|
|
В процессе плавки всегда имеют
место потери металла, так что масса полученного расплава оказывается
несколько меньше массы металла, загруженного в печь или тигель. Потери при
плавке составляют от десятых долей процента до нескольких процентов. Потери
связаны с окислением металла, его испарением, взаимодействием с огнеупорной
футеровкой.
Весь металл, который загружается в печь для плавки,
называется шихтой. Шихта может состоять из чистых металлов, полученных с
металлургических предприятий, а также отходов и лома, полученного со стороны,
собственных отходов в виде бракованной продукции металлообрабатывающих цехов,
стружки, бракованных отливок, литников, прибылей. Все эти шихтовые материалы
загрязнены песком, т. е. кремнеземом Si02. При плавке образующиеся оксиды
металлов сплавляются с кремнеземом, и возникает естественный шлак, содержащий
металл в связанном виде. Кроме того, в шлаке имеются капли своболного
металла, механически захваченные при перемешивании. Таким образом, часть
металла теряется со шлаком. Другая часть потерь связана с испарением металла
и взаимодействием расплава с огнеупорной футеровкой. Эти потери можно
обнаружить лишь по разности между массой шихты и массой полученного расплава
и потерь со шлаком. Поэтому эти потери называют потерями на угар.
Перед проведением плавки производят расчет шихты для того,
чтобы определить количество шихтовых материалов, необходимое для получения
сплава заданного состава в заданном количестве с учетом потерь при плавке. В
простейших случаях расчет шихты сводится к решению одного или нескольких
уравнений. При сложном составе сплава, большом числе шихтовых материалов и
необходимости найти их оптимальный набор из условия наименьшей стоимости
проводятся расчеты на ЭВМ.
В первую очередь в печь загружают ту шихту, доля которой в
навеске наибольшая, а также наиболее тугоплавкие шихтовые материалы.
Легколетучие, сильноокисляющиеся и малые добавки ' желательно вводить с
помощью лигатур. При необходимости на первую порцию шихты следует сразу же
засыпать специальный шлак или флюс. Для надежного растворения всех добавок
нужно обязательно перемешивать расплав. При необходимости по окончании
плавления проводят рафинирование расплава, а также его раскисление.
Заключительной операцией является модифицирование расплава путем введения
добавки или температурно- временной обработкой. Перед самой разливкой расплав
необходимо выдержать в спокойном состоянии в течение 10—20 мин для отделения
(всплывания) частиц шлака, оксидов, газовых пузырьков. Температура расплава
перед разливкой в общем случае превышает температуру ликвидуса на 100—200 °С.
Плавка под шлаками и флюсами в общем случае проводится для
защиты расплавов от взаимодействия с воздухом. Покровный шлак или флюс должны
быть более легкоплавкими, чем расплав, не взаимодействовать с ним, быть легче
расплава. Для плавки сплавов на основе железа (сталей, чугунов) используют
шлаки на основе системы СаО—Si02. Для никелевых сплавов чаще применяют более легкоплавкие
составы системы СаО—Si02—1\а20 (обычное стекло) и СаО—CaF2. Для медных
сплавов используют систему Si02—Na20 с добавками хлоридов и фторидов натрия,
кальция, буры. Для магниевых сплавов основой флюсов служит карналлит
KCl-MgCl2; алюминиевые сплавы в случае использования грязной и мелкой шихты
(стружки, лома) плавят также под защитой флюса из карналлита с добавками
хлоридов и фторидов натрия и кальция.
Рафинирование расплавов. В результате взаимодействия
расплавов с воздухом и влагой они могут загрязняться растворенными
кислородом, азотом, водородом. В случае образования нерастворимых оксидов
частицы этих соединений могут замешиваться в расплав, загрязняя его. Расплав
может быть загрязнен также каплями шлаков, флюсов, частицами разрушенной
футеровки. В самой шихте, как правило, имеется достаточно много загрязнений,
часть которых переходит в расплав. Удаление растворенных металлических и
неметаллических примесей является чисто металлургической операцией.
Для литейного производства специфичным является
рафинирование расплавов, т. е. их очищение от неметаллических включений и
растворенных газов. Неметаллическими включениями являются в основном
оксиды. Поддаются удалению только первичные и вторичные докристаллизационные
включения (по классификации В. И. Явойского), которые существуют в расплаве
до начала кристаллизации.
Для удаления неметаллических включений используют
несколько приемов. Простейший из них — отстаивание. Частицы неметаллических
включений, как более легкие, чем расплав, всплывают к поверхности и переходят
в шлак. Отстаиванием могут быть удалены лишь сравнительно крупные частицы,
движение которых приближенно описывается формулой Стокса. Включения, имеющие
радиус менее 5 мкм, практически не отделяются, так как легко переносятся
конвективными потоками и участвуют в броуновском движении.
Более действенный способ удаления неметаллических
включений заключается в обработке расплава рафинирующими шлаками или флюсами.
Расплав перемешивают со шлаком или флюсом. Частицы неметаллических включений
либо прилипают к каплям шлака или флюса за счет смачивания, либо просто
растворяются в них. После обработки расплав необходимо отстаивать.
Рафинирующие шлаки и флюсы отличаются от покровных тем, что они более
легкоплавки и содержат оксид натрия Na20, фторид кальция CaF2, криолит
Na3AlF6, которые хорошо растворяют оксидные включения.
Неметаллические включения хорошо отделяются при продувке
расплавов газами. Мелкие пузырьки газа, проходя через толщу расплава,
встречаются с инородными частицами, которые прилипают к ним и выносятся на
поверхность.
Универсальным и наиболее действенным способом удаления
неметаллических включений является фильтрование расплава через зернистые или
спеченные пористые фильтры. Несмотря на то, что диаметр пор в подобных
фильтрах довольно велик (до 3 мм), они способны удерживать частицы размером
несколько микрометров. Отделение частиц происходит не только за счет
механического удержания, но главным образом за счет адгезии включений к
поверхности каналов — пор фильтра.
Рафинирование расплавов от растворенных газов, кроме
кислорода, осуществляется вакуумированием, продувкой расплавов другими
нерастворимыми в них газами и вымораживанием. Поскольку концентрация
растворенного в расплаве газа по закону Сивертса пропорциональна парциальному
давлению газа в степени 0,5, снижая общее давление над расплавами и уменьшая
соответственно парциальное давление растворенного газа, можно добиться
выделения газа из расплава. Практически для удаления водорода и азота
оказывается достаточным понизить общее давление до 0,1—0,2 атмосферного, т.
е. до (1 — 2) 104 Па.
Дегазация расплавов путем продувки нерастворимыми газами
основана на том же физическом явлении. Появившийся в расплаве пузырек этого
газа не содержит в себе растворенного газа, иначе говоря, парциальное давление
растворенного газа в нем равно нулю. По этой причине газ из раствора
переходит - в пузырек продуваемого газа, и, таким образом, происходит
понижение содержания газа в распдаве. Для продувки металлических расплавов
можно использовать аргон, гелий (для всех сплавов), азот (для медных и
алюминиевых). Для алюминиевых сплавов применяют также летучие хлориды,
вводимые в расплав в твер- , дом виде и возгоняющиеся в нем (хлориды
алюминия, цинка, > марганца), а также гексахлорэтан. Во всех случаях
необходимо минимальное содержание влаги в продуваемом газе или летучем
хлориде, иначе вместо дегазации может произойти насыщение расплава водородом.
Для дегазации можно использовать прием вымораживания
расплава, заключающийся в медленном охлаждении расплава в печи до почти
полного затвердевания с последующим быстрым . подъемом температуры до нужного
уровня. При медленном охлаждении газы (водород, азот) постепенно выделяются
из раствора (см. 3, кривая 1).
Часто проводят предварительную переплавку шихты,
загрязненной влагой, маслом, и полученный расплав разливают в чушки.
Последующая плавка позволяет получать значительно менее газонасыщенный
расплав.
Раскисление и модифицирование расплавов. Раскислением
называют удаление из расплава растворенного кислорода. Раскисление может быть
проведено несколькими способами. Наиболее универсальным является так
называемое внутреннее (осадочное) раскисление, которое заключается во
введении в расплав специальных добавок, связывающих кислород в нерастворимые
в расплаве соединения. Таким образом, выбор раскислителя Me' для раскисления
металла определяется прежде всего возможностью и полнотой прохождения реакции
[Me'] -f- [0]->Ме'0. В наиболее простом случае, когда продуктом
раскисления является свободный оксид Ale'O, константа равновесия этой реакции
может быть вычислена по энергии образования этого оксида за вычетом энергии
образования растворов [Me' ] и [О]. Раскисление пройдет тем полнее, чем
больше будет уменьшение энергии написанной выше реакции. Вместе с тем в
расплаве всегда будут оставаться растворенный кислород и раскислитель. Чем
меньше их содержание, тем выше качество раскислителя.
Выбор раскислителя определяется также видом и состоянием
продуктов раскисления. Осадочное раскисление приводит к появлению в расплаве
очень большого количества неметаллических включений, которые называют
эндогенными, поскольку они возникают непосредственно в расплаве. Эти
неметаллические включения должны быть удалены из расплава, обычно это
достигается отстаиванием. Наилучшие условия для удаления включений создаются,
если они имеют компактную, лучше всего шарообразную форму и возможно меньшую
плотность. Такие условия обеспечиваются, если включения находятся в
газообразном или жидком состоянии. Именно по этим причинам для раскисления
меди используют фосфор (продукты — жидкие фосфаты меди), для никелевых
сплавов — углерод (продукты — пузыри СО), для сталей — сложные раскислители,
содержащие кремний, марганец, кальций (продукты — жидкие силикаты). Лишь для
завершения раскисления в стали обычно добавляют более сильный раскислитель —
алюминий, дающий в расплаве практически не- отделяемую взвесь твердых частиц.
В заключение необходимо подчеркнуть, что раскисление как
одну из операций при плавке проводят только применительно к расплавам,
содержащим растворенный кислород. Поэтому раскисляют углеродистые и
низколегированные стали, сплавы железо—никель, никель—медь, чистую медь.
Раскисление сплавов железа с большим содержанием углерода, кремния, титана,
хрома, сплавов никеля с алюминием, титаном, сплавов меди с алюминием, цинком,
оловом, всех сплавов на основе алюминия, магния, цинка, свинца, олова никогда
не проводят.
Как уже отмечалось, завершающей операцией при плавке
является модифицирующая обработка расплава. Сам процесс модифицирования
происходит при затвердевании отливок и выражается в образовании
мелкокристаллической структуры. Для достижения этого в расплав в конце плавки
вводят специальные модифицирующие добавки или же подвергают его температурно-
временной обработке, заключающейся в перегреве с последующим быстрым
охлаждением до температуры разливки. Поскольку модифицирующие добавки быстро
угорают, а действие перегрева пропадает, модифицирующую обработку проводят в
последнюю очередь, чтобы эффект сохранился до конца разливки.
Внепечная (ковшовая) обработка расплавов. Этот способ в
последние годы получил большое распространение при производстве литых
заготовок. Он характеризуется тем. что обработку расплавов проводят не в
плавильном агрегате, а в ковше. Это позволяет удешевить и ускорить процесс
приготовления сплавов. Б ковше часто проводят рафинирование и модифицирование
расплава, нередко завершают его раскисление. В ряде случаев легирующие
добавки вводят в расплав при его сливе из печи в ковш. Внепечная обработка
приобретает особое значение при использовании расплава первичной плавки,
получаемого непосредственно из металлургического агрегата. В этот расплав
вводятся необходимые легирующие присадки, он подвергается рафинированию и,
если необходимо, модифицированию. Все эти операции проводят либо прямо в
ковше, либо в специальных печах- накопителях, называемых миксерами. Готовый
расплав используют для получения фасонных отливок или слитков. Подобная
практика получила широкое применение при производстве чугунных изложниц из
жидкого доменного чугуна на предприятиях черной металлургии и при
производстве слитков из алюминиевых сплавов на предприятиях цветной
металлургии.
|