Перспективы вакуумной металлургии

Прежде чем приступить к обсуждению перспектив развития вакуумной металлургии, следует кратко упомянуть о работах первых исследователей, задолго до настоящего времени заложивших основы вакуумной технологии.

Еще в 1900 г. Болтен и Симпсон осуществили примитивным способом дуговую плавку тантала с расходуемым электродом в вакууме 10 мк рт. ст., очищая тантал от окислов и других загрязнений путем их испарения. Примерно в это же время Арсен сконструировал вакуумную печь сопротивления и широко популяризировал методы очистки металла от загрязнений при помощи их испарения в вакууме, содействующем ускорению реакций с образованием газообразных продуктов.

Спустя 10 лет Рон осуществил промышленное применение вакуумной плавки в больших печах. Однако эти начинания были ограничены небольшими возможностями имевшегося тогда оборудования. В те же годы Янсен работал над выплавкой в вакууме магнитных материалов в лабораторных масштабах. До второй мировой войны крупные промышленные вакуумные установки не получили широкого распространения. Между тем пределы применения вакуумной металлургии продолжали расширяться. Де Бур и Ван-Аркель исследовали большое количество высокотемпературных реакций диссоциации, успешно осуществляемых при пониженном давлении. В настоящее время они известны как реакции «горячей проволоки». Кролль разработал технологию вакуумной дистилляции и восстановления в вакууме, например восстановление соединений кальция кремнием и алюминием. Он реконструировал дуговую печь Бол-тена и Симпсона и приспособил ее для выплавки реакционных металлов, а также начал разработку так называемого процесса Кролля для получения активных металлов, в котором вакуум играет значительную роль в очистке и удалении остаточных примесей.

Тормозом для исследователей этого периода являлись два обстоятельства: во-первых, отсутствие достаточных экономических предпосылок для использования дорогостоящих процессов, позволяющих получить металлы высокой чистоты, и, во-вторых, отсутствие высокопроизводительного промышленного вакуумного оборудования. Высокая стоимость вакуумного процесса по сравнению с атмосферным постепенно утрачивала свое значение по мере того, как стало необходимым получать металлы и сплавы значительно более чистые, чем это удавалось плавкой на воздухе. Во время войны стимулом для применения вакуума в металлургии послужило развитие атомной промышленности, обусловившей выплавку и разливку в вакууме урана и бериллия. Возросший спрос на магний для нужд авиационной промышленности привел к промышленному использованию так называемого процесса Пиджина, дающего возможность производства магния восстановлением доломита ферросилицием в вакууме.

В годы второй мировой войны большая потребность в особо чистых металлах и сплавах, жаропрочных, магнитных и электронных материалах обеспечила вакуумной металлургии дальнейшее развитие.

Для перехода от лабораторного к промышленному производству требовалось улучшение вакуумного оборудования. Были сконструированы вакуумные масляные диффузионные насосы с высокой производительностью при давлении менее 1 мк рт. ст., удовлетворяющие требованиям атомной промышленности. Комбинированные насосы с эжекторными соплами обеспечивают разрежение в 10—15 мк рт. ст., необходимое для получения магния. В настоящее время существует ряд насосов, работающих в области весьма низких давлений, производительностью от 4,2 до 340 м^/мин, бустерные насосы с максимальной производительностью до 250 м³/мин при давлении 5 мк рт. ст., ряд струйных масляных насосов, имеющих максимальную производительность до 780 м^/мин при давлении 10—200 мк. рт. ст. Наконец, серия механических бустерных насосов типа воздуходувки Рута, работающих с постоянной производительностью до 280 мР/мин до разрежений порядка 1 мк. рт. ст. К этому следует добавить появление высокопроизводительных пароструйных насосов. Можно считать, что современное откачное оборудование для создания низких давлений в состоянии обеспечить ход газовыделяющих реакций при пониженных давлениях. Кроме того, оно позволяет регулировать откачку внезапного выделения газа в широком диапазоне давлений.

В дополнение к этому возрастающая гибкость и практичность основных вакуумных систем, а также успехи за последние десять лет в изготовлении вакуумных камер, уплотнений, вакуумметров, вводов, обеспечивающих управление на расстоянии, позволяют значительно расширить применение вакуума в металлургии и использовать вакуумные процессы в широких промышленных масштабах.