Вакуумная металлургия
..pdfВ А К У У МНА Я МЕТАЛЛУРГИЯ
Под редакцией
Р.Ф. БУНША
СБ О Р Н И К Д О К Л А Д О В
Перевод с английского
Под редакцией
чл.-корр. АН СССР А. М. САМАРИНА
ИЗДАТЕЛЬСТВО ИНОСТРАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
М о с к.в а, 1 9 5 9
Сборник содержит ряд статей, посвященных применению вакуумной техники в металлургических процессах. Рассмотрены теория и практика плавки, восстановлениями рафинирования металлов в вакууме и описаны основные типы вакуумных метал лургических печей.
Книга предназначена для инженерно-технических работ ников металлургических заводов и научно-исследовательских институтов.
Редакция литературы по вопросам техники
ОТ И З Д А Т Е Л Ь С Т В А
Книга «Вакуумная металлургия» представляет собой сборник докла дов, прочитанных на курсах по вакуумной металлургии в Нью-Йоркском университете в июне 1957 г.
Всвете решений XXI съезда КПСС о широком использовании вакуума в металлургических процессах выпуск такой книги пред ставляется своевременным и имеет актуальное значение.
Вкапиталистических странах (США, Англия, Франция, ФРГ, Ита лия) применение вакуума в металлургии чрезвычайно расширилось за последние годы. Вакуумные процессы позволяют получать сплавы строго заданного состава и без потерь производить отливки из металлов, от личающихся весьма высокой реакционной способностью (титан, цирко ний, молибден и т. п.).
Вчерной металлургии использование вакуума дает возможность выплавлять различные сорта железа (трансформаторное, динамное, армко
идр.) и специальные стали, практически свободные от неметаллических включений, что весьма важно в производстве металлов высокой чистоты.
Внастоящее время одной из важнейших областей применения вакуумной плавки является производство жаропрочных сплавов для ядерных реакторов, газовых турбин, ракетных и авиационных двигателей. По некоторым опубликованым данным, в США 30—40 фирм применяют для этой цели вакуумную плавку, позволяющую повысить температурный предел работы жаропрочных сплавов в газовых турбинах на 80°.
Отжиг химически активных тугоплавких металлов представляет важную область, в которой вакуум находит все большее применение.
Существуют установки, позволяющие проводить дегазацию в вакууме
жидкой легированной стали в процессе получения слитков весом
до 200 т, предназначенных для изготовления турбинных валов, роторов |
|
и других изделий повышенной прочности. Такая обработка жидкой стали |
|
снижает в тяжелых отливках |
содержание водорода, отрицательно |
влияющего на свойства металла. |
|
Развитие вакуумной металлургии в последние 10—15 лет шло парал |
|
лельно развитию атомной промышленности, что позволило |
производить |
в промышленном масштабе ряд металлов высокой чистоты |
(гафний, бе |
риллий, торий, церий и уран), необходимых |
для ядерных реакторов. |
С помощью вакуумной плавки получают |
прецизионные сплавы (в |
частности, сплавы для термопар) и магнитные сплавы (пермаллой, терменол, алфенол) с повышенной магнитной проницаемостью. Плавка меди в вакууме дает металл высокой электропроводности с весьма малым содержанием кислорода, водорода и серы. Для вакуумной плавки при меняются специальные индукционные бессердечниковые печи с высо ким к. п. д., обеспечивающие быстрый нагрев садки и хорошее перемеши вание металла, что весьма важно для получения однородных слитков. В последние годы в промышленности появились вакуумные печи полуне
прерывного действия, снабженные комплектом изложниц, в которых можно отливать несколько слитков без нарушения вакуума. Это увели чивает производительность печей и облегчает их обслуживание; печи такого типа могут быть снабжены устройством для центробежного литья.
Для плавки тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ниобия, титана и циркония) применяются вакуумные дуговые печи с медными водоохлаждаемыми тиглями. Эти печи позволяют решить проблему промышленной плавки титана и циркония, обладающих в расплавлен ном состоянии высокой химической активностью и взаимодействующих почти со всеми огнеупорами, что отрицательно влияет на степень чистоты получаемого металла.
В дуговых печах полунепрерывного действия выплавляются шари коподшипниковые стали и жаропрочные сплавы. Срок службы подшип
ников из стали, выплавленной в вакууме, |
увеличивается в 2—3 раза. |
В вакуумных дуговых печах получают |
слитки молибдена весом до |
1 т. Это открывает новые возможности применения молибдена.
Вакуум играет существенную роль в порошковой металлургии. Все тугоплавкие металлы можно спекать в вакууме, за исключением хрома, который обладает очень высокой упругостью пара. Тантал и ниобий также с успехом спекаются в вакууме; хотя спекание можно проводить
ватмосфере инертных газов, однако применение вакуума в данном случае предпочтительнее, так как он обеспечивает улетучивание некоторых вредных примесей.
Использование вакуума как в индукционной или дуговой плавке, так и при обработке жидких металлов позволяет соответственно снизить стоимость этих процессов, что в свою очередь обеспечивает снижение себестоимости продукции.
Взаключение следует отметить, что широкое применение вакуума
вметаллургических процессах знаменует собой начало Новой эры в металлургической практике. Все эти области применения в той или иной мере нашли свое отражение в настоящем сборнике,- который,
несомненно, будет представлять интерес не только для металлургов, но и для машиностроителей.
Г. Ш т е й н х е р ц
ВВЕДЕНИЕ
Основным фактором, благоприятствующим развитию вакуумной металлургии в последнее время, является наличие высокоэффективных откачных вакуумных систем. Цель настоящей статьи — ознакомить чита теля с конструкциями вакуумных насосов, выявить критерии, определяющие выбор их типа и мощности в соответствии с целевым назначением насосов,
атакже дать краткие описания вакуумпроводов, связанных с ними.
Встатье всюду, где возможно, применяются метрические меры. Дав ление дано в мм или мк рт. ст. (1000 мк = 1 мм рт. ст.). Скорость откач ки дана в л/сек на входе в насос. Производительность насоса Q есть про изведение скорости откачки S на давление р на входе в насос. Единицей измерения производительности является л • мк/сек. Эта единица пропор
циональна скорости потока в граммах в |
единицу времени. При 20° |
|
1 л • мк/сек воздуха приблизительно равен |
1,6 |
• 10-в г/сек. |
Кривые скорости откачки обычно даются |
для сухого воздуха. Точ |
ность этих кривых находится в прямой зависимости от способа измере ния давления. Весьма значительные ошибки при измерении давления могут иметь место, если при измерении скорости откачки присутствуют небольшие количества конденсирующихся газов. При использовании манометров системы Мак-Леода или других типов манометров с охлаж даемыми ловушками значения измеряемых давлений получаются зани женными, что приводит к весьма завышенным скоростям откачки. При измерении давлений до 5 мк рт. ст. более надежные результаты дает альфатрон (ионизационный манометр с. холодным катодом), где исполь зуются в качестве ионизатора испускаемые радиоактивным источником а-частицы, а для более низких давлений можно применять ионизацион ный манометр с горячим катодом. Методы измерения скорости откачки подробно описал Дейтон [1].
ТИПЫ НАСОСОВ
Пластинчато-роторный насос является наиболее старой и широко используемой конструкцией в вакуумных системах. Уже в период между 1900 и 1910 гг. с помощью пластинчато-роторных насосов снижали дав ление до 1 мк рт. ст. В небольших насосах эта оригинальная конструкция используется и теперь (фиг. 1). В крупных насосах применяют золотни ковое или плунжерное устройство (фиг. 2). Типичные кривые скорости откачки пластинчато-роторных насосов приведены на фиг. 3.
По данным этих кривых, при понижении давления на входе в насос до 100 мк рт. ст. скорость откачки насоса уменьшается вдвое по срав нению со скоростью откачки при атмосферном давлении. Наиболее низ кое давление, достигаемое с помощью одноступенчатого насоса, составляет примерно 10 мк рт. ст., а с помощью двухступенч того насоса — 1—0,1 мк. рт. ст.
Фиг. 1. Ротационный газобалластный пластин чато-роторный вакуумный насос.
Фиг. 2. Плунжерный вакуумный насос.
а .— одноступенчатый ; б — сдвоенный.
В обеих конструкциях насосов для смазки и уплотнения применяется масло. Давление паров масла является одним из решающих факторов, определяющих максимальную степень разрежения, достигаемую с помо щью этих насосов. Во время откачки, вследствие загрязнения масла водяным паром и другими летучими веществами, эффективная упругость паров масла обычно возрастает. Это является причиной постепенного ухудшения работы насоса в смысле достижения наиболее низкого давле ния. Загрязнение насосного масла устраняется за счет использования «газового балласта». В газобалластные насосы во время цикла сжатия
Давление, мн pm.cm.
W\to
10 ‘ |
/0Л |
Ю° |
Д ав л е ни е ,м м |
pm.cm. |
Фиг . 3. Кривые скорости откачки механического пластинчато-роторного и газобалластного насоса.
вводят небольшое количество атмосферного воздуха. Это снижает степень сжатия конденсирующихся газов. Кроме того, тепло, выделяющееся при сжатии введенного воздуха, повышает температуру конденсирующегося пара и тем самым уменьшает возможность его конденсации. Одноступен чатый газобалластный насос при давлении на входе ниже 20 мм рт. ст. может работать без заметного загрязнения масла конденсатом водяного пара при содержании в откачиваемом газе паров воды до 100%. Однако, как и следует ожидать, применение газобалластного устройства снижает эффективность одноступенчатого насоса в области низких давлений. Например, насос, обеспечивающий достижение давления порядка 10 мк рт. ст., при открытом газобалластном клапане может снизить давление только до 300 мк рт. ст. Применение двухступенчатых насосов позволяет в значительной степени устранить этот недостаток. Двухступенчатые насосы, работающие на второй ступени с полностью открытым газобалластным клапаном, могут обеспечить давление до 1 мк рт. ст. Однако относительное количество водяных паров в откачиваемом газе при работе двухступенча того насоса должно быть ниже, чем при эксплуатации одноступенчатого.
Пластинчато-роторные и плунжерные ротационные насосы занимают доминирующее положение среди других конструкций вакуум-насосов.
так как с их помощью можно достичь широкого диапазона давлений в пределах от 760 до 0,001 мм рт. ст. Тем не менее использование этих насо сов ограничено, так как при давлениях ниже 100 мк рт. ст. их эффектив ность снижается ; они вообще не могут быть использованы при давлениях ниже 1 мк рт. ст. Несбалансированная конструкция пластинчато-ротор ных и плунжерных насосов ограничивает скорость вращения ротора;
Фиг . 4. Ротор механического бустерного насоса типа воздуходувки «Рута».
обычно число оборотов таких насосов не превышает 600 в 1 мин. Сколь зящий контакт между вращающимися и неподвижными частями насоса способствует быстрому его износу. Для своих рабочих характеристик эти насосы слишком дороги и велики по габаритам. Самым мощным на сосом этого типа является насос, откачивающий до 20 мя/мин.
Одним из типов вакуумных насосов является также насос-воздухо дувка, использование которого в сочетании с пластинчато-роторным или золотниковым насосом имеет значительные преимущества: Насос-возду ходувка типа Рута имеет две восьмеркообразные лопасти, вращающиеся
вразные стороны (фиг. 4).
Ввоздуходувке, в отличие от ранее рассмотренных насосов, лопасти не соприкасаются друг с другом и со стенками корпуса, что позволяет
вращать их с относительно большими скоростями без внутренней смазки. В соответствии с этим большая объемная скорость откачки может быть достигнута в небольших насосах. Насосы вытеснения (воздуходувки) обеспечивают производительность до 340 м3/мин.
Ротор и корпус этих насосов конструктивно аналогичны устройству этих частей в насосах для создания форвакуума или низкого положитель ного давления. Однако при изготовлении подобных насосов необходимо
Фи г . 5. Скорость откачки бустерных и газобалластных насосов.
высокое качество обработки поверхности вала для предотвращения попа дания масла или воздуха в камеру лопастей.
Степень сжатия в насосе-воздуходувке обычно ограничивается от ношением 10 1. Ограничение объясняется большой потребляемой мощ ностью при повышенных степенях сжатия и сложностью отвода тепла от вращающихся лопастей.
Поскольку степень сжатия в современных насосах-воздуходувках не большая, их используют как высоковакуумную ступень двухступенча того насоса. Сочетание насоса-воздуходувки с плунжерным ротационным насосом обеспечивает высокую скорость откачки в области давлений 15 мм — 1 мк. рт. ст. (фиг. 5). Такая кривая скорости откачки полностью отвечает задачам вакуумной металлургии. При использовании данного
насоса почти отсутствует |
возможность попадания масла |
из насосов |
в откачиваемый объем, так |
как смазочное масло не связано |
с вакуум |
ной камерой. В присутствии конденсирующихся паров работа насоса не ухудшается. Циркуляция охлаждающей жидкости через лопасти насоса дала бы возможность увеличить степень сжатия (более чем 10 : 1) и, следовательно, расширить диапазон рабочих давлений насоса (за пределы давления 15 мм рт. ст.), что позволило бы использовать в качестве вспомо гательного плунжерный насос меньших размеров..
Из многих применяемых в настоящее время механических насосов следует упомянуть еще два типа. Один из них — это молекулярный насос Геде' (фиг. 6 и 7). Диск диаметром 305 мм вращается в окружающем его корпусе со скоростью 8000 об/мин. Вязкостный поток увлекает воздух от входного отверстия через спиральные каналы к выхлопному отверстию.
Фиг . 6. Детали молекулярного насоса.
расположенному поблизости от центра насоса. Этот насос можно исполь зовать с вспомогательным форвакуумным насосом, так же как и насосвоздуходувку. Молекулярный насос позволяет получить большую степень сжатия, чем насос-воздуходувка.
Эти насосы не загрязняют откачиваемый объем парами масла; кроме того, с помощью молекулярного насоса можно достичь более низких давлений. Недостатком их является относительно высокая стоимость и частые механические повреждения. Применение подшипников более высокого качества и улучшение технологии изготовления этих насосов могут увеличить спрос на них в будущем. Характеристика молекуляр ного насоса свидетельствует о целесообразности его применения в лабора торных печных установках для отжига. Кривые скорости откачки этого насоса приведены на фиг. 8.
Представляет также интерес конструкция вакуумного центробежно го насоса с многолопастным ротором, вращающимся в эллиптическом корпусе, частично наполненном жидкостью. Откачивающее действие насоса обусловлено изменением расстояния между круглым ротором и эллиптическим корпусом. Двухступенчатая комбинация насосов может