Сборник технических статей

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Плавка меди

Печать

Медь и медные сплавы можно приготовить во всех печах, обеспечивающих получение температур 1000—1300°С. Однако предпочтительнее использовать агрегаты, в которых перегрев до этих температур осуществляется в более короткое время. В этом отношении применяемые в современной практике печи для плавки меди и медных сплавов можно расположить в следующей последовательности: электрические индукционные (высокочастотные, низкочастотные и на промышленной частоте) печи, электродуговые с косвенной дугой (ДМ), тигельные и отражательные (пламенные) печи, отапливаемые мазутом или газом. Выбор печи обусловлен типом сплава, потребностью в металле, требованиями, предъявляемыми к отливкам, территориальными условиями производства, экономическими соображениями и др. В меднолитейных цехах поэтому можно встретить и допотопные горны, отапливаемые коксом, и современные электрические печи. Наилучшее качество металла получается при плавке в индукционных печах, но при правильном ведении плавки хороших результатов можно добиться, используя любой из перечисленных печной агрегат.

Плавка меди, бронз и латуней в различных печах в основном похожа, но имеются специфические особенности в зависимости от конструкции печей, времени плавки, возможности применения флюсов, разнообразия шихты и др. Общим является требование, чтобы время плавки металла было минимальным, металл был чистым от окислов, газов и вредных примесей, безвозвратные потери металла были небольшими; технология была проста и надежна, а затраты на материалы и обслуживание были минимальными.

Чистая медь применяется в технике в основном в виде проката (проволока, листы, прутки и др.). Фасонные литые изделия из меди трудно получить из-за низких литейных свойств ее. Слитки под прокатку получают отливкой в водоохлаждаемые изложницы или непрерывным методом.

Плавку меди, если необходимо сразу большое количество металла, производят в пламенных отражательных печах емкостью до 50 т и выше. При небольшом производстве медь можно плавить в электрических, а также в тигельных печах. Особо чистую бескислородную медь плавят в вакуумных индукционных печах или в печах с контролируемой атмосферой, исключающей контакт с кислородом.

Плавка меди заключается либо в простом расплавлении и перегреве ее до нужных температур с последующим раскислением, либо одновременно в процессе плавки производят рафинирование (очистку) ее от примесей, если применяемая шихта содержит значительное количество примесей (5—10%).

Рафинировочная плавка проводится в отражательных пламенных печах, где можно легко изменять атмосферу. Процесс окислительно-рафинировочной плавки состоит последовательно из окисления примесей, удаления образовавшихся окислов примесей и восстановления растворенной закиси меди.

Окисление происходит с начала плавки и в течение всего периода расплавления шихты, для этого в печи поддерживают сильно окислительную атмосферу. Окисляются цинк, железо и Другие примеси. Естественно, одновременно окисляется также и медь. Для более полного удаления вредных примесей ванну расплавленной меди продувают сжатым воздухом или кислородом. Окисление примесей происходит в последовательности, соответствующей упругости диссоциации их окислов, как в результате прямой реакции между кислородом и примесью, так и благодаря взаимодействию закиси меди Cu2O с примесями, обладающими большим, чем у меди, химическим сродством к кислороду:

Cu2O + Me = MeО + 2Cu.

По закону действующих масс наибольшая часть примесей окисляется через посредство Cu2O, кроме того, Cu2O хорошо растворяется в меди и обеспечивает удобные условия окисления примесей по всему объему металла. Последовательность окисления примесей, присутствующих в меди, следующая: цинк, железо, сера, олово, свинец, мышьяк, сурьма и т. д. Если имеются примеси алюминия, магния, кремния, то они окисляются в первую очередь, как обладающие более высоким сродством к кислороду.

Образующиеся окислы, имеющие основной характер, всплывают и ошлаковываются кремнеземом шлака:

ZnO + SiO2 → (ZnO • SiO2),

FeO + SiO2 → (FeO • SiO2)

и т. д.

Вместе с примесями в шлак переходит также и Cu2O в количествах, определяемых химическим равновесием между металлом и шлаком:

[Cu2O] + (SiO2) → (Cu2O • SiO2).

Реакция эта нежелательна: она увеличивает потери меди. Поэтому шлак подбирают таким образом, чтобы в его состав входили окислы, у которых основность выше, чем у закиси меди, и они вытесняли бы Cu2O из шлака в металл по реакции

(Cu2O • SiO2) + (Me`O) → (Me`O • SiO2) + [Cu2O].

Такими окислами могут быть CaO, MnO, FeO и др. На практике для этой цели находит применение основной мартеновский шлак состава: 24—40% СаО, 10—15% FeO, 10—15% Аl2О3, 8—12% MnО и 25—30% SiO2. Шлак наводят на поверхность меди при плавке в количестве 1,5—2% от массы шихты. Для разжижения шлака в него дополнительно добавляют плавиковый шпат CaF2, криолит Na3AlF6, кальцинированную соду Na2CO3 и др.

Ошлакование примесей ускоряют перемешиванием металла со шлаком. Перемешивание металла облегчает также удаление из меди свинца, так как он вследствие большей плотности оседает на дне. Сера удаляется в окислительный период в виде газообразного продукта SO2 по реакции:

Cu2S + 2Cu2O ↔ 6Cu + SO2.

Во время удаления серы наблюдается «кипение» металла.

Полноту окисления расплава определяют путем взятия проб на излом. Плотный, неноздреватый грубокристаллический излом коричневого цвета свидетельствует об окончании окислительного периода плавки. С поверхности жидкого металла снимают шлак и приступают к восстановлению закиси меди, которой содержится в растворе после снятия шлака до 10%. Такая медь в твердом состоянии хрупкая и без раскисления непригодна для отливки слитков. Атмосферу печи делают восстановительной, т. е.

горение факела происходит с избытком топлива и недостатком воздуха (коптящее пламя). Восстановление меди из закиси усиливается операцией, которую принято называть «дразнением» металла. Дразнение производится погружением в расплав сырых осиновых или березовых бревен. При сгорании дерева выделяются водяные пары и продукты перегонки древесины (водород и углеводороды), вследствие чего металл бурно кипит, хорошо перемешивается и более активно взаимодействует с восстановительной атмосферой печи.

Поверхность ванны на этот период покрывают древесным углем для усиления восстановительной атмосферы. Закись меди, растворенная в металле, соприкасаясь с такой атмосферой, восстанавливается: Cu2O + CO = 2Cu + CO2.

Поскольку медь в этот момент содержит большое количество кислорода, погружение сырых бревен относительно неопасно в отношении возможности насыщения металла водородом, так как его растворимость в меди при значительном количестве кислорода очень мала.

Проба на излом хорошо раскисленной меди имеет плотный, мелкозернистый излом светло-розового цвета. Металл считается готовым к разливке, когда содержание закиси меди доводится примерно до 0,4%, дальнейшее уменьшение содержания Cu2O не считается желательным, так как с этого момента возрастает опасность насыщения меди водородом, который при последующей кристаллизации разлитой меди способен взаимодействовать с кислородом с образованием пузырьков паров воды, снижающих плотность и свойства меди.

Плавка меди из чистой шихты состоит из расплавления, перегрева, раскисления и разливки. Для этой цели в заготовительных цехах применяют электрические индукционные печи. Плавку ведут обычно под защитным покровом прокаленного древесного угля, который предохраняет металл от окисления. После расплавления шихты в ванну вводят раскислитель — фосфористую медь в количестве 0,1—0,3% от массы шихты. Затем расплав тщательно перемешивают, контролируют по излому, выдерживают в течение 3—5 мин, а затем по достижении температуры 1150—1200°С разливают.

Для удаления кислорода применяется также литий, который является хорошим раскислителем меди. Иногда применяют комплексный раскислитель из лития и фосфора (когда надо получить особо чистый металл), а также магний.

Однако почти все раскислители, оставаясь в меди, снижают ее важнейшее свойство — электропроводность, поэтому стремятся, чтобы их количество в меди было минимальным, а наиболее качественную бескислородную медь плавят в печах со специальной защитной атмосферой в виде генераторного газа или же в вакууме, при котором не требуется раскисления.

Бескислородная медь содержит не менее 99,97% Cu — она пластичнее меди обычного состава, более коррозионноустойчива и имеет высокую электропроводность.

Несмотря на плохие литейные свойства меди, в частности низкую жидкотекучесть, из нее можно получить довольно сложные пустотелые отливки литьем в песчаные или металлические формы. Медь в этом случае должна быть очень хорошо раскислена и очищена от водорода (продувкой азотом). Для улучшения ее литейных свойств вводят до 1,0% Sn + Zn + Pb. Чем при меньших количествах этих элементов возможно получение фасонной отливки, тем выше ее свойства (электропроводность и теплопроводность). Из такой меди отливают фурмы доменных печей, задвижки, кольца и другие детали.