Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи
» » Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

02.02.2017

Различными исследователями на основании анализа газов, собранных при кристаллизации расплавленной меди или взятых из пузырей слитков, отмечалось наличие в меди азота, углекислого газа, окиси углерода, водорода и других. Некоторые исследователи азот, окись углерода и углекислый газ признают газами, не вызывающими пузыристости слитков, т. е. газами, если и попадающими в металл, то не вследствие выделения их из раствора в металле при охлаждении.
А. Взаимодействие расплавленной меди с азотом. Между медью и азотом образуется химическое соединение Cu3N, но получается оно при действии сухого аммиака на окислы меди при температуре 250—260°. Это соединение в виде зеленого порошка, взрывающегося при нагревании до температуры выше 300°. В условиях плавки медь с азотом соединении не образует.
Несмотря на то, что иногда в пузырях слитков, а также в пробах, собранных при кристаллизации отливок, обнаруживали азот, более обстоятельные работы показали, что если некоторая растворимость азота в меди и имеет место, то или она уже невелика к моменту кристаллизации металла (газ выходит еще из расплавленного металла), или она для расплавленного металла не выше, чем для твердого.
Как бы то ни было, слитки, полученные из металла, который плавился в атмосфере азота при различных температурах от 1100 до 1890°, неизменно оказывались плотными. Даже в том случае, когда кристаллизация слитка после плавки металла в азоте производилась сверху во избежание выхода газа во время кристаллизации, в разрезе слитка заметна лишь небольшая усадочная пористость. Никаких газовых пузырей в слитке не было (рис. 45). Плотность слитка при этом была получена 8,63.
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

Таким образом, для практических целей вполне можно считать, что азот для меди является нейтральным газом.
Б. Взаимодействие расплавленной меди с кислородом. Как показали специально поставленные опыты по изучению процесса окисления меди в атмосфере воздуха, закономерность окисления расплавленной меди с течением времени аналогична зависимости от времени окисления в твердом состоянии. Вначале происходит быстрое поглощение медью кислорода из воздуха, но, по мере растворения закиси меди в металле, дальнейшее поглощение замедляется (рис. 46).
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

При этих опытах медь расплавлялась в четырех одинаковых магнезитовых тигельках в вертикальной трубчатой электрической печи в атмосфере азота. По расплавлении и принятии металлом определенной температуры азот быстро вытеснялся снизу воздухом, который в дальнейшем пропускался через печь со средней скоростью 0,13 л/мин. Через определенные промежутки времени (5, 15, 45 и 90 мин.) по одному тигельку выводилось в нижнюю, охлаждаемую, часть печи, где металл быстро затвердевал и охлаждался. Определение содержания закиси меди производилось планиметрическим способом. Опыты были проведены при температурах 1100 и 1150°. Кривые, характеризующие степень окисления с течением времени (рис. 46), аналогичны по характеру, но значительно отличаются друг от друга по числовым величинам. При более высокой температуре окисление меди идет значительно быстрее, чем при более низкой. По-видимому, окисление при более высоких температурах происходит быстрее потому, что более нагретый металл обладает большей подвижностью, тем более, что плавка производилась в тигельках, которые нагревались с боков, что вызывало при высоких температурах лучшее перемешивание металла под влиянием конвекции.
Слитки во всех случаях были получены плотные, даже без следов газовых пузырей. Литературные данные, указывающие на присутствие в газах, собранных при затвердевании меди, свободного кислорода, поставленными опытами опровергаются.
Если в атмосфере, соприкасающейся с расплавленной медью, содержится кислорода меньше, чем в воздухе, то, естественно, и скорость насыщения меди закисью меди уменьшается.
Числовые значения окисления меди с течением времени, разумеется, справедливы только для взятых условий опыта. При изменении конфигурации и объема ванны, скорости прохождения воздуха, температуры, давления, движения металла и т. д. будут меняться и количественные величины окисления металла с течением времени.
В. Взаимодействие расплавленной меди с водяным паром. При взаимодействии расплавленной меди с водяным паром может иметь место обратимая реакция:
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

При определенном давлении и температуре в зависимости от концентрации участвующих в реакции веществ она может пойти в ту или другую сторону.
Так как упругость диссоциации закиси меди значительно выше при обычных температурах плавки меди по сравнению с упругостью диссоциации водяного пара, то для течения реакции слева направо необходимо все время удалять продукты реакции, в частности, водород, что представляет значительные затруднения, так как водород растворяется в расплавленном металле.
Уже на основании приведенной реакции (38) можно заключить, что в расплавленной меди одновременно могут присутствовать и водород и закись меди при наличии в атмосфере водяного пара. Количественные соотношения между содержанием кислорода и водорода в меди (рис. 47) показывают, что при содержании в металле 0,00020% Н2 содержание кислорода практически равно нулю, тогда как при содержании в меди 0,25% О2 в ней еще остается 0,00001% H2. Последнее соотношение, правда, вызывает некоторое сомнение, так как даже из практики известно, что для возвращения передразненной меди к нормальному состоянию, т. е. к полному удалению из нее водород, необходимо окисление ее до содержания 1—1,5% Cu2O или 0,11—0,16% О2.
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

Кривая равновесия между кислородом и водородом в расплавленной меди имеет вид. близкий к виду равносторонней гиперболы.
Так как водород растворяется в меди, то, как только реакция (38) пройдет слева направо даже в малой cтепени, она вследствие растворения водорода, получающегося в результате реакции, приостановится. Дальнейшее течение реакции слева направо станет возможным лишь после удаления водорода. В практических условиях реакция (38) легко идет оправа налево, так как водяной нар уходит из меди. Таким образом, водяной пар, присутствующий в атмосфере рабочего пространства печи, никакого влияния на медь практически не оказывает, поэтому он может считаться газом, весьма мало активным по отношению к расплавленной меди, так же как и по отношению к твердой меди.
На окисленную медь водяной пар тем более не может оказать никакого влияния.
Г. Взаимодействие расплавленной меди с углекислым газом. Взаимодействие расплавленной меди с углекислым газом аналогично ее взаимодействию с водяным паром. Разность между упругостью диссоциации закиси меди и углекислого газа меньше, чем между упругостью диссоциации закиси меди и водяного пара. Возможность окисления меди углекислым газом поэтому несколько больше, так как окись углерода легче будет уходить из металла при реакции:
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

Тем не менее в практических условиях и эта реакция в заметной мере не идет, почему углекислый газ и для расплавленной меди может считаться газом, весьма мало активным, так же как он является практически нейтральным по отношению к твердой меди. С окисленной медью углекислый газ тоже, по-видимому, не вступает в какое-либо взаимодействие.
Мнение о присутствии в меди закиси меди в виде коллоидного раствора и о возможности абсорбции водяного пара и углекислого газа этой коллоидной закисью меди вряд ли соответствует действительности, так как не удастся обнаружить отличия между закисью меди обычной и закисью меди, выкристаллизовавшейся из металла, взаимодействовавшего с водяным паром или углекислым газом. Если же последние не входят в виде раствора в закись меди, то при кристаллизации они должны были бы выделиться в виде пузырьков. Однако в слитках окисленной меди, подвергавшейся действию водяного пара или углекислого газа, так же, как и в обычной окисленной меди, такого рода включения газа не обнаруживаются.
Пузыристые слитки из окисленной меди, которые иногда описываются в литературе, получались, несомненно, при отливке или затвердевании окисленной меди в присутствии восстановительной атмосферы, так что пониженное качество их обусловлено газами, выдeляющимиcя в результате реакции, и никакого отношения к растворимости в меди или абсорбции газов закисью меди не имеют.
Д. Взаимодействие расплавленной меди с окисью углерода. Мнения по вопросу взаимодействия расплавленной меди с окисью углерода разноречивы. Одни исследователи указывают, что растворимость окиси углерода даже больше, чем растворимость водорода. Другие пришли к заключению, что аналогично азоту окись углерода не вызывает образования пузырей в слитках.
Проверка, поставленная в более точных условиях, когда после выдержки металла в течение 75 мин. при температуре 1100° в атмосфере окиси углерода слиток был закристаллизован сверху, показала, что пузыри в слитке действительно в этих условиях не образуются (рис. 48). Плотность слитка оказалась 8,82.
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

Исследованиями последнего времени обнаружена растворимость углерода в меди до 0,2%. С другой стороны, и кислород растворяется в меди. Если и углерод и кислород растворяются в меди, то можно ожидать и некоторой растворимости окиси углерода.
Таким образом, сопоставляя приведенные факты, можно признать, что растворимость окиси углерода в расплавленной меди имеет место, но она мало меняется с температурой, даже при переходе от жидкого состояния к твердому, поэтому слитки, отлитые из металла, подвергавшегося в расплавленном состоянии действию окиси углерода, получаются без газовых пузырей.
Пузыри в слитках меди могут возникать в случае если медь, содержащую в растворе окись углерода или углерод (если его растворимость считать фактом достоверным), отливать в окислительной атмосфере. Тогда могут иметь место реакции:
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

Эти реакции и могут обусловить пузыристость слитков.
В отношении расплавленной меди, содержащей закись меди, окись углерода является восстановителем. Реакция (41) экзотермическая, поэтому процесс восстановления закиси меди идет довольно энергично.
Восстановление окисленной меди окисью углерода все же идет медленнее, чем восстановление водородом, так как растворимость окиси углерода в меди невелика. Восстановление происходит преимущественно с поверхности. Восстановленная медь обладает большим удельным весом по сравнению с окисленной, поэтому она будет стремиться опуститься вниз или смешаться с окисленной. И в том и в другом случае на поверхности ванны снова окажется окисленная медь, которая будет восстанавливаться окисью углерода, и т. д.
Опыты восстановления окисленной меди окисью углерода, при которых четыре магнезитовых тигелька помещали на одном уровне в атмосфере азота в трубчатой вертикальной электрической печи, производились при температурах 1100 и 1160°. Когда медь расплавлялась, в печь, вначале быстро, а потом со скоростью около 0,15 л/мин пропускали окись углерода. Исходная медь содержала около 0,7% О2. По мере восстановления, через определенные промежутки времени, по одному тигельку с медью быстро выводилось в нижнюю, охлаждаемую водой, часть трубки печи. Кристаллизация происходила в атмосфере окиси углерода.
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

Как показали результаты опытов (табл. 5 и рис. 49), вначале восстановление идет быстро, а по мере уменьшения содержания кислорода в меди восстановление замедляется.
Восстановление идет быстрее при более высоких температурах. При температуре 1160° уже в течение 30 мин. произошло почти полное восстановление, тогда как при температуре 1100° после 45 мин. воздействия окиси углерода на металл в нем еще осталось около 0,03% О2.
Слитки, содержащие значительное количество закиси меди (в опытах свыше 0,3—0,5%) и закристаллизованные в атмосфере окиси углерода, оказались пузыристыми. Слитки же, содержащие меньше 0,3% Сu2О, оказались плотными.
В первом случае имело место образование пузыристости слитков вследствие реакции (41) между закисью меди и теми небольшими количествами окиси углерода, которые находились в растворе в меди.
Реакция продолжалась в течение всего времени кристаллизации, так как и закись меди и окись углерода все время присутствовали в металле; поэтому слиток получился с включениями газа в виде пузырей. В данном случае пузыри заполнены углекислым газом, но из этого отнюдь не следует, что углекислый газ растворяется в расплавленном металле больше, чем в твердом, и что это может послужить причиной образования пузырей в слитке.
Восстановление окисленной меди окисью углерода могло бы на практике представить большие преимущества, так как окись углерода весьма мало растворима в меди, а восстановление ею производится достаточно быстро. Благодаря этому при восстановлении окисленной меди окисью углерода отсутствует опасность получения пузыристых слитков, что может иметь место при восстановлении меди водородом. He применяется этот способ восстановления меди на практике, по-видимому, только из соображений техники безопасности, так как окись углерода — отравляющее вещество.
Е. Взаимодействие расплавленной меди с водородом. Водород, пожалуй, единственный газ, относительно которого не возникает никаких сомнений в его большой растворимости в меди. Также совершенно твердо можно сказать, что растворимость водорода в расплавленной меди значительно выше, чем в твердой.
Специально поставленными опытами в разных лабораториях определена растворимость водорода в меди при температуре плавления около 6 см3/100 г металла, что в три раза больше растворимости водорода в твердой меди при той же температуре (рис. 50). Опыты изучения влияния водорода на пористость слитков меди показали, что при всех температурах воздействия водорода на медь в пределах от 1100 до 2180° слитки получаются пузыристыми, несмотря на то, что кристаллизация их производилась путем помещения тигелька в нижнюю, охлаждаемую водой, часть печи. При насыщении меди водородом с последующим охлаждением слитков сверху (путем вывода тигелька с металлом в верхнюю, охлаждаемую водой, часть трубы вертикальной печи) были получены аналогичные результаты, но абсолютная пористость получена большей по сравнению с тем, что было получено в предыдущих опытах, так как газа во время кристаллизации остается меньше возможности.
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

В случае насыщения меди водородом при температуре 1100° в течение 75 мин. объем пузырей в слитке составил 37,2% (рис. 51, а). При насыщении же при температуре 1150° в течение того же периода времени объем пузырей составил 35,6% (рис. 51, в). Такое понижение содержания пузырей в слитках должно быть объяснено не понижением растворимости водорода с повышением температуры, а условиями затвердевания слитка. Наоборот, полученное в ранее упомянутых опытах снижение пузыристости слитков при температурах выше 1800° правильнее объяснить снижением растворимости водорода при таких высоких температурах вследствие повышения упругости пара меди при этих условиях.
Вакуум-проба, применяемая для определения степени газированности металла, при кристаллизации тщательно выдразненной меди, в вакууме все же показывает присутствие значительного количества газов, тогда как при кристаллизации того же металла при нормальном давлении нетравленый макрошлиф слитка не обнаруживает каких-либо видимых невооруженным глазом пузырей.
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

Ж. Влияние изменения давления на растворимость водорода в расплавленной меди. Как было указано выше, на основании многочисленных исследований установлено, что растворимость водорода в меди пропорциональна корню квадратному из давления, что указывает на растворимость водорода в атомном виде. Из этого следует, что создание вакуума над поверхностью насыщенного водородом металла будет способствовать выделению газа из раствора.
Как показал опыт, сравнительно небольшой вакуум, созданный над насыщенной водородом медью (см. табл. 6 и рис. 51,б, г) уже дает возможность получить, даже при кристаллизации сверху, беспузыристые слитки.
Результат, достигнутый при лабораторных опытах на малых слитках, подтвердился и на больших количествах металла (3,5 кг). В этом случае вакуум доводился до 180 мм рт. ст. Наконец, применение вакуума для дегазации металла при отливке слитков весом 100 кг дало тоже положительный результат; правда, вакуум в этом случае пришлось повысить еще больше, а именно, до 300 мм рт. ст.
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

3. Влияние водорода на окисленную медь. Водород при действии на окисленную медь производит ее восстановление более энергично, чем окись углерода. Опыты, проведенные в тех же условиях, что и опыты по выяснению влияния окиси углерода на окисленную медь, показали значительно более быстрое восстановление. Даже при температуре 1100° полное восстановление закиси меди при исходном ее содержании 6,4% (0,7% О2) достигалось в течение 20 мин., тогда как в случае восстановления окисью углерода для этого требовалось больше часа. При восстановлении окисленной меди водородом при температуре 1100° слитки, закристаллизованные в атмосфере водорода, после 5- и 10-минутного выдерживания в токе его оказались пузыристыми (рис. 52, д, е), а после 15- и 20-минутного выдерживания — плотными (рис. 52, ж, з). В первых двух слитках под микроскопом было обнаружено значительное количество закиси меди (см. диаграмму на рис. 53). Третий слиток, выдержанный в течение 15 мин., содержал ничтожное количество закиси меди (порядка 0,1%). Четвертый слиток закиси меди не содержал совершенно, но под микроскопом в нем можно было обнаружить несколько незначительных пузырьков. Слитки, затвердевшие через 30 и 60 мин., были уже насыщены водородом и потому оказались пузыристыми (рис. 52, и, к).
При восстановлении окисленной меди водородом при температуре 1150° слитки, затвердевшие через 5 и 10 мин. (рис. 52, а, б), имели пузыри значительно меньшего объема, чем в первом случае и содержали значительно меньшие количества закиси (меди. Слиток, затвердевший через 15 мин. после начала воздействия водорода, оказался вполне плотным; он совершенно не содержал закиси меди. Слиток, затвердевший через 20 мин., оказался очень сильно пузыристым (рис. 52, г). Металл при кристаллизации был вытеснен из тигля вверх и занял почти вдвое больший объем, чем занимал расплавленный металл.
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

Выводы, которые можно сделать на основании этих опытов, следующие:
1) при кристаллизации окисленного металла в восстановительной атмосфере слитки получаются пузыристыми;
2) в том случае, если закись меди полностью удалена, но насыщения водородом не произошло, слитки, закристаллизованные в атмосфере водорода, получаются плотными;
3) с повышением температуры окисленной меди, восстанавливаемой водородом, освобождение от закиси меди происходит быстрее, но eщe быстрее происходит последующее насыщение металла водородом;
4) восстановление окисленной меди водородом совершается в среднем в два с лишним раза быстрее, чем восстановление окисью углерода (для осуществленных условий опыта).
Причина пузыристости слитков, отлитых из окисленной меди в восстановительной атмосфере, заключается в том, что в процессе кристаллизации металла продолжается реакция между закисью меди и частичками меди, насыщенными восстановительными газами, в частности водородом:
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

где Δ — символ величины переменной (в данном случае это означает, что водород не в виде химического соединения, а в растворе).
Если на поверхность расплавленной меди, содержащей закись меди, направить из трубки слабый ток водорода, то восстановление будет происходить не постепенно, а сразу; при этом начинается вспучивание металла в виде шапки пены. В этом случае водород, приходя в соприкосновение с медью, освобождает ближайшие ее частички от кислорода и сам растворяется в металле. Как только водород перейдет в раствор, он сразу же станет распространяться по всей ванне. Будучи растворенным в металле, он придет в соприкосновение с закисью меди, также находящейся в растворе. Между частичками, содержащими закись меди, и частичками, заключающими водород, произойдет реакция с образованием водяного пара. Так как и та и другая составные части реагирующих веществ находятся в растворе, т. е. в весьма тесном соприкосновении друг с другом, и притом в значительном объеме ванны, то реакция будет происходить в короткий промежуток времени и очень бурно. Водяной пар, образующийся HO реакции, не в состоянии будет выходить спокойно и постепенно, а сразу образует большое количество пены. Этой причиной и обусловливается вспенивание ванны металла.
При восстановлении окисленной меди другими восстановительными газами, растворимость которых в меди меньше, например окисью углерода, процесс пойдет спокойнее; реакция будет происходить в меньшем объеме и вспенивание будет значительно меньшим.
Тот же процесс насыщения отдельных частиц металла водородом, хотя и более постепенно, идет и при литье окисленной меди в восстановительной атмосфере, причем реакция (43) продолжает идти и в то время, когда металл уже находится в изложнице, вследствие чего слиток получается пузыристым. Такой же процесс идет и при кристаллизации в восстановительной атмосфере меди, содержащей кислород в растворе.
Отливка или кристаллизация полностью восстановленной, но еще не растворившей водород меди может происходить в восстановительной атмосфере, при условии непродолжительного пребывания ее в этой атмосфере. Пузырей в слитке при этом не будет.
В свою очередь, отливка и затвердевание окисленной меди в окислительной атмосфере дает тоже беспузыристые слитки.
Процесс восстановления окисленной меди водородом ускоряется при повышенной температуре главным образом вследствие более энергичного перемешивания металла под влиянием конвекции, а также большей скорости диффузии при более высокой температуре. Водород, приходящий в соприкосновение с медью, быстрее разносится по ванне и вступает в реакцию с закисью меди. Этому способствует также и понижение вязкости металла при повышении температуры.
Более быстрое восстановление окисленной меди водородом по сравнению с восстановлением окисью углерода может быть объяснено тем, что водород растворяется в меди в большем количестве и быстрее распространяется по всей ванне. Окись же углерода растворяется в весьма малой степени, почему при восстановлении и имеет место главным образом поверхностный процесс.
И. Процесс восстановления меди в производственных условиях. Восстановление меди при рафинировании или переплавке в отражательных печах производится дразнением. При этом в расплавленный металл погружается дерево, которое при соприкосновении с металлом подвергается перегонке, в результате чего образуется большое количество восстановительных продуктов. Дерево обугливается, а продукты перегонки в виде пузырей проходят через расплавленный металл, отчасти восстанавливают его в ванне и выбрасывают брызги мeтaлла к своду печи. Рабочее пространство заполнено восстановительными газами, являющимися продуктами перегонки дерева, а также продуктами перегонки несгоревшего топлива, так как при дразнении сжигание топлива производится со значительным недостатком воздуха. Окисленная медь в брызгах, проходя через восстановительную атмосферу рабочего пространства печи, вступает в реакции с газами и попадает снова в ванну уже в значительной степени восстановленной. При дразнении чрезвычайно важно, чтобы давление в рабочем пространстве печи было положительным и туда не затягивался воздух извне. Поэтому восстановительное пламя, вырывающееся из печи, должно быть прижато к наиболее низко расположенным порогам окон. Этого достигают, прикрывая шибер у борова печи, а также увеличивая размер и число применяемых для дразнения бревен.
Произведенный анализ газов дымового пролета отражательной печи для рафинирования меди, отапливаемой мазутом, из проб, взятых с помощью охлаждаемой водой заборной трубки, приведен в табл. 7.
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

Печь емкостью 20 т имела кислую подину; перед дразнением в печь был заброшен древесный уголь. Дразнение производилось двумя сосновыми бревнами диаметром у комля приблизительно 300 мм. Мазут сжигался с помощью форсунок при давлении воздуха 10—12 мм вод. ст. При анализе не учитывался водяной пар, который находился в газах. Весьма характерны анализы газов, взятых как во время дразнения, так и во время литья или подогрева металла.
При дразнении в газах присутствует большое количество водорода и окиси углерода. Водород образуется при перегонке дерева или при разложении углеводородов в присутствии металла. Наличие большого количества окиси углерода обусловливается присутствием древесного угля, а также взаимодействием углекислого газа с водородом.
Во время дразнения азот присутствует в значительно меньших количествах, чем в случае свободного горения мазута. Количество кислорода, входящее в соединения, значительно превышает то, которое должно было бы получиться при простом сжигании мазута или дерева. При дразнении большое количество кислорода добавляется из ванны. В действительности количество связанного кислорода в газах при дразнении еще больше, так как в анализ не вошла влага, которая образовалась при сгорании водорода за счет кислорода воздуха и кислорода расплавленной ванны.
При литье, когда печь держится под пламенем, очень характерна обратная картина. Количество азота в газах чрезвычайно велико; оно доходит до 86%. При свободном сжигании топлива этого тоже не бывает. Малое количество свободного и связанного кислорода в газах объясняется весьма быстрым поглощением кислорода ванной расплавленного металла.
Представляет интерес также одновременное присутствие и кислорода и водорода в свободном состоянии. Это объясняется неравномерностью состава атмосферы рабочего пространства: как в одной и той же точке в различные моменты времени, следующие друг за другом, так и в один и тот же момент времени на соседних участках атмосфера не остается постоянной.
Водород как наиболее активный раскислитель при дразнении производит восстановление металла прежде всего. He остаются безучастными также и углеводороды и окись углерода.
Так как при дразнении в атмосфере присутствует большое количество водорода, то процесс, особенно в конце, должен производиться с большой осторожностью. Вначале пробы металла берутся через 15—20 мин., когда же восстановление подходит к концу, то пробы приходится брать через 2—3 мин., а в самом конце и еще чаще.
Излом пробы меди, окисленной до содержания около 7—9% Сu2О, имеет кирпично-красный цвет, иногда с фиолетовым оттенком; он показывает крупнокристаллическую структуру. Отдельные кристаллы обнаруживают ясно выраженную кубическую форму (рис. 54, з).
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

По мере восстановления меди, цвет излома пробы постепенно делается светлее и кристаллизация мельче. При содержании закиси меди, приближающемся к составу эвтектики, т. е. 3,4%, цвет излома пробы становится еще более светлым, а структура приобретает вид длинностолбчатых стрельчатых кристаллов (рис. 54, и). При дальнейшем восстановлении цвет излома пробы постепенно переходит в розовый, а кристаллизация становится мелкой (рис. 54, л). Когда содержание закиси приближается к нулю, а поглощения водорода еще не произошло, излом пробы приобретает светлорозовый цвет, шелковистый блеск и весьма тонкокристаллическую структуру (рис. 54, м). Проба к этому времени становится вязкой и пластичной, тогда как окисленная она ломалась почти без остаточного угла загиба. Если дразнение продолжать, то металл начнет насыщаться водородом; на пробе такое насыщение скажется в том, что в изломе появятся блестящие вытянутые стрелки, которые представляют не что иное, как вытянутые пузырьки выделившегося из раствора газа, в данном случае — водорода. Такой металл носит название передразненного. При малом передразнении таких блестящих пузырьков обнаруживается в изломе два-три (рис. 54, н). При большем насыщении металла водородом во время дразнения количество пузырьков в изломе пробы возрастает, причем поверхность пробы становится выпуклой. Пузырьки в большинстве случаев сохраняют удлиненную форму (рис. 54, о). Металл, который был передразнен, необходимо снова окислить, так как в противном случае слитки будут пузыристыми. Повторное окисление приходится снова вести до несколько большего предела, так как при одном окислении без промежуточного дразнения металл оказывается недостаточно перемешанным и, наряду с закисью меди, будет содержать водород. По этой причине проба не будет характеризовать качество металла в печи. При окислении передразненного металла он снова начинает терять свой водород, и количество пузырей в пробе уменьшается, что видно по излому (рис. 54, n). Повторное окисление в случае передразнения ведется, разумеется, до сравнительно небольшого содержания закиси меди (например, до 1%, что приблизительно соответствует излому пробы, промежуточному между к и л на рис. 54).
Для того чтобы правильно судить о ходе процесса, иногда вместо ложковой пробы металл отливают из ложки в изложницы в виде прутков трапецоидального поперечного сечения 10x10(9) мм2 и длиной около 100 мм и после охлаждения его до комнатной температуры испытывают на изгиб. Пока содержание закиси меди в пробе выше эвтектического, пруток ломается почти без остаточного угла изгиба. По мере удаления закиси меди из металла угол изгиба пробы до излома постепенно увеличивается (рис. 54, а). При дальнейшем уменьшении содержания закиси меди в металле проба выдерживает изгиб без излома, но по кромкам согнутого прутка обнаруживаются надрывы (рис. 54, б). К моменту удаления закиси меди из металла проба при изгибе надрывов не обнаруживает (рис. 54, в, г).
При таком методе испытания нет возможности установить момент начала передразнения, так как даже значительно передразненная медь в отлитом прутке прекрасно загибается на 180° без трещин и надрывов. При этом способе испытания приходится дополнительно отливать в горизонтальную открытую изложницу пробу «на газированность». Если чушка, отлитая таким образом, вместо усадки имеет вспученную поверхность, то металл передразнен; если же поверхность чушки остается ровной или вогнутой, то металл не передразнен.
Суждение о качестве металла по излому пробы, охлажденной в ложке, представляет преимущество, так как при сравнении изломов с заранее составленными эталонами состояние металла можно определять безошибочно. При некотором навыке по изломам проб, взятых в одинаковых условиях, можно даже определять содержание закиси мели с точностью, нe меньшей, чем это делается планиметрическим способом.
Наиболее точным методом определения закиси меди остается все же химический анализ; восстановление стружки водородом и улавливание и взвешивание воды, образовавшейся при восстановлении. Однако он требует сравнительно длительного времени. В качестве экспресс-метода применяется просмотр микрошлифов под микроскопом и сопоставление с эталонами структур. Такой контроль при налаженном производстве занимает 5—7 мин.
Новатор производства завода «Красный выборжец» в Санкт-Петербурге почетный металлург А.И. Лягин практикует литье меди по так называемой «сухой» пробе (рис. 54, л), т. е. по пробе, содержащей 0,1—0,2% Cu2O, с целью предотвращения поглощения значительного количества водорода, и скоростную разливку с целью уменьшения окисления меди при литье. Это мероприятие позволило снизить брак нa производстве тонкой медной ленты на 4,8%.
К. Взаимодействие расплавленной меди с углеводородами. Действующим на медь активным веществом в составе углеводородов является водород. При соприкосновении с металлом углеводороды могут разлагаться с выделением углерода, тогда как водород или будет вступать в реакцию с закисью меди, если медь окисленная, или растворится в ней, если не содержится закиси меди.
Когда углеводороды образуются при перегонке дерева, погруженного в расплавленный металл, то при непосредственном соприкосновении с металлом, содержащим закись меди, может иметь место и прямая реакция их с закисью меди с образованием углекислого газа и водяного пара, например:
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

При соприкосновении же углеводородов с металлом, не содержащим кислорода, более вероятным будет процесс, изложенный выше. Водород, входящий в состав углеводородов, действует на медь не многим менее активно, чем элементарный водород. Непосредственная растворимость углеводородов в меди, если и имеет место, то, по-видимому, в малой степени.
Л. Взаимодействие расплавленной меди с сернистым газом. Взаимодействие расплавленной меди с сернистым газом определяется реакцией:
Взаимодействие расплавленной меди с газообразными продуктами в рабочем пространстве печи

Реакция эта обратимая, поэтому в зависимости от концентрации участвующих в ней веществ направление хода процесса может меняться. Так как реакция в том виде, как она здесь написана, экзотермическая, то она идет в заметной степени слева направо. Поэтому допускать соприкосновения расплавленной меди с сернистым газом не следует.
Кроме взаимодействия сернистого газа с медью с образованием полусернистой меди и закиси меди, по-видимому, может иметь место также и непосредственное растворение сернистого газа в мели. Такое предположение возникает потому, что при рафинировании меди путем одного только окисления металла не удается нацело удалить серу. При отсутствии растворимости в меди реакция должна была бы идти до конца, так как сернистый газ все время уходил бы из сферы реакции, а полусернистая медь снова вступала в реакцию с закисью меди, и так до тех пор, пока вся полусернистая медь не прореагирует с закисью меди. В действительности же полного удаления серы из металла путем одного только окисления произвести не удается. Для удаления растворенного в металле сернистого газа применяют или охлаждение металла до кристаллизации, благодаря чему вследствие понижения растворимости с понижением температуры газ уходит, или — дополнительное дразнение, при котором металл продувается углеводородами и водородом, т. е. газами, не содержащими сернистого газа. Вместе с продуктами перегонки дерева при дразнении из меди удаляется также и растворенный в ней сернистый газ.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: