» » Удаление газа из раствора путем продувки расплавленного металла активным газом
02.02.2017

Активным газом, пригодным для применения с целью удаления газа из раствора в металле, будет тот газ, который вступает в химическое взаимодействие с растворенным газом. В результате реакции обычно получаются газообразные продукты, которые в идеальном случае должны быть инертными по отношению к металлу. Практически обычно эти продукты могут вступать и в реакцию с металлом, поэтому процесса дегазации металла путем продувки активным газом в полном соответствии с точным смыслом его определения пока не существует. Поэтому приходится ограничиваться требованием, чтобы продукты реакции активного газа с газом, растворенным в металле, сами не растворялись в металле. В противном случае вместо oднoгo газа в растворе окажется другой, и, таким образом, процесс может оказаться неэффективным.
Способ продувки расплавленного металла активным газом впервые был применен для дегазации алюминия и его сплавов; в качестве активного газа был взят хлор. Этот пример является типичным и должен быть рассмотрен подробно.
Процесс удаления из алюминия и алюминиевых сплавов растворенных в них газов, и прежде всего водорода, может быть представлен следующим образом.
1. Пузырьки хлора, введенные внутрь металла, в первую очередь вступают в реакцию с алюминием (рис. 64):
ЗСl2 + 2Al = 2АlСl3.

Эта реакция сильно экзотермична, а кроме того, хлор по поверхности соприкосновения пузырьков с металлом встречает неизмеримо большее количество атомов алюминия, чем водорода.
2. Атомы (или молекулы) растворенного газа, например водорода, у поверхности пузырька могут прийти в соприкосновение с хлором и вступить с ним в реакцию;
Сl2+ 2Н = 2НСl.

Подъем пузырька в ванне совершается быстро, поэтому возможная реакция полученного хлористого водорода с алюминием:
3НСl + Al =Al Cl3 + 3Н

может и не успеть пройти полностью.
3. При быстром токе хлор будет проходить через металл, не прореагировав, и в виде тяжелых клубов зеленого газа расстилаться по поверхности ванны и в случае плавки в отражательной печи, отапливаемой путем непосредственного сжигания топлива, уходить вместе с продуктами горения топлива в дымоход.
Удаление газа из раствора путем продувки расплавленного металла активным газом

В газах, выходящих из металла при продувке алюминия хлором, будут присутствовать; в наибольшем количестве хлористый алюминий и в малых количествах — хлористый водород и хлор. Хлористый алюминий (AlCl2) при температуре расплавленного алюминия будет находиться в парообразном состоянии, тяге как он кипит при 178—183° Количество хлора может меняться в значительных пределах в зависимости от интенсивности его тока, от глубины ванны, от размеров пузырьков газа и т. д.
Кроме перечисленных основных реакций, могут происходить также второстепенные. Хлористый водород в результате термической диссоциации может образовывать свободный водород и свободный хлор, которые в некоторые моменты времени могут находиться в атомном состоянии. Водород, в особенности в атомном виде, будет снова в отдельных точках поверхности переходить в раствор в алюминий. Хлористый водород и хлор, в том числе и полученный в результате диссоциации в атомном виде, будет снова реагировать с металлом с образованием хлористого алюминия и т. д.
Хлористый алюминий и хлористый водород по отношению к растворенным в металле газам (главным образом водороду) являются нейтральными, вследствие чего они будут способствовать удалению газа из раствора, как и всякий нейтральный газ, механизм действия которого как дегазатора изложен в предыдущем параграфе.
Таким образом, действие активного газа — хлора — на алюминий переходит в процесс удаления газа из раствора в металле все же по принципу действия нейтрального газа, роль которого в данном случае играет хлористый алюминий.
Известны случаи, когда хлор, продувавшийся через расплавленный алюминий или алюминиевый сплав, не вызывал дегазации. Так, например, указывается, что в случае продувки расплавленного алюминия азотом слитки при кристаллизации в вакууме получались пузыристыми. Обработка такого металла (также в расплавленном состоянии) хлором не вызвала дегазации, По-видимому, в этом случае при поглощении азота алюминием имело место образование нитрида алюминия, который при кристаллизации в вакууме разлагался и образовывал пузырьки в слитках. Хлор при продувании через такой азотированный алюминий, образуя хлористый алюминий, не способствует удалению азота из нитрида, поэтому дегазации не производит.
В другом случае, как указывает С.М. Воронов, продувка хлора обычным способом через расплавленный алюминий высокой степени чистоты не произвела дегазации металла. Удаление газа из этого металла удалось осуществить путем продувки хлором лишь после того, как металл был предварительно обработан натрием. К сожалению, подробного исследования этого случая не было произведено, поэтому можно лишь высказать предположение о явлениях, которые здесь имели место. По-видимому, и здесь имелись в металле химические соединения (гидриды или нитриды алюминия), которые вызывали пузыристость слитков. Хлор на них не действовал, тогда как натрий, будучи металлом более активным, чем алюминий, вытеснял его из соединений. В свою очередь, соединения газа с натрием разлагались хлором, после чего удаление газа из металла стало возможным.
Удаление газа из раствора путем продувки расплавленного металла активным газом

Дегазация с помощью продувки хлором с большим успехом может быть применена и к удалению растворенных газов из других металлов. Опыты автора по дегазации стали, проведенные в лабораторных условиях, показали прекрасный результат. Металл, насыщенный в течение 30 мин. путем продувки водорода, отлитый в песчаную форму, дал пузыристый слиток (рис. 65). Таким же образом подготовленная сталь, продутая в течение 5 мин. слабым током хлора, отлитая в тех же условиях, дала беспузыристый слиток.
Явления, которые при этом происходят, аналогичны рассмотренным выше для случая дегазации алюминия хлором. При прохождении пузырькa хлора через расплавленную сталь образуется хлорное железо по реакции:
3Сl2 + 2Fe = 2FeCl3

Хлорное железо кипит при температуре 315°, поэтому оно в расплавленной стали будет находиться в виде пузырьков, которые поднимаются от места реакции хлора с железом через всю толщу металла вверх. Они-то и производят дегазацию, точно так же, как хлористый алюминий дегазирует алюминиевые сплавы. Водород из расплавленной стали вследствие разности парциальных давлений водорода в металле и в пузырьке пара хлорного железа будет переходить из металла в пузырек FeCl, и вместе с ним выходить в атмосферу. Роль хлорного железа при дегазации стали такая же, как и роль хлористого алюминия при удалении газа из алюминиевых сплавов.
Изложенный способ дает возможность полностью освободить сталь от водорода, который является основной причиной образования флокенов в стали. Этому методу дегазации в производстве несомненно принадлежит большое будущее.
Большинство хлористых солей металлов кипит при сравнительно низких температурах; по этой причине дегазацию едва ли не любых сплавов возможно производить продувкой их хлором.