4.4. Печи электронно-лучевого переплава
Для получения особо чистых металлов и сплавов применяют метод электронно-лучевого переплава (ЭЛП). Этот метод сочетает в себе возможность плавки металла в глубоком вакууме с нагревом до высокой температуры. Электронно-лучевой переплав эффективнее, чем ВДП, так как имеет независимый источник нагрева, что позволяет в широких пределах регулировать температуру расплава. Принцип метода состоит в том, что пучок электронов, обладающий высокой энергией, бомбардирует шихту или металлическую заготовку, которая расплавляется в водоохлаждаемом кристаллизаторе. Устройства, предназначенные для получения электронов, сообщения им больших скоростей и собирания потока электронов в луч с выведением его в плавильное пространство, называют электронно-лучевыми нагревателями или электронными пушками.
По конструктивному воплощению принципа электронного нагрева все печи разделяют на три типа: 1) с использованием переплавляемого металла в качестве анода; 2) с радиальными электронными пушками; 3) с аксиальными пушками.
Распространение получили печи с радиальными и аксиальными пушками (рис. 179). В печах (рис. 179, а), снабженных радиальными пушками, сплавляемая заготовка подается сверху, что является недостатком печей, так как из-за этого их высотные габариты при прочих равных условиях вдвое больше, чем печей с горизонтальной подачей и аксиальными пушками (рис. 179, б). В последние годы применяют печи с промежуточной емкостью (рис. 179, б). Благодаря увеличению поверхности расплава ускоряется процесс рафинирования, за счет чего возрастает их производительность. Наряду с переплавом металлических заготовок, в печах ЭЛП переплавляют и шихту. Такие печи оборудованы герметичными бункерами и питателями (рис. 179, з).
Широкое распространение получили печи У-270М конструкции Института электросварки (ИЭС) им. Е. О. Патона (рис. 180). Печи предназначены для плавки и рафинирования черных, цветных и редких металлов и сплавов на их основе, включая ниобии, тантал, молибден, вольфрам и химически устойчивые в вакууме тугоплавкие соединения.
Печь оборудована радиальными пушками 11 (4 – 10 шт) и откачивающим дифференциальным устройством (полостями плавки и пушки). К печи через патрубки подсоединены вакуумные агрегаты 2 и 4. Камера печи 13 охлаждается водой, для чего на ее поверхности наварены змеевики 18 из стальных труб, разрезанных вдоль по оси. На камере с двух сторон установлены смотровые гляделки 12. Загрузка заготовки 10 и выгрузка слитка 15 осуществляются через люк камеры манипулятором 16, расположенным на рабочей площадке 1. Вода к кристаллизатору 14 подается через ось 3.
Механизмы вытягивания слитка 19 и подачи заготовок 6 однотипны. Они имеют винтовую передачу и электромеханические приводы с двухскоростными редукторами 5 и 20. На подвижной траверсе механизма подачи заготовки установлен механизм ее вращения 7. Охлаждающая вода подается к штоку 9 через специальное уплотнение 8. Водой охлаждаются также шток 17 и поддон слитка. Штоки введены в камеру через специальные вакуумные уплотнения, изготовленные из фторопласта и вакуумной резины. Печи серии У-270 предназначены для выплавки слитков небольшой массы (до 200 кг).
Рис. 179. Печи ЭЛП: 1 – рабочая камера; 2 – пушка; 3 – кристаллизатор; 4 – слиток; 5 – поддон; 6 – шток затравки; 7 – патрубок вакуумной системы; 8 – заготовка; 9 – шток заготовки; 10 – ролики; 11 – промежуточная емкость; 12 – питатель шихты
Рис. 180. Электронно-лучевая печь У-270М
Отличительной особенностью крупных промышленных печей ЭЛП является расположение механизма вытягивания слитка на выкатной тележке или поворотной колонне, что позволяет достичь полной механизации рагрузки слитка и загрузки новой заготовки. Кристаллизатор в этих печах размещен снаружи и стыкуется с камерой печи через вакуумное уплотнение. Слиток в процессе плавки извлекается в водоохлаждаемую камеру механизма вытягивания. Камера стыкуется с кристаллизатором через вакуумное уплотнение. В последних конструкциях крупных печей применяют боковую подачу заготовки. С двух сторон печи устанавливают герметичные откатные камеры для заготовок. Между камерами и печью предусмотрены шлюзовые затворы, дающие возможность загружать новую заготовку без разгерметизации печи.
Исполнительные механизмы печей ЭЛП незначительно отличаются от механизмов печей ДВП, в особенности механизмы вытягивания слитка. В малых печах применяют в основном винтовые механизмы, а в крупных – гидравлические. Винтовые механизмы выполняют одновинтовыми и двувинтовыми с консольным или соосным расположением винтовых пар. При соосном расположении винт размещен внутри полого штока слитка. Механизмы должны обеспечивать две скорости: рабочую, регулируемую в пределах 0,002 – 0,020 м/мин, и маршевую – свыше 1,0 м/мин.
В механизмах подачи заготовки печей ЭЛП применение гибких передач (канатов, цепей) затруднено необходимостью вращения заготовки при ее оплавлении (для равномерного сплавления конца). Поэтому в печах с вертикальной подачей заготовки применяют преимущественно винтовые механизмы (одновинтовые консольные и двувинтовые), а в печах с горизонтальной подачей – винтовые и гидравлические.
Особенность конструкций кристаллизаторов печей ЭЛП состоит в том, что они предназначены для процесса с вытягиванием слитка, поэтому их изготовляют короткими и сквозными. Поскольку максимальная тепловая нагрузка падает на узкий поясок контакта жидкого металла с гильзой в верхней части кристаллизатора, требуется более интенсивное охлаждение рабочей гильзы. Для этого между кожухом и гильзой вставляют обойму с винтовой канавкой, по которой направленно со скоростью 5 м/с циркулирует вода.