Вторичная цветная металлургия

Отражательная плавка медных сплавов

Конструкции печей

Для плавки вторичных бронз и латуней используются отражательные печи, работающие на жидком или высококалорийном газовом топливе. На отечественных заводах получили распространение печи с поворотным движением пламени, аналогичные по конструкции печам, применяемым для плавки алюминия.

Разница в удельных весах медных и алюминиевых сплавов заметно отражается на размерах печей: печи для производства бронз и латуней имеют меньшие размеры ванны и соответственно меньшие габариты, чем печи для плавки алюминия. При плавке на чушковый металл используются печи емкостью 5—20 т.

В зависимости от размеров печей расстояние между рабочим окном и задней стенкой колеблется от 1,5 до 2,5 м, а глубина ванны — от 0,15 до 0,45 м. В печах большой емкости (рис. 100) сделаны два рабочих окна в боковой стенке, а в малых одно в торцовой стенке. Печи для литейных целей (отливка слитков, втулок и др.) сооружают емкостью 1,5—2,5 т.

Печь для плавки бронз
Рис. 100. Печь для плавки бронз:
1 — рабочее пространство печи; 2 — боров; 3 — форсунка; 4 — водоох­лаждаемая дверца

Стены от подины до уровня ванны металла футеруют хромомагнезитовым кирпичом, выше ванны — шамотным. Под делают из шамотного кирпича с кварцевой наваркой. Свод сооружают из динасового кирпича. Тяги печей имеют пружины для компенсации теплового расширения кладки. Дверцы рабочих окон делают водоохлаждаемыми, а подъем их механизирован. Сырье на больших печах загружают мульдозавалочными машинами. Металл выпускают непосредственно из летки на разливочную машину или в разливочный ковш, когда металл предназначается для литейных целей.

Тепло отходящих газов используется для нагрева котлов-утилизаторов, после чего газы поступают на пылеулавливаниедля извлечения содержащихся в них металлов.

Недостатками отражательной плавки являются большая трудоемкость обслуживания, а также значительные потери металла от окисления. Если имеется пылеулавливание, потери с газами не являются безвозвратными.

Поведение металлов при плавке

Значительные потери цинка являются существенным недостатком отражательной плавки. Окись цинка уносится с дымовыми газами и улавливается в пылеуловнтельных установках. В отражательной печи частично улетучивается и окисляется свинец. Медь и олово при плавке вторичных бронз и латуней практически не испаряются.

Восстановительная атмосфера, содержащая водород, вредно влияет на качество выплавляемой меди и ее сплавов. Растворимость водорода в меди при температурах 1100 и 1400° соответственно достигает 6 и 12 см3 на 100 г металла. Присутствие в меди кислорода снижает растворимость водорода вследствие образования водяного пара, удаляющегося из металла.

Совместное присутствие в металле водорода и кислорода может явиться причиной образования пузырей и других дефектов, называемых «водородной болезнью».

Если в продуктах горения присутствует сернистый газ, медь взаимодействует с образованием сульфида меди:

SO2 + 6Cu ⇔ Cu2S + 2Cu2O.

В условиях, когда реакция идет справа налево, в металле вследствие выделения сернистого газа образуются газовые раковины. В окислительной атмосфере медь окисляется до закиси, растворимой в жидкой меди, что играет большую роль при рафинировании медных сплавов.

Закись меди является окислителем олова, алюминия, кремния и т. д., а потому перед введением их в сплав медь раскисляют фосфором. Во вторичных оловянных бронзах и латунях роль раскислителя меди играет содержащийся в них цинк, который в этом отношении действует сильнее фосфора.

Присутствие в металле твердых частиц (окислов алюминия, кремния, марганца, а особенно олова) вредно сказывается на качестве сплава, так как понижается его жидкотекучесть, пластичность и ухудшаются механические и антифрикционные свойства.

Защита металла при плавке

Покровные флюсы и древесный уголь, загружаемые при плавке, служат защитой металла от окисления. Расход флюсов по сравнению с плавкой алюминиевых сплавов незначительный.

Слой древесного угля на ванне жидкого металла является хорошим изолятором тепла, а также предохраняет жидкий металл от окисления и абсорбирует газы.

Технология плавки медных сплавов

При производстве медных сплавов из чистых металлов выработалась следующая технология плавки:

  • плавка меди под слоем древесного угля;
  • раскисление меди фосфором;
  • введение в жидкую медь компонентов сплава.

При производстве медных сплавов из вторичных металлов сначала плавят кусковой лом для получения жидкой ванны, а затем загружают другие составляющие шихты. Раскисление меди фосфором при плавке вторичных оловянных бронз не применяют. В печи создается слабо окислительная или нейтральная атмосфера.

При разливе сплава в изложницы поверхность чушек посыпают мелким древесным углем для уменьшения окисления и получения гладкой поверхности.

После разлива металла пороги рабочих окон, стены и под горячей печи очищаются. Летку очищают от сплесков и шлака, а затем заделывают огнеупорной глиной.

Сырье в предварительно очищенную от настылей и разогретую печь загружают завалочной машиной и равномерно распределяют по всей ванне печи. Режим нагрева меняют в зависимости от состава шихты: при расплавлении красной меди он более интенсивный, чем при плавке латунного сырья. Твердую шихту перемешивают, растаскивают пакеты посредством стальной клюшки (см. рис. 58).

Набор инструмента для работы на отражательных печах
Рис, 58. Набор инструмента для работы на отражательных печах:
а — клюшка; б — скребок для перемешивания шихты; в — скребок для чистки пода печи; г — гребок для съема шлака; д — грабли для удаления железа; е — короб для введения магния и рафинирования флюсом; ж — инструмент для чистки печи

Тугоплавкую шихту необходимо загружать в места наивысших температур печи, так, например, лом меди и чушки черновой бронзы загружают поверх прочей шихты, подвергая их непосредственному нагреву пламенем. Флюс иногда заранее перемешивают с металлической шихтой и в таком виде загружают в печь одновременно с сырьем. В процессе плавки периодически через 10—15 мин. перемешивают жидкую ванну и втворяют в нее твердую шихту клюшкой. Перемешивание ведут как в верхних, так и в нижних слоях ванны, не допуская налипания размягшей шихты на подину печи. Скачивание шлаков производят гребком (см. рис. 58) в шлаковницы. После удаления шлаков в ванну вводят цинк, олово, алюминий, кремний, марганец и т. д. Подшихтовочные материалы необходимо подогревать на пороге печи или в мульде, которую выдерживают некоторое время в печи. Цинк погружают в глубь ванны и перемешивают, при этом устраняется бурное вскипание и сокращаются потери. Олово втворяют при непрерывном вмешивании его в жидкую ванну. Материалы с малым удельным весом непрерывно погружают и вмешивают в жидкую ванну до полного растворения.

Металл из печи можно выпускать непосредственно в изложницы разливочной машины, установленной у печи, или в разливочные ковши, в которых металл подают для литейных целей. При заливке в изложницы летку пробивают тонким ломиком, который оставляют в ней для регулирования струи металла при разливе. Изложницы предварительно подогревают.

Разливочные ковши необходимо обмазывать глиной и прокаливать при 600—700°.

После выпуска металла в печи может оставаться застой металла для последующей плавки. Если металл выпускается полностью, печь очищают.

При заделке летки в глиняную пробку на 2/3 длины забивают ломик, что облегчает пробивание летки при выпуске металла.

Подготовка рабочего места

Рабочий инструмент, применяемый при плавке, должен находиться в определенном месте.

Для опоры инструмента у рабочих окон устанавливают массивные штанги. Заготавливают чугунные шлаковницы. На одну печь емкостью 10—15 т необходим следующий набор инструмента, шт.:

Клюшки ………………………………………… 6
Гребки для шлака…………………………… 2
Лопаты совковые, стальные …………… 2
Штанги для опоры инструмента ……. 2
Ломики …………………………………………. 2
Притычки ……………………………………… 2
Счищалки разные …………………………. 4
Кувалды…………………………………………. 2

Необходимо заготовить хорошо прокаленный и просеянный древесный уголь для засыпки на зеркало металла и древесноугольную мелочь для присыпания поверхности чушек.

При заливке металла в литейные формы необходимо иметь запас хорошо обмазанных огнеупорной глиной и прокаленных разливочных горшков.

Плавка оловянной бронзы

Плавку бронзы можно вести с загрузкой сырья на сухой под печи или с загрузкой в переходящую жидкую ванну. Печь разогревают до температуры 1200° (светло-оранжевый цвет футеровки). Сначала на сухой под загружают плотную шихту с невысоким содержанием цинка и покрывают ее флюсом. Дверцы рабочих окон печи закрывают. Топливо подают сначала в незначительном количестве для обжига содержащихся в шихте масел, а затем поддерживают максимально возможную температуру. Перемешивают через каждые 10—15 мин. В печи поддерживают положительное давление и слегка окислительную атмосферу. Футеровка печи накаляется до белого каления (1300°). Пакетированный лом и радиаторы плавят с загрузкой в несколько приемов, каждую следующую порцию загружают по оплавлении предыдущей. Стружку плавят при загрузке в жидкую ванну, защищают ее от окисления флюсами. В последнюю очередь загружают латунь. После удаления шлаков в жидкий металл вводят цинк, свинец, олово.

Бронзу часто плавят с переходящей ванной, оставляя каждый раз после выливки металла часть жидкой ванны — застой. В этом случае выпускное отверстие делают выше уровня пода печи, чтобы при выпуске 20—30% металла оставалось в печи. Порядок загрузки шихты следующий: сначала в жидкий металл грузят латунную и бронзовую стружку, затем загружают радиаторы и прочий латунный лом, лом бронзы и в последнюю очередь медь и чушки черновой бронзы. При этом шихта лучше приминается и погружается в жидкую ванну, а тугоплавкие компоненты шихты подвергаются более интенсивному нагреву.

Шихту, засоренную механическими примесями стальных деталей плавят при более холодном ходе печи (загрузка при 1100°, плавка при 1200°).

Плавка вторичных латуней

Латуни плавят в печах емкостью не более 5 т. Емкость ограничивается для сокращения времени плавки ввиду значительных потерь цинка. Для образования ванны плавят плотный латунный лом. В дальнейшем в процессе работы печи на выплавке латуней после каждой плавки оставляют застой 20—30% емкости печи. Металл покрывают флюсом. В жидкую ванну грузят сырье в следующем порядке: стружка, обрезь, пакеты и лом. В печи поддерживают нейтральную или слабо окислительную атмосферу. Небольшое положительное давление на уровне порога рабочих окон должно гарантировать от подсоса воздуха в печь. Латунные корольки, извлекаемые из шлаков, плавят под покровом древесного угля и криолита. Корольки загружают в жидкую ванну и придавливают тяжелой шихтой. Цинк и свинец вводят в конце плавки подогретыми до 100—120°. Нагревать цинк выше указанной температуры не рекомендуется.

После введения свинца металл хорошо промешивают, снимают шлаки, поверхность ванны покрывают слоем древесного угля. Температура металла при выпуске из печи должна быть в пределах 1050—1100°.

Плавка специальных бронз и латуней

Алюминиевые бронзы плавят в отдельной печи, так как даже при многократных промывочных плавках не удается избавиться от олова, цинка и свинца, заносимых в печь оловянными бронзами и латунями. Емкость печей не превышает 5 т. Плавку ведут с переходящей ванной. В печи поддерживают нейтральную или слабо окисленную атмосферу.

При отсутствии переходящей ванны сначала загружают лом меди в виде кусковых отходов или пакетов. После расплавления меди вводят железо в виде отходов биметалла или железной стружки, затем загружают лигатуру Cu—Mn и в последнюю очередь алюминий. Температура металла в процессе приготовления алюминиевых бронз не должна превышать 1200°, так как при более высоких температурах начинается сильное окисление металла и склонность его к газонасыщению.

При плавке алюминиевых бронз в состав флюса вводят криолит, растворяющий глинозем.

Кремнистые латуни плавят с переходящей ванной. Большое внимание следует уделять подготовке шихты — отсутствию влаги и масел, так как масла являются причиной загазованности металла. На поверхность ванны наводят флюс, а затем загружают кремний, стружку, лом. На верх имеющейся в печи шихты грузят красную медь. Если сначала загрузить медь, а сверху латунь, то латунь может первой расплавиться и обволакивать нерасплавленные куски меди, что замедлит процесс плавления шихты. Первый период нагрев шихты ведут на слабом пламени. После выгорания масел подачу топлива увеличивают. Ванну перемешивают осторожно. Удаляют шлаки и затем разливают латунь при температуре 1160°.

Литье бронзовых втулок и цилиндрических слитков

Из антифрикционных бронз ОЦС6-6-3 и ОЦС5-5-5 изготавливаются втулки и цилиндрические слитки, которые являются заготовками для производства подшипников и других изделий. Втулки малых размеров отливают в кокиль с земляным стержнем, больших размеров — на машинах центробежного литья. Слитки различных размеров можно отливать на специальных установках с вакуумным всасыванием или в чугунных кокилях.

Металл плавят в небольших отражательных печах. Лом и отходы, употребляемые в шихту, должны быть особенно чистыми, без стальных приделок. Процесс плавки ведут, как описано выше. После окончания плавки металл рафинируют медной окалиной для удаления примесей алюминия, кремния и серы. После чего шлаки снимают, поверхность металла покрывают слоем древесного угля, прекращают подачу топлива и воздуха. Температура металла перед выпуском должна быть 1200—1250°.

Металлические формы (кокили)
Рис. 101. Металлические формы (кокили)

Кокиль для отливки цилиндрических слитков (рис. 101, а) состоит из двух боковых половинок 1 к 2, чугунного поддона 3, стального кольца 4 и клина 5. На кокиль устанавливают чугунную воронку 6, между кокилем и воронкой кладут песчаную диафрагму 7, имеющую небольшое отверстие, через которое металл из воронки заливается в кокиль. После затвердевания металла в месте установки диафрагмы образуется тонкая шейка, соединяющая болванку с воронкой. Кокиль разбирают, когда металл еще сильно нагрет и обладает хрупкостью, ударом молотка сшибают воронку, отделяя тем самым литник от слитка (для разборки нужно выбить клин 5 и снять кольцо 4). Кокиль для отливки втулок (рис. 101,6) отличается наличием земляного стержня 8.

Для изготовления стержней и диафрагм применяют следующие материалы, %:

Песок К 50/100 …………………………..62
Стержневая оборотная земля …..22,5
Песок П 200/270 ……………………. 15,0
Крепитель ……………………………….. 0,5

В качестве крепителя может применяться декстрин или его заменители.

Составленную смесь загружают в бегуны, добавляют воду. Обработка в бегунах продолжается 20 мин., после чего смесь выгружают и подают на сито с размером ячеек 2 мм. На сите отделяют от готовой смеси крупные комья земли. Массу формуют в стержневых ящиках. При изготовлении стержня в середину вставляют проволочный каркас, в ящик засыпают формовочную массу и утрамбовывают. Стержни накалывают для прохода газов, вынимают из ящиков и укладывают на плиту, посыпанную песком. Плиты с отформованным материалом устанавливают в сушильный шкаф, где сушат их при 190—200° в течение 1 часа. По окончании сушки плиты вытаскивают, материал охлаждается на воздухе вместе с плитами.

Кокили перед заливкой металла очищают от нагара и окалины зубилами, шаберами, проволочной щеткой. Пыль сдувают мехами, после этого их протирают тряпками. Очищенные кокили смазывают при 150—200°, после этого их собирают.

Схема установки для литья слитков методом вакуумного вса­сывания
Рис. 102. Схема установки для литья слитков методом вакуумного вса­сывания

Установка для литья слитков методом вакуумного всасывания (рис. 102) состоит из вакуумного насоса 1, баллона 2, игольчатого натекателя 3, вакуумметра 4, трехходового крана 5, кристаллизатора 6 и тигля с жидким металлом 7. Кристаллизатор является формой для отливки слитков. Он представляет собой охлаждаемый водой кессон, внутренняя полость которого подключается к вакуумной линии. Воду для охлаждения кристаллизатора подают под давлением от насоса 8. В цепи охлаждающей воды имеется бак 9 со змеевиком 10 для подогрева воды паром. При закрытом кране 5 непрерывно работающий вакуум-насос 1 создает в системе разрежение.

Носок кристаллизатора погружают в металл, медленно открывают кран 5, соединяя полость кристаллизатора с вакуумом, и начинают отсос воздуха и газов из кристаллизатора. Вследствие разрежения металл из тигля поднимается, заполняя полость кристаллизатора. Разрежение вакуумной системы рассчитано на подъем металла на необходимую высоту. В таком положении металл кристаллизуется в виде слитка. После закрывания крана 5 слиток выпадает. Полость кристаллизатора очищают щетками от нагара и затем смазывают тонким слоем смазки посредством войлочного помазка.