Нагревание и плавка металлов электронным пучком основаны на превращении кинетической энергии электронов при их соударении с поверхностью металла в тепловую энергию. При разгоняющих напряжениях до 30 - 35 кВ, используемых в установках электронно-лучевой плавки, подавляющая часть энергии электронов превращается в тепловую энергию и лишь малая доля - в энергию рентгеновского излучения и энергию электронов вторичной эмиссии.
Электронная пушка, являющаяся источником пучка электронов, состоит из катода, полого ускоряющего анода, фокусирующей электромагнитной катушки (линзы) и диафрагмы. Катодом служат подогреваемые массивные вольфрамовые или танталовые диски. Электронный пучок выводится в плавильную камеру через сложные диафрагмы, создающие значительное газодинамическое сопротивление, что позволяет поддерживать в пушке более высокое разрежение, чем в рабочей камере, с помощью независимой вакуумной системы.
В более мощных печах, предназначенных для плавки крупных слитков, применяют несколько электронных пушек.
В отличие от дуговых вакуумных печей при плавке электронным лучом можно осуществить значительный (контролируемый) перегрев жидкого металла и поддерживать его в жидком состоянии заданное время. Это обстоятельство, а также возможность проведения плавки при очень низком остаточном давлении, создает условия для более полной дегазации и удаления примесей, чем при дуговой плавке. Дополнительное преимущество состоит в возможности переплавки металла в любом виде (штабики, таблетки из порошка, стружка), тогда как при дуговой плавке необходимо приготовление расходуемого электрода.
Успешная плавка в электронно-лучевых печах возможна при обеспечении высокой скорости откачки и остаточном давлении в плавильной камере порядка 0,0013 Па. Высокое разрежение необходимо для того, чтобы пучок электронов на пути к нагреваемому телу потерял возможно меньше энергии на столкновение с атомами и молекулами газов, а также для удаления из расплавленного металла испаряемых в условиях плавки примесей.
В результате электронно-лучевой плавки молибден и вольфрам очищаются от подавляющей части примесей. Для глубокой очистки от кислорода необходимо введение раскислителей.
Вследствие высокой чистоты слитки после электроннолучевой плавки имеют крупнокристаллическую структуру, и пластическая деформация их (особенно вольфрама) затруднительна. Поэтому вольфрамовые (а иногда и молибденовые) слитки после электронно-лучевой плавки переплавляют в дуговой печи.
Электронно-лучевая плавка ниобия и тантала
Плавка в электронном пучке позволяет получить не только тантал, но и ниобий высокой чистоты, так как в этом случае возможен больший, чем при дуговой плавке, перегрев металла и необходимая длительность выдержки в расплавленном состоянии для удаления примесей. Плавку ведут в глубоком вакууме (остаточное давление 1,3 -1(Г2 - 1,3 • Ю-1 Па), что обеспечивает удаление примесей, испаряющихся при температуре расплава. Так, при плавке ниобия удаляются полно примеси кислорода (в форме СО, низших оксидов), азота, водорода, железа, никеля, хрома, алюминия. Не удаляются лишь примеси тугоплавких металлов (молибдена, вольфрама, тантала).
Плавить можно спеченные штабики, слитки дуговой плавки, крупнозернистые порошки, спрессованные из порошка таблетки, скрап металла.
При диаметре слитка 100 мм необходимая мощность печи для ниобия 120 кВт, для тантала 240 кВт. Расход электроэнергии при плавке ниобия и тантала равен 6,6-8,8 и 13,3-17,6 кВт • ч/кг металла соответственно (отметим, что при спекании танталовых штабиков расход электроэнергии равен 660-1100 кВт • ч/кг тантала). Получаемые слитки после дуговой и электронно-лучевой плавки имеют крупнокристаллическую структуру.
