2.1.1 Основные физико-химические свойства магния

Основные требования к организации процессов десульфурации чугуна магнием обусловлены особенностями физических свойств этого реагента, важнейшие из которых приведены в табл. 2.1. В этой же таблице приведены для сравнения соответствующие физические свойства железа.

Табл. 2.1. Физические свойства магния и железа

Наименование свойств	Mg	Fe
Относительная атомная масса	24,31	55,84
Атомный радиус, нм	0,16	0,126
Радиус иона, нм	0,074	0,060
Плотность, кг/м3	1738	7867
Температура плавления, оС	650	1539
Температура кипения, оС	1107	2872
Теплота плавления, Дж/моль	8842	13820
Теплота парообразования, Дж/моль	133642	350016

Следует обратить внимание на то, что плотность магния значительно меньше плотности металла и шлака.

Температуры плавления и кипения магния значительно ниже температур внепечной обработки чугуна. По этой причине введенный в металл магний плавится и испаряется за счет тепла обрабатываемого расплава.

Влияние температуры на величину давления насыщенного пара магния описывается уравнением

где P_Mg – давление насыщенного пара магния, Па.

Расчеты по уравнению (2.1) показывают, что при температурах внепечной десульфурации чугуна (1300 – 1400^оС) давление насыщенного пара магния составляет 0,435 – 0,811 МПа. Это не позволяет избежать кипения магния даже при вводе его в донную часть чугуновозных и крупных заливочных ковшей.

Испарение введенного в металл магния сопровождается резким увеличением его объема. Расчеты показывают, что испарение 1 кг магния при температуре 1400^оС сопровождается образованием 5,5 нм³ пара.

Известно, что высокой взаимной растворимостью обладают элементы, имеющие сходные атомные характеристики. Если атомные радиусы элементов различаются на 30% и более, их взаимная растворимость крайне ограничена. Ввиду значительного различия атомных радиусов магния и железа растворимость его в железе очень мала.

Экспериментально установлено, что растворимость магния в сплавах железа подчиняется закону Генри

[%Mg] = kP_Mg, (2.2)

где P_Mg – давление пара магния над расплавом x10^–5, Па.

Содержание магния в железе в равновесии с жидким магнием при 1600°С обнаружено равным 0,96 – 1,05%. При этой температуре давление насыщенного пара магния составляет 2,27 МПа. Следовательно, при давлении пара магния над расплавом 0,1 МПа растворимость его в железе составит 0,044%.

Растворимость магния в сплавах железа увеличивается при наличии в расплаве никеля, меди, алюминия, углерода и кремния. Для количественной оценки влияния этих элементов на величину растворимости магния в железе могут быть использованы значения параметров взаимодействия, приведенные в табл. 2.2.

Табл. 2.2. Значения параметров взаимодействия

В передельном и литейном чугунах, благодаря наличию в их составе большого количества углерода и кремния, магний обладает значительной растворимостью. В качестве примера на рис. 2.1. показаны результаты исследования влияния температуры на величину растворимости магния в насыщенном углеродом железе и сплаве Fe – 4% C.

Данные разных авторов о растворимости магния в чугуне, несколько различаясь между собой количественно, качественно согласуются с данными рис. 2.1 и показывают, что при температурах 1300 – 1400^оС растворимость магния в чугунах различного состава составляет 0,3 – 0,8%.

Рис. 2.1. Влияние температуры на величину растворимости магния в насыщенном углеродом железе и сплаве Fe – 4% C: 1 – насыщенное углеродом железо; 2 – сплав Fe – 4% C

По этой причине реакции между магнием и примесями чугуна могут протекать с участием как парообразного, так и растворенного в металле магния.

2.1.1 Основные физико-химические свойства магния