Вакуум и металлы
В металлургии также начали широко использовать вакуум, что сулит значительное повышение качества металлов. Из доменной печи выпускается огненная струя расплавленного чугуна. Заполняется огромный ковш, вмещающий десятки тонн металла, ковш подается к разливочной машине. Искры, шипение воды, шум механизмов, и вот уже бесконечная цепь тянет формы-изложницы с еще огненно-красным, но постепенно тускнеющим, застывающим чугуном. На другом конце машины из форм извлекается чугунный брусок — чушка. Та же картина у мощной мартеновской печи. Здесь сталь, сверкая всеми оттенками — от ослепительно белого и до оранжево-красного, разливается в огромные изложницы, застывает в слиток, который пойдет на мощный прокатный стан, будет обжат, вытянут, прокатан и превратится в сотни метров балок или рельсов.
Но что это? После того как на получение стали затратили столько сил — плавили, разливали, охлаждали, вновь разогревали, прокатывали,— готовые рельсы отбрасывают в сторону и отправляют обратно в мартен для переплавки вместе с ржавым ломом.
Это брак! Тонкие — размером тоньше волоса — трещины, пузырьки, каверны оказались в отливке в недопустимом количестве, и готовое изделие забраковано, оно не может надежно работать.
В чем дело, где причина брака? Оказывается, основной причиной самых различных пороков стали являются растворенные в металле газы. Когда металл плавят, в печи происходит ряд сложных процессов, которые в некоторых случаях сопровождаются выделением больших количеств газов. Некоторое количество газов остается в расплавленном металле. При охлаждении, когда расплавленный металл застывает в прочный и плотный слиток, газы остаются в нем, создавая дефекты. В стали могут быть растворены водород, азот, кислород. Их количества по весу невелико. Водород, например, содержится в количестве около 0,001%; но по объему это составляет 4—10 куб. см при обычном давлении на каждые 100 граммов стали. Водород заполняет небольшие пустоты в стальном слитке. В процессе охлаждения металл сжимается и в пространстве, заполненном газом, может развиться высокое давление, достигающее нескольких тысяч атмосфер. Такое давление образует в металле мелкие трещины — флокены. Металлурги давно борются со своим врагом — газами, растворенными в чугуне, стали и других металлах. Чтобы уменьшить их количество, в металл при плавке вводятся различные вещества, которые могли бы связать газы химически. В сталь добавляют с этой целью алюминий, кремний, титан и другие вещества, но это не проходит даром. Образуются неметаллические соединения, которые понижают качество металла, даже если содержатся в сотых долях процента.
И здесь при помощи вакуума металлургам удалось повысить качество металла. Если ковш с расплавленной сталью поместить в вакуум, из нее бурно начнут выходить газы. В вакууме резко уменьшается растворимость газов в металле. Качество отливок возрастает.
Разработанные советскими учеными способы краткосрочной дегазации стали непосредственно в ковшах и изложницах уменьшают содержание в ней газов в несколько раз.
В вакууме не только удаляются примеси газов, но и во время отливки и остывания металл предохраняется от действия активных газов, прежде всего кислорода.
Высококачественные хромомолибденовые сплавы для лопаток турбин и никелевые сплавы для радиоаппаратуры плавят в вакууме, чтобы избежать окисления.
Особенно велико значение дегазации под вакуумом для специальных сталей. Подшипники из вакуумированной стали служат в три-четыре раза дольше, чем из обычной. Уменьшаются потери электроэнергии в магнитных сталях для сердечников трансформаторов. Уменьшается основной дефект жаропрочных сталей — хрупкость. Увеличивается химическая стойкость нержавеющих сталей. Одно перечисление преимуществ, которые дает применение вакуумирования при плавке металлов, говорит о высокой эффективности этого процесса.
Для вакуумной плавки качественных сталей созданы индукционные печи, в которых весь процесс, включая разливку, идет в вакууме. Печь целиком помещена в герметически закрывающийся кожух, соединенный с мощными вакуум-насосами.
Большой практический интерес представляет не только плавка в вакууме, но и перегонка металлов в вакууме.