Файл: Глебовский В.Г. Плавка металлов и сплавов во взвешенном состоянии.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 07.07.2024
Просмотров: 127
Скачиваний: 0
товым пирометром ЦЭП-ЗМ с точностью ±30°С. Фикси ровали изменение масс 28 (СО и N2), 44 (С 02), 2 (Н2) и 14 (N) при плавлении и выдержке 3—3,5 мин.
Данная методика позволяет исследовать газовыделение как при ПВС, так и в тигле. Шихтой для плавок служило железо с различным содержанием углерода. Температура опыта была равной 1680— 1700°С и исход-
Ри'С. 62. Схема установки для изучения кинетики газовыделеяня из .металла >ъ вакууме:
1— реакционная |
камера; |
2 — генератор ЛГЗ-ЛОА; 3 — азотная |
||||
ловушка; 4 — вакуумные |
краны; |
5 — диффузионный |
насос; 6' — |
|||
форвакуум ный |
на-сос; |
7 — вакуумметр; |
8 — потенциометр |
|||
ЭПП-09; 9 — прибор |
ПСРІ-0,1; |
Ю— обогреваемая |
трубка из |
|||
нержавеющей стали; I I — мавд-спектромстр MX* 13-02 |
||||||
ный вакуум |
в |
реакционной |
камере |
составлял |
0,01 мм рт. ст. Первая серия плавок была проведена во взвешенном состоянии, что исключало взаимодействие металла с футеровкой и практически устраняло влияние гидростатического давления металла на кинетику газовыделения. На рис. 63 (а—в) представлены результаты этих плавок, которые показывают, что из металла с 0,17%'С выделялось максимальное количество газов, причем основную долю составляли окись углерода и во дород. Удаление газов из металла начиналось сразу же после включения нагрева. Максимальную интенсивность выделения окиси и двуокиси углерода наблюдали в мо мент плавления с дальнейшим резким затуханием про цесса. Несколько аномально происходило выделение во дорода: в момент плавления наблюдали перелом на кри вой газовыделения и затем значительное возрастание
132
|
S=5 |
|
N3 |
Сэ |
Го |
I------------------ |
Г - |
СО |
СП |
288 Ш О 1(52 288 т 0 т 288
И н т е н с и в н о с т ь В ы д е л е н и я , м В
'g |
§ |
А з о т а |
"5 |
|
-]--------- |
1--------- |
1 |
I---------- |
Г' |
|
Д б у о н а с и у г л е р о д а |
|
||
|
Сг> |
Со |
со |
ho |
-1 |
О к и с и у г л е р о д а , 'во д о р о д а ' |
|||
h o |
Ct> |
It ! |
О |
СГ> |
ТП 1 ill
i f f " —
1:
< Cn 1К
Го
■fc« |
|
|
Ag'o |
Ss |
о> |
“ I------------------ |
1 |
h o |
О э |
г
со
Г'з
скорости дегазации, что совпадало с повышением темпе ратуры от точки плавления до температуры опыта; в мо мент достижения этой температуры интенсивность уда ления достигала максимума и в дальнейшем падала, но с меньшей скоростью, чем для окиси и двуокиси уг лерода. Поведение азота выявлялось менее рельефно, однако очевидно, что его выделение происходило в мо мент плавления, причем в то же самое время, что и уда ление окиси и двуокиси углерода.
Несовпадение во времени пиков удаления окиси угле рода II водорода, возможно, характеризует различный механизм процесса удаления этих газов при плавлении и дальнейшей выдержке. Очевидно, наиболее благопри ятными условиями для зарождения пузырька окиси уг лерода, образующейся в результате взаимодействия рас творенных в железе углерода и кислорода, является твердо-жидкое состояние, что подтверждается наиболь шим удалением газа в моменты плавления и непосред ственно после него.
Однако водород, испаряющийся с поверхности ме талла без образования газовых пузырей, быстрее диф фундирует в жидком железе, чем в твердом, поэтому удаление водорода из металла наиболее полно осуще ствляется в жидком состоянии. Этим и объясняется за паздывание пика интенсивности выделения водорода по сравнению с пиком окиси углерода.
Ранее было отмечено, что контакт жидкого |
металла |
с огнеупорной футеровкой интенсифицировал |
процесс |
дегазации металла в вакууме, облегчая процесс зарож дения газового пузыря на твердой поверхности. В насто ящем исследовании были проведены опыты в тиглях с предварительным прокаливанием их при 1700°С и раз режении 10~3 мм рт. ст. при загрузке металла без нару шения герметичности печи. Результаты плавок представ лены на рис. 63, г—е, из которого следует, что абсолют ные величины пиков интенсивности выделения окиси уг лерода при всех содержаниях углерода всегда больше, чем для плавок во взвешенном состоянии. Четко выяв ляется отмеченная выше закономерность: в период твер до-жидкого состояния металла наблюдается макси мальное удаление азота, окиси и двуокиси углерода с последующим максимумом выделения водорода из жид кого железа. Обращает внимание изменение характера удаления водорода: в случае ЛВС водород почти пол
134
ностью успевает удалиться примерно за 30 с, а при плав ке в тигле этот процесс более длителен, что объясняется уменьшением площади зеркала металла и наличием ферростатического давления ванны жидкого железа.
Изучение газовыделения никеля и сплавов Ni—€ —О представляет большое значение для разработки рацио нальных методов плавки и раскисления в производствен ных масштабах для получения необходимых свойств и,
в частности, |
минимального |
газовыделения. В |
опытных |
плавках был |
использован |
электролитический |
никель, |
предварительно переплавленный в атмосфере |
водорода |
с целью понижения содержания кислорода. Нпкельуглеродистые сплавы получали путем добавления лигатуры, изготовленной науглероживанием чистого никеля гра фитом в вакууме. Опыты проводили в тех же условиях, что и плавки железа. Температура металла по измере ниям оптическим пирометром составляла 1790°С. В кон
це плавки |
расплав кристаллизовали на медный пруток |
и при этом |
фиксировали его газовыделение. Кинетиче |
ские кривые газовыделения из расплава с различным со держанием углерода приведены на рис. 64.
Анализ результатов показывает, что выделение газов начинается в момент нагрева образца металла. Наи большей скоростью удаления обладает окись углерода, а затем водород и двуокись углерода. В момент плавле ния обычно наблюдается перегиб, характеризующий твердо-жидкое состояние металла. Такие перегибы име ют место на кривых всех анализируемых газов. Из жид кого металла удаляется наибольшее количество газов, интенсивность выделения которых достигает максимума за определенный промежуток времени (~ 4 0 с). Одно временное удаление газов при твердо-жидком состоянии подтверждает взаимосвязь между ними. В течение по следующего времени выделение газов резко уменьшает ся и падает почти до фоновых значений. Анализ кривых удаления водорода и азота дает основания предполо жить, что механизм удаления водорода и азота при оди наковых содержаниях различен. Очевидно, водород успевает продиффундировать в пузырьки окиси углеро да и удалиться вместе с ним, а азот — нет. Не имея возможности образовывать собственные пузыри и уда ляться в виде них, что было зафиксировано на массспектрограмме, азот диффундирует к поверхности раз дела металл — газ и там испаряется.
135
Рис. 64. Кинетика удаления окиси углерода (/), водорода (2), двуокиси углерода
137
136
Из кинетических кривых и масс-спектрограмм газов, отобранных через 1 мни после начала плавления метал ла, были рассчитаны составы отобранных газов. Расчет показал, что количество азота в газовой фазе находи лось на пределе чувствительности масс-спектрометра, поэтому его не принимали во внимание. Состав газов представлен в табл. 21, из которой видно, что максимум содержания окиси углерода в газовой фазе наблюдается при '0,48%С и содержание его падает с ростом количест ва углерода в металле, причем этот процесс уменьшается по ходу плавки. Наибольшее количество водорода в га зе наблюдается при 1,84%С, возрастая во время вы держки и при кристаллизации, т. е. газы, выделяющие ся при затвердевании металла, обычно содержат много водорода. Содержание двуокиси углерода возрастает с ростом содержания углерода в металле с минимумом ~0,48% С. Следует отметить, что удаление газов при ва куумной плавке во взвешенном состоянии, очевидно, за торможено отсутствием таких физических катализато ров, какими являются шероховатости огнеупорной футе ровки. Но вместе с тем подобные плавки, вероятно, бо лее ярко раскрывают природу удаления различных га-
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 21 |
||
|
Химический состав газов, отобранных из плавок |
|
|||||||
|
|
сплавов никель — углерод — кислород, |
|
|
|||||
|
в зависимости от содержания углерода и времени |
|
|||||||
ме' |
|
|
Состав |
газа, %, в различные моменты |
|
|
|||
|
н„ |
|
|
СО |
|
|
со* |
|
|
Содержание углерода в талле, % |
планленне |
через 1 мни |
кристал лизация |
плавление |
через 1 мни |
кристал лизация |
плавление |
через 1 мин |
кристал лизация |
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
0,16 |
19,7 |
10,5 |
5,7 |
70 |
23,7 |
37,9 |
10,3 |
65,8 |
56,4 |
0,48 |
13,5 |
21,1 |
45,6 |
81,5 |
66,7 |
36,8 |
5,0 |
12,2 |
17,6 |
1,41 |
19,7 |
— |
— |
70,3 |
— |
— |
10,0 |
|
— |
1,84 |
40,3 |
39,8 |
44,3 |
56,0 |
41,6 |
26,0 |
3,7 |
18,6 |
29,7 |
2,76 |
23,2 |
28,7 |
50,8 |
31,3 |
30,1 |
18,4 |
45,5 |
41,2 |
30,8 |
зов, что чрезвычайно важно ,для понимания истинной картины поведения растворимых газов в жидких ме таллах.
В заключение проиллюстрируем применение ПВС для исследования газовыделення из твердого вольфря-
138
ма, нагретого до 2500°С [136]. Известно, что в связи с требованиями улучшения вакуума внутри высокочастот ных приборов намечается тенденция к замене деталей из металлокерамического вольфрама деталями из плав леного металла, что резко сокращает газовыделение внутри приборов. Одним из методов эффективного сни жения газовыделения электровакуумных металлов яв ляется плавка их в вакуумных дуговых и электроннолу чевых печах. Целью исследования явилось сравнение га зовыделения из металлокерамического и вакуумплавленого вольфрама при максимальных рабочих темпера турах этого металла. Методика эксперимента состояла в
.. определении газовыделения путем замера парциальных
давлений газов, |
выделяющихся из шаровидных образ- |
. цов постоянной |
массы, и в сравнении этих значений га |
зовыделения. При соблюдении одинаковых условий под готовки образцов, режима нагрева, анализа газов это позволяло избежать ошибок, связанных с неполным вы делением газа и с поглощением его конденсатом печи. Схема установки и реакционной камеры описаны ранее.
Образцами для опытов служили куски штабиков ме таллокерамического вольфрама, а также металл после первого и второго переплавов в дуговой вакуумной печи с расходуемым электродом. Из металла изготовляли шарики массой ;5±0,05 г, тщательно очищали поверх ность и помещали на стабилизирующее кольцо плавиль ного индуктора. Закрывали крышку и реакционную ка меру откачивали до ІО"4 мм рт. ст. Далее печь дегази ровали, вводя в индуктор и нагревая в нем ранее дега зированный цилиндрический монокристалл вольфрама, прикрепленный к манипулятору. После 2—3-кратной дегазации печи в вакууме ІО-4 мм рт. ст. снимали фоно вый спектр газов печи и масс-спектрометра, а затем, не открывая печи, манипулятором сталкивали шарик воль фрама в плавильный индуктор. Включали нагрев, шарик повисал в электромагнитном поле индуктора и через 30 с начинали снимать спектр выделяющихся из метал ла газов.
Результаты анализов газов представлены в табл. 22. Из приведенных данных следует, что вакуумный пере плав металлокерамического вольфрама снижает газоотделение при его дальнейшей работе в области высоких температур. По сравнению со штабиком степень удале ния газа после первого переплава в дуговой вакуумной
139