» » Применение шлаков, флюсов и других защитных покровов
22.04.2015

Шлак или флюс представляет собой жидкий сплав оксидов или солей, который, находясь на поверхности металлического расплава, защищает его от взаимодействия с газовой средой. Очевидно, что шлаки и флюсы должны быть более легкоплавкими, чем защищаемый металлический расплав. Необходимо, чтобы их плотность была меньше плотности жидкого металла. Чтобы надежно защищать металл от газов, шлаки и флюсы должны быть по возможности непроницаемыми для воздуха и газов печного пространства. Важным свойством шлаков и флюсов является их вязкость. С одной стороны необходимо, чтобы она была небольшой. Это обеспечивает хорошее растекание по поверхности расплава. С другой стороны, вязкость шлаков и флюсов должна быть такой, чтобы их можно было удалить с поверхности жидкого металла или задержать при разливке. Это возможно лишь при условии, если вязкость не слишком мала. Лучше всего, если вязкость шлака или флюса удается менять, сохраняя ее небольшой при плавке и увеличивая при разливке.
Шлаками в литейном производстве называют сплавы оксидов определенного состава. Практически шлаки обязательно применяют при плавке чугунов, сталей и никелевых сплавов. Шлаки для плавки железных сплавов построены на основе тройной системы SiO2—CaO—FeO. В кислых шлаках содержится 50—60 % SiO2. Основные шлаки обычно содержат 35—50 % CaO, 15—25 % SiO2, О—25 % FeO В состав шлаков входят также MnO (до 10 %), оксид магния (до 10 %), оксид алюминия и другие оксиды. Температура перехода основных шлаков в жидкоподвижное состояние составляет 1350—1400 С. Вязкость шлаков даже при перегреве до 1600—1650 °С не бывает меньше 20—30 мПа*с, т. е. шлаки по меньшей мере в 15—20 раз более вязки, чем жидкие металлы. Чем более кислый шлак (чем больше в нем SiO2), тем более он вязок. Плотность шлаков находится в пределах 3—4 г/см3, следовательно, шлаки всегда легче, чем расплав. Состав шлака может существенно меняться по ходу плавки за счет увеличения содержания оксидов компонентов сплава
Для плавки никелевых сплавов используют шлаки на основе системы SiO2—CaO—Na2O, т. е , иначе говоря, обычное стекло. Это связано с необходимостью иметь жидкий шлак при более низкой температуре. Средний состав стекла. 70—80 % SiO2, 5—10 % CaO, 10—15 % Na2O Температура перехода стекла в жидкоподвижное состояние находится в пределах 1100—1200 °С.
Для снижения температуры расплавления и разжижения шлаков в них часто добавляют несколько процентов плавикового шпата — горной породы, содержащей 80—90 % CaF2. Загущение жидких шлаков обычно легко достигается добавками кварцевого песка.
Для плавки медных сплавов обычное стекло как защитный покров непригодно из-за тугоплавкости. В данном случае необходимо, чтобы шлак был жидким при 850—900 °С. Основой подобных шлаков является система SiO2—Na2O, где имеется эвтектика, состоящая из 73 % SiO2 и 27 % Na2O и плавящаяся при 795 °С. В состав шлаков этого вида вводят различные соли — буру, хлористый натрий, криолит, плавиковый шпат — в количестве до 10 %, которые еще более снижают температуру плавления и разжижают шлак.
Для защиты от взаимодействия с газовой средой некоторых алюминиевых и всех магниевых сплавов необходимы вещества, расплавляющиеся ниже 500—600 °С. Среди оксидных систем подобных составов найти невозможно. Поэтому используют сплавы солей. Эти сплавы называют флюсами. Исходя из физических и химических свойств, а также доступности и стоимости, в качестве флюсов используют почти исключительно хлориды щелочных и щелочноземельных металлов с добавками фторидов тех же металлов (табл. 6).
Применение шлаков, флюсов и других защитных покровов

Солевые флюсы практически не растворяют кислород, поэтому они непроницаемы для этого газа. Многие соли, входящие в состав флюсов, особенно водорастворимые хлориды натрия, калия, магния, чрезвычайно гигроскопичны, так что флюсы после пребывания на воздухе могут вызвать насыщение расплавов водородом. Поэтому желательно использовать свежепереплавленный флюс.
Шлак или флюс, находящийся на поверхности металлического расплава, способен вступать в химическое взаимодействие с компонентами сплава и тем самым изменять его состав. Так, например, алюминий, титан, хром, цирконий, входящие в состав сплавов на основе железа и никеля, способны восстанавливать кремний из SiO2 в шлаке. В результате расплав обедняется этими компонентами и загрязняется кремнием. Подобное же явление может происходить при плавке медных сплавов, содержащих хром, цирконий, магний, бор, под шлаком с большим количеством SiO2. Магний из алюминиевомагниевых сплавов активно удаляется при плавке их под флюсами, состоящими только из хлоридов натрия и калия.
Слой жидкого флюса толщиной 5—10 мм на поверхности металлического расплава не только защищает его от взаимодействия с газовой средой, но и почти полностью подавляет испарение расплава. Для некоторых сплавов это имеет большое значение, поскольку существенно снижаются потери металла. Например, жидкие шлаки при плавке латуней с содержанием более 15—20 % Zn в 3—5 раз уменьшают потери летучего цинка.
Шлаки и флюсы, применяемые при плавке, оказывают, как правило, разрушающее действие на огнеупорную футеровку плавильного пространства. Шлаки как сплавы оксидов способны растворять в себе оксидные футеровки. Флюсы не растворяют огнеупорные оксиды, но смачивают их и впитываются внутрь. Из-за этого снижается механическая прочность футеровки; она делается более теплопроводной. Кроме того, оксидная футеровка, пропитанная солями, становится электропроводной, что для многих случаев недопустимо. Средний расход шлаков и флюсов для защиты расплавов от окисления составляет 0,5—2 % от массы приготовляемого сплава.
Кроме жидких шлаков и флюсов, для защиты расплавов от взаимодействия с газами применяют твердые покровы. Практически в качестве такого покрова широко используются лишь древесный уголь, которым защищают медь и многие ее сплавы от окисления кислородом воздуха. Защита достигается за счет непрерывного сгорания угля и поддержания над зеркалом расплава атмосферы, состоящей из азота и оксидов углерода. Как было уже установлено, эти газы не взаимодействуют со многими медными сплавами. Здесь надо указать на опасность присутствия влаги в древесном угле, загружаемом на поверхность расплава. Влага неизбежно вызывает насыщение расплава водородом. Кроме того необходимо, чтобы уголь был хорошо выжжен, иначе остатки летучих углеводородных соединений также приведут к загрязнению расплава водородом.