Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов

Приведены результаты исследований рафинирующей окислительно-раскислительной плавки меди с использованием в качестве окислителя заданного количества оксида меди, а раскислителя – расчетное количество фосфористой меди. Установлено значительное снижение содержания водорода и фосфора в металле, что поло...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2011
Автори: Коледа, В.Н., Илюшенко, В.М., Биктагиров, Ф.К., Гнатушенко, А.В., Лукьяненко, Е.П.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2011
Назва видання:Современная электрометаллургия
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96185
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов / В.Н. Коледа, В.М. Илюшенко, Ф.К. Биктагиров, А.В. Гнатушенко, Е.П. Лукьяненко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 33-37. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-96185
record_format dspace
spelling irk-123456789-961852016-03-13T03:02:27Z Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов Коледа, В.Н. Илюшенко, В.М. Биктагиров, Ф.К. Гнатушенко, А.В. Лукьяненко, Е.П. Вакуумно-индукционная плавка Приведены результаты исследований рафинирующей окислительно-раскислительной плавки меди с использованием в качестве окислителя заданного количества оксида меди, а раскислителя – расчетное количество фосфористой меди. Установлено значительное снижение содержания водорода и фосфора в металле, что положительно сказывается на качестве получаемой меди и сплавов на ее основе, в том числе и на их свариваемости. Показано, что электрошлаковая плавка позволяет получать из мелкодисперсных отходов медьсодержащих сплавов качественный металл с низким содержанием газов и неметаллических включений. Results of investigations of refining oxidizing-deoxidizing melting of copper using a preset amount of copper oxide as a oxidizer, and a calculated amount of phosphorus copper as a deoxidizer are given. A significant reduction in hydrogen and phosphorus content in metal was found that shows a positive effect on quality of produced copper and alloys on its base, including also on their weldability. It is shown that the electroslag melting allows producing the quality metal with a low content of gases and nonmetallic inclusions from fine-dispersed wastes of copper-containing alloys. 2011 Article Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов / В.Н. Коледа, В.М. Илюшенко, Ф.К. Биктагиров, А.В. Гнатушенко, Е.П. Лукьяненко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 33-37. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96185 669.187.58 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Вакуумно-индукционная плавка
Вакуумно-индукционная плавка
spellingShingle Вакуумно-индукционная плавка
Вакуумно-индукционная плавка
Коледа, В.Н.
Илюшенко, В.М.
Биктагиров, Ф.К.
Гнатушенко, А.В.
Лукьяненко, Е.П.
Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов
Современная электрометаллургия
description Приведены результаты исследований рафинирующей окислительно-раскислительной плавки меди с использованием в качестве окислителя заданного количества оксида меди, а раскислителя – расчетное количество фосфористой меди. Установлено значительное снижение содержания водорода и фосфора в металле, что положительно сказывается на качестве получаемой меди и сплавов на ее основе, в том числе и на их свариваемости. Показано, что электрошлаковая плавка позволяет получать из мелкодисперсных отходов медьсодержащих сплавов качественный металл с низким содержанием газов и неметаллических включений.
format Article
author Коледа, В.Н.
Илюшенко, В.М.
Биктагиров, Ф.К.
Гнатушенко, А.В.
Лукьяненко, Е.П.
author_facet Коледа, В.Н.
Илюшенко, В.М.
Биктагиров, Ф.К.
Гнатушенко, А.В.
Лукьяненко, Е.П.
author_sort Коледа, В.Н.
title Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов
title_short Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов
title_full Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов
title_fullStr Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов
title_full_unstemmed Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов
title_sort рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate 2011
topic_facet Вакуумно-индукционная плавка
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96185
citation_txt Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов / В.Н. Коледа, В.М. Илюшенко, Ф.К. Биктагиров, А.В. Гнатушенко, Е.П. Лукьяненко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 1 (102). — С. 33-37. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv AT koledavn rafinirovaniemetallapriplavkemediieesplavovizothodov
AT ilûšenkovm rafinirovaniemetallapriplavkemediieesplavovizothodov
AT biktagirovfk rafinirovaniemetallapriplavkemediieesplavovizothodov
AT gnatušenkoav rafinirovaniemetallapriplavkemediieesplavovizothodov
AT lukʹânenkoep rafinirovaniemetallapriplavkemediieesplavovizothodov
first_indexed 2025-07-07T03:23:40Z
last_indexed 2025-07-07T03:23:40Z
_version_ 1836956904959508480
fulltext УДК 669.187.58 РАФИНИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ ПЛАВКЕ МЕДИ И ЕЕ СПЛАВОВ ИЗ ОТХОДОВ В. Н. Коледа, В. М. Илюшенко, Ф. К. Биктагиров, А. В. Гнатушенко, Е. П. Лукьянченко Приведены результаты исследований рафинирующей окислительно-раскислительной плавки меди с использованием в качестве окислителя заданного количества оксида меди, а раскислителя – расчетное количество фосфористой меди. Установлено значительное снижение содержания водорода и фосфора в металле, что положительно сказы- вается на качестве получаемой меди и сплавов на ее основе, в том числе и на их свариваемости. Показано, что электрошлаковая плавка позволяет получать из мелкодисперсных отходов медьсодержащих сплавов качественный металл с низким содержанием газов и неметаллических включений. Results of investigations of refining oxidizing-deoxidizing melting of copper using a preset amount of copper oxide as a oxidizer, and a calculated amount of phosphorus copper as a deoxidizer are given. A significant reduction in hydrogen and phosphorus content in metal was found that shows a positive effect on quality of produced copper and alloys on its base, including also on their weldability. It is shown that the electroslag melting allows producing the quality metal with a low content of gases and nonmetallic inclusions from fine-dispersed wastes of copper-containing alloys. Ключ е вы е с л о в а : медь; сплавы; плавка; рафинирова- ние; кислород; водород; качество металла; свариваемость При плавке меди и ее сплавов большое внимание уделяется проблеме получения качественных отли- вок, особенно при переработке шихты, содержащей отходы этих металлов. Одним из основных факто- ров, отрицательно влияющих на качество выплав- ляемых заготовок, является загазованность метал- ла. Повышенное содержание кислорода и водорода в меди сказывается не только на плотности отливок, но и на механических свойствах металла и его сва- риваемости. Особую опасность с точки зрения порообразо- вания представляет водород, что объясняется его меньшей в несколько раз растворимостью в жидкой меди, по сравнению с твердой [1—4]. Поэтому в слу- чае содержания водорода в меди более чем 2 ррm при кристаллизации металла происходит выделение его в виде газа, что может способствовать образованию пор. Одним из путей повышения качества литой меди в результате удаления из нее примесей других металлов, имеющих большее сродство к кислороду, является рафинирование расплава способом окислительной плавки с последующим раскислением металла [5]. На первой стадии такой обработки из металла должен удаляться и водород, поскольку равновес- ное содержание этого элемента в меди уменьшается при увеличении концентрации кислорода [1]. Представляет интерес изучение влияния на га- зонасыщенность жидкого металла и получаемых от- ливок окислительной рафинирующей плавки, пре- дусматривающей выполнение следующих операций: окисление примесей; удаление оксидов из металла; раскисление основного металла. Процесс окисления может производиться кисло- родом либо газообразным (из атмосферы или спе- циально приготовленным), либо входящим в состав оксидов основного металла. В первом случае сложно проконтролировать сте- пень окисленности металла и остаточное содержа- ние кислорода в меди. А это, в свою очередь, не позволяет точно определить нужное количество рас- кисляющего материала, требуемого для удаления кислорода из металла. В итоге в получаемой заго- товке может быть избыточное содержание кислоро- да или элемента-раскислителя. При производстве конечного продукта, идущего на изготовление тех или иных изделий, с целью снижения содержания водорода и вредных приме- сей в медных заготовках предложено производить окисление жидкого металла путем введения задан- © В. Н. КОЛЕДА, В. М. ИЛЮШЕНКО, Ф. К. БИКТАГИРОВ, А. В. ГНАТУШЕНКО, Е. П. ЛУКЬЯНЧЕНКО, 2011 33 ного количества оксида меди. Это дает возможность впоследствии при раскислении жидкого металла ис- пользовать расчетное количество раскислителя. Для определения влияния способа плавки на со- держание водорода, кислорода и примесей в жид- ком металле и отливках проведены сравнительные эксперименты по обычной и окислительно-раскис- лительной технологиям. Плавки осуществляли в индукционной печи с графитовым тиглем. В качестве шихты использова- ли чушки меди, выплавленные в заводских услови- ях путем индукционного переплава медной струж- ки, полученной после механической обработки ли- тых фурм. Газовый и химический анализ шихтового материала показал, что в нем содержится водорода 15, кислорода 70, фосфора 550 ррm. Медь (10 кг) загружали в графитовый тигель вместе с 0,5 кг плавленой буры, служащей покров- ным шлаком. После получения жидкого расплава на каждой стадии фиксированной выдержки, обра- ботки жидкого металла окислителем или раскисли- телем отбирали металлургические пробы, из кото- рых в дальнейшем изготовляли образцы для газо- вого и химического анализов. При плавке по обычной технологии после рас- плавления медь выдерживали в жидком состоянии 10 мин, затем раскисляли фосфористой медью МФ10. На плавку добавляли 0,03 кг фосфористой меди, что составляло 0,03 мас. % фосфора. После введения фосфористой меди расплав выдерживали в течение 5 мин и сливали в плоские графитовые формы для получения отливок толщиной около 20 мм. Результаты газовых и химических анализов шихтовых материалов, отобранных проб и получен- ных отливок представлены на рис. 1. Как видно, массовая доля кислорода в жидком металле, по сравнению с его содержанием в шихте, увеличи- лась, что можно объяснить растворением в расплаве оксидов, находящихся на поверхности шихтовых материалов. Это несколько снизило содержание во- дорода в расплавленной меди вследствие его окис- ления и привело к частичному выгоранию фосфора. После выдержки металла в жидком состоянии в те- чение 15 мин содержание в нем водорода и фосфора Рис. 1. Содержание кислорода (а), водорода (б) и фосфора (в) в шихте 1, жидком металле после расплавления 2, выдержки 3, раскисления 4 и в отливке 5; плавка по обычной технологии Рис. 2. Содержание кислорода (а), водорода (б) и фосфора (в) в шихте 1; жидком металле после расплавления 2; выдержки 3; окисления 4; выдержки 5; раскисления 6; в отливке 7; окисли- тельно-раскислительная плавка 34 практически не изменилось, а кислорода – снизи- лось от 120 до 100 ррm, что объясняется взаимодей- ствием последнего с углеродом графитового тигля. Раскисление жидкого металла фосфористой медью способствовало резкому уменьшению содер- жания кислорода в жидком металле, увеличению количества фосфора в нем и незначительному уменьшению массовой доли водорода вследствие де- газации жидкого металла при испарении оксидов фосфора. В полученных отливках содержание водорода и фосфора осталось таким же, как и в жидком металле перед разливкой, а кислорода – несколько увели- чилось, что можно объяснить незначительным окис- лением расплава во время разливки. При плавке по окислительно-востановительной технологии после расплавления меди и выдержки ее в жидком состоянии в течение 15 мин на поверх- -ность шлака засыпали 0,05 кг оксида меди в виде порошка, выдерживали расплав 20 мин, после чего его раскисляли 0,03 кг фосфористой меди и через 5 мин выливали в форму. Как видно из данных, представленных на рис. 2, до введения оксида меди получены практически те же показатели, что и при плавке по обычной тех- нологии. После введения в расплав оксида меди отмечено увеличение содержания кислорода и рез- кое снижение водорода и фосфора в жидком металле. Такое значительное снижение массовой доли во- дорода можно объяснить его окислением при взаи- модействии с кислородом и дополнительной дега- зацией жидкого металла при испарении оксидов фосфора. Последующая выдержка металла в жидком виде вызвала некоторое уменьшение содержания в нем кислорода. Количество водорода и фосфора при этом практически не изменилось. Раскисление фос- фористой медью сократило содержание кислорода ниже такового в шихтовых материалах, а фосфора повысило до 0,03 %, что почти в два раза меньше, по сравнению с исходной шихтой. Незначительное окисление жидкого металла при разливке вызвало увеличение массовой доли кислорода в отливке до 50 ppm, что на уровне исходной шихты. Анализ полученных результатов показал, что при выплавке меди по стандартной технологии на- личие кислорода и водорода в отливке незначитель- но уменьшилось, по сравнению с шихтовыми матери- алами, но при этом возросла концентрация фосфора. Плавка меди с окислением жидкого металла ок- сидом меди и последующим его раскислением поз- волила снизить содержание фосфора в отливках и резко уменьшить массовую долю водорода в них. При этом количество кислорода в отливках осталось на уровне шихтовых материалов. Из полученных отливок изготовили плоские об- разцы для выполнения экспериментов по сварке ме- ди с медью и меди со сталью. Показано, что сварные соединения металла, полученного при окислитель- но-восстановительной плавке, отличаются значи- тельно меньшей склонностью к образованию пор и трещин вследствие более низкого содержания в них водорода и фосфора. В дальнейшем изучали влияние количества вво- димых оксида меди и фосфористой меди, а также время выдержки между окислением жидкого метал- ла и его раскислением на содержание кислорода, водорода и фосфора в медных отливках. Массовую долю вводимого в жидкий металл ок- сида меди изменяли от 0,5 до 1,0 %, фосфористой меди – от 0,1 до 0,5 % и время выдержки расплава между окислением и раскислением – от 10 до 30 мин. На основании полученных результатов опреде- лены оптимальные технологические параметры и разработан способ рафинирования жидкой меди, выплавки заготовок из меди и ее сплавов в индук- ционной печи с графитовым тиглем. С целью снижения содержания водорода и кис- лорода в металле после расплавления медной сос- тавляющей шихты в расплав в зависимости от за- газованности исходного металла вводили до 1,0 % оксида меди, выдерживали расплав в течение 20…25 мин, наводили шлаковую ванну из расплав- ленной буры и затем раскисляли расплав рассчи- танным (в зависимости от концентрации введенного оксида меди) количеством фосфористой меди, при необходимости легировали медь компонентами для получения того или иного сплава. Для испытания способа в заводских условиях проводили плавки в открытой индукционной печи ИАТ-04С2 с графитовым тиглем вместимостью до 700 кг металлического расплава. Выплавляли медь и бронзу БрАЖ9-4. В качестве шихтовых матери- алов использовали катодную медь и медную струж- ку, получаемую при механической обработке заго- товок фурм. Для выплавки бронзы, кроме того, в расплав меди добавляли чушковый алюминий и же- лезо в виде прутков. Медную шихту массой 600 кг расплавляли в тиг- ле и нагревали до 1150…1200 °С. В расплав добав- ляли оксид меди, выдерживали его заданное время и наводили шлаковую ванну из буры. Затем расплав раскисляли при помощи выдержки под слоем шлака (раскисление углеродом тигля) и перед разливкой дополнительно раскисляли путем введения фосфо- ристой меди МФ10, на 20…30 % меньше требуемого количества фосфора для нейтрализации введенного в металл кислорода. При выплавке бронзы осталь- ные составляющие металлической шихты вводили в медь после ее раскисления через слой шлака. Выплавленную медь использовали для отливки наконечников фурм доменного и сталеплавильного производства с толщиной стенки 8…50 мм и массой 5…125 кг. Из каждой плавки отбирали одну отлив- ку, разрезали и исследовали на пористость, содер- жание водорода, кислорода и примесей. Исследования показали, что при соблюдении разработанных технологических параметров плав- ки получены высококачественные плотные отливки 35 с масовой долей водорода в них от 1 до 1,5 ррm кислорода от 15 до 20 ррm, а суммарное содержание примесей не превышало 500 ррm. Для изготовления металлургических фурм мед- ные заготовки после соответствующей механичес- кой обработки сваривали с кольцами из стали марки Ст3 (рис. 3). Изучение сварочных соединений меди со сталью показало, что в основном металле и швах поры и трещины отсутствуют. Из бронзы БрАЖ9-4 отлиты подшипниковые втулки, в которых также не обнаружены поры и трещины. Содержание водорода в них составляло менее 1, кислорода – 8, примесей – 700 ррm. На основании полученных результатов рассмот- ренный способ рафинирования меди рекомендовали для дальнейшего применения в промышленных ус- ловиях. Способ сравнительно прост и недорог, од- нако у него есть и ограничения: нельзя использовать при переплаве отходов медных сплавов, поскольку в этом случае будет происходить угар легирующих медь компонентов, таких как алюминий, кремний, марганец, цинк и др. В то же время большое количество вторичного цветного сырья представляет собой именно отходы медных сплавов (бронзы и латуни), зачастую мел- кие, некомпактные, в виде стружки, имеющей по- вышенную влажность и загрязненность. Обычно стружку перерабатывают в результате двойного пе- реплава в индукционных печах, так как металл пос- ле первой плавки чаще всего получается пористым и содержит повышенное содержание неметалличес- ких включений. Одним из способов повышения качества метал- лопродукции, получаемой из отходов медных спла- вов, является их рафинирование шлаками, которые ассимилируют неметаллические включения и раст- воряют содержащиеся в металле газы [6, 7]. Рис. 3. Металлургическая фурма: а – литая заготовка; б – после механической обработки и сварки Рис. 4. Содержание следующих газов при плавке бронзы БрКН1-3 из отходов: а – кислорода; б – водорода; 1 – жидкий металл; 2 – отливка 36 Рафинирование цветных сплавов шлаками мож- но совместить с плавкой, где шлак будет служить не только рафинирующей средой, но источником нагрева металла [8]. Это происходит при электрош- лаковой плавке с нерасходуемыми электродами, когда некомпактная сыпучая металлическая шихта, в частности стружка, постепенно подается в шлако- вую ванну, нагреваемую за счет выделения джоу- левого тепла при прохождении через шлаковый рас- плав электрического тока. Достоинством указанной плавки является то, что при попадании на зеркало шлакового расплава металл с более высокой плотностью плавится в тол- ще шлака. При этом шлаковый расплав не только защищает металлическую ванну от окружающей ат- мосферы, но и растворяет в себе водород и кисло- род, содержащиеся в исходном металле. Кроме то- го, по ходу плавки можно осуществлять раскисле- ние шлака и диффузионное раскисление металла, а также вводить в шлак компоненты, способствую- щие удалению из него водорода. Еще одним достоинством данной плавки явля- ется то, что металл одновременно подвергается очистке от нежелательных примесей и неметалли- ческой составляющей. При этом можно в широких пределах варьировать состав шлака и температур- ные условия плавки, выбирая оптимальные техно- логические параметры в зависимости от состава и вида перерабатываемого материала. На рис. 4 приведены результаты газового ана- лиза переплава стружки и мелких отходов бронзы КН3-1 в индукционной и электрошлаковой печах. В обоих случаях плавки проводили в графитовом тигле. При индукционной плавке зеркало металла защищали плавленой бурой, а при электрошлако- вой использовали шлак типа АНФ-28М, обычно применяемый при такой же плавке меди. Как видно, содержание водорода и кислорода как в металлической ванне, так и в полученных отливках при электрошлаковой плавке ниже, чем в металле двойного индукционного переплава. Уменьшается при такой плавке и содержание неме- таллических включений в металле, которые асси- милируются шлаком. Из заготовок бронзы элект- рошлакового переплава изготовлены различные из- делия ответственного назначения, которые прошли испытания и показали, что металл полностью соот- ветствует требованиям технических условий на дан- ный материал. Выводы 1. Установлено снижение газонасыщенности и со- держания фосфора в меди при применении окис- лительно-восстановительной плавки, по сравнению с обычной индукционной. 2. Определено влияние количества вводимых в расплав оксида меди и фосфористой меди, а также времени выдержки между окислением жидкого ме- талла и его раскислением на содержание кислорода, водорода и фосфора в медных отливках. 3. Разработан новый способ рафинирования жидкой меди и выплавки заготовок из меди и ее сплавов в индукционной печи с графитовым тиглем, в который после расплавления медной составляю- щей шихты в расплав вводят до 1 % оксида меди, выдерживают расплав в течение 20…25 мин, наво- дят шлаковую ванну из расплавленной буры, затем производят раскисление расплава расчетным коли- чеством раскислителя. 4. Испытания в промышленных условиях пока- зали, что при соблюдении разработанных техноло- гических параметров плавки получаются высокока- чественные плотные медные отливки с массовой до- лей в них водорода от 1 до 1,5 ррm, кислорода от 15 до 20 ррm (суммарное количество примесей не превышает 500 ррm), а также заготовки из бронзы БрАЖ9-4 с содержанием в них водорода менее 1, кислорода 8, примесей 700 ррm. 5. Показано, что электрошлаковая плавка поз- воляет получать из мелкодисперсных отходов медь- содержащих сплавов качественный металл с низким содержанием газов и неметаллических включений. 1. Галактионова Н. А. Водород в металлах. – М.: Метал- лургия, 1967. – 303 с. 2. Рабкин Д. Н., Рябов В. Г., Гуревич С. М. Сварка разно- родных металлов. – Киев: Техника, 1980. – 203 с. 3. Машиностроение. Энциклопедия / Под ред. Б. Е. Пато- на. – Т. III—4. – Сварка цветных металлов и сплавов. – М.: Машиностроение, 2006. – 767 с. 4. Илюшенко В. М., Босак Л. К. Влияние степени окислен- ности флюса на пористость швов при сварке меди // Ав- томат. сварка. – 1984. – № 4. – С. 67—68. 5. Юдкин В. С. Производство и литье сплавов цветных ме- таллов. – М.: Металлургия, 1967. – Т. 1. – 383 с. 6. Баранов А. А., Микуляк О. П., Резняков А. А. Техноло- гия вторичных цветных металлов и сплавов. – Киев: Вы- ща шк., 1988. – 162 с. 7. Производство отливок из сплавов цветных металлов. Учебник для вузов / А. В. Курдюмов, М. В. Пикунов, В. М. Чурсин, Е. Л. Бибиков. – М.: Металлургия, 1986. – 416 с. 8. Биктагиров Ф. К. Применение электрошлакового процес- са с нерасходуемыми электродами для плавки, рафиниро- вания и обработки металлов. Сообщение 2 // Современ. электрометаллургия. – 2003. – № 1. – С. 5—9. Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев Поступила 11.11.2010 37