Зависимость механических свойств сплавов от толщины стенок отливок 8 страница

Как правило, нежелательные элементы или их химические со­единения с основным металлом хорошо растворяются в расплаве. Отделить их от основного металла физическими методами, на­пример, процеживанием или центрифугированием, не удается. Поэтому для удаления из расплава нежелательных элементов стре­мятся получить такие их соединения, которые не растворяются в расплаве, но переходят в шлак или газовую фазу печи.

В большом числе случаев такие нерастворимые в расплаве ве­щества могут быть получены путем окисления нежелательных эле­ментов. Так, например, избыток углерода в стали при его окисле­нии превращается в газ СО, нерастворимый в металле и выделя­ющийся в атмосферу печи. При окислении кремния, марганца, хрома образуются тугоплавкие твердые оксиды, не растворяющи­еся в расплаве основного металла и всплывающие в шлак.

Ввод кислорода в расплав металла может осуществляться пря­мым вдуванием технически чистого кислорода, диффузией его из газовой фазы через шлак в расплав и другими способами. Связан­ные с этим изменения механизма и кинетики процессов целесо­образно рассмотреть при изучении конкретных технологических процессов плавки. Однако термодинамические основы процессов образования и диссоциации оксидов остаются общими для всех этих способов.

Для двухвалентных металлов реакции окисления можно пред­ставить в общем виде:

2Me + 0₂ = 2МеО - ∆Н, (8)

где ∆Н — изменение энтальпии реакции (в данном случае экзо­термической).

Качественные выводы из анализа этой реакции не меняются и для металлов с иной валентностью.

Из физической химии известно, что о химическом сродстве элементов к кислороду можно судить по величине свободной энер­гии образования оксидов этих элементов — A G°_T. На рис. 4 приве-

Рис. 8.4. Зависимость AG° реакций образования оксидов металлов от температуры: □ — точка плавления металла; щ — точка плавления оксида; О ~~ точка кипения металла

 

дена диаграмма зависимости ∆G°_T от температуры для металлов, входящих в состав литейных сплавов.

Термодинамический анализ диаграммы ∆G°_T — То помощью уравнения Гиббса (8.5) позволяет сделать ряд практически важ­ных выводов.

1. Величина ∆G°_T для всех металлов в области температур, ха­рактерных для плавки, имеет отрицательное значение, а это оз­начает, что при этих температурах все металлы окисляются само­произвольно.

2. Единственно возможной движущей силой этих реакций яв­ляется энергетический фактор — стремление системы к миниму­му энергии (т.е. значение ∆Н — отрицательное). Вторая из воз­можных движущих сил — энтропийная составляющая энергии Гиббса (T∆S°) — противодействует прямой реакции, так как в результате реакции энтропия уменьшается. Об уменьшении энтро­пии реакций окисления металлов можно судить и не прибегая к таблицам стандартных термодинамических величин. Достаточно обратить внимание на то, что в результате этих реакций исчезает 1 моль газообразного кислорода, но появляется твердый оксид, энтропия которого существенно ниже, чем у газа.

3. При повышении температуры прочность оксидов металлов умень­шается (линии на диаграмме рис. 4 наклонены в сторону уменьше­ния абсолютной величины ∆G°_T. Таким образом, с повышением температуры процесс восстановления оксидов металлов облегчается. Однако при температурах, характерных для плавки литейных спла­вов, самопроизвольная диссоциация оксидов металлов не происхо­дит — величины ∆G°_T остаются в области отрицательных значений.

4. Углы наклона линий диаграммы для разных металлов при температурах ниже температуры кипения различаются незначи­тельно. Это объясняется следующим. Как известно из физической химии, изменение АЩ вычисляется по формуле

∆Н°_т = ∆H°₂₉₈ ⁺ ∫∆cp dT.

 

При больших значениях Апоправка на температуру не ока­зывает практического влияния на величину ∆Н°_т, поэтому можно считать, что производная уравнения (8.5)

d∆G°/dT ≈ -AS°.

 

Следовательно, тангенс угла наклона линий ∆G° - Т практи­чески равен величине -AS?, которая, будучи связанной главным образом с изменением количества газов в результате реакции, оста­ется практически неизменной, так как число молей газов уменьша­ется во всех реакциях на единицу.

5. При температурах кипения металлов на линиях ∆G°_T— Тна­блюдается перелом, снижение прочности оксида происходит зна­чительно быстрее, чем на предыдущем участке. Причина этого состоит в том, что при данных температурах количество газов по реакциям типа (8.8) уменьшается уже не на 1 моль 0₂, но еще и на количество молей паров металла.

Таким же образом объясняется перелом линий для серы в точ­ке ее сублимации.

6. Прочность оксида углерода (IV) (С0₂) почти не изменяется под влиянием температуры, так как число молей газов в реакции полного окисления углерода (8.1) не изменяется.

7. Прочность оксида углерода (И) (СО) в противоположность всем другим оксидам возрастает с повышением температуры, при­чем весьма существенно. Нетрудно видеть, что причиной такого аномального поведения этого оксида является специфика реак­ции (8.2) неполного сгорания углерода. В результате этой реакции количество газа не уменьшается, а, наоборот, увеличивается до 1 моль. Как уже отмечалось, движущими силами этой реакции являются как энергетический, так и энтропийный факторы.

8. Оксид может быть восстановлен лишь теми элементами, для которых линии зависимости ∆G°_T— расположены ниже, чем для данного оксида при заданной температуре.

9. При высоких температурах восстановительная способность уг­лерода повышается. Например, при температуре выше 1750 °С уг­лерод может восстанавливать даже такой активный элемент, как алюминий.

Диаграмма зависимости свободной энергии образования окси­дов от температуры позволяет судить о сравнительной прочности оксидов и вычислять константы равновесия реакций образования этих оксидов из чистых веществ. Однако расплавы всех литейных сплавов являются растворами, что существенно влияет на полно­ту протекания реакций. Поэтому для вычисления констант равно­весия реакций в расплавах используют не концентрации веществ, а их активности в растворах:

ai =fiN_h

где ai — активность элемента в растворе; fi — коэффициент актив­ности; Ni — молярная доля элемента в растворе.

Для многокомпонентных растворов, например чугуна и стали, учитывают взаимное влияние элементов в растворе. В этом случае коэффициенты активности вычисляют, учитывая параметры вза­имодействия, что существенно усложняет расчеты.

В реальных металлургических процессах полнота протекания хи­мических реакций определяется не только термодинамическими факторами, но и кинетикой массопереноса во взаимодействующих фазах. Поэтому расчеты равновесия химических реакций весьма зат­руднительны в условиях литейных цехов. Однако термодинамичес­кие и кинетические закономерности протекания процессов позво­ляют определить направление изменения технологических режи­мов плавки, обеспечивающее требуемую полноту их протекания.

8.4. Закономерности угара элементов в кислых и основных печах

Потери на угар составляют значительную часть себестоимости жидкого металла и отливки в целом. Величина угара, как показы­вает практика, во многом зависит от правильности выбора пла­вильного агрегата и технологических режимов плавки, основан­ного на понимании закономерностей процесса угара элементов.

Процесс угара элементов следует разделить на три существенно различных периода — угар в период нагрева до расплавления, угар в период расплавления и угар элементов в жидкой ванне расплава.

В период нагрева твердых кусков шихты угар происходит вследствие окисления элементов в поверхностном слое этих кус­ков. За время нагрева шихты до температуры плавления, которое может составлять от 0,2 до 1 ч для разных процессов плавки, реак­ции окисления успевают осуществиться в поверхностном слое тол­щиной до 0,5 мм. Поэтому при плавке на компактной крупной шихте влияние этих процессов на общую величину угара невели­ко. При плавке на легковесной мелкой шихте угар за такой период окажет существенное влияние на изменение химического состава металла в ходе плавки.

В период плавления кусков шихты поверхность контакта ме­талла с газовой фазой печи достигает максимума в результате обра­зования капель и струй металла, стекающих в образующуюся ванну жидкого металла. Большая поверхность контакта металла с газовой фазой в этот период определяет и значительную величину угара.

Важно отметить, что в первые два периода шлак и флюсы не обеспечивают защиты металла от окисления.

В третьем периоде угар элементов из жидкой ванны, по­крытой слоем шлака, замедляется, так как переход кислорода из газовой фазы к металлу связан с диффузией кислорода через слой шлака. Состав шлака оказывает существенное влияние не только на диффузию кислорода, но и на равновесие реакций окисления элементов в жидком металле.

На практике установлено, что элементы, образующие при окис­лении кислотные оксиды, интенсивнее угорают в основных печах и, наоборот, элементы, образующие основные оксиды, интенсивнее уго­рают в кислых печах.

Для объяснения этой закономерности сопоставим механизмы окисления кремния, образующего кислотный оксид Si0₂, и мар­ганца, образующего основной оксид МпО, в печах с кислой и основной футеровкой. Важнейшим отличием основного процесса от кислого, определяющим их металлургические особенности, является избыток в шлаке СаО при основном процессе и избыток Si0₂ в шлаке кислого процесса.

Схема процесса окисления кремния в основной печи показана на рис. 8.5, а.

Из приведенной схемы следует, что продукт реакции окисле­ния кремния — кислотный оксид Si0₂ в основной печи вступает в реакцию с основным оксидом СаО, содержащимся в избытке в основном шлаке. В результате образуется соль CaSi0₃. Это приво­дит к исчезновению продукта реакции окисления кремния и, следовательно, к смещению равновесия реакции вправо, т.е. способ­ствует повышению угара кремния.

В кислой печи избыток Si0₂ в шлаке приводит к увеличению концентрации продукта реакции, т.е. смещает равновесие в сто­рону, препятствующую угару кремния.

На рис. 8.5, б показано, что продукт окисления марганца — основной оксид МпО в кислой печи связывается кремнеземом в соль MnSi0₃. Снижение концентрации продукта реакции окисле­ния марганца смещает равновесие процесса вправо, в сторону увеличения угара марганца.

 

 

СаО 2FeO + Si 2Fe + Si02 + CaO = 2Fe + CaSi03 Рис. 8.5. Особенности угара элементов в основных (а) и кислых (б) печах (приведены схемы реакций)

б

a

Si02 FeO + Mn <=>Fe + MnO + Si02 = Fe + MnSi03

 

Рассмотренные закономерности играют важную роль при вы­боре футеровки печи для плавки разных по составу литейных спла­вов и учитываются при расчете состава шихты.

Удаление вредных примесей из железоуглеродистых сплавов

 

Десульфурация (обессеривание) железоуглеродистых расплавов.

Сера, являющаяся, как известно, вредной примесью для литей­ных сплавов на основе железа, имеет неограниченную раствори­мость в жидком железе. Удаление серы из расплава железа затруд­нено тем, что ее сродство к кислороду меньше, чем у основного металла — железа. Кроме того, концентрация серы в металле зна­чительно меньше, чем основного металла. Поэтому при вводе кис­лорода в расплав окисляется не сера, а железо. Таким образом, термодинамические предпосылки для удаления серы из распла­вов железа путем окислительного рафинирования отсутствуют.

Для десулъфурации железоуглеродистых сплавов необходимо полу­чить соединения серы, прочные и нерастворимые в железе, переходя­щие в шлак. Этого можно добиться двумя путями: 1) диффузион­ным способом и 2) осаждением.

В первом случае, при диффузионном способе процесс десульфурации протекает на границе металл—шлак. В качестве ре­агента, обеспечивающего получение прочного соединения серы, нерастворимого в металле, используется оксид кальция — СаО, дешевый и недефицитный материал (известь).

В плавильных печах процесс сводится к взаимодействию шла­ка, содержащего избыток СаО, с металлом по реакции^[5]:

[FeS] + (СаО) = [FeO] + (CaS), (8.9)

коэффициент распределения серы между шлаком и металлом при этом составляет:

Константа равновесия реакции (8.9) выражается уравнением, в котором задействованы не концентрации, а активности компо­нентов шлака:

 

где a(cas), a(СаО) ~ активность соответственно CaS и СаО в шлаке; a[FeS], a[Feo] ~ активность FeS и FeO в металле.

Учитывая, что активности веществ пропорциональны их кон­центрациям, анализ уравнения (8.10) позволяет сформулировать два важнейших условия успешного развития процесса десульфу­рации в простейшем для понимания и практического использова­ния виде:

1) высокая концентрация СаО в шлаке, или в металлургических терминах — высокая основность шлака;

2) низкая концентрация FeO в металле и шлаке.

Зависимость А (/реакции (8.9) от температуры выражается урав­нением: AG = -11 900 + 5,8Г, из которого видно, что температура не оказывает практически значимого влияния на константу рав­новесия.

Однако полнота протекания процесса десульфурации зависит не только от термодинамических факторов. В значительной мере она определяется кинетикой взаимодействия веществ, поскольку эти процессы далеки от равновесных. Исследования, подтверж­денные практикой, показали, что процесс десульфурации в боль- хиинстве случаев лимитируется диффузией в шлаке исходных ве­ществ и продуктов реакции. Скорость диффузионных процессов в шлаке возрастает со снижением вязкости шлака, с повышением его температуры. Из этого следует третье важнейшее условие ус­пешного протекания процесса десульфурации:

3) высокая температура шлака.

Чрезвычайно важно отметить также, что высокотемпературный режим плавки интенсифицирует процесс раскисления металла, способствуя выполнению второго условия из названных — сни­жению окисленности шлака и металла.

Это объясняется тем, что, как уже отмечалось (см. подразд. 8.3, вывод 9), восстановительная способность углерода с повышени­ем температуры возрастает. Поэтому с повышением температуры концентрация FeO в металле и шлаке уменьшается по реакции:

[FeO] + [С] = [Fe] + {СО}Т -Q,

(FeO) + [С] = [Fe] + {СО}Т -Q.

В этой связи процесс десульфурации сплавов железо—углерод часто описывают реакцией:

[FeS] + (СаО) + (С) = (CaS) + [Fe] + {СО}Т -Q. (8.11)

Во втором случае при десульфурации осаждением ре­агент, образующий не растворимое в металле соединение серы, вводят в расплав металла. Таким реагентом обычно является мар­ганец, имеющий большее сродство к сере, чем железо. Процесс описывается реакцией

[FeS] + [Mn] = (MnS) + [Fe]; AG° = -141 ООО + 19,8Г. (8.12)

Константа равновесия при этом составляет

 

а коэффициент распределения серы между металлом и шлаком определяется формулой:

 

Рис. 6. Влияние концент­рации марганца на раство­римость серы в расплавах стали и чугуна

Образующийся тугоплавкий сульфид марганца (tпл = 1620 °С) выделяется в самостоятельную фазу и переходит в шлак. На рис. 8.6 показана зависимость содержания серы в чугуне и стали от содер­жания марганца при разных температурах. Из графиков видно, что эффективность десульфурации осаждением уменьшается с повышением температуры процесса. Такой же вывод можно сделать на основании выражения для ∆G°, приведенного в реак­ции (8.12).

Кроме того, активность FeS в растворе металла увеличивается при увеличении концентрации в нем углерода и кремния.

При плавке стали температура ванны всегда выше, а содержание углерода и кремния ниже, чем при плавке чугуна, поэтому эффек­тивность десульфурации осаждением стали меньше, чем для чугуна.

 

Дефосфорация железоуглеродистых сплавов. Фосфор обладает большим сродством к кислороду, чем железо, и его можно удалить из расплава методом окислительного рафинирования. Установле­но, что при окислении элементов, растворенных в металле, обыч­но образуются не чистые оксиды, а сложные соединения, содер­жащие оксиды металла. В частности, при окислении фосфора, ра­створенного в железе, из металла выделяется фаза, имеющая со­став, близкий к фосфату железа (Fe0)₃P₂0₅. Это взаимодействие можно представить в виде двух последовательных реакций:

2Р + 5FeO = Р₂0₅ + 5Fe + 202377 Дж, Р₂0₅ + 3FeO = (FeO)₃- Р₂0₅ + 182 214 Дж, или суммарно и с указанием фаз

2[Р] + 8(FeO) = 5[Fe] + ((Fe0)₃-P₂0₅) + 384591 Дж. (8.13)

Реакции (8.13) протекают с большим выделением теплоты и при повышении температуры смещаются влево, в сторону исход­ных веществ.

Исследования показали, что константа равновесия реакции (8.13) при температурах плавки чугуна и стали не сильно отличается от единицы и, следовательно, в этих условиях реакция обратима и не обеспечивает высокой степени дефосфорации. Кроме того, угле­род, содержащийся в чугунах и сталях, по мере повышения темпе­ратуры увеличивает свою восстановительную способность, и при температурах выше 1320 °С восстанавливает образующиеся соеди­нения фосфора. При этом фосфор возвращается в металл.

Таким образом, для окислительного рафинирования металла от фосфора недостаточно получить нерастворимое в металле со­единение, необходимо еще, чтобы это соединение было стойким к воздействию температуры и раскислите л ей.

Такое соединение получают при наличии избытка СаО в шла­ке, т.е. при наличии основного шлака. Суммарно процесс дефос­форации при основном шлаке описывается уравнением:

2 [Р] + 5 [FeO] + 4 (СаО) = (4СаО. Р₂0₅) + 5 Fe. (8.14)

Константа равновесия этой реакции имеет вид

где N_{(CaO, N}[FeO] ~ молярная доля свободных оксидов кальция и железа.

На основании приведенных рассуждений можно сделать вывод о том, что для увеличения степени дефосфорации чугунов и ста­лей необходимо соблюдение трех условий, а именно:

1) высокая окисленность металла и шлака (для реализации первой стадии десульфурации — окисления фосфора);

2) низкотемпературный режим плавки (для увеличения кон­станты равновесия экзотермических реакций окисления фосфора);

3) наличие основного шлака (для фиксации степени дефосфо­рации, достигнутой на первой стадии процесса).

Сопоставляя условия, необходимые для удаления серы и фос­фора, важно отметить, что два из трех условий диаметрально про­тивоположны по характеру воздействия (окисленность металла и шлака и температурный режим). Третье условие — основность шлака — также различается не только формулировкой соответ­ствующих пунктов. Для дефосфорации металла нельзя использо­вать шлаки с высокой основностью, так как при низкотемпера­турном режиме плавки такие шлаки имеют низкие текучесть (см. подразд. 8.2. рис. 8.2) и химическую активность.

 

Дегазация расплавов металлов

Плавка в открытых печах сопровождается растворением в ме­талле водорода и азота. Главным источником этих газов является газовая фаза печи. Азот поступает в газовую фазу с атмосферным воздухом. Водород образуется в результате диссоциации паров воды, находящейся во влажном воздухе, на поверхности шихты, а так­же паров воды, образующихся при сгорании топлива:

2Н₂0 = 4Н + 0₂. (8.15)

Как отмечалось в подразд. 3.9, растворимость водорода и азота в жидких металлах при температурах металлургических процессов подчиняется закону квадратного корня (закону Сивертса — см. уравнение (3.26)).

С повышением температуры растворимость газов в металлах возрастает. Процесс растворения газов начинается уже в первый период расплавления шихты в результате контакта атмосферы печи с каплями и струйками металла. В этот период растворение проис­ходит быстро вследствие большой поверхности контакта металла с газами и отсутствия сплошного шлакового покрова.

После образования сплошного слоя шлака растворение газов замедляется в большей или меньшей степени в зависимости от физико-химических свойств шлака. При плавке в открытой печи содержание азота в расплаве железа может достигать 0,04 мае. %, а водорода — 0,0025 мае. %.

Газы, растворившиеся в металле в процессе плавки, при кри­сталлизации отливки образуют в ней усадочные или газоусадоч­ные раковины или поры. Поэтому дегазация расплава перед за­ливкой является одной из важнейших задач плавки.

В настоящее время существуют многочисленные способы дега­зации расплавов металлов. Наибольшее распространение при плавке литейных сплавов получили:

• вакуумирование;

• продувка нейтральными газами;

• обработка солями, образующими газообразные продукты;

• обработка ультразвуком.

Дегазация вакуумированием. Процесс растворения газов при плавке металла стремится к равновесию, описываемому законом Сивертса. Если над поверхностью выплавленного металла создать разрежение, уменьшить парциальное давление растворенного газа, то такое изменение приведет к активизации перехода газа из рас­плава в газовую фазу (рис. 8.7, а).

Однако зарождение пузырька газа в толще металла связано с необходимостью преодолеть давление p_MQ слоя металла, располо­женного над зарождающимся пузырьком, давление р_гтм атмос­феры печи, давление р^ слоя шлака, а также силы р_{пов>нат} поверхностного натяжения металла. Таким образом, должно выполняться условие

Рис7. Схемы вакуумной дегаза­ции: а — в ковше; б — струйная дегазация

 

 

Ръът. газа — Put Раты Ршл Рпов. нат» (8.16)

 

Как отмечалось в подразд. 3.9, зарождение пузырька так назы­ваемого «критического радиуса» в объеме чистого металла теоре­тически невозможно. Но реально на практике в толще жидкого металла всегда существуют поверхности раздела металла с твер­дыми фазами, такие как металл—футеровка, металл—неметалли­ческие включения. Эти поверхности не смачиваются металлом, что облегчает процесс зарождения на них пузырьков газа. Этим объясняется тот факт, что образование зародышей пузырьков га­зов происходит именно на поверхности твердых фаз.

Тем не менее, из неравенства (8.16) очевидно, что с увеличе­нием глубины ванны печи или ковша и увеличением толщины шлакового покрова эффективность процесса вакуумной дегазации снижается. Поэтому для больших объемов металла применяют ва­куумную дегазацию струи металла при его переливе из одного ковша в другой в вакуумной камере (рис. 8.7, б).

Рафинирование вакуумированием применяется для стали и цветных металлов.

Дегазация стали в процессе кипения. В окислительном периоде плавки стали после окисления кремния, марганца и фосфора и разогрева ванны начинается окисление углерода:

[FeO] + [С] = Fe + {СО}Т - Q.

В результате выделения из толщи жидкого металла пузырьков СО происходит бурление жидкой ванны (сталь «кипит»), поэтому данный период плавки получил название «период кипения», хотя явление это кажущееся, так как температура металла далека от температуры кипения.

Установлено, что в процессе кипения из металла наряду с ра­створенными в нем газами удаляются твердые неметаллические

Рис. 8 схема дегазации стали в процессе кипения

 

 

включения — Si0₂ и МnО. Мельчайшие частицы этих оксидов, образовавшиеся в начале окислительного периода во всей толще ванны, создают так называемую «неметаллическую муть». Они очень медленно всплывают в шлак и, в конечном счете, ухудшают каче­ство стали.

В то же время, наличие твердых неметаллических включений способствует зарождению пузырьков СО, а сами пузырьки газа приводят к всплытию твердых частиц в шлак. Это явление, назы­ваемое «флотацией неметаллической мути», способствует улуч­шению качества стали.

Одновременно с флотацией происходит дегазация стали. Суть процесса дегазации стали при кипении аналогична вакуумной дегазации, несмотря на внешнее различие этих процессов. Дей­ствительно, поверхность каждого пузырька СО в расплаве явля­ется границей раздела газообразной и жидкой фаз. Для этих кон­тактирующих фаз выполняется уравнение Сивертса, устанавли­вающее равновесное соотношение концентрации газа в расплаве металла и парциального давления газа над поверхностью раздела фаз. Поскольку внутри пузырьков СО парциальные давления во­дорода и азота равны нулю, газы диффундируют внутрь пузырь­ков и, всплывая, оказываются в атмосфере печи. Таким образом, пространство внутри пузырьков СО является вакуумом для азота и водорода. На рис. 8.8 процесс дегазации кипением показан схе­матично.

Успешному протеканию процесса кипения способствуют сле­дующие условия:

® высокая температура металла, так как движущей силой реак­ции является только энтропийный фактор;

• низкое содержание кремния, марганца и фосфора, имеющих большее по сравнению с углеродом сродство к кислороду при низких температурах;

• высокая концентрация углерода в расплаве.

Дегазация расплавов продувкой газами. При плавке стали обра­зование в ней пузырьков СО, способствующих дегазации, проис­ходит естественным образом вследствие наличия в ней углерода и окисленности расплава. При плавке сплавов на основе алюминия, меди и других металлов самопроизвольного «кипения» не проис­ходит. Поэтому для дегазации таких расплавов прибегают к искус­ственному «кипению», применяя продувку металла газами.

Суть процесса, как и при кипении, состоит в том, что внутри пузырьков продуваемого газа парциальное давление водорода и азота изначально равно нулю. Поэтому азот и водород диффунди­руют внутрь пузырьков продуваемого газа и всплывают на поверх­ность ванны.

Для продувки выбирают газы, которые имеют минимальную растворимость в выплавляемом металле. Таковыми являются газы с большим размером атомов, например аргон и хлор.

Дегазация продувкой газами сопровождается, так же, как и процесс кипения стали, рафинированием расплава от твердых не­металлических включений.

Дегазация ультразвуковой обработкой. При дегазации ультразву­ковыми колебаниями торцы волноводов приводят в соприкоснове­ние с поверхностью расплава, очищенного от шлака (рис. 8.9, а). Суть процесса в том, что под действием ультразвуковых коле­баний в расплаве развиваются явления кавитации (образо­вания полостей, пузырьков). В образующиеся при этом пустоты диффундируют растворенные в металле газы в соответствии с законом Сивертса. Метод используется при плавке алюминиевых сплавов.

Рис. 8.9. Схемы дегазации расплавов: ультразвуком; б — вибрацией; в — под колокольчиком солями хлора

Спокойное, неподвижное состояние жидкости способствует фиксации растворенных в ней газов. Наоборот, перемешивание, вибрация и другое возмущение жидкости приводит к выделению растворенных в жидкости газов. На рис. 8.9, б показана схема ус­тановки, предназначенной для дегазации расплавов с использо­ванием данного явления.

 

 

Дегазация алюминиевых расплавов. Для дегазации алюминие­вых расплавов могут применяться многочисленные способы: ва- куумирование, продувка газами, обработка ультразвуком, вымо­раживание.

Дегазация вакуумированием и ультразвуковой обработкой. Для

алюминиевых сплавов подобные варианты обработки требуют по­вышенных затрат по сравнению с другими, более эффективными способами.

Продувка газами. Продувка хлором является эффективным спо­собом дегазации, но практически не применяется в связи с вы­сокой токсичностью хлора. Продувку аргоном или азотом ведут при 720...730 °С в течение 5...20 мин; расход газа 0,5... 1 м³/т рас­плава.