» » Химическое взаимодействие газов формы со сталью и чугуном
26.12.2014

По протеканию химических процессов с участием газов, форму можно разделить на две зоны:
1) контактный слой смеси, где в реакциях с газами принимают участие компоненты сплава;
2) глубинные слои, где образующиеся газы находятся за пределами досягаемости поверхности отливки.
В первой зоне формируется газовая атмосфера, которая контактирует с отливкой.
Газообразование во второй зоне представляет интерес для оценки пригодности связующих материалов по величине их газотворности и устройству вентиляционных каналов. Состав выделяющихся здесь газов меняется во времени и зависит от скорости продвижения изотерм, определяющих температурные интервалы возгонки различных газотворных составляющих.
В работе определены составы газов, выделяющихся из песчаных смесей на сульфитной барде, талловом масле, канифоли, крепителях П, ГТФ, СПТ, HAK, а также из смесей с добавками графита, каменного угля и мазута. Газотворность изучалась нагревом навесок смеси в печах и непосредственным отбором газов из опытных форм, заливаемых металлом.
Высушенная при 110° С навеска смеси (12 г) в лодочке вводилась в трубчатую печь, предварительно нагретую до 1000° (рис. 1). Первые порции газа, содержащие много воздуха, выпускались в атмосферу. Затем пробы газа передавались на анализ. Состав газа определялся на газоанализаторе типа ВТИ-2. Путем избирательного поглощения жидкими реагентами устанавливалось суммарное содержание СО2 и SO2; общее количество непредельных углеводородов CnHm; кислорода О2 и окиси углерода CO. Количество водорода Н2 и предельных углеводородов CnH2n+2 находилось путем фракционированного сжигания над окисью меди. Поскольку содержание азота определялось по остатку газа, то к N2 относились и другие газы, не взаимодействующие с поглотителями.
Средний состав газовых смесей представлен в табл. 1, из которой следует, что основными компонентами газов являются H2, CO, СО3. Количество остаточного кислорода 2—3%. Содержание углеводородов особенно значительно для связующих П, СПТ, HAK. До 30—60% углеводородов возгоняется из смесей, содержащих мазут и каменный уголь.
Обращает на себя внимание большое количество водорода, присутствующего в газах, особенно при использовании крепителей П, СПТ и таллового масла. При анализе причин высокого содержания Н2 в газах формы следует учесть, что степень термической диссоциации водяных паров по реакции
Химическое взаимодействие газов формы со сталью и чугуном

при реальных для литейной формы температурах ничтожна.
Другим источником водорода может явиться диссоциация углеводородов при высоких температурах.
Химическое взаимодействие газов формы со сталью и чугуном

Однако высокое содержание H2 характерно и для смесей, которые почти не выделяют углеводородов (например, с добавками графита). Очевидно, основным источником выделения H2 следует считать взаимодействия
Химическое взаимодействие газов формы со сталью и чугуном

Твердый углерод либо присутствует уже в исходном составе смеси (графит, уголь, кокс), либо появляется в связи с частичным ококсованием органических связующих материалов при высоких температурах.
Химическое взаимодействие газов формы со сталью и чугуном

Значения констант равновесия реакций приведены в табл. 2.
Химическое взаимодействие газов формы со сталью и чугуном

Ввиду значительного количества паров воды в порах формы реакции (2) и (3) в зоне высоких температур развиваются очень интенсивно, а это приводит к сильному обогащению газовой среды водородом.
Химическое взаимодействие газов формы со сталью и чугуном

Газовая атмосфера контактной зоны определялась по схеме, приведенной на рис. 2. В опытную форму ставился стержень d = 30 мм, h = 120 мм. На расстоянии 3—5 мм от поверхности в стержне выполнялся канал d = 3—4 мм, который соединялся с кварцевой трубкой. Формы заливались сталью 35Л (tзал = 1560°), чугуном (tзал = 1350°) и алюминием (tзал = 800°). После заливки металла газ через кварцевую трубку забирался в бюретку. Такой способ отбора проб позволял оценить газовую атмосферу непосредственно у поверхности залитого металла.
Усредненные результаты анализа проб газа в контактной зоне стержней: приведены в табл. 3.
Газовая смесь взаимодействует с металлом отливки. Основными видами: реакций при этом являются:
Химическое взаимодействие газов формы со сталью и чугуном

Роль реакции (4) в окислении железа в форме мало существенна, так как запасы свободного кислорода в порах смеси невелики. Гораздо большее значение имеют реакции (6) и, особенно, (5). Последняя ведет не только к образованию окислов железа в контактной зоне, но и к насыщению металла водородом.
Химическое взаимодействие газов формы со сталью и чугуном

На рис. 3 представлены состав газовых смесей, равновесные с FeO, а также с фаялитом 2FeО*SiО2. Чтобы образующаяся в контактной зоне газовая смесь предохраняла металл от окисления, необходимо иметь отношения %СО/%СО2 и %Н2/%Н2О больше равновесных по реакциям (5) и (6), а также по аналогичным реакциям с участием силикатов железа.
Анализ данных табл. 3 показывает, что относительно %СО/%СО2 этому требованию наиболее полно удовлетворяют смеси с добавками угля, графита, а также с крепителями ГТФ, СПТ.
Оценка отношения %H2/%H2O требует дополнительных экспериментальных данных.
Химическое взаимодействие газов формы со сталью и чугуном

Для создания восстановительной атмосферы в форме обычно используются углеродсодержащие добавки к смесям и краскам (графит, каменный уголь, кокс и т. д.). Однако при их применении после заливки металла в форму требуется значительное время, в течение которого в газовой фазе будут исчерпаны запасы свободного О2, а содержание CO2 и H2О снизится до требуемого предела. Это снижает эффективность подобных противопригарных средств и заставляет искать более быстродействующие восстановители.
Перечисленные восстановители могут применяться в составе противопригарных красок и припылов либо в виде индивидуальных веществ, либо в виде сплавов и соединений типа Si—Ca, Fe—Si; Al—Mg, Mg—Si; SiC; TiC; ZrC; TiB2 и т. п. Сущность действия их связана с активным протеканием окислительно-восстановительных реакций.
На рис. 4 представлены температурные зависимости ΔZ° для реакций восстановления FeO кальцием, магнием, алюминием и кремнием.
Термодинамическая эффективность действия указанных раскисляющих добавок велика во всем интересующем литейщиков интервале температур. Конечно, фактический состав газов у поверхности отливки будет только в той или иной мере приближаться к равновесному, но все же по раскисляющему действию на газовую атмосферу эти восстановители значительно превосходят углерод.
Химическое взаимодействие газов формы со сталью и чугуном

Для успешного внедрения их необходима тщательная отработка ряда технологических параметров: целесообразный состав восстановителя, предупреждающий его пассивирование или преждевременную возгонку, крупность частиц, способ нанесения на форму или стержень, толщина слоя покрытия и др. Положительный опыт ряда заводов по использованию порошка алюминия и силикокальция в покрытиях для форм и стержней позволяет ожидать, более широкого применения этого метода улучшения качества поверхности отливок.