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.
