Взаимодействие металлических расплавов с футеровкой

Для футеровки плавильных печей применяют огне­упорные материалы, состоящие из различных окислов — SiО2, Аl2О3, MgO, CaO, Cr2О3, ZrО2, ThО2 и др. Состав и свойства некоторых огнеупоров приведены в табл. 10.
Для изготовления тиглей могут служить или чистые окислы, или смесь окислов с графитом (графитошамот); в некоторых случаях тигли изготовляют из одного гра­фита. Применяют также тигли, изготовленные из чугуна и стали.

Большое разнообразие огнеупорных материалов, ис­пользуемых для футеровки плавильных печей, объясня­ется стремлением исключить взаимодействие между рас­плавленным металлом и материалом футеровки. Такое взаимодействие, если не считать механического и терми­ческого разрушения, может проявиться в нескольких ви­дах: металлизации, обменных реакций между металлом и огнеупорным материалом, между окислами металла и футеровкой, растворении материала тигля металлом или его окислами.
Металлизация — это пропитывание огнеупора метал­лом под действием металлостатического давления и ка­пиллярных явлений. Очень часто процесс металлизации совмещается с химическим взаимодействием металла с окислами огнеупора. Металлизация футеровки часто встречается при производстве сплавов на медной и свин­цовой основе. При длительной работе печи металл про­никает на глубину до 1,5—2 м. Швы кладки почти пол­ностью заполняются металлом.

Обменные реакции между металлом и футеровкой возможны, когда химическая устойчивость образующе­гося окисла выше прочности окисла, входящего в состав огнеупора. Возможность обменных реакций приближен­но оценивается стандартной теплотой образования, из­менением свободной энергии и упругостью диссоциации.
Чистую медь можно плавить в печах с любой футе­ровкой. Для магниевых сплавов непригодны огнеупорные материалы, содержащие двуокись кремния. При темпе­ратурах выше точки плавления очень быстро проходят реакции:
 
2Mg+ SiО2 - Si+ 2MgO;
4Mg+ SiО2 = Mg2Si+ 2MgO.
 
В результате расплав загрязняется окислами и крем­нием.
При плавке алюминиевых сплавов в печах, футеро­ванных огнеупорами, состоящими из окислов кремния, хрома и железа, возможны реакции:
 
4Аl + 3SiО2 = 2Аl2О3 + 3Si;
2Аl + Cr2О3 = Аl12О3 + 2Сr;
2Аl + 3FeO= Аl2О3 + 3Fe.
 
Шамот, широко применяемый в печах для плавки алюминиевых сплавов, при температуре выше 800° С пе­реходит в твердую настыль, состоящую из смеси SiО2, А12О3, А1 и Si. Настыль служит источником образования в расплаве сложных твердых включений, попадающих в отливки. Из промышленных огнеупоров для плавки магниевых и алюминиевых сплавов наиболее пригоден магнезит.
Окислы расплавляемого металла, образующиеся от окисления кислородом воздуха, могут вступать во взаи­модействие с футеровкой, о результатах которого необ­ходимо судить по диаграмме состояния окисел метал­ла— окислы, из которых состоит огнеупор. Если в такой системе имеются легкоплавкие эвтектики, то в месте контакта с окислами металла возможно быстрое разъ­едание футеровки. Если же рабочие температуры в месте соприкосновения футеровки и окислов металла ниже, чем температуры плавления самых легкоплав­ких эвтектик, то возможно постепенное образование на­стылей, приводящее к зарастанию печи. Первый случай наблюдается при плавке меди, а второй — при плавке латуней и алюминиевых бронз в печах с кислой футе­ровкой.
Интенсивное зарастание кислой футеровки имеет ме­сто при плавке алюминиевых бронз из вторичного сырья без применения флюсов.

Разрушение футеровки может произойти и при взаи­модействии со шлаками и флюсами. Кислая футеровка энергично вступает в реакции с основными покровными флюсами (фторидами, содой).
Плавка в металлических или графитовых тиглях со­провождается иногда частичным растворением их в спла­ве или его окислах. Алюминиевые сплавы при плавке в чугунных тиглях обогащаются железом. Для предотвра­щения растворения чугунные тигли перед употреблением покрывают красками, не взаимодействующими с алюми­нием. Обычно для этой цели используют мел и огнеупор­ную глину, замешанные на водном растворе жидкого стекла.

В ряде случаев внутреннюю поверхность железных тиглей подвергают алитированию. Применяя тигли из чугунов, легированных хромом и алюминием, достигают уменьшения растворения железа в алюминиевых сплавах.
Плавка сплавов на никелевой основе в графитовых тиглях сопровождается растворением углерода. Анало­гичное взаимодействие наблюдается при плавке в гра­фитовых тиглях титановых сплавов. Для плавки алюми­ния и его сплавов чаще всего пользуются шамотом как более дешевым материалом. Установлено, что обменные реакции между шамотом и алюминием могут быть све­дены до минимума, если произвести окраску футеровки мелом или известью.

Выбор инертного по отношению к алюминиевым расплавам материала футеровки имеет особенно важное значение при плавке в индукционных канальных печах. Используемые в настоящее время для этой цели составы можно найти в работе.
Особенно важна проблема изыскания нейтральных материалов для плавки сплавов титана, молибдена, воль­фрама, ниобия и др. Отсутствие необходимых огнеупор­ных материалов (все окислы, за исключением окиси то­рия, взаимодействуют с этими металлами) вынуждает вести плавку в медном водоохлаждаемом кристаллиза­торе с применением гарнисажа — оболочки из расплав­ляемого металла.