Особенности плавки тугоплавких металлов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Особенности плавки тугоплавких металлов

24.06.2021

«Чистые» условия плавки предполагают отсутствие опасности загрязнения металла или материала нежелательными примесями как во время плавления, так и при нагреве или охлаждении. Источниками загрязнений могут быть атмосфера, окружающая жидкий металл, огнеупорные материалы, а также те детали печи, которые входят в соприкосновение с жидким металлом или находятся в зоне высоких температур.

Загрязнение тугоплавких металлов из газовой фазы


Для предупреждения загрязнения из газовой фазы плавление тугоплавких металлов и многих соединений на их основе проводят в вакууме или в атмосфере инертных газов. И в том и в другом случае в плавильные установки включается оборудование для создания вакуума, а плавильная камера окружается герметичным кожухом. Плавление металлов в вакууме дешевле, но вакуум ускоряет процесс испарения и иногда, например для сплавов с легколетучими компонентами, оказывается непригодным. Инертные газы так же, как аргон, гелий или их смеси, применяют, когда есть какие-либо ограничения в отношении использования вакуума, а также при необходимости повышения давления над ванной жидкого металла. При плавлении тугоплавких соединений для уменьшения потерь за счет испарения приходится иногда поддерживать давление инертных газов в печи на уровне нескольких атмосфер.

Большое значение имеют, естественно, степень разрежения и чистота инертных газов, которые обеспечивают удовлетворительную защиту металлов от загрязнения. Выбор необходимой степени разрежения определяется химической активностью металла или компонентов сплава, а также чувствительностью металла к загрязнениям. Практически загрязнение металлов не происходит, если плавление осуществляется в вакууме для титана 1,33-0,1, циркония - 0,01, тантала, ниобия, молибдена, вольфрама - 0,01-0,001 Па (имеется в виду вакуум в рабочем пространстве печи).

Иногда выбор степени разреженности определяется не свойствами металла, а особенностями плавильной установки. В электронных печах все металлы выплавляют в высоком вакууме независимо от их природы.

Вакуумная плавка способствует очистке тугоплавких металлов, что также следует принимать во внимание при выборе степени разрежения.

Тигельная плавка


Наиболее простым является традиционный способ плавления в тиглях из огнеупорных материалов. Однако настойчивые поиски инертных по отношению к жидким тугоплавким металлам огнеупорных материалов не дали положительных результатов. Все опробованные огнеупорные материалы в той или иной степени взаимодействуют с жидкими тугоплавкими металлами, загрязняют их и непригодны для промышленного использования,

Применение огнеупорных материалов для плавки тугоплавких металлов возможно лишь в особых случаях, когда некоторое загрязнение допустимо и нельзя использовать другие способы плавки. Иногда такие обстоятельства встречаются в научно-исследовательской работе при экспериментировании с жидким металлом, весь объем которого должен быть нагрет до одинаковой температуры.

Для плавки титана и циркония можно использовать тигли из графита с минимальной пористостью. Рост содержания углерода в металле С по ходу плавки описывается уравнением

где S — удельная геометрическая площадь соприкосновения между графитом и жидким металлом с массой m; т — время после расплавления; П — пористость; а — коэффициент; C0 — исходная концентрация углерода; D — коэффициент диффузии.

В условиях минимальной выдержки жидкого металла в тигле и незначительного перегрева при температуре плавления удается переплавить титан с загрязнением 0,5-0,6 С и цирконий — с 0,3-0,4 % С. При плавлении титана в тиглях из практически беспористого пиролитического графита содержание углерода в металле составляет около 0,3 %. Науглероживание большинства сплавов на основе титана и циркония меньше, чем чистых металлов. К числу элементов, уменьшающих науглероживание титана и циркония, относят алюминий, олово, медь, марганец и др.

Плавление в автотигле


Плавление металла в автотигле, т. е. в сосуде из того же, но твердого металла, как и остальные бестигельные методы плавки, позволяет избежать его загрязнения посторонними примесями. Строго говоря, к этому методу следует отнести способы плавки в тигле с гарнисажем, в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе, в графитовом водоохлаждаемом тигле и другие, так как во всех этих случаях жидкий металл соприкасается только с металлом того же состава, но в твердом состоянии. Однако с развитием плавки и литья при производстве тугоплавких металлов произошла некоторая дифференциация в терминологии: гарнисажными печами стали называть главным образом литейные печи; под словами «плавка в медном водоохлаждаемом тигле или кристаллизаторе» стали подразумевать плавление металла в дуговых вакуумных печах. Термин «автотигельная плавка» иногда применяют только для такого способа плавки, когда нагрев металла осуществляется высокочастотным индуктором. Мы же склонны использовать этот термин в его строгом и более широком значении.

Применительно к тугоплавким металлам автотигельный метод плавки следует считать сейчас единственным в промышленности и наиболее распространенным в лабораторной практике.

Медный водоохлаждаемый тигель или кристаллизатор для выплавки слитков. В водоохлаждаемом тигле с дном или неподвижным поддоном наплавка слитка ведется при движении жидкой ванны металла вверх. Медный водоохлаждаемый кристаллизатор служит формообразователем для слитка в той его части, где расположена ванна жидкого металла. Из кристаллизатора слиток вытягивается в процессе плавки вниз, а ванна жидкого металла остается на одном уровне. Тепловые процессы при некоторой длине слитка в обоих случаях одинаковые; форма и размеры ванны жидкого металла оказывают аналогичное влияние на процесс кристаллизации металла и качество слитка. Различно, однако, качество поверхности слитка, так как в тигле ванна жидкого металла при своем движении вверх должна расплавить затвердевание и спекшиеся на поверхности тигля капли, брызги и конденсат металла, так называемую «корону», в то время как в кристаллизаторе корона не образуется и качество поверхности слитка оказывается лучше.

Важной характеристикой автотигельной плавки служат размеры ванны жидкого металла. Первое время глубину ванны рассчитывали по уравнениям, заимствованным из теории непрерывного литья. Ho ванна жидкого металла при непрерывном литье слитков не получает столько тепла, сколько его поступает в автотигель, и в результате этого она значительно меньше перегрета.

В.И. Добаткин, М.И. Мусатов и др., анализируя тепловой баланс автотигля, получили уравнение для профиля и глубины ванны при следующих допущениях:

— теплоемкость, плотность и теплопроводность металла не зависят от температуры и фазового состояния;

— кристаллизация металла происходит при постоянной температуре tпл для металлов и tлик (температура образования неподвижного дендритного скелета в зоне кристаллизации) для сплавов; так как сейчас в автотиглях выплавляют в основном чистые тугоплавкие металлы или малолегированные сплавы на их основе с узким интервалом кристаллизации, это допущение не должно вносить больших погрешностей в расчет;

— температура в твердом металле изменяется по линеиному закону, т. е.

где tпов — температура наружной боковой поверхности слитка; tпл — температура плавления металла или сплава; r — текущая координата; rж — радиус жидкой ванны; b — толщина слоя твердого металла.

Учитывая, что при достаточной длине слитка отвод тепла по его оси имеет меньшее значение, чем боковой поток тепла, процесс рассматривается только для радиального теплового потока, что позволяет избежать громоздких математических расчетов. Однако авторы предложили поправку, с помощью которой можно оценить влияние осевого теплового потока на размеры ванны.

Рассмотрим произвольно выбранный слой кристаллизующегося слитка в зоне ванны жидкого металла. За промежуток времени dт слой потеряет некоторое количество тепла, равное

где К — теплопроводность; R — радиус слитка; dh — высота слоя.

В результате размер ванны уменьшится на величину drж, а теплосодержание слоя изменится на величину

где у — плотность; L — скрытая теплота кристаллизации; tж, tтв — соответственно средняя температура жидкого и твердого металла; с — теплоемкость.

Равенство этих выражений представляет собой уравнение теплового баланса слоя, из которого, использовав соотношение vdт = пуR2dh (v — массовая скорость плавки), а также безразмерные координаты m = rж/R и n = h/H (Н — глубина жидкой ванны), можно получить следующее дифференциальное уравнение:

t'пов; t'тв; t'ж — температура соответственно наружной поверхности слитка, твердого и жидкого металла при m = 0,5.

После интегрирования уравнения (3.7), определения постоянной интегрирования из условий n = 0, m = 1 и некоторых преобразований получим следующую зависимость глубины ванны от массовой скорости плавки при радиальном отводе тепла от слитка:

Отсюда можно получить уравнение профиля ванны жидкого металла в автотигле 1 — n = m2, графически представленное на рис. 5.1. Экспериментальная проверка показала, что расчетные данные достаточно хорошо совпадают с опытными, несмотря на ряд допущений, отмеченных выше.

В уравнении (3.8) наиболее сложным следует считать определение температуры. Температуру наружной боковой поверхности слитка можно определить из условий теплообмена между слитком и тиглем. По мере удаления от зеркала ванны толщина слоя твердого металла увеличивается и, как следствие усадки, начиная с того момента, когда слой твердого металла окажется в состоянии выдерживать без деформации массу ванны жидкого металла, между слитком и стенкой тигля образуется зазор. Теплопередача через зазор осуществляется главным образом излучением. Если выделить в этой области горизонтальный слой кристаллизующегося слитка высотой Ah, то для его поверхности тепловой баланс будет выражаться уравнением

где С = о/1/е1+1/е2-1 — приведенный коэффициент излучения (о — постоянная Стефана — Больцмана, е1 и е2 — степень черноты соответственно поверхности слитка и стенки тигля); Tпов, Tтиг — абсолютная температура наружной боковой поверхности слитка и стенки тигля.

Из уравнения (5.8) следует, что

где 0 = Tпов/Tпл — приведенная температура наружной поверхности слитка; Ф = CTпл3b/Л — безразмерный критерий.

Для определения температуры жидкого металла известно несколько эмпирических и полуэмпирических формул, связывающих температуру с количеством тепла, которое подводится к поверхности жидкой ванны. Лучшей из них следует считать, по-видимому, формулу, предложенную Л.Н. Белянчиковым для автотигля, поверхность которого обогревается электрической дугой:

где At — перегрев металла в поверхностном слое; Atmax = 0,22tпл — максимальный перегрев металла вблизи анодного пятна дуги; в — коэффициент, равный, например, для титана 120 А/см; D — диаметр слитка; I — сила тока дуги.

Если принять, что с ростом толщины твердого металла температура жидкого металла изменяется по линейному закону, то, используя формулу Белянчикова, можно определить среднюю температуру жидкого металла в слое, для которого m = 0,5:

Среднюю температуру твердого металла рассчитывают, как было отмечено выше, в предположении, что ее изменение по глубине слоя подчиняется линейному закону.

Массовая скорость плавки, входящая в уравнение глубины ванны, легко определяется экспериментально, но может быть получена и теоретически из анализа тепловых процессов в расходуемом электроде.

Приведенные выше уравнения для глубины и профиля ванны получены для радиального отвода тепла. Однако полностью пренебрегать тепловым потоком, направленным по оси слитка, нельзя, так как осевой теплоотвод, особенно при небольшой длине слитка может заметно уменьшать глубину и размеры ванны жидкого металла.

В.И. Добаткин и М.И. Мусатов вывели следующее уравнение глубины ванны с учетом осевого отвода тепла:

где b = f(CTплR/Л) - коэффициент в выражении температуры наружной боковой поверхности слитка на уровне нижней точки ванны жидкого металла (t'пов = btпл).

Коэффициент s (часть теплового потока по оси слитка по отношению ко всему количеству тепла) зависит от теплофизических свойств металла, интенсивности источника тепла, которая в данном случае выражается массовой скоростью плавки и размерами слитка.

Для улучшения условий плавки и кристаллизации металла часто используют электромагнитное перемешивание, для чего автотигель окружают соленоидом (жидкий металл вращается вокруг вертикальной оси тигля). Магнитное перемешивание, как установлено рядом исследователей, например Л.С. Морозом и И.В. Полиным, оказывает влияние на глубину ванны жидкого металла в автотигле. Обнаружена оптимальная напряженность электромагнитного поля, при которой образуется ванна максимальной глубины. Уменьшение напряженности, так же как увеличение ее сверх оптимальной величины, приводит к снижению глубины ванны. В первом случае это происходит в результате уменьшения среднего по объему перегрева ванны, а во втором — за счет интенсификации отвода тепла от ванны. При количестве ампер-витков, значительно превышающем оптимальное, зеркало ванны может оказаться сильно вогнутым вследствие большой центробежной силы, а объем ванны очень малым.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: