Прокатка в вакуумі і в інертних середовищах

Щоб здійснити високотемпературну деформацію тугоплавких і рідкісних металів, їх сплавів, а також біметалів і одночасно виключити або максимально ускладнити їх взаємодія з активними газами, потрібне створення спеціальних методів захисту при високотемпературної пластичної деформації.

З цією метою використовують оболонки, обмазки, покриття та інші засоби запобігання металів від окислення і газонасичення. Однак на практиці застосування розглянутих способів викликає суттєві труднощі, так як для кожного металу або сплаву потрібно вишукувати покриття із спеціальними властивостями, що само по собі є досить трудомістким процесом.

Крім цього, в технологічний процес виробництва потрібно вводити допоміжні операції (нанесення покриттів, виготовлення оболонок, зварювання, видалення оболонок механічним або хімічним шляхом), у багатьох випадках економічно не виправдані. Ще більші труднощі виникають при отриманні біметалевих матеріалів з різнорідними складовими, які б не з'єднувалися при деформації в звичайних умовах.

Отже, на існуючому обладнанні неможливо забезпечити надійний захист металів від взаємодії з активними газами в процесі високотемпературної дафермаціі. Найбільш ефективним способом такого захисту, які отримують все більш широке поширення, є застосування вакууму і інертних середовищ на всіх стадіях процесу: при нагріванні, деформації та охолодженні.

Для цього треба було створення спеціального обладнання, вивчення особливостей обробки тиском у вакуумі та інертних середовищах і розробка наукових основ нового методу. Устаткування для обробки тиском у вакуумі і в інертних середовищах. Прокатні стани, призначені для роботи тільки в вакуумі або для роботи як в вакуумі, так і в газозахисних середовищах, зазвичай називають «вакуумними прокатними станами».

Стани, що працюють тільки в середовищі інертних газів, називають «газозахисними прокатними станами», причому ця назва може бути поширене і на інше обладнання з обробки металів тиском (газозахисний прес, газозахисний молот і ін.). У ряді випадків один і той же агрегат використовують як для роботи у вакуумі, так і в газозахисних середовищах, причому забезпечується можливість переходу від вакууму до захисного газу і назад.

На відміну від газозахисних вакуумні пристрої дозволяють здійснювати деформацію в різних за станом середовища умовах, а саме:

а) в вакуумі різної Грубін, під яким розуміється розріджений стан повітря при тиску нижче атмосферного;

б) в аргон або гелієвому вакуумі різної глибини, під яким розуміється розріджений стан аргону або гелію при тиску нижче атмосферного;

в) в газозахисній середовищі гелію, аргону і ін. при тисках, рівних або вище атмосферного.

Відповідно до класифікації, в основу якої покладено взаємне розташування обладнання прокатного стану і камери, призначеної для отримання вакууму або заповнення інертним газом, розрізняють наступні типи вакуумних прокатних станів:

1. Тип стан-камера. Камерою є герметизоване відділення, в якому мають основне і допоміжне обладнання прокатного стану.

2. Тип кліть-камера. В цьому випадку в камері розміщують робочу кліть прокатного стану.

3. Тип валки-камера. У камері розміщені тільки прокатні валки.

Вибір стану того чи іншого типу обумовлюється конкретними умовами, поставленими завданнями і ставляться. Для промислових умов найбільш прийнятною конструкцією є стан типу валки-камера.

У практиці можуть застосовуватися різні схеми сполучень вакууму і газових середовищ в процесі нагрівання, деформації та охолодження. зменшується загальне взаємодія металів з активними газами. До перших досліджень щодо застосування інертного середовища (аргону) при високотемпературної куванні тугоплавких металів відносяться дослідження, проведені компанією General Electric.

Вакуум розміщували в спеціальній камері, до якої приєднувалася нагрівальна індукційна піч, що забезпечує нагрів до 2500 ° С. Досліди показали можливість успішної кування молібдену, сплавів на основі вольфраму і титану. Пізніше американською компанією Universal Cyclops Steel Corporation в одному з цехів було обладнано герметизоване відділення (In-Fab) у вигляді камери розміром 12,8 × 30,0X7,0 м.

У камері, що заповнюється аргоном, розміщені: прокатний стан дуо з валками (гладкими і каліброваними) діаметром 406,4 мм і довжиною бочки 914,4 мм, прес з напівавтоматичним маніпулятором, нагрівальна індукційна піч з нагріванням металу до 2204 ° С, ножиці і інше обладнання. Обслуговуючий персонал працює в камері в спеціальних костюмах.

Чистота аргону підтримується на рівні 99,995% з допомогою спеціальної установки, що має продуктивність 16,2 м3 / хв. Подібні пристрої, названі «Атмосфера», є і в Радянському Союзі. Досліди показали необхідність безперервної очищення інертного газу, так як в застійної атмосфері вміст шкідливих газових домішок постійно збільшується. Поряд з прокаткою листів компанія отримує в (In-Fab) фасонні профілі з тугоплавких металів, в тому числі цирконію, ніобію, гафнію, молібдену, танталу, вольфраму і їх сплавів.

Для деформації металів в середовищі інертного газу розроблені і інші конструкції пристроїв як за кордоном, так і в Радянському Союзі. Слід, однак, відзначити, що навіть високоочіщен-ва інертна середу містить кисень, азот та інші гази і не може повністю захистити багато метали, сплави і біметали від окислення і газонасичення.

У зв'язку з цим при високотемпературної деформації металів, сплавів і біметалів застосовують вакуум. Пріоритет у створенні вакуумних прокатних станів належить Радянському Союзу. Перший вакуумний прокатний стан типу стан-камери був створений в 1951 р Фізико-технічним інститутом АН УРСР. У герметизированной камері об'ємом 550 л розміщувалася робоча кліть прокатного стану з валками діаметром 85 мм і довжиною бочки 150 мм, потужність двигуна становила 1 кет, швидкість прокатки - 6,5 м / хв. Установка дозволяла прокатувати зразки довжиною до 200 мм, товщиною до 20 мм в вакуумі 0,665 мн / м2 (5 Ю-5 мм рт. Ст.).

Пізніше цим же інститутом була розроблена інша конструкція вакуумного стану, отлічіечкоторой полягає в тому, що у вакуумній камері розміщені тільки прокатні валки, а всі допоміжні механізми • - опорні підшипники, нажимное пристрій та ін. - розташовані поза вакуумної камери.

В даний час в нашій країні працюють і створюються знову потужні вакуумні прокатні стани з діаметром валків від 170 до 600 мм, одноклітьових і безперервні з різною кількістю клітей, планетарні і ін !. У створенні обладнання, розробці технологічних режимів та промислове освоєння процесу прокатки в вакуумі Радянський Союз на багато років випередив передові капіталістичні країни (США, Японію і ін.).

Одночасно зі створенням нових вакуумних станів проводяться роботи по пристосуванню діючих прокатних станів для прокатки у вакуумі і в середовищі інертного газу.

Вакуумний прокатний стан типу кліть-камера (у вакуумній камері розташована робоча кліть діючого стану) обладнаний в Ленінградському політехнічному інституті.

Найбільш потужним з діючих в даний час вакуумних прокатних станів є стан «МИСиС-210», типу кліть-камера, створений в Московському інституті сталі і сплавів під керівництвом А. В. Крупина. Стан (рис. 116) являє собою єдиний комплекс прокатного, вакуумного і термічного обладнання і дозволяє виробляти нагрів перед прокаткою, прокатку і термічну обробку металів і сплавів у вакуумі і в газозахисній середовищі без порушення безперервності технологічного процесу.

Прокатний стан є одноклітьових дуо-ревер вибухобезпечний станом з валками діаметром 210 мм і довжиною бочки 340 мм - з станинами закритого типу. Допустиме зусилля прокатки 1,1 Мн (НІГ), врівноважує пристрій - пружинне, привід натискного пристрою-електричний, швидкість підйому і опускання верхнього валка 0,12 мм / сек. Максимальний підйом верхнього валка з урахуванням установки месдоза становить 50 мм.

Привід стану здійснюється від електродвигуна постійного струму потужністю 22 кет з регульованим числом обертів в межах 400-1000 за хвилину через двоступеневий редуктор з передавальним числом i = = 13, редуктор з i = 6, шестеренних кліть і шпинделі.

З передньої і задньої сторін робоча кліть стану обладнана столами з направляючими лінійками і рольгангами. Нагрівальні пристрої забезпечують нагрів заготовок до 1650 ° С. Однією з позитивних особливостей обробки металів тиском у вакуумі і в інертних середовищах є можливість зміни парціальних тисків газів в широких межах і, отже, здійснення високотемпературної деформації в умовах низьких парціальних тисків активних газів. Показано зміну парціальних тисків і числа молекул газу в 1 см3 при різній глибині вакууму.

Застосування вакууму або середовища інертного газу при високотемпера-ратурной деформації зменшує парціальний тиск активних газів повітря, перешкоджає течією реакцій окислення і робить можливим розвиток зворотного реакції-дисоціації раніше утворилися хімічних сполук. Цей висновок є окремим випадком загального принципу рухомого рівноваги Ле-Шательє.

Зміна термодинамічних параметрів (тиску і температури) тягне за собою зміну ізобарно-ізотер-мічного потенціалу освіти хімічної сполуки. Відомо, що підвищення температури і зниження тиску не у всіх випадках призводить до переходу термодинамічної потенціалу реакції в область позитивний значень, т. Е. До зміщення рівноваги і розвитку зворотних реакцій дисоціації оксидів. Зокрема, реакції окислення багатьох тугоплавких металів термодинамічно можливі навіть в умовах високого вакууму.

На підставі термодинамічних розрахунків встановлено, що для металів з високою пружністю дисоціації оксидів, наприклад вольфраму, молібдену, ренію, міді і нікелю, в умовах прокатки у вакуумі можна досягти меншого значення парціального тиску кисню в порівнянні з пружністю дисоціації оксидів і, отже, запобігти окисленню .

Для металів з низькою пружністю дисоціації оксидів - цирконію, ніобію, танталу, ванадію - не можна досягти рівноважних умов і термодинамічна ймовірність окислення зберігається в будь-якому практично досяжному вакуумі.