Особенности выплавки и переработки медных сплавов

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Производство и технологии


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Введение

Медные сплавы — первые металлические сплавы, созданные человеком. Примерно до сер. 20 в. по мировому производству медные сплавы занимали 1-е место среди сплавов цветных металлов, уступив его затем алюминиевым сплавам. Со многими элементами медь образует широкие области твёрдых растворов замещения, в которых атомы добавки занимают места атомов меди в гранецентрированной кубической решётке. Медь в твёрдом состоянии растворяет до 39% Zn, 15,8% Sn, 9,4% Al, a Ni — неограниченно. При образовании твёрдого раствора на основе меди растут её прочность и электросопротивление, снижается температурный коэффициент электросопротивления, может значительно повыситься коррозионная стойкость, а пластичность сохраняется на достаточно высоком уровне. При добавлении легирующего элемента свыше предела растворимости образуются соединения, в частности электронные, т. е. характеризующиеся определённой электронной концентрацией (отношением суммарного числа валентных электронов к числу атомов, которое может быть равно 3/2, 21/13 или 7/4). Этим соединениям условно приписывают формулы CuZn, Cu5Sn, Cu31Sn8, Cu9Al4, CuBe и другие.

Глава 1. Особенности медных сплавов

В многокомпонентных медных сплавов часто присутствуют сложные металлические соединения неустановленного состава, которые значительно твёрже, чем раствор на основе меди, но весьма хрупки (обычно в двухфазных и многофазных медных сплавов доля их в структуре намного меньше, чем твёрдого раствора на основе меди).

Медные сплавы получают сплавлением меди с легирующими элементами или с промежуточными сплавами — лигатурами, содержащими легирующие элементы.

Для раскисления (восстановления окислов) широко применяют введение в расплав малых добавок фосфора (десятые доли %). Медные сплавы подразделяют на деформируемые и литейные.

Из деформируемых Медных сплавов отливают (в изложницы или непрерывным методом) круглые и плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением: прокатке, прессованию через матрицу или волочению для производства листов, лент, прутков, профилей, труб и проволоки.

Медные сплавы хорошо обрабатываются давлением, и деформированные полуфабрикаты составляют основную долю всего объёма их производства.

Литейные медные сплавы обладают хорошими литейными свойствами, из них отливкой в земляные и металлические формы получают фасонные детали, а также декоративно-прикладные изделия и скульптуру.

1. Влияние различных примесей и добавок на свойства меди

Как видно на рис. 1, примеси всех элементов и особенно сильно Р, As, Sb, Al, Fe, Sn, снижают электропроводность меди.

Благоприятное влияние кислорода на электропроводность меди при содержании его в пределах 0,02−0,08% можно объяснить тем, что остающийся при плавке в меди кислород способствует более полному удалению водорода и других (окисляющихся) примесей из расплава.

Будучи почти нерастворимым в меди при комнатной температуре, весь содержащийся в меди кислород находится в 'виде обособленных шаровидных твердых и хрупких частичек СuО, образующих с медью эвтектику.

В структуре литой меди цепочки или тонкокружевные участки смеси Сu2гО + Сu располагаются между кристаллами Си, что снижает пластичность (обрабатываемость давлением) меди как в горячем, так и в холодном состоянии. Еще более разрушительное (влияние при обработке давлением оказывают местные скопления Сu2О, образующиеся в результате прорыва пленок закиси при разливке в формы.

Эталоны для определения количества Сu2О в литой меди металлографическим методом приведены на рис. 2.

Медь имеет сильно выраженное химическое сродство к кислороду. Поверхность только что залитой <в форму меди имеет красивый цвет морской воды. Буквально через несколько секунд поверхность жидкой меди теряет свой цвет и блеск, становится белой — матовой — покрывается пленкой закиси Си2О.

При нагревании слитков меди и при отжиге при температурах не выше 900° С кислород глубоко в медь не проникает.

медный сплав литейный легирующий

1.1 Особенности технологии меди

Плавка и литье слитков красной меди, предназначаемых для обработки давлением, имеет следующие особенности.

Основная масса медных слитков для получения полуфабрикатов различного назначения отливается на добывающих и рафинирующих заводах.

Производство листов, лент, прутков, профилей, труб, проволоки, тонкостенных штампованных изделий и т. д. требует, чтобы исходный слиток был высокого качества. Очень жесткие, но обоснованные требования предъявляются к слиткам меди, предназначаемым для изготовления электрических проводов (шин, проволоки, троллейных проводов, соединителей и т. д.).

Отливка больших медных слитков топочной меди в прошлом проходила так: на полу литейного цеха лежала чугунная плита, на ней устанавливалась чугунная сборная бездонная форма, стенки которой смазывали или известковым молоком, или костяной мукой с водой, или органической смазкой. После высыхания смазки изложница заполнялась металлом; на нижней поверхности слитка, соприкасавшейся с чугунным поддоном, где смазка частично смывалась струей металла, наблюдались пузыри, а иногда и приварка, и тогда слиток с большим трудом Отрывали от поддона.

Глава 2. Особенности плавки и литья медноцинновых сплавов

Медноцинковые, или латунные, сплавы имеют широкое и весьма разнообразное применение в технике.

Латунь изготовлялась еще за 1500 лет до н.э. По сообщениям Аристотеля (4 в. до н.э.). латунь впервые начали готовить моссинэки, жившие на побережье Черного моря к западу от Трапезунда. По более поздним описаниям моссинэкская медь отличалась чрезвычайным блеском и белизной. При получении ее примешивали к меди особый сорт тамошней земли, которая плавилась вместе с медью. С уверенностью можно считать, что к меди добавляли галмей (или каламин) и получали при этом латунь.

До 1781 г. латунь готовили путем сплавления меди с цинковой рудой (галмеем) и древесным углем. Получение латуни путем сплавления меди и цинка было введено в производство лишь в 1781 г.

В России латунь, применяемую в технике, часто называли «желтой медью», потому что большая часть разновидностей технических латуней имеет желтый цвет разных оттенков.

Высокая прочность и коррозионная стойкость специальных латуней являются главной причиной того, что эти латуни находят широкое применение в качестве заменителей оловянистых бронз даже при изготовлении статуй. Состав статуйных латуней колеблется в пределах, %:

Си. 72−88

Zn. 25−10

Sn. 0−3,0

Pb. 0−3,0

Большой популярностью в качестве заменителя оловянистых бронз пользуется латунь марок ЛК80−3 и ЛКС80−3-3. Эта латунь отличается высокой жидкотекучестью, дает плотное литье с чистой поверхностью; применяется в судостроении.

По зарубежным данным латунь, содержащая 42% Си; 16% Si; 41% Zn; 1,0% Pb, с успехом применяется для литья под давлением. Примесь железа в этих латунях вредна, по-видимому, вследствие возможного образования твердых и хрупких интерметаллических соединений железа с кремнием и цинком.

При изготовлении из специальных латуней литых фасонных деталей, работающих в соприкосновении с морской водой, необходимо иметь в виду, что по имеющимся данным эти латуни при наличии внутренних напряжений обладают чувствительностью к морской воде, что может привести к их преждевременному разрушению. Особенная склонность к коррозии наблюдается у латуней со структурой р. Осторожный отжиг литых деталей с медленным нагревом примерно до 300° С может снять остаточные напряжения и устранить отмеченный недостаток.

2.1 Безвозвратные потери цветных металлов

Недостаток цветных металлов для полного покрытия всех потребностей промышленности СССР, сложность извлечения из руд с относительно малым процентным содержанием в них металла делают эти металлы дефицитными и дорогими. Перед добывающей и обрабатывающей цветные металлы промышленностью, перед всеми потребителями полуфабрикатов и изделий встает очень важная задача — всесторонней экономии цветных металлов и снижения их стоимости.

Особая ответственность в этом деле ложится на литейное производство.

По зарубежным данным, при плавке в печах «Аякс — Фиатт» разных латунных сплавов, содержащих 72−57% Си, при разных вариантах плавки с разными видами шихты и поверхностной защиты металла (древесный уголь, соляной флюс, флюс с бурой)

Влияние примесей и добавок других элементов на свойства бронзы

Если в сплав со структурой однородного твердого раствора вводится новый компонент, это вызывает те или иные изменения в структуре и тесно связанные с ней изменения свойств. Ниже рассматривается влияние некоторых добавок и примесей.

Фосфор

Фосфор впервые начали вводить в бронзы во Франции в 1854 г.

Фосфор часто вводят в качестве добавки в оловянистые бронзы, но в небольших количествах, редко превышающих 1%. Эти добавки могут применяться с различной целью. Во-первых, фосфор вводят как раскислитель, восстанавливающий закись меди по формуле:

2Р + 5Сu2О = Р2О5 + 10Cu.

Но фосфор не может восстанавливать SnO2 вследствие высокой химической стойкости этого соединения. По этой причине фосфор как раскислитель при изготовлении бронз можно применять лишь в случае ведения плавки на шихте из свежих металлов, когда вначале плавится одна чистая медь. В этот период плавки в меди образуется Си2О. Перед введением в расплав Sn медь надо раскислить, для чего в расплав вводится фосфор обычно в виде лигатуры, содержащей 12−14% Р, остальное — медь. При обычной плавке медь содержит до 0,2% кислорода. Чтобы связать этот кислород и выделить его из расплава в виде Р2О5, по расчетам требуется ввести 155 г Р на 100 кг Си, если к этому прибавить не менее 20% Р на неизбежный угар его, то необходимое количество фосфора будет равно ~ 180 г. Для этого на каждые 100 кг Си надо ввести 1250 г лигатуры, содержащей — 14% Р.

Бесполезный угар фосфора при использовании его в качестве раскислителя получается наименьшим, если фосфор вводить после удаления шлака с 'поверхности расплава. Это можно объяснить тем, что плавающий поверх металла флюс или шлак затрудняет тесное соприкосновение лигатуры с металлом: последняя плавает на поверхности и это усиливает потери Р в результате его окисления и улетучивания (температура кипения фосфора 280,5° С).

В основном неметаллические включения — это оксиды доходящие до 98%, сульфиды, фосфиды, силициды, а также попадающие в расплав и задержавшиеся в нем частички огнеупорной футеровки печей, тиглей, ковшей.

Общее количество неметаллических включений в окисленной бронзе доходит до 0,4−0,5%. в раскисленной (точнее, в рафинированной) бронзе оно снижается до 0,0042%.

Есть предложение производить очистку бронзы от окисных включений пропусканием жидкого металла через раскаленный (до 800−900° С) плавленый магнезит, что позволяет почти полностью удалить из расплава относительно крупные окисные включения.

Опыты по применению магния в качестве раскислителя оловянистой бронзы (79% Си; 8,5% Zn; 9,5% Pb; 3,0% Sn) дали отрицательные результаты. Сплав содержал легкоплавкую составляющую из Mg и РЬ, вредно действующую на механические свойства.

По Хансену температура плавления Mg2Pb равна 550° С, а температура плавления эвтектик составляет примерно 475° С — Mg — Mg2Pb и около 250° С — Mg2Pb — Pb.

Ударная вязкость при наличии в структуре хотя бы незначительных количеств эвтектик не может быть удовлетворительной.

По другим данным раскисление магнием (добавка 0,05% Mg от веса плавки) латуней и литейных бессвинцовистых бронз значительно улучшает механические свойства (сплав раскисляется, газонасыщенность его уменьшается, улучшаются показатели о" и 6).

Мюллер, изучая влияния присадок к меднооловянистым бронзам, сделал следующие выводы:

1) усадка бронз может быть уменьшена в результате присадки цинка;

2) присадки Со, Al, Fe, Ni увеличивают усадку;

3) присадки Со, Ni, Мп несколько увеличивают прочность бронзы;

4) присадки Sb и Zn понижают прочность оловянистой бронзы;

5) обрабатываемость резанием бронзы с присадками Sb, Pb улучшается, а с присадками Ni и Мп затрудняется.

Имеются данные Роаста о том, что в многосвинцовистых бронзах (например, 70% Си; 6% Sn; 3% Zn; 21% Pb) даже малейшие содержания А1 и Si делают бронзу совершенно непригодной к употреблению.

Для улучшения структуры слитка (измельчения зерна) и придания большей однородности и обрабатываемости давлением

2.2 Литейные сплавы оловянистых бронз

В зависимости от назначения отливаемых деталей и условий, в которых они работают, оловянистые бронзы можно разделить на несколько групп.

Установление оптимального состава бронз для литья предметов различного назначения началось в древние времена.

Для изготовления режущего и колющего оружия применяли бронзу с высоким содержанием олова (в большинстве случаев 13−15% Sn).

Для литья таких предметов, как кольца, браслеты, монеты, от которых требовалось высокое сопротивление изнашиванию от истирания, применяли бронзу с. 8−12% Sn. Кроме достаточно высокой твердости и вязкости, эти бронзы имеют красивый цвет: с 8% Sn — красновато-желтый; с 10% Sn — оранжево-желтый; с 14% Sn — желтый. Полированные бронзы этого состава по цвету и блеску напоминали золото.

Позднее при изготовлении бронзовых кованых полос для метательных машин («катапульт»), от которых требовалась особенно высокая упругость, Филон Византийский советовал применять бронзу с содержанием 3−4% Sn.

Необходимо отметить, что современная стандартная бронза Бр. ОЦ 4−3 для плоских и цилиндрических пружин содержит также 3−4% Sn. Другая бронза Бр. ОФ 4−0,25 применяется для изготовления пружинящих трубок для манометров.

С развитием культуры и техники своеобразная специализация бронз разного состава становилась все более и более определенной.

На первой стадии применения пушки изготовляли из чугуна и из кованого железа, на их стволы часто надевали для прочности кольца. Позднее, в XVI столетии, пушечные стволы стали отливать из бронзы. Со средины прошлого столетия пушечные стволы начали изготовлять из стали. От пушечной бронзы требовалась высокая твердость; хорошее сопротивление изнашиванию от истирания, достаточно высокая вязкость, чтобы ствол не разрывало при выстреле, максимально высокая плотность литья (отсутствие скрытых внутренних дефектов).

Кроме того, металл должен быть достаточно стойким против коррозии.

Опытным путем было установлено, что наиболее подходящим материалом для пушек может служить бронза, содержащая 89 — 91 ч. Си и 11−9 ч. Sn. Иногда в нее вводили для повышения жидкотекучести до 2% Zn.

История пушечной бронзы с прекращением литья бронзовых пушек не кончилась. В текущем столетии сплавы того же или близкого к нему состава широко используют в машиностроении. За рубежом — это группа сплавов под названием гунметалла, в СССР — это бронзы: Бр. ОЦ10−2; Бр. ОЦ8−4; Бр. ОЦС6−6-3; Бр. ОЦС5−5-5; Бр. ОЦС6−6-3 и др.

2.3 Машинные бронзы

При изготовлении литых деталей машин бронза — весьма подходящий материал: она придает деталям изящный вид, сообщает им высокую коррозионную стойкость. Практическую ценность придают этим бронзам их высокие антифрикционные свойства, особенно в тех случаях, когда изготовленные из них детали работают на износ от истирания в паре со стальными частями. В подобных случаях из бронзы делают те детали, которые при износе сменять проще, скорее и выгоднее, чем работающие с ними в паре другие детали (тяжело нагруженные валы прокатных станов, двигателей и т. д.).

Чисто оловянистые бронзы в этой группе отсутствуют; в подавляющем большинстве эти бронзы, содержащие олова не более 10%, содержат цинк и свинец. Высокооловянистые бронзы, содержащие до 20% Sn, применяют только для изготовления деталей, работающих на истирание под о. чень большой нагрузкой: подпятники тяжелых кранов, разводных мостов, зеркала золотников паровых машин и т. п.

От машинной бронзы требуется хорошая обрабатываемость резанием, высокая плотность отливок — гидроплотность.

Колокольная бронза

Небольшие колокола употребляли при религиозных обрядах еще в древнем Египте. Сравнительно большие колокола начали появляться в IV-VI столетиях новой эры. Первые колокола в Англии были отлиты в X столетии. Сохранился колокол с пометкой 1296 г. Есть колокола весом до 16−17 т.

Бронза для колоколов должна обладать достаточно высокой твердостью, чтобы давать хорошее звучание, при многочисленных ударах языка о края колокола бронза не должна давать заметных деформаций, не должна быть хрупкой, не должна выкрашиваться при ударах.

Содержание олова в этой бронзе выше, чем в пушечной. Примеси, или присадки других элементов, особенно таких, которые приводят к образованию новых обособленных фаз, бесполезны, а часто даже вредны. В XX столетии установлен такой состав колокольной бронзы: 20−23% Sn и 80−77% Си. Количество посторонних примесей (Pb, Fe, Ni и др.) зависит от чистоты исходных металлов, входящих в шихту (в старых колоколах больше примесей, чем в новых, содержание свинца в них доходит до 4%, а серебра до 1%).

Колокольную бронзу, как и пушечную, плавили в пламенных печах на дровяном топливе. Благодаря высокому содержанию олова его угар при плавке был очень велик. Для уменьшения безвозвратных потерь металла от окисления и улетучивания плавку вели с малым избытком воздуха. Для отливки больших колоколов строили особую печь. Незадолго до отливки печь нагревали в течение нескольких суток, пока она не приобретала нужную температуру. Для удаления дымовых газов в своде такой печи делалось отверстие. Распределение пламени в печи регулировалось шибером, помещенным в этом отверстии. Готовность печи к плавке определялась по ее накалу.

При загрузке шихты сначала загружали в печь старую бронзу вместе с необходимым количеством меди. С современной точки зрения это можно признать допустимым только в том случае, если в составе шихты находится очень мало чистой меди. Если свежая медь количественно превалирует над старым металлом (ломом), то сначала надо загрузить чистую медь, расплавить ее, раскислить образовавшуюся Сu2О фосфором.

Глава 3. Способы использования вторичных сплавов

3.1 Производство вторичных сплавов на медной основе

Наиболее рациональным вариантом использования лома и отходов меди и ее сплавов является их металлургическая переработка на сплавы. При этом извлекаются в готовую продукцию все ценные составляющие исходно го сырья. Для получения кондиционных сплавов необходимо применение качественного вторичного сырья.

На предприятиях вторичной цветной металлургии Советского Союза при переработке лома и отходов меди и и ее сплавов получают оловянные и безоловянные бронзы н латуни. Доля бронз и латуней составляет соответственно 62−64 и 33−34% от общего объема производства медных сплавов из вторичного сырья.

При выплавке сплавов применяют покровные и рафинирующие флюсы. Покровные флюсы образуют на поверхности ванны металла защитный слой, который предохраняет расплавленный металл от контакта с печными газами, сокращает возгонку летучих компонентов, снижает содержание газов в сплаве. Покровные флюсы в жидком состоянии способны растворять окислы. Их загружают в печь со стружкой и другими мелки, ми отходами. Рафинирующие флюсы применяют для удаления из жидкого сплава вредных примесей. При производстве значительной части сплавов на медной основе вредными примесями являются алюминий, кремний, железо, сурьма. В состав рафинирующих флюсов входят химически активные вещества, которые переводят примеси в нерастворимые в жидком металле соединения. Последние затем ошлаковываются.

В зависимости от вида перерабатываемого сырья в качестве компонентов флюсов используют кальцинированную соду, плавиковый шпат, сульфат натрия, буру, фтористый натрий, бой стекла, древесный уголь, галогениды щелочных металлов и др. Расход флюсов колеблется от 0,5−1,0 до 3−5% от массы шихты.

3.2 Печи для выплавки вторичных бронз и латуней

При производстве меди и сплавов на ее основе из вторичного сырья на отечественных и зарубежных заводах используют различные плавильные агрегаты: стационарные, поворотные и вращающиеся отражательные печи; дуговые электропечи, индукционные канальные и тигельные печи, шахтные и печи других типов. На отечественных предприятиях вторичной цветной металлургии выплавку оловянных бронз осуществляют в отражательных печах, безоловянных — в отражательных и индукционных канальных печах. Латуни получают в основном в индукционных печах и реже — в отражательных.

Характеристика отражательных печей для выплавки сплавов на медной основе

Стационарные печи

Показатели

Поворотные печи

I

п

Ш

20

26,5

36

15

Площадь пода, м2.

9

7,4

9,6

Объем ванны, м3.

-

3,2

4,36

2. 0

Габаритные размеры, мм:

7000

5200

7680

5500

3900

3480

4140

3865

высота (от уровня по-

ла)

5500

3500

3830

4886

Выплавку вторичных оловянных и безоловянных бронз проводят в однокамерных отражательных печах двух типов: стационарных (рис. 48) и поворотных (рис. 49). Емкость стационарных отражательных печей составляет от 11,4 до 36 т, поворотных 15 т. Техническая характеристика печей дана в табл. 24.

Для футеровки отражательных печей применяют хромомагнезитовый, магнезитохромитовый, динасовый и шамотный кирпич. Под и шлаковый пояс продольных и торцовых стен печи футеруют хромомагнезитовый и реже магпезитохромитовым кирпичом. Для кладки стен и свода используют перечисленные огнеупоры, исключая шамотный. Свод не имеет тепловой изоляции, что позволяет оперативно проводить его ремонт. Стойкость свода составляет 1,5−6,0 мес. Загрузочные окна и подвижные заслонки охлаждаются водой. Печи отапливают жидким или газообразным топливом. Движение топочных газов — подковообразное (печь рециркуляционного типа). Загрузку в печь шихты и флюсов, а также перемешивание расплава производят напольной мульдозавалочной машиной грузоподъемностью до 3 т. Шлак с поверхности металла снимают через рабочие окна в шлаковницы. Готовый металл выпускают непосредственно из летки на разливочную машину конвейерного типа или выливают в ковши.

Работа печей в комплексе с миксером позволяет сократить простой в период разлива металла и повысить производительность плавильного агрегата на 15−20%. Отходящие газы после предварительного охлаждения очищают от пыли и возгонов в рукавных фильтрах. В отдельных случаях тепло газов отражательных печей используют в воздухонагревателях.

Для плавки сплавов па медной основе из вторичного сырья наибольшее распространение получили электрические индукционные печи. По сравнению с пламенными печами они обеспечивают меньшие потери цветных металлов, просты по конструкции, создают лучшие санитарно-гигиенические условия труда.

3.3 Практика и показатели выплавки бронз и латуней

Выплавку бронз из вторичного сырья осуществляют в отражательных печах па переходящей ванне (остается от предыдущей плавки или наплавляется специально). Масса металла в переходящей ванне обычно составляет 30−40% от массы загружаемой шихты. Перед загрузкой шихты печь разогревают до температуры 1350−1450° С, после этого грузят легковесное сырье (стружку, выштамповку, сетку, оборотные материалы). Крупногабаритный лом и черновую бронзу подают в печь в последнюю очередь. Компонентами покровного флюса являются кальцинированная сода [60% (по массе)] и плавиковый шпат (40%). Расход покровного флюса составляет 1,2−2,4% от массы шихты. Рафинирующие флюсы могут иметь следующий состав, % (по массе): 96-медная окалина и 4-песок или 30-натриевая селитра, 45 — медная окалина, 15 — песок.

Перемешивание сплава в печи производят с помощью завалочной машины. Образующийся шлак скачивают через загрузочное окно в шлаковницу-отстойник; в последней происходит частичное отстаивание увлеченного шлаком сплава. Для удаления вредных примесей (железа, алюминия, кремния, сурьмы) загружают рафинирующий флюс, состав и количество которого определяют наличием примеси и ее количеством. По завершении рафинирования в печь вводят легирующие добавки (олово, свинец и др.) и ванну тщательно перемешивают для получения однородного сплава. Температуру металла перед разливом поддерживают на уровне 1100−1150°С.

При плавке расход условного топлива составляет 210−250 кг на 1 т готовой продукции. Съем сплава в сутки с 1 м2 площади пода печи равен 18−20 т. При плавлении шихты в печи поддерживают нейтральную или близкую к нейтральной атмосфере. Газы на выходе из печи содержат 0,6−2,0% 02 и 2−3% СО. Извлечение металлов в готовую продукцию составляет 93 — 94,5%, в оборотные материалы 3−4%, в шлаки переходит 1,5−2,5%. В шлаках от выплавки бронз содержание металлического сплава составляет 7−12%; содержание других компонентов характеризуется следующими данными, %: 22−28 Si02, 12−17 А120з, 5−9 Са, 8−14 Na20, 4−8 Fe. Шлаки используют при выплавке вторичной черной меди и бронзы.

Для производства безоловянных бронз используют поворотные отражательные и индукционные печи. В отражательную печь с переходящей ванной для предохранения металла от окисления загружают сухой древесный уголь. Вместо древесного угля применяют криолит (1 — 2% от массы металла), плавиковый шпат кальцинированную соду. Расход флюсов составляет 2−4% от массы шихты. Затем загружают расчетное количество легирующих элементов (алюминия, железа, марганца). В последнюю очередь грузят бронзовые и медные отходы. После полного расплавления шихты и тщательного усреднения расплава снимают шлак. Готовый металл разливают в чушки при температуре 1100−1150°С.

Технология получения безоловянной бронзы в электрических печах аналогична описанной. Перед выпуском из индукционной печи в ковш безоловянную бронзу разогревают до температуры 1200−1250°С. В отражательных печах извлечение металлов в готовую продукцию составляет 93,5−94,5%, в оборотные продукты 4,0 — 4,5%. Эти же показатели для индукционных печей равны 95−96 и 3,0−3,5% соответственно. Удельный расход условного топлива составляет 300−320 кг/т сплава, для получения 1 т сплава в индукционных печах расходуют 350−380 кВт-ч электроэнергии.

Латуни различных марок (свинцовистые, кремнистые и др.) из вторичного сырья получают в основном в индукционных канальных печах. Плавку ведут на переходящей ванне (так называемом «болоте»), объем которой составляет 35−45% общего объема. Химический состав «болота» должен соответствовать марке выплавляемой латуни. Если состав предыдущей плавки резко отличается от состава последующей, то в этом случае «болото» расшихтовывают. Иногда печь промывают подготовительным сплавом. В первую очередь в печь загружают стружку вместе с флюсом. Марганец или кремний вводят в расплавленную ванну металла и после их полного усвоения загружают очередную порцию шихты. Съем шлака производят при выключенной электропечи. Перед разливом латуни разогревают до температуры 1000−1080°С. Готовый сплав направляют в электромиксер или на разливочный конвейер. Миксеры используют при литье сплавов в кристаллизаторы машин непрерывного или полунепрерывного действия.

При выплавке латуней в индукционных печах извлечение металлов в готовую продукцию составляет 92,9 — 95,3%, в оборотные материалы переходит 3,0−4,7%; расход электроэнергии изменяется в пределах315−370 кВт-ч/т сплава, суточная производительность печей равна 36−50 т. Шлаки от выплавки латуней из вторичного сырья содержат (в виде сплава и окислов), %: 15−30 Си, 30 — 50 Zn, 0,5−1,0 Pb, 2−13 Si02, 1,5−6,0 Na20, 0,5−3,5 Fe. Их выход в зависимости от характера и состава перерабатываемого сырья изменяется от 3 до 5% от массы шихты. При выплавке свинцовистых латуней шлаки получаются «полусухими», и содержание в них металлической фазы достигает 35−40%.

Исследования, выполненные в Уральском политехническом институте (УПИ), показали, что наиболее рациональна отдельная переработка шлаков от выплавки вторичных бронз и латуней электротермическим способом. Электроплавка шлаков (после предварительного выделения крупных корольков сплава) с добавкой 5 — 6% коксика и 8−10% извести от их массы позволяет получать отвальные шлаки с содержанием 0,3−0,4% Си, 2,0−3,5% Zn. При этом в сплав, пригодный для получения бронз или латуней, извлекают 93−95% Си; 80% РЬ; 85−90% Sn и 8−10% Zn. В возгоны переходит 82 — 86% всего цинка.

3.4 Рафинирование бронз и латуней

Рафинирование медных сплавов проводят с целью снижения содержания растворимых газов (водорода, кислорода) и удаления взвешенных неметаллических включений и примесей {железа, серы, алюминия, кремния, марганца и др.).

Большинство вредных примесей в медных сплавах удаляют путем продувки расплава воздухом, паром или подачи медной окалины. Образующаяся или поступившая с окалиной закись меди окисляет металлы-примеси и серу:

Cu20 + Afe-«2Cu — | - МеО-2Cu20 + Cu2S-> -6Cu + S02.

Окислительное рафинирование проводят при температуре 1100−1160°С. Расход твердых окислителей составляет 0,5−1,0% от массы расплава. Для ускорения процесса рафинирования окислители вмешивают в расплав. Продувка жидкого сплава воздухом и паром приводит к интенсивному окислению и возгонке цинка, в меньшей степени олова, поэтому этот метод рафинирования применим к бронзам, в которых содержание цинка не превышает 3%.

Для восстановления растворенной в медных сплавах закиси меди используют раскислители: фосфор, литий, бор, кальций и др. Но наиболее широко применимым раскислителем является фосфор, вводимый в виде фосфористой меди {8−15% Р). Процесс основан на образовании пятиокиси фосфора, возгоняющейся при 359°С:

5Cu20 + 2P-vP205 + 10Cu.

Для медных сплавов применяют и комбинированное раскисление. Так, в случае оловянистых бронз большую часть кислорода удаляют фосфором, а остатки кислорода — за счет присадки лития. При этом получают металл с мелкозернистой структурой и повышенными механическими свойствами. Для повышения эффективности п упрощения использования лития как раскислителя целесообразно использовать литиевые патроны — герметичные цилиндры из меди, наполненные литием (5 — 100 г), литиевые патроны вводят в готовый для разливки металл, затем сплав перемешивают, отстаивают в течение 2−3 мин и разливают.

Раскисление фосфором расплавленных латуней практически нецелесообразно, так как цинк медноцинкового сплава имеет высокое сродство к кислороду.

Другой важный источник водорода — углеводороды, присутствующие в восстановительной атмосфере пламенных нечем. Заметная диссоциация метана начинается с (500°С, при 800 °C диссоциирует около 40% метана.

Для сокращения газонасыщенности металла водородом в плавильные печи должна поступать сухая шихта, процесс плавки следует вести при слабоокислительной или нейтральной атмосфере.

1 — зернистый фильтр; 2 — графитовая втулка; 3 — кристаллизатор

Дегазация медных сплавов в основном сводится к удалению из расплава водорода, так как из общего количества растворенных газов на его долю приходится 95−98%. Для дегазации сплавов на медной основе применяют продувку расплава инертными газами: азотом, аргоном. Установка для дегазации медных сплавов состоит из ковша для жидкого металла, вакуумной камеры и системы подачи азота или аргона. В днище ковша установлены пористые втулки, через которые вдувают инертный газ под давлением 200−300 к11а. Втулки (пористые элементы) изготавливают из огнеупорной массы, в состав которой могут входить графит, корунд, карборунд и глина. Продувка инертным газом в течение 6−10 мин позволяет снизить в 2−4 раза содержание водорода в сплаве.

Следует иметь в виду, что продувка вызывает дополнительные потерн цинка и свинца. Поэтому этот способ дегазации медных сплавов на нашел широкого распространения.

Простым и эффективным методом рафинирования сплавов от неметаллических включений является фильтрация. В качестве зернистых фильтров можно использовать дробленые алунд, магнезит, плавленые фториды кальция и магния. Толщина фильтрующего слоя составляет 60−150 мм, размер зерна 5−10 мм. Фильтрация позволяет в два-три раза снизить содержание в сплаве неметаллических включений. При фильтрации происходит также частичная дегазация металла.

Медь используют в химическом и энергетическом машиностроении ввиду высокой электро- и теплопроводности, высокой коррозионной стойкости в некоторых агрессивных средах. Все эти свойства тем выше, чем выше чистота металла, что предъявляет особые требования к сварке изделий из чистой меди. Сварка бронз и латуней имеет свои особенности, но свойства чистой меди в этих сплавах уже значительно утрачены.

В зависимости от количественного содержания примесей, различают пять основных марок технической меди: М0 — с суммарным содержанием примесей не более 0,05%, М1 — не более 0,10%, М2 — не более 0,30%, М3 — не более 0,50% и М4 — с содержанием примесей не более 1,00%.

Физические и механические свойства меди М0:

плотность при 20оС, г/см3

8,94

температура плавления, оС

1083

скрытая теплота плавления, Дж/г

210

температура кипения, оС

2595

скрытая теплота парообразования, Дж/г

5375

удельная теплоёмкость, Дж/ (г*оС)

0,38

теплопроводность при 20оС, Дж/ (см*с*оС)

3,83

удельное электросопротивление, Ом*мм2

0,018

температурный коэффициент электросопротивления

0,004

модуль нормальной упругости, ГПа

115

модуль сдвига, ГПа

42,4

временное сопротивление разрыву при растяжении деформированной меди, МПа

450

временное сопротивление разрыву при растяжении отожжённой меди, МПа

220

предел текучести деформированной меди, МПа

380

предел текучести отожжённой меди, МПа

70

временное сопротивление разрыву при сжатии литой меди, МПа

1570

относительное удлинение деформированной меди, %

5

относительное удлинение отожжённой меди, %

47

относительное сужение деформированной меди, %

40

относительное сужение отожжённой меди, %

70

твёрдость по Бринеллю деформированной меди, МПа

120

твёрдость по Бринеллю отожжённой меди, МПа

40

ударная вязкость литой меди при 20оС, кН*м

1700

3.5 Влияние примесей на свойства меди

Алюминий неограниченно растворим в расплавленной меди; в твёрдом состоянии растворимость его равна 9,8%. Алюминий повышает коррозионную стойкость меди, уменьшает окисляемость и понижает электропроводность и теплопроводность меди.

Бериллий понижает электропроводность меди, повышает механические свойства и резко уменьшает окисляемость меди при повышенных температурах.

Висмут практически не растворим в меди. При повышенном содержании висмута медь делается хрупкой; на электропроводность меди висмут заметного влияния не оказывает.

Железо незначительно растворимо в меди в твёрдом состоянии. При 1050оС до 3,50% железа входит в твёрдый раствор, а при 635оС растворимость его падает до 0,15%. Под влиянием железа повышаются механические свойства меди, резко снижаются её электропроводность, теплопроводность и коррозионная стойкость.

Кислород очень мало растворим в меди в твёрдом состоянии. Он является вредной примесью, так как при повышенном его содержании заметно понижаются механические, технологические и коррозионные свойства меди.

Водород оказывает значительное влияние на медь. Растворимость его в меди зависит от температуры: от 0,06 до 13,6 см3/100гр металла при температуре 500 и 1500оС соответственно. Особенно разрушительное воздействие водород оказывает на медь, содержащую кислород. Такая медь после отжига в водороде или восстановительной атмосфере, содержащей водород, делается хрупкой и растрескивается, вследствие образования водяных паров реакции водорода с закисью меди. Образовавшиеся водяные пары не диффундируют и не диссоциируют и, имея высокое давление, разрушают медь.

Мышьяк растворим в меди в твёрдом состоянии до 7,5%. Он значительно понижает электропроводность и теплопроводность, но значительно повышает жаростойкость меди.

Свинец практически не растворяется в меди в твёрдом состоянии. Заметного влияния на электропроводность и теплопроводность меди он не оказывает, но значительно улучшает её обрабатываемость резанием.

Серебро не оказывает влияния на технические свойства меди, мало влияет на её электропроводность и теплопроводность.

Сурьма растворима в меди в твёрдом состоянии при температуре эвтектики 6450С до 9,5%. Растворимость её резко уменьшается при понижении температуры. Сурьма значительно понижает электропроводность и теплопроводность меди.

Сера растворяется в расплавленной меди, а при затвердевании её растворимость снижается до нуля. Сера незначительно влияет на электропроводность и теплопроводность меди, заметно снижает пластичность. Под влиянием серы значительно улучшается обрабатываемость меди резанием.

Фосфор ограничено растворим в меди в твёрдом состоянии; предел насыщения твёрдого б-р аствора при температуре 700оС достигает 1,3% фосфора, а при 200оС он снижается до 0,4%. Фосфор значительно понижает электропроводность и теплопроводность меди, но положительно влияет на механические свойства и свариваемость, повышает жидкотекучесть.

Теллур растворим в меди в твёрдом состоянии до 0,01%. На электропроводность меди теллур значительного влияния не оказывает.

Селен мало растворим в меди в твёрдом состоянии — до 0,1% и выделяется при затвердевании в виде соединения Se2О. Влияние на медь аналогично влиянию серы.

Хорошие результаты можно получить при наплавке под флюсом плавящимся электродом, подающимся автоматической головкой, совершающей колебания в плоскости, перпендикулярной к поступающему движению. Стальную поверхность можно охлаждать со стороны, противоположной наплавке, или охлаждать непосредственно металл наплавки водоохлаждаемыми устройствами.

При наплавке меди в среде аргона плавящимся электродом следует соблюдать аналогичные условия. При сварке меди со сталью плавящимся электродом надо электрод отклонять в сторону меди, так как магнитное дутье в процессе сварки будет возвращать дуговой разряд на свариваемые кромки. При сварке необходимо применять минимальные токи, обеспечивающие формирование сварного шва. Сварку биметалла медь — сталь можно осуществлять со стороны плакирующего слоя или со стороны стали.

В первом случае неизбежны удаление плакирующего слоя на стыкуемых кромках, сварка стали, зачистка полученного шва и наплавка меди на сталь для восстановления плакирующего слоя. При возможности сварки со стороны стали плакирующий медный слой в зоне сварки не удаляют; после сварки стали производят заварку стыка на плакирующем слое любым способом.

Библиографический список

1. Эльтермап В.М. Охрана окружающей среды на химических и нефтехимических предприятиях. М.: Химия, 1985. 160 с,

2. Лейкан И.И. Рассеивание вентиляционных выбросов химических предприятий. М.: Хнмня, 1982. 224 с.

3. Перегуд Е.А. Санитарно-химический контроль воздушной среды. Л.: Химия, 197S. 336 с.

4. Наркевич И.П. , Печковский В.В. Утилизация и ликвидация отходов в технологии неорганических веществ, М,; Химия, 1984, 240 с.

5. Экологические проблемы химического предприятия/О.Г. Воробьев, О. С. Балабеков, Ш, М. Молдабеков, Б. Ф. Уфимцев. Алма-Ата: Казахстан, 1984. 172 с.

6. С. Калверт, М. Треиюу и др. Защита атмосферы от промышленных загрязнении/Под ред. С, Калверта и Г. М. Инглунда. В 2-х т. М.: Металлургия, 1988, 1470 с,

7. Техника защиты окружающей средьт / Н. С. Торочешников, А. И. Родионов, Н. В. Кедьцев, В. Н. Клушин. М.: Химия, 1981. 368 с,

8. Стадницкий Г.В. , Родионов А.И. Экология. М.; Высшая школа, 1988. 272 с.

9. Ужов В.Н. , Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М: Химия, 1972, 248 с.

10. Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. М: Химия, 1981. 616 с.

11. Быстрое Г.А. , Гслыгерин В. М" Титов Б.И. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс. Л,; Химия, 1982. 264 с.

12. Т.А. Семенова, И.Л. Лейтес, Ю.В. Аксельрод и др. Очистка технологических газов/Под ред. Т. А. Семеновой. М; Химия, 1977. 488 с.

13. Кузнецов И.Е. , Троицкая Т.М. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами. М.: Химия, 1979. 344 с.

14. Алтыбаев М.А. Разработка и внедрение хемосорбционной очистки промышленных газов от сернистых и фосфорных соединений в псевдоожиженном слое с утилизацией продуктов очистки: Дне. д-ра техн. наук, Ташкент, 1989. 406 с.

15. Очистка газов в производстве фосфора и фосфорных удобрений/Э.Я. Тарат, О. Г, Воробьев, О. С. Балабеков, В. И. Быков, О.Г. Ковалев/Под ред.Э. Я. Тарата. Л.: Химия, 1979. 208 с.

16. А.А. Соколовский, Т. И, Унанянц. Краткий справочник по минеральным удобрениям, — М.: Химия, 1977. 376 с.

17. Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений/ И. П. Мухленов, О. С. Ковалев, А. Ф. Туболкин, О. С. Балабеков и др. / Под ред. И. П. Мухленова и О. С. Ковалева. М.: Химия, 1987. 208 с.

18. Бесков С.Д. Технохимические расчеты. М.: Высшая школа, 1966. 520 с.

19. Коузов П.А. , Малыгин А.Д. , Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воз-духа в химической промышленности. Л: Химия, 1982. 256 с.

20. Бродский Ю. Н, Определение экономико-экологической эффективности систем газоочистки и пылеулавливания // Химическое инефтяное машиностроение. 1986. № 2. С. 3−4.

21. 21. Stalrmand С. J, Chemical Engineer, СЕ. 310 (1965).

22. Карнаухов И.А. , Доронин В.И. Цирульников П.Г. Экономический анализ технологических параметров каталитического обезвреживания газовых выбросов // Хим. пром-сть. 1988. № I. С. 55−56.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой