Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
В рабочем пространстве различных печен, работающих без специально создаваемой искусственной атмосферы, обычно присутствуют следующие газы: кислород, водяной пар, углекислый и сернистый газы, а также водород, окись углерода и углеводороды. Kpoмe того, обычно в больших количествах присутствует азот.
Одновременно в печи могут находиться и окислительные и восстановительные газы. В практических условиях такое совместное присутствие противоположных по свойствам газов возможно потому, что атмосфера в печи находится в движении и процессы не успевают закончиться.
Печная атмосфера представляет систему неравновесную. Пламя или продукты сгорания топлива в отдельных струйках могут содержать кислород, а в соседних — восстановительные газы, например водород или углеводороды. В таком случае окислительная и восстановительная атмосферы будут действовать на металл в последовательном порядке.
Медь в твердом состоянии при нагреве в среде кислорода или воздуха с поверхности постепенно переходит в окалину. В зависимости от температуры нагрева и от концентрации кислорода при нормальном давлении окалина будет состоять из закиси или из окиси меди или частично из раствора одного окисла в другом. Ближе к поверхности металла будет находиться закись меди, а снаружи может образоваться и окись меди.
По совокупности различных работ наиболее правильной следует считать диаграмму состояний, приведенную на рис. 28. Практическое значение при плавке меди эта диаграмма имеет при содержании закиси меди от 0 до 15%. Эвтектика, кристаллизующаяся при температуре 1065°, содержит 3,4% Сu2О. Твердый раствор заключает в себе от 0,003 до 0,1% Сu2О в зависимости от температуры.
При нагреве в воздушной атмосфере с достаточным притоком свежего воздуха кусок меди будет постепенно, равномерными слоями, переходить в закись меди при температурах выше 575° Диффузии закиси меди внутрь куска заметно не будет.
В случае нагрева меди в атмосфере, слабо окислительной, т. е. в такой, которая содержит кислорода значительно меньше, чем это соответствует содержанию его в воздухе, скорость нарастания слоя окалины уменьшится, и будет обнаруживаться диффузия закиси меди внутрь металла.
При нагреве литой меди диффундирующая закись меди распространяется преимущественно по границам зерен, но в дальнейшем она диффундирует и внутрь самих зерен.
На первый взгляд может показаться странным, что диффузия наблюдается в случае нагревания металла в слабо окислительной атмосфере и совсем не замечается при нагревании в сильно окислительной атмосфере. Явление легко объясняется, если сопоставить скорость образования слоя закиси меди на поверхности образца v1 со скоростью диффузии закиси меди в медь v2. Скорость образования слоя закиси меди на поверхности нагретого куска меди есть функция (f) от скорости диффузии кислорода через слой закиси меди v3, от толщины этого слоя 6, от скорости реакции диффундирующего кислорода с медью на поверхности образца v4:
Если v1 больше v2, то в результате нагрева образца меди будет иметь место энергичное образование окалины, но диффузии закиси меди внутрь меди заметно не будет, так как медь на всем расстоянии от поверхности, которое должна была бы пройти закись меди при диффузии, целиком перейдет в закись меди. Этот случай имеет место при больших концентрациях кислорода в атмосфере, где находится медь в нагретом состоянии.
В случае слабо окислительной атмосферы в печи, наоборот, скорость диффузии закиси меди в медь больше скорости образования слоя закиси меди с поверхности образца: v2 больше v1.
В практике прокатного производства часто пользуются способностью меди быстро давать окалину в окислительной атмосфере для освобождения слитков от поверхностного слоя, содержащего большое количество закиси меди. Нагрев слитков перед прокаткой в этом случае ведут в сильно окислительной атмосфере. Обогащенный закисью меди поверхностный слой слитка на глубине нескольких миллиметров переходит в окалину, а под ней остается гладкая поверхность меди, не содержащая повышенного количества закиси меди. При первых обжатиях во время прокатки окалина легко отскакивает от слитка.
Нагрев в окислительной атмосфере применяется взамен обточки поверхности слитков. В рассмотренном случае условие v1>v2 использовано для практических целей.
При нагревании меди, загруженной в качестве шихтового материала в плавильную печь, взаимодействие с кислородом идет в соответствии с закономерностями, рассмотренными выше. В результате такого нагрева в окислительной атмосфере медь может оказаться покрытой более или менее толстым слоем окалины, или закись меди может продиффундировать на некоторую толщину вглубь, или, наконец, может иметь место и тот и другой процесс.
Никель в окислительной атмосфере печи ведет себя аналогично меди. При взаимодействии никеля с кислородом воздуха также образуются окислы и прежде всего закись никеля NiO. Диаграмма состояний Ni—NiO (рис. 29) отличается от диаграммы состояний Cu—Cu2O отсутствием расслоения сплавов. В пределах, имеющих практическое значение, эти диаграммы одинаковы в качественном отношении. Обе со стороны металла имеют эвтектику; обе показывают образование твердого раствора, причем в обоих случаях растворимость при повышении температуры увеличивается. Этим в значительной мере объясняется аналогичное поведение никеля и меди в окислительной атмосфере печи. При взаимодействии с кислородом воздуха на поверхности куска никеля образуется окалина. В случае малой концентрации кислорода может иметь место диффузия закиси никеля в никель. При промежуточных условиях будет наблюдаться и образование окалины и диффузия в металл.
Медь в атмосфере водяного пара и углекислого газа практически не изменяется. Бескислородная медь почти не обнаруживает тенденции к окислению, хотя едва заметные цвета побежалости при этом появляются. Закись меди, содержащаяся в меди, ни водяным паром, ни углекислым газом не восстанавливается. Таким образом, атмосфера Н2О и СО2 для твердой меди является практически нейтральной.
Упругость диссоциации закиси никеля значительно ниже упругости диссоциации закиси меди в одинаковых условиях. Вследствие низкой упругости диссоциации закиси никеля, металлический никель в нагретом состоянии вступает во взаимодействие как с водяным паром, так и с углекислым газом, чем он отличается от меди.
Это взаимодействие идет в соответствии с реакциями:
которые являются реакциями подвижного химического равновесия. Они идут в прямом или обратном направлении в зависимости от концентрации участвующих в реакции веществ, температуры и давления.
В отличие от меди, никель в атмосфере водяного пара и углекислого газа в нагретом состоянии окисляется, при этом может происходить диффузия закиси никеля в никель.
С сернистым газом как медь, так и никель может вступать в реакции с образованием закисей и сернистых соединений по уравнениям:
Реакции также могут идти в обоих направлениях в зависимости от концентрации участвующих веществ, температуры и давления.
Таким образом, как медь, так и никель, помещенные в атмосферу сернистого газа, могут насыщаться и кислородом и серой, каждый из которых в свою очередь образует соответствующее химическое соединение.
Медноникелевые сплавы в условиях окислительной атмосферы ведут тебя аналогично никелю, причем чем больший процент никеля содержит сплав, тем ближе его поведение к поведению никеля.
Медносеребряные сплавы, наоборот, по поведению в окислительной атмосфере больше походят на медь, так как кислород в таких сплавах находится в виде закиси меди.
- Взаимодействие твердого металла с жидкими веществами в рабочем пространстве печи
- Воздействие загружаемых твердых шихтовых материалов на тигли и футеровку печей
- Классификация элементов плавки и влияющих на нее факторов
- Тигли для печей без железного сердечника
- Разновидности конструкций печей без железного сердечника