Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла

Взаимодействие расплавленного металла с футеровкой печи


Взаимодействие расплавленного металла с футеровкой печи может проявляться в следующих видах:
A. Механическое взаимодействие, состоящее в том, что столб расплавленного металла оказывает давление на нижнюю часть футеровки и при наличии трещин в ней может вытечь из печи.
Б. Физическое взаимодействие, состоящее в том, что при индукционном нагреве может иметь место оплавление футеровки печи в местах наибольшего повышения температуры металла.
B. Химическое взаимодействие, заключающееся в течении обменных химических реакций между металлом и материалом футеровки или отдельными составными ее частями, а также в химических реакциях окислов металла с футеровкой, отличающейся от них по химическому характеру.
Г. Физико-химическое взаимодействие, проявляющееся в растворении материала сосуда, в котором производится плавка, металлом или его окислами.
Первые три случая относятся к взаимодействию металла с огнеупорной футеровкой печи, четвертый в большей степени — к процессам, происходящим между расплавленным металлом и металлической стенкой плавильного сосуда.
Регулирование температуры металла в нагревательном канале индукционной печи с железным сердечником при плавке латуни не требует никаких специальных терморегуляторов, так как температура кипения латуни сравнительно немного отличается от температуры плавления (температура ликвидуса); например, для латуни 70:30 эта разность не превышает 220°. В процессе плавки, когда в сплаве, находящемся в нагревательном канале, будет достигнута температура ~1160°, произойдет вскипание сплава с образованием пузыря пара цинка, чем будет разомкнута цепь тока, таким образом, будет происходить самопроизвольная стабилизация температуры около точки кипения сплава. При этом имеется гарантия от оплавления футеровки, температура плавления которой около 1600°.
Значительно более высокие температуры в нагревательном канале могут получаться при плавке сплавов, имеющих высокую температуру кипения. Такие сплавы, как мельхиор (сплав меди с накелем 80:20 или 70:30), алюминиевые бронзы, кремниевые бронзы и др. имеют температуры кипения выше температур плавления материала футеровки, поэтому при их плавке в индукционной печи с железным сердечником может иметь место оплавление футеровки нагревательного канала.
Взаимодействие расплавленного металла с футеровкой печи
Взаимодействие расплавленного металла с футеровкой печи

При плавке этих сплавов необходимо особо тщательно следить за температурой металла в нагревательном канале или еще лучше устанавливать автоматические терморегуляторы во избежание перегpeвa, могущего повлечь за собой оплавление футеровки.
Рассмотренными случаями практически и ограничивается значение физического взаимодействия расплавленного металла с футеровкой печи.
Механическое взаимодействие, проявляющееся в действии гидростатического давления столба расплавленного металла, следует принимать во внимание при конструировании или выборе печей, в особенности индукционных с железным сердечником. С этой точки зрения печи с горизонтальным нагревательным каналом представляют преимущества перед печами с вертикальными каналами, так как давление столба расплавленного металла на футеровку в наиболее низкорасположенной точке подового канала в печах первого типа меньше, чем в печах второго типа.
Химическое взаимодействие в виде обменных реакций обусловливается, как и течение всех химических реакций, разностью в упругости диссоциации вступающих в реакцию веществ и соединений, образующихся в результате реакций.
Большинство огнеупорных материалов состоит из окислов, иногда соединенных вместе в виде солей или твердых растворов, а в иных случаях остающихся в виде смесей.
Окислы можно расположить в ряд по возрастанию их упругости диссоциации. В практике чаще пользуются таблицами теплот образования (табл. 5), что в первом приближении допустимо, так как теплота образования является следствием активности веществ, характеризующейся упругостью диссоциации соединений.
В начале таблицы расположатся такие элементы, как натрий, кальций, магний, алюминий, которые обладают высоким тепловым эффектом реакции окисления или малой упругостью диссоциации окислов, а в конце найдут себе место медь, серебро и золото, упругость диссоциации окислов которых высока (теплота образования окислов мала).
Огнеупорные материалы состоят из окислов кальция, магния, алюминия кремния, железа, хрома, циркония, иногда цинка и др.
Все металлы могут вступать в реакции с футеровкой, в составе которой имеются окислы, обладающие большей упругостью диссоциации по сравнению с упругостью диссоциации окислов металла, вступающего в реакцию.
Медь, не содержащую окислов, можно плавить в соприкосновении с любым из перечисленных окислов, входящих в состав огнеупорных материалов, и реакции с ними происходить не будут. При плавке алюминия и магния или их сплавов применять футеровку, состоящую из кремнекислоты, окислов железа или хрома, не следует, так как могут идти реакции (1) и следующие:
Взаимодействие расплавленного металла с футеровкой печи

Окислы, вновь полученные в результате этих реакций, останутся в твердом состоянии у поверхности футеровки или в виде мелких неметаллических включений перейдут в металл. Металлы же, восстановленные из окислов футеровки, перейдут в сплав, если они в нем растворяются. В случае, если при реакции не происходит значительных изменений объемов, получающиеся окислы могут остаться на поверхности футеровки, образуя как бы новый слой огнеупорного материала, уже не вступающего в реакцию с металлом. Правда, этот новый слой часто бывает перемешан с металлом, поэтому обладает малой механической прочностью и легко отскакивает, иногда же он сохраняется довольно хорошо и дальнейшей работе не препятствует.
Такой случай наблюдался на одном из подмосковных заводов при плавке алюминиевых сплавов в электрических отражательных печах, когда имела место реакция между кремнеземом футеровки и алюминием. В результате реакции футеровка растрескивалась и отваливалась кусками.
Как правило, таких химических реакций металла с футеровкой печи следует избегать, так как в результате их металл загрязняется посторонними примесями и разъедается футеровка печей.
Для каждого взятого металла футеровкой, не вступающей с ним в обменную реакцию, будет такая, которая образована окислами, расположенными в ряду теплот образования (табл. 4) выше окислов взятого металла. Иначе говоря, футеровка должна состоять из окислов, обладающих более низкой упругостью диссоциации, чем упругость диссоциации окислов взятого металла, и в последнем не растворяющихся.
С другой стороны, окислы, образующиеся при окислении металла в ванне, так же как и окислы, составляющие футеровку печи, могут иметь или кислотный, или основной характер. Типичным кислотным окислом является кремнезем; иногда роль кислотного окисла играет также глинозем. Большая часть окислов других металлов, составляющих футеровку печи, является окислами основными.
Кислотные окислы вступают в соединение с основными, образуя соли, которые обычно более легкоплавки, чем составляющие их исходные окислы.
Если в результате окисления металла или примесей, находящихся в нем, образуются окислы основного характера, а футеровка состоит из кремнекислоты, то между окислами металла и кремнекислотой футеровки пойдет реакция образования солей кремнекислоты, называемых силикатами. Последние, сплавляясь вместе, будут иметь еще более низкую температуру плавления и дадут шлак в расплавленном состоянии.
Шлак может растворять в себе большее или меньшее количество кремнекислоты, что будет способствовать новому поглощению основных окислов из металла, а это, в свою очередь, будет вызывать дальнейшее растворение футеровки печи и т. д.
В тех случаях, когда рафинирование меди производится лишь в слабой степени, например, при переплавке достаточно чистой меди с целью отливки слитков, с успехом могут применяться печи с кислой футеровкой. При каждой плавке футеровка печи по месту ее соприкосновения со шлаком будет разъедаться, т. е. реагировать с окислами, в результате чего температура плавления понизится и образовавшаяся соль (силикат) при этих температурах будет находиться уже в расплавленном состоянии. Чтобы иметь возможность вести следующую плавку, полости, образовавшиеся в результате растворения части футеровки, засыпаются возможно чистым кварцевым песком, который при последующем нагреве пропитывается закисью меди и шлаком и схватывается с подиной.
При рафинировании меди, содержащей большое количество примесей, для ошлакования последних и выделения их из ванны требуется значительное количество кремнекислоты. Если и в этом случае продолжать пользоваться кремнеземом из кислой футеровки печи, то за время каждой плавки растворение набойки окажется таким значительным, что восстановить ее путем подварки пескам уже будет трудно. В этом случае печь должна слишком часто останавливаться на ремонт. В таких случаях выгоднее футеровку ванны печи или только частей ее, соприкасающихся со шлаком, делать из основного огнеупорного материала, например, из магнезита, который основными же окислами, получающимися в результате окисления примесей в меди, разъедаться не будет.
В случае перехода на рафинирование меди на основном поду главные принципы рафинирования должны быть сохранены. Для удаления окисленных примесей из металла необходимо их связать в виде силикатов, которые в расплавленном состоянии образуют шлак. При шлаковании основных окислов в процессе рафинирования на кислом поду кремнекислота бралась из набойки печи. После замены кислой футеровки основной кремнекислоту для связывания окислов, образующихся при окислении примесей, необходимо вводить специально, так как в противном случае окислы будут удаляться из ванны, а при раскислении меди восстановятся снова. Кремнекислота в виде обыкновенного песка должна вводиться в ванну перед окислением и каждый раз после снятия шлака. При таком ведении процесса рафинирование идет нормально, и медь получается достаточно полно освобожденной от примесей.
При плавке медных сплавов, которые не подвергаются рафинированию от примесей, взаимодействие расплавленного металла с футеровкой печи имеет второстепенное значение.
При плавке алюминия и магния, а также и их сплавов, шлакования окислов не происходит, так как температуры, при которых ведется плавка, значительно ниже температур плавления шлаков, образование которых мыслимо при взаимодействии окислов с футеровкой печи.
Физико-химическое взаимодействие расплавленного металла с твердыми веществами, проявляющееся в растворении материала сосуда, в котором находится металл, происходит преимущественно при плавке в металлических тиглях или котлах.
В металлических сосудах производится плавка сравнительно легкоплавких сплавов, в том числе алюминиевых и магниевых.
Магний и магниевые сплавы при низких температурах почти не растворяют железо, поэтому широко распространена плавка их в железных или стальных тиглях. Лишь при более высоких температурах, порядка 850—875°, происходит некоторое растворение железа в магниевых сплавах. Это растворение невелико, и оно заметно не влияет на продолжительность срока службы железных тиглей.
Так как растворение в магниевых сплавах небольшого количества железа способствует измельчению кристаллов слитка, то перегревом расплавленных магниевых сплавов в железных или стальных тиглях пользуются для перевода в сплав необходимого количества железа. Считается, что нагрев магниевого сплава, содержащего 4% Al, до 850—875°, выдержка в течение 20 мин. в стальном тигле являются оптимальными условиями для получения мелкокристаллической структуры слитка. При этом в сплаве обнаруживается 0,02% Fe.
Чугунные тигли или котлы часто применяются при плавке алюминиевых сплавов. Железо в алюминии растворяется в значительных количествах, не вызывая большого повышения температуры плавления сплава. Te количества, которые могли бы в соответствии с диаграммой состояний перейти в сплав до температуры 750° (до которой часто нагревают металл при плавке), оказываются слишком большими, чтобы их можно было допускать.
Одна переплавка алюминия в чугунном тигле без применения прокраски его внутренней поверхности в случае нагрева металла до температуры 720° и отсутствия длительной выдержки в расплавленном состоянии обогащает металл железом примерно на 0,03—0,05%. Если алюминий до переплавки содержал, например, 0,2% Fe, то отмеченное обогащение металла при переплавке нельзя считать значительным. Однако в тех случаях, когда возврат металла в виде отходов составляет значительный процент, с течением времени железа накопится столько, что может понизиться качество изделий.
Если по роду технологического процесса требуется перегрев сплава до более высоких температур, как, например, при плавке и модифицировании сплава алюминия с кремнием — силумина, от применения чугунных тиглей лучше воздерживаться.
Модифицированием силуминов называется процесс введения в сплав натрия или в металлическом виде, или в виде солей, из которых он восстанавливается расплавленным алюминием. Модифицирование силуминов применяется для получения мелкозернистой структуры эвтектики, что обусловливает также и повышение механических свойств отливок. Модифицирование производится при температурах 750—800° в случае применения металлического натрия и при температуре около 850—900° при введении в сплав натриевых солей в твердом виде. Только при применении легкоплавких соляных сплавов, подвергающихся для целей модифицирования электролизу (но литературным данным), температура может быть снижена до 680—730°.
В случае необходимости применения высоких температур при плавке алюминиевых сплавов в чугунных тиглях необходимо предварительно производить тщательную прокраску внутренней поверхности тигля огнеупорной, не реагирующей с металлом, хорошо пристающей к металлу тигля краской. Обычно для этой цели пользуются различного рода порошками, замешанными на водном растворе жидкого стекла. В качестве порошков-наполнителей применяют молотый асбест, тальк, известь, глинозем, магнезию и др.
Чтобы краска прочнее пристала к поверхности, ее наносят на нагретый тигель. В случае тщательного выполнения прокраски и сушки, а также при аккуратной загрузке металла и тщательном ведении всего процесса плавки прокраска поверхности тигля или котла хорошо предохраняет его от растворения в сплаве.
Загрязнение железом легкоплавких сплавов (цинковых, свинцовых, оловянных и др.) в чугунных котлах все же в отдельных случаях при плавке может иметь место, хотя и в меньшей степени.
В особенности быстро растворяется железо (мягкая сталь) в цинке при повышении температуры сверх 450—470°. При этом замечено, что растворение начинается и интенсивно идет по мecтaм межкристаллическогo залегания перлита в стали, что, между прочим, указывает на большую стойкость при соприкосновении с расплавленным цинком котлов и ванн, изготовленных из железа с возможно малым содержанием углерода.
При плавке цинка с целью отливки плит для прокатки нежелательно обогащение металла железом, так как с изменением содержания этой примеси меняется оптимальная температура его горячей прокатки, что может способствовать получению брака, а кроме того, загрязненные металлы обычно обладают меньшей коррозионной стойкостью. По этим причинам следует внутреннюю поверхность котлов подвергать тщательной прокраске для предохранения от растворения железа в сплаве.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: