книги из ГПНТБ / Крупин А.В. Прокатка металлов в вакууме учеб. пособие

глубины вакуума. Если например, в вакууме 13,3 Н/м2 (ІО-1 мм рт. ст.) при натекании 2,6- ІО”3 Н • м/с (20 мкм рт. ст.-л/с) при­ рост массы равен 0,7 мг/см2, то в вакууме 0,0133 Н/м2 (ІО-4 мм рт. ст.) при том же натекании увели­

чение массы составляет 0,06 мг/см2,

т.е. уменьшается почти в 12 раз. Сопоставляя кривые 3 и 4 (рис. 26),

62

так же влияет на окисление, как и повышение остаточного давле­ ния в камере.

С повышением скорости натекания увеличиваются глубина и интенсивность газонасыщения металла, что подтверждено ис­

Рис. 27. Общий случай влияния скорости натекания на скорость окисления

куума, но уже без учета поправки на влияние скорости натека­ ния, так как дальнейшее экстраполирование приводит в область отрицательных значений скорости натекания (утечка), что рав­ носильно созданию дополнительного разрежения в камере. Раз­ личие состоит лишь в том, что газы удаляются через неплотно­ сти (течи) в системе, которые ранее являлись местами нате­ кания.

Следовательно, общее изменение массы G обусловлено сум­ марным воздействием:

а) остаточного давления р (фона) при отсутствии натекания (утечки), обусловливающего увеличение (знак «+ ») или умень­ шение массы (знак «—»):

± б і = <р(/>);

63

± 0 2=Ф

Тогда общее увеличение (уменьшение) массы равно:

± 0 = ? Ы + Т(±®<гн),

± 0 = (± 0 ,) + (±Оо).

Результат влияния скорости натекания на окисление кор­ ректируется остаточным давлением (фоном). На рііс. 27 пока­ заны кривые, характеризующие влияний скорости натекания на окисление (± G 2) при различном фоне,' под влиянием которого возникает увеличение или уменьшение массы (Gi).

При условии, когда остаточное давление (фон), например

текания имеет различный характер.

В первой области натекание вызывает дополнительное оки­ сление металла ( + G2) и общее его значение равно:

О= ? (/0 + Ф(‘»<?|1), G= (+Gi)-j-(-j- 0 2).

Во второй области, характеризуемой отрицательной ско­ ростью натекания (утечкой газа), окисление (+ Gi), созданное фоном, будет ослабляться влиянием утечки газа, действие ко­ торой равносильно понижению остаточного давления. Полное значение изменения массы определяется выражением

О= (—|- G?і) -4—(—Go).

Унекоторых металлов при достижении определенных значе­ ний термодинамических параметров (температуры и остаточ­ ного давления) наблюдается летучесть окислов. Общее измене­

ние массы во времени будет определяться, во-первых, образова­ нием окисной пленки и, во-вторых, летучестью окислов и их диффузией в газовую среду; последний процесс зависит при данной температуре от остаточного давления газов в камере. Например, при нагреве вольфрама до 1050° С в среде кисло­ рода с давлением 667 Н/м2 (5 мм рт. ст.) наблюдается увелп-

64

массы). Отмеченный характер окисления представлен кривой 1 (см. рис. 27) в области /.

При понижении давления кислорода менее 667 Н/м2 (5 мм рт. ст.) наблюдается потеря массы (см. рис. 6, кривые 6 и 7, и рис. 28) вследствие летучести трехокиси вольфрама. Если для подобного случая уменьшение под влиянием фона, обозначен­

сы— и суммарное увеличение массы составит

Рассмотренный анализ влияния натекания на характер оки­ сления отражает краевые условия действия фона — увеличение, уменьшение массы. Однако в практике наблюдаются промежу­ точные (переходные) случаи, как, например, при окислении воль­ фрама. Если представить значение фона р= 10_тгз, создающего окисление Gio—ns (рис. 27, кривая 4), то с увеличением нате­ кания (+ г-'<ѵ„) тормозится процесс улетучивания окислов —

убыли массы (участок СЕ кривой 4) \ при переходе через точку

При увеличении скорости натекания за точкой Е (кривая 4) общее изменение массы равно:

o = ( - o . ) + ( + ö 2),

Gl < 0 2 .

Наконец, в области III повышение скорости утечки (—vQli ) увеличивает потери металла (убыль массы):

G= (- G ,) + ( - G 2).

Анализ влияния скорости натекания на интенсивность оки­ сления в области отрицательных ее значений (утечки) показы­ вает целесообразность создания качественно новой схемы ва-

Рнс. 29. Схема вакуум­ ного прокатного стана с двойной камерой

куумного устройства для деформации — двойной вакуумной ка­ меры (рис. 29). При этом во второй камере остаточное дав­ ление должно быть меньше, чем в первой камере (Р2 <Р\)■ Со­ блюдение этого условия обеспечит дополнительное к основной

вакуумной системе удаление газов (утечка) со скоростью vQn

из первой камеры, и это удаление будет осуществляться через имеющиеся неплотности в первой системе.

анализу условий натекания. Однако из-за мощной системы от­ качки, при помощи которой поддерживается постоянство низ­ ких давлений, затушевывается влияние на окисление даже зна­ чительного по величине натекания, что приводит в ряде слу­ чаев к неверным выводам в оценке эффективности вакуума. Это наблюдается при сопоставлении результатов обработки давлением на одной и той же установке, а также при сравне­ нии данных деформации на разных по мощности вакуумных устройствах, предназначенных для обработки металлов давле­ нием.

66

В первом случае различное натекание в процессе обработки получается вследствие частого развакуумирования камеры по самым различным причинам (перевалка валков, неисправность оборудования или измерительных приспособлений, находящихся в камере). Во втором случае различное натекание обусловлено разницей объемов камеры, размеров трубопроводов, соединений

мой насосов можно создавать одинаковое остаточное давление,

5*

Раздел второй

Процесс прокатки металлов в вакууме

Г Л А В А V

ВАКУУМНЫЕ ПРОКАТНЫЕ СТАНЫ

1. Расчет вакуумных систем прокатных станов

Любая вакуумная система состоит из следующих основных элементов: откачиваемого объема (реципиента), вакуумных на­ сосов, служащих для удаления газа из вакуумной системы или его перемещения в ней, и соединительных трубопроводов.

При расчете вакуумной системы. определяют необходимую скорость откачки для поддержания требуемого остаточного дав­ ления в реципиенте при данном значении газопоступлений, ус­ танавливают диаметр трубопроводов, рассчитывают время от­ качки газа в установке до заданного давления.

На основании проведенных расчетов и конструктивных со­ ображений останавливаются на определенной схеме системы, компонуют ее отдельные части, выбирают вакуумные насосы, соединительные трубопроводы и арматуру.

Выбор недостаточно мощной вакуумной системы не обеспе­ чит требуемого разрежения в камере, в результате ухудшится качество обрабатываемого металла. При излишне мощной ва­ куумной системе усложняется конструкция вакуумной уста­ новки, повышаются ее стоимость и затраты на обслуживание. Неправильный выбор трубопроводов ведет к излишнему рас­ ходованию металла и к нерациональному использованию про­ изводительности насосов.

Расчет общего количества газопоступлений

Для расчета вакуумной системы стана необходимо опреде­ лить газопоступление в уже откачанную камеру, которое обу­ словливает постоянную работу насосов для поддержания опре­ деленной степени вакуума.

Газ может поступать в камеру при прокатке металлов в ва­ кууме по следующим причинам.

68

Г а з о в ы д е л е н и е из д е ф о р м и р у е м о г о м е т а л л а . В этом случае газ поступает в камеру вследствие уменьшения его растворимости в металле при повышении температуры и снижении остаточного давления при высоких усилиях дефор­ мации. Следует учитывать газовыделение не только из прока­ тываемого металла, но и из любого нагретого материала, на­ ходящегося в вакуумном объеме.

Г а з о п о с т у п л е н н я , о б у с л о в л е н н ы е н а т е к а н и ­ ем газа . Происходят из-за неплотностей в оболочке камеры и трубопроводах, недостаточной герметичности вакуумных уп­ лотнений.

Г а з о п о с т у п л е н п я в р е з у л ь т а т е д е с о р б ц и и г а з о в с п о в е р х н о с т и к о н с т р у к ц и й , и а хо д я щ их с я в в а к у у м н ом о б ъ е м е . На поверхности деталей рабочей клети стана, нагревательных устройств, задающих приспособле­ ний, стенок вакуумной камеры и трубопроводов адсорбируются молекулы газа.

Г а з о п о с т у п л е н п я в с л е д с т в и е р а з л о ж е н и я п а ­ ров м а с е л и с ма з о к . Применяемые в вакуумных насосах масла обладают определенной упругостью паров. Пары масел проникают в вакуумную камеру и под воздействием высокой температуры разлагаются углеводороды.

Таким образом, общее количество газов Q, поступающих в камеру при горячей обработке давлением в вакууме, слага­ ется из газовыделений металла, десорбции, натекания, разло­ жения паров масел и смазок.

Применительно к расчету вакуумного прокатного стана об­ щее количество газа, поступающего в вакуумную камеру, опре­ деляется из следующего выражения:

Gi — масса каждой конструкции;

q г. — коэффициент десорбции с поверхности различных ме­

таллов, находящихся в вакуумном объеме; Fi — поверхность этих металлов;

qn— натекание;

ііі — коэффициент неравномерности газовыделения во времеии.

Если значение коэффициента п неизвестно, его принимают равным 1, т. е. расчет ведут на максимум газовыделений, про­ исходящих в начале откачки.

69

Так, например, изменение количества газопоступленнй в за­ висимости от времени откачки для вакуумного прокатного стана МИСиС-210 показано на рис. 30. Кривая может быть разделена на два участка: участок I соответствует неустановившемуся процессу вакуумирования, II — установившемуся. Количество газопоступленнй на первом участке определяется суммой газовыделения, десорбции, натекания и разложения паров масел.

По мере откачки газопоступления из деформируемого ме­ талла и газопоступления вследствие десорбции уменьшаются

С увеличением продолжительности откачки создается устано­ вившийся процесс вакуумирования (участок II), при котором скорость газопоступленнй определяется в основном скоростью натекания.

Пример 1. Рассчитать общее количество газов, поступающих в вауумнын объем вакуумного прокатного стана типа клеть—камера при следующих данных:

а) общая поверхность конструкций, изготовленных нз Ст. 3 н находя­ щихся в вакуумном объеме (внутренняя поверхность вакуумной камеры, сум­ марная поверхность частей стана, внутренняя поверхность кожуха нагрева­ тельной печи) Fi = 11 м2;

9 (0 = 2,5 ■6,12 = 15,3 см3;

70

ренних поверхностей вакуумной камеры, кожуха печи и поверхности частей клети стана, изготовленных из Ст. 3, необходимо учесть еще внутреннюю по­ верхность трубопроводов, находящихся под рабочим давлением. Однако диа­ метр трубопроводов пока еще неизвестен, поэтому невозможно определить их внутреннюю поверхность, а следовательно, и десорбцию с нее.

Остается только задаться этой величиной, а затем, если необходимо, сде­ лать пересчет. Его проводят в том случае, если поверхность трубопроводов, полученная в результате расчетов, значительно отличается от принятой.

71