Физические процессы при электронном нагреве

Достигая поверхности нагреваемого объекта, ускоренные электроны электронного пучка (первичные электроны) внедряются в вещество, взаимодействуя на своем пути как с кристаллической решеткой в целом, так и с отдельными встречающимися микрочастицами: положительными ионами (в узлах решетки), свободными (валентными) и связанными электронами. При этом электрическое поле первичных электронов вызывает соответствующие возмущения периодического поля кристаллической решетки, которые проявляются в виде перемещения ионов и увеличения амплитуды их колебаний, т.е. в повышении температуры металла.

Если траектория движения первичного электрона отклоняется (в результате взаимодействия) от первоначального направления более чем на 90°, происходит его отражение от нагреваемой поверхности. Этот процесс создает специфические электрические потери, характеризуемые коэффициентом отражения k_отр в виде отношения отраженных (I_отр) и первичных (I) электронов. При электронном нагреве железа k_отр ≈ 0,25.

При достаточной кинетической энергии К_е первичных электронов возможно возбуждение ионов и переход связанных электронов на более высокий энергетический уровень. При релаксации возникает характеристическое электромагнитное излучение, имеющее дискретный спектр с частотой в диапазоне рентгеновского излучения, которое плохо поглощается металлом и в нагреве практически не участвует.

При торможении первичных электронов возникает так называемое тормозное излучение, представляющее собой совокупность электромагнитных волн с длиной волны λ ≥ λ_min (рис. 111), где λ_min – минимальная длина волны, обратно пропорциональная величине ускоряющего напряжения U:

λ_min = hc/(eU) ≈ 1,24∙10^–6/U, (240)

где h – постоянная Планка*; h ≈ 6,626∙10^–34 Дж·с;
с – скорость света; с ≈ 3∙10⁸ м/с;
λ_min – в метрах.

Как видно из рис. 111, с увеличением U возрастает интенсивность тормозного излучения, а коротковолновая часть спектра, максимум которого соответствует λ_max = 1,5λ_min, смещается в область рентгеновского излучения. Хотя мощность рентгеновского излучения в УЭН не превышает 0,5 % мощности электронного пучка Р, определяемой по (238), и потому может не учитываться в энергетическом балансе УЭН, само излучение представляет серьезную опасность для обслуживающего персонала. Поэтому величину ускоряющего напряжения ограничивают

U ≤ 30...35 кВ, (241)

а при конструировании, изготовлении и эксплуатации УЭН принимают специальные меры по защите обслуживающего персонала от воздействия рентгеновского излучения.

Наряду с рассеянием кинетической энергии первичных электронов в виде электромагнитного излучения происходит их соударение с электронами металла (вторичные электроны). Переданной при этом энергии часто оказывается достаточно не только для выхода вторичного электрона в вакуум, но и для сообщения электрону значительной дополнительной энергии. В результате этого возникает эмиссия вторичных электронов с поверхности.

Поверхность жидкого металла может быть при электронном нагреве значительно перегрета (на 200...1000 K выше температуры плавления металла) и служит мощным источником термической эмиссии электронов. По данным МЭИ, сила тока термоэлектронной эмиссии в УЭН может достигать десятков или сотен ампер, на один-два порядка превышая силу тока электронного пучка согласно выражению (239). Эти электроны «уходят» на стенки рабочей камеры УЭН, что необходимо учитывать при расчете заземления печи.

Помимо рассмотренных физических явлений, сопутствующих электронному нагреву металла, в рабочей камере УЭН происходит взаимодействие электронного пучка с атомами металлического пара над зеркалом ванны расплавленного металла и с молекулами выделяющихся и остаточных газов. В результате неупругих столкновений первичных электронов, ускоренных напряжением 20...30 кВ, происходит возбуждение и ионизация паров и газов, т.е. образование плазмы, сопровождающееся генерацией сверхвысокочастотных колебаний и интенсивной передачей энергии от электронного луча к плазме. Величина такого вида электрических потерь УЭН зависит от давления и состава атмосферы рабочей камеры, ее размеров, силы тока пучка и скорости движения электронов, т.е. от величины ускоряющего напряжения согласно (237) и (239). По данным МЭИ, электрические потери электронного пучка с силой тока более 2 А и давлением 0,1 Па составляют 20...25 % при U = 17 кВ и 8...12 % при U = 30 кВ.

Глубина диффузии («проникновения») электронов электронного пучка в глубь нагреваемого металла зависит от плотности металла и величины ускоряющего напряжения U, составляя для условия (241) микрометры. Таким образом, электронный нагрев по условиям теплогенерации следует считать поверхностным нагревом, а УЭН – печами с внешним источником нагрева, в которых скорость процесса нагрева определяется условиями внутренней теплопередачи в нагреваемом объекте.

В отличие от ранее рассмотренных печей ЭШП (см. гл. IV) и ДВП (см. гл. VI, § 2), в УЭН источник энергии в виде направленного потока ускоренных электронов не связан с технологическим процессом нагрева, имеет независимое электрофизическое действие, легко управляется и позволяет перегревать металл до любой технологически целесообразной температуры (в условиях высокого вакуума).