Состав шлака зависит от рода металлических сплавов.
Для плавки никеля и малолегированных никелевых сплавов используют в качестве шлака обычное стекло (70-80 % Si02; 5-10 % СаО; 1015 % Na20). Температура перехода стекла в жидкоподвижное состояние
находится |
в пределах 1100-1200 °С. Для плавки сложнолегированных |
|
никелевых |
сплавов применяют известняк с плавиковым шпатом - |
горной |
породой, |
содержащей до 90 % CaF2. Плавиковый шпат вообще |
широко |
используют для разжижения шлаков. Загущение жидких шлаков достигается добавками магнезита.
Ш лак для плавки медных сплавов должен быть жидким при 800-850 °С. Основой подобных шлаков является система Si02-NaO, где имеется эвтектика, состоящая из 73 % Si02 и 27 % Na20 и плавящаяся при 795 °С. В состав шлака этого вида входят до 10 % различных солей - бора, хлористого калия, криолита. Эти добавки еще больше снижают температуру плавления и разжижают шлак.
Для медных сплавов с повышенным содержанием цинка перспективными являются сыпучие шлаки, состоящие в основном из маршалита (тонкого кварцевого песка) и небольших добавок фторидов и хлоридов. В слое такого малотеплопроводного материала толщиной 30-50 мм происходит почти полная конденсация паров цинка, выделяющихся из расплава. Поэтому расплав оказывается защищенным от атмосферных газов; при этом резко снижаются потери металла, обусловленные испарением цинка.
Для алюминиевых и магниевых сплавов используют сплавы солей, которые называют флюсами. Флюсы состоят из хлоридов тех же металлов. Свойства этих веществ указаны в табл. 8.1.
Хлориды натрия, магния и калия очень гигроскопичны, поэтому содержащие их флюсы после пребывания на воздухе могут вызывать насыщение расплавов водородом. В связи с этим необходимо использовать только свежепереплавленный флюс.
Шлаки и флюсы способны вступать в химическое воздействие с компонентами сплава и изменять его состав. Вероятность этого воздействия определяется величиной AG соответствующей реакции. Например, при плавке медных сплавов, содержащих хром, цирконий, магний, бор, под шлаком на основе силиката натрия эти элементы окисляются кремнеземом и переходят в шлак, а восстановленный кремний растворяется в расплаве и загрязняет его. Магний из алюминиевых расплавов активно удаляется при плавке под флюсами, содержащими криолит. Это связано с прохождением реакций:
Mg + NaF -» MgF2 + 2Na, AGfooox = -13 КДж;
3Mg + 2AIF3 —> 3MgF2 + 2A1, ^^юооA' = - 639 КДж.
Свойства хлоридов и фторидов (AG” = Л +ВТ)
Соединение |
p при |
1T11Л, °c^ |
1TКИИ, °c |
A% |
Я , |
|
20 °C, |
||||||
кДж/моль Cl2, F2 |
кДж/(моль Cl2, F2) K |
|||||
|
г/см3 |
|
|
|||
А1С13 |
|
|
-466 |
|
||
2,4 |
180(BO3r) |
- |
0,112 |
|||
ВаСЬ |
4,0 |
960 |
1830 |
-861 |
0,126 |
|
СС16 |
2,1 |
187 |
- |
- |
- |
|
СаС12 |
2,5 |
780 |
1650 |
-797 |
0,114 |
|
КС1 |
2,0 |
770 |
1400 |
-872 |
0,166 |
|
KClMgCU |
1,7 |
488 |
- |
-730 |
- |
|
LiCl |
2,1 |
610 |
1350 |
-818 |
0,116 |
|
MgCl2 |
2,3 |
710 |
1420 |
-641 |
0,090 |
|
MnCl2 |
3,5 |
650 |
1200 |
-467 |
0,117 |
|
NaCl |
2,2 |
800 |
1450 |
-814 |
0,144 |
|
NH4C1 |
1,5 |
338 |
- |
- |
- |
|
ZnCl2 |
2,9 |
300 |
730 |
-416 |
0,108 |
|
A1F3 |
3,1 |
1040 |
1250 |
-900 |
0,070 |
|
BaF2 |
4,7 |
1350 |
2250 |
-1200 |
0,100 |
|
CaF2 |
3,2 |
1420 |
2500 |
-1250 |
0,070 |
|
KF |
1,6 |
860 |
1500 |
-1126 |
0,134 |
|
K3A1F6 |
2,0 |
985 |
- |
- |
- |
|
LiF |
2,3 |
850 |
1670 |
-1200 |
0,226 |
|
MgF2 |
3,0 |
1250 |
2250 |
-1103 |
0,060 |
|
NaF |
2,6 |
1000 |
1700 |
-1103 |
0,110 |
|
Na3AIF3 |
2,9 |
1000 |
- |
-1100 |
- |
|
K2SiF6 |
3,0 |
Дисс. |
- |
- |
- |
|
K2TiF6 |
2,0 |
900 |
- |
- |
- |
|
Na2SiF6 |
2,7 |
- |
- |
900 |
- |
В аргоне часто проводят плавку никелевых и медных сплавов. Для многих медных сплавов нейтральными газами являются азот и оксиды углерода, поэтому при плавке меди и латуней применяют генераторный газ (смесь N2, СО и С02).
Для защиты магниевых сплавов от окисления и загорания при разливке расплавы припыливают порошком серы, которая дает защитный сернистый газ. Применяют также шестифтористую серу - газ, подаваемый из баллонов.
Плавку металлов в инертной или защитной атмосфере проводят под давлением Ы 04-1,2-105 Па. При этом следует контролировать содержание примесей в газе (кислорода и влаги).
В общем случае слой жидкого шлака или флюса 5-10 мм на поверхности расплава не только защищает его от взаимодействия с газовой фазой, но и почти подавляет испарение расплава.
Шлаки и флюсы, применяемые при плавке, оказывают разрушающее действие на огнеупорную футеровку. Шлаки способны растворять в себе оксиды футеровки. Флюсы слабо растворяют огнеупорные оксиды, но
смачивают их и поэтому впитываются внутрь футеровки, из-за этого она делается более теплопроводной и становится электропроводной.
Кроме вышеуказанных защитных мер от газов применяют твердые покровы - древесный уголь и иногда бой графитных электродов, которыми защищают медь и многие ее сплавы от окисления кислородом воздуха. Защита достигается за счет непрерывного сгорания углерода и поддержания над зеркалом расплава атмосферы, состоящей из азота и оксидов углерода, которые не взаимодействуют со многими медными сплавами.
Атмосферу защитных и инертных газов применяют в тех случаях, когда невозможно или нежелательно использовать шлак или флюс, например, при приготовлении сложных сплавов с химически активными добавками, содержание которых нужно выдерживать в узких пределах, а также из-за опасности разъедания футеровки и загрязнения расплава примесями и шлаковыми включениями.
Плавка в вакууме является наиболее надежным способом получения чистых расплавов. Вакуумом называют состояние газа при низком давлении, который характеризуется величиной этого давления, которое называют остаточным. Уровень остаточного давления при вакуумной плавке выбирают с учетом термодинамических свойств возможных соединений металл-газ или растворов газа в металле. Для исключения образования свободного соединения металл-газ необходимо, чтобы остаточное давление данного газа над расплавом было меньше, чем равновесное давление диссоциации рассматриваемого соединения при заданной температуре. Может происходить не диссоциация соединения, а его испарение. В этом случае остаточное давление над расплавом следует держать меньше, чем равновесное давление пара данного соединения.
Если же газ способен образовывать раствор в металлическом расплаве, то остаточное давление данного газа над расплавом необходимо поддерживать меньше, чем равновесное давление газа над раствором.
8.7.Влияние газов на свойства алюминиевых сплавов
8.7.1.Источники насыщения алюминиевых сплавов водородом в процессе их приготовления и разливки
Существуют несколько путей насыщения водородом жидких алюминиевых сплавов:
1. Перенос водорода в расплав с чушковыми металлами и сплавами получаемыми с заводов цветной металлургии.
Металлургические заводы-поставщики чушкового алюминия и силумина контролируют химический состав сплава только по наличию примесей, обусловленных ГОСТ 1583-93. Между тем ГОСТ не предусматривает в качестве обязательного определения количества примесей водорода, других газов и неметаллических включений. Среднее содержание водорода в
силуминах колеблется в пределах 0,40-0,60 см3/100 г. Для чушкового магния, применяемого при получении специального алюминиевого сплава, содержание водорода соответствует 15-18 см3/100 г, в лигатуре алюминий-цирконий (95; 5) - 44,5 см3/ 100 г, а в лигатуре алюминий-титан (97,5; 2,5) - 24,8 см3/100 г.
В случае применения электролитических меди и марганца для приготовления лигатур последние также могут содержать значительное количество водорода.
Таким образом, можно констатировать, что значительная часть водорода вносится в жидкий сплав за счет использования первичных материалов с высокой газонасыщенностыо.
За счет применения газонасыщенного силумина содержание водорода алюминиево-кремниевых сплавов может достигать 40-60 % от равновесных значений при 720 °С и парциального давления 1 атм.
2. Загрязнение поверхности шихтовых материалов при транспор тировке и загрузке грязью, влагой и маслами.
Как видно из данных, приведенных в табл. 8.2, степень загрязненности шихтовых материалов различными примесями возрастает по мере снижения их сортности, т. е. по мере роста степени их измельчения. Особенно следует отметить вопросы засоренности шлаком и маслом возврата собственного производства, так как за редкими исключениями в литейных цехах применяется качественная подготовка их перед переплавкой.
Помимо влаги, наибольшую опасность представляют собой масляные загрязнения, при разложении которых, кроме насыщения сплава, происходит образование карбида алюминия:
|
Ш1 +3СяНи„ =Г,Л/4С, +(„ +! jЯ,. |
(8.43) |
|||
Карбид |
алюминия, |
разлагаясь |
парами |
воды, |
способствует |
дополнительному насыщению сплава водородом. |
|
|
|||
|
|
|
|
|
Таблица 8.2 |
|
Засоренность шихтовых материалов__________________ |
||||
Наименование |
|
Содержание загрязнений, мае. % |
|||
материала |
Влага |
|
Масло |
|
Включения песка и |
|
|
|
окислов |
||
|
|
|
|
|
|
Чушки первичные |
0-0,1 |
|
0-0,1 |
|
0-0,5 |
Отходы: |
|
|
0-0,5 |
|
0,1-1,0 |
1-го сорта; |
0,1-1,0 |
|
|
||
2-го сорта; |
0,2-5,0 |
|
0-1,0 |
|
1,0-5,0 |
3-го сорта. |
0,5-10,0 |
0-10,0 |
|
3,0-15,0 |
|
Немаловажную роль играют условия хранения исходных материалов. При неудовлетворительных условиях хранения вследствие взаимодействия
алюминия с кислородом воздуха и водяным паром или влагой происходит окисление с образованием гидрата окиси алюминия, который может удерживать в своей структуре до трех молекул воды:
2Al +6Н20 -» А1(ОН\ -ЗН20 + ЗН |
(8.44) |
Помимо конституционной воды, содержащейся в гидрате окиси алюминия в количестве до 15 %, в нем может удерживаться 3-10 % адсорбированной влаги.
По влиянию условий хранения на газонасыщенность сплава АЛ4 (АК9Ч) при выдержке 30 суток получены следующие данные: во влажной камере среднее содержание водорода в металле составляет 2,2 см7100 г; на улице под снегом - 1,7 см3/ 100 г; в сухом помещении - 0,8 см3/ 100 г.
3. Влияние плавильного агрегата и источника тепловой энергии.
Источником большого количества газов и паров воды наряду с воздухом является сгорание масел, эмульсии и других углеродосодержащих веществ, а также топлива (в случае использования плазменных печей). Насколько велико влияние атмосферы плавильного пространства печи свидетельствуют следующие данные при работе со сплавом АЛ4: в электрической печи среднее содержание водорода составляет 1,05 см7100 г; в газовом горне (под слоем карналлитового флюса толщиной 1-2 мм) - 1,05 см3/100 г; в газовом горне (без флюса) - 2,50 см3/ 100 г.
Из данных табл. 8.3 видно, что наиболее «гигиеническим» плавильным агрегатом с точки зрения насыщения алюминиевых сплавов водородом является тигельная электрическая печь.
Таблица 8.3
Состав атмосферы плавильного пространства______________
Тип плавильного |
о2 |
со2 |
Содержание газов, % |
|
|
|||
агрегата |
СО |
Н2 |
СщОп |
Н20 |
N 2 |
|||
Электрическая |
0-0,4 |
4,1-19,3 |
0,1-41,5 |
0-1,4 |
0-0,9 |
0,25-0,8 |
Остальное |
|
тигельная печь |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Тигельная |
0,2-3,9 7,7-11,3 |
0,4-4,4 |
|
|
11,8-12,3 |
Остальное |
||
плазменная печь |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Отражательная |
0,5-5,8 8,7-12,8 |
0-7,2 |
0-0,2 |
0-0,2 |
7,5-16,4 |
Остальное |
||
плазменная печь |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Кроме вышеуказанных условий насыщения газами алюминиевых сплавов, следует обратить внимание на подогрев ковшей перед разливкой: при работе холодными ковшами газосодержание увеличивается, при всех прочих равных условиях, газосодержание возрастает более чем в 2 раза (рис. 8.1).
Рекомендуется ограничивать время разбора металла из печи в зависимости от абсолютной влажности атмосферы цеха (табл. 8.4) (С. В. Варгин).