142 УДК 533.9.07 МЕТОД ПЛАВКИ АЛЮМИНИЯ В ВАКУУМЕ С

УДК 533.9.07
МЕТОД ПЛАВКИ АЛЮМИНИЯ В ВАКУУМЕ С ПОМОЩЬЮ ПОЛОГО КАТОДА
Н.Н. Кошелев, А.В. Лоян, канд. техн. наук,
Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»,
В.А. Омельчук,
Южный государственный проектно-конструкторский и научно-исследовательский институт,
авиационной промышленности, г. Харьков, Украина
–
Обзор оборудования для плавки алюминия
Научно-техническая революция обеспечила со-
талла, соответствующего действующим стандартам;
–
временное развитие производства в нашей стране. По
ряду отраслей промышленности, в частности по вы-
получение удовлетворительного качества ме-
возможность строительства печей большой
емкости и высокой производительности;
пуску отливок, бывший Советский Союз занимал
–
относительно низкая стоимость энергоносителей;
первое место в мире. После распада Советского Сою-
–
полная механизация загрузки шихты.
за большая часть металлургического комплекса дос-
–
К недостаткам относятся:
талась Украине. Поэтому создание новых технологий
–
печная атмосфера с водяным паром и други-
в области металлургии является сегодня приоритет-
ми газами, ухудшающая качество металла;
ной задачей для независимой молодой страны.
При получении многих деталей машин, приборов и
сооружений литые заготовки являются наиболее деше-
загрязнение окружающей среды.
чистота печной атмосферы по сравнению с пла-
менными печами, содержание водяного пара – 0,25-0,8%
(парциальное давление водяного пара 25-80 мм. вод. ст.);
–
ство специфических дефектов; шероховатость поверхности и точность размеров часто не удовлетворяют
–
–
нения неподдающихся обработке давлением сплавов
Вместе с тем, в отливках образуется большое количе-
безвозвратные потери металла при плавке;
Электрические печи имеют следующие преимущества:
выми, а в случаях особо сложных деталей или примелитейная технология является единственно возможной.
–
меньшие безвозвратные потери металла по
сравнению с пламенными печами;
требованиям, предъявляемым к изделиям; свойства
–
относительно высокий КПД, достигающий 60%;
сплавов в литом состоянии, как правило, ниже, чем в
–
обеспечение необходимого температурного
деформированном. Поэтому проблема дальнейшего
режима плавки;
–
повышения качества литых заготовок в настоящее время приобрела решающее значение.
ее обслуживание.
Алюминиевые сплавы широко применяют в авиа-
Данные печи имеют свои недостатки, а именно:
ционной, автомобильной, тракторной промышленности и других отраслях народного хозяйства. Они об-
–
свойствами, коррозионной стойкостью, высокими
–
в
пламенных,
электрических
печах,
электродуговых печах в вакууме.
Преимуществами пламенных печей являются:
в
практически невозможна полная механизация
загрузки шихты;
теплопроводностью и электрической проводимостью.
Плавка алюминиевых сплавов может осуществ-
относительно большой удельный расход
электроэнергии, достигающий 50 кВт·ч/т и более;
ладают высокой прочностью, хорошими литейными
ляться
относительная простота конструкции печи и
–
невысокая стойкость нагревательных элемен-
тов и футеровки.
Во время плавки алюминий насыщается водородом,
основным источником которого являются пары воды в
142
атмосфере газовых печей, влага шихты и гигроскопичных флюсов. Для предохранения алюминиевых рас-
Рассмотрим решение простейшей задачи по плавке
металла в вакууме с использованием полого катода.
плавов от окисления и насыщения водородом плавку
Схема устройства представлена на рис. 2.
ведут в вакууме, в атмосфере инертных газов или в
Дуга
воздушной среде, содержащей фториды; применяют
Катод
покровные флюсы или защитное легирование.
Садка
Плавка в вакууме позволяет хорошо обезгазить
металл – освободить от растворенных в нем азота,
Источник
питания
водорода, а также кислородсодержащих газов и H2O,
удалить примеси, упругость пара которых выше, чем
основного металла.
Рис. 2.
Основными процессами, определяющими особен-
При этом примем следующие положения:
ности свойств и качество сплавов, получаемых в вакуумных печах, являются:
–
1)
ской поверхностью, к которой подводится тепловой
удаление газов и летучих примесей, диссо-
поток при работе катода;
циация неустойчивых соединений в условиях высокой
температуры и вакуума;
–
2)
всплывание и удаление неметаллических
выделенного объема металла;
3)
–
К недостаткам литья в вакууме относятся:
–
–
сравнительно высокая стоимость оборудования;
таллом. При плавлении единицы массы тела поглощается теплота кристаллизации r;
металлоемкость и трудоемкость изготовления
4)
тепловые характеристики вещества тела – те-
плопроводность λ, теплоемкость C и плотность ρ -
пониженная производительность;
постоянны и не зависят от температуры;
для обслуживания требуется более квалифи-
цированный персонал.
5)
теплопередача в твердой части тела подчиня-
ется уравнению Фурье;
6)
Плавка в вакууме с помощью полого катода
регаем.
грева деталей есть высокий КПД процесса, который
токах
составляет
[1] (рис. 1).
основные тепловые потери происходят излу-
чением, а теплопроводностью токоподводов пренеб-
Основной идеей применения полого катода для набольших
температура Tpl представляет собой темпера-
туру плавления вещества, являющегося чистым ме-
оборудования;
при
температура тела первоначально во всех точ-
ках равна T0 и повышается равномерно для любого
включений.
–
–
расплавленное тело ограничено одной пло-
90-95%
Для расчетов нам требуется найти зависимость
температуры садки от времени нагрева как функция
подводимой мощности или, что то же самое, от тока
разряда.
η, %
В соответствии с принятыми допущениями можно
записать уравнение теплового баланса для садки (1)
100
C ⋅ mc ⋅
где
Ip, A
80
dT
= Q∑ + − Q∑ − ,
dτ
dT
– изменение температуры садки во времени;
dτ
С – удельная теплоемкость;
mc – масса садки;
Рис. 1.
143
(1)
σ - постоянная Больцмана;
QΣ+ – количество теплоты, которую передает
S – для теоретических оценок примем площадь
плазма, а при расплаве тела “поглощается” теплотой
поверхности шара, из которой происходит излучение:
кристаллизации;
QΣ- – количество теплоты, которое должно быть
2
 3 ⋅ mc  3
S = 4⋅π⋅
 ,
4⋅ π ⋅ρ
поглощено окружающей средой излучением:
Q∑ + = η ⋅ Ip ⋅ U p + mc ⋅ r ,
Q ∑ − = ε ⋅ σ ⋅ (T
4
(2)
− T04 ) ⋅ S ,
(3)
(4)
где ρ - плотность материала садки.
Окончательно получим:
где η - КПД процесса;
C ⋅ mc ⋅
Ip – ток разряда;
Up - подаваемое напряжение на катод;
dT
η ⋅ I p ⋅ U p − m c ⋅ r − ε ⋅ σ ⋅ S ⋅ T04
ε ⋅σ ⋅S
ε ⋅ σ ⋅S
dτ =
r – теплота кристаллизации;
− T4
.
ε - степень черноты;
Интегрируя данное равенство от T0 до Tmax, где Tmax=Tli – температура литья, получаем:
  a(I p ) + (Tmax − T0 ) 
 Tmax − T0  
 ln 
 atan 

  a(I p ) − (Tmax − T0 ) 
a(I
)
p

 
+
C ⋅ mc ⋅ 


4 ⋅ a(I p ) 3
2 ⋅ a(I p ) 3




при Tmax < Tpl
σ ⋅ ε ⋅S
t(Tmax, I) =
,
  a(I p ) + (Tmax − T0 ) 
 Tmax − T0  
 ln 
 atan 

  a(I p ) − (Tmax − T0 ) 
 a(I p )  
C ⋅ mc ⋅ 
+



4 ⋅ a(I p ) 3
2 ⋅ a(I p ) 3




m⋅r
+
при Tmax ≥ Tpl
σ ⋅ ε ⋅S
Ip ⋅ Up ⋅ η
где
Анализ показывает, что с увеличением силы тока в
2,5 раза время плавки уменьшается почти в 2 раза.
1
 η ⋅ I p ⋅ U p − ε ⋅ σ ⋅ S ⋅ T04  4
a(I p ) = 


 .


ε ⋅ σ ⋅S
(7)
Энергетический расчет
Для расчета экономической эффективности про-
На рис. 3 представлены зависимости Т от времени
нагрева для стандартной садки алюминия массой 250 кг.
цесса вакуумной плавки с помощью полого катода
рассчитаем энергетические затраты. Запишем затраты
энергии потребляемые установкой:
2.5
2.25
N уст =
2
1.75
t( Tmax, 2000)
t( Tmax, 5000)
1.5
η
+ N фн + N дн + N вн ,
(8)
где первый множитель - это мощность системы элек-
1.25
тропитания установки;
1
0.75
Nфн – мощность форвакуумных насосов;
0.5
Nдн – мощность высоковакуумного насоса;
0.25
0
200
Ip ⋅ U p
300
400
500
600
700
T
800
900
1000
1100
Nвн – мощность водяного насоса.
1200
T
Рис. 3. Кривая с большей “ступенькой” соответствует току разряда 2 кА, с меньшей – 5 кА
144
Тогда удельная мощность всей установки
N уд =
N уст ⋅ τ
mc
.
(9)
На рис. 4 представлена зависимость удельной
мощности, необходимой для разогрева садки алюми-
Сравнивания полученный результат, видим, что
экономия электроэнергии составляет от 30 до 45%.
ния массой 250 кг, от тока разряда.
Сравнительная оценка энергетических параметров
Из графика можно сделать вывод о том, что для тока
оборудования для плавки алюминия, применяемого на
разряда 2 кА удельная мощность плавки алюминия со-
данный момент на большинстве заводов бывшего Со-
ставляет порядка 0,31 кВт*ч/кг. С увеличением силы тока
ветского Союза, и метода плавки алюминия в вакууме
удельные энергозатраты падают до 0,297 кВт*ч/кг, что на
с помощью полого катода свидетельствует об эконо-
сегодняшний день является энергетическим минимумом,
мической целесообразности использования полого ка-
который можно получить на данный момент времени с
тода
применением разработанных полых катодов.
электроэнергии - до 45%.
для
плавки
0.315
алюминия:
экономия
Литература
0.313
1.
0.311
0.309
Оранский А.И.,
Будяк Б.П.
Исследование
свойств полого катода // Источники и ускорители
0.307
плазмы: Сб. науч. тр.- Харьков: ХАИ, 1985.- С. 145.
N( I) 0.305
0.303
2.
Побежимов П.П. Металлургия коррозионно-
0.301
стойких алюминиевых сплавов и отливок.– М.: Ме-
0.299
0.297
0.295
2000
таллургия, 1989.– 251 с.
2800
3600
4400
5200
6000
I
6800
7600
8400
4
9200 1 .10
3.
Шевцов М.С., Белов А.Ф. Сравнение техно-
логических характеристик различных типов печей и
Рис. 4.
миксеров для плавки алюминиевых сплавов.- М.:
Выводы
ВНИИЭМ,
Выбор оборудования литья определяется требованиями, предъявляемыми к качеству отливки, отсюда
1966.-
50 с.
(Отделение
научно-
технической информации, стандартизации и нормализации в электротехнике).
определяется метод литья, а также стремлением полу-
4.
Курдюмов А.В., Пикунов М.В. Производство
чить отливку с наименьшими затратами труда и энер-
отливок из сплавов цветных металлов.- М.: Металлур-
гии на ее изготовление и последующую обработку
гия, 1986.– 284 с.
при наименьшем расходе металла. В таблице показаны удельные расходы электроэнергии печей различных конструкций для плавки алюминия.
Таблица
N
п\п
1.
2.
3.
4.
5.
Наименование оборудования
Индукционная тигельная печь типа ИАТ-6
Индукционная канальная печь типа ИАК
Тигельная печь сопротивления типа САТ
Электрические тигельные печи фирмы ”Nabertherm”, Германия
Установка с полым
катодом
Удельный расход электроэнергии, кВт*ч/кг
5.
Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литей-
щика.- М.: Машиностроение, 1988.– 271 с.
6.
Гуляев Б.Б. Теория литейных процессов.- Л.:
Машиностроение, 1976.– 214 с.
0,557
0,500
Поступила в редакцию 08.06.03
0,550
0,450
0,310
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор Г.И. Костюк,
Национальный
аэрокосмический
университет
им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», г. Харьков; д-р техн. наук,
профессор Ю.С. Васильев, УХИН, г. Харьков.
145