Взаимод с материалом тигля

Взаимодействие с чисто оксидными материалами, -эти риалы могут состоять из чистых тугоплавких оксидов или из сме­си оксидов. Огнеупорность чистых оксидов значительно выше, чем их сме­сей. Недостаточная огнеупорность материала приводит к механи­ческому разрушению футеровки и загрязнению расплава инород­ными частицами — неметаллическими включениями, которые в данном случае называют экзогенными, подчеркивая их внешнеее по отношению к расплаву происхождение.

Восстановленный элемент 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.

Проблема прямой окислительно-восстановительной реакции между металлом и огнеупором практически неразрешима в случае тугоплавких метал­лов, начиная с титана. Все тугоплавкие металлы 4...6-й групп 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. Рабочие стенки кристаллизаторов выполняют обычно из меди. Поэтому металлический расплав, соприка­саясь с такой “холодной” стенкой, тотчас затвердевает, образуя так называемый гарнисаж. Плавка совершается практически без прямого соприкосновения расплава с медной рубашкой.

Большую роль во взаимодействии расплавов с огнеупорными материалами играет явление смачивания. Смачивание обычно предшествует химическому взаимодействую. Чистые металлы при отсутствии химического взаимодействия с огнеупорными окси­дами смачивают их плохо. Если расплав способен растворять в себе кислород, смачивание усиливается.

Взаимодействие с графитовыми, карборундовыми, металличес­кими материалами. Графит сам по себе способен работать до 2500 °С. Однако на воздухе он очень быстро сгорает, начиная с

600-700 °С, а в вакууме заметно испаряется выше 2200 *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 для долговре­менной работы необходимо защищать их от окисления.

Карбундовые материалы состоят на 80 % и более из карборун­да — карбида кремния 81С, 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.

Защита от газов

Для защиты используют шлаки, флюсы и другие защитные покровы, проводят плавку в атмосфере защитных или нейтральных газов, а также плавят металлы в вакууме.

Защитные шлаки и флюсы представляют собою сложные сплавы оксидов и солей. Шлаки и флюсы должны быть более легкоплавкими, чем защищаемый ме­таллический расплав. Их плотность должна быть меньше плотно­сти жидкого металла. 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 необходим более вязкий шлак. Повышение вязкости шлака или его загущение достигается введением тугоп­лавких оксидов кварцевого песка, порошка магнезита и т. п.

Для плавки никеля и малолегированных никелевых сплавов используют в качестве шлака обычное стекло. Средний состав стекла: 70...80 % SiO₂; 5...10 % СаО; 10....15 % Nа₂О. Температура перехода стекла в жидкоподвижное состояние находится в пре­делах 1100... 1200 °С.

Для плавки сложнолегированных никеле­вых сплавов применяют известняк с плавиковым шпатом - гор­ной породой, содержащей 90 % СаF2 Плавиковый шпат вообще широко используют для разжижения шлаков..Загущение жидких шлаков достигается добавками магнезита.

Шлак для плавки медных сплавов должен быть жидким при 800-850 °С. Основой подобных шлаков является система SiO₂ - Nа₂О, где имеется эвтектика, состоящая из 73 % SiO₂ и 27 % Nа₂О 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 маршаллита (тонкого кварцевого песка) и небольших до­бавок фторидов и хлоридов. В слое такого малотеплопроводного материала толщиной 30...50 мм происходит почти полная кон­денсация паров цинка, выделяющихся из расплава. Поэтому рас­плав оказывается защищенным от атмосферных газов; при этом резко снижаются потери металла, обусловленные испарением ЦИНКа.

Для защиты от взаимодействия с газовой средой некоторых алюминиевых и всех магниевых сплавов используют сплавы со­лей, которые называют флюсами. Флюсы состоят из хлоридов тех же металлов. Хлориды натрия, калия, магния очень гигроскопичны, поэтому содержа­щие их флюсы после пребывания на воздухе могут вызывать на­сыщение расплавов водородом.

Слой жидкого шлака или флюса толщиной 5...10 мм на повер­хности металлического расплава не только защищает его от взаи­модействия с газовой средой, но и почти подавляет испарение расплава.

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 тазов 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.

В аргоне часто проводят плавку сложных никелевых, медных сплавов и элекгродуговую плавку хрома.

Для многих медных сплавов нейтральными газами явля­ются азот и оксиды углерода, поэтому при плавке меди и латуней применяют генераторный газ, представляющий собою смесь СО и С0₂. Для защиты магниевых сплавов их припыливают порошком серы, кото­рая, сгорая, дает защитный сернистый газ. Применяют также шестифтористую серу — газ, подаваемый из баллонов.

Плавку металлов в инертной или защитной атмосфере прово­дят под давлением 1 • 10⁴... 1,2 • 10⁵ Па. Во всех случаях главное 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 —30 °С, содержание влаги составляет око­ло 0,1 % (объемн.).

Состав атмосферы для плавки выбирают, исходя из характера взаимодействия металла 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.

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.

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. Может происходить не диссоциация соединения металл — газ, а его испарение. В этом случае остаточное давле­ние над расплавом следует держать меньшим, чем равновесное давление пара данного соединения. 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 предельно допустимой концентрации.

Плавка в вакууме сопряжена с заметными потерями металлов вследствие испарения. Особенно много осложнений вносит нео­динаковое испарение компонентов сплава, приводящее к изме­нению его состава.