книги из ГПНТБ / Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии

ления. При использовании пирометров с автоматической' записью показаний прибора, на ленту температуру плав­ ления и кристаллизации фиксируют соответствующими площадками (рис. 46). Использование обычных термопар затруднено, таи как трудно устранить влияние высоко­ частотного электромагнитного поля на спай и, во-вторых, объем .металла, как правило, недостаточно велик, чтобы можно было пренебрегать погрешностями, которые вно­

перимента наряду с учетом теплофизических характе­ ристик и чистоты компонентов газовой смеси. Газ перед подачей в реакционную камеру при необходимости под­ вергают дополнительной очистке.

Схема установки для исследования процессов, проте­ кающих в гетерогенной системе с участием газовой фазы, представлена на рис. 47. Газы через систему очистки поступают в смеситель. Расход смешиваемых газов кон­ тролируется реометрами. Готовую смесь подают при оп­ ределенном давлении в реакционную камеру. По ходу эксперимента состав газовой смеси и давление контроли­ руют на выходе из камеры с помощью газоанализаторов непрерывного или периодического действия. Физико-хи­ мические исследования с помощью метода ПВС в основ­ ном осуществляют с помощью двух типов реакционных

101

камер, которые различаются ню расположению индук­ тора іпо отношению к камере. Первый характерен тем, что индуктор устанавливают внутри реакционной каме­ ры. При этом возникают трудности, связанные с контро­ лем состава и расхода газа, а также гидродинамики га­ зовой фазы. Во втором случае индуктор располагается

Рис. 47. Схема установка для исследования процессов в гетерогенной системе:

насосная система; ІО —■вакуумметр

вне реакционной камеры. Применение в конструкции реакционных камер обоих типов кварцевых стекол или трубок представляет опасность при исследовании про­ цессов с сильным выбросом газов или жидкого металла. Например, при изучении обезуглероживания железа в конце плавки может происходить частичное или полное

102

вскипание жидкого металла, в результате чего возможно серьезное повреждение кварцевой трубки или искажение результатов эксперимента .вследствие потери металла.

Обычно перед проведением опытов с участием газов образцы металла подвергают переплаву методом ГТВС для рафинирования их от газообразных и легколетучих примесей и выравнивания химического состава. После расплавления жидкая капля принимает форму, близкую к шару, и начинает интенсивно вращаться вокруг верти­ кальной оси. Внутри капли возникают потоки металла, благодаря которым температуры поверхностных и внут­ ренних слоев расплава становятся одинаковыми. Время достижения теплового равновесия обычно не превышает 60—90 с с момента начала нагрева металлического об­ разца. Такая выдержка, как правило, вполне достаточ­ на также и для достижения равновесного состояния между исследуемым металлом и газовой фазой. Вообще достижение равновесного состояния контролируют как по данным анализа закаленных образцов металла, так и по составу газовой фазы.

Результаты исследования процессов, ів которых учас­ твуют расплавленный металл и' газовая фаза, в значи­ тельной ,мере зависят от скорости закалки жидкого ме­ талла (подробно см. гл. 3). Скорость кристаллизации металла в изложницах зависит от соотношения между массой'изложницы и заливаемого металла, т. е. увели­ чением массы изложницы или уменьшением количества заливаемого металла можно в определенных пределах изменять эту скорость. Указанное соотношение колеблет­ ся от 50 до 180, причем скорость закалки жидкого ме­ талла в такие изложницы составляет примерно ІО4 градус.

В последнее время для закалки применяют принци­ пиально новые способы, позволяющие достигать более высоких скоростей. В некоторых устройствах эти ско­ рости составляют 108град/с [87—89].

Благодаря таким высоким скоростям закалки удает­ ся наиболее полно зафиксировать растворенные в жид­ ком металле примеси или метастабильное состояние. За­ калку жидкого металла осуществляют е помощью особых приспособлений, по своему действию похожих на нако­ вальни с молотом. Эти наковальни могут приводиться в действие вручную или автоматически. В последнем слу­ чае они действуют синхронно с высокочастотным гене­ ратором: после выключения генератора образец жидкого

103

металла мгновенно расплющивается между двумя мед­ ными охлаждаемыми плитами. Подвижная плита может

•приводиться в действие электромагнитом, а также при помощи гидравлической или механической систем [65].

Наблюдение

[X

Рис. 48. Схема установки для ПВС с устройством для оверхбыстрой кри­ сталлизации расплава (элек­ трический привод).:

К пирометру

Рис. 49. Схема установки для ПВС с устройством сверхбыстрой кристалли­ зации (механический при­ вод):

с Не

Схема подобных устройств показана на рис. 48 и 49. Толщина получаемой фольги не превышает 20—70 мкм. Такие фольги пригодны не только Для различных 'ана­ литических целей, но и для дальнейшей деформацион­ ной обработки.

104

(

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА И ЕГО ПРИМЕСЕЙ С ГАЗАМИ

Растворимость водорода и азота

Растворимость газов в жидких металлах обычно изу­ чают с помощью метода Сивертса, ів котором 'количество газа, логлощенное жидким металлом при определенных температуре и давлении, контролируют пю изменению объема, и метода закалки проб жидкого металла. Оба способа имеют недостатки, следствием которых могут быть серьезные экспериментальные ошибки. Кроме ад­ сорбции газа на металлическом конденсате и ошибок при определении «горячего объема», между футеровкой тиг­ ля и жидким металлом постоянно происходит физико-хи­ мическое взаимодействие, искажающее исходный состав металла. Последний фактор особенно опасен, если в ре­ зультате взаимодействия металла с тиглем образуется газообразное соединение. Это делает некорректным ис­ следование растворимости газов в жидких металлах вы­ ше 1750—1800°С.

ПВС наряду с полным исключением указанного взаи­ модействия обеспечивает быстрое достижение равнове­

результатами изучения растворимости водорода в жид­ ком железе. Выдержка > 2 мин обычно не изменяет содержания газа, растворенного в жидком железе

10$

для которой константа равновесия записывается ів виде:

Экспери,менты, проведенные методом закалки с ис­ пользованием ПВС в широком температурном интервале, показали, что растворимость двухатомных газов в жид­ ких металлах подчиняется закону Сивертса.

Водород является одним из источников образования пороков металла в литом состоянии. Экспериментальные данные по растворимости водорода в жидких металлах при высоких температурах, характерных для новейших способов плавки металлов и сплавов, чрезвычайно огра­ ниченны. В работах [90—94] на установке ПВС, показан­ ной на рис. 50, изучали растворимость водорода в рас­ плавленных алюминии, титане, никеле, железе и ниобии

106

от температур плавления до температур кипения. На рис. 51 приведены кривые, описывающие ее в зависи­ мости от температуры. Экстремум на кривых раствори­ мости для алюминия, железа и никеля в области высо­ ких температур объясняется интенсивным развитием про­ цессов испарения. Поэтому при учете указанного процес­ са аналитические зависимости для этих металлов в вы­ сокотемпературной области могут быть представлены в виде кривых, показанных пунктиром. Однако отметим при этом, что в этих зависимостях не учтена температур­ ная функция давления паров металла, поскольку это значительно усложняет уравнение. Имеется принципи­ альное различие в характере растворимости водорода: в алюминии, железе и никеле повышение температуры жидкого металла приводит к увеличению растворимости

Рис. 51. Растворимость водорода >в жидких алюминии, титане [90],

железе [54], никеле [91] и ниобии [93] ( S ^ выражено в см’/ІОО г)

«2

107

водорода, тогда как в ниобии и титане при этом наблю­ дается заметное уменьшение растворимости. Интересно, что экстраполяция результатов, полученных методом ПВС, в сторону низких температур, при которых обычно - проводятся опыты традиционными экспериментальными методами, .позволила рассчитать значения растворимости водорода, практически не отличающиеся от определен­ ных ранее.

Известно, что азот даже в небольших концентрациях сильно влияет на механические характеристики метал­ лов. Поэтому выполнено большое число исследований по растворимости азота в железе и его сплавах. Экспери­

жидком железе заметно различаются независимо от ис­ пользованного метода исследования, что не позволяет производить надежную экстраполяцию имеющихся за­ висимостей на более высокие температуры, при которых ведутся многие новейшие металлургические процессы.

В семидесятых годах впервые была исследована растворимость азота в чистом железе в интервале тем­ ператур 1700—2650°С [96—98, 100, 104]. В работе [8 ]

сообщалось о растворимости азота в жидких бинарных сплавах железа при различных парциальных давлениях азота, причем содержание азота в железе удавалось доводить от следов до 0,0445% в течение 50 с. Установ­ лено1, что, как правило, через 25—30 с происходит на­ сыщение азотом, однако скорость растворения его в этих

Благодаря отсутствию тигля и возможности достижения высоких температур удалось с удовлетворительной точ­ ностью исследовать растворимость азота в таком широт ком температурном диапазоне. Растворимость азота от температуры, по данным различных авторов, приведена на рис. 52. При повышенных температурах интенсивное испарение металла приводит к кажущемуся снижению парциального давления азота в зоне реакции, вследствие

108

Однако в работе [101]', была определена несколько иная температурная зависимость растворимости азота в жид­ ком железе: хотя при 1900°С растворимость азота рав­ на 0,050%, т. е. соответствует данным работы [95], тѳм не менее .при увеличении температуры до 2500°С значе­ ние растворимости постепенно уменьшается, что проти­ воречит результатам ряда экспериментальных работ [95, 1 0 2 , 103]1. Причиной такого расхождения может быть

сильное влияние ларов железа, которое не учитывали авторы работы [ 1 0 1 ], наряду с недостаточно полной фик­

сацией растворенного в жидком железе азота в процес­ се закалки.

Параллельно с определением характера температур-

.ной зависимости растворимости азота в жидком железе с помощью метода ПВС удалось обнаружить существен­ ное влияние углерода при температурах 1750, 1960 и 2150°С [ 1 1 , 97]. Интересным представляется параллель­

ный ход кривых в координатах [% N] — [% С], полу­ ченных для разных температур. В связи с трудностями, вызванными фиксацией растворенного в жидком -метал­ ле азота и возможными ошибками при измерении тем­ пературы и парциального давления азота в газовой фазе наблюдается расхождение экспериментальных кривых. Это особенно характерно для низких концентраций угле­ рода в железе. Этим же методом исследована раство­ римость азота при различных содержаниях кислорода в расплавленном железе [12, 104].

109

Результаты исследования растворимости азога в жидком железе в диапазоне температур 1700—2200°С методом закалки жидкого металла из взвешенного сос­ тояния показывают, что в пределах точности экспери­ мента .поведение азота в железе с различными примеся­ ми кислорода и углерода также подчиняется закону Сивертоа.

Большое внимание было уделено изучению раствори­ мости азота в расплавах Fe—V при 1800—2200°С [99]. Опыты проводили в газовых смесях с различным пар­ циальным давлением азота. Содержание ванадия изме­ нялось от 5,94 до 50,6%. Установлено, что растворимость азота в расплавах Fe—V увеличивается с повышением концентрации ванадия и понижается с увеличением тем­

практически не осуществимо никаким другим известным методом [101]. Установлено, что растворимость состав­ ляет 1,80% при 1650°С и увеличивается с ростом темпе­ ратуры. При температурах >1800°С наблюдалось резкое уменьшение значений растворимости, что можно объяс­ нить, как и для растворения азота в жидком железе, термодиффузией в газовой смеси и разбавлением азота металлическим паром. ’

Основными легирующими компонентами нержавею­ щих сталей являются никель и хром, поэтому изучению систем Fe—Сг—N и Fe—Ni—N постоянно уделяется

110