804

Современное производство слитков меди и медных сплавов связано с необходимостью обработки расплава малыми технологическими добав­ ками, которые осуществляют раскисление, дегазацию, десульфурацию и модифицирование расплава.

В общем виде процесс раскисления может быть представлен уравне-

Технологйческие добавки, используемые при производстве меди, можно разделить на две категории: пассивные и активные.

К первой категории относится углерод, который образует с кислоро­ дом газообразный окисел, удаляющийся из расплава. Обычно раскисле­ ние меди углеродом осуществляется за счет применения защитных флю­ сов и атмосфер, графитовой оснастки. Раскисление кислородсодержащей меди протекает при непосредственном ее контакте с углеродом.

Таким образом, углерод, обладая некоторыми преимуществами перед металлическими добавками (такими, как нерастворимость в меди и об­ разование газообразного продукта реакции восстановления), все же ус* тупает металлическим раскислителям.

Вторая категория технологических добавок —металлические. Это эле­ менты, которые, растворяясь в расплавленной меди, одновременно рас­ кисляют ее во всем объеме. В этом отношении эффективность металли­ ческих раскислителей намного выше газообразных (рис. 26). При ис­ пользовании металлических добавок не нужны длительные выдержки металла (как в случае применения углерода), колебания содержания кислорода в шихте не сказываются на его содержании в слитках. Кроме того, некоторые элементы, обладая большим сродством к кислороду, являются активными десульфураторами: связывают легкоплавкие вред­ ные примеси в тугоплавкие, менее вредные соединения, а также модифи­ цируют расплав. Модифицирование — способ улучшения механических свойств металла за счет введения в расплав малых количеств присадок, практически не изменяющих химический состав расплава, но изменяю­ щих структуру меди и ее сплавов. В качестве добавок при производст­ ве меди и медных сплавов широко применяют фосфор (в виде 8—12%- ной лигатуры медь - фосфор), кремний, магний, кальций, литий и бор.

Влияние добавок фосфора на механические свойства меди в зависи­ мости от температуры испытания показано на рис. 27.

Назначение изделий из меди и требования, предъявляемые к ее каче­ ству, обусловливают применение различных технологических добавок или их комплексов. В практике производства зарекомендовал себя

способ комбинированной обработки расплава пассивными и активны­ ми добавками. Воздействие некоторых элементов на пластичность ме­ ди иллюстрирует рис. 28 (пластичность оценивали величиной попереч­ ного сужения при разрыве образцов).

У меди с добавками церия и бора (см. рис. 28) практически не на­ блюдаются ’’провалы” пластичности. Величина же ’’провала” пластич­ ности у меди с добавками лития зависит от количества лития.

Одной из отличительных особенностей технологического процесса производства слитков является то, что при высоких температурах кис­ лород хорошо растворяется в меди. Удаление из расплава неметалличе­ ских включений называется рафинированием.

В настоящее время накоплен определенный опыт по удалению из расплава меди и медных сплавов неметаллических включений и газов, выработаны критерии оценки эффективности процесса, изучены меха­ низм очистки и его влияние на качество заготовительного литья.

Основные методы рафинирования меди и медных сплавов целесооб­ разно разделить на три группы, положив в основу технологический признак производства слитков и отливок (рис. 29).

Рис. 29. Методы рафинирования расплава

Некоторые из приведенных на рис. 29 методов применимы только к одному из процессов (например, отстаивание — только к рафиниро­ ванию в емкости, фильтрование —только к рафинированию при перели­ ве) . Другие методы применимы к любому процессу. Следует подчерк­ нуть, что в одном процессе могут быть использованы последовательно или совмещенно два или более способов очистки расплава. Для каждой группы медных сплавов в зависимости от требуемого уровня свойств и качества слитков необходим свой оптимальный вариант рафинирова­ ния расплава.

При производстве слитков меди технической чистоты по схеме индук­ ционная канальная печь — индукционный миксер —литейная машина перспективна обработка расплава технологическими добавками. Для широкой гаммы медных сплавов применяются совместно продувка

нейтральными газами, использование пористой керамики и обработка активными флюсами. Высокий уровень очистки бронз, особенно алю­ миниевых, достигается при использовании фильтрования в совокупно­ сти с предварительной продувкой расплава порошкообразными флю­ сами в струе азота (аргона) . В тех случаях, когда требования, предъяв­ ляемые к чистоте металла, достаточно высоки, а потребность в сплаве данного состава незначительна, используются методы рафинирующего переплава.

Так как основные неметаллические включения в меди и ее сплавах - окислы, то. электроннолучевая плавка, и вакуумно-дуговой переплав менее эффективны в данном случае, чем электрошлаковый переплав и плазменно-дуговая плавка. Главным методом оценки эффективно­ сти выбранного способа рафинирования является степень очистки рас­ плава, т.е. содержание неметаллических включений и газов.

Одной из актуальных проблем при производстве меди -иеемного- тоннажных сплавов" на крупных плавильных агрегатах с большой от­ крытой поверхностью зеркала ванны является снижение безвозврат­ ных потерь. Потери металла можно уменьшить, применяя покровные и активные флюсы, не растворяющиеся в металле и имеющие темпера­ туру плавления не ниже температуры расплава. Плотность расплавлен­ ного флюса должна быть меньше плотности металла. При плавлении флюс должен быть химически нейтральным по отношению к жидко­ му металлу, футеровке печи и материалу емкостей. Наконец, очень важное требование к флюсу - это отсутствие вредных выделений при плавлении. В качестве покровного активного флюса при плавке

древесный уголь прокаливают в коробах при 900°С в течение 2,5—3 ч в специально оборудованных газогенераторах с вытяжной вентиля­ цией. После прокаливания отверстие в коробах перекрывают, чтобы исключить возможность контакта поверхности древесного угля с ат­ мосферой воздуха. Особое внимание уделяют хранению древесного угля (желательно хранить его до использования подогретым выше тем­ пературы окружающей среды). Оптимальный размер кусков 10—30 мм. Особенно тщательно уголь должен быть высушен и прокален для исполь­ зования при производстве слитков вакуумплавленой и бескислородной меди, а также при плавке сплавов, содержащих более активные по отно­ шению к кислороду металлы, чем углерод (в присутствии активных ме­ таллов насыщение жидкого металла газами из. угля протекает очень ин­ тенсивно) .

При плавлении медных сплавов применяют флюсы различного соста­ ва, содержащие силикатную глыбу, техническую буру, криолит, хлори­ стый натрий, кальцинированную соду, плавиковый шпат, кремнефтори­ стый натрий и другие элементы.

Наибольшее распространение получили флюсы на основе силикатаглыбы и хлористого натрия. По химическому составу сйликат-глыба

Бура техническая или борнокислый натрий (Na2B40 7 -10 Н20) пред­ ставляет собой бесцветные прозрачные кристаллы (плотность 1,72 г/см3) . При прокаливании бура превращается в белую пористую массу, плавя­ щуюся при 741 (878) °С и застывающую в виде прозрачного стекла (плотность 2,37 г/см3) .

Криолит (Na3AlF6) - нейтральная соль (плотность 2,10 г/см3,темпе­ ратура плавления 1000°С).-

/Неподготовленные флюсы могут оказывать отрицательное влияние на процесс плавки. Недостаточное смешивание составляющих и применение непросушенных флюсов приводят к увеличению продолжительности плавки. Последнее не только снижает производительность печного агре­ гата, но и увеличивает потери металла за счет его испарения и окисления.

Подготовка флюса заключается в предварительном размоле состав­ ляющих, смешивании и сушке. Для указанных целей применяют линии подготовки флюсов, куда входят щековые и конусные дробилки, пита­ тели, дозаторы и электросушилки. Техническая характеристика одной из установок следующая: при насыпной массе 2 т/м производительность составляет 200 кг/ч, температура сушки 470—770°С, крупность загру­ жаемых кусков < 1 4 0 мм, а крупность помола < 4 мм, потребляемая мощность установки 40 кВт. Наиболее рационально применять плавле­ ные флюсы или загружать в печь флюсы, расплавленные в другом, ря­ дом расположенном плавильном агрегате. З а т р а т на предварительное плавление флюсов оправдываются, так как снижаются потери металла и повышается производительность плавильных установок.

4. ПОЛУЧЕНИЕ СЛИТКОВ МЕДИ И МЕДНЫХ СПЛАВОВ

Получение слитков меди

ввакуумных индукционных печах

Всвязи с развитием специальных областей радиоэлектроники и элек­

тротехники возникла необходимость в получении меди высокой чисто­ ты. Очистка меди от летучих металлических примесей^ неметалличес­

ких и газовых включений позволяет увеличить срок службы электро­ вакуумных приборов и улучшить стабильность их р а б о т . Указанным требованиям удовлетворяет медь, полученная плавкой в индукционных вакуумных печах. Удаление примесей из расплава зависит от температу­ ры, времени и давления. Индукционная вакуумная плавка меди в этом отношении не уступает электроннолучевой и тем более дуговой плавке.

Кроме того, вакуумплавленая медь должна содержать не более 0,001% О2, что требует применения в реальных промышленных условиях раскислителей. Обычно при вакуумной индукционной плавке медь рас­ кисляется углеродом за счет применения графитовой оснастки (тигли, мешалки, воронки), засыпки на поверхность расплава древесного угля,

чешуйчатого графита или сажи. Углерод соединяется с кислородом и об­ разует газообразный окисел, который удаляется с помощью непрерыв­ ной откачки. Водород также является нежелательной примесью, так как снижает электропроводность и приводит к образованию в литом металле дефектов в виде пор. Обычно в меди вакуумной плавки содержание во­ дорода < 1—0,8 см*/100 г и образование чисто водородной пористости маловероятно. Однако пары воды не успевают выделяться из расплава при литье и в процессе затвердевания.

Слитки вакуумной меди получают в индукционных печах периодиче­ ского и полунепрерывного действия. Печи первого типа просты в экс­ плуатации, однако уступают печам периодического действия по произ­ водительности и емкости (слиток массой < 150 кг). В качестве исход­ ного сырья используют катодную медь марки МООк (70—80% от массы шихты), остальное —отходы собственного производства. В производст­ во допускаются только наиболее плотные и имеющие ровную внешнюю поверхность катоды. *

Технологический процесс плавления ведут в окислительно-восстано­ вительном режиме, позволяющем резко снизить общее содержание газов в литой вакуумплавленой меди и полностью ликвидировать брак слит­ ков по дефектам газового происхождения. Шихту предварительно окис­ ляют до получения в ванне после расплавления 0,06-0,08% 0 2, нагревая

еев открытой атмосфере с последующей дегазацией расплава при 1400°С

ввакууме 10"2 мм рт.ст. Для предотвращения выплеска металла из тиг­ ля откачку плавильной камеры вначале проводят на форвакууме (~ 1— 10-1 мм рт.ст.) при температуре расплава 1100-1150°С. Затем темпера­ туру повышают до 1400°С и включают диффузионные насосы. Время де­

газации при режиме форвакуума ~ 10 мин, при диффузионной откачке (~ 10"2 мм рт.ст.) ~ 15-20 мин. Далее металл разливают в вакууме в медные водоохлаждаемые изложницы.

Содержание в слитках водорода с применением указанной технологии снижается в 2, а кислорода в 2,5 раза.Уменьшение газосодержания объяс­ няется тем, что кислород, содержащийся в расплаве в большом количе­ стве, бурно взаимодействуя с графитом тигля, ведет к образованию пу­ зырьков углекислого газа, всплывающих на поверхность ванны..Водород диффундирует в пузырьки и удаляется из расплава.

Более крупные слитки вакуумплавленой меди (до 1 т) получают в печах полунепрерывного действия. Плавильная камера в этих печах нахо­ дится под вакуумом постоянно, а загрузочная и разливочная - перио­ дически.

Шихту загружают в специальные контейнеры и подают в загрузочную камеру, где она подогревается до 50Q—550°С в вакууме 0,8 мм рт.ст. После прогрева шихты и выравнивания давления в загрузочной и пла­ вильной камерах шихта поступает в тигель печи. Расплавление шихты ве­ дут в форвакууме, а дегазацию —при давлении 10“2 мм рт.ст.и темпера­ туре 1350-1400°С в течение 30-45 мин. Для раскисления в шихту до­ бавляют чешуйчатый графит. Перед литьем металла давление в разливоч­

ной камере должно быть < Н Г1 мм рт.ст. Литье осуществляют полуне­ прерывным методом в кристаллизатор литейной машины через графито­ вую воронку или подогреваемый тигель. Скорость подачи жидкого ме­ талла регулируется диаметром отверстия в тигле-металлоприемнике. По окончании литья слиток опускают в камеру разливки, перекрывают ва­ куумным затвором плавильную камеру, напускают воздух в камеру раз­ ливки и извлекают слиток.

Медь, выплавленная указанным способом, содержит 0,0005- 0,0009% 0 2 и 0,0001—0,0002% Н2

Механические свойства вакуумплавленой меди следующие:

Испытания вакуумплавленой меди при повышенной температуре по­ казывают, что ’’провалы” пластичности отсутствуют: относительное су­ жение такой меди монотонно увеличивается с ростом температуры.

Получение слитков бескислородной меди

Бескислородная медь, используемая для изготовления деталей радио­ технических и электронных приборов, проводников тока, должна обла­ дать высокими электрической проводимостью и химической чистотой, содержать не более 0,001% 0 2,не иметь пористости. Получение слитков бескислородной меди осложнено еще тем обстоятельством, что в этом случае введение в медь фосфора неприемлемо, так как он резко ухудшает ее электрическую проводимость. Как показали исследования, при введе­ нии в медь небольших количеств технологических добавок (церия, каль­ ция, бария и лития) электрическая проводимость не снижается, а, наобо­ рот, даже несколько повышается по сравнению с таковой стандартной меди (рис. 30). Это позволяет рекомендовать для производства бескис­ лородной меди указанные металлические добавки. '

Слитки бескислородной меди получают в однофазных индукционных канальных печах небольшой емкости (до 1,5 т) с непосредственной раз­ ливкой полунепрерывным способом и в канальных печах большой емко­ сти (до 16 т) с разливкой через индукционный миксер.

При различных методах получения слитков бескислородной меди тща­ тельно герметизируют всю плавильную установку, т.е. создают защитную атмосферу при плавке, поступлении металла в кристаллизатор и непо­ средственно при литье.

Важным моментом является рафинирование жидкого расплава древе­ сным углем из деревьев лиственных пород. Поверхность расплава по­ крывается слоем угля толщиной 200-250 мм. Особое внимание уделяет­ ся подготовке угля. Рекомендуется прокаливать древ'есный уголь при температуре 900°С в течение 2,5-3 ч в специальных коробках. Как уже указывалось, необходимо принимать все меры, чтобы древесный уголь

не насыщался газами в процессе остывания и хранения. В качестве за­ щитной атмосферы используется генераторный газ, полученный газифи­ кацией прокаленного угля в электрических газогенераторах. Защит­ ный газ содержит обычно 25—28% СО, < 2% С02, < 0,01% 0 2, осталь-* ное - азот.

Основное раскисляющее действие оказывает покров древесного угля: генераторный газ не только защищает струю жидкого металла при пере­ ливе и подаче ее в кристаллизатор, но и участвует также в раскислении.

Рис. 30. Зависимость электрической проводимости Омеди от количества добавок: 1 - U; 2 - Y; 3 - Nb; 4 - В; 5 - Са; б - Се

В качестве шихты применяют катодную медь марки ,М0к, причем ка­ тоды должны быть плотными, структура их мелкокристаллической. Не допускается применять хрупкие катоды, а также катоды, имеющие слоистое строение.

Бескислородная медь наиболее высокого качества производится на автоматизированной установке ИЛКА-16. По мере загрузки и расплавле­ ния катодной меди расплав перетекает по электрообогреваемому желобу в миксер ИЛКМ-2,5. Поверхность жидкого металла в печи и миксере по­ крывается слоем прокаленного древесного угля. На всем пути транспор­ тировки расплава до кристаллизатора и непосредственно в кристаллиза­ торе расплав защищается атмосферой следующего состава, %: 98,4—99,7 N2,<0,1 С02; < 1 ,2 СО; <0,01 0 2.

На указанной установке производят слитки меди марок М006, М06 и М1б.; Свойства бескислородной меди, полученной методом непрерывно­ го литья (в числителе), и свойства меди, полученной наполнительным способом литья (в знаменателе), следующие:

Бескислородную медь отливают в круглые слитки диаметром 115- 400 мм в кристаллизатор высотой 170 мм. Скорость литья в зависимо­ сти от диаметра слитков колеблется от 3 до 11 м/ч, расход воды 1929 м3/ч. Плоские слитки размерами 120X265 и 120X230 мм отливают в кристаллизатор такой же высоты. Скорость литья колеблется в пре­ делах 8—10 м/ч, расход воды 21-26 м3/ч. Размеры слитков, получаемых на установке ИЛКА-16 непрерывным способом, составляют 90Х90Х XI400 мм, скорость литья 18—42 м/ч. '

Получение слитков меди технической чистот

Слитки меди технической чистоты используют для изготовления ли­ стов, труб, прутков, профилей и проволоки.

Расплав для получения слитков приготовляют в индукционных ка­ нальных печах различной емкости, которые работают в компоновке с миксером или без него. В последнем случае литье осуществляется не­ посредственно в кристаллизатор машины полунепрерывного литья или водоохлаждаемую изложницу.

В качестве шихты используют катодную медь и кусковые отходы меди собственного производства. • После загрузки очередной порции шихты поверхность расплава засыпают прокаленным древесным углем в таком количестве, чтобы от покрыл жидкую ванну слоем 150200 мм.

Особенностью технологического процесса производства слитков ме­ ди технической чистоты является обработка расплава технологиче­ скими добавками: фосфором, кремнием, магнием. Наибольшее рас­ пространение при плавке меди марок М1р, М2р й МЗр имеет присадка

При выплавке меди марок М1р, М1ф, М2р и МЗр в печах ИЛК-6 эффективным в качестве защитно-рафинирующего покрова (вместо древесного угля) оказался пековый кокс КПЭ-1 (ГОСТ 3213 - 71). Он имеет меньшую, чем древесный уголь, зольность, обладает боль­ шей теплотворной способностью. Размеры его кусков стабильны, что обеспечивает устойчивость процесса плавки. Рекомендуемая толщи­ на покрова в печи —100, в миксере ~ 200—250 мм.

Изменение содержания кислорода в меди марки Ml в зависимости от выдержки металла в миксере под слоем древесного угля или кокса показано на рис. 31.

Как свидетельствует опыт работы, применение только защитно-рафи­ нирующего флюса при выплавке меди марок М1р, М2р, МЗр без допол­ нительной обработки расплава фосфором оказывается недостаточным для получения слитков без пор и газовых раковин. Лишь при опреде­