Зашита расплавов от взаимодействия с атмосферой при плавке

Для защиты металлических расплавов от взаимодействия с газами печного пространства используют шлаки, флюсы и другие защитные покровы, проводят плавку в атмосфере защитных или нейтральных газов, а также плавят металлы в вакууме.

Защитные шлаки обычно представляют собой сложные сплавы оксидов, а флюсы - сплавы солей. Шлаки и флюсы должны быть более легкоплавкими, чем защищаемый металлический расплав. Их плотность должна быть меньше плотности расплава. Чтобы надежно защищать металл от газов, шлаки и флюсы должны быть непроницаемыми для газов воздуха и печного пространства. Вязкость шлаков должна быть небольшой, чтобы обеспечивать хорошее растекание по поверхности расплава. При разливке металла шлак следует задержать в печи или в ковше на поверхности расплава и частично или полностью удалить. Для этого необходимо сделать шлак более вязким. Повышение вязкости шлака достигается введением в него кварцевого песка, порошка магнезита, вообще материалов, содержащих тугоплавкие оксиды.

Для плавки никеля и малолегированных никелевых сплавов используют в качестве шлака обычное стекло, которое содержит

• 70.. .80 % Si0₂ , 5...10% CaO, 10...15 % Na₂0. Температура перехода стекла в жидкоподвижное состояние находится в пределах
• 1100.. .1200 °С. Для плавки сложнолегированных никелевых сплавов применяют известняк СаСО;, с плавиковым шпатом - горной породой, содержащей 90 % CaF₂. Плавиковый шпат вообще широко используют для разжижения шлаков.

Шлак для плавки медных сплавов должен быть жидким при

800.. .850 °С. Основой подобных шлаков является система Si0₂-Na₂0, где имеется эвтектика, состоящая из 73 % Si0₂ и 27 % Na₂0 и плавящаяся при 795 °С. В состав шлаков этого вида вводят до 10 % различных солей - буры, хлористого натрия, криолита. Эти добавки еще больше снижают температуру плавления и разжижают шлак.

Для медных сплавов с повышенным содержанием цинка очень перспективными оказались сыпучие шлаки, состоящие в основном из маршалига (тонкого кварцевого песка) и небольших добавок фторидов и хлоридов щелочных и щелочно-земельных металлов. В слое такого малотеплопроводного материала толщиной 20...30 мм происходит почти полная конденсация паров цинка, выделяющихся из расплава. Поэтому расплав оказывается защищенным от атмосферных газов. Кроме того, при этом резко снижаются потери цинка.

Для защиты от взаимодействия с газовой средой некоторых алюминиевых и всех магниевых сплавов используют флюсы, состоящие из хлоридов и фторидов щелочных и щелочноземельных металлов. Свойства этих веществ приведены в табл. 4.1. Хлориды натрия, калия, магния очень гигроскопичны, поэтому содержащие их флюсы после пребывания на воздухе следует переплавлять и хранить при температуре 110... 115 °С.

Вещества, входящие в состав шлаков и флюсов, способны вступать в химическое взаимодействие с компонентами сплава и изменять его состав. Так, при плавке медных сплавов, содержащих хром, цирконий, магний иод 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 сплавов активно удаляется при плавке под флюсами, содержащими криолит (A1F₂ • 3NaF = Na^AlFft), из-за реакций, приводящих к образованию фторида магния. Появляющийся при этом свободный алюминий безвреден для алюминиевого сплава, однако также появляющийся свободный натрий, который, растворяясь в сплаве, увеличивает вероятность появления горячих (кристаллизационных) трещин в литых заготовках.

Таблица 4.1

Свойства хлоридов и фторидов

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 жидких шлаков и флюсов, для защиты расплавов от взаимодействия с газами используют твердые покровы - древесный уголь и иногда бой графитовых 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 выдержать в узких пределах, а также из-за опасности разъедания футеровки и загрязнения расплава примесями и шлаковыми включениями. Состав атмосферы для плавки выбирают, исходя из характера взаимодействия металлического расплава с газами. Наиболее надежной защитной атмосферой являются инертные газы нулевой группы Периодической системы Д.И. Менделеева - гелий или аргон. Обычно используют аргон как более дешевый и удобный для работы.

В аргоне проводят плавку сложных никелевых и некоторых медных сплавов. Электродуговую плавку хрома осуществляют также в аргоне. Для многих медных сплавов нейтральными газами являются азот и оксиды углерода, поэтому при плавке меди и латуней можно применять генераторный газ, представляющий собою смесь N2, СО и COi, а также чистый азот. Плавку магниевых сплавов проводят не только под флюсами, но и в газовой атмосфере, состоящей из смеси аргона и газа SF₆ (шестифтористой серы). Струю магниевых сплавов при разливке припыливают порошком серы или обдувают шестифтористой серой.

Плавку металлов в инертной или защитной атмосфере проводят под давлением 1 10⁴...1 10⁵ Па. Во всех случаях особое внимание уделяют содержанию примесей в применяемых газах, главным образом кислорода и влаги. Содержание влаги определяется точкой росы, т.е. температурой начала конденсации воды. Если точка росы равна минус 30 °С, содержание влаги составляет около 0,1 % по объему. Такая газовая среда пригодна для плавки большинства сплавов.

Плавка в вакууме является наиболее надежным способом получения чистых расплавов. Вакуумом называют состояние газа при низком давлении и характеризуют величиной этого давления, которое называют остаточным. Уровень остаточного давления при вакуумной плавке выбирают с учетом термодинамических свойств возможных соединений металл-газ или растворов газов 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. Если же газ способен образовывать раствор в металлическом расплаве, то остаточное давление данного газа над расплавом необходимо поддерживать меньшим, чем равновесное давление газа над раствором с предельно допустимым содержанием этого газа.

Плавка в вакууме сопряжена с потерями металлов вследствие испарения. Особенно много осложнений вносит неодинаковое испарение компонентов сплава, приводящее к изменению его состава. Если давление пара жидкого сплава при температуре плавки значительно (в несколько раз) превышает величину остаточного давления, будет происходить бурное кипение расплава.