Электронно-лучевой нагрев

В основе принципа электронно-лучевого нагрева (ЭЛН) лежит преобразование кинетической энергии потока электронов в тепловую при взаимодействии с поверхностью нагреваемого изделия.

Этот метод имеет следующие преимущества по сравнению с другими видами нагрева: низкое давление в рабочей зоне, широкая возможность регулирования мощности и ее поверхностной плотности (плотность мощности электронного луча может изменяться для различных процессов от 10² до 10⁹ Вт/см²).

Эти преимущества позволяют весьма эффективно применять электронно-лучевые печи для обработки ленты (с оплавлением или без него) и нанесения покрытий.

В установках электроннолучевого нагрева металл нагревается потоком электронов, генерируемым специальным устройством — электронной пушкой (рис. 5.16). Радиальная электронная пушка состоит из катода 1, прикатодного электрода 2 и анода 3. Наряду с радиальными используют и аксиальные электронные пушки.

Рис. 5.16. Радиальная электронная пушка

 

Поскольку получить плотный, не рассеивающийся в пространстве поток электронов можно только в вакууме при давлении менее 10^-2, то электронно-лучевые установки являются вакуумными.

На пути от источника электронов до поверхности нагреваемого объекта электроны разгоняются электрическим полем до скорости 50...100 тыс. км/с. приобретая энергию 5…40 кэВ. При встрече с поверхностью металла поле движущегося электрона вызывает возмущение поля ионов в узлах решетки металла, в результате чего усиливается колебательное движение ионов, то есть повышается температура металла, а электроны тормозятся. Глубина проникновения электрона в металле определяется энергией падающего электрона, пропорциональной квадрату ускоряющего напряжения и плотностью металла:

                            δ = 2,1∙ 10¹² ∙ ( V²/ρ), см,                                       (5.6)

где V— ускоряющее напряжение, В; 6; ρ — плотность металла, г/см³.

Из этой формулы следует, что мощность пучка электронов поглощается очень тонким поверхностным слоем металла. Так, при ускоряющем напряжении 40 кВ глубина проникновения электронов в сталь составляет 5 мкм. Следовательно, электронный нагрев является ярко выраженным поверхностным нагревом, а передача тепла основной массе металла осуществляется теплопроводностью от тонкого нагретого поверхностного слоя.

Однако при проникновении электронов в металл не вся их энергия передается металлу. В результате взаимодействия с ионами решётки траектория движения электронов изменяется, и при определённых условиях электроны могут отразиться, унося с собой часть энергии. Средняя доля энергии, уносимой отраженными электронами, составляет 35...45% первоначальной энергии. При этом потеря мощности в результате отражения электронов может достигать 20% мощности бомбардирующего электронного пучка.

При резком торможении электронов часть их энергии теряется также в виде излучения. Кроме того, заметные потери мощности могут происходить также на пути электронного луча от катода до поверхности металла. Эти потери слагаются из потерь энергии отдельных электронов при столкновении их с частицами газа и потерь, возникающих в результате взаимодействия электронного луча с ионизированным остаточным газом. Таким образом, потери энергии луча на пути к поверхности металла зависят от длины пути, силы тока луча, скорости электронов и концентрации частиц в газовой фазе (давления).

Три первых параметра определяются конструкцией установки и не могут быть изменены произвольно. В одних и тех же установках потеря по длине луча определяются степенью разряжения. При давлении остаточных газов 0,1 Па они могут достигать 20...30% мощности луча и резко возрастают с повышением давления.

Для термообработки металлической ленты разработаны электроннолучевые установки ЭСТ-150 и ЭСТ-300.

Электропечь ЭСТ-150 предназначена для высокотемпературного отжига металлической ленты с использованием одной аксиальной электронной пушки мощностью 15O кВт (ряс. 5.17). Электропечь состоит из нагревательной камеры 1 с электронно-лучевой пушкой 2 для нагрева ленты, системы направляющих роликов 6, плосколучевых электронных пушек 3 для испарения из тиглей 4 металла, наносимого на ленту 5. На входе и выходе рабочей камеры установлены многопозиционные динамические вакуумные уплотнения 7. Откачка из камер производится по каналам 8 вакуумной системы. Давление в печи поддерживают в пределах 1...60 мПа.

Рис. 5.17 Схема электронно-лучевой печи для термообработки ленты и нанесения на нее покрытий

 

В печи проводится термическая обработка ленты толщиной 0,02...0,35 мм и шириной до 125 мм.

Конструкция печи ЭСТ-300 аналогична печи ЭСТ-150. Наибольший диаметр загружаемого рулона 1200 мм, ширина ленты до 125 мм, толщина — 0,02...0,15 мм. Скорость перемещения ленты регулируется в пределах от 1 до 30 м/мин. Печь имеет две электронные пушки мощностью до 150 кВт.

При термообработке ленты преимущество метода заключается в быстроте достижения необходимой степени нагрева, отсутствии источников загрязнения, лёгкой управляемости и экономичности процесс. Электройнно-лучевой нагрев применим также для отжига электротехнических сталей и слецсплавов.

Для повышения производительности печи могут оборудоваться динамическими вакуумными уплотнениями с целью непрерывного ввода и вывода обрабатываемой ленты в вакуумную рабочую камеру. В печах этого типа помимо высокотемпературного отжига можно осуществлять покрытие ленты металлами и окислами с целью создания защитных, сверхпроводящих, полупроводящих и других слоев.

 

⇐ Предыдущая14151617181920212223Следующая ⇒

Поделиться: