Основные закономерности испарения моноокисей металлических примесей в вакууме

Основным условием испарения примесей в вакууме является наличие более высокого давления насыщенного пара примеси, чем основного металла, в данных условиях рафинирования.

По мнению некоторых исследователей [32], при электроннолучевой плавке может быть эффективно удален любой компонент, давление пара которого не менее чем в 10 раз превышает давление пара основного металла.

В простейшем случае рафинирование металлов от кислорода может происходить за счет испарения моноокисей в вакууме. Этот процесс может иметь место для отдельных тугоплавких металлов в том случае, когда давление пара моноокисла в паре основного металла отвечает следующим соотношениям: /-^>моо/-Рмо=10⁰⁵, PwolPw— Ю², 7^>NbO^7^>Nb = 10.

По данным работы [33], при высоких температурах в вакууме идет очистка не только от кислорода путем удаления моноокисей, но и от других примесей, в том числе от металлических, характеризующихся низкой температурой плавления и высоким давлением насыщенного пара.

Для тугоплавких металлов и некоторых наиболее часто встречающихся в них металлических примесей эти данные в виде графических зависимостей давления насыщенных паров металлов от температуры в вакууме показаны на рис. 17 [31, 35].

Из рис. 17 следует, что давление насыщенных паров тугоплавких металлов и примесей при температурах плавления значительно превышает остаточное давление в вакуумных камерах электроннолучевых (13,3—1,33 мПа) и электродуговых (133—13,3 мПа) плавильных печей, а это приводит к испарению этих металлов и примесей.

О склонности к испарению того или иного металла при определенной температуре могут служить также

Таблица 1

Температуры плавления и кипения, теплоты плавления и испарения тугоплавких металлов [7]

Металлы	Температура плавления, К	Температура кипения, К	Теплота плавления, кДж/кг	Теплота испарения, кДж/кг
Ванадий . . .	2192	3623	34,65	864,3
Ниобий . . .	2741	5200	28,98	738,4
Тантал . . .	3273	5700	17.43	417,9
Хром ….	2148	2472	25,83	619,1
Молибден .	2883	5833	21,3	513,2
Вольфрам . .	3653	6173	19,32	435,9
Рений ….	3453	5933	17,8	342,3
Титан ….	1941	3533	43,68	987,0
Цирконий . .	2125	3853	25,33	571,2
Гафний . . .	2495	5673	12,22	371,7

Данные об их температурах плавления и испарения. Соответствующие данные для тугоплавких металлов и некоторых применяемых легирующих добавок приведены в табл. 1, где указаны также значения теплоты плавления и испарения металлов.

Испарение многих легкоплавких и летучих примесей уже достаточно интенсивно идет в твердом состоянии в условиях дегазации и спекания порошков.

Приведенные графические зависимости могут служить исходными не только при качественном анализе испарения металлов в процессах вакуумной металлургии, но и для количественной оценки скорости испарения металлов в вакууме. По закону Ленгмюра, количество испарившегося вещества (г) с единицы площади (см²) в единицу времени (с) в достаточно глубоком вакууме определяется соотношением:

где v — скорость испарения, г/ (см² • с); Р — давление пара вещества с молекулярной М (для металлов величина М равна атомной массе), г; Т — температура, К; R — газовая постоянная; Р_о — остаточное давление в вакуумной камере, Па.

Учитывая, что давление пара тугоплавких металлов выше точки плавления порядка 1330—133 мПа, а давление в плавильной камере не более 1,33—6,65 мПа, величиной Р_о можно пренебречь.

В этом случае приведенное уравнение примет вид.

На рис. 18 представлены данные о скорости испарения для ряда металлов в зависимости от температуры, полученные расчетным путем по уравнению Ленгмюра на основании данных о давлении насыщенных паров, приведенных на рис. 17.

В табл. 2 приведены потери на испарение тугоплавких металлов при температуре плавления. Эти данные показывают, что скорость испарения тугоплавких металлов при температурах плавления невелика и составляет величину порядка Ю^-5—10~⁴ г/(см²-с). Значительно большее давление насыщенных паров в этих условиях имеют основные легирующие компоненты, применяемые в сплавах тугоплавких металлов (например, титан, цирконий, ванадий, никель), что приводит к заметному испарению этих компонентов.

Скорость испарения указанных легирующих добавок превышает на несколько порядков скорость испарения основных металлов. Это необходимо учитывать при шихтовке сплавов, чтобы предусмотреть соответствующий процент на потери. Еще большую скорость испарения имеют некоторые металлические примеси (Fe, Si, Си, Мп, Cr, Al, Pb, Са, Mg, Zn). Это способствует значительному удалению их из жидкой ванны, особенно при Таблица 2

Давление паров и потери на испарение некоторых тугоплавких металлов при температуре плавления [7].

Таким образом, используя приведенные выше данные о давлении насыщенных паров металлов при различных температурах, а также данные табл. 2, можно не только судить об испаряемости тугоплавких металлов, легирующих добавок металлических и неметаллических примесей, но и количественно оценивать их испарение.