книги из ГПНТБ / Вяткин И.П. Рафинирование и литье первичного магния

Следует отметить незначительный эффект дегазации магния при рафинировании -отстаиванием. Вероятно, в этом случае образующиеся в магнии комплексы (MgO)*—(Н2)„ плохо удаляются из-за отсутствия в магнии хлоридов магния и других щелочных металлов, способствующих осаждению этих комплексов на дно тигля. Повышение эффективности дегазации при росте температуры обусловлено, очевидно, тем, что вязкость магния снижается и условия для осаждения комплексов улучшаются.

Итак, из рассмотренных способов рафинирования магния наибольшее дегазирующее действие оказывает тптансодержащпй флюс. Для повышения эффективности дегазации магния-сырца отстаиванием при -переработке его на товарный продукт в печах непрерывного рафини­ рования и печах типа СМТ необходимо обеспечить при­ сутствие в магнии-сырце не менее 1,5—2,0% электроли­ та. При этом электролит, осаждаясь при отстаивании, будет увлекать за собой неметаллические включения и водород.

Г л а в а VII

ТРАНСПОРТИРОВКА ЖИДКОГО МАГНИЯ

ИМАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

1.РАЗВИТИЕ СПОСОБОВ ТРАНСПОРТИРОВКИ

ЖИДКИХ МЕТАЛЛОВ

Для магния и магниевых сплавов, отличающихся вы­ соким сродством к кислороду, необходимы особые усло­ вия перелива и транспортировки во избежание их окис­ ления и воспламенения.

В металлургии легких сплавов, особенно в авиацион­ ной металлургии, накоплен значительный опыт переме­ щения больших масс магниевых сплавов и их дозиро­ вания. Начав с открытой транспортировки магниевых сплавов из миксера в кристаллизатор [77], передовые заводы взяли на вооружение закрытый перелив вначале центробежными насосами с пневмодвигателями [78], а позднее магнитодинамическими и индукционными на­ сосами [1], последние в настоящее время внедрены в промышленность. Из плавильной печи в миксер маг-

112

ииевый сплав переливают также закрытым способом с помощью сифона [1].

Сифонный перелив применяют в том случае, когда необходимо за короткий промежуток времени перелить из плавильной печи в раздаточный миксер большое ко­ личество сплава. Сифон изготовляют из стальной трубы диаметром 150 мм, вакуум в сифоне создается при по­ мощи инжектора; производительность сифона составля­ ет 2 м3/мин при разрежении 300 мм рт. ст. При этом рас­ ход сжатого воздуха при давлении 6 ат равен 1,7 м3/мин. С помощью сифона перелив 10 т сплава из печи в мик­ сер происходит за 7—10 мин.

В табл. 28 помещены результаты работ по закрытому переливу магниевых сплавов сифоном.

Значительно сложнее оказалось осуществить транс­ портировку магниевого сплава из миксера в кристалли­ затор с дозированием расхода сплава.

Наиболее простой и наименее удачный открытый пе­ релив магниевого сплава по желобу в настоящее время уже не применяют. Несмотря на подачу сернистого газа по всей длине желоба, нельзя было исключить контакт магния с атмосферой и его окисление.

В начале шестидесятых годов стали применять спо­ соб транспортировки магниевых сплавов из миксера в кристаллизатор с помощью центробежных насосов, при­ водимых в работу пневмодвигателями [80]. Пневмодви­ гатель марки ПРШ-10 имеет мощность 9 л. с. и делает 1400 об/мин. Его преимущество — простота регулирова­ ния числа оборотов путем изменения расхода воздуха, подаваемого в двигатель.

При подаче сжатого воздуха из сети давлением не • менее 3 ат вращается шестеренчатая пара, на оси одной

из шестерен насажен вал с укрепленной на его конце крыльчаткой. При вращении крыльчатки сплав под дей­ ствием возникающих центробежных сил подается в нагнетающий трубопровод, а оттуда в кристалли­ затор.

Применение способа закрытого перелива магниевых сплавов с помощью центробежных насосов позволило значительно повысить качество слитков сплавов и улуч­ шить условия труда. Однако, как указано в работе [81], центробежный насос при неудовлетворительной его сборке и эксплуатации очень часто был причиной резко­ го ухудшения качества отливаемых слитков.

Поскольку крыльчатка насоса располагается на длин­ ной консоли на большой глубине, то при ее вращении наблюдается вибрация вала и корпуса насоса. Это при­ водит к отделению от насоса образовавшихся на нем при опускании уровня сплава окислов и падению их в ванну печи. Кроме того, при истечении сплава через неплотности улитки насоса образующиеся возмущающие потоки вызывают перемешивание сплава и загрязнение его окислами.

В связи с этим нужно было создать такое устройство, при работе которого захват металла из миксера проис­ ходил бы спокойно, без завихрений и окисления. Таким устройством оказался электромагнитный насос. Он пред­ ставляет собой трубопровод, движение металла в кото­ ром происходит под действием электромагнитного дав­ ления, возникающего при взаимодействии электричес­ кого и магнитного полей, создаваемых специальными системами.

Большие работы были выполнены по созданию так называемого магнитодинамического насоса. Этот насос [82] состоит из прямоточного и двух замыкающих ка­ налов. Участки между устьями замыкающих каналов называются активными зонами. В полостях, образован­ ных прямоточным и замыкающими каналами, располо­ жены катушки, насаженные на замкнутые магнитопрово­ ды, охватывающие замыкающие каналы. Катушки и магнитопроводы представляют собой замкнутую магнит­ ную систему — индуктор тока. По обе стороны актив­ ных зон размещены катушки, расположенные на разом­ кнутых магнитопроводах и вместе с ними составля­ ющие разомкнутую магнитную систему — электро­ магнит.

114

2. ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТРАНСПОРТИРУЮЩИХ УСТРОЙСТЙ

Вопросы транспортировки магния и магниевых спла­ вов в титано-магниевой промышленности в настоящее время исключительно актуальны, а возможности для применения транспортирующих устройств в разных об­ ластях велики.

Так, транспортирование магния па титано-магниевых предприятиях осуществляют в следующих целях:

1)для разливки и дозировки магния и магниевых сплавов из печей в изложницы либо формы с периоди­ ческой доливкой металла в литейном цехе;

2)из цеха электролиза в литейный для переработки

на товарный магний;

3)из цеха электролиза в цех производства титана, где магний используют в качестве восстановителя;

4)для заливки магния из миксера в аппарат восста­ новления в цехе восстановления и дистилляции (ВиД);

5)для непрерывной заливки магния в аппарат вос­ становления из миксера в течение длительного времени (30—40 ч) в цехе восстановления.

Об актуальности работ по транспортированию маг­ ния свидетельствуют исследования изменения качества магния, применяемого при производстве титановой

губки.

Транспортирование магния из цеха электролиза в титановой цех в настоящее время осуществляется в ва­ куумных ковшах. Поскольку кислород и азот, а также хлор, железо, кремний и никель, содержащиеся в маг­ нии, оказывают большое влияние на ухудшение качества титановой губки, было исследовано изменение этих при­ месей по ходу транспортирования магния [83].

В работе показано, что содержание всех примесей, кроме никеля, во время выборки магния из электролизе­ ров и транспортировки его из цеха в цех снижается. Во время отстаивания содержание примесей практически не изменяется, а в пробах, взятых из реактора восстаноновления после слива в него магния, количество кисло­ рода и азота резко возрастает — с 0,002 до 0,004%. По­ вышенное содержание кислорода и азота объясняется негерметичностью узла заливки магния в аппарат, вслед­ ствие чего возможен контакт магния с воздухом. Высокое содержание хлора объясняется неполным отделением электролита от металла.

Содержание всех металлических примесей во время операций изменяется незначительно.

Авторы [83] делают вывод, что улучшить качество восстановителя можно прежде всего усовершенствовав методы его выборки из электролизеров, транспортирова­ ния и заливки в реакторы. Наиболее перспективным спо­ собом они считают транспортировку магния с помощью электромагнитных насосов из миксера, установленного в цехе электролиза, в миксер титанового цеха.

Следует отметить, что все указанные выше задачи, кроме первой, в настоящее время являются проблема­ тичными и требуют конструктивного и технологического решения.

Тем не менее опыт, накопленный титано-магниевой промышленностью по транспортированию магния при решении задач разливки магния и магниевых сплавов в изложницы и формы, находит применение. Ниже нами рассмотрены некоторые способы транспортирования маг­ ния и сопутствующие им операции, разработанные (или примененные) в титано-магниевой промышленности.

Разогрев трубопровода, по которому должен осуще­ ствляться перелив жидкого магния, производят, как пра­ вило, контактным способом. Трубу изготовляют из нер­ жавеющей стали 1Х18Н10Т, длина ее от 1,5 до 7—10 м, внутренний диаметр 25—57 мм, толщина стенки 2—4 мм. Теплоизоляцией трубы служит слой листового асбеста толщиной 10—15 мм и слой асбестита с огнеупорной глиной на жидком стекле в соотношении 5:1. Трубу с теплоизоляционным слоем укладывают в стальной ко­ жух из двух полутруб, соединенных между собой хому­ тами.

Электрический ток к трубе подводят через приварен­ ные стальные контакты по кабелю от трансформатора, иногда одним из контактов является стальная труба, опущенная в магний. Обычно для разогрева трубы при­ меняют трансформаторы ОСЗ 250/0,5, однако можно ис­ пользовать и любые другие, приемлемые по токовым на­ грузкам.

Возможно применение смешанного соединения двух сопротивлений — электролита печи непрерывного дейст­ вия и трубы для слива рафинированного магния из этой печи. На рис. 36 показана схема подключения печи с со­ левым обогревом и трубопровода. Электрическая цепь замыкалась через магний в колоколе, непосредственно

116

колокол л электролит, при напряжении 47,0 В и силе то­ ка 0,6 кА, проходящего по трубе. Труба длиной 4,5 м, на­ ружным диаметром 45 мм, толщиной стенки 2,5 мм ра­ зогревалась при систематической работе за 5—10 мни. Транспортировку магния по трубе обычно начинают по­ сле ее разогрева до 750—800° С. Наилучшим способом

Рис. 3G. Три варианта схемы подключения печи с солевым обогревом

итрубопровода:

/— печь; 2 — труба

опыте подавать металл в трубу можно после нагрева ее до ярко-красного каления. При этом следует убедиться в отсутствии испарения из трубы влаги. Причиной ее попадания в трубу при многократном использовании мо­ жет быть гидролиз хлористых солей, оставшихся в тру­ бе от предыдущей разливки.

Сифонный перелив представляет большой интерес, так как обеспечивает спокойный забор магния из печей и предотвращает его окисление. Этот способ применяли при выливке магния из печи с солевым обогревом в ти­ гель печи СМТ-1 на полупромышленном этапе испытаний рафинировочно-литейного комплекса. Один конец сифон­ ной трубы погружали в литейную камеру печи, а второй

117

400 м м . Разрежение в сифонной трубе создавали у ее выходного конца с помощью вакуума через специальную насадку с прокладкой из вакуумной резины. Второй ко­ нец насадки соединяли с вакуумной системой. Через 1— 2 с жидкий металл оказывался на выходе из трубы. Ес­ ли при создании разрежения подсоса воздуха не было и все сечение трубы заполнялось металлом, то он выхо­ дил сплошной струей; время выливки 1 т магния состав­ ляло 5—6 мин. Если же в месте контакта прокладки с трубой подсасывался воздух или разрежение в вакуум­ ной системе было меньше 500 мм рт. ст., то полного ва­ куумирования в трубе не происходило, и выливка метал­ ла быстро прекращалась.

Передавливание магния находит применение при по­ лучении магния высокой чистоты и его переливе из од­ ного аппарата в другой при производстве титановой губки.

Два аппарата — очистки и восстановления соединяют трубопроводом длиной 4,3 м, диаметром 57 мм; трубо­ провод разогревают контактным способом, в аппарате очистки, где находится магний, создают избыточное дав­ ление над зеркалом магния величиной 0,4 ат, а в пу­ стом аппарате восстановления — разрежение 0,4 ат. Та­ ким образом 4,5 т магния переливали в аппарат восста­ новления за 10—15 мин.

Индукционные плоские линейные насосы типа ЭМН- 6, ЭМН-7, разработанные Таллинским политехническим институтом специально для транспортировки магния, на­

двухслойную трехфазную обмотку с корригирующими катушками по концам магнитопровода. Включение их в трехфазную сеть создает бегущее магнитное поле в не­ магнитном зазоре между индукторами. В этом зазоре расположены плоский канал для жидкого металла и те­ пловая изоляция. В канале от переменного магнитного поля наводятся электродвижущие силы. В жидком ме­ талле образуются замкнутые контуры токов, соответст­ вующие первичным токам индукторов. Взаимодействуя с основным магнитным полем индукторов, эти токи соз­ дают электромагнитную силу, действующую вдоль оси канала; при наличии в нем жидкого металла налажива­

118

ется непрерывный процесс транспортирования жидкого магния.

Насос ЭМН-7 имеет следующие технологические ха­ рактеристики: габариты 1040X575X420 мм; материал канала — сталь Х25; напряжение 380 В; сила тока 53А; активная мощность в номинальном режиме 7 кВт, номи-

3 А

нальная производительность 5 м3/ч; высота подачи маг­ ния при этой производительности 6 м.

Насос испытывали в замкнутом контуре в непрерыв­ ном режиме в течение 242 ч; за это время насос поднял на высоту 1,9 м около 2900 т магния. В результате этих испытаний насос был рекомендован для опытно­ промышленной эксплуатации.

3. ИСПЫТАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ КОНДУКЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ НАСОСОВ

Наиболее перспективными, по нашему мнению, явля­

внешней простотой конструкции.

Параметры насоса и электрооборудование к нему оп­ ределяются его производительностью и назначением. По­

119

этому за основной параметр нами была принята произво­ дительность насоса и разрабатываемые насосы в зависи­ мости от производительности были условно разбиты на четыре типа (табл.29).

Следует отметить, что все указанные типы насосов могли быть разработаны в погружном и открытом испол­ нении. Принципиальная разница между первым и вто­ рым насосами заключается в том, что активная зона погружного насоса расположена ниже уровня металла в печи и, следовательно, находится постоянно под заливом и для начала работы насоса достаточно нажатия кноп­ ки. Активная зона открытого насоса расположена выше уровня металла, и насос может начать работать только после искусственного заполнения активной зоны жидким металлом.

Наибольший интерес несомненно представляет пог­ ружной вариант насоса, позволяющий дозировать ме­ талл, что особенно важно при разливке легкоокисляю­ щихся сплавов. Однако погружной насос конструктивно значительно сложнее, поэтому предполагали вначале разработать насос в открытом варианте и при возмож­ ности в погружном. Ниже для сокращения насосы услов­ но названы открытым и погружным, имея в виду, что тот и другой — кондукционные электромагнитные.

Для разливки магниевого сплава системы Mg—Al— Zn—Mn непосредственно из тигля разработана кон­ струкция насоса с подводом тока к активной зоне с по­ мощью гибкого пакета шин. Такой насос можно приме-

120

пять при разливке магния в металлические и земляные формы (рис. 38). Разливка обычно осуществляется порежиму, когда основная масса металла заливается в те­ чение 1—2 мин, затем насос отключается на 5—10 с и включается повторно 2—3 раза, подавая дополнительно сплав для восполнения усадки.

При таком режиме требуется и насос специальной конструк­ ции. С этой целью был разрабо­ тан и испытан открытый двухзон­ ный насос — с рабочей зоной п зоной торможения. Вначале у на­ соса включают рабочую зону. При этом можно полностью оста­ новить истечение металла из тру­ бы, включая зону торможения, а затем можно восстановить струю сплава.

И с п ы т а н и я о т к р ы т ы х н а с о с о в

методику расчета активной зоны насоса, согласно которому были изготовлены насосы со­ ответствующей производительности.

При испытаниях насосов необходимо было выяснить следующие взаимозависимые факторы:

1) электрические (сила тока, подаваемого к насосу, напряжение);

2)магнитные (напряженность магнитного поля, ее изменение при повышении температуры магнита);

3)геометрические (размеры трубопровода и актив­ ной зоны);

4)технологические (производительность насоса, вы­ сота подъема металла).

В табл. 30 приведены результаты испытаний откры­ тых насосов.

И с п ы т а н и я п о г р у ж н о г о н а с о с а

Большой интерес представляла разработка погруж­ ного варианта КЭН, активная зона которого посто-

121