Растворы: основные понятия, типы растворов, растворы в металлургии

Если сплав обладает низкой жидко-текучестью,  то при заполнении тонко- стенных крупногабаритных форм движение расплава может прекратиться раньше, чем форма будет заполнена. В результате образуется дефект, называемый недоливом (рис. 1, а), который нельзя исправить. Отливки с таким браком отправляются на переплавку. Если при заполнении формы металлом с низкой жидко текучестью возникают встречные потоки металла, то они могут не слиться, в результате чего образуется отверстие произвольной формы или сквозная щель в стенке отливки. Такой дефект называют неслитиной,

и если размеры этого дефекта  невелики, то он может быть вырублен до чистого металла и заварен. Заполнение литейной формы не является чисто гидравлическим процессом, так как течение металла в форме сопровождается его остыванием. При температуре ниже температуры ликвидуса в расплаве образуется твердая фаза в виде кристаллов. По мере накопления твердой фазы скорость течения уменьшается, и при определенном проценте твердых кристаллов течение прекращается.

 Следовательно, возможность заполнения литейной формы ограничена временем, в течение которого расплав, находясь в жидком и твердожидком состояниях, сохраняет способность течь. Это время для одного и того же сплава при одинаковых гидравлических условиях заполнения определяется тепловыми условиями: начальными температурами жидкого металла и литейной формы, их теплофизическими свойствами, особенностями передачи теплоты через границу раздела металл-форма и теплоизлучением в полости литейной формы. Разные сплавы при сравнимых тепловых и одинаковых гидравлических условиях обладают разной способностью течь и заполнять литейную форму. Это обусловлено, прежде всего, особенностями их кристаллизации. Сплавы с широким интервалом кристаллизации затвердевают с образованием разветвленных дендритов,  которые растут перпендикулярно поверхности формы,  отводящей тепло, т. е. поперек течения металла, заполняющего полость формы. При этом «живое» сечение каналов быстро уменьшается и течение металла затрудняется. Поэтому такие сплавы заполняют форму хуже, чем чистые металлы и эвтектические сплавы, которые кристаллизуются при постоянной температуре с образованием малоразветвленных дендритов и кристаллов компактной формы. Кроме заполнения формы важным является точность воспроизведения отливкой рельефа поверхности формы.

 Способность сплава  воспроизводить рельеф поверхности формы называют формозаполняемостью. Обычно литейная форма не смачивается жидким металлом, поэтому капиллярные силы препятствуют воспроизведению неглубокого рельефа на поверхности отливки.  Чем больше поверхностное натяжение расплава и краевой угол смачивания поверхности литейной формы и чем меньше размеры выступов и впадин на поверхности формы, тем хуже воспроизводится рельеф формы на отливке. Для преодоления капиллярного противодавления необходим дополнительный металлостатический напор.  Когда металл смачивает форму,  поверхность контакта металл-форма увеличивается, что вызывает заметное ускорение охлаждения расплава и, следовательно, уменьшение времени его течения.

Более существенно,  чем  поверхностное натяжение,  влияют на жидко-текучесть оксидные плены, образующиеся при контакте сплава с воздухом, которые значительно повышают усилия, необходимые для преодоления поверхностного натяжения сплава. Оксидные плены, образующиеся на поверхности расплавов, нитриды и сульфиды уменьшают жидко-текучесть и ухудшают формозаполняемость.  Наличие в металлах и сплавах примесей в одних случаях ухудшает жидко-текучесть, а в других может улучшить ее. Модифицирование значительно улучшает жидко-текучесть, но иногда приводит к ее уменьшению (например, у сплавов системы А1-Si).

Присутствие в алюминии незначительного количества железа, кремния и титана заметно ухудшает его жидко-текучесть, однако наличие легкоплавкой эвтектики во всех сплавах приводит к увеличению жидкотекучести.  Так,  введение от 0,5  до 1,5 % фосфора в чугун позволяет увеличить его жидкотекучесть настолько, что из такого чугуна отливаются тонкостенные радиаторы водяного отопления,  поршневые кольца двигателей внутреннего сгорания и другое тонкостенное и ажурное литье. Бронза с содержанием фосфораоколо 1 % используется для отливки художественных изделий: скульптур, барельефов, тонкостенных решеток, монументов и т. п. Тугоплавкие легирующие вольфрам,  ванадий,  титан,  молибден ухудшают жидкотекучесть большинства сплавов. Такие примеси, как марганец и сера, сами по себе не влияют на жидкотекучесть, но при совместном присутствии в сплавах образуют соединения, снижающие жидкотекучесть.

При оценке жидкотекучести сплавов необходимо учитывать величину интервала затвердевания и скрытую теплоту их кристаллизации, их удельный вес и др. Как только расплав охлаждается ниже температуры ликвидуса, в нем появляются кристаллы затвердевшего металла, и способность течь быстро снижается. Затвердевающий металл может течь, пока не образуется такое количество твердой фазы,  которое воспрепятствует движению расплава.

  Нулевая жидкотекучесть сплава наступает при температуре, лежащей между температурами ликвидуса и солидуса,  и характеризуется определенным количеством твердой фазы. Расплав теряет жидкотекучесть, если содержит твердых кристаллов примерно 20–25 % по массе. Нулевой жидкотекучести в доэвтектической и заэвтектической областях равновесной диаграммы двойного сплава.

 Наиболее низкую температуру  нулевой жидкотекучести имеют эвтектические сплавы  и сплавы. По составу такие сплавы несколько отличаются от эвтектического состава, но имеют не более 25 % твердых кристаллов при охлаждении до температуры солидуса.  На жидкотекучесть сильно влияет скрытая теплота кристаллизации. Чем  больше тепла выделяется при кристаллизации,  тем медленнее происходит затвердевание и дольше сплав сохраняет способность течь по каналам формы.  Следует отметить,  что сама по себе высокая вязкость литейных сплавов не мешает заполнению формы. Достаточно вязкие сплавы могут хорошо заполнять тонкие сечения отливки, проникая в них под действием собственного веса,  однако для этого необходимо определенное время. Экспериментально установлено, что жидкотекучесть зависит от вязкости в меньшей мере, чем от интервала кристалл изации сплава.

  Различные литейные сплавы даже при умеренном перегреве,  легко достигаемом в производственных условиях,  имеют кинематическую вязкость, мало отличающуюся от вязкости воды, например углеродистая сталь. Однако в процессе заполнения формы, благодаря большой теплопроводности, сплав быстро остывает,  вязкость его быстро возрастает,  а подвижность значительно уменьшается.

Если бы удалось поддерживать высокую температуру перегрева металла в течение всего времени движения его по каналам формы, то нетрудно было бы получить из относительно вязких литейных сплавов очень тонкостенные отливки. Учитывая короткое время пребывания таких сплавов в подвижном состоянии, их необходимо заливать в форму с более высокой скоростью. Теплоемкость и теплопроводность сплава существенно влияют на отвод тепла от движущегося сплава в литейную форму,  а скорость охлаждения, в свою очередь, определяет длительность пребывания сплава в подвижном состоянии.

Чем больше теплоемкость и  меньше теплопроводность сплава,  тем  медленнее охлаждение и больше соответственно его жидкотекучесть. Жидкотекучесть зависит также и от характера движения потока,  при турбулентном течении она будет меньшей, чем при ламинарном. Состояние внутренней поверхности формы оказывает существенное влияние на ее заполняемость.  При изготовлении крупных, сложных по конфигурации отливок, формы и стержни для них окрашивают и высушивают для снижения не только пригара, но и уменьшения шероховатости поверхности. 

При заливке сырых форм происходит интенсивное парообразование в еще не заполненных тонких полостях, что препятствует заполнению этих мест металлом. Следовательно,  лучшей заполняемостью обладают сухие окрашенные формы. Таким образом,  на заполнение литейной формы влияют факторы,  которые можно разделить на три группы. К первой группе относят свойства сплава в жидком состоянии:  поверхностное натяжение,  теплопроводность,  теплоемкость,  теплота и интервал кристаллизации,  склонность к окислению,  наличие включений, особенности кристаллизации. Вторую группу факторов составляют свойства литейной формы:  теплоаккумулирующая способность,  газопроницаемость, шероховатость поверхности формы.

К третьей группе относятся  условия заливки: металлостатический напор, перегрев расплава,  температура литейной формы. Если стабилизировать вторую и третью группы факторов,  то полнота заполнения литейной формы будет зависеть только от свойств сплава.  Поскольку жидкотекучесть зависит от многих физических и физико-химических свойств сплава в жидком состоянии, то ее невозможно охарактеризовать одной константой или расчетом. Для экспериментального определения жидкотекучести используют специальные технологические пробы, которые отливают при одинаковых условиях.

То есть при исследовании жидкотекучести необходимо следить за тем,  чтобы основные параметры процесса  (факторывторой и третьей групп) поддерживались постоянными, с тем чтобы исключитьих влияние на заполнение формы. Прежде всего, это относится к поддержанию постоянной температуры или постоянного перегрева над ликвидусом,  к материалу формы, ее температуре, размерам и конфигурации заливаемой полости.

При сравнении жидкотекучести различных сплавов принято различать истинную,  условно истинную и практическую жидкотекучесть. Истинная жидкотекучесть сплавов определяется при их одинаковом перегреве выше температуры нулевой жидкотекучести, при которой сплав теряет подвижность . В производственных условиях температуру нулевой жидкотекучести трудно определить с необходимой точностью. Поэтому обычно определяют не истинную,  а условно истинную жидкотекучесть при одинаковом перегреве сплавов выше температуры ликвидуса.

 Под практической понимают  жидкотекучесть сплавов, определяемую при постоянной температуре заливки. Для определения жидкотекучести с помощью проб постоянного сечения длину и площадь сечения полости формы устанавливают такими, чтобы метал к моменту остановки не заполнил всю полость до конца. Мерой жидкотекучести при использовании таких проб является длина полученного прутка в заданных условиях заливки и охлаждения. 

С помощью проб постоянного  сечения выявляют связь жидкотекучести сплава с его положением на диаграмме со-стояния.  Наиболее широко применяют спиральную пробу,  которая позволяет получить длинные прутки в сравнительно небольших по площади формах. Модель этой пробы и литниковой системы для нее должны соответствовать ГОСТ 16438–70 «Формы песчаная и металлическая для получения проб жидкотекучести металлов».  Форму спиральной пробы изготавливают в парных опоках (или собирают из стержней) и устанавливают под заливку строго горизонтально по уровню. Спиральный канал трапециевидного сечения располагают в нижней полу-форме.

В верхней полу-форме выполняются литниковая чаша 2, стояк 3 и фильтрующий элемент 4 между ними.  Литниковая система обеспечивает поступление металла в полость формы с определенной постоянной скоростью. Для обеспечения одинакового металлостатического напора стояк предвари-тельно перекрывают пробкой, которую удаляют после наполнения чаши металлом. Для упрощения замеров в спиральном канале имеются углубления через каждые 50 мм, которые воспроизводятся на отлитой пробе в виде выступов .

 По этим выступам определяют длину спирали в миллиметрах, которая и является характеристикой жидкотекучести сплава. U-образная проба Нихендзи-Самарина   имеет вертикальное расположение канала в металлической разъемной форме. Количественной характеристикой жидкотекучести является длина заполнившейся части вертикального канала диаметром 6 мм, измеренная от места перехода более широкого стояка в узкий канал. Шариковую пробу, разработанную А. Г. Спасским, можно получать литьем как в металлическую, так и песчаную форму.

Металлическая форма с вертикальным разъемом состоит из двух половинок и клиновой вставки , соприкасающейся с шариком 2 диаметром 20 мм,  вмонтированным в одну из половинок. Металл подводится литниковой системой в нижнюю часть полости формы, которую перед заливкой нагревают. Мерой формо-заполняемости в данной пробе является площадь или средний диаметр отверстия,  образованногосплавом около точки соприкосновения шарика с плоскостью клина. Чем меньше площадь этого отверстия или его средний диаметр, тем более тонкостенную отливку может заполнить сплав в аналогичных условиях.

Заливка клиновой пробы производится в металлическую форму. Во время заливки вершина угла клина располагается вертикально. Мерой формозаполняемости служит расстояние между верхней точкой затвердевшего сплава и вершиной угла клина. Чем больше жидкотекучесть,  тем меньше это расстояние.  Различными по конструкции пробами оценивают разные факторы,  предопределяющие в данных конкретных условиях способность сплава заполнять их полость.

  Например,  клиновая  и шариковая пробы лучше характеризуют  способность сплава воспроизводить  отпечаток,  спиральная и U-образная  пробы способность сплава течь, что зависит главным образом от теплофизических характеристик сплава.

Состав, условия  формирования и технологическая  роль шлака в получении стали.

  Шлаки сталеплавильных  процессов.

Роль шлаков в процессе производства стали исключительно  велика. Шлаковый режим, определяемый количеством и составами шлака, оказывает большое влияние накачество готовой стали, стойкость футеровки и производительность сталеплавильного агрегата. Шлак образуется в результате окисления составляющих части шихты, из оксидов футеровки печи, флюсов и руды. По свойствам шлакообразующие компоненты можно разделить на

кислотные (SiO2; P2O5; TiO2; и др.)

 основные (CaO; MgO; FeO; MnO и.др.)

 амфотерные (Al2O3; Fe2O3; Cr2O3; и др.) оксиды.

Важнейшими компонентами шлака, оказывающими

основное влияние на его  свойства, являются оксиды SiO2 и CaO.

Шлак выполняет несколько  важных функций в процессе выплавки стали:

1. Связывает все оксиды (кроме СО), образующиеся в процессе окисления примесей чугуна. Удаление таких примесей, как кремний, фосфор и сера, происходит только после их окисления и обязательного перехода в виде оксидов из металла в шлак. В связи с этим шлак должен быть надлежащим образом подготовлен для усвоения и удержания оксидов примесей;

2.      Во многих  сталеплавильных процессах служит  передатчиком кислорода из печной атмосферы к жидкому металлу;