Материал: Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие.

метра определяются конструкцией установки и не могут быть изме­ нены произвольно. В одних и тех же установках величина потерь по длине луча определяется глубиной вакуума. При давлении оста­ точных газов 133 мПа (1 • 10" 3 мм рт. ст.) она может достигать 20— 30% мощности луча и резко возрастает с повышением давления. Исходя из этого электронную плавку целесообразно вести при давле­ нии менее 66,6 мПа (5-10“ 4 мм рт. ст.).

При низком давлении остаточных газов частицы в газовой фазе бывают представлены в основном парами металла. Концентрация паров определяется перегревом металла над температурой плавле­ ния. Увеличение перегрева повышает упругость паров, усиливает испарение и даже при низких давлениях остаточных газов значи­ тельно увеличивает энергетические потери луча.

По этой причине режим электронного нагрева должен удовлетво­ рять противоречивым требованиям; с одной стороны, металл целе­ сообразно сильнее перегревать, так как при этом увеличивается скорость рафинирования, с другой стороны, это приводит к росту потерь металла на испарение и ухудшает к. п. д. установки вслед­ ствие повышения потерь энергии на пути электронов к поверхности металла. В связи с этим необходимо в каждом конкретном случае выбирать оптимальный режим, разумно удовлетворяющий этим противоречивым требованиям.

Как и в вакуумных дуговых печах, рафинирование металла в элек­ тронных плавильных установках происходит в основном благодаря обработке каждой порции металла вакуумом и вследствие направлен­ ной кристаллизации наплавляемого слитка. Особенности электрон­ ного нагрева позволяют максимально использовать эти возможности рафинирования металла.

В отличие от дуговых вакуумных печей в электронных плавиль­ ных установках можно регулировать распределение мощности между переплавляемой заготовкой и жидкой ванной. Концентрируя элек­ тронный луч на поверхность жидкой ванны, металл легко можно перегревать до любой температуры и выдерживать в таком состоянии в течение любого времени при значительно более низких давлениях, чем в вакуумных дуговых печах.

Поверхностный характер нагрева в электроннолучевых плавиль­ ных установках обеспечивает большой градиент температур по глубине жидкой ванны наплавляемого слитка, позволяет получать значительный перегрев поверхностного слоя металла при малой глубине ванны и поддерживать более плоскую форму ванны, чем при ВДП. Поэтому слиток, наплавляемый в электронных плавиль­ ных установках, характеризуется более ярко выраженной осевой кристаллизацией, чем слиток ВДП. Это создает более благоприят­ ные условия для рафинирования металла и в процессе кристал­ лизации.

Таким образом, при ЭЛП устраняются причины, ограничивающие степень рафинирования металла при применении ВДП. Благодаря этому электронная плавка позволяет предельно рафинировать рас­ плав и получать металл самого высокого качества.

404

КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВЫХ ПЛАВИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

Все известные конструкции электронных плавильных установок могут быть отнесены к одному из трех типов:

1)установки с кольцевым катодом;

2)установки с радиальной пушкой;

3)установки с аксиальной пушкой.

Вустановках с кольцевым катодом (см. рис. 8, а) источником электронов является кольцо из вольфрамовой проволоки, через которое для увеличения эмиссии электронов пропускают переменный ток от накального трансформатора. Между катодом и переплавля­ емым электродом, а также между катодом и ванной металла в кри­ сталлизаторе прикладывают рабочее напряжение, подключая катод

иметалл к полюсам высоковольтного выпрямителя. Эмиттированные катодом электроны формируются окружающим катод фокусирующим устройством в электронный луч и направляются на поверхность расплавляемого электрода и жидкой ванны в кристаллизаторе.

Достоинство установок с кольцевым катодом заключается в про­ стоте конструкции излучателя электронов. Установки этого типа были первыми электронными плавильными установками, применен­ ными в 1958 г. в промышленных масштабах. Кроме того, по сравне­

нию с другими установки с кольцевым катодом отличаются и бо­ лее высоким к. п. д. — расход энергии на плавление металла в них на 10— 15% меньше, чем в установках других типов. Объясняется это тем, что в установках с кольцевым катодом положительный потенциал приложен непосредственно к нагреваемому металлу, и поэтому исключено отражение электронов от поверхности металла. Электрическое поле тормозит отраженные электроны и снова воз­ вращает их к поверхности металла, что предотвращает унос энергии из зоны нагрева. В связи с этим установки такого типа иногда назы­ вают печами автозлектронного нагрева.

Однако наряду с очевидными преимуществами печам автоэлектрониого нагрева свойственны и очень серьезные принципиальные недостатки, делающие их ненадежными в эксплуатации. Нестабиль­ ность их работы обусловлена в основном двумя причинами:

1. Ввиду близкого расположения катода от тюверхности нагре ваемого металла в случае повышенного газовыделения или испарения электронный разряд легко переходит в дуговой. Появление высоко­ вольтной дуги может привести к выходу из строя катода и электро­ оборудования установки.

Для предупреждения дуговых разрядов при неизбежных в про­ цессе переплава внезапных газовыделениях необходимо применять сложную систему автоматического регулирования, обеспечивающую резкое снижение напряжения при повышении силы тока. Но в этом случае нарушается баланс тепла, поступающего к кристаллизующе­ муся слитку, и стабильность процесса кристаллизации.

Другой мерой, предупреждающей возникновение дуги, является использование вакуумных насосов с очень большим запасом произ­ водительности, чтобы при любых возможных газовыделениях из

405

насосов с таким запасом производительности значительно удорожает установку.

2. Близкое расположение катода от жидкого металла обусловл вает попадание на катод паров переплавляемого металла. При этом поверхность катода «отравляется» и он теряет эмиссионную способ­ ность. В то же время попадание на катод паров легкоплавкого ме­ талла вызывает его перегорание, поэтому срок службы кольцевых катодов очень ограничен и составляет всего несколько часов. Выход

Рис. 153. Схематическое изображение электронных пушек:

катода из строя прерывает плавку, отражается на производитель­ ности установки и отрицательно сказывается на качестве металла.

Вследствие этих принципиальных недостатков установки с коль­ цевым катодом распространения не получили и в настоящее время вытеснены другими установками более совершенных типов.

Схема плавильных установок с радиальными пушками (устрой­ ствами 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 специаль­ ному ускоряющему электроду — аноду, в котором имеется узкая щель для прохождения электронного луча (рис. 153, а). Благодаря этому катодное пространство отделено от плавильного объема ано­ дом, узкая щель которого выполняет роль диафрагмы и препятствует

406

попаданию в объем формирования электронного луча выделяющихся из металла газов и паров. Это в значительной мере предотвращает возможность перехода электронного разряда в дуговой и увеличивает срок службы катода.

Для увеличения надежности работы радиальных пушек в кон­ струкции некоторых из них предусмотрена возможность отклонения электронного луча магнитной системой. Это исключает прямое попадание на электроды брызг и паров металла и одновременно уве­ личивает технологические возможности установки, так как, изменяя угол отклонения луча, можно на одной и той же установке выпла­ влять слитки различного диаметра.

Вслучае выхода из строя катода одного элемента в установках

срадиальной пушкой можно продолжать плавку на оставшихся элементах. Исходя из этого, целесообразно иметь возможно большее число элементов. Однако при этом усложняется монтаж и обслужи­ вание пушки и затрудняется поддержание перепада давления между плавильным пространством и объемом формирования электронного луча. Поэтому в некоторых случаях количество элементов умень­ шают, повышая в то же время мощность каждого из них. Так, напри­ мер, электронная пушка одной из наиболее мощных плавильных установок этого типа в США мощностью 90 кВт состоит из трех элементов, каждый мощностью 300 кВт.

Стремление сделать электронную пушку независимой от пла­ вильного объема привело к появлению печей с аксиальными пуш­ ками, в которых в отличие от установок с кольцевым катодом и с ра­ диальной пушкой формируется не плоский, а конусообразный элек­ тронный луч.

греваемый до рабочей температуры в результате бомбардировки его электронами, эмиттируемыми вспомогательным катодом. Рабочая поверхность основного катода имеет форму вогнутой линзы, благо­ даря чему формируется сходящийся электронный луч. Однако в ре­ зультате взаимодействия электронов с частицами остаточного газа луч рассеивается и становится расходящимся. Чтобы провести луч через длинный лучевод с малым сечением отверстия, что необходимо для предотвращения попадания газов и паров металла в катодное пространство, по длине лучевода устанавливают линзы электрома­ гнитной фокусировки. На выходе из лучевода располагают систему электромагнитного отклонения, обеспечивающую поворот луча в нуж­ ном направлении.

Длина электронного луча от катода до поверхности металла в про­ мышленных установках с аксиальными пушками достигает 1—2 м. Благодаря этому, а также благодаря собственной вакуумной системе пушек остаточное давление в зоне формирования луча поддержи­ вается стабильным в пределах 0,666—1,333 мПа (5-10“ 6 — 1 • 10“ 5 мм рт. ст.), и в эту зону исключается попадание паров металла. Это обеспечивает хорошие условия работы катода аксиальных пушек, и срок его службы составляет сотни часов.

407

Установки с аксйальйымй пушками бывают с одной или несколь­ кими пушками. Преимущество установок с несколькими аксиаль­ ными пушками заключается в хорошем распределении мощности по поверхности жидкого металла и отсутствии на ванне «тени» от подаваемой заготовки. Однако использование одной мощной пушки предпочтительнее, так как это упрощает и удешевляет конструкцию печи, существенно облегчает ее обслуживание. Поэтому в последнее время наметилась тенденция к строительству установок с одной мощной пушкой. Для промышленных печей разработаны конструк­ ции аксиальных пушек различного типа мощностью от 100 до 170 кВт и разрабатываются печи мощностью до 7500 кВт.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПЛАВИЛЬНЫХ УСТАНОВОК

В связи с особенностями электронного нагрева электронные пла­ вильные установки получили распространение в металлургии туго­ плавких металлов, а также для рафинировочного переплава сталей и сплавов. Подобно ВДП переплав металла в электронных пла­ вильных установках позволяет очистить его от летучих примесей и получить плотную однородную структуру слитка. ЭЛП позволяет производить металл самой высокой степени чистоты, заметно пре­ восходящий металл ВДП. Электроннолучевую плавку применяют для получения очень чистой по неметаллическим включениям шари­ коподшипниковой стали, используемой для изготовления высоко­ скоростных прецизионных подшипников, чистых по содержанию кислорода и азота жаропрочных стали и сплавов. Возможность по­ лучения высоких температур и регулирования скорости плавления и времени пребывания металла в жидком состоянии позволила использовать ЭЛП для плавки тугоплавких металлов — вольфрама, ниобия, циркония и других.

Основным фактором,, сдерживающим широкое применение элек­ тронных плавильных установок в сталеплавильном производстве, является их низкая производительность и, как следствие этого, низкий к. п. д. Так, при одинаковой мощности в 150—200 кВт скорость плавления в вакуумных дуговых печах составляет 5— 10 кг/мин, а на электронных плавильных установках — всего 0,4— 0,5 кг/мин; при этом полный к. и. д. электронной плавки составляет' всего около 10%.

Столь низкий к. п. д. электронной плавки объясняется необхо­ димостью выдерживать каждую очередную порцию загрязненного примесями металла, попадающую в ванну кристаллизатора, в пере­ гретом состоянии в течение определенного времени, гарантирующего требуемую степень рафинирования. Существенно повысить к. п. д. электронной плавки и тем самым сделать ее целесообразной для стали менее дорогих марок можно, если рафинировать металл не в интенсивно охлаждаемом кристаллизаторе, а в промежуточном устройстве до попадания порции в кристаллизатор.

С этой точки зрения весьма перспективными представляются установки с так называемым холодным подом (рис. 154).

408