» » Взаимодействие твердого металла с жидкими веществами в рабочем пространстве печи
02.02.2017

1. Явления физического и механического характера. При загрузке твердого металла шихты в печь, в которой находится ранее расплавленный металл и различного рода расплавленные покровные вещества, необходимо соблюдать осторожность и следить за тем, чтобы шихта была сухой и даже подогретой.
Часто склады шихтовых материалов не отапливаются, тогда к печам в зимнее и холодное время года поступает металл, температура которого ниже температуры воздуха в литейной. По этой причине влага из воздуха может легко конденсироваться на холодных кусках шихты (явление «отпотевания»). Влага конденсируется потону, что предельные концентрации насыщения воздуха водяным паром понижаются с понижением температуры. Слои воздуха, расположенные вблизи холодного предмета, становятся пересыщенными водяным паром и последний конденсируются на холодных поверхностях. Если температура поверхности выше 0°, то сконденсированная вода будет находиться в виде жидких капель, если же температура ниже 0°, то на холодной поверхности окажутся кристаллики льда или снега (иней). Загрузка такой шихты может повлечь выплёскивание металла, а иногда и весьма серьезные взрывы. Известны случаи, когда при загрузке в расплавленный металл кусков шихты, привезенных с мороза и не подогретых, происходили весьма сильные взрывы. В одном случае, например, весь свод двадцатитонной медеплавильной печи оказался снесенным и отброшенным на большое расстояние. Только но счастливой случайности не пострадали обслуживающие печь рабочие.
Загрузка подогретого металла в печь, где уже находится расплавленный металл, шлак или флюс, должна производиться с небольшого расстояния и осторожно во избежание разбрызгивания металла. Брызги металла увеличивают потери и тем повышают стоимость передела, а также они могут причинить ожоги работающим у печи.
2. Физико-химическое взаимодействие твердого металла с расплавленными веществами. В печи при плавке, кроме расплавленного металла, могут находиться в жидком состоянии образующиеся в результате реакций или создаваемые искусственно шлаки, а также флюсы, вводимые с целью рафинирования металла от окислов и других неметаллических включений, не растворяющихся в металле. Кроме того, там могут находиться покровные вещества, применяемые с целью защиты металла от взаимодействия с атмосферой печи.
При введении твердого металла в печь, где есть расплавленные шлак, флюс или покровные вещества, следует принимать все меры предосторожности во избежание расплескивания, как и в том случае, когда в печи имеется расплавленный металл. Шлак используется при плавке металлов и некоторых сплавов для целей рафинирования расплавленной ванны окислительным процессом. Взаимодействие твердого металла со шлаком в этом случае большого значения не имеет.
В случае крупной шихты плавка под слоем расплавленного флюса практикуется для магниевых сплавов, некоторых сплавов на алюминиевой основе, например, сплавов алюминия с магнием, с литием, наконец, некоторых специальных сплавов на никелевой основе.
Применяемые для плавки магниевых сплавов шихтовые материалы могут иметь на поверхности окислы, нитриды и другие легко образуемые магнием соединения. Большинство этих соединений имеет удельный вес, близкий к удельному весу расплавленного сплава, поэтому, при плавке сплава без флюса, соединения, присутствовавшие на поверхности кусков шихтового материала, могут остаться в виде включений в сплаве. Kpoме того, за время нагрева металла в печи количество окислов и других соединений увеличится, что также может увеличить количество их в сплаве.
Плавка магния и его сплавов с применением флюсов ведется различными способами, которые могут быть разделены на две основные группы. В одних случаях вначале флюс расплавляется в тигле, а затем в него погружается твердый шихтовой металл. В других случаях в тигель загружается металл, который сверху присыпается порошкообразным твердым флюсом.
При плавке по способу, относящемуся к первой группе, количество флюса доходит до 25—40% от веса металла. Одно из назначений флюсов — растворять окислы. В случае погружения твердого шихтового материала в расплавленный флюс последний сразу приходит в соприкосновение с поверхностными окислами, и уже в процессе нагрева металла до расплавления будет идти растворение окислов во флюсе. Новых окислов за время расплавления образоваться не может, так как металл целиком закрыт флюсом от соприкосновения с воздухом.
При плавке по какому-либо из способов, относящихся ко второй группе, загруженные до флюса куски шихтового материала частично еще продолжают окисляться и во время нагрева, тем более, что засыпанный сверху твердый флюс не покрывает всю поверхность кусков шихты. Однако флюс при этом способе используется экономнее.
После расплавления металла первая порция флюса перемешивается со сплавом и снимается. Затем вводится вторая порция флюса, и металл снова перемешивается с ним. Обогащенный окислами и другими соединениями флюс еще раз снимается. Такая замена флюса производится иногда два-три раза, после чего металл выливается. При этом способе плавки флюса расходуется значительно меньше, чем в первом случае, а именно, всего лишь от 5 до 10%.
Правда, при плавке по способам, относящиеся к первой группе, флюс может участвовать в рафинировании несколько раз, прежде чем он обогатится окислами настолько, что не будет пригоден для дальнейшего употребления. Несмотря на лучшее предохранение металла от окисления при плавке с применением погружения металла в расплавленный флюс, практики часто предпочитают пользоваться способом присыпки загруженного твердого металла молотым флюсом. Это объясняется потребностью большого количества флюса для начала работы и необходимостью применения специальной конструкции тиглей (рис. 26), позволяющих при литье освобождать металл от флюса. Во втором случае начальный расход флюса небольшой, отсутствует необходимость в тиглях специальной конструкции, так как имеется возможность пользоваться добавками к флюсу, которые повышают температуру его плавления («сгустителями»). Последние применяются для лучшего отделения флюса от металла.
Взаимодействие твердого металла с жидкими веществами в рабочем пространстве печи

При плавке других, менее реакционноспособных сплавов с применением крупной шихты необходимость погружения твердого металла в расплавленный флюс меньшая, поэтому взаимодействие твердого металла с расплавленным флюсом используется реже.
Чаще всего взаимодействие твердого металла с расплавленным флюсом используется при переплавке мелкогабаритной шихты — стружки, опилок и пыли от шлифовальных станков.
Переплавка мелкогабаритной шихты металлов и сплавов, окислы которых растворяются в них, например, меди и медноникелевых сплавов, больших затруднений не представляет. В этом случае окислы, образующиеся на поверхности твердых кусочков металла, растворяются в расплавленной ванне, и мелкие частички металла при расплавлении легко сливаются с металлом ванны и друг с другом.
Иначе ведут себя в таких случаях сплавы, дающие твердые окислы, не растворяющиеся в расплавленном металле. Особенно затруднительна переплавка мелкой шихты, если металл обладает малым удельным весом, а окисная пленка — большой прочностью (например переплавка стружки алюминиевых сплавов).
Если взять небольшой длины тонкую ленту алюминия или алюминиевого сплава, подвесить ее за верхний конец и в таком виде нагреть в окислительной (воздушной) среде до температуры несколько выше температуры плавления сплава, то она будет продолжать висеть, и рас-плавленный металл не выльется — он соберется в виде капли в нижней части оболочки, состоящей из окиси алюминия (в случае сплава в пленке могут находиться также и окислы других компонентов сплава) (рис. 27). В верхней части ленты останется небольшое количество металла, вследствие чего и толщина ленты в этом месте уменьшится.
Взаимодействие твердого металла с жидкими веществами в рабочем пространстве печи

При нагревании стружки или опилок в воздушной среде на каждом кусочке металла образуется прочная пленка окислов. При перегреве металлa выше температуры плавления он не вытекает из оболочки, образованной глиноземной пленкой, а остается внутри нее. Сплавленного металла не получается вовсе, пли выход его ничтожно мал.
Для повышения выхода металла при переплавке мелкой шихты может быть применен флюс, назначение которого — растворять окислы, образующиеся с поверхности. Как только глиноземные оболочки будут удалены, металл из них освобождается, вытекает и сливается, образуя ванну расплавленного металла. Загрузка твердой шихты в расплавленный флюс в этом случае дает возможность еще больше повысить выход металла, так как потери металла вследствие окисления во время нагрева отсутствуют.
Количество окислившегося металла увеличивается и по мере повышения температуры и с течением времени, поэтому нагрев стружки в окислительной атмосфере с применением твердого, хотя бы и порошковатого флюса обусловливает меньший выход металла и более быстрое насыщение флюса окислами, чем в случае загрузки в расплавленный флюс.
Потребность в применении флюса увеличивается по мере возрастания степени измельчения частиц стружки или опилок. Если из крупной стружки еще возможно получить без применения флюса переплавленный металл, хотя и с малым его выходом, то из мелкой стружки или опилок вообще невозможно получить слившийся металл без применения флюса.
Все рассуждения и наблюдения, приведенные в отношении взаимодействия твердого алюминия и алюминиевых сплавов, относятся также к аналогичному взаимодействию мелко раздробленной шихты тяжелых цветных сплавов, образующих твердые, нерастворимые в расплавленном металле окислы, нaпpимep алюминиевой бронзы, латуни, меднокремниевых сплавов и др. Правда, в этом случае вследствие большего удельного веса сплава предельный минимальный размер частиц стружки или опилок, которые могут переплавляться без флюса, несколько ниже.
Метод переплавки путем загрузки твердой шихты в расплавленный флюс и в этом случае рационален и находит себе применение.