УДК 669.721.

Г.С. Пестова

Восточно-Казахстанский государственный технический университет

им. Д.Серикбаева, Усть-Каменогорск

способ гранулирования слитка МАГНИЯ

для восстановительных реакций

Механизм низкотемпературной стадии металлотермических реакций восстановления в твердых фазах предполагает использование гранулированной шихты для максимально возможного выхода металла. В связи с этим рассматривается стадия шихтоподготовки для восстановления фторида бериллия (ФБ) магнием, а именно способ получения гранул магния.

реакция восстановления ФБ магнием начинается на границе двух твердых фаз BeF₂ – Mg при 450⁰С, когда происходит испарение магния. при дальнейшем повышении температуры степень восстановления резко возрастает, и при 700⁰С процесс восстановления практически заканчивается: развитая контактная поверхность реагентов в процессе восстановления обеспечивает оптимальное протекание реакции BeF₂ + Mg = Be + MgF₂ при достаточном усреднении дисперсной шихты.

требования к способу изготовления гранул, их размеру и качеству определяются технологическими особенностями протекания реакции восстановления, физико-химическими свойствами реагентов, способом ввода гранул шихты в реакцию [1]:

- для восстановления бериллия магний вводится только в твердом состоянии и определенного размера во избежание пироэффекта;

- так как гранулы магния используются в качестве шихты, к его чистоте по примесям предъявляются обязательно высокие требования;

- промышленный процесс восстановления делает эффективным экологически безопасный и экономически эффективный способ получения граншихты – магния и фторида бериллия.

Для фторида бериллия разработан и внедряется в производство метод грануляции расплава самораспадом струи [2]. гранулы магния, получаемые известными промышленными способами, имеют физико-химические, экономические или технологические отрицательные качества при использовании в реакции восстановления бериллия. Поэтому предлагается способ гранулирования слитка магния, разработанный на основе аналитических исследований закономерностей структурных изменений магния при пластической деформации в горячем состоянии.

Особенности механизма деформации магния. Кристаллы металлов с плотно упакованной гексагональной структурой, каковым является магний, легче всего деформируются по плоскостям базиса (0001) и плотно упакованным направлениям [3]. При комнатной температуре скольжение в магнии и его сплавах осуществляется по плоскостям базиса, так как величина критического скалывающего напряжения по плоскостям призмы и пирамиды в сотни раз выше, чем по плоскостям базиса. При повышении температуры деформации эта величина снижается на порядок и становится возможным скольжение по небазисным плоскостям. Температура, при которой становится возможным небазисное скольжение, по данным разных авторов, для чистого магния и некоторых его сплавов лежит в интервале 150-225 ⁰С, базисное скольжение преобладает вплоть до температуры 400 ⁰С [4].

Для магния характерны столбчатые кристаллы дендритной или дендритно-ячеистой структуры, размер зерна для литейных магниевых сплавов не превышает 0,5 мм [5]. Нагревание до достаточно высокой температуры литого чистого металла приводит к изменению такой структуры: при температурах выше 0,3–0,4 Т₀, где Т₀ – температура термодинамического равновесия, происходит спрямление границ путем самодиффузии и роста зерен, что влечет за собой уменьшение поверхностной энергии зерен [6]. макроскопическое распределение напряжений в металле наблюдается уже при слабой деформации – это наблюдается по появлению на поверхности металла линий Чернова-Людерса. Структура металла при этом еще не изменяется.

Пластическая деформация наступает с приложением силы, идет и при температурах ниже (0,3–0,4)Т₀, когда самодиффузия пренебрежимо мала, и при высоких температурах, превышающих (0,3–0,4)Т₀,. Скольжение по какой-либо плоскости происходит лишь под влиянием скалывающих напряжений τ_К, и для большинства металлов начинается при достижении напряжения 10^–1–1 МПа. Из-за постоянства τ_К пластическая деформация начинается лишь при определенном значении внешней действующей силы, и в тех зернах, где плоскость скольжения образует угол 45⁰ с направлением действующей силы.

Такие закономерности структурных изменений, как скольжение и сдвиг по границам зерен и их миграция при деформации магния и его сплавов позволяют предложить способ грануляции слитка магния пластической деформацией: слиток первичного магния, нагретый до 450⁰С, разрезается на гранулы требуемого размера вдавливанием жесткого штампа. Этот способ имеет преимущества перед гранулированием слитка прессованием, когда пластическая деформация распространяется по всему объему металла, что требует больших затрат энергии и сложного конструктивного и технологического решения.

Методика расчета схемы резания слитка. существует закономерная связь линий скольжения, возникающих на полированной поверхности деформируемого металла, с напряженным состоянием металла: это линии максимальных касательных напряжений, вдоль которых отсутствуют деформации удлинения. Один из примеров использования метода линий скольжения для обработки металлов давлением – это задача о внедрении штампа с плоским торцом в заготовку при отсутствии трения [7].

в качестве методики расчета резания нагретого слитка выбрана задача Прандтля, который определил поле напряжений сеткой линий скольжения в области NFCQD (рис.1). Деформируемый металл при этом принимается жесткопластическим, основная характеристика механических свойств обрабатываемого металла – предел текучести, сохраняющий постоянное значение в области пластического течения.

из построения сетки напряжений и свойств линий скольжения [7] рассчитываются силовые параметры резания слитка со скоростью υ и сила внедрения Р штампа шириной 2а в слиток. по условию пластичности и из уравнения для главных напряжений, напряжение под штампом составит:

,

(1)

где – предел текучести при плоском деформированном состоянии, [7].

Удельная сила вдавливания q соответствует величине напряжения под штампом: , сила внедрения на единицу длины штампа (вдоль оси х) составит:

.

(2)

с определенного момента внедрения сетка линий перестанет выходить на верхнюю горизонтальную поверхность слитка (рис.1, б), удельная сила возрастет и станет равной:

.

(3)

Треугольник АВС перемещается вниз как твердое тело со скоростью штампа υ, а треугольник ВQD, согласно уравнению Гейрингер [8], перемещается в направлении QD со скоростью . Скорость деформирования выбиралась, ориентируясь на прессование алюминия и его сплавов.

Параметры магния и технологической операции. Слиток нагревается в печи до 450⁰С, так как защитная окисная пленка при более высоких температурах становится неустойчивой и разрушается: при нормальном давлении температура воспламенения магния – 623 ⁰С. напряжение течения для магния = 3,6 МПа при температуре 450⁰С [9].

Из основных формул (1) – (3) сила внедрения на единицу длины пуансона в начальный момент, при отсутствии контактного трения составит Р = 0,0162 - 0,027 МН/м.

схема резания слитка на кубики-гранулы. сила давления на штамповый инструмент зависит от длины реза и определяется размером слитка и его расположением относительно штампа, размером кубика-гранулы. Обрабатывается слиток стандартных размеров массой 8±1 кг, толщина штампа принята 2а = 1,5 мм, размер грани «с» кубика-гранулы в источнике [10] показан в пределах 25-30 мм, в экспериментальных восстановительных плавках гранулы были размером от 100 мм и ниже. При опирании слитка на длинную грань и стороне кубика с = 15 мм, штамп перекрывает поверхность слитка, сила давления на штамп может составлять 0,13 МН.

В технологическую схему устройства, рис.2, входит печь нагрева слитков и передаточное устройство между печью и устройством для резки. Специфические особенности гранулируемого материала как магний, регламентируют конструктивное оформление процесса из условий безопасности: исключить источники воспламенения, фрикционное искрение и наличие пыли, поддерживать регламентированный температурный режим. Габаритные размеры устройства небольшие, их определяет размер слитка и схема резания. в лабораторных условиях получали гранулы в виде кубиков с хорошо оформленными гранями за счет сжатия металла возле штампа, с охлаждением на воздухе.

Для фрезерованных товарных магниевых порошков диапазон температуры самовоспламенения в слое составляет 510-530⁰С и не зависит от дисперсности [11]. Так как гранула из слитка используется для шихты, она крупных размеров, не менее 3-5 мм. Слиток обрабатывается от температуры 450⁰С, когда начинает восстанавливаться защитная окисная пленка, Аэровзвесь магния не образуется, так как металл начинает испаряться выше температуры 450⁰С.

Отсутствие источников воспламенения и контакта с влагой, наличие средств пожаротушения в расчете на квадратный метр участка гранулирования, делает этот способ безопасным.

Самым экономичным способом производства гранул является производство непосредственно из жидкого магния-сырца на магниевом заводе, когда слиток после литейного конвейера [12], в пластичном состоянии, поступает на устройство резания (рис. 3). Так можно получать гранулы-слитки определенного размера как товарную продукцию.

Производительность установки зависит от скорости внедрения штампа в слиток, от количества устройств для резания, что в прямой зависимости от годовой программы.

Режущий инструмент. для штампа выбирается марка стали по коррозионной стойкости материала в контакте с магнием и пределу текучести, например, стали Ст3 и 1Х13 с напряжением 240 и 350 МПа [13]. Для того чтобы штамп оставался жестким, его.

Конструктивно штамп представляет полосу длиной, сравнимой с длиной стороны слитка. Набор таких полос в жестком каркасе образует режущий инструмент с ячейками по размеру кубика-гранулы. толщина штампа от 1 мм, жесткость конструкции инструмента обеспечивается тем, что предел текучести материала в 3 раза больше, чем у материала деформируемого слитка, решеточная конструкция и равномерное нагружение в процессе резки.

Выводы

В результате исследования разработан способ производства гранул шихты оптимального состава и качества, применение которых делает максимальным выход бериллия в черновой металл и снижает расход магния. Предлагаемая работа является одним из следствий исследования по оптимизации гранулометрии шихты для металлотермических восстановительных реакций.

Список литературы

1. Алюминотермия. Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Игнатенко Г.Ф., Лаппо С.И. М.: Металлургия, 1978. 424 с.

2. Пестова Г.С., Рычков Г.С. Грануляция расплава фторида бериллия. Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2007. – 200 с.

3. Шаскольская М.П. Кристаллография: Учеб. пособие для втузов. – М.: Высш. шк., 1984. – 376 с.

4. Магниевые сплавы. Справочник. Ч.1. Металловедение магния и его сплавов. Области применения. Под общ. ред. М.Б. Альтмана и др. М.: Металлургия, 1978. 232 с.

5. Магниевые сплавы. Ч.2. Справочник. Технология производства и свойства отливок и деформированных полуфабрикатов. Под ред. И.И. Гурьева, М.В. Чухрова. М.: Металлургия, 1978. 296 с.

6. Лившиц Б.Г. Металлография. Учебник для вузов.– М.: Металлургия, 1090. 236 с.

7. Теория пластичности. Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. учебное пособие для вузов. М.: Металлургия, 1987, 352 с.

8. Гунн Г.Я. Теоретические основы обработки металлов давлением. (Теория пластичности). М.: Металлургия, 1980. – 456 с.

9. Свойства элементов: Справ. изд. В 2-х кн. Кн.1/Под ред. Дрица М.Е. – М.: Металлургия, ГУП, Журнал «Цветные металлы», 1997, 432 с.

10. Бериллий. Под ред. Д. Уайта и Дж. Бёрка, М., Иностранная литература, 1960 г., с. 616.

11. Осипов Б.Р., Китица В.Н., Гребенкина Л.Г. Вопросы безопасности в производстве магниевого порошка./Цветные металлы, 1992. №5. – с.47-48.

12. И.А. Баранник, И.М. Комелин, И.Л. Сикорская. Современная технология и оборудование для производства первичных магниевых сплавов. // «Цветные металлы», 2006, №7. с. 87-90.

13. Путин О.А., Путина А.А., Андреев А.Е. Стойкость металлических конструкционных материалов в магнии.//Цветные металлы, 1981, №4. С.55 - 56.