаждаемый кристаллизатор 11