При электроннолучевой плавке используется принципиально новый для металлургии способ нагрева. Электрическая энергия превращается в тепловую непосредственно в расплавляемом металле в результате соударения с ним электронов, разгоняемых электрическим полем высокого напряжения. Устройство, в котором разгоняются электроны, называется электронной пушкой. Часть потока электронов направляется па расходуемый электрод, оплавляет его (металл попадает в кристаллизатор, как и при вакуумной дуговой плавке), другая часть потока электронов попадает на ванну жидкого металла и поддерживает ее в расплавленном состоянии. В плавильной установке можно использовать одну или несколько электронных пушек. Прохождение пучка электронов возможно только при глубоком разрежении, поэтому процесс плавки обязательно должен протекать в вакууме.
На рис. 43 показаны возможные схемы ведения плавки при нагреве электронным лучом. Все они применимы как для компактных электродов, которые можно подавать либо сверху (рис. 43,а, в, г), либо сбоку (рис. 43,б), так и для сыпучей шихты (рис. 43,б).
Вампу жидкого металла все время поддерживают па уровне верхнего среза кристаллизатора, постепенно вытягивая образующимся слиток вниз. Это позволяет в отличие от дуговой вакуумной плавки в глухом кристаллизаторе использовать короткие кристаллизаторы для получения длинных слитков. Открытая поверхность жидкого металла дает возможность лучше вакуумировать расплав.
Существенным преимуществом электроннолучевой плавки является возможность раздельного регулирования мощности и скорости подачи расходуемого электрода. Если при дуговой плавке расходуемого электрода увеличение мощности автоматически приводит к увеличению скорости оплавления металла электрода, то при электроннолучевой плавке можно увеличивать мощность луча, не изменяя скорости подачи электрода или любого другого переплавляемого материала, так как в этом случае источник нагрева (электронная пушка) никак не связан с электродом. Это позволяет перегревать металл в кристаллизаторе значительно сильнее, чем при дуговой плавке, и выдерживать его в жидком состоянии как угодно долго.
В металлургии используют два вида электронных пушек: аксиальные (осевые) и кольцевые (радиальные).
Аксиальная электронная пушка (рис. 43,б, в) по принципу своего устройства почти не отличается от обычной телевизионной трубки. Только мощность электронного луча, которой в телевизоре хватает, чтобы только создать на экране светящееся изображение, в этом случае настолько велика, что ее достаточно, чтобы расплавить не только сталь, но и такой тугоплавкий металл, как вольфрам. Мощность современных электронных пушек достигает 1500—2000 квт. Сила тока в аксиальных пушках составляет 5—50 а, разгоняющее напряжение достигает 40 кв.
Кольцевая электронная пушка в простейшем случае (рис. 43, а) представляет собой подогреваемое проволочное кольцо (катод), электроны с которого летят к ванне жидкого металла под действием разности потенциалов, приложенной к катоду и кристаллизатору. В более совершенных кольцевых пушках (рис. 43,г, д) разность потенциалов прикладывается к катоду и специальному экрану, имеющему прорезь, через которую ускоренные электроны устремляются к жидкому металлу. Сила тока луча в кольцевых пушках достигает 100 а, разгоняющее напряжение 20 кв.
Несмотря на относительную сложность мощных электронных пушек и малую долговечность работы катодов, электроннолучевые плавильные установки получают все более широкое распространение в металлургии. Масса слитков, выплавленных в них, достигает 20 т. Сохраняя все преимущества вакуумных дуговых печей (ведение плавки в медном кристаллизаторе без контакта с футеровкой, последовательная кристаллизация слитка, обеспечивающая хорошую структуру), электроннолучевые печи дают ряд дополнительных возможностей:
1) получать высокий перегрев расплава и более глубокий вакуум для проведения необходимых металлургических процессов;
2) поддерживать металл в жидком состоянии в течение любого времени;
3) переплавлять практически любую шихту (электроды, скрап, отходы, стружку и др.);
4) возобновлять процесс после случайного перерыва в плавке, расплавляя вначале ванну в кристаллизаторе, а затем начиная подачу электрода.
Металл, выплавленный в электроннолучевых печах, обладает минимальной газонасыщенностью, максимальной плотностью и наилучшим сочетанием механических свойств по сравнению с металлом, полученным другими способами вакуумной плавки. Однако стоимость электроннолучевого переплава в настоящее время выше стоимости процессов ВДП и ВНП.