Вакуумная металлургия
..pdfв пределах зоны, граничащей с расплавленным металлом, имеют одинако вую вероятность попадания как в жидкий металл, так и в пространство над металлом. На поверхности раздела металл—атмосфера возникает очень тонкий слой окислов, который препятствует реакции между моле кулами газа и металла. Этот слой неблагоприятно влияет и на развитие процессов десорбции.
Приведенные выше рассуждения определяют выбор материала тигля. Далеко не все металлы и сплавы можно улучшить путем вакуумной об работки. Иногда приходится наблюдать обратное явление. Часто разру шение деталей возникает благодаря той или иной последовательности добавок легирующих элементов или вследствие их недостаточной чистоты.
Поскольку вакуумная плавка ведется без шлака, образование шлака в процессе плавки также не имеет места. Например, если железо добав ляется в качестве легирующей присадки к титану, необходимо тщательно следит^ за тем, чтобы оно было свободно от газов. Титан благодаря высо кому сродству к кислороду, азоту и водороду легко взаимодействует с этими газами, и даже последующая дегазация с помощью восстановителей будет невозможной. В случае многокомпонентных сплавов необходимо особое внимание уделять планированию последовательности операций ввода легирующих компонентов и следить за тем, чтобы они имели тре буемую степень чистоты.
Только при этом условии можно достичь успеха при вакуумной плавке. Еще задолго до начала систематического изучения механизма реакций при низких давлениях металлурги интересовались проблемой вакуумной плавки. С точки зрения современного состояния науки боль шая часть концепций того времени была неправильной, однако неко торое предложенное тогда оборудование оказалось весьма удачным. Существует много причин, объясняющих позднее развитие вакуумной металлургии. Металлурги, смело оперирующие с огромными установ ками, чувствовали себя робко в области физического эксперимента. С другой стороны, физики, как правило, не имели достаточных знаний в области металлургии. Но для решения проблем вакуумной плавки требовался своеобразный синтез знаний. Рон обладал опытом физика
иквалификацией металлурга. Следует отметить, что получение металлов
исплавов в вакууме без загрязнений требует создания весьма эффектив ного оборудования и более совершенных технологических процессов. Как уже упоминалось ранее, вакуумная плавка в некоторых случаях дает металл, имеющий худшие технологические характеристики, чем у металла, выплавленного в обычных условиях.
Сдругой стороны, имеется значительная группа металлов и сплавов, производство которых и их практическое применение возможно только
вслучае, если они выплавляются в вакууме. К числу таких металлов, исключительно чувствительных к загрязнению газами, относятся титан, цирконий, молибден, тантал, вольфрам, бериллий и уран.
Быстрое .развитие отраслей техники, связанных с созданием ядерных реакторов, газовых турбин, ракетных и авиационных двигателей, требовало разработки новых сплавов с улучшенными характеристиками. Для выплавки таких сплавов возникла необходимость в конструировании
иизготовлении специального вакуумного оборудования.
Известно, что одной из главных проблем вакуумной плавки является проблема огнеупорных тиглей. Свойства большинства металлов суще ственно зависят даже от ничтожно малых примесей газов в металлах. В связи с этим требовалась разработка такого процесса, который исключал бы возможность взаимодействия газов с расплавом [8]. Решение этой проблемы стало возможным в результате применения дуговой плавки
принизком давлении. Возникающие трудности при создании соответствую щей аппаратуры могут быть преодолены. Особый интерес в настоящее время представляет процесс дуговой плавки в печи с расходуемым электро дом. Механизм дегазации в этом процессе примерно следующий. Жидкий металл, отделяясь от электрода, под действием сильного электромаг нитного поля распадается на отдельные капли, из которых быстро выделяется газ, благодаря большой поверхности капель и высокой температуре в зоне дуги.
Фиг . 4. Вакуумная дуговая печь с рас ходуемым электродом.
1 — слиток; 2 — водоохлаждаемая изложница;
3 — механизм перемещения электрода ; 4 — меха низм извлечения слитка; б — расходуемый элек трод; в — герметичное соединение; 7 — механи ческий насос; 8 — бустерный насос; 9 — диф фузионный насос.
Однако нет никаких возможностей регулировать длительность пре бывания жидких капель металла в вакууме, поэтому в большинстве слу чаев происходит только частичная дегазация металла, так как удаление газов, присутствующих в металле в виде соединений, осуществляется главным образом в результате химических реакций с образованием газообразных продуктов. Практические успехи, достигнутые при дуговой плавке титана, циркония, молибдена и тантала, столь значительны, что этот процесс не может быть заменен каким-либо другим. На фиг. 4 схема тически показана конструкция дуговой печи, изготовленной на заводе «Металлверк» в Планзее, а на фиг. 5 представлен ее общий вид. В лабора тории фирмы «Вестингауз электрик корпорейшн» [9—11] разработан другой способ, исключающий взаимодействие футеровки с расплавом. Внутри специально сконструированного индуктора помещаются матери
алы, имеющие металлическую электропроводность, поддерживаемые во взвешенном состоянии в электромагнитном поле и нагреваемые-токами высокой частоты до плавления, причем жидкий металл имеет форму капли.
Особая ценность этой методики заключается в том, что металл не только можно расплавить без контакта с тиглем, но также и изготовить фасонную отливку, чего нельзя осуществить в дуго вой печи. К сожалению, полученные до сих пор результаты, очевидно, не настолько удачны, чтобы можно было судить о технической важности этого процесса.
Для плавки жаропрочных сплавов или шари коподшипниковых сталей успешно используются высоковакуумные индукционные печи, в которых выплавляются садки весом до 1 т. При этом спо собе плавки существуют условия'для глубокой де газации, так как металл энергично перешивается под действием электромагнитного поля. Кроме того, дегазации способствуют вспомогательные реакции,
протекающие на поверхности. |
Продолжительность |
|
|
процесса и температуры металла могут меняться в |
5. Общий вид |
||
широких пределах, если этому не препятствует стой- |
Фи г . |
||
кость тигля. На фиг. 6 показана индукционная ваку- |
вакуумной дуговой |
||
умная печь емкостью 200 кг, а на фиг. 7—вакуумная |
|
печи- |
|
установка фирмы «Консолидейтс вакуум корпорейшн» |
корпорейшн», |
||
емкостью 500 кг. Американские |
фирмы «Нейшнл |
ресерч |
|
«Стоике», «Юниверсал циклопе |
корпорейшн» и |
другие, |
специализи |
рующиеся в этой области, создали оригинальные конструкции печей
Ф и г. 6. Вакуумная печь |
Фиг . 7. Вакуумная пла- |
емкостыо 200 кг. |
вильная установка ем |
|
костью 500 кг. |
Получил промышленное применение новый процесс, который был предложен еще в 1893 г. Фирма «Гусштальверк бохумер ферайн» использо вала для дегазации [12] этот процесс, который заключается в следующем: ковш, наполненный жидкой сталью, устанавливается на крышке вакуум ной камеры, отделенной от ковша мембраной с более низкой темпе ратурой плавления, чем находящийся в нем металл. В вакуумной камере располагается изложница. Струя жидкого металла подается в камеру, разделяется на отдельные капли и, пройдя некоторое расстоя ние в вакууме, попадает в изложницу. Вследствие большой площади
поверхности капель из металла эффективно удаляются газы, количество которых определяется кинетикой реакции.
Это особенно относится к водороду, который благодаря малой устой чивости гидридов и высокой подвижности его атомов в металле легко удаляется из расплава не только в виде газа, но и в виде соединений. На фиг. 8 показано содержание водорода в слитках, отлитых в вакууме и на воздухе; эти данные иллюстрируют практическую ценность метода вакуумной обработки металла. Недостатком его является очень короткое время пребывания металла в вакууме, что препятствует достижению равновесного состояния в процессе дегазации. Кроме того, потери на излу чение вызывают значительный перепад температуры, который нежелателен
I_
_ I Отливка на воздухе 1111Отливка в вакууме
0,35%С 2 |
, 0 % N i |
2 , 0 % N i |
U % C r |
0 |
,8 % М п |
1,3%С г |
/ ,3 % С г |
12,0%Сг 16,0%С г |
|
1 |
,3 % С г |
й % С г |
0,6°Шо 3 |
, 2 % N i |
1 ,2 % М о |
| ,2 % М о |
1fi%Wor 16,0°Ш |
||
0 |
.4 % М о |
0 ,4 % М о |
0,2 % V |
0 ,4 % М О |
0 ,3 % V |
0,3 % V |
0 , 3 % V |
7 , 8 % М о |
|
21 |
10 |
150 |
10 |
25 |
35 |
25 |
8 |
0,7%Cb |
|
21 |
|||||||||
|
|
|
Слитки, m |
|
|
|
|||
Ф и г. 8. |
Содержание |
водорода |
в слитках. |
|
для дегазации и который можно компенсировать только дополнительной затратой энергии, что неэкономично. Тем не менее результаты, полученные при разливке конструкционных сталей, показывают, что таким путем можно полностью избежать образования в отливках флокенов и исклю чить литейные потери. Одна из разновидностей этого процесса описана в работе [13].
Весьма оригинальный процесс, позволяющий избежать ряда описан ных выше трудностей, осуществлен фирмой «Дортмунд хёрдер хюттенунион» [14]. Этот метод заключается в том, что трубка (типа пипетки) или сифон, в котором создается вакуум, погружается открытым концом в металл, покрытый слоем шлака. Если сифон поднимать или опускать по отношению к металлу, он будет наполняться металлом или, наоборот, металл будет выливаться вследствие разности атмосферного давления и давления внутри сифона.
Опытами установлено, что каждое погружение трубки подвергает вакуумированию новую порцию металла, причем дегазация протекает очень быстро. Этот метод позволяет изменять время выдержки металла в вакууме, а также температуру плавки. Кроме того, легирующие добавки могут вводиться в процессе откачки, что дает возможность составить подходящую программу легирования.
На фиг. 9 показано изменение давления в процессе вакуумирования (плавка весом 80 т) мартеновской стали. Возможности процесса, разрабо-
тайного фирмой «Дортмунд хёрдер хюттенунион» и осуществленного акционерным обществом «Бальзерс унион», по мнению автора, далеко не исчерпаны. Простота этого метода является его большим преиму ществом.
Успехи, достигнутые в последние годы в области дегазации жидкого металла, показывают, насколько плодотворным оказывается содружество
Добавка FeSi
а д |
Ч |
|
Ю |
is |
20 |
Время,мин. |
|
|
До раскисления |
После раскисления |
Фиг. 9. Изменение давления в процессе вакуумирования плавки мартеновской стали весом 80 т .
металлургов и физиков. Несомненно, что ближайшие годы будут ознамено ваны новыми успехами, поскольку возрастает потребность в увеличении количества металлов и сплавов, дегазированных в вакууме.
К сожалению, наши количественные представления о реакциях, протекающих при плавке металла в вакууме, весьма ограниченны. Напри мер, не ясно, какое влияние оказывает глубина вакуума на свойства жаропрочных и других сплавов.
Фиг. 10. Устройство для контроля процесса дегаза ции в вакуумных плавильных установках.
Взаключение следует кратко упомянуть о методике анализа газов.
Впоследнее время промышленное применение получили два интересных типа приборов для анализа газов. Один из них разработан фирмой «Нейшнл ресерч корпорейшн», другой прибор — для горячей экстракции — изго товлен фирмой «Бальзерс». Оба прибора позволяют анализировать газы, находящиеся в образце. Первый прибор отличается высокой точностью, но требует большего времени для выполнения анализа, чем второй прибор, который к тому же и менее чувствителен.
Автором разработан прибор, позволяющий непрерывно фиксировать
количество газов, выделяющихся в процессе плавки. Это осуществлено с помощью специального дифференциального устройства, принципиальная
схема которого показана на фиг. 10. Прибор испытывается в лаборатор ных условиях, причем, промышленное его применение не ожидается в ближайшее время. Контроль процесса плавки с помощью дифференциаль ного анализа состава выделяющихся газов будет способствовать разреше нию рассмотренных выше проблем.
|
|
|
|
|
|
|
Л |
И |
Т |
Е |
Р А |
Т |
У Р А |
|
|
|
1. |
H o u d r e m o n t |
Е., |
S c h r a d e r |
Н., |
Stahl и. Eisen, 61 |
(1941). |
||||||||||
2. |
R o h n |
W., |
Zs. Metallkunde, |
21, 16 (1929); J. Inst. Met., 42, 203 (1929). |
||||||||||||
3. |
S i e v e r t s |
A., |
Zs. Metallkunde, 21, 37/44 (1929). |
|
|
|
||||||||||
4. |
С о 1 о m b i e г |
M. |
C., Rev. |
metallurgie, 44, 374 (1947). |
|
|
||||||||||
6. |
F a s t |
J. |
D., |
L u t e j n A. |
I., |
O v e r b o s c l i |
E., |
Philips’ techn. rdsch., 15, |
||||||||
|
81 |
(1953). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
6. |
M a i c o m |
E. D., |
Sci. Instr. Suppl., 1, 63 (1951). |
|
|
|
||||||||||
7. Stahl u. Eisen, 82, 1062/66 (1912). |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
8. |
W i n k l e r |
O., |
Zs. Metallkunde, 44, 333/41 (1953). |
|
|
|||||||||||
9. |
O k k r e s s |
E. |
C., |
W r o u g h t |
o n |
D. |
M., G o m e n e t z |
G., B r a o e P. H., |
||||||||
|
K e l l e y |
J. |
C. |
H.,J. Appl. Phys., 28, 545 (1952). |
|
|
||||||||||
10. |
O k k r e s s |
E. |
C., |
W r o u g h t |
o n |
D. |
|
M., Iron Age, 70, № 5, 83 (1952). |
||||||||
11. |
B r a u n b e c k |
W., |
Umschau, |
53, |
68 |
(1953). |
|
|
|
|||||||
12. |
T ix |
A., J. Met., |
8, |
420—424 |
(1956). |
|
|
|
|
|
||||||
13. |
Steel, 138, 112 (June 4, 1956). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
14. |
H a r d e r s |
F., |
K n u p p e l |
H., |
B r o t z m a n n |
K., |
Stahl u. Eisen, 76, № 26 |
|||||||||
|
1721—1728 (1956). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВАКУУМНЫХ ПЕЧЕЙ ДЛЯ ДЕГАЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ, ПАЙКИ, ОТЖИГА И ДРУГИХ ОПЕРАЦИЙ
Р. Г у н о в
ВВЕДЕНИЕ
Потребность в высококачественных материалах, в частности в авиаци онной промышленности и в производстве управляемых снарядов, сыграла значительную роль в развитии новой технологии обработки металлов. Применение вакуумных печей в металлургии вызвало необходимость в изыскании новых и усовершенствовании старых методов обработки этих материалов. В технологии металлургического производства известно очень немного процессов, которые получили бы столь быстрое распростра нение, как вакуумные процессы. Результатом исследовательских работ, выполненных на одном из заводов США, явилось, например, строительство полутонной печи общего назначения.
Для вакуумных процессов приобретают важное значение два положе ния из физики и физической химии. Во-первых, все металлы обладают, даже при комнатной температуре, определенной упругостью пара; вовторых, все химические соединения при данной температуре характери зуются определенной упругостью диссоциации.
Давление паров металлов в чистом состоянии выше, чем давление их паров над твердыми растворами. Это обстоятельство позволяет при высоких температурах и высоком вакууме обрабатывать сплавы, содержа щие элементы с относительно высокой упругостью пара, без существенных потерь легирующих составляющих. Марганец и хром —два широко исполь зуемых легирующих элемента. При 865° упругость пара чистого марганца составляет 0,76 мк рт. ст. Упругость пара хрома равна 0,76 мк рт. ст. при 1073° [1]. Однако даже при давлениях ниже 0,1 мк рт. ст. для указанных температур не наблюдается заметного улетучивания этих элементов из промышленных сплавов.
Тот факт, что химические соединения обладают при данной темпера туре определенной упругостью диссоциации имеет свои преимущества, и они успешно используются в практике. Большинство нитридов и гидри дов отличается относительно высокой упругостью диссоциации при умеренных температурах. Необходимые для их диссоциации давления и температуры отвечают условиям работы промышленных вакуумных печей. Вследствие этого дегазация в твердом состоянии становится практическим методом очищения загрязненных материалов.
Большинство окислов характеризуется довольно низкой упругостью диссоциации. Например, упругость диссоциации окиси железа равна Ю-8 мк рт. ст. [2] при 927°. Когда окислы обладают относительно высокой упругостью диссоциации, вакуумная обработка может быть использо вана для разложения окислов и очищения материалов в твердом состоянии.
Хотя большинство промышленных печей не позволяет достичь высо ких разрежений, необходимых для разложения окислов, однако удаление их может протекать и за счет испарения окисных пленок с поверх ности. Многие металлические окислы испаряются при температурах и
давлениях, встречающихся в промышленных условиях. Конечный резуль тат вакуумной обработки подобен очищению материала в восстановитель ной атмосфере. Например, в, вакууме может быть очищена от окислов нержавеющая сталь марки 3021). Лист этой стали, темный на вид перед вакуумной обработкой, становится блестящим после вакуумирования в печи при 1050° и давлении 0,5 мк рт. ст.
ВАКУУМНЫЕ ПЕЧИ
Вакуумные печи, предназначенные для термической обработки мате риалов в твердом состоянии, могут быть либо с газовым, либо с электри ческим обогревом. Важнейшими узлами вакуумной системы являются источник нагрева, герметичная камера или реторта и вакуумные насосы. Детали для вакуумной обработки помещаются в камеру, которая откачи вается и нагревается. В печах с газовым нагревом, естественно, вакуум ная камера обогревается снаружи счюмощью форсунок. В электрических печах нагрев осуществляется путем излучения нагревательного элемента, который может быть помещен как снаружи, так и внутри камеры.
Несмотря на то, что нагрев осуществляется только за счет излучения, в горячей зоне камеры достигается равномерная температура.
Газовые печи могут быть разделены на три категории: шахтные печи, в которых реторты помещаются в колодцы ; колпаковые вертикаль ные, в которых печь располагается над камерой, и горизонтальные печи. Эти три типа печей показаны на фиг. 1, 2 и 3.
В шахтных печах камера может удаляться из печи, и загрузка в нее материала может производиться независимо от того, находится ли она в печи или вне ее. Камера закрывается крышкой с уплотнением. Во избежание окисления внутренних стенок камера перед установкой в печь предварительно откачивается.
В печах колпакового типа обрабатываемый материал помещается на подставку и накрывается ретортой. Попадание воздуха в реторту предотвращается водоохлаждаемым уплотнением между ретортой и подставкой. Реторта откачивается, и над ней устанавливается нагрева тельная камера.
Преимуществом печей колпакового типа является то, что загру жаемые в них детали сохраняют устойчивое положение, в то время как в печах шахтного типа возможно их опрокидывание во время транспортировки. С другой стороны, шахтные печи дешевле и проще, чем колпаковые.
В период |
охлаждения |
колпаковая печь снимается с реторты, |
а в шахтных |
печах реторта |
извлекается из печи. Продолжительность |
охлаждения зависит от вида загрузки. Охлаждение в основном про исходит путем отдачи тепла излучением, когда садка выдерживается в вакууме. Садка весом 140—230 кг охлаждается от 1100 до 150° обычно в течение 4 час. Введение инертной атмосферы в реторту при темпера турах, ниже которых теплоотдача за счет радиации не имеет существен ного значения, сокращает продолжительность охлаждения за счет конвекции.
Горизонтальные вакуумные печи обычно имеют стационарные каме ры, в которые материал либо загружается свободно, либо зажимается в приспособлении для фиксации его положения в горячей зоне. Последова тельность операций вакуумной обработки в этих печах такая же, как и в печах вертикального типа.
0,08 — 0,20% С; 17—19% Сг; 8,0—10,0% Ni; < 2,0% Мп.
Имеется, конечно, много различных конструкций трех основных типов вакуумных газовых печей. Можно упомянуть некоторые из них, напри мер печи с дополнительными охладительными камерами, многокамерные печи или печи, отличающиеся расположением вакуумных соединений.
Ф и г. X. Вакуумная газовая шахтная печь.
1 — водоохлаждаемая рубашка; 2 — уборка дымовых газов; 3 — газовые горелки; 4 — к вакуумным на сосам; 5 — горячая зона; 6 — загрузка.
1
Ф и г. 2. Вакуумная газовая колпаковая печь.
1 — уборка дымовых газов; 2 — горячая зона; 3 — во доохлаждаемое уплотнение; 4 —■к вакуумным насосам; о — вакуумная реторта; 6 — газовые горелки; 7 — осно вание печи ; 8 — загрузка.
Как указывалось ранее, электрические печи могут быть подразделены на две категории — печи с внутренним или наружным обогревом. Кроме того, каждая из этих категорий может иметь конструкцию описанных
и код
выше трех основных видов печей с газовым обогревом. Электрические вакуумные печи двух типов показаны на фиг. 4 и 5.
1
5
Ф и г. 3. Вакуумная горизонтальная газовая печь.
2 — уборка дымовых газов; 2 — змеевик охладитель; 3 — к вакуумным насосам; 4 — отра жатели; 5 — газовые горелки; 6 — горячая зона; 7 — загрузка.
Фиг. 4. Вакуумная колпаковая элек |
Фиг. 5. |
Вакуумная электрическая печь |
трическая печь. |
|
с холодной ретортой. |
1 — нагреватель; 2 — изоляция; 3 — высокий |
индуктор; 2 — отражательные экраны ; |
|
вакуум; 4 — форвакуум; 5 — водоохлаждаемое |
«V—высокий вакуум; 4 — охладитель; о — за |
|
уплотнение; 6 — загрузка. |
грузка; |
6 — отражательная перегородка. |
На фиг. 4 представлена колпаковая печь сопротивления. Нагрева тельный элемент расположен снаружи реторты. Преимуществом такого вида печей является то, что выделение газов из нагревателя и изоляцион ных материалов не влияет на состояние рабочей зоны. При этом вместе