Электротермические установки,электроустановки высокоинтенсивного нагрева

Высокоинтенсивный нагрев обеспечивается установками электроннолучевого и свето-лучевого нагрева.
Электронно-лучевые установки (ЭЛУ) применяются для обработки тугоплавких и химически активных металлов, сварки, испарения металлов и оксидов, выращивания монокристаллов, металлизации, напыления и тд.
Основные технологические операции: плавка, испарение, термообработка и сварка.
Достоинства электронно-лучевого нагрева:
- возможность плавно изменять удельную энергию в зоне нагрева в широких пределах,
- большая удельная мощность (мегаватты) в месте действия луча на обрабатываемое изделие,
- пространственная управляемость положением луча с помощью магнитной системы,
- возможность использования вакуума в качестве рабочей среды,
- прецизионное (малоразмерное) воздействие луча на изделие.
Недостатки:
- необходимость обеспечения высокого вакуума,
- сложное изготовление и эксплуатация ЭЛУ,
- высокая стоимость электронно-лучевого оборудования.
Принцип действия состоит в следующем.
Электронный луч представляет собой направленный поток электронов, переносящий энергию от излучателя к изделию. Электроны ускоряются, приобретая кинетическую энергию, пропорциональную их скорости.
При столкновении с обрабатываемым веществом они отдают приобретенную энергию.
Глубокий вакуум в рабочей камере не только облегчает технологический процесс, ио и защищает катод от бомбардировки положительными ионами.
Электрон, вышедший из катода электронной пушки, ускоряясь в электрическом поле, приобретает энергию:

В связи с малым проникновением электронов нагрев для твердых тел является чисто поверхностным.
Мощность рентгеновского излучения тоже незначительна и не учитывается. Однако его биологическое действие опасно для обслуживающего персонала, что требует обеспечения защиты.
Нагретый выше температуры плавления металл является мощным источником термоэлектронной эмиссии.
Возникающий при этом и поглощаемый стенками камеры ток может достигать «сотен А», что требует надежного заземления камеры ЭЛУ.
Плавка применяется для получения особо чистых металлов. Переплавляемый материал может быть в любой форме: шихта, пруток, лом и т.п.
Показателями плавки являются: удельная энергия электронного луча, теплопроводность и температура плавления вещества.
Достоинства плавки в вакууме:
- интенсивное удаление растворенных в металле газов, что улучшает его механические свойства;
- очистка от некоторых растворяемых вредных примесей;
- значительное снижение окислительного действия кислорода за счет удаления газообразных окислов из зоны.
В промышленности электронно-лучевую плавку применяют для выращивания монокристаллов. Применение последующей после плавки заливки в вакууме в литейные формы позволяет получить слитки массой до 20 т.
Локальный переплав обрабатываемых поверхностей обеспечивает высококачественные структуры для изготовления ответственных конструкций с высокими показателями износостойкости. В качестве основы можно использовать недорогие исходные металлы и сплавы.
ЭЛУ для переплавки металлолома (рис. 1.2-46) включает в себя:
- электронную пушку (1),
- форму (4) для загрузки металлолома (3),
- вспомогательные устройства.

Электронных пушек может быть одна или несколько. Ванна имеет форму слитка, который образуется из расплава (5). Слиток извлекается из формы после окончания технологического процесса толкателем.
Форма имеет полости (6) для прокачивания охлаждающей среды и теплосьема.
Расплавление металлолома осуществляется с помощью пучка электронных лучей (2), создаваемом электроиной пушкой при ускоряющем напряжении, подключенном к токоподводам (7).
ЭЛУ для выращивания монокристаллов (рис. 1.2-47) включает в себя:
- электронную пушку (1),
- тигель (7) для загрузки переплавляемрго материала (9),
- затравку (2) для формирования монокристалла (4),
- вспомогательные устройства.

Электронные пушки (четное количество) создают пучки электронных лучей (5), действующие на переплавляемый материал. Высокое ускоряющее напряжение подключается к токоподводам (3).
Исперение в вакууме материалов при нагреве их электронным лучом широко используется для получения тонких пленок. Прямой нагрев поверхности испаряемого материала возможен при работе в охлаждаемых тиглях с химически активными и тугоплавкими материалами.
При электронно-лучевом испарении можно управлять электронным пучком в пространстве и во времени, регулируя ввод энергии в вещество.
Такое испарение нашло применение в микроэлектронике для нанесения металлических покрытий на стальную ленту, для изготовления фольги, для нанесения пленок на неметаллическую основу и т.п.
Конденсационные покрытия применяются в оптической промышленности и в различных областях электроники.
С помощью размерной обработки заготовки электронным лучом получают глухие или сквозные отверстия заданных размеров и контуры Особой разновидностью размерной обработки является перфорация. Этим способом изготавливают металлические и керамические элементы фильтров, пористый материал для охлаждения камер сгорания и лопаток турбин.
ЭЛУ для испарения в вакууме (рис. 1.2-48) включает в себя:
- электронную пушку (1);
- тигель (9) с испаряемым веществом (11), охлаждаемый водой (8);
- отклоняющую систему (3);
- бункер (5) с желобом (7) и вибратором (6);
- вспомогательные устройства.

Такая установка предназначена для нанесения из испаряемого вещества (11) покрытий на поверхность подложки (4).
Из бункера (5) испаряемый материал по желобу (7) поступает в тигель (9), охлаждаемый водой (8).
Равномерное дозированное поступление сыпучего вещества достигается вибрированием желоба с помощью вибратора (6).
Траектория (2) электронного луча в направлении испаряемого вещества обеспечивается магнитной отклоняющей системой (3).
Применение отклоняющего магнитного поля позволяет располагать электронную пушку в любом удобном месте.
В результате воздействия луча (2) вещество (11) испарается, частицы пара поднимаются вверх и тонким слоем оседают на поверхности подложки (4).
Электронно-лучевая термообработка применяется для отжига материалов в вакууме с целью повышения их пластичности и очищения поверхности от адсорбированных газов. Обработка заключается в локальном нагреве обрабатываемого участка.
Электронно-лучевая сварка является одним из самых распространенных технологических применений электронного луча. Она производится с помощью тонкого пучка электронов, который сфокусирован на стыке соединяемых изделий и нагревает их до плавления.
Сварочный шов получается чистым, без примесей. Общее количество энергии для расплавления материала меньше, чем при других видах сварки. Это обусловлено высокой местной концентрацией энергии. Сварочный шов представляет собой вытянутый клин с большим отношением длины к ширине (20: 1)зоны расплавления.
Глубина проплавления зависит от скорости сварки и температуры предварительного прогрева свариваемого металла.
Различают два основных типа ЭЛУ сварки:
- низковольтный (рабочее напряжение от 15 до 20 кВ),
- высоковольтные (рабочее ускоряющее напряжение около 200 кВ).
Сварочная ЭЛУ состоит из:
• электронной пушки с высоковольтным источником постоянного тока,
• сварочной вакуумной камеры с вакуумной насосной системой и КИП,
• вспомогательных устройств, для охлаждения, обеспечения движений и подвода электроэнергии.
Сварочные ЭЛУ с особо острофокусированным лучом работают при ускоряющем напряжении от 70 до 100 кВ.