книги / Плавка цветных металлов

на поверхности, создает восстановительную атмосферу и защищает сплав от окисления и насыщения водородом.

Покровно-рафинирующиефлюсы для медных сплавов готовят на основе стекла (nSiO2 mNa2O), буры (Na2B4O7) и кальцинированной соды (Na2CO3). Для медных сплавов нетуниверсальных составов флюсов, которые полностью удовлетворяли бы всем требованиям, предъявляемым к ним. Флюсы на основе стекла хорошо покрывают расплавы и практически не взаимодействуют с футеровкой, но они имеют высокую вязкость. Флюсы на основе буры более дефицитные. Они маловязкие и легко взаимодействуют с кислой футеровкой. Добавки фтористых солей улучшают технологические свойства флюсов, но делают их более агрессивнымипо отношению кфутеровке [12].

Состав флюсов выбирают для каждой марки сплава в зависимости от конкретных условий производства. Состав некоторых флюсов для плавки медных сплавов приведен в табл. 18.

6.2.Технологические особенности плавки меди

имедных сплавов

Для плавки меди и медных сплавов можно использовать любые печи, которые позволяют быстро нагреть металл до температуры 1100– 1300 °С. Это могут быть тигельные, отражательные, дуговые и индукционные печи. С учетом того, что медь является дефицитным металлом, выбирают печи, в которых наблюдаются наименьшие потери металла на угар и потери со шлаком. В этом отношении лучшие результаты достигаются в индукционных печах. Угар в них не превышает 1,5 %. Для сравнения: в отражательных печах потери металла могут достигать 8 %, если не применять защитные покровы и флюсы. При плавке в таких печах под флюсами или древесным углем потери снижаются, но остаются весьма высокими(2,5–4,5 %).

Индукционные печи различного типа (тигельные печи высокой, средней или промышленной частоты или канальные с железным сердечником) получили наибольшее распространение. Из других плавильных агрегатов в малых литейных цехах можно встретить электродуговые барабанные печис косвеннойдугойи тигельные топливныепечи.

Конструкции индукционных тигельных печей рассмотрены ранее при описании плавки алюминиевых сплавов. Футеровку этих печей для меди и медных сплавов выполняют из шамота, динаса, кварца или графита. Эти печи можно применять для плавки любых медных сплавов.

При плавке латуней хорошо зарекомендовали себя индукционные канальные печи с железным сердечником типа ИЛТ. Схема такой печи приведена на рис. 33.

Основным элементом канальной печи является ванна 1, футерованная огнеупорным материалом и заключенная в кожух. Для выпуска металла в футеровке выполнен сливной носок 2. Кольцевой канал 4 выполнен в подовом камне. Канал образует кольцо (виток) вокруг магнитопровода 3 из листовой трансформаторной стали. Индуктор 5 изготовлен из медной трубки с электрической изоляцией. Индуктирование вихревых токов и выделение тепловой энергии происходит в расплавленном металле, находящемся в канале печи.

122

Рис. 33. Схема индукционной канальной печи

Под воздействием магнитного поля, а также нагрева расплава в канале начинается циркуляция жидкого металла. В перемешивание вовлекается и металл в ванне печи. До начала работы канал должен быть заполнен жидким металлом из другой плавильной печи. Чтобы обеспечить плавление загружаемой шихты, в канале должен сохраняться расплав. Исходя из этого при сливе готового расплава в печи оставляют часть его, составляющую от 40 до 60 % от полезной вместимости ванны. Этот остаток называется болотом.

На некоторых предприятиях по настоящее время сохранились печи, разработанные специально для плавки медных сплавов. К ним относятся топливная печь «Мечта» (рис. 34) и дуговые однофазные печи с косвенным нагревом типа ДМК и ДМ (рис. 35).

Для топливных тигельных и индукционных печей при плавке меди и медных сплавов широко используют стандартные тигли, спрессованные из графита или графитошамота. Эскиз таких тиглей

иих конструктивные размеры приведены в табл. 19.

Внастоящее время многие фирмы производят огнеупорные графитосодержащие тигли для плавки цветных металлов и сплавов, а также тигли для плавки драгоценных металлов.

123

Рис. 34. Плавильная печь для медных сплавов «Мечта»: 1 – форкамера для сжигания топлива; 2 – плавильная камера

Рис. 35. Электродуговая печь с косвенным нагревом для плавки медных сплавов: 1 – кожух печи; 2 – футеровка; 3 – графитизированный электрод; 4 – электрододержатель; 5 – механизм перемещения электрода; 6 – рабочее окно; 7 – ролик для вращения печи; 8 – механизм поворота

124

Таблица 19 Тигли графитовые для горновых печей (по ГОСТ 3782–54)

Примечание: условная емкость тигля в килограммах дана для меди с удельным весом 8,6, нагретой до 1200 °С, и при заполнении тигля ≈95 %.

Для перемешиваниярасплава используют графитовые палочки. Температурный режим и последовательность операций плавки устанавливают исходя из конкретных условий производства. Полученный сплав должен соответствовать требованиям ГОСТа или технических условий по содержанию основных компонентов и примесей, быть свободным от неметаллических включений и газов и обла-

дать заданными физико-механическими свойствами.

125

Выполнениеэтих требований зависитот следующих факторов:

•вида плавильной печи и характера взаимодействия расплава

спечной атмосферой, футеровкой и покровом;

•состава шихты и ее подготовки к плавке;

•последовательности загрузки и расплавления частей шихты;

•скорости плавления и температурного режима плавления;

•методов металлургической обработки расплава (рафинирования, модифицирования);

•температурного режима разливки сплавов.

Ниже рассмотрены технологические процессы плавки меди и различных видов медных сплавов. Основное внимание и будет обращено на перечисленные факторы.

6.2.1. Плавка чистой меди

Плавку чистой меди обычно проводят в заготовительных цехах. Для производства отливок чистая медь применяется редко, но иногда такая необходимость возникает в литейном цехе. В этом случае используют плавильные агрегаты, которые применяются в цехе для плавки других медных сплавов. Обычно это индукционные плавильные установки с графитошамотными тиглями. Футеровка печи может быть выполненаиз молотого кварцитас бурой вкачестве связующего.

При плавке меди промышленной чистоты марок М0, М1 и М2 в качестве шихты можно использовать катодную медь соответствующих марок и отходы. Разделанные на куски катоды и отходы загружают в тигель, на дно которого загружена часть древесного угля, и сверху вновь засыпают древесным углем. После расплавления поверхность металла должна быть постоянно закрыта слоем угля толщиной 150–200 мм. Уголь предохраняет расплав от окисления и одновременно служит раскислителем. Плавку меди ведут с максимально возможной скоростью. Дополнительное раскисление фосфорной медью можно не проводить, так как остаточный фосфор отрицательно сказывается на свойствах меди.

Расплав перегревают до температуры не выше 1200 °С и быстро разливают по формам или в изложницы.

126

6.2.2. Плавка оловянных бронз

Качество расплава зависит от состояния шихтовых материалов и условий плавки, т.е. взаимодействия металла с атмосферой, футеровкой печи и с защитными покровами. Продолжительность плавки должна бытьминимальной, чтобы снизитьугар дефицитных металлов.

В литейных цехах для плавки бронз выбирают индукционные тигельные печи. Тигли могут быть графитошамотные или графитокорундовые. Более высокая стойкость достигается при плавке в печах с набивной футеровкой.

Оловянные бронзы можно выплавлять из чистых металлов либо из вторичных чушковых сплавов. Из экономических соображений чистые металлы используют только для отливок ответственного назначения. Примеси, которые всегда присутствуют во вторичных сплавах, существенно снижают технологические свойства оловянных бронз.

При плавке из чистых металлов расплавляют медь под покровом древесного угля и подогревают до 1150–1200 °С. Медь раскисляют фосфором. Расчетное количество фосфора зависит от содержания кислорода. При плавке в тигельных индукционных печах содержание кислорода не превышает 0,01–0,04 %. Одна часть фосфора связывает 1,8 частей кислорода, поэтому для раскисления необходимо ввести 0,005–0,02 % фосфора. Максимальное насыщение кислородом (0,04–0,1 %) происходит в пламенных печах. В этом случае необходимо ввести 0,02–0,05 % фосфора. Указанные концентрации фосфора рекомендуется увеличить на 20–30 % [17]. Фосфор вводят в виде медно-фосфорных лигатур МФ9, МФ10 или МФ13 (см. табл. 1). Цифра в маркировке указывает на среднее содержание фосфора. Таким образом, количество вводимой лигатуры примерно в 10 раз больше расчетного количества фосфора. Лигатуру подогревают до 500–700 °С, кусочками (лигатура хрупкая и легко раскалывается на части) вводят расплав и перемешивают графитовыми мешалками до полного растворения.

В раскисленную медь вводят цинк, затем олово и отходы. Последним в расплав вводят свинец и нагревают до 1100–1200 °С, ра-

127

финируют хлористым цинком или продувкой азотом и разливают по формам.

Плавка оловянных бронз из шихты на основе чушковой бронзы ведется быстрее. В тигель можно загрузить всю шихту (чушки и отходы) одновременно. При плавке бронзы происходит повышенный угар цинка. Это учтено в химическом составе чушковых бронз. Содержание цинка в них на 1 % больше, чем в одноименных стандартных литейных бронзах, поэтому дополнительная подшихтовка цинком при плавке не требуется. После полного расплавления расплав перегревают до 1100–1200 °С и вводят медно-фосфорную лигатуру

вколичестве 0,2–0,4 %. Это облегчает удаление твердых оксидов цинка, так как образуются жидкие продукты раскисления – фосфаты

3ZnО·P2O5. Фосфор оказывает благотворное влияние на жидкотекучесть бронз, но его избыток может привести к нежелательным последствиям при литье в сырые песчаные формы. При взаимодействии расплава с формой выделяется водород, который может вызвать пористость отливок. При литье толстостенных отливок (20–40 мм) содержание фосфора не должно превышать 0,01–0,02 %. Для тонкостенных отливок допускается 0,02–0,04 % фосфора.

Кроме покровов из древесного угля для оловянных бронз можно использовать и покровы из древесного угля с добавками буры (0,1–0,2 %) или других флюсов. Защитные свойства таких комбинированных покровов лучше, чем у древесного угля. Используют и жидкие покровные солевые флюсы № 1–4 (см. табл. 15). Флюсы загружают вместе с шихтой и при необходимости добавляют на зеркало расплава.

Как указывалось ранее, дегазацию расплава осуществляют путем продувки осушенным азотом. Время продувки составляет от 3 до 10 мин в зависимости от емкости печи. Расход азота составляет 0,6–0,8 л/(мин·кг). При плавке небольшого количества бронзы дегазацию удобнее проводить хлористыми солями. Чаще используют хлористый цинк, так как цинк входит в состав бронзы. Навеску соли

вколичестве 0,1–0,5 % от массы металла вводят в расплав при помощи колокольчика или утяжеленных таблеток.

128

Преимуществом индукционных печей является и то обстоятельство, что благодаря интенсивному перемешиванию расплава предотвращается гравитационная ликвация свинца, который входит в состав большинства оловянных бронз.

Следует учитывать, что наиболее вредной примесью для оловянных бронз является алюминий. Если в цехе ограниченное количество плавильных печей и приходится выплавлять оловянную бронзу в том тигле, в котором ранее выплавляли алюминиевую бронзу или латунь, то необходимо провести промывочную плавку чистой меди. Расплав разливают в изложницы, маркируют и используют в качестве шихты для плавки медных сплавов, содержащих алюминий. Так же поступают и при необходимости плавить алюминиевую бронзу после оловянной.

6.2.3. Плавка безоловянных бронз

Наибольшее распространение в промышленности получили алюминиевые бронзы, поэтому основное внимание будет уделено плавке этих сплавов.

Плавку алюминиевых бронз можно вести в различных плавильных агрегатах: нефтяных или газовых тигельных и отражательных печах, электрических дуговых или индукционных печах. Отражательные и электрические дуговые печи применяют при больших объемах производства отливок, тигельные печи целесообразно использовать в небольших литейных цехах и участках.

Для тигельных печей обычно выбирают стандартные графитошамотные тигли.

Если до приготовления алюминиевых бронз в печи выплавляли другие сплавы, содержавшие олово, свинец, кремний или цинк, то необходимо провести промывочную плавку меди.

В качестве шихты используют чистые металлы, чушковые бронзы, лигатуры и отходы литейного производства. Стружка и мелкие отходы могут быть использованы только после предварительного переплава. Количество оборотных отходов и чушек переплава стружки известного состава может достигать 75 %. Если при многократных

129

переплавах содержание примесей и газов достигает верхнего предела, то производят освежениешихты чистыми металлами.

Из чистых металлов используют катодную медь марок от М00 до М2, алюминий первичный А7, А6 или А5, никель марок Н-2, Н-3, Н-4 и марганец марок Мр1, Мр2, Мр3. Железо вводят в виде обрезков мягкой стали (листы, проволока, дробленая стружка). Но все компоненты бронзы рекомендуется вводить в виде двойных или даже тройных лигатур.

Основные трудности при плавке алюминиевых бронз связаны с повышенной склонностью к насыщению водородом и образованию твердых оксидных плен, загрязняющих расплав.

Перед началом плавки печь или тигель тщательно очищают от остатков металла и шлака и нагревают до температуры 600–700 °С (до вишнево-красного каления).

В чистый тигель или на под печи загружают медь и железо (если оно входит в состав бронзы). Часть меди рекомендуют оставить до конца плавки. Возвраты и чушки загружают вместе с медью. Медь плавят под покровом из древесного угля. Хорошо просушенный древесный уголь засыпают на твердую шихту и добавляют в ходе плавки, если открывается зеркало металла. Вместо древесного угля можно использовать флюсы, например флюс, содержащий 90 % битого стекла и 10 % плавикового шпата. В расплавленную и подогретую до 1200 °С медь для раскисления вводят фосфористую медь в количестве 0,3–0,4 % от массы.

Чистые металлы (кроме алюминия) вводят перед лигатурами: сначала железо, потом марганец и никель.

Все лигатуры подогревают и загружают в той же последовательности, что и чистые металлы.

При плавке алюминиевых бронз недопустимы высокие перегревы, способствующие образованию оксидов. Введение чистого алюминия в медь сопровождается существенным повышением температуры расплава из-за высокой теплоты растворения. В связи с этим алюминий вводят в несколько приемов, перемешивая сплав после каждой порции. Для снижения перегрева в расплав вводят остатки меди.

130