книги из ГПНТБ / Муслин Е.С. Металл меняет форму

специального вариатора, легко управлять режимом охлаждения деталей, в нужном направлении влиять на

Детали, отлитые на машине Д. Тага.

их механические свойства. Высокая производительность, универсальность, конструктивная простота сулят гусе­ ничным литьевым машинам большое будущее.

Отливка охлаждает себя

Внутренние напряжения укрощены. Закалкой управляет электронный мозг

Можно представить себе негодование авиапассажира, который, пролетев за 3—4 часа несколько тысяч кило­ метров, был вынужден потратить полдня, чтобы добрать­ ся от аэродрома до города. А ведь точно в такое, если не худшее, положение часто попадают литейщики. Эко­ номя часы и минуты, изготовили они большую и слож­ ную модель, заформовали ее в землю, а затем пустили металл. Казалось, и все — отливка готова. Но «близок локоть, а не укусишь». Отливка еще должна остыть, а здесь уж поспешность совсем неуместна. От скорости охлаждения зависит структура металла и, значит, проч­ ность. Кроме того, не все части отливки остывают рав­ номерно. Из-за этого внутри ее возникают внутренние

50

напряжения. При неосторожном и слишком поспешном охлаждении они могут разорвать почти готовую деталь. Все это приводит к тому, что самые крупные и дорогие отливки — станины гигантских прессов и прокатных ста­ нов — весом в десятки и сотни тонн приходится поме­ щать в специальные печи, затрачивать много топлива и медленно-медленно, буквально по градусу снижать их температуру. Целые месяцы вынуждены литейщики си­ деть, сложа руки, ожидая пока привередливая гостья покинет цех.

Вообще говоря, охлаждение отливки можно намного ускорить. Теоретически это даже не очень сложно. Сна­ чала нужно рассчитать на основе законов теплопереда­

Затем, непрерывно регулируя потоки охлаждающей жид­ кости, нужно следить за тем, чтобы охлаждение шло точно по намеченному пути или плану.

Конечно, практически все это почти невыполнимо. Во-первых, для обслуживания каждой отливки потребо­ валась бы целая бригада людей. Во-вторых, чуть кто прозевал — и прощай вся деталь. Испорченная структу­ ра или внезапная трещина чаще всего неисправимы.

Так, значит, ждать? Это, конечно, проще всего. Стар­ ший научный сотрудник НИИ литейного машинострое­ ния Александр Самуилович Хинчин и Рафаил Романо­ вич Фрейдель, главный конструктор завода «Лентеплоприбор», избрали другой путь. Изобретатели решили пе­ редать бразды правления в руки... самой отливки. Кому, как не ей лучше знать, с какой скоростью охлаждаться.

Конкретно дело обстоит так. Сначала инженеры рас­ считывают оптимальный ход охлаждения. Разработан­ ную на его основе программу вкладывают в электронновычислительную машину. Чтобы машина могла контро­

51

лировать процесс охлаждения, в отливку заделывают де­ сятки, а то и сотни термопар. Таким образом, как гово­ рят кибернетики, создается обратная связь, а попросту говоря, отливка сама все время сообщает вычислитель­ ному устройству о своем самочувствии. Электронный мозг каждые несколько минут сравнивает полученные данные с программой и в случае надобности открывает или закрывает клапан, ведающий потоком охлаждающей жидкости, омывающей ту или иную часть отливки. Те­ перь охлаждение можно резко ускорить: на вычислитель­ ную машину не страшно положиться, она-то уж ничего не прозевает.

Кроме того, новый способ позволяет вместо затраты дополнительного топлива использовать тепло, аккумули­ рованное в отливке. Становятся ненужными специальные печи, ибо их заменяют сами литейные фо{)мы. Вопреки пословице быстрота здесь не ухудшает качества. Наобо­ рот, охлаждение отливки по оптимальному режиму обес­ печивает ей самую качественную металлографическую структуру, а опасные внутренние напряжения обезвре­ живаются в самом зародыше.

Замерзающий металл

Полкилометра труб в минуту. Расплав в прокатном стане

На большом трубопрокатном заводе все поражает своей величиной. Гигантские домны, циклопические мик­ серы, полыхающие багровым огнем мартены, многосоттонные разливочные ковши, изложницы. Пройдя через все эти агрегаты, руда превращается в стальные слитки, годные к дальнейшей переработке.

Теперь начинается вторая технологическая цепочка. Слитки «раздевают», подогревают в томильных колод­

52

цах, обжимают на блюмингах, отрезают от них низкока­ чественную прибыльную часть и опять-таки направляют в печи для нового подогрева. После этого они, наконец, попадают в прокатные станы, превращающие их в го­ товые листы, уголки, трубы.

Металлурги давно бьются над тем, чтобы сократить и упростить свой участок технологической дистанции. И на наших глазах начинают исчезать громоздкие мартенов­ ские цехи, вытесняемые производительными конвертера­ ми; железнодорожные составы с изложницами, длинные ряды томильных колодцев, могучие блюминги уступают место компактным установкам непрерывной разливки стали. Эти установки сразу дают слитки, годные для

прокатки.

Но ведь и современные прокатные станы — поистине грандиозные сооружения. Нельзя ли получать, например, трубы без них? Вообще говоря, можно сразу разливать сталь по литейным формам для труб. Но разве такой способ выдержит конкуренцию с высокопроизводитель­ ным непрерывно действующим станом? Нет, конечно. Здесь нужен какой-то принципиально новый и обяза­ тельно непрерывный технологический процесс, который бы объединял в себе простоту литья и производитель­ ность прокатки. Короче говоря, позволял бы получать прокат без прокатных станов.

Впервые осуществил эту смелую идею в металле со­ ветский изобретатель, член-корреспондент АН БССР Альберт Иозефович Вейник, создавший для этой цели оригинальную действующую установку.

Опытная установка Вейника, построенная в Физикотехническом институте АН БССР, в Минске, представ­ ляет собой U-образную трубу с двумя коленами. В одно колено заливается жидкий металл, а из другого, окан­ чивающегося водоохлаждаемым кристаллизатором, со

53

скоростью 8,5 метра в минуту вылезает вишнево-красная труба. Принцип действия такого устройства напоминает установку непрерывной разливки, только здесь из крис­ таллизатора выходит не сплошной слиток, а готовая труба, и движется она не вниз, а вверх. Так же, как и там, металл намерзает на стенках кристаллизатора, и точно так же специальная затравка вытягивает его на­ ружу. Но пустотелая труба остывает гораздо быстрей, чем сплошной слиток. Поэтому-то скорость ее движе­ ния и превышает в восемь с половиной раз скорость дви­ жения слитков в установках непрерывной разливки. Кста­ ти, по расчетам ученого, в дальнейшем эту скорость для чугуна можно будет повысить раза в четыре, доведя ее до 35 метров в минуту. Стальные трубы удастся вытя­ гивать еще быстрее. Кроме того, для увеличения произ водительности есть смысл соединить заливочное колено сразу со многими кристаллизаторами, сделать, так ска­ зать, многоручьевую установку. Например, установка с десятью кристаллизаторами позволила бы в будущем получать уже около полукилометра стальных труб в минуту. Компактная и дешевая, она оказалась бы достой­ ной соперницей прокатному стану. На одном из бело­ русских заводов уже была построена и успешно испы­ тана первая промышленная установка в мире, работаю­ щая по принципу литья намораживанием. У нее было десять ручьев.

Меняя режим охлаждения или скорость вытяжки, можно менять по желанию толщину стенки, получать трубы переменной толщины, а также сплошные прутки.

Впрочем, Вейник не собирается совершенно отказы­ ваться от идеи прокатки, только прокатка у него особая. Полые водоохлаждаемые валки, которыми оканчивается

54

рочки намерзающей на них стали. Специальные скреб­ ки отделяют эти корочки, которые тут же подхваты­ ваются другими — направляющими валками. Если рабо­ чие валки гладкие и интенсивность теплообмена одина­

сросшихся друг с другом тоненьких трубок. Набор по­ добных панелей с успехом способен заменить обычные меднооловянные радиаторы, стоящие на автомобилях, тракторах, комбайнах и тепловозах. Алюминиевые ра­ диаторы в полтора раза легче медных, их проще ремон­ тировать, и алюминий не так дефицитен и дорог, как медь и олово. Не говоря о дешевизне нового способа,

55

изготовить такие изделия можно лишь разве вытягива­ нием их из расплава по методу профессора Степанова. Однако производительность при жидкой прокатке во

Металл намерзает на вращающиеся валки.

счете весь металлургический конвейер удастся закон­ чить домной. Сама домна будет давать сталь. Опытные работы в этом направлении продолжаются и сейчас.

А что, если установку для литья намораживанием пристроить прямо к домне? Это будет означать перево­ рот во всем металлургическом и прокатном производ­ стве. Исчезнут мартены, прокатные станы, миллионы тонн бесполезных отходов, окажется совершенно ненуж­ ной густая паутина железнодорожных путей, а сами металлургические заводы станут меньше, компактнее и гораздо производительней.

56

Отливка в газовой рубашке

Литье окисляющихся сплавов без защитной атмосферы. Легирование пенопластом

Литейщиков, имеющих дело с тугоплавкими и жаро­ стойкими сплавами, всегда подстерегает большая не­ приятность: расплав активно взаимодействует с литей­ ной формой и с окружающим воздухом, образуя шла­ ки, пену, окалину. Причем это происходит даже при литье в металлические формы — кокили, что сильно снижает их долговечность. Чтобы этому противодейст­

окрашивают кокильными лаками. Но создание защит­ ной атмосферы обходится дорого, очень затрудняет ра­ боту литейщиков, а окраска и футеровка кокилей, часто не достигая цели, ухудшает свойства отливок.

Немецкий изобретатель Адальберт Виттмозер в январе 1965 года запатентовал оригинальный способ, который можно было бы назвать «литьем в защитной атмосфере без защитной атмосферы» (патент ФРГ 1172806). Дело в том, что, по идее изобретателя, инерт­ ный газ, предохраняющий отливку от окисления, обра­ зуется непосредственно в момент заливки в самой ли­ тейной форме. Это удешевляет процесс, упрощает тех­ нологию и обеспечивает высокое качество литья.

Перед заливкой расплава в кокиль насыпают немно­ го зернышек термопластической пенопластмассы. Это может быть, например, полиэтилен, полистирол и т. д. Соприкасаясь с жидким металлом, зернышки исчезают не сразу. Они сгорают постепенно, вытесняя из кокиля воздух, нейтрализуя активный кислород и образуя вок­ руг отливки тонкую газовую рубашку, миниатюрную защитную атмосферу. Чем пенопластовые зернышки

57

больше, тем они горят медленнее, вернее, горение по­ степенно переходит з пиролиз, причем выделяется мало газов и много углерода. Подбирая величину зернышек, достигают нужного соотношения химических продуктов и скорости разложения. Добавляя в пластмассу леги­ рующие элементы, можно осуществить поверхностное легирование отливок, модифицирование, получить нуж­ ную металлографическую структуру, например чугун со сфероидальным графитом и т. п. При литье кремний-

ячейки пенопласта предварительно заполняют инертным азотом или хлором. Смешиваясь с продуктами разложе­ ния пластмассы, эти газы надежно защищают литье от окисления кислородом.

Модели-невидимки

Испаряющаяся пластмасса. Краска легирует отливку

Разрабатывая новые технологические процессы, ли­ тейщики, как и другие специалисты, преследуют одно­ временно две цели: улучшить качество изделий и упро­ стить производство. Новый способ литья, изобретенный не так давно за рубежом,— заметный шаг вперед в этих обоих направлениях.

Один и тот же «фокус» неизменно вызывал на Второй международной литейной выставке в Дюссельдкрефе (ФРГ) восхищение специалистов. Рабочие брали обыч­ ную на вид литейную модель, укладывали ее на дно металлической опоки с заранее подготовленной песча­ ной постелью, засыпали формовочной смесью, уплот­ няли, а затем прямо на модель лили жидкий расплав.

58

Через некоторое время перед глазами пораженных зри­ телей представала не остывшая еще деталь, точная ко­ пия модели. Модель же исчезала непонятно куда. Так впервые литейщики познакомились с литьем по газифи­ цируемым моделям.

Вообще говоря, имеются и другие способы литья, при которых модели не требуется извлекать из формы. На­ пример, широко известно литье по выплавляемым моде­ лям, когда модели делают из воска и других легкоплав­ ких материалов, или литье по растворяемым моделям, когда модель перед заливкой расплава растворяют спе­ циально подобранными химическими составами. В этих случаях тоже получаются отливки повышенной точности и не нужны литейные уклоны. Но нагрев форм для вы­ плавления воска или сушка их после длительной про­ мывки растворителем требуют немало времени. Здесь же ничего этого делать не надо. Соприкасаясь с раска­ ленным жидким металлом, модель, состоящая из бисер­ ного пенополистирола, превращается в бесцветный неви­ димый газ, и ее место в форме постепенно занимает отливка. Поскольку плотность пенопласта очень мала, примерно в пятьдесят раз меньше воды, то газа обра­ зуется мало и расплав заполняет форму спокойно. Этот газ хорошо удерживает засыпку, даже если она состоит из простого песка, так что отпадает еще одна трудоем­ кая операция — уплотнение.

В отличие от литья по выплавляемым моделям, новый способ не ограничивает величину отливок сорока кило­

рабочие без всяких подъемных устройств легко манипу­ лируют моделями крупных станин, маховиков, корпу­ сов. Большое преимущество пенопласта по сравнению, например, с деревом в его исключительно хорошей обра-

59