книги из ГПНТБ / Вяткин И.П. Рафинирование и литье первичного магния

кой эвтектики, ^Пл= 450°С) процесс взаимодействия про­ текает значительно интенсивнее. Интересным оказалось явление «разъедания» боковой стенки магниевой заго­

заготовки. Содержание ртути в сплаве, расположившем­ ся в зазоре, составило 24,8 и 26,8%. Пріг 710° С (слиток № 8) заготовка расплавилась. Компоненты полностью прореагировали, однако состав сплава по высоте неоди­ наков— интенсивность окраски слитка различна.

Изучали также состав амальгамы и стружки, остаю­ щейся в отверстии заготовки после процесса. Для этого стружку и ртуть удаляли из отверстия и анализировали. При температуре более 20° С в слитке сохранилась жид­ кая ртуть и стружка, выше 170° С стружка сохранилась частично, после 450; 500 и 570° С из слитка извлекли лишь небольшую часть стружки, основное же ее коли­ чество провзапмодействовало со ртутью и, вероятно, рас­ плавилось, поскольку температура плавления эвтектики составляет 450° С. При этом на дне отверстия образова­ лась плотная масса, отличающаяся от магния черным цветом. Удалить ее можно лишь сверлением на глуби­ ну, значительно большую первоначальной.

Визуальное исследование слитков, выплавленных при различных температурах, послойный, а также химиче­ ский анализы стружки и амальгамы позволили устано­ вить характер взаимодействия магния и ртути при про­ ведении процессов в герметичном реакторе.

И з у ч е н и е п р о ц е с с о в к р и с т а л л и з а ц и и с л и т к о в

Исследования выполняли на слитках диаметром 100 мм и массой 6 кг с содержанием ртути 3,5—6,0%. Поскольку температура ликвидуса-сплавов указанного состава равняется 645—648° С, охлаждение сплава на­ чинали после его перегрева до 750° С. Слитки охлаждали

метром 0,5 м с оголенными спаями, расположенных по центру слитка на расстояниях 10; 260 и 510 мм от ниж­ него торца слитка. Термопары подключали к потенцио­ метру ЭПП-09М с циклом 3 с и скоростью ленты 1200 мм/ч.

На рис. 57 видно, что полное затвердевание сплава (температура солидуса) при охлаждении четырьмя раз-

личными способами происходит через следующие перио­ ды, мин: 61; 21; 8; 0,5. Общая продолжительность охлаж­ дения слитков в реакторах до комнатной температуры, лишь при которой возможна их дальнейшая обработка, для различных вариантов составляет, ч: 1) 4; 2) 2;

3)0,5; 4) 0,005.

Нами были проведены исследования слитков магния

Мг, полученных четырьмя указанными способами охлаж­ дения. Магний, как правило, имеет столбчатую структу­ ру, которая хорошо фиксирует направление теплоотво­ да. От полученных слитков были приготовлены про­ дольные макрошлифы, которые показали, что при охлаждении слитков с печью и на воздухе происходит радиальный теплоотвод, при охлаждении в воде — осе­

164

вой. Это позволило рассчитать скорости кристаллизации, затвердевания и охлаждения слитков (табл. 42).

Т а б л и ц а

Скорости кристаллизации, затвердевания и охлаждения слитков сплава в зависимости от способа их охлаждения

Скорость процесса

Как видно из табл. 42, по мере перехода от одного способа охлаждения к другому скорости процессов воз­ растают практически на порядок. Рассчитанные -нами значения основного показателя процесса — скорости кри­ сталлизации— совпадают с литературными данными. Так, И. Е. Горшков [96] для сухой и влажной песчаной формы, водрохлаждаемой изложницы и непосредствен­ ного охлаждения тонкой пластины водой приводит сле­ дующие значения скорости кристаллизации, соответст­ венно, мм/мин: 1; 10; 100; 1000.

Сравнительный анализ всех способов показал преи­ мущество охлаждения погружениём.

Л и к в а ц и я р т у т и . В табл. 43 приведены результаты определения содержания ртути в центре и на периферии слитков.

Как видно из табл. 43, при малых скоростях охлаж­

это увеличение несколько меньше.

Следует отметить, что повышение скорости кристал­ лизации приводит к изменению характера ликвации рту­ ти: если при малых скоростях ликвация прямая (в цент­ ре содержание ртути больше, чем на периферии), то при охлаждении в воде — обратная. При этом средняя ве­ личина разности в содержании ртути в слитках № 1, 2,' 3, 4 составляет соответственно, %: +0,83; —0,27; —0,36;.

165

Т а б л и ц а 43

Ликвация ртути в магниевортутных слитках, %

П р и м е ч а н и е . Цифры в скобках обозначают разность между содержа­ нием ртути в центре и на периферии слитка.

—0,62. Как видно из этих данных, с повышением скоро­ сти охлаждения обратная ликвация усиливается. Наи­ более равномерный состав по высоте и сечению слитка наблюдается при его охлаждении на воздухе. На рис. 58 показана схема отбора проб на содержание ртути, а так­ же железа и никеля.

Стружку от слитков отбирали в следующих точках: слитки № 2, 3, 4, 5-^-в точках 1, 2, 3, 4, 5, 6, располо­ женных через 100 мм, сверлили насквозь, в точках 7, 8— на глубину 100 мм; от слитков № 6—11 отрезали темплеты и в каждом в центре и на расстоянии 40 мм от цент­ ра сверлили сквозные отверстия.

Втабл. 44 приведены результаты определения ртути

вотобранных пробах.

По результатам анализов этих слитков сделаны сле­ дующие выводы.

1. Проведение процесса без перемешивания исключа ет возможность получения слитка с равномерным рас­ пределением ртути по высоте. Так, у слитка № 2, полу­ ченного без перемешивания, в верхней и нижней частях содержится ртути 2,0 и 6,1—7,0% соответственно.

Контрольный опыт, проведенный впоследствии, ка­ чественно подтвердил полученные результаты: содержа-

166

Т а б л и ц а 44

Содержание ртути в слитках, % (по массе)

печивает содержание ртути в заданных пределах (2,5— 5%)- Разница между максимальным н минимальным содержанием ртути в слитках № 3—11 составляет соот-

Рис. 58. Схема отбора проб от круглых магнисвортутных слитков:

а — слитки № 2—5; б — слитки № 6, 9—11; в — слитки № 7, 8

167

ветственно, %: 0,5; 0,14; 0,56; 0,16; 1,46; 0,94; 0,36; 0,88; 1,33. Такие большие колебания (более чем в 10 раз) можно объяснить недостаточно длительным и качествен­ ным перемешиванием.

3. Содержание ртути в центре слитка по его сечени меньше, чем на периферии. Эта закономерность харак­ терна для всех 14 исследованных темплетов. Явление обратной ликвации достаточно характерно для рассмат­ риваемого сплава и может быть объяснено известными положениями, изложенными в работах [97, 98].

Нами подсчитана разница между содержанием ртути на периферии и в центре слитка в каждом темплете.

Расчет для слитка № 6, например, (пробы № 1,2, 3) выполнен следующим образом (табл. 44):

3,70% — в центре слитка.

В табл. 45 приведены результаты расчетов для слит­ ков № 6—11.

Т а б л и ц а

Из сравнения среднеарифметических величин разно­ сти между содержанием ртути в верхней и нижней час­ тях слитка следует, что ликвация в верхней части слит­ ка в среднем в три раза больше, чем в нижней.

Рассмотренные результаты показали, что содержание ртути в пробах от верхней и нижней частей слитка со­ ответствует содержанию ртути в любом сечении слитка.

4. Для обеспечения тщательного перемешивани сплава и требуемого содержания ртути по высоте слит­ ка температура сплава при перемешивании не должна быть ниже 700° С.

168

Эксперименты, выполненные при температуре 680° С и ниже, показали, что большая вязкость сплава при этом препятствует равномерному распределению ртути; разница между содержанием ртути внизу н вверху в

слитках составляла соответственно, %: 3,24; 5,41; 6,02; 2,83; 2,20; 2,60.

5. Содержание железа в сплаве при использовании магния Мг составляет 0,01—0,04%, при использовании Мг в.ч. снижается до 0,001—0,005%.

Содержание никеля в сплаве обычно более 0,01%, что выше, чем в Мг и Мгв. ч., и объясняется длительным контактом магния со стенкой реактора, изготовленного из хромоникелевой стали.

Содержание меди составляет 0,002—0,003%. Несмотря на одинаковую массу шихтовых материа­

лов, загружаемых в реактор, слитки сплава Mg—Hg по­ лучались различной длины. Форма верхней— литнико­ вой части слитков была также неодинакова: одни слит­ ки с выпуклым верхом, другие — с вогнутым. Причиной этого была различная газонасыщенность слитков и не­ которые отклонения в ведении процесса.

Слитки имели следующие поверхностные дефекты:

1.Плены и наросты, являющиеся следствием горения сплава, отслаивающиеся от основной монолитной по­ верхности слитка и имеющие цвет от серого до черного.

2.Газовые свищи, образующиеся вследствие проры­ ва газов из слитка в зазор между слитком и реактором, либо в слиток при высоком давлении газов в реакторе.

3.Участки с содранной поверхностной пленкой, воз­ никающие при извлечении слитка из реактора. В резуль­ тате длительного контакта сплава со стенкой реактора происходила диффузия сплава в сталь, что и вызвало затруднения при извлечении слитков из реактора.

Качество поверхности оценивалось нами по трехбаль­ ной системе:

n t — слиток гладкий, с еле заметными дефектами; я а— слиток с незначительными дефектами; Я3— слиток с большим количеством грубых дефектов,

Внутренние дефекты слитков выявляли, отрезая темпдеты от верхней и нижней частей слитков. Срез осмат­

169

ривали и качество среза классифицировали по предло­ женной нами шкале классификации дефектов, основны­ ми из которых были раковины газового происхождения.

В табл. 46 помещена шкала, по которой оценивали качество слитков, а на рис. 59 — эталоны оценки их ка­ чества.

Т а б л и ц а 46

Шкала качества слитков

IПоры и раковины отсутствуют

II 1—3 поры диаметром до 8 мм каждая

VМногочисленные поры и раковины по всему сечению (20—50% от площади сечения)

Втабл. 47 приведены результаты разбраковки слитков.

Из данных табл. 47 следует, что качество верхней части слитка значительно лучше, чем нижней. Верхняя часть слитка содержит почти в два раза больше сече­ ний с I и II баллом, чем нижняя (сравни 33,0+31,0 для верха и 14,5+22,0 для'низа слитка).

Основной причиной повышенной пористости слитков является, вероятно, плохая подготовка шихтовых мате­ риалов, в частности магниевых заготовок, а также не­ достатки технологического процесса отливки заготовок.

Кроме того, при затвердевании слитка выделяющие­ ся газы необходимо удалять из реактора. Однако отвер-

170

стие, соединяющее полость реактора с вакуумной систе­ мой, при перемешивании часто заплавлялось сплавом, что препятствовало удалению газов из реактора и из за­ твердевающего сплава.

Частыми дефектами слитков были также централь­ ная усадочная раковина и усадочная макропористость, а также трещины в районе раковин. Эти дефекты воз­ никали при интенсивном ненаправленном затвердевании слитка. При направленном охлаждении эти дефекты не наблюдались.

П о л у ч е н и е с л и т к о в м е т о д о м о т к р ы т о й п л а в к и и р а з л и в к и

Основным условием при выборе аппаратурно-техно­ логической схемы является приготовление сплава в тиг­ лебольшой емкости, вмещающем одновременно до 300 кг сплава. Из всех возможных способов введения ртути в магний наиболее приемлемым оказалось введение ее через магниевую амальгаму («лигатуру»). За опреде'- ленное время до начала процесса в амальгаматоры (стальной реактор) загружали ртуть и магний в соот­ ношении 10:1 общей массой 11 кг. При выдержке при комнатной температуре в течение нескольких суток в ус­ ловиях полной герметизации происходило образование хрупкой металлоподобной лигатуры с примерной тем­ пературой плавления 630° С. При этом на дне амальга­ матора после его вскрытия жидкой ртути не обнаружи­ вали. В магний, нагретый до 700° С, помещенный в сталь­ ной тигель печи сопротивления, загружали лигатуру. Содержимое тигля при этом периодически перемешива­ ли вручную.

Полученный сплав при непрерывном ручном переме­ шивании при помощи центробежного насоса с пневмо­ двигателем разливали в водоохлаждаемую изложницу, состоящую из пяти ячеек, в каждой из которых сплав затвердевал в слитки размерами 600Х400ХЮ0 мм. При разливке сплав защищали от горения флюсом ВИ2.

Параметры приготовления и разливки сплава:

172