Материал: Теория литейных процессов.

Жидкие магний и алюминий будут также покрываться слоем нерастворимого в металле оксида, но выделяющийся водород будет растворяться в расплаве. Таким образом, плавка этих металлов в атмосфере водяных паров будет не только вызывать загрязнение расплава неметаллическими включениями оксидного характера, но и приводить к насыщению его растворенным водородом.

Все остальные металлы табл. 7.6 способны растворять и кислород, и водород. Поэтому при плавке в атмосфере водяных паров они будут загрязняться и кислородом, и водородом.

Оксиды углерода (СО). Поскольку легкоплавкие металлы, указанные в табл. 7.6, до алюминия включительно не растворяют ни кислород, ни углерод, рассматриваемое взаимодействие для них можно описать следующим уравнением:

образования СО и оксидов металлов. Для оксидов висмута и свинца величина AG0 при 300-500 °С менее отрицательна (на 50-100 КДж на моль О:), чем СО.

Поэтому эти металлы не должны реагировать с оксидом углерода, который способен восстанавливать их оксиды до свободного металла.

Более активные металлы из данной группы (Mg, Al) будут окисляться в атмосфере СО при обычных температурах плавки, поскольку AG0 их окислов существенно более отрицательна, чем AG0 оксида углерода. Поэтому атмосфера этого газа для данного металла является окислительной, вызывающей загрязнение расплава оксидными неметаллическими включениями.

Жидкие медь и серебро способны растворять кислород, но в контакте с СО расплавы обоих металлов вполне устойчивы. Оксид углерода является надежной защитной средой при плавке этих металлов, позволяющей получать чистые, не загрязненные газовыми примесями расплавы.

Все остальные металлы (см. табл. 7.6) в жидком состоянии растворяют в себе и кислород, и углерод. Поэтому при контакте чистого металла с СО расплав поглощает определенное количество этих элементов. В результате этого устанавливается равновесие между газовой средой и расплавом. Равновесие определяется температурой, давлением СО и термодинамическими свойствами раствора кислорода и углерода в жидком металле. В первом приближении при заданном давлении СО и постоянной температуре произведение концентраций [С]-[0] в расплаве должно быть постоянным.

Для плавки никеля и его сплавов очень важным обстоятельством является то, что при снижении температуры, особенно при кристаллизации, равновесие

сдвигается влево. В результате выделения СО литой металл может оказаться пораженным пузырьками, образованными этим газом.

Сплавы на основе легкоплавких металлов, которые в жидком состоянии не растворяют ни углерод, ни кислород, будут вести себя в атмосфере СО примерно так же, как и чистые металлы-основы.

Сплавы серебра и меди между собой, а также с не активными по отношению к кислороду легкоплавкими металлами (Bi, Pb) не окисляются при плавке в атмосфере СО. Сплавы на основе этих металлов с более активными металлами (Al, Mg, Mn, Si, Ti, Zn) покрываются пленкой не растворимых в расплаве оксидов легирующих металлов.

Сплавы на основе металлов, способных растворять кислород и углерод, при плавке в атмосфере СО будут насыщаться обоими этими элементами, подобно чистым металлам, но легирующие добавки могут резко снизить

вызывает окисление лишь таких жидких металлов, обладающих малым сродством к кислороду, как висмут, свинец, серебро, медь. Плавку этих металлов можно производить в среде С 02 без каких-либо нежелательных последствий, расплавы не будут загрязняться твердыми оксидами (Bi, Cd, Pb) или растворенным кислородом (Си, Ag).

Для всех остальных металлов ч и с ты й С 02 является окислительным газом. Плавка олова, цинка, магния, алюминия в среде этого газа вызывает активное окисление расплава, который покрывается пленкой нерастворимых в расплаве оксидов. Плавка металлов, способных растворять в себе кислород и углерод, в атмосфере С 02 приведет к насыщению расплава и кислородом, и углеродом. Если плавка ведется в замкнутом пространстве, где вначале создается атмосфера только С 02, то по ходу плавки, вследствие прошедшего взаимодействия с расплавом, в атмосфере появится СО, и конечное равновесие будет определяться давлением обоих оксидов углерода и температурой.

Сернистый газ. Для кадмия, цинка и магния это взаимодействие может

на 1 моль сульфида. При образовании оксидов по рассматриваемой реакции значение АС0 составляет для кадмия - 500 кДж, цинка - 750 кДж и магния - 2100 кДж. Следовательно, взаимодействие пойдет весьма энергично, и расплав будет загрязняться включениями сульфидов и оксидов (рис. 7.8).

Олово, висмут, свинец и алюминий в жидком состоянии растворяют серу,

Для олова и алюминия эта реакция значительно сдвинута вправо, поэтому расплавы будут загрязняться включениями оксидов и растворенной серой.

Рис. 7.8. Зависимость стандартных свободных энергий образования сульфидов металлов от температуры

Жидкие серебро, медь, марганец, никель, железо способны растворять кислород и серу. Для них реакция с SO2 может быть описана следующим образом:

кислорода в сравнении с теплотой образования S02 рассматриваемая реакция эндотермична, поэтому при понижении температуры равновесие смещается влево, что ведет к образованию в литом металле газовых пузырей. Для никеля данная реакция экзотермична, и поэтому с понижением температуры равновесие сдвигается вправо, в связи с этим выделение S02 из расплава невозможно.

Поведение сплавов при плавке в атмосфере SO2 в первом приближении подобно поведению чистых металлов. Необходимо лишь учитывать влияние легирующих элементов на растворимость кислорода. Присутствие в расплавах серебра и меди любых легирующих компонентов подавляет выделение SO2 при охлаждении и кристаллизации.

Метан (СН4). Содержание СН4 довольно велико в атмосфере пламенных печей, работающих на мазуте и природном газе. Метан при повышенных температурах диссоциирует на элементы, что может вызвать насыщение расплава водородом и углеродом одновременно. Поскольку в одной молекуле метана имеется 4 атома водорода, а водород растворяется в атомарном состоянии, растворимость водорода в металлах будет пропорциональна корню четвертой степени из давления метана.

7.4.Взаимодействие жидких металлов с материалами тиглей и футеровкой плавильных печей

Материалы, с которыми соприкасаются жидкие металлы, находясь в плавильных печах (тиглях), можно разделить:

-на оксидные;

-оксидно-графитные;

-графитные;

-карборундовые;

-металлические.

Чисто оксидные материалы. Они состоят из чистых тугоплавких оксидов или из смеси оксидов (табл. 7.7-7.8).

Огнеупорное свойство характеризуется температурой (°С), при которой наступает полная потеря прочности, а также более низкой температурой, при которой напряжение 0,2 МПа вызывает начало деформации. Огнеупорность чистых оксидов значительно выше, чем их смесей (табл. 7.7 и 7.8).

Недостаточная огнеупорность материала приводит к механическому разрушению футеровки и загрязнению расплава неметаллическими включениями экзогенного происхождения.