Вакуумная металлургия

в 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,

рующиеся в этой области, создали оригинальные конструкции печей

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

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-

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.

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

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.

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