Материал: Теория литейных процессов.

явлений. Удержание происходит тем полнее, чем больше работа адгезии включения к материалу фильтра. Зернистые фильтры изготавливают из шамота, магнезита, фторида магния и кальция, графита. Еще более действенными оказываются пористые фильтры, представляющие собой спеченный керамический материал на основе А120 3 и Cr20 3 с открытыми порами размером в доли миллиметра. Из этого материала изготавливают специальные фильтрующие блоки.

Течение расплава через зернистые и пористые фильтры описывается законом Дарси:

где W - расход расплава через единицу площади фильтра; / - гидравлический уклон (/ = h + 1//); h - уровень расплава над фильтром; I - толщина фильтра; /Спам - коэффициент фильтрации, зависящий от размера и формы каналов и материала фильтра, /Спам = 0,1-0,7 см/с;

При турбулентном режиме

где /Сгурб > 3-5 см/с.

В основу определения количества оксидных включений может быть

кислорода, поглощаемое металлом из воздуха во время выпуска и разливки, %; к - коэффициент, показывающий, сколько весовых единиц оксидов получается из одной весовой единицы кислорода (для случая А120 3 к = 2,12); К0"вул - средняя скорость удаления (всплывания) включений из жидкого металла, %/с (%/мин); гуд - продолжительность удаления включений - время от момента их

Следовательно, для уменьшения содержания оксидных включений в черновой стали необходимо обеспечить возможно меньшее содержание кислорода в металле перед раскислением, минимальное поглощение его металлом во время выпуска и разливки, максимальную скорость всплывания частиц и достаточную выдержку жидкого металла после раскисления.

8.9.Дегазация металлических сплавов

Если при плавке литейных сплавов не удается обеспечить необходимый уровень газосодержания, то с целью предупреждения в отливках дефектов типа газовых раковин и газовой пористости назначают один из способов дегазации.

Процесс дегазации с термодинамической точки зрения является противоположным процессу растворения газа в металле, но подчиняется одинаковым с ним закономерностям. Таким образом, все условия (снижение температуры расплава, парциального давления данного газа или сложных газов, содержащих растворяемый в металле газ, в газовой фазе печного пространства, общего давления газовой фазы над металлическим раствором), соответствующие выделению газа из металлического раствора и переходу его в газовую фазу, будут способствовать процессу дегазации. Газ, переходящий из раствора металла в газовую фазу, проходит несколько последовательных стадий. Прежде всего, посредством конвективной диффузии (а при отсутствии движения - молекулярной диффузии) растворенный газ транспортируется к поверхности раздела газ-расплав. Затем происходит процесс выделения атомарного газа (собственно десорбция) и образование газовой молекулы на границе раздела газ-расплав, как правило, в виде мономолекулярного слоя. Нередко эта стадия сопровождается химическими реакциями. Последующее удаление молекулярного газа от поверхности раздела подчиняется законам молекулярной и конвективной диффузии газовой фазы. Из трех рассмотренных стадий дегазации самой медленной и лимитирующей скорость всего процесса является диффузия растворенного газа в металлическом расплаве.

Таким образом, расчет скорости дегазации сводится к расчету скорости конвективной диффузии жидкого сплава. В зависимости от типа плавильных печей, их конструкции, источника энергии и способа его трансформации в тепло величина, направление и характер движения расплава в плавильных печах значительно различаются.

В общем виде уравнение конвективной диффузии записывается:

Это уравнение, получившее название второго закона Фика, справедливо для гомогенной, однофазной среды. Для установившегося или стационарного режима (не зависящего от времени) уравнение несколько упрощается:

Для расчета скорости выхода газа из металла необходимо решить данное дифференциальное уравнение. Если на горизонтальной поверхности металлического расплава находится слой шлака, способный затормозить движение металла, но достаточно тонкий, чтобы пренебречь диффузионным

сопротивлением шлака, то диффузионный поток с единицы поверхности может быть рассчитан по следующей приближенной формуле:

j AkvŸi-I&{Cx -C,)

(8.59)

h

где h - толщина слоя жидкого сплава; С0 - концентрация газа на поверхности расплава; - концентрация газа в объеме расплава; v - коэффициент кинематической вязкости расплава.

В некоторых технологических процессах дегазации переход газа из металлического расплава осуществляется во всплывающий в объеме металла газовый пузырь. При анализе движения и диффузионного роста газового пузыря в жидкости рассматриваются два случая: а) при малых числах Рейнольдса Rc< 1; б) при больших числах Рейнольдса Rc » 1.

Для малых чисел Рейнольдса изменение концентрации растворенного газа происходит в тонком диффузионном слое вблизи поверхности пузыря. Можно считать, что часть жидкости «прилипает» к поверхности газового пузыря и таким образом происходит подъем пузыря вверх. Диффузионный поток растворенного газа на поверхность пузыря описывается выражением

(8.60)

где а - радиус газового пузыря; С0 - концентрация газа в расплаве на поверхности пузыря; Cs - концентрация газа в расплаве на границе диффузионного слоя (на границе «прилипшего» слоя жидкости).

Выражение (8.60) показывает большую степень зависимости диффузионного потока примеси от размера газового пузыря (а5/2), что связано с возрастанием скорости подъема пузыря при увеличении его размеров, а следовательно, и скорости вынужденной конвекции жидкого сплава в окрестности движения газового пузыря. Аналогичным выражением рассчитывается диффузионный поток примеси в условиях, отвечающих большим числам Рейнольдса (Rc » 1) , хотя гидродинамические условия подъема и роста пузыря имеют определенные отличия. Основное отличие состоит в принятии движения с квазистационарной скоростью за время

(8.61)

где и - скорость подъема пузыря.

Все применяемые способы дегазации сплавов классифицируются на адсорбционные и объемные. К адсорбционным методам относятся следующие: продувка расплава инертными, нейтральными газами; обработка расплава малопрочными твердыми газообразующимим веществами (хлоридами и др.). Объемные способы дегазации - это окислительная плавка, захолаживание и вымораживание расплава, вакуумная обработка расплава, обработка постоянным током и др.

Продувка расплавов инертными газами (аргоном, гелием) получила широкое применение в технологии плавки сталей, алюминиевых, медных и

других сплавов. Технология продувки предусматривает два варианта: а) с помощью трубки, опущенной в расплав; б) через пористую огнеупорную пробку донной части печи или ковша.

При пропускании инертного газа через расплав по обоим вариантам происходит диффузия водорода из объема расплава в направлении всплывающих пузырьков и десорбция водорода через поверхность этих пузырьков. Инертный газ при продувке расплава должен подаваться под давлением, достаточным для создания скоростного напора в подводящих трубопроводах, для преодоления сопротивления трения и гидростатического сопротивления столба жидкого металла. Повышенное давление вредно по причине выплесков металла и увеличения скорости окисления его. Величина рабочего давления может быть определена из выражения

(8.62)

где Р - величина давления, Мн/м2; V\ - объемный вес газа, Мн/м3; V2 - объемный вес сплава, Мн/м3; со - средняя скорость движения газа по системе трубопроводов; Ef - сумма гидравлических сопротивлений на пути движения газа от баллона до расплава; Я - металлостатический напор над уровнем ввода газа в расплав, м.

Обычно величина рабочего давления при продувке цветных сплавов инертным газом составляет 900-1000 мм. рт. ст. (0,2-0,3 атм.).

Длительность технологической операции продувки расплава инертным газом зависит от массы расплава, расхода газа, исходного и конечного содержания газов в сплаве. Она может быть рассчитана по решению уравнения материального баланса газа, удаляемого из расплава в дифференциальной форме:

где т - масса сплава; р - объемная масса сплава; С - концентрация газа в сплаве; Рн - парциальное давление водрода в пузырьках инертного газа при выходе их из расплава в атмосферу воздуха; т - время продувки; V - расход инертного газа.

Краевые условия для решения дифференциального уравнения следующие:

при т = 0 С= С„сх (исходное газосодержание сплава); при г = Т] С - Сопт (оптимальное газосодержание сплава).

Заменим переменную РИл - парциальное давление удаляемого газа в пузырьке инертного газа - на концентрацию растворенного в сплаве газа. Эту замену произведем, воспользовавшись законом Сивертса: С =

Тем самым принимается условие выделения водорода во всплывающий пузырь инертного газа до состояния равновесия, определенного равенством