Основы пмп рафинирование металлов методами ликвации и фракционной перекристаллизации

Слово «ликвация» означает выплавление. При нагревании двух или нескольких веществ более легкоплавкое из них выплавляется и вытекает из более тугоплавких.

Ликвация в той или иной степени наблюдается почти во всех сплавах, за исключением случаев, когда состав сплава совпадает с эвтектическим.

При производстве сплавов и в литейном деле это явление очень вредно, так как нарушает однородность состава и свойств отливок и слитков.

Ликвация при охлаждении вызывается неодновременным зат­вердеванием различных составных частей сплава. Ввиду различия их плотностей ранее выкристаллизовавшаяся часть сплава соби­рается в верхних или нижних частях слитка. При достаточно медленном охлаждении расплава это явление может привести к его расслаиванию на два или несколько самостоятельных слоев.

Ликвация сказывается тем сильнее, чем больше интервал между температурами начала и конца затвердевания сплава.

Ликвационные процессы слагаются из двух стадий:

I стадия. Образование из сплава гетерогенной системы с жидкими и твердыми фазами; это осуществляется нагреванием, охлаждением, добав­кой присадок.

II стадия. Разделение полученных в первой стадии двух веществ и получение двух самостоятельных продуктов. Это дости­гается расслаиванием различных по плотности разделяемых ве­ществ или применением несложных приспособлений (ковшей с дырчатым дном, металлизированных или керамических фильтров), позволяющих отделить кристаллы от жидкости.

В основе процесса расслаивания лежат явления всплывания или падения частиц твердой или жидкой фазы в жидкой среде, не растворяющей при данной температуре движущиеся частицы (капли).

Эти явления в известных пределах подчиняются формуле Стокса, выведенной для случая равномерного опускания частиц с постоянной скоростью в вязкой среде:

,

где v – скорость опускания или всплытия частицы, см/с; r – радиус частицы, см; g =981 cм/с²; d и d₀ – плотности частицы и среды, г/см²; η – коэффициент вязкости среды, пз (г/(см^.с)).

При равенстве d и d₀ расслаивание проис­ходить не будет. При d>d₀ частица тонет, при d<d₀ частица всплывает.

Нижний предел применимости формулы ограничивается размерами частиц ~0,0001 мм, а верхний ~0,2 мм, когда сопротивление среды становится пропорциональным не первой степени скорости падения, а ее квад­рату. При очень маленьких размерах частиц, приближающихся к размеру коллоидных, повышается роль поверхностных явлений и закономерность, установленная Стоксом, нарушается. Движение частиц приобретает беспорядочный характер (броу­новское движение), и расслаивания не происходит.

ПРИМЕРЫ ЛИКВАЦИОННОГО РАФИНИРОВАНИЯ

Получение силумина

Силумин — сплав Аl приблизительно с 13% Si, получаемый из силикоалюминия (сплавов алюминия с кремнием, содержащих 30—70% Si, которые по­лучают электротермиче­ским восстановлением смесей оксидов кремния и алюминия : каолинов, силлиманитов и др.).

При охлаждении силикоалюминия состава т. а (рис. 1) до темпе­ратуры t^о из сплава выделя­ются кристаллы кремния (фаза у) и остается жидкая фаза, близкая по составу к силумину (фаза х). Если при этой температу­ре отделить жидкую фазу х от твёрдой, то получится силумин.