1236

плавки и литья, которые подбирают для каждого конкретного сплава.

В табл. 20 приведены режимы литья слитков некоторых алю­ миниевых сплавов.

Более широкое применение нашла вакуумная обработка жид­ ких алюминиевых сплавов, основанная на уменьшении раствори­ мости водорода и других газов с понижением внешнего давления. Зачастую алюминиевый расплав подвергается трехстадийной обработке: в момент плавки, перед и в процессе разливки.

Разливку металла из миксеров осуществляют с применением футерованной оснастки. Использование метода полунепрерывного литья улучшает механические свойства слитков и их деформируе­ мость. Так, слиток дуралюмина диаметром 200 мм, отлитый в во­ доохлаждаемую изложницу наполнительным методом, в нагретом состоянии поддается только прокатке и прессованию. Тот же слиток, полученный непрерывным способом, можно ковать.

Литая проволока, полученная быстрым охлаждением из жид­ кого сплава (метод Головкина), выдерживает даже холодное волочение. С повышением скорости охлаждения слитка и умень­ шением величины зерна механические свойства улучшаются.

Одной из технологических проблем при литье крупных слитков из высоколегированных алюминиевых сплавов является появление трещин из-за высоких термических напряжений. Практика пока­ зала, что образование трещин зависит от целого ряда причин, в частности от пластичности, интервала температурного затверде­ вания сплава и др. Кроме того, для алюминиевых сплавов, полу­ ченных полунепрерывным методом, характерна химическая неод­ нородность (зональная ликвация) по сечению слитков.

На поверхности слитков в процессе литья могут возникнуть оксидные плены, рванины и другие поверхностные дефекты. В по­ следнее время широко применяют отливку слитков в электромаг­ нитные кристаллизаторы, где слиток формируется электромагнит-

ной плоскости. Во входной части зева валков, в которую посту­ пает жидкий металл, происходит кристаллизация. Выходная же часть зева валков обеспечивает обжатие полосы, во многом ана­ логичное обычной горячей прокатке.

Общая схема формирования металлической заготовки в валко­ вом кристаллизаторе (в данном случае валки расположены в го­ ризонтальной плоскости) представлена на рис. 66. В зоне форми­ рования заготовки имеются области жидкого состояния (У), жид­ ко-твердого (2 ), твердо-жидкого (3), твердого (4). Протяженность области каждого из этих состояний может колебаться в широких пределах, так как зависит от тех­

и качества литого металла открывают методы электромагнитного воздействия на металл в процессе не только литья, но и при его плавке. Для этой цели созданы специальные установки емкостью 250 кг для алюминиевых сплавов. На этих установках металл пла­ вится, рафинируется и разливается по формам без соприкоснове­

вается в вакууме во взвешенном состоянии силами электромагнит­ ного поля, не соприкасаясь ни с чем. Поэтому металл получается максимально чистым. Отливка может быть проведена как в обыч­ ную, так и в «электромагнитную» форму.

Своеобразный способ «литья вверх» состоит в том, что к noj верхности расплава прикасаются торцовой частью металлической затравки нужной формы и тут же начинают ее вытягивать. Жидкий металл благодаря молекулярным силам сцепления тянется

за затравкой вверх, точно повторяя ее профиль. И так непрерывно растет из ванны со скоростью 5—20 м/ч слиток или заготовка необходимого сечения.

Разработано много оригинальных методов заполнения форм, в ччастности метод выжимания. Сущность метода заключается в том, что плавно поднимающийся по форме сплошным потоком жидкий металл имеет сечение во много раз больше, чем сечение будущей отливки. Важным элементом формы являются две под­ вижные матрицы, при сближении которых металл выжимается из резервуара. Только в конце заполнения сечение потока жидкого металла приближается к сечению детали.

По мере того как металл выжимается вверх, у стенок обра­ зуются застывшие корки. Скорость сближения матриц регулируют таким образом, чтобы к концу выжимания будущая отливка уже состояла из двух корочек и тонкой жидко-твердой прослойки между ними. Последняя стадия «захлопывания» матриц может идти аналогично процессу литья под давлением. Как только матрицы закроются, кончается кристаллизация.

Получается мелкозернистая, плотная и прочная тонкостенная (1,5—4 мм) крупногабаритная отливка.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какие реакции протекают в производстве глинозема?

2.Какое оборудование применяют в производстве глинозема?

3.Какие требования предъявляются к качеству глинозема?

4.Почему не применяют восстановление глинозема углеродом?

5.Почему алюминий получают из расплава криолит—глинозем?

6.Какие ванны применяют для электролиза глинозема?

7.Каких травм следует остерегаться в цехе электролиза глинозема?

8.Каковы основные показатели режима электролиза глинозема?

9.Какой чистоты алюминий получают электролизом?

10.Как его разливают?

И.С какими едкими веществами работают в отделении выщелачивания

бокситов?

12. Особенности плавки алюминиевых сплавов.

в машино- и авиастроении. Сплавы магния и сам магний в нор­ мальных атмосферных условиях устойчивы не меньше, чем стали, вследствие образования на них тонкой защитной пленки. Магний

обладает замечательными физическими свойствами: малой плот­ ностью [1,74 г/см3 (твердый) при 20 °С и 1,58 г/см3 (жидкий) при температуре плавления 651°С] и низкой температурой кипения (1104°С). Тонкие полоски, проволочки и особенно порошок маг­ ния при нагревании загораются и горят ослепительным белым пламенем. Следовательно, обращаться с магнием следует осто­ рожно. При легировании магния алюминием, цинком, марганцем опасность возгорания уменьшается.

Из химических свойств магния весьма важны следующие: вы­ сокое сродство к кислороду (одно из самых высоких среди метал­ лов), хлору и фтору, высокий нормальный электрохимический потенциал, равный 2,37 В. Эти свойства, как указывалось ранее при описании свойств алюминия, исключают возможность полу­ чения магния обычными способами (восстановление углеродом, электролизом водных растворов). Восстановление магния углеро­ дом или кремнием хотя и возможно, но требует сложной техники (вакуум, высокая температура) и дорого стоит.

В настоящее время главным способом получения магния яв­

ляется электролиз расплавленного хлорида магния: MgCl2->Mg-|-

катод

+ С 12.

анод

Электролитный магний широко применяется в промышлен­ ности. Представляет ценность и попутно получаемый хлор. Одним

потребителях магния — его используют в основном в производстве сплавов с алюминием и цинком.

Сплавы магния с марганцем (0,2—0,8%) можно прокатывать в листы. Обычно магниевые сплавы работают при температурах не выше 150—200 °С. Чтобы повысить температурный предел до 300—400 °С, их легируют цирконием и торием. Общий недостаток всех магниевых сплавов — коррозия, особенно в растворах солей.

Магний, как и алюминий,— один из распространеннейших

вземной коре элементов (2,4%). Чаще всего магний встречается

ввиде различных силикатов. Но сырьем для производства магния

служат хлориды (MgCl2• 6Н20 — бишофит, MgCl2• КС1 • 6Н20 — карналлит) и карбонат (MgC03 — магнезит). Иногда предприя­ тиям выгодно работать на двух видах сырья: хлоридном и карбо­ натном. Мировое производство магния, по данным 1981 г., состав­ ляет 291 тыс. т, в том числе первичного 221 тыс. т.§

§ 2 . Электролиз хлоридов

Наиболее доступным сырьем для производства магния является искусственный карналлит, получаемый попутно во время перера­ ботки природных калийных солей, как отход от производства

удобрений. Такой карналлит содержит, %: 20—24 КС1; 28—32 MgCl2; 4—10 NaCl; до 40 Н20. На магний в искусственном кар­ наллите приходится всего около 7—8 %. Поскольку в присутствии воды выделить магний электролизом невозможно, первая стадия в технологической схеме производства магния состоит в обезво­ живании карналлита. Для этого в печах КС при 120—140 °С уда­ ляют основное количество гигроскопической и кристаллизационной воды.

Твердый окомкованный остаток плавят в электропечах при 750—800 °С до полного удаления влаги. Расплав отстаивают с целью удаления механических примесей'и оксида магния, кото­ рый образуется в небольших количествах во время сушки и плав-

стов с внутренней футеровкой из шамота. В ваннах установлены графитированмые аноды и стальные катоды из толстых листов.

плавления магния). Очевидно, что металл надо несколько пере­ греть, чтобы он не затвердевал сразу после взятия его из ванны. Поэтому электролиз ведут при 700—720 °С. Но в этих условиях, если ванна открыта, возникает опасность загорания магния па воздухе, обратного хлорирования магния хлором и выделения хлора в атмосферу цеха. Чтобы избежать этого, ванну герметизи­ руют, отсасывают из нее хлор, частично разделяют анод и катод керамической перегородкой (рис. 67), добавляют в расплав: немного фтористой соли (например, около 2% CaF2). Это приво-

лит к ухудшению смачивания электролитом катода, что способ­ ствует получению на нем крупных капель магния и слиянию их в сплошную массу. Кроме того, поддерживают в электролите кон­ центрацию MgCl2 не меньше 6— 8 %, вследствие чего на магнии

Последнее обстоятельство приводит, очевидно, к росту напря­ жения по ванне. Поэтому с целью экономии электроэнергии необ­ ходимо использовать наиболее электропроводный электролит. Из солей, присутствующих в карналлите, наиболее электропроводен NaCl (3,0 Ом_1 *см_1). Среднюю электропроводность имеет КС1 (2,0 Ом- 1 -см-1) и наименьшую — MgCl2 (1,0 Ом- 1 -см-1). Обычно электролит содержит, %: 6— 8 MgCl2; 25—40 NaCl; 40—70 КС1. Такой состав электролита корректируют добавками солей (NaCl или КС1 в зависимости от состава карналлита). Электропроводность электролита 1,5 Ом- 1 -см-1, температура плав­ ления 420 °С, плотность 1,52—1,55 г/см3. Плотность электролита близка к плотности жидкого магния при 700°С (1,55 г/см3). Поэтому магний может не расслаиваться с электролитом (не всплывать и не тонуть). В отечественной практике принято утя­ желять электролит добавкой СаС12 и обеспечивать тем самым всплывание магния. Всплывший магний выбирают из ванны с по­ мощью вакуум-ковша. Чтобы, реже заменять электролит, часть хлора, выделяющегося при электролизе, направляют на хлориро­

производство магния находится вблизи от завода, производящего титан, то MgCl2 получают как отход титанового производства и используют для заливки в электролитные ванны. Таким образом, можно сделать состав электролита более постоянным и перераба­

тывать меньше карналлита.

Современные ванны работают при силе тока до 150 кА. Их основные показатели следующие: напряжение на ванне 5,5 В, плотность тока 0,5 А/см2, выход по току 83—85 %, расход электро­ энергии 14—15 тыс. кВт-ч/т. Извлеченный из ванны магний пере­ плавляют по флюсом (сплав хлоридов) и разливают в слитки. Товарный металл содержит 99,9 % Mg. Магний чистотой 99,99 % получают возгонкой в вакууме при 600—620 °С.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Области применения магния?

2.Какие меры предосторожности следует принимать во время раооты

(хранения) на магниевых заводах?

3.Как готовят магниевые руды к электролизу?

4.Как составляют электролит магниевых ванн?

5.По какому режиму ведут электролиз хлорида магния?

6.Какие ядовитые вещества могут применяться в производстве магния.

§ 1. Основные сведения

Вакуум (от латинск. vacuum — пустота) характеризует разреженное состояние воздуха или газа. Величину вакуума обычно определяют по давлению газа,

Характеристикой насосов является их производителБность и величина предель­ ного вакуума. Под производительностью насоса понимают количество газа, уда­

с уменьшением давления, причем производительность измеряют при данном дав­ лении. По достижении предельного давления для данного типа насоса скорость откачки становится равной нулю. Поэтому глубокого вакуума достигают обычно последовательным включением в систему двух или трех насосов, причем насос, выталкивающий газ в атмосферу, поддерживает перёд вторым насосом разре­ жение, облегчающее достижение за ним высокого вакуума. Так, наиболее низ­ кое давление (вакуум), которое получают с помощью одноступенчатого насоса, равно примерно 133,3 -10~12 Па, а с помощью двухступенчатого насоса — до 133,3-10 -4 Па.

Использование вакуума в металлургии для выплавки металлов и их сплавов вызвано тем, что в вакууме устраняется возможность взаимодействия их с воз­ духом и газами, которые в обычных условиях растворяются в металлическом расплаве. Кроме.того, в вакууме из жидкого металла удаляются уже содержа­ щиеся в нем газы, а также летучие металлы (цинк, свинец, мышьяк и др.) и неметаллические включения.

Необходимость получения цветных металлов и сплавов с очень низким содержанием в них различных примесей привела к быстрому развитию вакуум­ ной металлургии. Для плавки цветных металлов и сплавов созданы вакуумные индукционные и дуговые печи, а также вакуумные электронно-лучевые уста­ новки, в которых весь процесс плавки, включая разливку, происходит в вакууме. Печь целиком помещена в герметически закрытый кожух, соединенный с вакуумнасосом (см. гл. III).

§2. Вакуумные насосы

Вметаллургии получили распространение насосы, которые по принципу дей­ ствия можно объединить в две большие группы. Действие насосов с вращаю­ щимся ротором основано на механическом вытеснении воздуха или газа, запол­ няющего рабочий объем, движущимися частями. В механических насосах для уплотнения зазоров и смазки трущихся деталей применяют вакуумное масло. Такие насосы принято называть механическими масляными насосами. Кроме

того, имеются сухие механические насосы, в которых масло для уплотнения не применяют. Из масляных насосов широкое применение получили пластинчато­ роторные, пластинчато-статорные и золотниковые насосы.

В корпусе пластинчато-роторного насоса (рис. 68) вращается эксцентрично расположенный ротор с двумя пластинами, которые пружиной все время прижи­

меры на увеличивающийся при вращении объем впуска и уменьшающийся объем выпуска. В результате увеличения объема на стороне впуска создается раавёжение и откачиваемый газ из печной установки по впускному патр\бку засасы­ вается в насос. На стороне выпуска газ сжимается и при давлении, превышаю­

щем давление пружины выпускного клапана, выбрасывается из насоса в атмо­ сферу через выпускной клапан.

Корпус насоса погружен в бак с маслом, которое, просачиваясь в насос уплотняет зазоры и предотвращает обратный прорыв газа. Одновременно масло

Рис. 69. Схема работы пароструй- — ного насоса:

Рис. 68. Пластинчато-роторный насос:

/ — камера; 2 — бак с маслом; 3 — пласти­ на; 4 — рабочий объем; 5 — ротор; 6, 7 — впускной и выпускной патрубок; 8 — вы­ пускной клапан

охлаждает трущиеся части насоса и препятствует поступлению газа в насос из

атмосферы.

Вакуумное масло представляет собой машинное масло, из которого в ре­ зультате вакуумной перегонки удалены низкокипящие фракции. Вакуумное масло способно поглощать влагу и окисляться, теряя в процессе эксплуатации перво­ начальные свойства. Поэтому масло в вакуумных насосах необходимо периоди­ чески заменять.

В пароструйных (диффузионных) насосах использовано эжектирующее дей­ ствие струи пара рабочей жидкости в результате диффузии молекул газа в струю

пара или захвата их.

Принцип действия пароструйного насоса показан на рис. 69. Пар, подавае­ мый под давлением в паровую камеру, через специальное сопло истекает в воз­ душную камеру. Пар расширяется, причем потенциальная энергия (давление) переходит в энергию кинетическую и струя пара в воздушной камере движется со сверхзвуковой скоростью. При быстром движении струи пара часть живои

силы ее передается слоям окружающего газа, которые получают скорость в на­ правлении струи и увлекаются ею в диффузор. В плавно расширяющейся части диффузора движение пара и газа постепенно замедляется и кинетическая энер­ гия струи вновь превращается в потенциальную энергию давления. Вследствие этого между входом в диффузор и выходом из него поддерживается 4—10-крат­ ный перепад давления. Если давление снаружи на выходе из диффузора принять равным атмосферному, то давление на выпуске может быть в 4—10 раз меньше, т. е. 10,6—20 кПа.

Для получения более низкого давления применяют несколько насосов. Так,, при последовательном включении в систему пяти эжекторных насосов можно получить вакуум 6,66 Па.

Для получения глубокого вакуума (порядка 133,3-10“4 Па и ниже) при­ меняют диффузионные насосы. Предельный вакуум, -создаваемый диффузион­ ными насосами, определяется числом ступеней насоса и конструкцией сопел. Обычно у диффузионных насосов предусматривают не более пяти ступеней от­ качки, что позволяет создавать разрежение до 133,3-10-7 Па. Более глубокий вакуум (до 133,3-Ю-11 Па) получают с помощью ионизации молекул в электри­ ческом разряде либо применяя ионосорбционные насосы.

§ 3. Вспомогательные элементы вакуумных установок

Вакуумные установки, помимо основного оборудования, имеют трубопроводы,, затворы, фильтры, ловушки, компенсаторы и др. Вакуумные трубопроводы (или вакуум-проводы) служат для соединения различных элементов вакуумных си­ стем. Их выполняют из бесшовных труб, сделанных из нержавеющей стали*

изготовленные из резиновых труб. Для напуска в вакуумную систему газов или воздуха и перекрытия трубопроводов низкого вакуума применяют вентили, на­ поминающие по конструкции водопроводные и газовые краны. В высоковакуум­ ных установках применяют затворы шиберного типа. Затворами можно управ­ лять вручную или автоматически при помощи электромашинных и гидравличе­ ских приводов.

В металлургических вакуумных установках откачиваемые газы могут содер­ жать много пыли. Для защиты механических насосов от пыли на вакуум-про­ водах устанавливают тканевые фильтры.

На пути откачиваемого газа устанавливают специальные ловушки, в кото­ рых при помощи жидкого азота создается очень низкая температура. При низ­ кой температуре в разреженном пространстве сжижаются и удаляются из него водяной пар, углекислота и большая часть паров ртути и масла. '

Важнейшее требование, предъявляемое к вакуумным системам, заключается в их герметичности. При наличии неплотностей в системе происходит подсос атмосферного воздуха. Присутствие его может резко отразиться на качестве ме­ талла. Самым простым способом обнаружения неплотностей является опрессование системы. В систему накачивают сжатый воздух или любой другой газ до давления 0,2—0,4 МПа и сомнительные места смачивают мыльным раствором.

Вместах неплотностей происходит выделение пузырьков газа.

Впроцессе работы установки необходимо соблюдать требования вакуумной

гигиены. Если в вакуумную установку попадут какие-либо загрязняющие веще­ ства, капли масла, некоторые газы, содержащиеся в воздухе, то они могут при­ вести к низкому качеству металла. Откачка воздуха в этом случае не поможет. Чистым должен быть воздух в цехе и на территории завода, а также инстру­ менты и одежда работающих.§

§ 4. Приборы для измерения вакуума

Давление в пределах от 133,3 Па до 101,2 кПа измеряют барометрической труб­ кой или U-образным манометром, заполненным ртутью или другой жидкостью. При сильном понижении давления газа точность манометров с прямым отсчетом давления газов по высоте столба жидкости становится недостаточной. При вы-