книги из ГПНТБ / Вакуумные прокатные станы
..pdfи др.) ниже упругости диссоциации соответствующего окисла, нитрида и других соединений.
При деформации в инертной среде парциальные давления га зовых примесей зависят от чистоты инертного газа и, например,
при чистоте 99,98—99,995% |
при давлении 760 мм рт. ст. соответ |
||||||||||
ственно составляют: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
п |
|
0,02-760 |
|
, с о |
|
|
,^-1 |
|
|
||
Л»,98% = |
1 |
0 0 |
= |
1,52-10 1 |
мм |
рт. ст.; |
|||||
п |
= |
0,01-760 |
|
~ а |
1 |
Л _ 2 |
|
|
|||
Л>9,99% |
|
юо |
= |
7 ' 6 |
' 1 |
0 |
М М |
С Г П Л |
|||
п |
|
0,05-760 |
|
0 0 |
, Л |
_ о |
мм рт. ст. |
||||
Лэ.995% |
— |
1 0 |
0 |
= |
3,8-10 2 |
||||||
Следовательно, инертный газ чистотой 99,98% по количеству газовых примесей соответствует вакууму 1,52 - Ю - 1 мм рт. ст.; при чистоте 99,995% —3,8-10"2 мм рт. ст.
Содержание примесей в инертном газе чистотой 99,995% по сравнению с их содержанием в воздухе уменьшается почти в 20 тыс. раз, в то время как в вакууме 10~6 мм рт. ст. — в 752,4 млрд. раз, т. е. в высокочистом инертном газе содержание газовых примесей в 38 тыс. раз больше, чем в вакууме 10~6 мм рт. ст. Поэтому для уменьшения влияния вредных газов при деформа ции в инертных средах необходимо понижать их парциальные
давления, т. е. требуется |
дополнительная дорогостоящая очистка. |
|
Затраты |
еще больше |
возрастают с применением циркуляции |
* инертного |
газа, так как увеличивается расход газа. |
|
В связи с этим в нашей стране и за рубежом осваивается метод высокотемпературной деформации металлов в вакууме, являю щийся эффективным и перспективным для получения чистых и
сверхчистых |
металлов. |
|
Первые сведения о прокатке в вакууме |
появились за рубежом |
|
в материалах |
состоявшегося в 1959 г. в |
г. Филадельфиии 6-го |
Национального симпозиума по вакуумной технике, в которых сообщалось о вакуумном прокатном стане для получения ленты из спрессованных штабиков титана [81]. Предпочтение вакууму отдано по двум причинам: оборудование для создания вакуума намного дешевле дорогостоящего оборудования для очистки инертного газа и контролировать вакуум можно простыми стан дартными приборами, в то время как контроль чистоты инертного газа в рабочем пространстве весьма сложен. Кроме того, указы
вается |
на |
возможность |
некоторой |
дегазации спрессованного |
|
материала, |
не представляющего собой |
компактного |
металла. |
||
В |
1962 г. появилось |
сообщение [97] об установке |
компанией |
||
Universal Cyclops при содействии US Air Force на Бриджвильском
заводе «In-Fab» |
лабораторного вакуумного прокатного стана |
|
для |
прокатки |
тугоплавких металлов, названного «Vac-Fab» |
(от |
Vacuum fabrication). |
|
10
Ha «Vac-Fab» прокатывались образцы |
из сплава |
F-48 (Nb, |
Mo, W, Zr) при остаточном давлении 4,6- Ю - 4 |
и 2,3-10"2 |
мм рт. ст. |
При прокатке в более высоком вакууме образцы хорошо дефор мировались, а в низком вакууме они расслаивались независимо от температуры прокатки. Образцы для исследований изготов
лялись |
посредством |
горячей |
прокатки при |
температуре |
1371°С |
|
в вакууме 8• 10~5 |
и 8• 10~3 мм рт. ст. При прокатке в |
вакууме |
||||
8 - Ю " 3 |
мм 'рт. |
ст. |
также |
наблюдалось |
расслоение |
металла. |
Таким образом, исследования показали преимущества более высокого вакуума. Компания Universal Cyclops Steel Corp. уде ляла большое внимание исследовательским работам на лабора торном вакуумном стане «Vac-Fab», успешное проведение кото рых позволило перейти к освоению вакуумной прокатки в про мышленных масштабах.
Впоследние годы для пластической деформации радиоактив ных материалов также стали применять вакуумные устройства.
Оборудование для прокатки в вакууме начали изготовлять японские фирмы.
Взарубежной литературе отсутствуют данные экономической
эффективности |
горячей деформации |
металлов в защитных средах |
и в вакууме, |
однако в ряде работ |
[81, 92, 97] отмечается, что |
стоимость оборудования при использовании вакуума или инерт ных газов будет возмещена за счет повышенного качества изделий, экономии металла и сокращения числа операций.
Развитие метода безокислительной обработки металлов давле нием в СССР с самого начала шло по пути создания универ сальных вакуумных устройств, предусматривающих возможность обработки и в инертной среде, что позволило советским исследо вателям проводить всестороннее изучение горячей деформации в вакууме и в инертных средах на одном и том же оборудовании.
Первый вакуумный прокатный стан, созданный в СССР Фи зико-техническим институтом АН УССР [2, 3], представлял собой вакуумную камеру, в которую помещалась клеть прокатного стана. Станы такой конструкции получили распространение в ряде лабораторий страны.
В 1960 г. в ФТИ АН УССР была разработана новая конструк ция стана [2, 3, 66]. В вакуумную камеру заключались только валки прокатного стана, а все вспомогательные механизмы на ходились вне камеры. Дальнейшим усовершенствованием этой конструкции явилось увеличение диаметра вакуумных камер нагревательных печей и обеспечение возможности перемещения нагревательных печей во время работы [23].
С 1960 по 1968 гг. ФТИ АН УССР было изготовлено 14 станов такой конструкции. В настоящее время они работают на различ ных предприятиях страны. В УкрНИИМЕТе разработана кон струкция более мощного опытно-промышленного вакуумного стана 350 [25].
П
Одновременно с созданием новых вакуумных прокатных ста нов проводились работы по приспособлению действующих про катных станов для деформации в вакууме. Так, в Московском институте стали и сплавов был создан вакуумный прокатный стан МИСиС-210 [35]. Обычный прокатный стан ДУО-200 был пере оборудован на вакуумный в Ленинградском политехническом институте им. Калинина [61].
С целью повышения производительности и расширения сорта мента были сконструированы непрерывные вакуумные прокатные станы. Еще в 1951 г. в ФТИ АН УССР был изготовлен лаборатор ный шестиклетевой непрерывный вакуумный прокатный стан
[28].
В1969 г. в УкрНИИМЕТ изготовлен и введен в эксплуатацию пятиклетевой вакуумный опытно-промышленный прокатный стан [25].
Для получения полуфабрикатов особой чистоты из монокри сталлов тугоплавких металлов МИСиС совместно с ВНИИТС установили на Узбекском комбинате тугоплавких и жаропрочных металлов реконструированный вакуумный стан ДУО-155.
В последние годы сконструированы и изготовляются вакуум ные прокатные станы специального назначения. Во Всесоюзном научно-исследовательском институте трубной промышленности сконструирован полностью автоматизированный вакуумный пилигримовый стан, предназначенный для прокатки труб из спе циальных сталей и сплавов [72]. МИСиС совместно с ВНИИТС разработана конструкция и начато изготовление вакуумного кольцепрокатного стана, позволяющего получать кольцевые изде лия из тугоплавких металлов, биметаллов и многослойных ма териалов.
Исследование основных показателей процесса высокотемпе ратурной деформации в вакууме и в инертных средах, а также опыт эксплуатации лабораторных и опытно-промышленных ва куумных прокатных станов позволили приступить к созданию мощных вакуумных прокатных станов и переоборудованию для работы в вакууме крупных действующих станов с диаметром валков от 300 до 1000 мм.
Сконструирован промышленный вакуумный прокатный стан ДУО-400 [60]. Разработан проект и проводятся работы по пере оборудованию действующего прокатного стана ДУО-800 на ва
куумный прокатный |
стан ДУО-600. |
В СССР, помимо |
вакуумных прокатных станов, создается |
оборудование для проведения в вакууме других процессов об
работки |
металлов давлением: |
прессования, ковки, волочения |
[31, 67]. |
Для прессования и |
ковки в вакууме и инертной среде |
к прессу усилием 1000 Т создано компактное устройство, позво ляющее вакуумировать непосредственно зону нагрева, деформа ции и охлаждения. Схема и общий вид установки показаны на рис. 2 и 3.
12
Как видно из рис. 2, под вакуумом находятся только нагре
вательная печь, транспортер, |
передвигающий |
слиток |
|
от |
печи |
|||||||
к блок-контейнеру, контейнер |
с матрицей |
и |
приемник |
изделия. |
||||||||
, |
|
Для |
нагрева |
металла |
исполь |
|||||||
|
|
зуется |
электропечь |
сопротивле |
||||||||
|
|
ния с нагревателем из молибдено |
||||||||||
|
|
вых |
стержней, |
|
между |
которыми |
||||||
|
|
закреплены |
спирали |
молибдено |
||||||||
|
|
вой |
проволоки. |
|
Максимальная |
|||||||
|
|
температура |
нагрева |
в |
печи со |
|||||||
|
|
ставляет |
1800°С. |
|
|
|
|
|
||||
|
|
Вакуумная |
система |
установки |
||||||||
|
|
состоит |
из |
двух |
|
насосов |
ВН-1, |
|||||
|
|
бустерного насоса БН-3 и паро- |
||||||||||
|
|
масляного насоса М-2500. Мини |
||||||||||
|
|
мальное |
остаточное |
давление — |
||||||||
|
|
10"4 |
мм |
рт. |
ст. |
Для |
создания |
|||||
|
|
инертной |
среды |
|
из |
|
установки |
|||||
|
|
предварительно |
откачивается |
воз |
||||||||
|
|
дух и затем она заполняется |
||||||||||
|
|
аргоном. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4. Схема прессования |
прутков |
В |
печь |
слитки |
подаются |
гид |
||||||
в вакууме и в инертной |
среде |
равлическим подъемником. Гори |
||||||||||
|
|
зонтальная |
подача |
слитков в кон |
||||||||
тейнер производится при помощи тележки или с использованием естественного наклона транспортера. Блок контейнера состоит из двух основных частей: корпуса контейнера со втулкой и верхней
Рис. 5. Схема прессования труб в ва |
Рис. 6. Схема ковки |
в вакууме и |
кууме и в инертной среде |
в инертной |
среде |
14
вакуумной камеры, через |
которую |
подается |
слиток |
в контейнер |
|
и снимается |
готовое изделие. Пресс-штемпель |
перемещается |
|||
в охлаждаемом уплотнении рабочей камеры. |
|
||||
Давление |
на слиток |
передается |
через |
пресс-шайбу, длина |
|
которой равна длине контейнера. Приемная камера выполнена в виде трубы и заканчивается сильфоном. Для ускорения охлаж дения изделий применяется наружный холодильник, куда вы талкивается готовое изделие.
На установке прессуются трубы, прутки, полосы и профили (рис. 4, 5), а также ведется ковка (рис. 6) и штамповка в открытых и закрытых штампах.
Г л а в а II
ВАКУУМНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОКАТНЫХ СТАНОВ
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ'ВАКУУМНОЙ |
ТЕХНИКИ |
|
Некоторые сведения из молекулярно-кинетической |
теории |
|
газов |
|
|
Для правильного понимания процессов, происходящих в газах |
||
•при низких давлениях, необходимо |
рассматривать эти |
процессы |
с точки зрения молекулярно-кинетической теории газов [6, 12, 64].
Давление газа. Единицы измерения. В науке и технике под вакуумом понимается разреженное состояние газа, характери зующееся давлением ниже атмосферного. Предполагается, что
разреженные газы мало |
отличаются |
от идеальных газов, |
у которых: молекулы принимаются за |
упругие материальные |
|
частицы, между которыми |
отсутствуют |
силы взаимодействия; |
удар между молекулами является упругим; пространство, зани маемое молекулами, бесконечно мало в сравнении с простран ством, свободным от молекул.
Согласно кинетической теории давление Р, оказываемое мо лекулами на ^поверхность раздела между фазами или на стенку, есть сумма импульсов ударов этих молекул.
Давление газа определяется уравнением
или |
|
|
|
где N — число |
молекул в единице объема; |
||
m — масса |
молекул; |
|
|
ѵке — средняя |
квадратичная |
скорость. |
|
Таким образом, |
при постоянной |
температуре, т. е. при неиз |
|
менной кинетической энергии молекул, давление газа пропор ционально числу молекул в единице объема.
В вакуумной технике для характеристики свойств разрежен ных газов пользуются уравнением, связывающим все параметры
идеального газа — давление, |
объем и |
температуру: |
РѴ |
= NkT, |
(2) |
16
где V — объем |
газа; |
|
|
|
|
|
|
||
Т — абсолютная |
температура; |
|
|
|
|
||||
k — постоянная |
Больцмана. |
|
молекул в 1 см3 зависит |
||||||
Как видно из уравнения (2), число |
|||||||||
от давления и температуры и равно |
|
|
|
|
|||||
или N = 9,656-1018 |
PIT. |
|
|
|
|
|
|||
При Р = 760 мм рт. ст. и Т = 273°К |
число молекул в 1 смя |
||||||||
будет равно NL = 2,6887-1019 и называется числом |
Лошмидта. |
||||||||
Подсчитанное из выражения (3) число |
молекул в 1 см3 при |
||||||||
различных |
давлениях |
для температур |
273°К и 293°К |
приведено |
|||||
в табл. |
4. |
Соотношение единиц |
давления |
приведено |
в табл. |
5. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
4 |
|
Число молекул в 1 см9 |
|
|
|
|
|
|
|||
Д а в л е н и е Р |
Ч и с л о м о л е к у л N |
Д а в л е н и е Р |
Ч и с л о м о л е к у л N |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||||
в мм рт. |
ст.^ |
Т = |
273°К |
Г = 293° К |
в мм рт. |
ст. |
Т = 273°К |
Т = 293° К |
|
|
|
|
|
|
|||||
760 |
|
2,687 - Ю 1 9 |
2,504-101 9 |
10~4 |
3,536-101 2 |
3,293-Ю1 2 |
|||
1 |
|
3,536-101 6 |
3,293-10" |
ю - 5 |
3,536-101 0 |
3,293-101 0 |
|||
10"1 |
|
3,536-101 6 |
3,293-Ю1 5 |
10"7 |
3,536-109 |
3,293-10е |
|
||
ю - 2 |
|
3,536-101 4 |
3,293-10й |
IQ" 8 |
3,536-108 |
3,293-108 |
|
||
1 0 ' 3 |
|
3,536-10« |
3,293-101 3 |
|
|
|
|
|
|
Единицы |
давления |
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
5 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Е д и н и ц ы |
бар |
мм рт. ст. |
атм |
|
am |
н/мг |
|
||
и з м е р е н и я |
|
|
|||||||
бар |
|
|
1 |
0,750-10" 3 |
0,987-10-6 |
1,02- Ю - 6 |
l u " 1 |
|
|
мм рт. ст. |
1.333Х |
1 |
1,3158-Ю-3 |
1,3595-10" 3 |
133,32 |
|
|||
атм |
|
X 103 |
760 |
1 |
|
1,033223 |
101-325 |
|
|
|
1.01325Х |
|
|
||||||
am |
|
X 10s |
735,56 |
0,96784 |
1 |
98-100 |
|
||
|
0,981•10е |
|
|||||||
НІМ2 |
|
|
10 |
7 , 5 - Ю - 3 |
0 , 9 8 7 - Ю - 5 |
1,028- Ю " 5 |
1 |
|
|
Газовые законы. Из уравнения состояния идеальных газов получены известные газовые законы, справедливые и для разре женных газов, с которыми имеет дело вакуумная техника.
Закон Бойля—Мариотта. При постоянной массе и темпера туре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная:
РіѴі = Р*Ѵ2 = • • • = PtV, = const. |
J (4) |
2 А . В . К р у п и н и д р . |
\ |
17 |
Закон применяется |
для определения объема |
Ѵ2 или давления |
||||||||||
Р 2 при известных давлении |
Рг |
и объеме Ѵ±. |
|
|
то |
|
||||||
Если постоянной |
является |
только |
температура, |
|
||||||||
|
|
|
|
РѴ = const Nm, |
|
|
|
|
||||
т. е. произведение давления газа |
на его объем |
при |
неизменной |
|||||||||
температуре |
пропорционально |
массе |
таза. |
|
|
|
|
|||||
Если объем — V |
газа, |
поступающего в |
камеру |
за секунду, |
||||||||
измеряется |
в |
см31сек, |
а |
давление |
Р — в |
мм |
рпг. ст., |
то, |
||||
следовательно, |
количество |
газа, |
поступающего |
в камеру, |
будет |
|||||||
в мм рт. ст. |
см3/сек. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Так как частное от деления |
массы |
газа на его объем является |
||||||||||
плотностью |
газа |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nm |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р = |
Т г |
|
|
|
|
|
|
то при Т = const давление пропорционально его плотности:
или |
|
|
Р = çkT, |
(5) |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
Р = - у |
рѵкв. |
(5а) |
Закон |
Гей—Люссака. |
При постоянных |
массе и объеме давле |
||
ние |
газа |
пропорционально его |
абсолютной температуре, т. е. |
||
если |
M = const и V — const, то |
|
|
||
|
|
( |
Р = const Т.. |
(6) |
|
Закон Дальтона. Полное давление смеси химически не взаимодействующих газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов:
где |
Рсм |
— полное давление смеси; |
Рг, |
Р2, . . ., Рп |
— парциальные давления газов, входящих |
|
|
в смесь. |
Под парциальным давлением газа, входящего в смесь, пони мается такое давление, которое имел бы этот газ, занимая весь объем смеси.
Средняя длина свободного пути молекул. Молекулы газа про
ходят очень короткие пути |
вследствие взаимного |
столкновения |
|
и столкновения |
со стенками |
сосуда. |
|
Общее число соударений всех молекул за 1 сек в 1 см3 по Мак |
|||
свеллу будет |
|
|
|
|
S = 2N42Y^> |
(8) |
|
где d — диаметр |
молекулы. |
|
|
18
За средний свободный путь X принимается такой путь, который в среднем проходит одна молекула между двумя соударениями. При этом каждое соударение двух молекул охватывает два сво
бодных |
пути, |
a |
N молекул |
пробегают 25 = |
it ~y~2N2d^v2Ka сво |
||||||||||
бодных |
путей |
на |
расстоянии |
NvKe, |
проходимом |
N |
молекулами |
||||||||
в секунду со средней скоростью |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
к в |
Тогда |
|
|
|
|
|
|
Р, ммрт. ст. |
|
|
|
|
|||
V, . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Л = -7Г7Г- = |
|
nY2№d*vK |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
2 S |
|
|
|
|
10' |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(9) |
|
|
|
|
|
|
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
х = |
|
|
|
|
(9а) |
|
|
|
|
|
|
|
т. е. |
средний |
свободный путь |
10' |
Воздух' |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
зависит |
от |
числа |
молекул |
N |
|
|
|
|
|
|
|||||
в 1 см3 |
и от |
рода газа. Выра |
|
|
|
|
|
|
|||||||
женный через |
давление Р сред |
10 |
|
|
|
|
|
||||||||
ний |
свободный |
путь |
молекул |
|
|
|
|
|
|||||||
будет |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 7. Зависимость длины среднего |
||||||
|
|
|
X = |
|
|
|
. |
(10) |
свободного пути |
молекул |
различных |
||||
|
|
|
|
r k |
T |
|
газов |
от давления |
|||||||
Из |
уравнения |
(Ю) следует, |
что произведение ХР постоянно и |
||||||||||||
зависит |
от температуры |
и рода |
газа, |
поэтому |
средний |
свободный |
|||||||||
путь можно определять через среднее значение |
линейных разме |
||||||||||||||
ров |
вакуумного |
|
объема. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
На |
|
рис. |
7 |
показана зависимость среднего свободного пути |
||||||||||
от |
давления |
|
для |
ряда |
газов, |
из |
которой |
видно, |
что с уве |
||||||
личением давления средний свободный путь молекул умень шается.
Для реальных газов средний свободный путь молекул зависит от температуры и уменьшается с ее уменьшением. Вследствие взаимодействия сталкивающихся молекул газокинетические эффек тивные радиусы (-тт) с увеличением скорости -уменьшаются.
Сюзерлендом введена температурная поправка С, показывающая уменьшение эффективных радиусов с увеличением температуры. Выражение для среднего свободного пути с учетом поправки имеет вид
(П)
я У 2 NeP^l |
+-у) |
Из формулы (10) следует, что средний свободный путь обратно пропорционален давлению газа.
2* |
19 |