Вакуумная металлургия

ОТ И З Д А Т Е Л Ь С Т В А

Книга «Вакуумная металлургия» представляет собой сборник докла­ дов, прочитанных на курсах по вакуумной металлургии в Нью-Йоркском университете в июне 1957 г.

Всвете решений XXI съезда КПСС о широком использовании вакуума в металлургических процессах выпуск такой книги пред­ ставляется своевременным и имеет актуальное значение.

Вкапиталистических странах (США, Англия, Франция, ФРГ, Ита­ лия) применение вакуума в металлургии чрезвычайно расширилось за последние годы. Вакуумные процессы позволяют получать сплавы строго заданного состава и без потерь производить отливки из металлов, от­ личающихся весьма высокой реакционной способностью (титан, цирко­ ний, молибден и т. п.).

Вчерной металлургии использование вакуума дает возможность выплавлять различные сорта железа (трансформаторное, динамное, армко

идр.) и специальные стали, практически свободные от неметаллических включений, что весьма важно в производстве металлов высокой чистоты.

Внастоящее время одной из важнейших областей применения вакуумной плавки является производство жаропрочных сплавов для ядерных реакторов, газовых турбин, ракетных и авиационных двигателей. По некоторым опубликованым данным, в США 30—40 фирм применяют для этой цели вакуумную плавку, позволяющую повысить температурный предел работы жаропрочных сплавов в газовых турбинах на 80°.

Отжиг химически активных тугоплавких металлов представляет важную область, в которой вакуум находит все большее применение.

Существуют установки, позволяющие проводить дегазацию в вакууме

жидкой легированной стали в процессе получения слитков весом

частности, сплавы для термопар) и магнитные сплавы (пермаллой, терменол, алфенол) с повышенной магнитной проницаемостью. Плавка меди в вакууме дает металл высокой электропроводности с весьма малым содержанием кислорода, водорода и серы. Для вакуумной плавки при­ меняются специальные индукционные бессердечниковые печи с высо­ ким к. п. д., обеспечивающие быстрый нагрев садки и хорошее перемеши­ вание металла, что весьма важно для получения однородных слитков. В последние годы в промышленности появились вакуумные печи полуне­

прерывного действия, снабженные комплектом изложниц, в которых можно отливать несколько слитков без нарушения вакуума. Это увели­ чивает производительность печей и облегчает их обслуживание; печи такого типа могут быть снабжены устройством для центробежного литья.

Для плавки тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ниобия, титана и циркония) применяются вакуумные дуговые печи с медными водоохлаждаемыми тиглями. Эти печи позволяют решить проблему промышленной плавки титана и циркония, обладающих в расплавлен­ ном состоянии высокой химической активностью и взаимодействующих почти со всеми огнеупорами, что отрицательно влияет на степень чистоты получаемого металла.

В дуговых печах полунепрерывного действия выплавляются шари­ коподшипниковые стали и жаропрочные сплавы. Срок службы подшип­

1 т. Это открывает новые возможности применения молибдена.

Вакуум играет существенную роль в порошковой металлургии. Все тугоплавкие металлы можно спекать в вакууме, за исключением хрома, который обладает очень высокой упругостью пара. Тантал и ниобий также с успехом спекаются в вакууме; хотя спекание можно проводить

ватмосфере инертных газов, однако применение вакуума в данном случае предпочтительнее, так как он обеспечивает улетучивание некоторых вредных примесей.

Использование вакуума как в индукционной или дуговой плавке, так и при обработке жидких металлов позволяет соответственно снизить стоимость этих процессов, что в свою очередь обеспечивает снижение себестоимости продукции.

Взаключение следует отметить, что широкое применение вакуума

вметаллургических процессах знаменует собой начало Новой эры в металлургической практике. Все эти области применения в той или иной мере нашли свое отражение в настоящем сборнике,- который,

несомненно, будет представлять интерес не только для металлургов, но и для машиностроителей.

Г. Ш т е й н х е р ц

ВВЕДЕНИЕ

Основным фактором, благоприятствующим развитию вакуумной металлургии в последнее время, является наличие высокоэффективных откачных вакуумных систем. Цель настоящей статьи — ознакомить чита­ теля с конструкциями вакуумных насосов, выявить критерии, определяющие выбор их типа и мощности в соответствии с целевым назначением насосов,

атакже дать краткие описания вакуумпроводов, связанных с ними.

Встатье всюду, где возможно, применяются метрические меры. Дав­ ление дано в мм или мк рт. ст. (1000 мк = 1 мм рт. ст.). Скорость откач­ ки дана в л/сек на входе в насос. Производительность насоса Q есть про­ изведение скорости откачки S на давление р на входе в насос. Единицей измерения производительности является л • мк/сек. Эта единица пропор­

ность этих кривых находится в прямой зависимости от способа измере­ ния давления. Весьма значительные ошибки при измерении давления могут иметь место, если при измерении скорости откачки присутствуют небольшие количества конденсирующихся газов. При использовании манометров системы Мак-Леода или других типов манометров с охлаж­ даемыми ловушками значения измеряемых давлений получаются зани­ женными, что приводит к весьма завышенным скоростям откачки. При измерении давлений до 5 мк рт. ст. более надежные результаты дает альфатрон (ионизационный манометр с. холодным катодом), где исполь­ зуются в качестве ионизатора испускаемые радиоактивным источником а-частицы, а для более низких давлений можно применять ионизацион­ ный манометр с горячим катодом. Методы измерения скорости откачки подробно описал Дейтон [1].

ТИПЫ НАСОСОВ

Пластинчато-роторный насос является наиболее старой и широко используемой конструкцией в вакуумных системах. Уже в период между 1900 и 1910 гг. с помощью пластинчато-роторных насосов снижали дав­ ление до 1 мк рт. ст. В небольших насосах эта оригинальная конструкция используется и теперь (фиг. 1). В крупных насосах применяют золотни­ ковое или плунжерное устройство (фиг. 2). Типичные кривые скорости откачки пластинчато-роторных насосов приведены на фиг. 3.

По данным этих кривых, при понижении давления на входе в насос до 100 мк рт. ст. скорость откачки насоса уменьшается вдвое по срав­ нению со скоростью откачки при атмосферном давлении. Наиболее низ­ кое давление, достигаемое с помощью одноступенчатого насоса, составляет примерно 10 мк рт. ст., а с помощью двухступенч того насоса — 1—0,1 мк. рт. ст.

В обеих конструкциях насосов для смазки и уплотнения применяется масло. Давление паров масла является одним из решающих факторов, определяющих максимальную степень разрежения, достигаемую с помо­ щью этих насосов. Во время откачки, вследствие загрязнения масла водяным паром и другими летучими веществами, эффективная упругость паров масла обычно возрастает. Это является причиной постепенного ухудшения работы насоса в смысле достижения наиболее низкого давле­ ния. Загрязнение насосного масла устраняется за счет использования «газового балласта». В газобалластные насосы во время цикла сжатия

Давление, мн pm.cm.

W\to

Фиг . 3. Кривые скорости откачки механического пластинчато-роторного и газобалластного насоса.

вводят небольшое количество атмосферного воздуха. Это снижает степень сжатия конденсирующихся газов. Кроме того, тепло, выделяющееся при сжатии введенного воздуха, повышает температуру конденсирующегося пара и тем самым уменьшает возможность его конденсации. Одноступен­ чатый газобалластный насос при давлении на входе ниже 20 мм рт. ст. может работать без заметного загрязнения масла конденсатом водяного пара при содержании в откачиваемом газе паров воды до 100%. Однако, как и следует ожидать, применение газобалластного устройства снижает эффективность одноступенчатого насоса в области низких давлений. Например, насос, обеспечивающий достижение давления порядка 10 мк рт. ст., при открытом газобалластном клапане может снизить давление только до 300 мк рт. ст. Применение двухступенчатых насосов позволяет в значительной степени устранить этот недостаток. Двухступенчатые насосы, работающие на второй ступени с полностью открытым газобалластным клапаном, могут обеспечить давление до 1 мк рт. ст. Однако относительное количество водяных паров в откачиваемом газе при работе двухступенча­ того насоса должно быть ниже, чем при эксплуатации одноступенчатого.

Пластинчато-роторные и плунжерные ротационные насосы занимают доминирующее положение среди других конструкций вакуум-насосов.

так как с их помощью можно достичь широкого диапазона давлений в пределах от 760 до 0,001 мм рт. ст. Тем не менее использование этих насо­ сов ограничено, так как при давлениях ниже 100 мк рт. ст. их эффектив­ ность снижается ; они вообще не могут быть использованы при давлениях ниже 1 мк рт. ст. Несбалансированная конструкция пластинчато-ротор­ ных и плунжерных насосов ограничивает скорость вращения ротора;

Фиг . 4. Ротор механического бустерного насоса типа воздуходувки «Рута».

обычно число оборотов таких насосов не превышает 600 в 1 мин. Сколь­ зящий контакт между вращающимися и неподвижными частями насоса способствует быстрому его износу. Для своих рабочих характеристик эти насосы слишком дороги и велики по габаритам. Самым мощным на­ сосом этого типа является насос, откачивающий до 20 мя/мин.

Одним из типов вакуумных насосов является также насос-воздухо­ дувка, использование которого в сочетании с пластинчато-роторным или золотниковым насосом имеет значительные преимущества: Насос-возду­ ходувка типа Рута имеет две восьмеркообразные лопасти, вращающиеся

вразные стороны (фиг. 4).

Ввоздуходувке, в отличие от ранее рассмотренных насосов, лопасти не соприкасаются друг с другом и со стенками корпуса, что позволяет

вращать их с относительно большими скоростями без внутренней смазки. В соответствии с этим большая объемная скорость откачки может быть достигнута в небольших насосах. Насосы вытеснения (воздуходувки) обеспечивают производительность до 340 м3/мин.

Ротор и корпус этих насосов конструктивно аналогичны устройству этих частей в насосах для создания форвакуума или низкого положитель­ ного давления. Однако при изготовлении подобных насосов необходимо

Фи г . 5. Скорость откачки бустерных и газобалластных насосов.

высокое качество обработки поверхности вала для предотвращения попа­ дания масла или воздуха в камеру лопастей.

Степень сжатия в насосе-воздуходувке обычно ограничивается от­ ношением 10 1. Ограничение объясняется большой потребляемой мощ­ ностью при повышенных степенях сжатия и сложностью отвода тепла от вращающихся лопастей.

Поскольку степень сжатия в современных насосах-воздуходувках не­ большая, их используют как высоковакуумную ступень двухступенча­ того насоса. Сочетание насоса-воздуходувки с плунжерным ротационным насосом обеспечивает высокую скорость откачки в области давлений 15 мм — 1 мк. рт. ст. (фиг. 5). Такая кривая скорости откачки полностью отвечает задачам вакуумной металлургии. При использовании данного

ной камерой. В присутствии конденсирующихся паров работа насоса не ухудшается. Циркуляция охлаждающей жидкости через лопасти насоса дала бы возможность увеличить степень сжатия (более чем 10 : 1) и, следовательно, расширить диапазон рабочих давлений насоса (за пределы давления 15 мм рт. ст.), что позволило бы использовать в качестве вспомо­ гательного плунжерный насос меньших размеров..

Из многих применяемых в настоящее время механических насосов следует упомянуть еще два типа. Один из них — это молекулярный насос Геде' (фиг. 6 и 7). Диск диаметром 305 мм вращается в окружающем его корпусе со скоростью 8000 об/мин. Вязкостный поток увлекает воздух от входного отверстия через спиральные каналы к выхлопному отверстию.

Фиг . 6. Детали молекулярного насоса.

расположенному поблизости от центра насоса. Этот насос можно исполь­ зовать с вспомогательным форвакуумным насосом, так же как и насосвоздуходувку. Молекулярный насос позволяет получить большую степень сжатия, чем насос-воздуходувка.

Эти насосы не загрязняют откачиваемый объем парами масла; кроме того, с помощью молекулярного насоса можно достичь более низких давлений. Недостатком их является относительно высокая стоимость и частые механические повреждения. Применение подшипников более высокого качества и улучшение технологии изготовления этих насосов могут увеличить спрос на них в будущем. Характеристика молекуляр­ ного насоса свидетельствует о целесообразности его применения в лабора­ торных печных установках для отжига. Кривые скорости откачки этого насоса приведены на фиг. 8.

Представляет также интерес конструкция вакуумного центробежно­ го насоса с многолопастным ротором, вращающимся в эллиптическом корпусе, частично наполненном жидкостью. Откачивающее действие насоса обусловлено изменением расстояния между круглым ротором и эллиптическим корпусом. Двухступенчатая комбинация насосов может