книги / Производство слитков меди и медных сплавов
..pdfВеличину Ул определяют как |
|
|||
Ул = |
|
+ у Ь, сь, |
+ У,”i % . |
|
|
100 |
|
|
|
здесь |
Ул |
— угар лигатуры или возвратов, с которыми вводится |
||
|
|
в шихту искомый компонент, %; |
|
|
Уа , У^ |
,..., Уп |
— угары компонентов в лигатуре или возвратах, %; |
||
Са , Сь ^ |
..., Сп |
— фактическое содержание компонентов в |
лигатуре |
|
1 |
1 |
или возвратах, %. |
|
|
При расчете дшхты из первичных металлов и технологических |
добавок |
общее количество каждого из компонентов находят из выражения (2). Затем определяют необходимое количество технологической добавки и количество компонентов, вводимых в составе добавок.
Количество каждого компонента, вводимого в шихту в виде метал лов, определяют из выражения (1). При этом второй и последующие •члены выражения равны нулю, так как компоненты вводят в шихту только в виде первичных металлов и с добавками. Заключительный этап расчета —составление баланса по компонентам.
При использовании возвратов и лигатур количество их подсчитывают по формулам (3) и (4) соответственно.
В заключение расчета шихты по компонентам составляют ее баланс. Отсутствие расхождений указывает на правильность расчета.
Для проверки составленной шихты определяют пригодность ее по содержанию примесей:
Ш1П1 + Ш2П2 + ... + ШдПд
Пр = |
|
iii (1 — |
< 4*. |
|
|
|
100 |
V |
П| Ci |
+ П2 С2 |
+ ... + п псп |
|
1 0 0 - |
Уш |
где Пр
Пд
BIi, Ш2>..■ л „
п ,, п 2)..•>п„
С2 ,..., Сп
—общее расчетное содержание определяемой примеси или всех примесей в слитках, %;
—общее допустимое содержание примеси или всех примесей в слитках (по ГОСТ или ТУ), %;
—расчетное необходимое количество первой, второй и тщ. до и-ной составляющих шихты (берется из ба ланса шихты по компонентам) , кг (т);
—фактическое содержание определяемой примеси или всех примесей соответственно в первой, втброй, л-ной составляющих шихты, %;
—расчетное содержание в шихте соответственно пер вой, второй, л-ной составляющих, %.
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-
нием |
|
МеО+Ме |
Ме1О+Ме\ |
здесь MeО |
— раскислитель; |
Me |
|
Me'О |
— окисел раскислителя; |
Me |
— металл, восстановленный из окисла раскислителем. |
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
Рис. 26. Изменение содержания кис |
Рис. 27. Зависимость механических свойств |
|
лорода во времени при раскислении |
меди, обработанной |
добавками фосфора |
меди бором (7) и графитом (2) |
(0,04%), от температуры испытания: |
|
|
1 - °0Д! 2 ~ °в> |
4 “ Ф |
Рис. 28. Зависимость относительного сужения |
ф от температуры меди марки Ml |
с добавками: |
4 - 0,01 % Се; 5 - 0,05% В; 6 - |
1 - 0,01% Li; 2 - 0,01% В; 3 - 0,05 % Се; |
|
0,05% Li |
|
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
меди применяют древесный уголь - |
березовый |
обычный. Угли хвой |
|||
ных |
пород |
содержат |
повышенное |
количество |
смолистых веществ |
и поэтому непригодны при производстве слитков меди. |
|||||
Древесный |
уголь — хороший теплоизолятор, |
имеющий коэффици |
|||
ент |
теплопроводности |
0,064 ккал/(м • ч • град). |
Перед употреблением |
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
отвечает силикату |
натрия (Na2S i03); по виду |
это куски, напоминаю |
щие обыкновенное |
стекло (плотность 1,36—1,53 |
г/см3) .J |
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:
Состояние материала |
*Ш> 2 |
6,% |
Ф.% |
|
кгс/мм |
|
|
Литое |
15,5 |
45,0 |
75 |
Деформированное. |
44,7 |
2,9 |
- |
Отожженное |
24,6 |
41,0 |
— |
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:
Плотность, |
Содержание, % |
Механические свойства |
Удельное электро |
|||
г/см3 |
(по массе) |
<v |
, |
Ф,% |
сопротивление „ |
|
|
о 2 |
Н2 |
кгс/мм |
|
|
кОм/м |
8,94 |
0,00027 |
0,00011 |
17,1 |
37,5 |
81,5 |
17,54 |
8,43 |
0,0136 |
0,00016 |
15,8 |
23,4 |
26,3 |
17,06 |
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
фосфора, благоприятно сказывающегося на механических |
свойствах |
|
меди (см. рис. 27). Количество вводимой фосфористой меди |
зависит |
|
от марки выплавляемой меди и колеблется в пределах 1 |
— |
3 кг на |
1 т шихты. |
|
|
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
ленном оптимальном соотношении |
кислорода и фосфора (0,01-0,02 |
и 0,01% соответственно) в металле |
обеспечивается высокая плот |
ность меди. |
|