Магнитная технология

Традиционные методы формообразования в период научно‑технической революции дополняются новейшими способами, основанными на использовании высоких давлений, энергии ультразвука, взрыва, мгновенно создаваемого магнитного поля. Возрастает роль науки в получении и улучшении свойств новых материалов. По мнению академика Н.Г. Басова, на создание новых материалов сильное влияние окажет физика. Направленное изменение физических свойств металлов достигается благодаря воздействию низких и высоких температур, вакуума и высокого давления, электромагнитных полей, плазмы и различных излучений.

В лаборатории радиационных химических исследований Института физической химии АН СССР обнаружили необычное влияние электрического тока на металлы. Оказывается, при определенных условиях в сильном электрическом поле пластичность даже сверхтвердых металлов (титан, вольфрам, нержавеющая сталь) увеличивается в два раза. Это явление получило название электропластического эффекта. Деформация в металле распространяется своеобразными волнами, потрясающими кристаллическую решетку материала. Чем быстрее эти волны, тем пластичнее металл. Ученые из лаборатории радиационных химических исследований выяснили, что электрический ток ускоряет движение таких волн. Оказалось, что элекрическое поле воздействует на электронный газ (свободные электроны, находящиеся в кристаллической решетке металла). Газ под действием электрического поля начинает двигаться и “подталкивает” волны. В результате они перемещаются в металле намного быстрее, увеличивая его пластичность.

Электрическое и магнитное поля не только подгоняют электронный газ, но и давят на металл с довольно большой силой. От этого металл делается еще более пластичным. По принципу электропластического эффекта созданы первые прокатные и волочильные станы. Здесь металл перед прокаткой не нагревают, как обычно, а обрабатывают электрическим током огромной плотности: 100 тысяч А/см². Новые станы уже работают на ряде предприятий нашей страны, их производительность в несколько раз выше обычных.

Из года в год растет производство различных литых деталей. Хотя процесс успешно механизируется и автоматизируется, он не свободен от недостатков: потеря металла, не всегда высокое качество продукции, вредное тепловое излучение. Можно ли от них избавиться?

На помощь пришла наука. Ученые Института проблемы литья АН УССР создали установку, которой еще не знала мировая практика: магнитодинамический насос, который предназначался для автоматической заливки жидкого металла в формы.

Когда ученые впервые показали свое детище производственникам, те с интересом осматривали невиданную машину, но в душе сомневались. Смущали и простота действия, и универсальность установки. Насос перекачивал по трубе жидкий металл, как воду. Литейная форма заполнялась им с такой же скоростью, точностью и легкостью, с какой в автомате стакан заполняется газированной водой. При этом жидкий металл перемещался под действием магнитного поля. Созданная учеными установка позволяла применить бесковшовную технологию заливки металла в форму.

Принцип действия насоса основан на законе движения в магнитном поле проводника, через который пропущен электрический ток. Таким проводником, движущимся от плавильной ванны к месту разлива, является металл. Как только оператор нажимает кнопку на пульте электромагнитной системы, жидкий металл, словно вода из артезианского колодца, течет по трубопроводу в литейную форму. Соединенная с индукционной печью установка поддерживает постоянную температуру и однородный химический состав расплава. В результате значительно повышается качество отливок и изготовляемых из них деталей, возрастает их прочность, износостойкость. Применение новой установки значительно улучшает условия труда в плавильных цехах.

Самые тяжкие испытания магнитодинамический насос прошел в цехах производственного объединения “Киевтрактордеталь”. С помощью этого насоса можно было перекачивать алюминий, цинк, гарт, но не чугун. А литейщики работали именно с чугуном – этим самым распространенным в машиностроении литейным материалом. Создать конструкцию насоса, способного работать с жидким чугуном, означало решить “литейную проблему” для большинства машиностроительных отраслей. Удивительные возможности дает левитация – металлургия в пространстве.

Металл, обладающий диамагнитными свойствами, может свободно висеть в постоянном магнитном поле при наличии в нем потенциальной ямы, то есть области, где напряженность уменьшается от краев к середине. Однако напряженность такого магнитного поля должна быть чрезвычайно большой, например для подвешивания медного шарика диаметром 1 сантиметр в вакууме следует создать напряжение в несколько сот тысяч эрстед, а диаметр должен быть около 2 сантиметров. Одновременное выполнение обоих условий практически трудно осуществимо, поэтому целесообразно иметь высококачественное электромагнитное поле.

Взаимодействие такого поля с металлом приводит к возникновению в нем вихревых токов, которые вытесняют поле из занимаемого металлом пространства, или, по‑иному, поле внутри металла ослабляется вихревыми токами. Вследствие этого в переменном магнитном поле неферромагнитный проводник ведет себя подобно диамагнитному в постоянном токе.

Благодаря силовому воздействию вихревых токов и поля металл выталкивается из зоны с большой плотностью в область с меньшей плотностью, то есть в потенциальную яму. Если указанные силы достаточно велики, то металл может быть поднят вверх, несмотря на действие силы тяжести, и удержан в пространстве во взвешенном состоянии. Плавка во взвешенном состоянии в электромагнитном поле называется также плавкой в электромагнитном тигле, бестигельной, левитационной.

Способ особенно перспективен для исследователя, который может приготовить до 80–100 образцов в течение одного рабочего дня. Нагрев образца до 2000–2500°С производят высокочастотным полем, а дальше – плазмой, электромагнитным лучом или светом.

Производственные возможности метода до сих пор ограничены: масса отливки почти для всех металлов не более 20–25 граммов, хотя для алюминия и отдельных сталей удалось доводить массу расплавленного металла до 100 граммов. Однако в некоторых отраслях промышленности уже сейчас применяют отливки небольшой массы. Они не требуют никакой механической обработки. Например, методом бестигельной плавки получены образцы монокристаллов бездислокационного кремния с совершенной структурой. Магнитная технология находит все новые применения в металлургии.

Необычная прокатка

Прокатные станы всегда поражают своими размерами, протянувшись подчас вдоль цехов чуть ли не на 1 километр. А высота их рабочих клетей нередко бывает с пятиэтажный дом. Сила! Только не сила это – слабость. Масса – тысячи тонн, огромные валки, изготовляемые с высокой точностью, несметные количества потребляемой электроэнергии… Когда эта мысль впервые пришла В.Н. Выдрину, он испугался. Опытный специалист доктор технических наук профессор хорошо знал, чем чреват замысел. “Вращать валки в клетях станов с разной скоростью? Абсурд!” – скажет любой прокатчик. Все усилия создателей станов нацелены на то, чтобы строго синхронизировать вращение валков. Но бывают случаи, когда они выходят из повиновения. Тогда полоса начинает изгибаться, стремясь вырваться “из объятий” стана. В лучшем случае получается брак.

И все‑таки В.Н.Выдрин и сотрудники кафедры обработки металлов давлением Челябинского политехнического института заставили один из валков клети вращаться быстрее. Зачем?

“Посмотрите, что происходит в обычном прокатном стане, – говорит руководитель проблемной лаборатории. Когда в щель между валками попадает обрабатываемый металл, он проходит фактически по касательной к поверхности обоих валков. Поэтому площадь контакта с прокатываемым металлом у валков здесь ничтожна. И на эту крохотную площадь обрушивается вся мощь машины”.

В прокатном стане, разработанном под руководством В.Н. Выдрина, один из валков клети вращается с большой скоростью. При этом обрабатываемая полоса не просто изгибается в сторону более быстроходного валка, но еще и охватывает его – словно прилипает к его поверхности. Затем лента попадает в следующую пару валков и тоже “обнимает” быстроходный валок, изгибаясь уже в противоположную сторону. Площадь контакта с металлом уже намного больше соответственно возросли и силы сцепления. Значит, можно уменьшить усилия обжатия, диаметр валков, мощность двигателей, а в итоге и размеры всего стана.

Чтобы прокатать стальную ленту, нужны огромные усилия. А здесь и валки, и сам стан поражали миниатюрностью, даже каким‑то изяществом формы. Правда, добиться этого удалось не только за счет изменения скорости вращения валков.

Непрерывные листовые станы всегда имеют вспомогательный агрегат‑моталку, на которую в рулон наматывается готовая полоса. “А нельзя ли поручить моталке дополнительную операцию? – задумались ученые. И заставили ее не просто принимать на себя готовый прокат, но и с силой вытягивать ленту из валков. Внешне этот процесс напоминал волочение проволоки, когда она с натяжением протягивается через твердосплавный фильер, приобретая нужные размеры и форму. Поэтому ученые, объединившие две, казалось бы, несовместимые операции (прокатку и волочение), назвали новый процесс прокатка – волочение.

Да, говорят, что большие открытия сегодня рождаются “на стыках”. “Гибридная” технология позволяет металлу как бы мобилизовать дополнительные “резервы” пластичности. Отсюда и результат – более качественная продукция. У проката на новых станах точные размеры, более высокая чистота поверхности, в ряде случаев он не нуждается в дополнительных чистовых операциях. Одновременно на этих станах экономят 3–5% металла.

Идея “гибридизации” двух процессов оказалась на редкость щедрой, давая новые направления в технологии. Так, ученые решили оборудовать прокатную клеть дополнительной парой вертикальных валков, как у слябинга. Только в отличие от него сделать валки не гладкими, а калиброванными. Оказалось, что в этом случае можно совместить прокатку и… ковку. Фантастика? Нет! Уже первые эксперименты, в которых при получении сложных деталей был исключен кузнечный молот, дали многообещающие результаты.

При прокатке металла постоянно наблюдаются колебания размеров исходных заготовок, температуры прокатки и механических свойств. Это приводит на действующих станах с рабочими клетями низкой жесткости к широкому полю допусков на размеры прокатываемых профилей. В результате ухудшается качество изделий, теряется много металла.

Как уменьшить эти потери и получить прирост готового проката без дополнительной выплавки стали – задача исключительно важная. Именно в этом направлении сосредоточили свои усилия два ведущих коллектива страны – ученые и конструкторы ВНИИметмаша и металлурги Череповецкого комбината им. 50‑летия СССР.

Представляя работу этих коллективов на соискание Ленинской премии, профессор П.И. Полухин рассказал, что, начиная с 60‑х годов, специалисты института и завода в тесном сотрудничестве провели комплекс фундаментальных теоретических и экспериментальных технологических исследований процессов прокатки точных профилей и на их основе создали принципиально новую систему прокатных станов с рабочими клетями высокой жесткости, не имеющую аналогов в мировой практике.

В новых клетях жесткость по сравнению с традиционной повышена в 8–12 раз. Это позволило значительно повысить точность прокатываемых профилей. В результате резкого сокращения веса новых клетей и их габаритов оказалось возможным в промежутках между клетями стана установить новую систему автоматического регулирования, обеспечивающую непрерывную прокатку катанки без натяжения. Это позволило создать полную устойчивость процесса прокатки и увеличило выход годного металла на 1,5%. Повышение качества прокатываемого металла достигнуто и благодаря созданию эффективной системы термоупрочнения проката.

Новая система станов внедрена на Череповецком металлургическом комбинате. В ее состав входят непрерывный проволочный стан 250, непрерывный мелкосортный стан 250 и полунепрерывный среднесортный стан 350. Эта система в технико‑экономическом отношении имеет бесспорное преимущество по сравнению с существующими.

На новых станах Череповецкого металлургического комбината из первых 7 миллионов тонн сортового проката получено дополнительно без выплавки стали более 250 тысяч тонн металла, а экономический эффект от внедрения новой системы составил около 60 миллионов рублей.

Особое место в работе уделено резкому снижению металлоемкости клетей (в 2,5–4,5 раза) и повышению надежности и ресурса работы оборудования. Уменьшение массы рабочих клетей прокатных станов важно как с точки зрения экономии металла для их изготовления, так и уменьшения габаритов, облегчения фундаментов, снижения мощности грузоподъемных средств, а также сокращения трудовых затрат на многочисленных операциях цикла изготовления, монтажа и эксплуатации оборудования прокатных цехов.

“Прокатка благодаря непрерывности процесса, – пишет академик А.И. Целиков, – является самым производительным способом формообразования металла. Поэтому целесообразно использовать прокатку не только для изготовления профильных металлических изделий, в том числе листов и труб, но и многих других изделий и особенно заготовок для разных деталей машин”. К черной металлургии переходят в большей степени первичные металлообрабатывающие формообразования.

Высокие давления

Состояние вещества, как известно, определяется температурой, давлением, концентрацией, электрическим и магнитным полями. Если температура и концентрация являются для металлурга привычными факторами, при помощи которых он уже давно меняет фазовый состав и структуру сплавов, то давление (за исключением методов обработки металлов давлением) лишь в последние годы используют для проведения практических и исследовательских работ. Причина этого – достижение техники высоких всесторонних давлений и очевидные успехи в получении при их помощи новых материалов.

В течение ряда лет ученые МГУ, Харьковского физико‑технического института АН УССР и Института физики высоких давлений АН СССР проводили подробные теоретические и экспериментальные исследования влияния давления на физические свойства металлов.

Госкомитет СССР по делам изобретений и открытий 18 декабря 1980 года зарегистрировал открытие, сделанное советскими физиками. Авторы открытия доказали, что при достижении критических значений упругих деформаций кристаллической решетки металлов могут наблюдаться специфические явления, связанные с резким качественным изменением свойств электронов, определяющих проводимость металла. Последнее приводит к изменению всего комплекса электрофизических свойств вещества.

Сделанное открытие имеет важное значение в науке и технике. Оно обогатило современные представления о физических свойствах металлов и сплавов и предоставило возможности целенаправленного получения материалов с новыми необычными свойствами.

Известно, что металлам свойственна аллотропия – способность существовать в различных кристаллических формах. Воздействуя на металл или сплав при помощи высокого давления, можно в некоторых случаях изменить фазовый состав сплава, получить новые модификации с иной кристаллической решеткой и зафиксировать эти новые состояния вещества путем быстрого охлаждения при снятии давления.

Но не только лабораторные установки могут дать высокое давление. Появляется заводская техника для этого. В последние годы за рубежом и в нашей стране в обработке металлов давлением все чаще применяют процессы горячего прессования (выдавливания) и гидроэкструзии. Сущность гидроэкструзии заключается в том, что истечение металла из замкнутого объема через матрицу совершается под действием жидкости высокого давления. Между деформируемым металлом и прессовым инструментом отсутствует контакт. Формоизменение заготовки осуществляется в условиях жидкостного трения. Силы трения при перемещении жидкости с большей скоростью, чем металл, уже не являются тормозящими, а способствуют движению и деформации металла.

Гидроэкструзия чудесным образом меняет свойства материалов, расширяет границы их применения, открывает широчайшую перспективу производственникам. У деталей из обычной стали, изготовленных методом гидроэкструзии, в несколько раз улучшаются механические свойства, и они не уступают изделиям, изготовленным из самой лучшей легированной электростали. Более того, гидроэкструзия позволяет коренным образом изменить весь облик промышленного производства.

На одном заводе, например, гидроэкструзионный автомат для изготовления эвольвентных валиков заменил 400 прессовых станков. На другом заводе подобный автомат заменил целый цех на 100 металлорежущих станков, причем для этого ему понадобилось работать… всего два месяца в году.

Работы по созданию прессовых установок и исследованию процесса проводятся весьма интенсивно. Технологи особенно заинтересовались несомненным преимуществом метода для обработки хрупких материалов, малопластичных сплавов.

… Вкладывают в пресс заготовку – стержень диаметром 8 и длиной 17 миллиметров. И через несколько минут из 2,5‑миллиметровой фильеры поползла проволока… Изобретатель Н. Радченко рассказал о своем 25‑тонном ледовом прессе: масса его всего 3,5 килограмма, а гидропресс на 25 тонн должен иметь массу около двух тонн при соответствующих габаритах.

Чтобы увеличить мощность гидравлического пресса, надо повысить рабочее давление в его приводе. А это значит – основательно доработать насос пресса или создать новый. В итоге при увеличении давления в 3 раза затраты возрастут примерно в 10 раз. В льдоинструменте давление до 218 МПа достигают и регулируют изменением температурных режимов, без каких‑либо дополнительных доработок и затрат.

Таким установкам не нужны ни гидроэлектроприводы, ни аккумуляторы, ни уплотнения, ни предохранительные клапаны.

Практически давление ограничено только плотностью материалов, из которого изготовлена конструкция. А работает здесь замерзающая вода. Зимой охлаждает ее простой воздух, а летом – доступный каждому предприятию сжиженный углекислый газ в баллонах, жидкий азот, аммиак, фреон и другие газы. Расход хладагента ничтожен. А “механика” очень проста: знаете ведь, почему лопается на морозе плотно закупоренная бутылка с водой?

… В лаборатории бушевала “гроза”. Оператор нажимал кнопку, гремел гром, высоковольтные электрические разряды метались в наполненном водой закрытом металлическом баке. Словом, это была вполне “прирученная” стихия: здесь рождались молнии‑труженицы, запряженные в колесницы промышленной технологии. Они используются для очистки отливок.

Мощность каждой рукотворной молнии достигает миллиона киловатт. В “канале” подводного искрового разряда рождается плазма, нагретая до 20–30 тысяч градусов. Электрическая энергия превращается в механическую: в жидкости возникают ударная волна с давлением до 5000 МПа и высокоскоростные потоки. Электрогидравлический эффект – сложный комплекс физических явлений, возникающих при высоковольтном импульсном разряде в жидкости, – широко применяется в технике и производстве. И в этом немалая заслуга принадлежит коллективу проектно‑конструкторского бюро электрогидравлики АН УССР.

Очистка – вовсе не единственная специальность рукотворных молний: они безотказно работают в прессах. Вот так действует, например, установка “Удар‑12М”: в нее кладут металлическую заготовку, а в матрицу помещают “зеркальный” прообраз будущего изделия. Пуансона, как в обычном прессе, здесь нет, его роль выполняет вода, передающая на заготовку импульс энергии, высвобождающейся при разряде. Звучит хлопок “выстрела” – можно снимать готовую деталь, крепить новую заготовку. Получаемые таким методом штамповки отличаются высокой точностью и чистотой обработки. Их производство проще и дешевле.

… Электрод приближается к стальной детали, раздается сухой треск, и на поверхности изделия возникают тысячи огненных нитей‑разрядов. Через миг их температура достигает 10 тысяч градусов. Сталь на глазах темнеет, покрываясь тонким слоем твердых соединений. Бомбардировку металла “мини‑молниям” ведет установка, созданная учеными Института проблем материаловедения АН УССР, Института прикладной физики АН Молдавской ССР и Пензенского политехнического института.

“Рождаемые в таком устройстве электрические разряды проявили себя отличными “облицовщиками” металлов, – сообщил руководитель работ профессор М.Е. Ковальченко. Эти “мини‑молнии” могут отрывать молекулы одного материала и намертво “пристегивать” их к поверхности другого. Поскольку используемые в качестве электродов тугоплавкие соединения отличаются особо высокой твердостью и износостойкостью, обычная сталь приобретает надежное покрытие”.

Метод, внедренный на семнадцати предприятиях страны, оказался эффективным прежде всего для упрочнения “штампов и режущего инструмента. Тонкое покрытие, как показала практика, повышает долговечность стальных изделий в 3–4 раза.

Применение высоких давлений дает возможность овладеть еще не использованными свойствами металлов. Союз науки и прогресса создает необычные способы формообразования металла и изделий из него.

Сталь и холод

В Якутии 60‑градусные морозы не редкость. Здесь сталь проходит испытание холодом. Зимой по обочинам дорог можно увидеть разбитые, точно глиняные черепки, стальные муфты, полуоси и другие детали машин или бульдозерный нож, расколотый пополам от удара о пенек. В Антарктиде при морозе ниже 50 градусов стальные “водила” саней тракторно‑санного поезда начали разрываться, а за ними стальной трос, который их связывал.

Опыт эксплуатации экскаваторов в районе Красноярска и Иркутска показал, что при температуре ниже 20 градусов резко увеличивается число поломок ковшей, стрел, натяжных и опорных осей. Когда же температура падает до – 40°С, их становится в 4 раза больше, чем в обычных условиях. Причина поломок известна – это хрупкие разрушения стали, появление трещин.

Из‑за охрупчивания металла при пониженных температурах произошли крупные аварии, которые вызвали разрушение железнодорожных мостов в Бельгии, ФРГ и Канаде, крупных резервуаров для хранения нефти, разрушение грузовых судов и газопроводов.

Да, обычное железо и некоторые сорта стали при температурах до – 40°С, наиболее характерных для районов Арктики и Сибири, становятся хрупкими и трескаются. Появились рекомендации специалистов о подготовке особых марок стали, которые в условиях низких температур будут прочными. Советские ученые и инженеры приняли активное участие в решении проблемы.

Новая сталь, которой не страшны трескучие морозы, создана учеными Сибирского физико‑технического института. Детали из нее способны выдержать полную нагрузку при 60‑градусных морозах. При этом срок службы увеличивается в 2,5 раза. Первая партия запасных частей из морозостойкой стали испытывал ась на БАМе.

Создан конвейер по выпуску металла для северян на комбинате “Азовсталь” в Жданове. В кислородно‑конверторном цехе работает участок внепечного вакуумирования. Вакуум, образованный в разливочном ковше, мгновенно освобождает кипящий металл от фосфора, серы и других вредных примесей, повышая его пластичность и надежность. Действует также комплекс внепечной доводки стали, где ее продувают аргоном, добавляют силикокальций, графит и засыпают кусковые ферросплавы. В результате получают легированную и морозостойкую сталь. Лист сохраняет вязкость при температурах – 60–80 градусов. Такая чистая сталь идет на изготовление магистральных трубопроводов большого диаметра для газовых и нефтяных промыслов Сибири и Крайнего Севера.

Для арктических широт нашего Крайнего Севера теперь поставляется немало образцов новой техники в северном исполнении. Это установки кустового бурения для добычи нефти, буровые станки, различные краны, мотовозы, ленточные транспортеры и другие машины.

Некоторые процессы в технике проходят при очень низких температурах, и для них нужна специальная криогенная аппаратура.

Для изготовления такой аппаратуры, емкостей и трубопроводов необходимы вязкие на глубоком холоде стали. Металлурги готовят и такой металл.

“Полярной сталью” назвали новинку, производство которой освоили в электросталеплавильном цехе Челябинского металлургического комбината. Эта нержавеющая сталь предназначена для создания установок и емкостей по обработке, транспортировке сжиженных и твердых газов. Она также идет на изготовление ответственных деталей машин для полярных экспедиций. Конструкции из такого металла будут надежно служить на вечной мерзлоте трассы БАМа.

Листовую сталь высшей марки, предназначенную для сооружения на Крайнем Севере емкостей сжиженного газа, получают на Орско‑Халиловском комбинате. Образцы этой стали испытывали в жидком азоте при температуре – 196°С.

Низкие температуры, столь опасные для прочности обычного металла, оказалось возможным использовать для улучшения свойств самой стали: повышения твердости и вязкости, жесткости и упругости. Еще в 20‑х годах XIX века П.П. Аносов проводил опыты с закалкой кос при температурах – 5 и 18 градусов по Реомюру. Опыты дали положительные результаты.

В наше время применение обработки холодом для дополнительного упрочнения некоторых сталей впервые предложил профессор А.П.Гуляев в 1937 году. Через 5 лет первые попытки использовать глубокий холод были произведены в США. Советский академик А.А. Бочвар в 1945 году обнаружил в зоне фазового превращения металлов “сверхпластичность” сплава цинка с алюминием. Исследователи вскоре нашли подобные явления у сплавов других металлов и у некоторых сталей при – 200°С. Изделия получались с идеально чистой поверхностью, которую невозможно достичь никакой механической обработкой, ибо при даже незначительном нагреве на поверхности металла возникает слой окислов.

Исследования в области низкотемпературного материаловедения ведутся в разных странах и сейчас. Ученые Физико‑технического института АН УССР доказали теоретически и экспериментально, что постоянное упрочнение можно получить, подвергая металл механической обработке не при нагреве, а при глубоком охлаждении. Специально сконструированная машина позволила производить деформацию образцов при температуре около – 270°С. С помощью экспериментов удалось выяснить, что при низкотемпературной деформации металлы приобретают очень мелкую и однородную структуру, способствующую значительному повышению жаропрочности вплоть до температуры красного каления. Встряска, которую получает кристаллическая решетка раскаленного металла, опущенного в тигель с жидким азотом, сравнима, пожалуй, с последствиями нокаутирующего удара на ринге. Однако результаты здесь обратные: кристаллическая решетка перестраивается таким образом, что прочность металла становится на порядок выше.