Техника - молодёжи 1969-06, страница 9

ВАКУУМНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

Вынем только что остывшую стальную болванку из изложницы и разрежем ее вдоль пополам. Верхняя часть слитка усеяна раковинами — это пузырьки газа, выделившиеся из расплава, не успели всплыть и застыли по пути. Таной пористый металл никуда не годится, поэтому отпилим и выкинем «корону» болванки.

Сделаем анализ нижнего и боковых участков болванки. Структура металла, содержание химических элементов в нем резко разнятся по диаметру слитка. Причина тому — неравномерное остывание. Очистим металл от кожуры. Остается сердцевина, сплошная и однородная на взгляд. Но если кусочек сердцевины положить под микроскоп, мы увидим в металле многочисленные вкрапления примесей и оспинки мельчайших газовых пузырьков.

Сталь, полученная в конверторе мартеновской печи или электропечи, во время плавки постоянно контактирует с огнеупорной футеровкой, загрязняется частицами окислов и других соединений. Из атмосферы печи она жадно поглощает кислород, азот, водород.

Как получить чистую сталь, которая могла бы работать и в атомных реакторах, «безболезненно» перенося гигантские дозы радиации, и на космических ракетах, выдерживая колоссальную температуру и огромные перегрузки, и в аппаратах химической промышленности, работая в агрессивных средах?

Полезный вакуум. Первое, что приходит в голову, — поместить жидкий металл в вакуум (меньше 1 мм рт. ст.). Расплав немедленно вскипит, и растворенный газ интенсивно выделится наружу. Углерод, содержащийся в стали, соединится с кислородом, и возникший угарный газ тут же всплывет в виде пузырьков. Поэтому при вакуумировании металл можно предварительно не раскислять кремнием или алюминием в печи.

Внепечную обработку стали производят по-разному. Иногда в вакуумную камеру помещают ковш с расплавом (ва-куумирование в ковше), иногда — изложницу с остывающим металлом (вакуумирование в изложнице), иногда переливают расплав из ковша в ковш в камере (вакуумирование в струе) и т. д.

Горячее поле. В вакуумной индукционной печи (см. рис. 1 на цветной вкладке) роль нагревателя выполняет магнитное поле. Внутри катушки-индуктора помещают керамический тигель. Катушка окружена герметическим корпусом. В тигель загружают шихту (металлический лом, бракованные отливки, обрезы, отходы прокатного производства и т. д.). Из рабочей камеры мощными насосами откачивают воздух. По обмотке индуктора пускают переменный ток промышленной или повышенной частоты (до 8000 гц). Переменное магнитное поле, создаваемое внутри катушки, возбуждает в металле вихревые токи Эти токи и нагревают шихту одновременно по всей массе. В тигле, сделанном из диэлектрика, джоулево тепло не выделяется.

На металлургических заводах нашей страны работают индукционные печи разной емкости — от 0,5 до 28 т (проектируется печь емкостью 40—50 т). В них выплавляется сталь высокого качества. Правда, не исключено загрязнение расплава материалом тигля. Нельзя в индукционных печах выплавить молибден и вольфрам — нет высокотемпературных огнеупоров. Поэтому сверхчистые и тугоплавкие металлы предпочитают получать в других агрегатах — например, в дуговых.

В объятиях дуги. Расходуемый электрод из стали закрепляют над кристаллизатором (вторым электродом) — медным стаканом с водоохлаждаемыми стенками и подвижным дном (рис. 2). К электродам подводится постоянный ток. Чтобы в начальный момент не сжечь дугой дно кристаллизатора, в него кладут затравку из того же переплавляемого металла. Примеси и пузырьки газа всплывают в жидком металле наверх, и вытягиваемая вниз нижняя часть слитка очищается от них. Достаточно у охлажденного слитка отрезать «корону», и перед нами чистый высокосортный металл. Таким способом выплавляют (иногда многократно прогоняя слиток через печь) нержавеющие, подшипниковые, конструкционные и другие качественные стали.

На рис. 3 — метод электрошлакового переплава. Жидкий металл прикрывают толстым слоем электропроводного шлака так, чтобы в нем утопал конец расходуемого электрода. Ток, постоянный или переменный, проходя по шлаку от элек

трода к кристаллизатору, выделяет тепло. Доступ воздуха к стали закрыт шлаком, он же очищает капельки металла, стекающие в изложницу, от инородных тел, поглощает всплывающие из расплава пузырьки газа и частички примеси.

Печь-диод. В дуговых печах вакуум не может быть глубже десятых долей миллиметра ртутного столба, так как дальнейшее снижение давления приводит к нарушению стабильности горения дуги. Но именно глубокий вакуум (Ю^-6 мм рт. ст.) необходим для электронного нагрева.

Кольцевой катод, обычно вольфрамовый, охватывает нижний конец расходуемой штанги (рис. 4). К штанге и к водо-охлаждаемому кристаллизатору подведен «плюс», они играют роль анода. Электроны, вырвавшись из катода, устремляются (с энергией до 15—20 кэв) к аноду, бомбардируют штангу и металл в изложнице и нагревают их.

К сожалению, у такой простой схемы много недостатков. Брызги металла осаждаются на катоде, который находится вблизи ванны, он не выдерживает и нескольких часов работы. Плавка ведется в сильном электрическом поле. Происходит интенсивная ионизация выделяющихся из расплава газов и паров металла, нарушается стабильность режима, и может возникнуть тлеющий разряд.

Для устранения этих недостатков катод окружают иногда анодом с кольцевой прорезью для электронов. Однако усложняется извлечение катода. Вот почему конструкторы чаще всего предпочитают использовать электронные пушки. Электронный луч зарождается на раскаленном катоде пушки, разгоняется электромагнитным полем, фокусируется системой линз и выходит из ствола достаточно мощным, чтобы пробиться сквозь рабочий вакуум печи (а он на целый порядок ниже разрежения в самой пушке). Луч расплавляет нижний конец расходуемого электрода и подогревает металл в изложнице (рис. 5). Таких пушек в электроннолучевой печи можно установить несколько, выход из строя одной из них не влечет за собой перерыва в плавке,

В отличие от всех других методов в электроннолучевом переплаве можно регулировать процесс кристаллизации. Слитки получаются на редкость однородными и плотными.

Под прицелом плазмотрона. Получение и сохранение глубокого вакуума дело трудоемкое и дорогое. При высоком разрежении нельзя переплавлять специальные сплавы, ибо их компоненты — марганец, медь, хром — сильно испаряются. Плазма — ионизированный газ, нагретый до огромной температуры, — позволила обрабатывать сталь в широком диапазоне низких давлений.

Вот, например, как устроена электроннолучевая печь с плазменным катодом (рис. 6). Над изложницей установлен танталовый стакан, охлаждаемый водой. В его верхнюю часть поступает инертный газ аргон, который вытекает в рабочую камеру через отверстие в донышке стакана. Внутри стакана поддерживается давление, достаточно высокое для образования плазмы (в печи благодаря постоянному отсосу газов давление не превышает 10—²—10—³ мм рт. ст.).

После начала подачи аргона включают высокочастотный индуктор, окружающий катод. Стакан нагревается вихревыми токами и излучает электроны, которые ионизируют газ. Из отверстия стакана вылетает пучок электронов (10% из них — катодные, остальные 90% — из плазмы). Этот луч и расплавляет металл в кристаллизаторе — аноде.

Плазму с успехом используют не только в электроннолучевых, но и в дуговых печах (рис. 7). Роль нагревателя выполняет газовая горелка — плазмотрон. В горелке между катодом и анодом образуется дуга, в которую вдувается под давлением рабочий газ. Из сопла вырывается плазменная струя. В ней выделяется большое количество тепла (температура достигает 15000° С!) из-за перехода ионизированного газа в первоначальное состояние.

Плазмотрон устанавливают над кристаллизатором. Сбоку у печи — устройство для подачи расходуемого npyjKa. Перед началом плавки на дно изложницы кладут затравку. Затем камеру герметизируют, откачивают из нее воздух, включают плазмотрон и приближают его к затравке. Когда она расплавляется, в зону плазменной струи подают пруток, слиток по мере роста вытягивают.

С помощью плазмотронов можно не только переплавлять слитки, но и добывать металл из руды. При очень высоких температурах руда превращается в пар, состоящий из ионизированных атомов, свободных от химических связей. Остается лишь сконденсировать и отделить друг от друга элементы. Так, в общих чертах можно наметить контуры будущей плазменной металлургии.

Ю. ФЕДОРОВ, инженер

б