Основные положения разработки технологии плавки

Отправными точками при создании технологии плавки металла или сплава являются его состав, г.е. основа, легирующие компоненты и примеси, а также заданный уровень механических и других свойств сплава в отливке. Кроме того, учитывается количественная потребность в расплаве в единицу времени. Плавильную печь и огнеупорную футеровку подбирают, исходя из температуры плавления и физико-химических свойств основного компонента сплава и всех легирующих компонентов.

В большинстве случаев плавку ведут на воздухе. Если взаимодействие с воздухом ограничивается образованием на поверхности нерастворимых в расплаве соединений, и возникающая плена этих соединений существенно замедляет дальнейшее взаимодействие, то обычно не принимают каких-либо мер для подавления такого взаимодействия. Плавку в этом случае ведут при прямом контакте расплава с воздушной атмосферой. Так поступают при приготовлении большинства сплавов на основе алюминия, цинка, свинца, олова. Если же образующаяся плена нерастворимых соединений непрочна и неспособна защитить расплав от дальнейшего взаимодействия (например, на сплавах магния), то принимают специальные меры, используя флюсы или защитную атмосферу.

Защита расплава от взаимодействия с газами совершенно необходима, если газы, входящие в состав воздуха, растворяются в жидком металле. Главным образом стремятся предотвратить взаимодействие расплава с кислородом. Эго относится к плавке тех сплавов на основе никеля, меди, серебра, которые способны растворять кислород. Защита расплава осуществляется применением шлаков, флюсов и других защитных покровов. Если подобные меры оказываются недостаточными или невозможными, прибегают к плавке в атмосфере защитных или инертных газов. Наконец, используют плавку в вакууме, т.е. при пониженном до определенного уровня газовом давлении. В некоторых случаях для снижения интенсивности взаимодействия расплава с кислородом в него вводят добавки бериллия (сотые доли процента в алюминиево-магниевые и магниевые сплавы), кремния и алюминия (десятые доли процента в медные сплавы). Ослабление интенсивности взаимодействия с кислородом воздуха в этих случаях происходит благодаря появлению на поверхности расплава прочных и плотных плен оксидов указанных добавок.

Несмотря на защиту, металлические расплавы при плавке могут загрязняться различными примесями выше допустимого предела. Нередко в шихтовых материалах имеется слишком много примесей. Поэтому при плавке проводят рафинирование расплавов - очистку от растворимых и нерастворимых примесей, а также раскисление - удаление растворенного кислорода.

Многие сплавы находят применение в модифицированном состоянии, когда они приобретают мелкокристаллическое строение и более высокие механические или технологические свойства. Операция модифицирования проводится как одна из последних ступеней процесса плавки непосредственно перед разливкой расплава.

При разработке технологии плавки учитывают, что масса полученного жидкого металла всегда будет несколько меньше массы металлической шихты из-за потерь металла в шлаке и потерь на угар. Эти потери могут доходить до 2...3 %, при этом, чем больше масса единичной плавки, тем меньше потери в относительном выражении.

Шлак, всегда появляющийся на поверхности расплава, представляет собой сложную систему из сплавов-растворов и смесей оксидов основного компонента сплава, легирующих компонентов и примесей. Кроме того, в шлаке, как правило, присутствуют оксиды футеровки плавильной печи. Такой естественно возникающий на расплаве шлак может быть полностью жидким, частично жидким (творожистым) и твердым. Кроме оксидов, шлаки всегда содержат некоторое количество свободного металла. В жидких и творожистых шлаках свободный металл находится в виде отдельных капель-корольков. Если же шлак твердый, то в спокойном состоянии расплав надежно отделен от него.

Металл, находящийся в шлаке, может быть возвращен в производство. Наиболее просто эго достигается по отношению к свободному металлу, не связанному в какие-либо соединения. Дробление и просев шлака позволяют возвратить 70...80 % свободного металла. Оставшийся шлак представляет собой доброкачественное металлургическое сырье, и он может быть переработан с выделением наиболее ценных компонентов.

Потери металлов при плавке на угар определяются их испарением и взаимодействием с футеровкой, выражающимся в ее металлизации.

При определении потерь металла при плавке на угар и со шлаком необходимо учитывать загрязненность шихтовых материалов инородными неметаллическими примесями и включениями в виде остатков масла, эмульсии, влаги, шлака, формовочной смеси. Масса этих примесей при невнимательной работе автоматически засчитывается как масса подвергаемого плавке металла, и в итоге получается необоснованно завышенная величина потерь при плавке.

Важной стороной технологии является температурный режим плавки, порядок загрузки шихтовых материалов и введения отдельных компонентов сплава, последовательность технологических операций металлургической обработки расплава. Плавка всегда проводится в предварительно разогретой печи, температура в которой должна быть на 100... 150 °С выше температуры плавления сплава. Желательно, чтобы все загружаемые в печь материалы были нагреты до 150...200 °С, чтобы в них не оставалась влага. Если условия производства позволяют, новую плавку начинают, оставляя в печи некоторое количество расплава от предыдущей плавки, так называемое болото. Загрузка шихты в жидкую ванну существенно ускоряет процесс плавки и снижает потери металла.

Первым в плавильную печь загружают тог шихтовой материал, который составляет наибольшую долю в навеске. В случае приготовления сплава из чистых металлов первым всегда загружают основной компонент сплава. Шлаки и флюсы обычно засыпают сверху на металлическую шихту. По ходу плавки добавляют свежий шлак или флюс и, если необходимо, удаляют старый. Раскисление расплава проводят таким образом, чтобы не только понизить содержание растворенного кислорода до необходимого уровня, но и обеспечить надежное удаление продуктов этого процесса. В последнюю очередь в расплав вводят летучие и химически активные компоненты сплава. Затем проводят рафинирование расплава. Непосредственно перед разливкой расплав модифицируют.

Условия введения отдельных видов шихты или компонентов сплава в жидкую ванну целесообразно определять, сопоставляя температуру плавления загружаемого материала и его плотность с температурой и плотностью расплава. Необходимо также знать двойные диаграммы состояния основного компонента сплава с легирующими компонентами, примесями и модифицирующими добавками.

В подавляющем большинстве случаев все легирующие компоненты и примеси растворяются в жидкой основе сплава, так что расплав можно считать однородным раствором. Однако при получении такого раствора необходимо учитывать ряд обстоятельств. Если вводимая твердая добавка имеет плотность, превышающую плотность расплава, и более высокую температуру плавления, чем расплав, то она погружается на дно жидкой ванны, поэтому ее окисление маловероятно. В этом случае происходит обычное растворение твердого вещества в жидком. Однако трудно проследить за растворением таких добавок. Необходимо длительное и тщательное перемешивание всей массы расплава, чтобы обеспечить их полное растворение и равномерное распределение во всем объеме расплава. Тугоплавкая добавка

может иметь плотность, меньшую, чем расплав. В этом случае она будет плавать на поверхности расплава, где возможно ее окисление, запутывание в шлак, и возникает опасность непопадания в заданный состав сплава.

Если такая легкая добавка имеет меньшую температуру плавления, чем расплав, она переходит в жидкое состояние и поэтому ее дальнейшее растворение в расплаве существенно облегчается. В некоторых случаях, чтобы избежать окисления и потерь, подобные добавки вводят в расплав с помощью гак называемого колокольчика - дырчатого стакана, в который закладывают вводимую добавку, а затем погружают в расплав.

Знание диаграмм состояния системы основа сплава-добавка необходимо для того, чтобы предвидеть некоторые особенности поведения добавок при их введении в расплав. Так, при получении сплава 1 (рис. 4.1) введение твердого легирующего компонента В в жидкий металл А будет затруднено тем, что может образовываться тугоплавкое и поэтому медленно растворяющееся соединение А_тВ_п. Большие трудности возникают также при введении в расплав летучих легирующих компонентов из-за их испарения. Кроме того, возникает опасность выброса расплава, если температура расплава выше температуры кипения вводимого летучего компонента.

Рис. 4.1. Системы, в которых приготовление сплава 1 затруднено из- за существования тугоплавкого соединения А_тВ„ (а) и из-за области несмешивания жидкостей Ж] и Жг (б)

Для приготовления сплавов нередко пользуются лигатурами. Так называют промежуточные сплавы, состоящие обычно из основного компонента рабочего сплава с одним или несколькими легирующими компонентами, содержание которых в несколько раз больше, чем в рабочем сплаве. В виде лигатур целесообразно вводить тугоплавкие добавки. Как видно из рис. 4.2, а, чистый компонент В значительно более тугоплавок, чем компонент Л, поэтому получение сплава состава 1 потребовало бы длительного растворения твердого В в расплаве А. Если же воспользоваться лигатурой состава 2, то растворение будет проходить значительно быстрее.

Рис. 4.2. Системы, в которых для получения рабочего сплава 1 целесообразно использовать лигатуру 2

В уже рассмотренной системе (см. рис. 4.1), где получение сплава 1 затруднено из-за образования тугоплавкого соединения А_тВ_п, использование лигатуры состава 2 облегчит и ускорит процесс плавки.

Лигатуры целесообразно применять при введении летучих компонентов, которые в чистом виде при температуре расплава находятся в газообразном состоянии (рис. 4.2, б). При необходимости получения сплава 1 нужно использовать не чистый компонент В, а лигатуру состава 2, которая при температуре расплава будет находиться в устойчивом жидком состоянии.

Лигатуры используют также при введении химически активных компонентов, которые на воздухе в свободном виде могут взаимодействовать с кислородом и азотом. Лигатуры широко используют и в тех случаях, когда чистый элемент-добавка слишком дорог или его вообще не получают, производство же сплавов-лигатур, как правило, проще и дешевле. Наконец, лигатуры целесообразно применять при введении в сплав очень малых добавок. Навеска чистой добавки может иметь массу менее 1 кг на несколько сотен килограммов расплава. Надежно ввести такое малое количество и обеспечить равномерное распределение его во всей массе расплава практически невозможно. Использование лигатуры, масса которой, естественно, в несколько раз больше, устраняет эти трудности.

Следует отметить, что общим правилом технологии плавки сплавов является как можно меньшее время процесса. Это способствует уменьшению затрат энергии, снижению потерь металла, уменьшению загрязнения расплава газами и примесями. Вместе с тем необходимо иметь в виду, что для полного растворения всех компонентов и усреднения состава сплава полезно «проварить» расплав - выдержать его при наибольшей допустимой температуре в течение 5.. .7 мин.