3.3 Взаимодействие жидких металлов с материалами тиглей и футеровкой плавильных печей

Материалы, с которыми соприкасаются жидкие металлы, находясь в плавильных печах и тиглях, можно разделить на оксидные, оксиднографитовые, чисто графитовые, карборундовые, металлические.

Взаимодействие с оксидными материалами. Эти материалы могут состоять из чистых тугоплавких оксидов или из смеси оксидов. В табл. 3.2 перечислены огнеупорные материалы, состоящие из смесей оксидов, с указанием их состава и огнеупорности. Эго свойство характеризуется температурой в градусах Цельсия, при которой напряжение 0,2 МПа вызывает начало деформации, а также более высокой температурой, при которой наступает полная потеря прочности.

Огнеупорность чистых оксидов значительно выше, чем их смесей. Это видно из приведенных ниже данных:

Si02

MgO

А12

СаО

Сг2

Zr02

Температура плавления, °С...................

1730

2800

2050

2600

2250

2650

Температура размягчения, °С...............

1650

2000

2000

1900

1800

2000

Плотность, кг/м3.....................................

2300

3600

3900

3300

5200

5600

Таблица 3.2

Состав <%)и огнеупорность оксидных материалов

Материал

Si02

MgO

А1203

Zr02

Cr203

СаО

Огнеупорность , °С

Динас

>95

<1

<1

-

-

<1

1600/1700

Шамот

72... 60

-

28... 40

-

-

-

1300/1600

Высокоглиноземистые огнеупоры

20... 55

-

80... 45

-

-

-

1500/1900

Магнезит

-

90

-

-

-

10

1550/1800

Хромомагнезит

<10

45... 50

<5

-

30... 35

<5

1500/1900

Корунд

<1

<1

>95

-

-

<1

1700/1900

Циркон

32

-

-

65

-

<5

1700/1900

В числителе - начало деформации при о = 0,2 МПа, в знаменателе - потеря прочности.

Недостаточная огнеупорность материала приводит к механическому разрушению футеровки и загрязнению расплава инородными частицами - неметаллическими включениями, которые в данном случае называют экзогенными, подчеркивая их внешнее по отношению к расплаву происхождение.

Наиболее опасным является взаимодействие металлических расплавов с оксидными огнеупорными материалами по реакции Me + R0 —> МеО + [R]. Восстановленный элемент R растворяется в металлическом расплаве и загрязняет его. Образующийся оксид металла может растворяться в расплаве, оставаться в свободном виде или же образовывать сплав с огнеупорным оксидом. В результате такого взаимодействия разрушается футеровка и загрязняется расплав. Подобное взаимодействие имеет место при попытке плавить магниевые сплавы на оксидной футеровке, содержащей оксид кремния Si02. Именно по этой причине магниевые сплавы никогда не плавят в условиях, при которых расплав может соприкасаться с Si02. Такое же взаимодействие происходит при плавке алюминиевых сплавов на шамотной футеровке, но реакция между алюминием и кремнеземом футеровки идет довольно медленно.

Проблема прямой окислительно-восстановительной реакции между расплавленным металлом и огнеупорной футеровкой становится практически неразрешимой в случае тугоплавких металлов, начиная с титана. Все тугоплавкие металлы 4-6-й групп Периодической системы Д.И. Менделеева настолько активны по отношению к кислороду, что никакие огнеупорные оксиды не выдерживают воздействия подобных расплавов. Высокая активность в сочетании с большой тугоплавкостью этих металлов вынуждает обращаться к особому способу плавки с применением водоохлаждаемых плавильных тиглей, играющих одновременно роль изложниц-кристаллизаторов. В таких плавильных установках огнеупорных материалов вообще нет. Расплав контактирует с твердой коркой, нарастающей на металлической поверхности, обычно медной, охлаждаемой с противоположной стороны водой.

Большую роль во взаимодействии расплавов с огнеупорными материалами играет явление смачивания. Смачивание обычно предшествует химическому взаимодействию. Чистые металлы при отсутствии химического взаимодействия с огнеупорными оксидами смачивают их плохо, г.е. краевой угол смачивания 0 > 90°. Если расплав способен растворять в себе кислород, смачивание усиливается, т.е краевой угол смачивания 0 < 90°.

Химическое взаимодействие расплава с футеровкой и смачивание ее расплавом вызывает так называемую металлизацию футеровки. Внешне это выражается в том, что прилежащий к расплаву слой фу геровки меняет свой цвет; существенно возрастает его физическая плотность. Происходящее явление можно представить следующим образом. Если расплав химически не реагирует с футеровкой, то металлизация происходит только за счет пропитывания пористой футеровки расплавом. При условии плохого смачивания футеровки расплавом краевой угол 0 >90°. Это значит, что расплав будет затекать в пору радиусом г только под избыточным давлением р =2ocos(180 - 0)/г, где о - поверхностное натяжение расплава. Это избыточное давление определяется столбом расплава высотой h: р = pgh, где р- плотность расплава; д - ускорение свободного падения. Следовательно, расплав может затечь в поры радиусом г > 2ocos(180 - 0)1 pgh.

Явление существенно меняется, если краевой угол смачивания 0 < 90°. При этом условии мениск в капиллярах из выпуклого становится вогнутым. Использованное ранее равенство определяет теперь добавочное давление, возникающее в самой поре и способное поднять в ней расплав на высоту h. Это значит, что при 0 <90° в порах футеровки действует сумма металлостатического и капиллярного давлений. Под действием этого суммарного давления расплав способен заполнять поры любых размеров в слоях футеровки, лежащих не только ниже уровня расплава, но и выше его на высоту h.

Если между расплавом и оксидной футеровкой возможна химическая реакция, межфазная энергия снижается до нуля. Это приводит к соответствующему уменьшению угла 0 и вызывает самопроизвольное втягивание расплава в норы.

Взаимодействие металлического расплава с оксидной футеровкой может сопровождаться также такими явлениями, как разъедание футеровки и образование настылей. Настылью в металлургии называют участок твердого металла или шлака, возникающий в расплаве. В данном случае речь идет о самопроизвольном нарастании твердого конгломерата оксидов на стенках плавильной ванны.

Разъедание оксидной футеровки объясняется появлением жидкого сплава, состоящего из оксида металла МеО и оксида футеровки Ме'О. Появление такого жидкого сплава возможно, если в системе МеО-Ме'О имеется область легкоплавких составов, а плавка ведется при температурах, превышающих точки плавления этих легкоплавких составов Подобное явление можно наблюдать при плавке меди и некоторых ее сплавов в шамотных (и шамогно-графитных) тиглях. Брызги жидкой меди, попадая на стенки тигля, окисляются до СигО и сплавляются с кремнеземом шамота, поскольку в системе СигО-БЮг имеется эвтектика, плавящаяся ниже 1000 °С. Особенно легко и интенсивно разъедается шамотная футеровка при плавке бронз с большим содержанием свинца, поскольку в системе PbO-SiCh имеется эвтектика, плавящаяся при 715 °С.

Образование оксидных настылей объясняется спеканием частиц оксидов металла, находящихся в расплаве, на отдельных участках футеровки, где имеется достаточно высокая температура. Подобные настыли образуются при плавке алюминиевых сплавов, а также алюминиевых бронз в индукционных печах.

Чтобы избежать образования настылей или разъедания футеровки, необходимо подбирать такой материал для плавильной печи, чтобы температура плавления оксидов огнеупорного материала и эвтекгик в системах МеО-Ме'О была выше температуры расплава.

Взаимодействие с оксидно-графитовыми материалами. Из подобных материалов для плавки металлов чаще всего используют смесь огнеупорной глины (шамота) с 30...50 % графита. Из этой смеси изготавливают шамогно-графитовые плавильные тигли и различные блоки и пластины для футеровки плавильных ванн. При работе подобных материалов на воздухе графит в поверхностном слое быстро выгорает, так что поверхность остается почти чисто оксидной. Но все же смачивание металлическими расплавами огнеупорных материалов, содержащих углерод, значительно меньше, чем чисто оксидных. Основная особенность материалов, содержащих углерод, заключается в возможности растворения углерода в металлическом расплаве. Шамотно-графитные тигли обычно способны работать лишь до 1400 °С, поэтому их используют для плавки цинка, алюминия, меди и их сплавов, а также сплавов на основе золота и серебра.

Взаимодействие с графитовыми, карборундовыми, металлическими материалами. Графит сам по себе способен работать до 2500 °С. Однако на воздухе он быстро сгорает, начиная с 600...700 °С, а в вакууме заметно испаряется выше 2000 °С. Главная особенность графитных материалов состоит в возможном растворении углерода в металлических расплавах. Графитовые огнеупоры вполне пригодны для плавки легкоплавких металлов, включая медь и ее сплавы, однако начиная с 600 °С при долговременной работе необходимо защищать их от окисления.

Карборундовые материалы состоят на ~ 80 % из карборунда - карбида кремния SiC, остальное - связка из тугоплавких оксидов. Эти материалы очень огнеупорны (более 1800 °С) и химически стойки. Они не вступают во взаимодействие и не смачиваются жидкими металлами от олова до меди включительно, стойки в атмосфере воздуха до 2000 °С.

Из металлических материалов, используемых для изготовления плавильных емкостей, широко применяют лишь сталь и чугун. Понятно, что тигли из этих материалов можно использовать лишь для легкоплавких металлов (Sn, Pb, Zn). Одновременно необходимо считаться и с возможностью растворения железа в приготовляемом расплаве. Все эти сведения легко можно получить из диаграмм состояния систем железо-расплавляемый металл.

Как уже говорилось, для плавки тугоплавких металлов используют водоохлаждаемые тигли-кристаллизаторы. Рабочие стенки кристаллизаторов выполняют обычно из меди. Благодаря водяному охлаждению медная стенка на рабочей поверхности нагревается до 300...400 °С. Поэтому металлический расплав, соприкасаясь с такой «холодной» стенкой, тотчас затвердевает, образуя так называемый гарнисаж. Плавка совершается практически без прямого соприкосновения расплава с медной рубашкой.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >