1. Что такое окисленная шлак?

Окисленная шлак, в профессиональной терминологии обычно называемая «включениями оксидной пленки» или «включениями Al₂O₃». Макроскопическая морфология: На образце слитка с низким увеличением выглядит как черные полосовидные, хлопьевидные или неправильные скопления с размытыми или четкими краями, в основном распределенные в верхней части, под поверхностью или около опухоли сегрегации в центре слитка. Микроскопическая морфология: Под электронным микроскопом включения Al₂O₃ выглядят как пластинчатые и хлопьевидные агрегаты с чрезвычайно высокой твердостью (твердость по Моосу 9, близкая к алмазу), без металлургической связи с алюминиевой матрицей и с четкой границей раздела.

Последующие характеристики:

При прокатке алюминиевой фольги смешанные участки не могут деформироваться и вытягиваются в линейные дефекты, что в конечном итоге приводит к разрыву и образованию булавочных отверстий; При экструзии профилей включения текут вместе с металлом, образуя периодические черные линии и отслаивание на поверхности; В авиационных поковках оксидная пленка является предпочтительным источником усталостных трещин, что приводит к неудовлетворительным испытаниям.

2. Рождение оксидной пленки: термодинамика и динамика

Алюминий — чрезвычайно реактивный металл со стандартным электродным потенциалом -1,66 В. В атмосферных условиях на поверхности жидкого алюминия мгновенно образуется слой оксидной пленки.

Термодинамический механизм:

4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃

Свободная энергия образования Al₂O₃ чрезвычайно низка, и реакция протекает чрезвычайно полно. Этот слой пленки плотный в твердом состоянии, но его структура не является единственной на поверхности жидкого алюминия. Двойная структура поверхностной оксидной пленки:

• Внешний слой: рыхлый γ-Al₂O₃, адсорбирующий водяной пар;
• Внутренний слой: плотный α-Al₂O₃.

изображение

Что еще более важно, оксидная пленка на поверхности жидкого алюминия обладает характеристикой «самовосстановления» — как только пленка разрывается, свежий жидкий алюминий контактирует с воздухом и немедленно генерирует новую пленку. Это приводит к ужасному явлению: каждое перемешивание, вместо того чтобы повредить мембрану, создает два слоя мембраны.

3. Механизм «складывания и закатывания»: как попадает шлак?

Это основная логика образования окисленного кожаного шлака. Оксидная пленка на поверхности жидкого алюминия, хотя и тонкая (микрометрового уровня), не плавится в алюминии. Ее температура плавления достигает 2050 °C, и она всегда существует в расплаве в твердом состоянии. Когда расплав находится в статическом состоянии, оксидная пленка плавает на поверхности и может быть удалена путем соскребания шлака. Но когда поток расплава создает долину, происходит трагедия:

• Складывание в долине: во время впрыска жидкий алюминий образует волны в канале потока. Гребни сталкиваются друг с другом, и поверхностная оксидная пленка складывается и сворачивается, как два листа бумаги, закатываясь в долину.
• Удар при падении: из статической печи в канал потока, из канала потока в дегазационную камеру, если падение превышает 100 мм, жидкий алюминий разбрызгивается, и фрагменты оксидной пленки непосредственно «прибиваются» в глубокую часть расплава.
• Захват вихрем: на выходе из проточной дегазационной камеры и внутри кристаллизатора, если на поверхности жидкости образуется вихрь (обычно известный как «воронка»), оксидная пленка в центре поверхности жидкости всасывается в центр вихря и непосредственно захватывается фронтом кристаллизации.

изображение

Эта свернутая оксидная пленка больше не является плавающим шлаком, а твердым посторонним веществом внутри расплава. Трудно «выплавить» рафинирующие пузырьки, потому что они имеют большую площадь поверхности и плотность, близкую к алюминию (изначально неся пузырьки при закатывании, позже пузырьки переливаются, и плотность увеличивается, опускаясь или зависая).

4. Вторичное окисление: «непрерывное загрязнение» от печи до литейной машины

Помимо первоначальной оксидной пленки при плавлении, существуют также вторичные оксидные окалины: отслаивание футеровки: огнеупорные материалы (особенно кремнеземные), футерующие плавильную печь и статическую печь, эродируются жидким алюминием и после отслаивания смешиваются с расплавом и реагируют с алюминием, образуя алюмосиликатные включения. Продукты реакции рафинирования: при использовании хлора для рафинирования образуются соли, такие как AlCl₃ и NaCl. Если они не будут эффективно удалены, они также могут образовывать реактивные включения. Канал потока и распределитель: шероховатая поверхность огнеупорного материала в канале потока адсорбирует жидкий алюминий, многократно окисляется, образуя «висящий шлак», который смывается новым потоком жидкости в слиток.