Взаимод жидк. Металлов с газами

Если чистый жидкий металл достаточно долго соприкасается с газовой средой и развиваются процессы, направленные к дости­жению равновесия в системе, то возможны следующие 3 типа изменения в составе и состоянии расплава:

1. Газовая среда инертна по отношению к жидкому металлу, поэтому ни растворения газа в расплаве, ни образования каких- либо соединений не происходит. Отсутствие взаимодействия мож­но наблюдать между любым металлом и любым инертным газом нулевой группы периодической системы Д. И. Менделеева, а также в некоторых системах металл—водород (металл — олово, свинец и др.), металл—азот (металл — медь, серебро, цинк и др.).

2. Значительная растворимость газа в расплаве. В системах, где происходит подобное взаимодействие, в конечном итоге будут существовать насыщенный газом жидкий раствор и газовая фаза. Возможно также, что по достижении в расплаве предельного содержания газа начнется образование химического соединения между газом и металлом. Для процесса плавки опре­деляющим обстоятельством является именно образование раствора газа в жидком металле. Данный тип взаимодействия наблюдается во многих системах металл—водород.

3. Об­разование устойчивых химических соединений металл — газ. Ра­створимость газа в жидком металле в этих случаях настолько мала, что наблюдается во многих системах металл—кислород (А1—О, Мн-0₂ и др.).

Процесс взаимодействия жидкого металла с газами состоит из нескольких ступеней. Поступление молекул газа к поверхности жидкого металла обеспечивается путем молекулярной диффузии и конвективного массопереноса в нем. Следующая ступень заключается в переходе молекул газа на поверхность расплава – адсорбция.

Атомы газа, адсорбированные на поверхности расплава, гото­вы как для образования молекул химического соединения ме­талл-газ, так и для диффузии в глубь расплава. Если взаимодей­ствие состоит в возникновении нерастворимого в расплаве со­единения, то на поверхности расплава начинает нарастать слой этого соединения.

Водород составляет обычно основную долю газов, обнаружи­ваемых в растворенном состоянии в металлах. Главный источник водорода, попадающего в металлы при плавке, влага. Наибольшие содержания растворенного водорода наблюдаются в магнии и никеле, наименьшие в алюминии.

Сплавы алюминия с магнием и сплавы меди с никелем показывают большую растворимость водорода, чем чис­тые алюминий или медь. Цинк вызывает существенное снижение растворимости водорода в латунях по сравнению с чистой медью.

С кислородом подавляющее большинство металлов, находясь на воздухе как в жидком, так и в твердом состоянии, активно взаимодействует. Конечным продуктом взаимодействия явдяются оксиды.

Особенность поведения металлических расплавов чистых ме­таллов, содержащих растворенный кислород, состоит в том, что при их охлаждении и кристаллизации этот газ никогда не выде­ляется из раствора в свободном виде, а переходит либо целиком в твердый раствор (например, в системе Ц—О), либо в твердые со­единения — оксиды, появляющиеся в результате эвтектического превращения (в системах Си—О, N1—0). Это значит, что кисло­род в подобных металлах не вызывает появления газовой порис­тости. Исключение составляет серебро.

Со свободным молекулярным азотом жидкие металлы взаимо­действуют с малой интенсивностью. Эго объясняется очень незна­чительной величиной константы диссоциации молекулярного азо­та. Взаимодействие сильно ускоряется при наличии в атмосфере атомарного азота, появляющегося вследствие различных реакций.

Сплавы на основе легкоплавких металлов, которые в жидком состоянии не растворяют ни углерод, ни кислород, будут вести себя в атмосфере СО примерно так же, как и чистые металлы- основы.

Сплавы серебра и меди между собой, а также с неактивными по отношению к кислороду легкоплавкими металлами ^ВИС^У~ том и свинцом — не окисляются при плавке в атмосфере СО. Сплавы на основе этих же металлов с более активными металла­ми — алюминием, магнием, марганцем, кремнием, хромом, тита­ном, цирконием - покрываются пленкой нерастворимых в рас­плаве оксидов легирующих металлов.

Сплавы на основе металлов, способных растворять кислород и углерод, при плавке в атмосфере СО будут насыщаться обоими этими элементами подобно чистым металлам, но легирующие добавки могут резко снизить растворимость кислорода в этих рас­плавах.

Если рассматривать атмосферу чистого С0₂, то такая газовая сре­да не вызывает окисление лишь таких жидких металлов, облада­ющих малым сродством к кислороду, как висмут, свинец, сереб­ро, медь. Плавку этих металлов можно производить в среде С0₂ без каких-либо нежелательных последствий, расплавы не будут загрязняться твердыми оксидами (висмут, кадмий, свинец) или растворенным кислородом (серебро, медь).

Для всех остальных металлов чистый С0₂ является окисли­тельным газом. Плавка олова, цинка, магния, алюминия в среде этого газа вызывает активное окисление расплава, который по­крывается пленкой нерастворимых в расплаве оксидов. Плавка металлов, способных растворять в себе кислород и углерод, в ат­мосфере чистого СО, приведет к насыщению расплава и кисло­родом и углеродом.

Взаимодействие жидких металлов с метаном. Содержание СН₄ довольно велико в атмосфере пламенных печей, работающих на мазуте и природном газе. Метан при повышенных температурах диссоциирует на элементы, что может вызывать насыщение рас­плава водородом и углеродом одновременно.