HomeОбработка стали › Прокатка в вакууме и в инертных средах

Прокатка в вакууме и в инертных средах

Прокатка в вакууме и в инертных средахЧтобы осуществить высокотемпературную деформацию тугоплавких и редких металлов, их сплавов, а также биметаллов и одновременно исключить или максимально затруднить их взаимодействие с активными газами, требуется создание специальных методов защиты при высокотемпературной пластической деформации.

 

С этой целью используют оболочки, обмазки, покрытия и другие средства предохранения металлов от окисления и газонасыщения. Однако на практике применение рассмотренных способов вызывает существенные трудности, так как для каждого металла или сплава требуется изыскивать покрытие со специальными свойствами, что само по себе является весьма трудоемким процессом.

 

Помимо этого, в технологический процесс производства требуется вводить вспомогательные операции (нанесение покрытий, изготовление оболочек, сварка, удаление оболочек механическим или химическим путем), во многих случаях экономически не оправданные. Еще большие трудности возникают при получении биметаллических материалов с разнородными составляющими, которые не соединяются при деформации в обычных условиях.

 

Следовательно, на существующем оборудовании невозможно обеспечить надежную защиту металлов от взаимодействия с активными газами в процессе высокотемпературной дафермации. Наиболее эффективным способом такой защиты, получающим все более широкое распространение, является применение вакуума и инертных сред на всех стадиях процесса: при нагреве, деформации и охлаждении.

 

Для этого потребовалось создание специального оборудования, изучение особенностей обработки давлением в вакууме и инертных средах и разработка научных основ нового метода. Оборудование для обработки давлением в вакууме и в инертных средах. Прокатные станы, предназначенные для работы только в вакууме или для работы как в вакууме, так и в газозащитных средах, обычно именуют «вакуумными прокатными станами».

 

Станы, работающие только в среде инертных газов, называют «газозащитными прокатными станами», причем это название может быть распространено и на другое оборудование по обработке металлов давлением (газозащитный пресс, газозащитный молот и др.). В ряде случаев один и тот же агрегат используют как для работы в вакууме, так и в газозащитных средах, причем обеспечивается возможность перехода от вакуума к защитному газу и обратно.

 

В отличие от газозащитных вакуумные устройства позволяют осуществлять деформацию в различных по состоянию среды условиях, а именно:

а) в вакууме различной грубины, под которым понимается разреженное состояние воздуха при давлении ниже атмосферного;

б) в аргонном или гелиевом вакууме различной глубины, под которым понимается разреженное состояние аргона или гелия при давлении ниже атмосферного;

в) в газозащитной среде гелия, аргона и др. при давлениях, равных или выше атмосферного.

 

В соответствии с классификацией, в основу которой положено взаимное расположение оборудования прокатного стана и камеры, предназначенной для получения вакуума или заполнения инертным газом, различают следующие типы вакуумных прокатных станов:

1. Тип стан-камера. Камерой является герметизированное отделение, в котором располагают основное и вспомогательное оборудование прокатного стана.

2. Тип клеть-камера. В этом случае в камере размещают рабочую клеть прокатного стана.

3. Тип валки-камера. В камере размещены только прокатные валки.

 

Выбор стана того или иного типа обусловливается конкретными условиями, поставленными задачами и предъявляемыми требованиями. Для промышленных условий наиболее приемлемой конструкцией является стан типа валки-камера.

 

В практике могут применяться различные схемы сочетаний вакуума и газовых сред в процессе нагрева, деформации и охлаждения. уменьшается общее взаимодействие металлов с активными газами. К первым исследованиям по применению инертной среды (аргона) при высокотемпературной ковке тугоплавких металлов относятся исследования, проведенные компанией General Electric.

 

Вакуум размещали в специальной камере, к которой присоединялась нагревательная индукционная печь, обеспечивающая нагрев до 2500° С. Опыты показали возможность успешной ковки молибдена, сплавов на основе вольфрама и титана. Позднее американской компанией Universal Cyclops Steel Corporation в одном из цехов было оборудовано герметизированное отделение (In-Fab) в виде камеры размером 12,8×30,0X7,0 м.

 

В камере, заполняемой аргоном, размещены: прокатный стан дуо с валками (гладкими и калиброванными) диаметром 406,4 мм и длиной бочки 914,4 мм, пресс с полуавтоматическим манипулятором, нагревательная индукционная печь с нагревом металла до 2204° С, ножницы и другое оборудование. Обслуживающий персонал работает в камере в специальных костюмах.

 

Чистота аргона поддерживается на уровне 99,995% с помощью специальной установки, имеющей производительность 16,2 м3/мин. Подобные устройства, названные «Атмосфера», имеются и в Советском Союзе. Опыты показали необходимость непрерывной очистки инертного газа, так как в застойной атмосфере содержание вредных газовых примесей постоянно увеличивается. Наряду с прокаткой листов компания получает в (In-Fab) фасонные профили из тугоплавких металлов, в том числе циркония, ниобия, гафния, молибдена, тантала, вольфрама и их сплавов.

 

Для деформации металлов в среде инертного газа разработаны и другие конструкции устройств как за рубежом, так и в Советском Союзе. Следует, однако, отметить, что даже высокоочищен-ная инертная среда содержит кислород, азот и другие газы и не может полностью предохранить многие металлы, сплавы и биметаллы от окисления и газонасыщения.

 

В связи с этим при высокотемпературной деформации металлов, сплавов и биметаллов применяют вакуум. Приоритет в создании вакуумных прокатных станов принадлежит Советскому Союзу. Первый вакуумный прокатный стан типа стан-камеры был создан в 1951 г. Физико-техническим институтом АН УССР. В герметизированной камере объемом 550 л размещалась рабочая клеть прокатного стана с валками диаметром 85 мм и длиной бочки 150 мм, мощность двигателя составляла 1 кет, скорость прокатки — 6,5 м/мин. Установка позволяла прокатывать образцы длиной до 200 мм, толщиной до 20 мм в вакууме 0,665 мн/м2 (5- Ю-5 мм рт. ст.).

 

Позднее этим же институтом была разработана другая конструкция вакуумного стана, отличиечкоторой состоит в том, что в вакуумной камере размещены только прокатные валки, а все вспомогательные механизмы •- опорные подшипники, нажимное устройство и др. — расположены вне вакуумной камеры.

 

В настоящее время в нашей стране работают и создаются вновь мощные вакуумные прокатные станы с диаметром валков от 170 до 600 мм, одноклетевые и непрерывные с различным числом клетей, планетарные и др!. В создании оборудования, разработке технологических режимов и промышленном освоении процесса прокатки в вакууме Советский Союз на много лет опередил передовые капиталистические страны (США, Японию и др.).

 

Одновременно с созданием новых вакуумных станов проводятся работы по приспособлению действующих прокатных станов для прокатки в вакууме и в среде инертного газа.

Вакуумный прокатный стан типа клеть-камера (в вакуумной камере расположена рабочая клеть действующего стана) оборудован в Ленинградском политехническом институте.

 

Наиболее мощным из действующих в настоящее время вакуумных прокатных станов является стан «МИСиС-210», типа клеть-камера, созданный в Московском институте стали и сплавов под руководством А. В. Крупина. Стан (рис. 116) представляет собой единый комплекс прокатного, вакуумного и термического оборудования и позволяет производить нагрев перед прокаткой, прокатку и термическую обработку металлов и сплавов в вакууме и в газозащитной среде без нарушения непрерывности технологического процесса.

 

Прокатный стан является одноклетевым дуо-ревер-сивным станом с валками диаметром 210 мм и длиной бочки 340 мм — со станинами закрытого типа. Допускаемое усилие прокатки 1,1 Мн (НОГ), уравновешивающее устройство — пружинное, привод нажимного устройства- электрический, скорость подъема и опускания верхнего валка 0,12 мм/сек. Максимальный подъем верхнего валка с учетом установки месдоз составляет 50 мм.

 

Привод стана осуществляется от электродвигателя постоянного тока мощностью 22 кет с регулируемым числом оборотов в пределах 400-1000 в минуту через двухступенчатый редуктор с передаточным числом i = = 13, редуктор с i = 6, шестеренную клеть и шпиндели.

 

С передней и задней сторон рабочая клеть стана оборудована столами с направляющими линейками и рольгангами. Нагревательные устройства обеспечивают нагрев заготовок до 1650° С. Одной из положительных особенностей обработки металлов давлением в вакууме и в инертных средах является возможность изменения парциальных давлений газов в широких пределах и, следовательно, осуществления высокотемпературной деформации в условиях низких парциальных давлений активных газов. Показано изменение парциальных давлений и числа молекул газа в 1 см3 при различной глубине вакуума.

Применение вакуума или среды инертного газа при высокотемпера-ратурной деформации уменьшает парциальное давление активных газов воздуха, препятствует течению реакций окисления и делает возможным развитие обратной реакции- диссоциации ранее образовавшихся химических соединений. Этот вывод является частным случаем общего принципа подвижного равновесия Ле-Шателье.

 

Изменение термодинамических параметров (давления и температуры) влечет за собой изменение изобарно-изотер-мического потенциала образования химического соединения. Известно, что повышение температуры и понижение давления не во всех случаях приводит к переходу термодинамического потенциала реакции в область положительный значений, т. е. к смещению равновесия и развитию обратных реакций диссоциации окислов. В частности, реакции окисления многих тугоплавких металлов термодинамически возможны даже в условиях высокого вакуума.

 

На основании термодинамических расчетов установлено, что для металлов с высокой упругостью диссоциаций окислов, например вольфрама, молибдена, рения, меди и никеля, в условиях прокатки в вакууме можно достичь меньшего значения парциального давления кислорода по сравнению с упругостью диссоциации окислов и, следовательно, предотвратить окисление.

 

Для металлов с низкой упругостью диссоциации окислов — циркония, ниобия, тантала, ванадия — нельзя достичь равновесных условий и термодинамическая вероятность окисления сохраняется в любом практически достижимом вакууме.

Article Global Facebook Twitter Myspace Friendfeed Technorati del.icio.us Digg Google StumbleUpon Eli Pets

Comments are closed.