Ноябрьский Пленум ЦК КПСС подчеркнул необходимость широкого внедрения во все отрасли народного хозяйства новейших достижений науки и техники. Одним из наиболее прогрессивных технических направлений, способных революционизировать развитие многих отраслей промышленности, является широкое применение радиоэлектронной аппаратуры и электронной техники. В последние годы появилось, в частности, такое новое направление, как электронная технология.
Электронная технология — это область науки и техники, основанная на Использовании электронных, и ионных пучков, электрических и электромагнитных полей для обработки и преобразования материалов. До сих пор электроника находила широкое применение в промышленности только как средство автоматизации, контроля и управления технологическими процессами. Теперь стоит вопрос об использовании ее для непосредственного выполнения технологических операций, весьма сложных, а порой и недоступных обычным способам обработки.
Электронная технология необычайно разнообразна по существу самих способов воздействия на материал и по областям их применения.
М. Федоров.
Заместитель председателя Государственного комитета Совета Министров СССР по электронной технике. «Правда», 28 ноября 1962 года.
С этого номера мы начинаем печатать серию статей о работе электронного луча. Первая из них — рассказ кандидата Технических наук М. Я. Смелянского о том как электрон плавит.
Среди многих современных применений электронной технологии особое место занимает электронная плавка.
Все известные устройства, использующие электронный луч, начиная от кинескопа (телевизионной трубки), в котором мощность луча измеряется долями ватта, и кончая установками для электронной сварки, где в луче сосредоточена мощность в несколько десятков киловатт, не могут сравниться с плавильными установками. Их длительная мощность в настоящее время уже составляет 1 000–1 500 кВт; диаметр слитков, выплавляемых на таких установках, достигает 500 мм, длина доходит до 2 м. А ведь история этих установок насчитывает всего 5–6 лет.
Главная задача, которую решают электронные плавильные установки, — получение сверхчистых металлов и сплавов, главным образом тугоплавких. Без них немыслим прогресс атомной и ракетной техники, вакуумной техники и радиоэлектроники, развитие ряда важнейших отраслей хозяйства.
Основной металлургической особенностью электронных плавильных установок является возможность осуществить плавку в высоком вакууме (10 –4 – 10–5 мм рт. ст.), получить существенный перегрев жидкого металла, выдержать расплавленный металл в перегретом состоянии заданное время, легко регулировать скорость плавки и очень гибко управлять процессом.
Никакие другие виды плавильных устройств (в том числе вакуумные дуговые печи) не позволяют этого достичь. Именно поэтому использование электронных плавильных устройств поднимает металлургию на новую ступень. Возможность получения относительно больших количеств перегретого расплава делает весьма перспективным использование таких установок для фасонного литья тугоплавких металлов, что еще совсем недавно считалось фантастикой. Намечается также коренное изменение и упрощение технологии производства тугоплавких соединений методами порошковой металлургии очевидно, удастся ликвидировать такие операции, как прессование, обжиг и спекание.
Электронная плавильная установка (см. стр. 2–3 цветных вкладок) — это сложный комплекс оборудования, в котором использованы многие современные достижения электроники, вакуумной техники, электротехники и автоматики.
Установка состоит из трех важнейших частей.
Электронная пушка (6) плавильного устройства генерирует пучок электронов, обладающих энергией в 15–30 килоэлектроновольт. Она имеет системы электростатической и магнитной фокусировки луча, а также систему управления лучом.
Плавильная камера; в ней размещен кристаллизатор — интенсивно охлаждаемая водой медная труба, в которой собирается расплавленный металл и происходит формирование слитка. Мощная вакуумная система обеспечивает поддержание в камере необходимого разрежения. Кроме того, камера оборудована устройствами для подачи расплавляемого металла и вытягивания слитка.
Система электрического питания и управления (на вкладке не изображена), основной частью которой являются высоковольтные выпрямители.
На вкладке показан ряд систем электронных пушек, используемых на практике. Как видно, применяемая пушка определяет конструктивное оформление плавильной установки.
Первыми начали создаваться наиболее простые установки с кольцевым катодом (3). В вакуумную камеру установки помещают переплавляемый металлический стержень, присоединяемый к аноду высоковольтного выпрямителя. Свободный конец этого стержня окружен кольцом из вольфрамовой проволоки, соединенной с катодом выпрямителя. Вольфрамовое кольцо присоединено еще и к источнику низкого напряжения, ток от которого, проходя по кольцу, нагревает его до температуры 2 800–3 000˚. В результате кольцо — катод пушки —испускает электроны, которые ускоряются в электрическом поле высокого напряжения. Ускоренные электроны и попадают на анод — расплавляемый металл. Ударяясь и внедряясь в кристаллическую решетку (1), они расшатывают ее. Это и вызывает нагрев металла. Капли жидкого металла перетекают в кристаллизатор. Так как он тоже присоединен к аноду высоковольтного выпрямителя, то электроны бомбардируют и поверхность расплавленного металла в кристаллизаторе, вызывая перегрев расплава. Металл легко отдает растворенные в нем газы, откачиваемые вакуумными насосами. Все примеси, температура кипения которых лежит в пределах достигаемого перегрева, испаряются и конденсируются на холодных стенках плавильной камеры. Под действием высокой температуры растворенные в металле окислы распадаются, что также способствует его очистке.
В результате одного или двух переплавов металл поручается весьма чистым (в нем содержатся всего-навсего тысячные и десятитысячные доли процента примесей), становится высокопластичным, увеличивается его жаростойкость.
У электронных плавильных установок с кольцевым катодом почти полностью используется энергия электронного потока, так как расплавляемый металл сам является анодом. Однако у этих установок есть весьма серьезный недостаток необходимо иметь вакуумную систему огромной производительности, чтобы обеспечить в районе катода разрежение не менее 1 • 10–4 мм рт. ст. При этом следует учесть, что катод находится в непосредственной близости от расплавляемого металла и быстро выходит из строя под воздействием его паров.
Попытки преодолеть эти трудности сильно усложняют конструкцию электронной печи. Поэтому от кольцевой системы начинают отказываться. По-видимому, за ней останется зонная плавка.
Существенным шагом вперед явились установки с радиальными электронными пушками (4), разработанные в Институте электросварки имени Е. О. Патона.
У них катод разбит на отдельные участки, являющиеся катодами, скажем, десяти отдельных маломощных пушек, у которых имеются специальные аноды и катоды, разгоняющие и формирующие электронные лучи. Вакуумные свойства системы несколько улучшаются, так как в установках плавильная камера и пушки откачиваются раздельно. Однако конструктивные особенности этих установок таковы, что в них затруднительно осуществить плавку металлов с высокой упругостью паров.
Наиболее универсальным видом электронных плавильных установок, в которых без серьезных затруднений может быть достигнута и реализована большая мощность, являются установки с аксиальными пушками (5). Это делает наиболее вероятным их широкое промышленное применение.
Отличительная черта аксиальных пушек — значительное удаление катода от зоны плавки и возможность легко создать одну или две ступени промежуточной откачки. Поэтому даже при временных ухудшениях вакуума разрежение в районе катода и системы электростатической фокусировки остается не ниже 1•10–4 мм рт. ст. Это гарантирует стабильность электронного луча во все периоды плавки. Наличие электромагнитных линз и управляющей системы обеспечивает вывод луча на значительное расстояние (1–2 м) и позволяет очень гибко управлять лучом.
В лаборатории электротермических установок Московского энергетического института разработаны мощные аксиальные электронные пушки и исследован энергетический баланс (2) плавильной установки (7).
Низкий энергетический КПД (около 10%) электронных плавильных установок — это «расплата» за весьма высокие температуры и обеспечение таких условий плавки, при которых металл не только не вступает в контакт с какими-либо посторонними агентами, но и испытывает к тому же благотворное воздействие высокого вакуума.
(По книге М. Я. Смелянский и др. — Дуговые вакуумные печи и электронные плавильные установки. М. Металлургиздат. 1962).
