Электронно-лучевой переплав

Начало промышленного использования электронно-лучевой плавки для производства чистых металлов относится к 1956−1960 гг. Развитие этого метода рафинирования шло по пути совершенствования оборудования и конструкции печей, расширения номенклатуры металлов и сплавов, а также повышения массы выплавляемого слитка. Возникшие как агрегаты вторичного переплава эти печи развиваются в первичные металлургические агрегаты, которые могут загружаться шихтой как вакуумные индукционные печи. Причиной расширения использования ЭЛП является исключительно высокое качество металла, часто не достигаемое другими методами плавки.

Физическая сущность нагрева электронным лучом заключается в превращении кинетической энергии электронов, разогнанных в электрическом поле до 60 − 100 тыс. км/с, в тепловую при их торможении на поверхности металла. Этот общий принцип нагрева находит разнообразные конструктивные решения, как нагревателей, так и печей. Ускоряющее напряжение составляет десятки киловольт при малой силе тока.

Первоначально использованные нагреватели с кольцевым катодом, внутри которого располагалась переплавляемая заготовка, имели незначительную мощность (до 10 кВт) и сейчас не применяются. В настоящее время используют радиальные и аксиальные нагреватели. Радиальный нагреватель (конструкции ИЭС им. Е.О. Патона) представляет собой несколько относительно простых нагревателей, расположенных вокруг переплавляемой заготовки. Мощность их возросла до нескольких сотен киловатт. Аксиальные электронные пушки дают луч большой мощности, попадающий через узкий канал в рабочее пространство печи. Благодаря этому каналу удается стабилизировать вакуум в самой пушке лучше 0,1 Па даже при значительном ухудшении вакуума в рабочем пространстве печи. Это является обязательным условием работы электронной пушки. В настоящее время суммарная мощность нагревателей крупных печей достигает нескольких мегаватт.

Классической схемой электронно-лучевой плавки является капельная, при которой заготовка переплавляется в медный водоохлаждаемый кристаллизатор, из которого вытягивается слиток. Схема такой плавки с вертикальной и боковой подачей переплавляемой заготовки показана на рис. 10.11. Слиток формируется при непрерывном поступлении на его поверхность капель жидкого металла и обогрева ванны электронным лучом. При этом отсутствует прямая связь между подводимой мощностью и скоростью наплавления слитка, как при ВДП» что позволяет в широких пределах варьировать скоростью переплава. Вакуум в рабочем пространстве печи составляет 0,1 − 0,001 Па, т.е. значительно лучше, чем в зоне плавления при ВДП.

Электронно-лучевой переплав (ЭЛП) отличается от ВДП лучшими условиями дегазации металла, увеличенной выдержкой металла в расплавленном состоянии, возможностью управления скоростью переплава в более широких пределах, малым электродинамическим воздействием тока на металл, использованием промежуточной емкости. Создание печей с промежуточной емкостью обусловлено стремлением увеличить длительность физико-химических процессов рафинирования с одновременным ростом производительности печи. Это позволяет повышать степень рафинирования и экономичность процесса. В печи с промежуточной емкостью металл попадает в кристаллизатор не сразу, а пройдя дополнительное рафинирование, поэтому можно использовать различные шихтовые материалы: слитки, лом, стружку, порошок и жидкий металл. При наличии нескольких промежуточных емкостей получают холодноподовую печь с производительностью до 30 тыс.т/год. В промежуточной емкости используют специальные шлаки и активные реагенты для дополнительного рафинирования.

В печах ЭЛП выплавляют слитки круглого, квадратного и прямоугольного сечений, а также полиметаллические пластины, трубы, ленты, гранулы и порошки; могут быть получены слитки массой до 150 т из нескольких относительно небольших заготовок.

При ЭЛП основными реакционными зонами, где удаляются примеси, являются пленка жидкого металла на переплавляемой заготовке и ванна жидкого металла в кристаллизаторе. Время нахождения металла в пленке достигает нескольких секунд при большой удельной поверхности раздела. Диаметр капли, подающей в ванну, составляет ~ 0,015 м. Продолжительность падения капли не превышает 0,5 с. Температура пленки жидкого металла выше температуры плавления на 30−50 °С. Оплавляемая поверхность при вертикальной подаче заготовки имеет форму конуса (или усеченного конуса), поэтому поверхность этой реакционной зоны может значительно превышать площадь поперечного сечения заготовки. При боковой подаче поверхность реакционной зоны на заготовке практически равна площади ее поперечного сечения.

Существование в верхней части наплавляемого слитка жидкой ванны является результатом выравнивания скоростей поступления и отвода тепла. При установившемся режиме плавки ванна сохраняет свои геометрические размеры. Глубина ванны определяет время пребывания металла в жидком состоянии, величину температурного градиента вблизи фронта кристаллизации, характер макроструктуры и развитие тех или иных видов ликвации. Скорость переплава оказывает решающее влияние на глубину ванны, которая линейно зависит от массовой скорости переплава. Значительно влияют на глубину ванны также теплопроводность переплавляемого металла и диаметр кристаллизатора. Увеличение мощности нагрева незначительно изменяет глубину ванны.

Температура металла на поверхности ванны определяется в основном мощностью луча и слабо зависит от скорости переплава, например, температура поверхности железа достигала 1640−2020 °C. При повышении мощности нагрева температура металла вначале возрастает, а затем ее рост прекращается в связи с резким увеличением потерь тепла на испарение металла и излучение зеркалом ванны. Следовательно, реакционную зону в ванне можно назвать высокотемпературной, в то время как из-за невозможности получения значительного перегрева пленки жидкого металла эту зону можно назвать низкотемпературной. При ЭЛП развертка электронного луча по поверхности ванны способствует более равномерному распределению температуры, чем при ВДП, созданию более плоской и мелкой ванны, что наряду с меньшей скоростью переплава гарантирует более высокое качество макроструктуры. При ЭЛП медленная направленная кристаллизация может снизить технологическую пластичность при горячей деформации слитка вследствие сегрегации на границы макрозерна примеси или компонента сплава с низким коэффициентом распределения при кристаллизации.

Более низкое давление в реакционных зонах и более высокая температура перегрева металла, чем при ВДП, обусловливают значительное развитие процесса испарения при ЭЛП, потери металла при этом составляют 3−20 %, в основном испарение происходит из зоны ванны. При ЭЛП отсутствует круговорот примесей цветных металлов и азота, как при ВДП, следовательно, конструктивные особенности печей ЭЛП обеспечивают более благоприятные условия удаления примесей цветных металлов, азота, кислорода в виде монооксида углерода, или монооксида кремния. Преимуществом ЭЛП по сравнению с ВДП является также возможность использовать диаметр заготовки больше диаметра слитка. При ЭЛП кислород эффективно удаляется также в результате механического выделения оксидов. Для высокоуглеродистых и высококремнистых сталей успешно удаляется сера. Многие из процессов рафинирования получают большое развитие еще в зоне заготовки, поэтому возможность иметь коническую поверхность испарения на заготовке является дополнительным преимуществом ЭЛП.

Таким образом, ЭЛП можно рассматривать как метод рафинирования, в котором устранены многие недостатки ВДП, поэтому степень рафинирования при ЭЛП превышает достигаемые при ВДП результаты. Однако недостатками ЭЛП являются значительные потери марганца и возможность изменения состава сложнолегированных сплавов вследствие избирательного испарения элементов.

Широкому распространению ЭЛП длительное время препятствовали сложность оборудования и меньшая надежность его работы по сравнению с печами ВДП. Однако в последнее время во многих странах интерес к этому методу плавки возрос благодаря совершенствованию и повышению надежности высоковольтного оборудования, а также электронных пушек. Хорошие результаты получены в ГДР на печи, выплавляющей слитки до 18 т. Современные аксиальные электронные пушки могут работать более 100 ч и допускают ухудшение вакуума в зоне плавления металла до 1,3 Па, Для управления современными печами используют микропроцессорную технику. В России создаются печи (на слиток 30 и 100 т), которые должны явиться основными агрегатами для производства крупных кузнечных слитков, используемых в энергетическом машиностроении. Такие слитки могут быть получены из нескольких более мелких заготовок, при этом полностью будет решена проблема получения низкого содержания водорода.