Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Промышленные технологии непрерывного и полунепрерывного литья латунных заготовок 9
1.2 Проблемы получения литых заготовок с регламентируемым содержанием примесей 25
1.3 Состояние вопроса по рафинированию меди и латуни от примесей кремния и алюминия 30
1.4 Состояние вопроса по рафинированию меди и латуни от примеси свинца 32
1.5 Краткие выводы и задачи исследования 40
2 Методика исследования 42
2.1 Объект исследования 42
2.2 Выбор рафинирующих компонентов 43
2.3 Методика лабораторных экспериментов по окислительному рафинированию жидкой латуни 51
2.4 Методика лабораторных экспериментов по интерметаллидному рафинированию жидкой латуни 52
2.5. Методика проведения промышленных экспериментов 53
2.6. Методика анализа химического состава и структуры латуни 53
2.7. Методика оценки эффективности рафинирования латуни 54
2.8. Методика обработки экспериментальных данных 54
2.8.1. Методика статистической обработки экспериментальных данных 54
2.8.2. Методика нахождения эмпирических зависимостей. 57
Закономерности окислительного рафинирования расплава латуни от кремния
3.1. Термодинамика окислительного рафинирования латуни от кремния оксидом меди и оксидом цинка 59
3.2. Экспериментальная оценка влияния технологических факторов на эффективность рафинирования латуни от примеси кремния
3.2.1. Эффективность и кинетика окислительного рафинирования жидкой латуни от примеси кремния 71
3.2.2. Влияние состава и количества рафинирующей смеси 77
3.2.3. Влияние температуры на процесс окисления кремния
3.2.4. Оценка энергии активации процесса окисления кремния
3.2.5. Влияние внешнего воздействия на процесс рафинирования 84
Закономерности окислительного рафинирования жидкой латуни от примеси алюминия
4.1. Термодинамика окислительного рафинирования латуни от примеси алюминия 87
4.2. Эффективность и кинетика окислительного рафинирования жидкой латуни от примеси алюминия 92
Исследование интерметаллидного рафинирования латуни от примеси свинца
5.1. Предпосылки интерметаллидного рафинирования латуни от примеси свинца 96
5.2. Экспериментальное исследование эффективности интерметаллидного рафинирования латуни от примеси свинца 103
6. Опытно-промышленное опробование технологии рафинирования латуней от примесей алюминия, кремния и свинца
6.1. Рафинирование латуни от примеси кремния 111
6.2. Рафинирование латуни от примеси алюминия 113
6.3. Рафинирование латуни от примеси свинца и висмута 114
Выводы 116
Литература 118
- Состояние вопроса по рафинированию меди и латуни от примесей кремния и алюминия
- Методика лабораторных экспериментов по интерметаллидному рафинированию жидкой латуни
- Эффективность и кинетика окислительного рафинирования жидкой латуни от примеси кремния
- Эффективность и кинетика окислительного рафинирования жидкой латуни от примеси алюминия
Введение к работе
Актуальность. Цветные металлы, в частности медные сплавы, очень востребованы в промышленности. Объемы их производства непрерывно возрастают. Однако ресурсная база наращивания производства меди из руды ограничена. Дефицит шихтовых материалов обусловливает необходимость прямого вовлечения в технологический процесс плавки все большего количества вторичных материалов в виде лома и отходов производства.
Это предпочтительно и с экономической точки зрения, поскольку при изготовлении заготовок из медных сплавов основная доля затрат приходится на шихтовые материалы из-за их высокой стоимости. Поэтому снижение затрат на получение готовой продукции за счет использования дешевых компонентов наиболее эффективно. Но дешёвая шихта является, как правило, и низкокачественной ввиду повышенной загрязненности нежелательными элементами-примесями, такими как кремний, алюминий, железо, марганец, свинец, висмут и др. Несмотря на обязательную сортировку лома и отходов, опасность попадания с ними в шихту загрязненного примесями металла весьма велика, что обусловлено отсутствием до настоящего времени надежного метода сортировки лома по многочисленным маркам. Проблема эта усугубляется тем, что в одних марках латуней перечисленные выше элементы присутствуют как легирующие, а в других они являются примесями.
При этом наряду с проблемой дефицита запасов рудного сырья, в последнее время все более острой становится проблема утилизации отходов. Увеличение объемов производства приводит к скоплению огромного количества некондиционного лома и отходов, который необходимо утилизировать. Наиболее остро стоит проблема утилизации медных сплавов, в частности латуней, содержащих вредные с точки зрения экологии элементы. В Европе и США с целью повышения качества жизни человека и его безопасности вводят строгие ограничения по содержанию в сплавах вредных для здоровья и жизнедеятельности человека элементов, таких как свинец, висмут, кадмий и шестивалентный хром. Поэтому проблема сокращения
полезных ископаемых соседствует с проблемой скопления огромного количества отходов, имеющих техногенный характер и требующих утилизации.
В связи с этим актуальным становится исследование процесса и разработка методов рафинирующей обработки расплава, обеспечивающих эффективное удаление из жидкой латуни примесей на стадии приготовления сплава. Это позволит максимально использовать низкосортную шихту - лом и отходы и соответственно снизить производственные затраты при производстве качественных литых заготовок. Кроме того применение технологии рафинирующей обработки низкокачественных латунных отходов позволит решить, наряду с проблемой дефицита сырья, также и проблему утилизации техногенных отходов.
Цель работы. Исследование условий и закономерностей экстракции примесей кремния, алюминия и свинца из жидкой латуни и разработка технологии её рафинирующей обработки на стадии приготовления расплава для получения качественных литых заготовок.
Научная новизна. Показано, что эффективность экстракции примесей кремния и алюминия зависит от технологических факторов, при этом она возрастает при обработке расплава окислителем совместно с флюсом, при небольшом избыточном расходе оксидно-флюсовой смеси, по мере увеличения длительности и повышения температуры обработки, а также интенсивности перемешивания расплава.
Установлено, что скорости окисления кремния и алюминия возрастают с увеличением концентрации удаляемой примеси (Пр) по степенной зависимости и описываются уравнениями вида иПр =А -[Пр]", где показатели степени равны
п = 3 и п = 2 соответственно при окислении кремния и алюминия.
Определено значение энергии активации процесса окисления кремния в жидкой латуни (Е ~ 300 кДж/моль), которое свидетельствует о протекании процесса в переходном режиме, что подтверждается экспериментальными данными о существенном влиянии на кинетику окисления кремния таких
факторов как температура и интенсивность перемешивания.
Показано, что метод окислительного рафинирования не позволяет удалять свинец из жидкой латуни, но он может быть экстрагирован из латунного расплава путем связывания в интерметалл и дные соединения кальция иРЗМ.
Практическая значимость. Разработан комплекс технологий рафинирующей обработки жидкой латуни от примесей кремния, алюминия и свинца, применение которых позволяет в случае выявления после расплавления шихты повышенного содержания таких примесей в расплаве оперативно провести соответствующую рафинирующую обработку и обеспечить получение в литых заготовках содержание указанных примесей в регламентируемых пределах.
Разработана технология рафинирующей обработки жидкой латуни от примеси кремния, которая включает окислительную экстракцию его из расплава путем воздействия на него оксидно-флюсовой смесью (2пО+ЫаС1) или (Си20+МаС1) при температурах 1200-1220 С, обеспечивая при этом удаление до 67-93 % кремния.
Разработана технология рафинирующей обработки жидкой латуни от примеси алюминия, которая включает окислительную экстракцию его из расплава путем воздействия на него оксидно-флюсовой смесью (2п0+Ыа2В407) или (2пО+ЫаС1) при температурах 1200-1220 С, обеспечивая при этом удаление до 90-96 % алюминия.
Разработана технология интерметаллидного рафинирования жидкой латуни от примеси свинца, которая включает обработку расплава кальцием или РЗМ, формирование в нем интерметаллидных фаз и последующее их частичное отделение от расплава. Применение разработанной технологии позволяет снизить в латуни общее его содержание на 30-40 %, а оставшуюся часть свинца перевести из свободно-металлического в химически связанное нетоксичное состояние. Разработанная технология интерметаллидного рафинирования позволяет также практически полностью очистить латуни от примеси висмута.
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции "Прогрессивные литейные технологии", Москва, МИСиС, 2007 и 2009 г.г.; международной конференции «Литейное производство и металлургия. 2008», г. Гомель, Беларусь, 2008 г.; VI ежегодной конференции «Новые тенденции рационального использования вторичных ресурсов и экологии», Москва, МИСиС, 2008 г.; международной научно-практической конференции «Металлургия цветных металлов. Проблемы и перспективы», Москва, МИСиС, 2009 г.; IX съезде литейщиков России, г. Уфа, 2009 г.; научных семинарах кафедры технологии литейных процессов Московского института стали и сплавов (2007-2009 г.г.).
Состояние вопроса по рафинированию меди и латуни от примесей кремния и алюминия
На рисунке 9 представлена установка горизонтального непрерывного литья фирмы "\УепН". В тигельную печь, в которой находится жидкий расплав, вставляют графитовый кристаллизатор длиной 300 мм. Кристаллизатор окружен водоохлаждаемой медной рубашкой. В случае необходимости слиток при выходе охлаждают водой. Вытягивание слитков производят гидравлическими приводами и осуществляют периодически по режиму: длительность рабочего хода -3- -43 сек, длительность паузы — 2 30 секунд, длина заготовки выходящей за такт — до 100 мм [40-44].
Скорость и цикличность вытягивания отливки из графитового кристаллизатора регулируют в широких пределах за счет электронных устройств обеспечивающих до 1000 переключений в минуту. Длина шага изменяется от 0,1 до 80 мм, а междушаговый интервал - от 0,1 до 30 сек. В зависимости от размеров заготовки и параметров литья изменяется производительность установок. Так, производительность установки при литье прутков диаметром 50 мм из латуней составляет 0,15 т/час, из алюминиевой бронзы - 0,24 т/час, из чистой меди - 0,28 т/час, из сплава меди с 25% никеля и оловянной бронзы - 0,84 т/час [4, 14].
Важным достоинством машин "Wertli" является возможность быстрого монтажа: достаточно трех- четырех дней для монтирования установки и подготовки её к работе [40].
Однако, в последние годы продолжается патентование новых технологических решений по горизонтальному литью через графитовый кристаллизатор. Фирмой "Krupp" была разработана конструкция сборного кристаллизатора для одновременной отливки большего числа прутковых заготовок, в котором графитовые кристаллизаторы чередуются с охлаждающими устройствами [14,45,46].
Стойкость графитовых кристаллизаторов составляет 50 - 200 час. Горизонтальные установки позволяют легко (в течение нескольких часов) настроить выпуск слитков другого размера или сплава [21]. Преимуществами горизонтального литья слитков являются [3, 24]: - полное устранение вторичного окисления расплава при разливке, поскольку он поступает в кристаллизатор непосредственно из полости миксера; - получение слитков большой длины без необходимости создания приямков у литейных машин; - высокая производительность и незначительные капитальные затраты; - уменьшение численности обслуживающего персонала; - высокий выход годного - до 99 %. Особенно перспективен метод горизонтального непрерывного литья при производстве заготовок из бескислородной меди, в которых требуется содержание кислорода не более 0,0005 % (5 ррт). Отсутствие переливов жидкой меди из плавильной печи или миксера в кристаллизатор позволяет проводить в миксере (металлоприемнике) активную рафинирующую обработку расплава. При этом создаются наиболее благоприятные условия для реализации процесса углеродного раксисления жидкой меди и обеспечения получения заготовок из бескислородной меди наивысшего качества [47]. Производительность установок горизонтального литья с графитовым кристаллизатором составляет для медных сплавов 0,5 - 1 т/час на 1 нитку, поэтому их применяют в основном для литья малотоннажных сплавов. Основным недостатком горизонтального литья является невозможность получения слитков крупных сечений. Методы горизонтального и вертикального литья слитков хорошо дополняют друг друга. На установках горизонтального литья изготавливают круглые прутки диаметром от 10 до 400 мм, трубы с наружным диаметром 20 - 300 мм и толщиной стенки более 4 мм, стержни квадратного сечения со стороной квадрата 20 - 300 мм, полосы толщиной 5-38 мм и ширидой до 620 мм. Для получения заготовок больших сечений предпочтительнее применение вертикального литья [24]. Процесс непрерывного и полунепрерывного литья в значительной мере вытеснил литье в изложницы при литье медных сплавов [11]. Современные установки непрерывного и полунепрерывного литья заготовок обеспечивают комплексное повышение выхода годного изделий и производительности, что приводит к существенному повышению технико-экономических показателей производства. Развитие современной экономики базируется на материалах и технологиях, обеспечивающих производство продукции с высокими функциональными и потребительскими свойствами, но при этом не наносящих большого ущерба окружающей среде. В связи с этим разрабатываются новые инновационные технологии, направленные как на создание новых материалов и совершенствование уже существующих технологий, так и сохранение природных ресурсов и улучшение качества жизни населения. Данная ситуация безусловно затрагивает металлургическую отрасль, в частности, медную промышленность. С развитием технологий неуклонно растет потребление меди, непрерывно увеличиваются объемы производства медных сплавов, прежде всего латуней. Кроме того, охватывается всё больший круг потребителей латунных заготовок. В последние годы в большей степени проявляется тенденция увеличения доли потребления медных сплавов, а именно латуни не только в промышленно развитых странах, но и в развивающихся. В связи с этим происходит истощение месторождений, сокращение запасов рудного сырья меди, т.е. возникает дефицит исходных материалов, что, в конечном счете, повышает цены на товарную продукцию. Сложившаяся проблема инициирует использование в качестве исходных материалов вторичного сырья и отходов производства медной промышленности и совершенствование технологий переработки медных сплавов с целью получения качественной шихты. При этом затраты на получение товарной продукции из вторичного сырья значительно ниже, чем из рудного. К сожалению, в ломе и отходах медной промышленности, в частности в латуни содержится значительное количество различных примесей, таких как А1, Б!, РЬ, ЭЬ, В1, Аб, Ре, N1, 8п, Э и другие. Это связано в первую очередь с тем, что латуни, чаще всего многокомпонентный сплав, в который специально вводят различные элементы для придания определенных свойств. Таким образом, в ломе и отходах производства, несмотря на сортировку сплавов, имеет место смешивание различных марок. Поэтому элементы, являющиеся в одном сплаве необходимыми, в соответствии с требованиями по химическому составу сплава для придания заданных свойств, и потому специально вводимые в расплав, в другом сплаве являются вредными или нежелательными примесями, содержание которых недопустимо или строго ограничено. В таблице 2 указан состав многокомпонентных латуней по ГОСТ 155272004 [48]. Как видно из таблицы, к каждой марке латуни предъявляются свои требования по химическому составу и наличие примесей строго лимитировано, поэтому использование вторичных материалов и отходов в качестве шихтовых материалов строго ограничено. Так, в промышленных марках латуни содержания кремния и алюминия не должно превышать 0,03 % и 0,0003%. Поэтому медный лом в виде снарядных гильз может использоваться в шихте в количестве не более 6 %. При возможности удаления кремния и алюминия при плавке кремний-содержащего лома в несколько раз долю такого лома в шихте можно увеличить.
Методика лабораторных экспериментов по интерметаллидному рафинированию жидкой латуни
Испытания метода интерметаллидного рафинирования проводили в условиях плавки латуни ЛС58-3 в индукционной печи вместимость 3 т. При этом в качестве интерметаллидообразователя использовали мишметалл в виде лигатуры с медью. Полученные результаты показывают, что в промышленных условиях степень экстракции свинца составляет всего 15 %, что в 2-2,7 раз ниже, чем в лабораторных плавках (таблица 33). Видимо, такой низкий результат обусловлен более высоким вторичным окислением расплава при разливке и протеканием реакции интерметаллидообразования в обратном направлении вследствие выгорания РЗМ.
Таким образом, результаты опытно-промышленного опробования подтвердили данные лабораторных испытаний технологий окислительного и интерметаллидного рафинирования латуни. Разработанные технологии окислительного рафинирования применяются на одном из медеплавильных заводов как метод экстренного исправления плавки: обработка расплава латуни оксидно-флюсовой смесью используется по факту выявления при анализе состава металла плавки после расплавления шихты избыточного содержания в расплаве примесей кремния и алюминия. выводы 1. Термодинамические расчеты и экспериментальные исследования подтвердили возможность эффективной экстракции из жидкой латуни примесных элементов, имеющих большее сродство к кислороду, чем цинк, методом окислительного рафинирования. В частности, эффективность экстракции кремния и алюминия из жидкой латуни составила соответственно 67-93 и 91-96 % в зависимости от условий проведения экспериментов. 2. Показано, что эффективность экстракции примесей зависит от технологических факторов, при этом она возрастает при обработке расплава окислителем совместно с флюсом, при небольшом избыточном расходе оксидно-флюсовой смеси, по мере увеличения длительности и повышения температуры обработки, а также интенсивности перемешивания расплава. 3. Показано, что скорости окисления кремния и алюминия возрастают с увеличением концентрации удаляемой примеси (Пр) по степенной зависимости и описываются уравнениями вида ь Пр = к [Пр]" где показатели степени равны « = 3и« = 2 соответственно при окислении кремния и алюминия. 4. Рассчитана по экспериментальным данным энергия активации процесса окисления кремния в жидкой латуни. Получено значение Е 300 кДж/моль, которое свидетельствует о том, что этот процесс протекает в переходном режиме, то есть лимитируется как химико-адсорбционной, так и диффузионной стадиями. Этот вывод подтверждается экспериментальными данными о существенном влиянии на кинетику окисления кремния таких факторов как температура и интенсивность перемешивания. 5. Представлено обоснование предпосылок для интерметаллидного рафинирования жидкой латуни от примеси свинца путем её обработки РЗМ и кальцием, экспериментально подтверждено формирование в жидкой латуни свинец-содержащих интерметаллидных фаз и доказана возможность экстракции свинца в количестве 13-41 % в зависимости от условий обработки расплава. Показано, что, невысокая эффективность экстракции свинца при интерметаллидном рафинировании жидкой латуни обусловлена неполнотой удаления из расплава интерметаллидных частиц, но при этом обработка расплава РЗМ и кальцием позволяет нейтрализовать большую часть свинца путем перевода его из свободно-металлического (техногенного) состояния в химически связанное, экологически безопасное состояние. 6. Разработаны технологии окислительного рафинирования латуни от примесей кремния и алюминия, которые предусматривают обработку расплава при температурах 1200-1220 С оксидно-флюсовыми смесями (2пО+ЫаС1), (Си20+ЫаС1) или п0+№2В407) и обеспечивают при этом удаление до 67 - 93 % кремния и до 90 - 96 % алюминия. Оперативное определение требуемого количества оксидно-флюсовой смеси в зависимости от содержания кремния и алюминия в расплаве латуни осуществляется при помощи соответствующих номограмм. 7. Разработана технология интерметаллидного рафинирования жидкой латуни от примеси свинца и висмута, которая включает обработку расплава кальцием или РЗМ, формирование в нем интерметаллидных фаз и последующее их отделение от расплава. Применение разработанной технологии обеспечивает практически полную очистку латуни от примеси висмута и снижение содержания свинца на 30-40 %. 8. Разработанные технологии окислительного и интерметаллидного рафинирования представляют собой составные части комплекса технологий обработки жидкой латуни, применение которых позволяет в случае выявления после расплавления шихты повышенного содержания в расплаве примесей кремния, алюминия, свинца и висмута оперативно провести соответствующую рафинирующую обработку и получить в литых заготовках содержание указанных примесей в регламентируемых пределах и обеспечить, таким образом, максимальное использование низкосортной шихты без ущерба для качества литых заготовок.
Эффективность и кинетика окислительного рафинирования жидкой латуни от примеси кремния
Для одновременного литья прутков небольшого диаметра обычно используют один кристаллизатор с четырьмя отверстиями диаметром 25 мм. Для многониточного литья заготовок большого диаметра, вероятно, потребуется несколько графитовых кристаллизаторов в одном разливочном ковше. Для литья заготовки должны быть применены индивидуальные вытягивающие ролики, но с общим приводом. Промышленные установки "Винжет" оборудованы автоматическими летучими пилами и сверточными машинами [4, 5].
Одним из направлений в совершенствовании конструкций кристаллизаторов является разработка кристаллизаторов с регулируемыми размерами поперечного сечения, что позволяет менять сортамент отливаемых слитков без замены кристаллизаторов и даже в процессе литья без остановки процесса. В конструкции фирмы Concast Standart A.G. (Швейцария) регулирование рабочего сечения кристаллизатора производят за счет смещения как минимум двух перпендикулярных стенок. При этом смещение одной из них происходит по оси, расположенной под острым углом к её поверхности [14].
В ряде патентов последних лет таких фирм как "Korf-Stahl Л.G." (Германия) [25], "Kabushiki Kaisha" [26] и "Kawasaki Steel Corp." (Япония) [27] продолжают работу над разработкой способов перемешивания расплава в лунке слитков с помощью электромагнитных устройств или вращения расплава с помощью сжатого газа.
Финская фирма «Outocumpu» в 70-е гг. разработала способ непрерывного литья вертикально вверх, по которому в отличие от всех описанных выше способов вертикального литья водоохлаждаемый графитовый кристаллизатор размещают на поверхности расплава (рисунок 6). На таких установках возможно литье прутков в 36 ниток, а полых заготовок - в 10 ниток [4, 20, 28 - 32].
Отличительными особенностями установок для непрерывного литья вертикально вверх являются их универсальность, т.е. возможность получения на одной установке заготовок различного сечения без существенных затрат времени и средств на переналадку процесса, возможность замены или ремонта оснастки одного ручья без нарушения работы остальных ручьев, небольшие размеры, простота изготовления и низкая стоимость установки и графитовых кристаллизаторов, безопасность и удобство в эксплуатации [4, 5, 33, 2-30, 34, 35]. В первых патентах было дано описание литья прутковых, трубных и профильных заготовок из различных металлов и сплавов, в т.ч. медных, через графитовые кристаллизаторы. Были разработаны 2 принципиальные разновидности способа: 1) жидкий металл всасывается в кристаллизатор, и затвердевание заготовки происходит выше уровня расплава в печи; 2) кристаллизатор с холодильником погружены ниже уровня расплава печи, и затвердевание происходит в погруженной зоне кристаллизатора под небольшим металлостатическим давлением [14].
Дальнейшее развитие данный метод получил в патентах фирмы "Kennecott Corp." (США). Были предложены два режима вытягивания: периодический и непрерывный, - а также оборудование для их осуществления. Разработанные режимы литья позволили фирме осуществить совмещение процесса непрерывного литья вертикально вверх с горячей прокаткой. При этом было предусмотрено многоручьевое литье прутковых заготовок и последующая прокатка с большими обжатиями в двухвалковых станах на ленточную заготовку [14, 16]. Также метод непрерывного вертикального литья вверх был осуществлен на установках фирмы Rautomead, UPCAST [36].
Широкое распространение в настоящее время для литья заготовок из латуни и других медных сплавов получили установки горизонтального непрерывного литья (УГНЛ) [4, 37-39]. В них в качестве плавильных агрегатов также используются как канальные, так и тигельные индукционные печи. На рисунке 7 показан вариант плавильно-литейного комплекса горизонтального непрерывного литья заготовок с тигельной плавильной печью.
Обычно установка для горизонтального литья состоит из плавильной печи 1, печи-миксера 2, в боковую стенку которого встроен кристаллизатор 3, вытягивающего устройства 4 и летучей пилы, разрезающей отливки на требуемые отрезки. Наиболее важными узлами в этих установках являются кристаллизатор и вытягивающее устройство с сервоприводом. При литье крупных заготовок за кристаллизатором устанавливают устройства для вторичного охлаждения (рисунок 8) путем обдува воздухом или опрыскивания горячих заготовок водо-воздушной смесью.
Крупными изготовителями установок горизонтального непрерывного литья являются фирмы "Метатерм" (Австрия), "Wertli" (Швейцария), "Кшрр", "Техника-Гусе" (Германия), "Southern Electrical Corp." (США). Во многих странах работают сотни установок этих фирм. На них отливают прутки диаметром 10-300 мм, трубы с наружным диаметром 20-300 мм и толщиной стенки более 4 мм (но не менее 10% наружного диаметра), квадратные прутки со стороной квадрата 20-300 мм, профили, ленты из чугуна и цветных металлов. Литье ведется в 1, 2, 4 или более (до 16) ниток в зависимости от размера прутков и заданной производительности установки.
На рисунке 9 представлена установка горизонтального непрерывного литья фирмы "\УепН". В тигельную печь, в которой находится жидкий расплав, вставляют графитовый кристаллизатор длиной 300 мм. Кристаллизатор окружен водоохлаждаемой медной рубашкой. В случае необходимости слиток при выходе охлаждают водой. Вытягивание слитков производят гидравлическими приводами и осуществляют периодически по режиму: длительность рабочего хода -3- -43 сек, длительность паузы — 2 30 секунд, длина заготовки выходящей за такт — до 100 мм [40-44].
Скорость и цикличность вытягивания отливки из графитового кристаллизатора регулируют в широких пределах за счет электронных устройств обеспечивающих до 1000 переключений в минуту. Длина шага изменяется от 0,1 до 80 мм, а междушаговый интервал - от 0,1 до 30 сек. В зависимости от размеров заготовки и параметров литья изменяется производительность установок. Так, производительность установки при литье прутков диаметром 50 мм из латуней составляет 0,15 т/час, из алюминиевой бронзы - 0,24 т/час, из чистой меди - 0,28 т/час, из сплава меди с 25% никеля и оловянной бронзы - 0,84 т/час [4, 14].
Важным достоинством машин "Wertli" является возможность быстрого монтажа: достаточно трех- четырех дней для монтирования установки и подготовки её к работе [40].
Однако, в последние годы продолжается патентование новых технологических решений по горизонтальному литью через графитовый кристаллизатор. Фирмой "Krupp" была разработана конструкция сборного кристаллизатора для одновременной отливки большего числа прутковых заготовок, в котором графитовые кристаллизаторы чередуются с охлаждающими устройствами [14,45,46].
Эффективность и кинетика окислительного рафинирования жидкой латуни от примеси алюминия
Особенно перспективен метод горизонтального непрерывного литья при производстве заготовок из бескислородной меди, в которых требуется содержание кислорода не более 0,0005 % (5 ррт). Отсутствие переливов жидкой меди из плавильной печи или миксера в кристаллизатор позволяет проводить в миксере (металлоприемнике) активную рафинирующую обработку расплава. При этом создаются наиболее благоприятные условия для реализации процесса углеродного раксисления жидкой меди и обеспечения получения заготовок из бескислородной меди наивысшего качества [47].
Производительность установок горизонтального литья с графитовым кристаллизатором составляет для медных сплавов 0,5 - 1 т/час на 1 нитку, поэтому их применяют в основном для литья малотоннажных сплавов. Основным недостатком горизонтального литья является невозможность получения слитков крупных сечений.
Методы горизонтального и вертикального литья слитков хорошо дополняют друг друга. На установках горизонтального литья изготавливают круглые прутки диаметром от 10 до 400 мм, трубы с наружным диаметром 20 - 300 мм и толщиной стенки более 4 мм, стержни квадратного сечения со стороной квадрата 20 - 300 мм, полосы толщиной 5-38 мм и ширидой до 620 мм. Для получения заготовок больших сечений предпочтительнее применение вертикального литья [24].
Процесс непрерывного и полунепрерывного литья в значительной мере вытеснил литье в изложницы при литье медных сплавов [11]. Современные установки непрерывного и полунепрерывного литья заготовок обеспечивают комплексное повышение выхода годного изделий и производительности, что приводит к существенному повышению технико-экономических показателей производства.
Развитие современной экономики базируется на материалах и технологиях, обеспечивающих производство продукции с высокими функциональными и потребительскими свойствами, но при этом не наносящих большого ущерба окружающей среде. В связи с этим разрабатываются новые инновационные технологии, направленные как на создание новых материалов и совершенствование уже существующих технологий, так и сохранение природных ресурсов и улучшение качества жизни населения.
Данная ситуация безусловно затрагивает металлургическую отрасль, в частности, медную промышленность. С развитием технологий неуклонно растет потребление меди, непрерывно увеличиваются объемы производства медных сплавов, прежде всего латуней. Кроме того, охватывается всё больший круг потребителей латунных заготовок. В последние годы в большей степени проявляется тенденция увеличения доли потребления медных сплавов, а именно латуни не только в промышленно развитых странах, но и в развивающихся. В связи с этим происходит истощение месторождений, сокращение запасов рудного сырья меди, т.е. возникает дефицит исходных материалов, что, в конечном счете, повышает цены на товарную продукцию.
Сложившаяся проблема инициирует использование в качестве исходных материалов вторичного сырья и отходов производства медной промышленности и совершенствование технологий переработки медных сплавов с целью получения качественной шихты. При этом затраты на получение товарной продукции из вторичного сырья значительно ниже, чем из рудного.
К сожалению, в ломе и отходах медной промышленности, в частности в латуни содержится значительное количество различных примесей, таких как А1, Б!, РЬ, ЭЬ, В1, Аб, Ре, N1, 8п, Э и другие. Это связано в первую очередь с тем, что латуни, чаще всего многокомпонентный сплав, в который специально вводят различные элементы для придания определенных свойств. Таким образом, в ломе и отходах производства, несмотря на сортировку сплавов, имеет место смешивание различных марок. Поэтому элементы, являющиеся в одном сплаве необходимыми, в соответствии с требованиями по химическому составу сплава для придания заданных свойств, и потому специально вводимые в расплав, в другом сплаве являются вредными или нежелательными примесями, содержание которых недопустимо или строго ограничено.
Как видно из таблицы, к каждой марке латуни предъявляются свои требования по химическому составу и наличие примесей строго лимитировано, поэтому использование вторичных материалов и отходов в качестве шихтовых материалов строго ограничено. Так, в промышленных марках латуни содержания кремния и алюминия не должно превышать 0,03 % и 0,0003%. Поэтому медный лом в виде снарядных гильз может использоваться в шихте в количестве не более 6 %. При возможности удаления кремния и алюминия при плавке кремний-содержащего лома в несколько раз долю такого лома в шихте можно увеличить. содержаниях свинца (до 0,05 %) свинец выделяется в виде тонких прослоек эвтектики по границам зерен, что вызывает охрупчивание меди, особенно при горячей прокатке [1]. Поэтому в а — латунях содержание свинца ограничивают в пределах 0,03 %. В а + Р- и Р- латунях допускается более высокое содержание свинца, но, как правило, не более 0,1 %. Кроме того, свинец является экологически вредной примесью, максимальная допустимая концентрация которой в гомогенных материалах не должна превышать 0,1 % .
Поэтому для большего вовлечения вторичных материалов и отходов в производство продукции медеплавильного производства необходимо проведение рафинирующей обработки расплава с целью удаления нежелательных примесей. При возможности удаления данных примесей при плавке, количество лома и скрапа в шихте можно увеличить в несколько раз. Это обеспечило бы эквивалентное снижение затрат на шихтовые материалы и соответствующее общее снижение затрат на изготовление заготовок.
В настоящее время большинство медеплавильных заводов неизбежно сталкиваются с проблемой содержания нежелательных примесей, поэтому ведутся активные поиски их решения.
