Взаимодействие расплавленного алюминия и его сплавов с атмосферой рабочего пространства печи
» » Взаимодействие расплавленного алюминия и его сплавов с атмосферой рабочего пространства печи

02.02.2017

Все алюминиевые сплавы характерны большой активностью по отношению к обычным газообразным продуктам, находящимся в рабочем пространстве плавильных печей.
При взаимодействии расплавленного металла с кислородом образуется преимущественно окись алюминия; если сплав содержал магний, то вместе с глиноземом будет присутствовать также и окись магния. Окислы менее активных компонентов могут присутствовать в твердом состоянии в этом случае в сравнительно ничтожных количествах, тогда как в системе расплавленных шлаков при наличии активных элементов они полностью раскисляются.
Присутствующие в атмосфере печей водяной пар и углекислый газокисляют алюминий и его сплавы и выделяют водород в атомном состоянии и окись углерода соответственно. Водород легко растворяется в сплавах, в особенности если он образуется в атомном состоянии в момент выделения его при реакции.
Водяной пар, находящийся в воздухе, вызывает постепенное увеличение газированности металла, даже при плавке в электрической печи сопротивления. Степень поглощения водорода из водяного пара атмосферы расплавленным алюминием зависит от температуры металла, давления и содержания водяного пара в воздухе. Во влажное время года и во влажном климате поглощение водорода в результате реакции алюминия с водяным паром должно идти интенсивнее, чем при меньшей влажности воздуха.
Для случая плавки алюминия в отражательной электрической печи с нихромовыми нагревателями емкостью 3 г в осеннее время в Ленинградской области выдерживание расплавленного металла в течение 2 час. при температуре 740—750° уже показало снижение плотности слитков, закристаллизованных в вакууме (рис. 58, а) до 2,63 вместо 2,70 для металла, взятого тотчас по расплавлении. Выдерживание в течение 8 час. показало снижение плотности до 2,20.
Взаимодействие расплавленного алюминия и его сплавов с атмосферой рабочего пространства печи

Уже по внешнему виду слитков вакуум-пробы (рис. 58, б) легко заметить постепенное повышение содержания газа в металле по мере выдерживания в расплавленном состоянии. Разрезы слитков вакуум-пробы в начале выдерживания показывают почти полное отсутствие пузырей, а в конце — наличие большого paзмеpa полостей, заполненных газом.
Водород для алюминия и его сплавов, как и для большинства металлов и сплавов, является газом, который растворяется в металле. При температуре плавления алюминия водород растворяется в расплавленном металле в большем количестве, чем в твердом, поэтому слитки, отлитые из металла, в котором растворен газ, получаются пузыристыми.
Отличие алюминия, насыщенного водородом, от меди состоит в том, что при охлаждении алюминия водород из раствора выделяется со значительным запозданием. В данном случае имеет место своего рода гистерезис, который вызывает пересыщение металла растворенным газом. Выделение газа происходит при самой кристаллизации, поэтому методы удаления газа в процессе литья оказываются в данном случае недействительными. Даже при литье непрерывным или полунепрерывным способом с непосредственным охлаждением слитка водой, при которых условия выделения и удаления газа наилучшие, слитки все же содержат мелкие пузырьки газа, если металл содержал его в растворе.
Алюминий и его сплавы должны перед литьем подготовляться так, чтобы они не содержали газа. Пленка окиси, обладающая значительной прочностью и малой проницаемостью для газа, способствует его задержанию в растворе до конца кристаллизации. При охлаждении расплавленного металла часто можно наблюдать появление под пленкой окиси мельчайших пузырьков, которые не выходят в атмосферу, а задерживаются под оболочкой из глинозема. В результате этого над расплавленным металлом под пленкой создается значительное парциальное давление газа, и дальнейшее удаление его из раствора замедляется.
По мере повышения температуры растворимость водорода в расплавленном алюминии интенсивно и почти равномерно растет. В дальнейшем рост замедляется, переходит через максимум, а при еще более высоких температурах падает. Максимум растворимости приходится, по-видимому, вблизи температур 1600—1700° при нормальном давлении.
В случае понижения давления над металлом понижение растворимости наступает при более низкой температуре. В вакууме при остаточном давлении порядка десятых долей миллиметра ртутного столба алюминий кипит при температуре около 900°. При этом, разумеется, растворенный в металле газ полностью удаляется. Небольшой вакуум на содержание водорода в алюминии практически не оказывает влияния. Также малое влияние оказывает и уменьшение парциального давления над расплавленным алюминием. В обоих случаях причиной малого влияния на растворимость является, по-видимому, присутствие на алюминии прочной и плотной пленки глинозема, которая задерживает небольшие количества газа в соприкосновении с поверхностью расплавленного металла, не давая ему выходить в атмосферу. Этих малых количеств водорода, однако, достаточно, чтобы сохранить под окисной пленкой металла некоторое парциальное давление водорода и таким путем прекратить выделение его из раствора в металле.
Для удаления водорода из расплавленного металла путем создания вакуума требуется степень разрежения, настолько значительная, что остаточное давление уже приближается к упругости пара при этой температуре. Быстрое удаление водорода из раствора в расплавленном алюминии происходит в случае создания вакуума, обеспечивающего кипение металла.
Исследования зависимости растворимости водорода от состава сплавов меди с алюминием дали возможность заключить, что химические соединения алюминия с медью не растворяют водорода. Растворимость же водорода в сплавах, представляющих промежуточные композиции составов между чистым металлом и химическим соединением, обратно пропорциональна количеству химического соединения. Растворимость водорода падает и при прибавлении алюминия к меди и при добавке меди к алюминию. Нулевая растворимость водорода получена как вблизи состава, соответствующего составу химического соединения Сu3Аl, гак и при составе, соответствующем стехиометрической формуле CuAl14, хотя о реальном существовании такого соединения ничего неизвестно. Растворимость водорода в промежуточных сплавах от меди и алюминия до соответствующих ближайших химических соединений по диаграмме состояний изменяется по прямолинейной зависимости (рис. 59).
Взаимодействие расплавленного алюминия и его сплавов с атмосферой рабочего пространства печи

Вряд ли такая закономерность — близкой к нулю растворимости — справедлива для всех интерметаллических химических соединений. Из практики приготовления лигатур, которые часто шихтуются на состав того или иного химического соединения, известно, что многие из них часто получаются пузыристыми вследствие выделения газов из раствора в металле при кристаллизации.
Из алюминиевых сплавов несколько большую растворимость водорода обнаруживают сплавы, содержащие никель, а также силумины. Последние в особенности легко поглощают водород при реакции с влагой или водяным паром после модифицирования, когда в сплаве присутствует натрий, который энергично разлагает воду. Образующийся на реакции водород поглощается сплавом.
Азоте алюминием при высоких температурах образует химическое соединение AlN — нитрид алюминия, который при плавке алюминиевых сплавов может присутствовать в виде твердых включений. Температура, при которой происходит заметное образование нитрида алюминия (около 900°), при обычных условиях плавки не достигается. Азот для алюминия при температурах, не превышающих 700—750°, считается нейтральным газом и в некоторых случаях рекомендуется в качестве дегазатора. При плавке в упомянутых обычных условиях образуются лишь небольшие количества нитрида алюминия, при этом азота в считках не удавалось обнаруживать больше 0,01—0,02%.
Окись углерода, присутствующая в атмосфере печей самостоятельно или получающаяся в результате реакции алюминия с углекислым газом, при обычных температурах плавки почти не взаимодействует с расплавленным алюминием. При высоких температурах может идти дальнейшая реакция окисления алюминия с образованием карбида алюминия:
Взаимодействие расплавленного алюминия и его сплавов с атмосферой рабочего пространства печи

В обычных условиях плавки эта реакция может идти лишь в ничтожно малой степени.
При взаимодействии расплавленного алюминия с углеводородами происходит разложение последних, причем водород поглощается металлом, а углерод остается в элементарном виде или реагирует с образованием карбида алюминия. Карбид алюминия легко получается при высоких температурах, порядка 900—1000°, а в условиях обычной плавки в заметных количествах не образуется.
Взаимодействие расплавленного алюминия с сернистым газом идет с образованием окиси алюминия и сернистого алюминия:
Взаимодействие расплавленного алюминия и его сплавов с атмосферой рабочего пространства печи

Оба образующиеся по реакции вещества в условиях нормальной плавки находятся в твердом состоянии и газированности металла не вызывают. По этой причине сернистый газ для алюминия нельзя считать особенно вредным. Плавка алюминия с применением кокса или полученного из него газа достаточно распространена, и слитки при такой плавке получаются доброкачественными, хотя кокс всегда содержит серу, которая обусловливает присутствие в атмосфере рабочего пространства лечи сернистого газа.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: