Электронные плавильные печи

В электронных печах или, как их еще называют, электронно-лучевых плавильных установках плавление основано на воздействии на материал лучом электронов, ускоренных электрическим полем. Сфокусированный электронный луч может обеспечить температуру выше 6000 К. Устройство, обеспечивающее формирование электронного пучка, называется электронной пушкой. Чем выше напряжение анод-катод, тем большую единичную мощность электронной пушки можно получить. Но увеличение напряжения приводит к резкому росту рентгеновского излучения, поэтому для увеличения мощности в одной печи устанавливают несколько электронных пушек.

Работа электронной пушки возможна только в условиях глубокого вакуума, когда остаточное давление не выше 10^-2 Па. При больших давлениях за счет ионизации газа возникает дуга, что равноценно короткому замыканию в высоковольтной цепи; кроме того, дуга разрушает катод, что еще сильнее повышает давление. Электронные печи оборудуются мощными вакуумными установками.

Электронные печи используются для получения чистых и сверхчистых металлов, зонной плавки при выращивании монокристаллов различных, главным образом полупроводниковых, материалов.

Единичная мощность одной электронной пушки составляет от 20 до 250 кВт, а ускоряющее напряжение соответственно от 10 до 40 кВ. суммарная мощность пушек одной электронной печи достигает 3000 кВт.

Управление мощностью электронной пушки осуществляют изменением ускоряющего напряжения. Чтобы слиток плавился по всему сечению, необходимо равномерно распределять энергию электронного луча. Это достигается отклонением электронного луча от оси слитка и вращением луча вокруг этой оси. Поэтому на входе в плавильную камеру устанавливаются системы фокусировки, отклонения и развертки. Иногда дополнительно вращают сам слиток.

На рис. 8.6 показана схема электронно-лучевой плавильной установки.

Здесь: 1 – источник ускоряющего напряжения; 2 – высоковольтный изолятор; 3 – катод; 4 – вспомогательный анод; 5 – основной анод; 6 – блок питания цепи накала; 7 – система фокусировки луча; 8 – система отклонения луча; 9 – система развертки; 10 – кристаллизатор металла; 11 – механизм вытягивания готового слитка; 12 – переплавляемый металлический стержень; 13 – механизм подачи переплавляемого стержня.

Таким образом, электронная печь содержит два регулируемых источника питания: высоковольтного ускоряющего анодного напряжения и переменного напряжения накала катода со стабилизацией тока накала. Печь оборудуется механизмами подачи стержня переплавляемого металла и механизмом вытягивания слитка.

Для ограничения тока короткого замыкания при высоковольтных разрядах силовой трансформатор источника анодного напряжения подключается к сети через трехфазный реактор, ограничивающий ток короткого замыкания трехкратным номинальным значением тока.

При работе печи часть выделяющаяся при плавке стержня газов попадает в пространство между катодом и анодом, ионизируя его, что может привести к короткому замыканию и разрушению оборудования. Для гашения дуговых разрядов в цепь катода включают балластный резистор.

Разработаны электронные пушки магнетронного типа, в которых пучок формируется в однородном магнитном поле. Под действием электрического и магнитного полей электроны движутся по винтовой траектории. В пушках магнетронного типа есть возможность снизить ускоряющее напряжение при одинаковой мощности.