книги из ГПНТБ / Вакуумные прокатные станы
..pdf
ВАКУУМНЫЕ
ПРОКАТНЫЕ
СТАНЫ
М о с к в а «МАШИНОСТРОЕНИЕ
1973
В14
У Д К 621.771.06-982
4/&Z
Вакуумные прокатные станы. М., «Машиностроение», 1973, 232 с.
Авт.: Крупин А. В., Линецкий Б. Л., ЗарапинЮ . Л . , Сигалов Ю. М., Чернышев В. Н .
В книге рассмотрены методы прокатки тугоплавких и редких металлов, сплавов на их основе, а также би металлов в вакууме и в среде инертных газов. Описаны конструкции вакуумных прокатных станов, их узлов и механизмов. Даны методика расчета вакуумных систем станов и рекомендации по выбору металла вал ков для прокатки в вакууме. Приведены результаты исследований вакуумных прокатных станов.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся исследованием, проекти рованием и изготовлением вакуумных прокатных ста нов. Она может быть полезна студентам металлурги ческих и машиностроительных вузов.
Табл. 30, ил. 170, список лит. 100 назв.
Рецензент действительный член АН БССР В. П. С Е В Е Р Д Е Н К О
В 3123-147 147—73 038(01)—73
© Издательство „Машиностроение",1973г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Решениями X X I V съезда КПСС предусмотрено коренное улучшение качества металлов и сплавов и увеличение производ ства новых материалов.
Многие отрасли народного хозяйства — авиационная и радио электронная промышленность, атомная энергетика и ракетострое ние постоянно расширяют использование тугоплавких и редких металлов, сплавов на их основе, а также биметаллов различных композиций, обладающих особыми физико-механическими и хи мическими свойствами.
Новейшим достижением в области металлургии является освоение электроннолучевой плавки, зонной рафинировки и других методов выплавки, осуществляемых в высоком вакууме. Полученные и очищенные в вакууме металлы при дальнейшей обработке давлением, проводимой при высоких температурах, интенсивно взаимодействуют с активными газами воздуха—кисло родом, азотом, водородом, незначительное содержание которых существенно изменяет свойства полуфабрикатов и изделий.
Так, например, увеличение содержания в ниобии кислорода от 0,02 до 0,2% (по весу) понижает его пластичность в 2 раза. При высокотемпературной обработке давлением с неоднократным на гревом возрастают потери металла на окисление, уменьшается выход годной продукции. При ковке молибдена весовые потери составляют 10—12%, а горячая деформация ниобия и тантала сопровождается потерями металла до 30%.
Имеются и другие причины, затрудняющие обработку туго плавких металлов давлением на воздухе при высоких темпера
турах. Так, |
деформацию ванадия невозможно проводить |
уже |
при 600° С |
без защиты из-за токсичности образующихся |
паров |
окислов. При нагреве и деформации наряду с окислением воз можно протекание процессов газонасыщения с образованием твердых растворов внедрения.
Специфические свойства тугоплавких металлов обусловливают соответствующие требования к оборудованию и способам обработки
давлением этих металлов. |
Необходим нагрев металлов перед |
1* |
3 |
деформацией до температур, превышающих температурные воз можности существующих нагревательных печей. Для осуществле ния высокотемпературной деформации химически активных ме таллов и уменьшения или полного исключения их взаимодей ствия с активными газами воздуха необходимо создание специаль ных мер защиты.
Наиболее эффективным методом защиты металлов от взаимо действия с активными газами (окисления, газонасыщения), полу чающим все более широкое распространение, является деформа ция в вакууме или среде инертного газа. Для этого создаются вакуумные прокатные станы, гидравлические прессы, волочиль ные станы, ковочные молоты, позволяющие нагревать и обраба тывать материалы как в вакууме, так и в среде инертного газа. Наряду с этим применяются специальные устройства — «обитае мые камеры», где обработка металлов (сварка, пайка, плавление, пластическая деформация) проводится в среде очищенного аргона персоналом, работающим в скафандрах и находящимся внутри этих камер.
В связи с успешным освоением космоса логично предположить, что в перспективе возможно использование космического вакуума для металлургических целей, в частности для плавки и обработки редких металлов, получения биметаллов и композиционных материалов.
Приоритет в создании оборудования для обработки металлов давлением в вакууме принадлежит советским ученым. В 1951 г. Физико-техническим институтом АН УССР впервые в мире был создан прокатный стан для пластической деформации в вакууме. С того времени в течение двадцати лет этот метод совершенствуется и широко внедряется в промышленность.
Проведены обширные теоретические и экспериментальные работы по изучению процессов и явлений, происходящих при нагреве и деформации металлов, сплавов и биметаллов в вакууме; по исследованию структуры и свойств тугоплавких и редких ме таллов, а также биметаллов и композиционных материалов, де формированных в вакууме и, для сопоставления, на воздухе.
В результате проведенных исследований разработаны ориги нальные конструкции промышленного оборудования, техноло гические режимы производства полуфабрикатов и изделий из чистых металлов и внедрен в промышленность метод высокотем пературной обработки металлов давлением в вакууме и в инерт ных средах. Однако обобщенных данных в литературе не имеется. Результаты исследований опубликовывались лишь в виде отдель ных статей в журналах и сборниках научных трудов.
Данный труд является первой попыткой систематизированного изложения материалов по исследованию вакуумных прокатных станов. Авторы будут признательны всем, кто проявит интерес к настоящей работе и пришлет советы, замечания и предложения.
Г л а в а I .
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ В ВАКУУМЕ И В ИНЕРТНЫХ СРЕДАХ
1.СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ ОКИСЛЕНИЯ И ГАЗОНАСЫЩЕНИЯ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Для предохранения тугоплавких и редких металлов и сплавов от взаимодействия с активными газами воздуха при высокотемпе ратурной обработке давлением используются следующие методы: нагрев в инертной или восстановительной среде (в расплавах стекла или солей), покрытие заготовок эмалями и суспензиями на основе стекла, заключение их в оболочки и обмазка жаростой кими составами [31].
Нагрев в инертной или восстановительной среде является наиболее распространенным в промышленности способом защиты металлов. Вольфрам и молибден нагревают в атмосфере водорода, а ниобий и тантал в аргоне.
Нагрев в ваннах с расплавами солей и стекла применяется значительно реже. Использование защитных сред только при нагреве не решает полностью проблему предохранения металлов от интенсивного взаимодействия с активными газами, так как последующая деформация и охлаждение происходят в воздушной среде.
Для защиты от окисления на всех стадиях процесса прокатки применяют сварные оболочки. В качестве материала оболочек используют углеродистую или нержавеющую сталь, никель, молибден.
Для лучшей защиты металла от взаимодействия с газами обо лочку продувают аргоном или вакуумируют. Такая защита имеет существенные недостатки [59], так как в процессе деформации невозможно наблюдать за состоянием заготовки. Отрицательное влияние оказывает наличие газов в самой оболочке, особенно при обработке ниобий-циркониевых сплавов. Не всегда возможно механическим путем отделить оболочку от деформированного металла, поэтому требуется дополнительная операция — травле ние в растворах, не реагирующих с основным металлом.
При горячей деформации до 1000° С для защиты металлов от взаимодействия с газами применяют покрытия или обмазки, которые обладают определенной адгезионной способностью, в том
5
числе металлические, образующие с основным металлом твердые растворы. Свыше этой температуры металл защищают с помощью специальных покрытий, состоящих из металлокерамических мо либдена и хрома, легированных бором и алюминием, а также из сплавов на основе ниобий—титан—хром, легированных ванадием, никелем и др. Подобная защита, например для ванадия, позволяет деформировать его при температурах до 1200° С.
Покрытия и обмазки ' наносятся плакированием с помощью плазменной горелки, осаждением из газовой фазы, погружением в расплав и др. Применение этих способов вызывает дополни тельные трудности, так как для каждого металла требуется изы скивать покрытие со специфичными для данных условий свой ствами, что является трудоемким процессом. Помимо этого, в тех нологический процесс требуется вводить вспомогательные опера ции. Еще большие трудности возникают при получении биметал лических материалов с составляющими, которые не соединяются на воздухе.
Рассмотренные недостатки затрудняют развитие промышлен ного производства изделий из тугоплавких и редких металлов, а также биметаллов с обеспечением надежной защиты от взаимо действия с активными газами в процессе высокотемпературной деформации. С целью решения указанной проблемы все шире
осваивается |
горячая обработка металлов и биметаллов давлением |
в вакууме |
и в инертных средах. |
2.ВАКУУМ И ИНЕРТНЫЕ СРЕДЫ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
Для безокислительной обработки давлением тугоплавких, редких металлов и сплавов на их основе могут использоваться вакуум различной глубины и разные защитные газы (табл. 1).
Взаимодействие различных газовых сред с тугоплавкими металлами
В а к у у м в мм рт. ст.
М е т а л л
10-2—10-3
Т а б л и ц а 1 |
|
И н е р т н ы е г а з ы |
|
б е з п р и м е с е й |
В о д о р о д |
д р у г и х г а з о в |
|
Вольфрам, |
Практическое |
Отсут ствие взаимодей :твия |
||
молибден, |
отсутствие |
|
|
|
хром, рений |
взаимодей |
|
|
|
|
ствия |
|
|
|
Ниобий, тан |
Взаимодей |
Практическое |
Отсутствие |
Взаимо |
тал, ванадий, |
ствует |
отсутствие |
взаимодей |
действует |
титан |
|
взаимодей |
ствия |
|
|
|
ствия |
|
|
6
В качестве защитных газов можно применять инертные газы
(аргон, гелий) и газы, не реагирующие при определенных |
усло |
|||
виях с данным металлом, |
например, водород для обработки |
воль |
||
фрама, молибдена, |
хрома |
и рения. |
|
|
В зависимости |
от конкретных требований к качеству |
металла |
||
и назначению полуфабрикатов и готовых изделий могут |
исполь |
|||
зоваться различные сочетания вакуума и газовых сред |
(табл. 2) |
|||
в процессе нагрева, деформации и охлаждения. С увеличением порядкового номера схемы (см. табл. 2) интенсивность взаимодей ствия металла с газами (окисления, газонасыщения) уменьшается. Для обработки давлением тугоплавких и редких металлов по
схемам 4, 5 и 6 создаются |
различные по своей |
конструкции |
агре |
|||
гаты, |
в том числе |
прокатные станы. |
|
|
|
|
Схемы сочетаний различных сред при нагреве, |
|
Т а б л и ц а 2 |
||||
|
|
|
||||
деформации и охлаждении |
|
|
|
|
||
№ |
С р е д а н а г р е в а |
С р е д а д е ф о р м а ц и и |
П р и м е н е н и е |
|
||
с х е м ы |
и о х л а ж д е н и я |
|
||||
1 |
Воздух |
|
Воздух |
|
Промышленное, |
ла |
|
|
|
» |
|
бораторное |
|
2 |
Защитная среда |
(инерт |
|
То же |
|
|
|
ные газы, водород) |
» |
|
» |
|
|
3 |
Вакуум |
|
|
|
||
4 |
Защитная среда |
|
Защитная среда |
» |
|
|
5 |
Вакуум |
|
То же |
|
Лабораторное |
|
6 |
Вакуум |
|
Вакуум |
|
Промышленное, |
ла |
|
|
|
|
|
бораторное |
|
В |
ряде случаев один и тот же стан |
предназначается как для |
||||
прокатки в вакууме, так и для прокатки |
в инертной среде. В за |
|||||
рубежной практике горячую обработку давлением тугоплавких металлов и сплавов в среде инертных газов применяют сравни тельно широко как в лабораторных, так и в промышленных условиях.
Первые опыты по высокотемпературной обработке давлением тугоплавких металлов и сплавов в среде инертного газа были проведены в 1953—1954 гг. в исследовательской лаборатории компании General Electric [89]. Для осуществления процесса рабочие части молота заключались в заполненную аргоном ка меру (рис. 1). На этой установке проковывались заготовки из молибдена и сплавов на основе молибдена, вольфрама и титана. Состав сплавов, способ получения заготовок и температуры ковки приведены в табл. 3.
Опыты подтвердили возможность успешной горячей пласти ческой деформации указанных металлов и сплавов в инертной среде при температурах до 2000° С, считавшихся нековкими при температурах горячей обработки стали. Отмечается, что при
7
ния: обеспечение длительного пребывания человека в изолирован
ном |
объеме, заполненном газом, |
и предотвращение |
проникнове |
||
ния |
воздуха через двери при входе и выходе персонала. |
||||
В |
1956 |
г. было опубликовано |
[95] сообщение |
о |
строительстве |
компанией |
Universal Cyclops Steel Corp. нового |
отделения для |
|||
высокотемпературной деформации тугоплавких металлов и спла вов в инертной среде.
При разработке проекта был учтен весь имеющийся к этому времени опыт конструирования и эксплуатации устройств для горячей пластической деформации металлов и сплавов в защитных средах. Новое отделение получило название «In-Fab» (сокраще ние от Inert fabrication).
Изучение литературы [51, 77, 82, 84, 86, 87, 94—98], посвя щенной отделению «In-Fab», позволяет полагать, что только в 1960 г. фирме удалось завершить строительство отделения и
наладку сложного |
оборудования. |
В зарубежной |
литературе, посвященной «In-Fab», отсут |
ствуют данные по его технической эксплуатации. Однако ясно, что большие трудности вызваны необходимостью непрерывной очистки инертного газа для поддержания его чистоты на уровне 99,99%, так как создание и эксплуатация систем очистки являются слож ной задачей, связанной со значительными затратами.
Большой опыт эксплуатации устройств для обработки давле нием материалов, применяющихся в атомной технике, имеют лаборатории Комиссии по атомной энергии США [51, 85, 88, 91, 95]. Примером может служить защитная камера из нержаве ющей стали, сконструированная в лаборатории «Argonne Natio nal» [88, 91] для прокатки плутония. Представляет интерес тех нологическая линия для производства плутония, смонтированная в той же лаборатории.
Опубликованные данные показывают, что Комиссия по атомной энергии США против сооружения больших камер-цехов, в кото рых должен находиться обслуживающий персонал, так как имеется большая опасность воздействия радиоактивного излучения.
Анализ рассмотренных работ свидетельствует, что за рубежом обработка тугоплавких, легкоокисляющихся, самовозгорающихся и радиоактивных материалов давлением в средах инертных газов находит широкое применение как в лабораторных, так и в про мышленных условиях на специально создаваемом и непрерывно совершенствуемом оборудовании.
Результаты исследования подтвердили целесообразность при менения инертных газов при обработке, однако затруднение встречают создание и эксплуатация систем непрерывной очистки
газов. Кроме того, горячая обработка давлением в |
инертных сре |
||||
дах не может полностью предохранить металл от |
взаимодействия |
||||
с |
активными |
газами. |
|
|
|
|
Химическое |
взаимодействие |
металла с |
газами |
не происходит |
в |
том случае, |
если парциальное |
давление |
газа (кислорода, азота |
|
9