Могилевцев О.А., Стороженко С.А.

(ДГТУ, Днепродзержинск)

ХИМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВДУВАЕМОГО МАГНИЯ С КОМПОНЕНТАМИ ЧУГУНА И ГАЗА-НОСИТЕЛЯ

В работе [1] было показано, что зародыши шаровидного графита (ШГ) в чугуне могут образоваться в результате конденсации («коллапса») мелких пузырьков парообразного Mg. В данной работе выполнен термодинамический анализ химических реакций, которые могут происходить при вдувании диспергированного Mg в чугун, с учетом капиллярного давления в пузырьках.

При испарении вводимого Mg могут образоваться только такие пузырьки, давление в которых меньше упругости насыщенного пара Mg при данной температуре. По расчету, в образовании зародышей ШГ могут принимать участие пузырьки радиусом от 3,8 до 58 мкм, возникшие при температуре 1400°С.

Расчет констант равновесия химических реакций с использованием данных [2-4] показал, что вводимый Mg расходуется, прежде всего, на практически полное связывание серы и кислорода чугуна. На это уходит около 0,03% Mg. Для сфероидизации графита остаточное содержание Mg должно составлять 0,05%. Таким образом, если магний расходуется только на связывание серы и кислорода, в пузырьке при вводе должно содержаться приблизительно в 1,6 раз больше Mg, чем при коллапсе пузырька. Согласно расчету, пузырьки радиусом меньше 58 мкм сколлапсируют до начала кристаллизации чугуна. Пузырьки большего размера, израсходовав соответствующее количество магния на связывание серы и кислорода, не сколлапсируют и не станут зародышами ШГ.

Если магний вдувается в чугун в струе инертного аргона, то размер пузырька при коллапсе будет таким же, но газовая фаза внутри него включает не только магний, но и аргон. Расчетный радиус пузырьков аргона, оставшихся после конденсации пара магния, не более 24 мкм.

Азот, как газ-носитель, нельзя считать инертным, поскольку он связывает Mg, образуя нитрид Mg₃N₂. Расчет подтверждает, что эта реакция идет практически до конца. О наличии нитрида магния в высокопрочном чугуне свидетельствует также отчетливый запах аммиака при увлажнении свежего излома отливок. При вдувании в струе азота усвоенный чугуном Mg распределяется приблизительно следующим образом: на связывание серы и кислорода 25%; азота носителя 42%; остаточное содержание 33%. Нитрид магния является активным десульфуратором чугуна, и при недостатке Mg вначале будет связана сера, а затем азот носителя. Если носителем является воздух, качественно картина останется такой же, несколько уменьшится расход Mg на связывание азота и появится расход на связывание кислорода носителя.

Кроме серы и кислорода магний может реагировать и с другими компонентами чугуна. С углеродом он образует ряд термически не стойких карбидов – MgC₂, Mg₂C и Mg₂C₃, с кремнием  -  силицид Mg₂Si, с фосфором фосфид Mg₃P₂. Однако физико-химические свойства этих соединений недостаточно изучены для того, чтобы оценить возможность их образования при вдувании магния в чугун и роль в структурообразовании отливок. Возможно, карбид образуется в процессе охлаждения отливки, поскольку свежий излом ВЧ при увлажнении, вместе с запахом аммиака, имеет запах ацетилена, образующегося при взаимодействии MgC₂ с водой. Этот вопрос требует дополнительного исследования.

Литература

1. Могилевцев О.А. Роль пузырей модификатора в образования зародышей шаровидного графита в чугуне / О.А. Могилевцев // Теория и практика металлургии. – 1999. - № 4. – С. 31-32.
2. Химическая энциклопедия. В 5 т. ; Т.2. – М.: СЭ, 1990. – 671 с.
3. Вертман А.А. Свойства расплавов железа / А.А. Вертман, А.М. Самарин. – М. : Наука, 1969.- 280 с.
4. Справочник по расчетам металлургических реакций : справочник / А.Н. Крестовников, Л.П. Владимиров, Б.С. Гуляницкий, А.Я. Фишер. – М. : Металлургиздат. – 416 с.