Выплавку бронз из вторичного сырья осуществляют в отражательных печах па переходящей ванне (остается от предыдущей плавки или наплавляется специально). Масса металла в переходящей ванне обычно составляет 30-40 % от массы загружаемой шихты. Перед загрузкой шихты печь разогревают до температуры 1350-1450° С, после этого грузят легковесное сырье (стружку, выштамповку, сетку, оборотные материалы). Крупногабаритный лом и черновую бронзу подают в печь в последнюю очередь. Компонентами покровного флюса являются кальцинированная сода [60 % (по массе)] и плавиковый шпат (40%). Расход покровного флюса составляет 1,2-2,4% от массы шихты. Рафинирующие флюсы могут иметь следующий состав, % (по массе): 96-медная окалина и 4-песок или 30-натриевая селитра, 45 - медная окалина, 15 - песок.

Перемешивание сплава в печи производят с помощью завалочной машины. Образующийся шлак скачивают через загрузочное окно в шлаковницу-отстойник; в последней происходит частичное отстаивание увлеченного шлаком сплава. Для удаления вредных примесей (железа, алюминия, кремния, сурьмы) загружают рафинирующий флюс, состав и количество которого определяют наличием примеси и ее количеством. По завершении рафинирования в печь вводят легирующие добавки (олово, свинец и др.) и ванну тщательно перемешивают для получения однородного сплава. Температуру металла перед разливом поддерживают на уровне 1100-1150°С.

При плавке расход условного топлива составляет 210-250 кг на 1 т готовой продукции. Съем сплава в сутки с 1 м² площади пода печи равен 18-20 т. При плавлении шихты в печи поддерживают нейтральную или близкую к нейтральной атмосфере. Газы на выходе из печи содержат 0,6-2,0% 0₂ и 2-3% СО. Извлечение металлов в готовую продукцию составляет 93 - 94,5%, в оборотные материалы 3-4%, в шлаки переходит 1,5-2,5%. В шлаках от выплавки бронз содержание металлического сплава составляет 7-12%; содержание других компонентов характеризуется следующими данными, %: 22-28 Si0₂, 12-17 А1₂0з, 5-9 Са, 8-14 Na₂0, 4-8 Fe. Шлаки используют при выплавке вторичной черной меди и бронзы.

Для производства безоловянных бронз используют поворотные отражательные и индукционные печи. В отражательную печь с переходящей ванной для предохранения металла от окисления загружают сухой древесный уголь. Вместо древесного угля применяют криолит (1 - 2% от массы металла), плавиковый шпат кальцинированную соду. Расход флюсов составляет 2-4% от массы шихты. Затем загружают расчетное количество легирующих элементов (алюминия, железа, марганца). В последнюю очередь грузят бронзовые и медные отходы. После полного расплавления шихты и тщательного усреднения расплава снимают шлак. Готовый металл разливают в чушки при температуре 1100-1150°С.

Технология получения безоловянной бронзы в электрических печах аналогична описанной. Перед выпуском из индукционной печи в ковш безоловянную бронзу разогревают до температуры 1200-1250°С. В отражательных печах извлечение металлов в готовую продукцию составляет 93,5-94,5%, в оборотные продукты 4,0 - 4,5%. Эти же показатели для индукционных печей равны 95-96 и 3,0-3,5% соответственно. Удельный расход условного топлива составляет 300-320 кг/т сплава, для получения 1 т сплава в индукционных печах расходуют 350-380 кВт-ч электроэнергии.

Латуни различных марок (свинцовистые, кремнистые и др.) из вторичного сырья получают в основном в индукционных канальных печах. Плавку ведут на переходящей ванне (так называемом "болоте"), объем которой составляет 35-45% общего объема. Химический состав "болота" должен соответствовать марке выплавляемой латуни. Если состав предыдущей плавки резко отличается от состава последующей, то в этом случае "болото" расшихтовывают. Иногда печь промывают подготовительным сплавом. В первую очередь в печь загружают стружку вместе с флюсом. Марганец или кремний вводят в расплавленную ванну металла и после их полного усвоения загружают очередную порцию шихты. Съем шлака производят при выключенной электропечи. Перед разливом латуни разогревают до температуры 1000-1080°С. Готовый сплав направляют в электромиксер или на разливочный конвейер. Миксеры используют при литье сплавов в кристаллизаторы машин непрерывного или полунепрерывного действия.

При выплавке латуней в индукционных печах извлечение металлов в готовую продукцию составляет 92,9 - 95,3%, в оборотные материалы переходит 3,0-4,7%; расход электроэнергии изменяется в пределах315-370 кВт-ч/т сплава, суточная производительность печей равна 36-50 т. Шлаки от выплавки латуней из вторичного сырья содержат (в виде сплава и окислов), %: 15-30 Си, 30 - 50 Zn, 0,5-1,0 Pb, 2-13 Si0₂, 1,5-6,0 Na₂0, 0,5-3,5 Fe. Их выход в зависимости от характера и состава перерабатываемого сырья изменяется от 3 до 5% от массы шихты. При выплавке свинцовистых латуней шлаки получаются "полусухими", и содержание в них металлической фазы достигает 35-40%.

Исследования, выполненные в Уральском политехническом институте (УПИ), показали, что наиболее рациональна отдельная переработка шлаков от выплавки вторичных бронз и латуней электротермическим способом. Электроплавка шлаков (после предварительного выделения крупных корольков сплава) с добавкой 5 - 6% коксика и 8-10% извести от их массы позволяет получать отвальные шлаки с содержанием 0,3-0,4% Си, 2,0-3,5% Zn. При этом в сплав, пригодный для получения бронз или латуней, извлекают 93-95% Си; 80% РЬ; 85-90% Sn и 8-10% Zn. В возгоны переходит 82 - 86% всего цинка.

3.4 Рафинирование бронз и латуней

Рафинирование медных сплавов проводят с целью снижения содержания растворимых газов (водорода, кислорода) и удаления взвешенных неметаллических включений и примесей {железа, серы, алюминия, кремния, марганца и др.).

Большинство вредных примесей в медных сплавах удаляют путем продувки расплава воздухом, паром или подачи медной окалины. Образующаяся или поступившая с окалиной закись меди окисляет металлы-примеси и серу:

Cu₂0 + Afe-"2Cu - | - МеО-2Cu₂0 + Cu₂S->-6Cu + S0₂.

Окислительное рафинирование проводят при температуре 1100-1160°С. Расход твердых окислителей составляет 0,5-1,0% от массы расплава. Для ускорения процесса рафинирования окислители вмешивают в расплав. Продувка жидкого сплава воздухом и паром приводит к интенсивному окислению и возгонке цинка, в меньшей степени олова, поэтому этот метод рафинирования применим к бронзам, в которых содержание цинка не превышает 3%.

Для восстановления растворенной в медных сплавах закиси меди используют раскислители: фосфор, литий, бор, кальций и др. Но наиболее широко применимым раскислителем является фосфор, вводимый в виде фосфористой меди {8-15% Р). Процесс основан на образовании пятиокиси фосфора, возгоняющейся при 359°С:

Cu₂0 + 2P-vP₂0₅ + 10Cu.

Для медных сплавов применяют и комбинированное раскисление. Так, в случае оловянистых бронз большую часть кислорода удаляют фосфором, а остатки кислорода - за счет присадки лития. При этом получают металл с мелкозернистой структурой и повышенными механическими свойствами. Для повышения эффективности п упрощения использования лития как раскислителя целесообразно использовать литиевые патроны - герметичные цилиндры из меди, наполненные литием (5 - 100 г), литиевые патроны вводят в готовый для разливки металл, затем сплав перемешивают, отстаивают в течение 2-3 мин и разливают.

Раскисление фосфором расплавленных латуней практически нецелесообразно, так как цинк медноцинкового сплава имеет высокое сродство к кислороду.

Другой важный источник водорода - углеводороды, присутствующие в восстановительной атмосфере пламенных нечем. Заметная диссоциация метана начинается с (500°С, при 800°С диссоциирует около 40% метана.

Для сокращения газонасыщенности металла водородом в плавильные печи должна поступать сухая шихта, процесс плавки следует вести при слабоокислительной или нейтральной атмосфере.

- зернистый фильтр; 2 - графитовая втулка; 3 - кристаллизатор

Дегазация медных сплавов в основном сводится к удалению из расплава водорода, так как из общего количества растворенных газов на его долю приходится 95-98%. Для дегазации сплавов на медной основе применяют продувку расплава инертными газами: азотом, аргоном. Установка для дегазации медных сплавов состоит из ковша для жидкого металла, вакуумной камеры и системы подачи азота или аргона. В днище ковша установлены пористые втулки, через которые вдувают инертный газ под давлением 200-300 к11а. Втулки (пористые элементы) изготавливают из огнеупорной массы, в состав которой могут входить графит, корунд, карборунд и глина. Продувка инертным газом в течение 6-10 мин позволяет снизить в 2-4 раза содержание водорода в сплаве.

Следует иметь в виду, что продувка вызывает дополнительные потерн цинка и свинца. Поэтому этот способ дегазации медных сплавов на нашел широкого распространения.

Простым и эффективным методом рафинирования сплавов от неметаллических включений является фильтрация. В качестве зернистых фильтров можно использовать дробленые алунд, магнезит, плавленые фториды кальция и магния. Толщина фильтрующего слоя составляет 60-150 мм, размер зерна 5-10 мм. Фильтрация позволяет в два-три раза снизить содержание в сплаве неметаллических включений. При фильтрации происходит также частичная дегазация металла.

Медь используют в химическом и энергетическом машиностроении ввиду высокой электро- и теплопроводности, высокой коррозионной стойкости в некоторых агрессивных средах. Все эти свойства тем выше, чем выше чистота металла, что предъявляет особые требования к сварке изделий из чистой меди. Сварка бронз и латуней имеет свои особенности, но свойства чистой меди в этих сплавах уже значительно утрачены.

В зависимости от количественного содержания примесей, различают пять основных марок технической меди: М0 - с суммарным содержанием примесей не более 0,05%, М1 - не более 0,10%, М2 - не более 0,30%, М3 - не более 0,50% и М4 - с содержанием примесей не более 1,00%.

Физические и механические свойства меди М0:

3.5 Влияние примесей на свойства меди

Алюминий неограниченно растворим в расплавленной меди; в твёрдом состоянии растворимость его равна 9,8%. Алюминий повышает коррозионную стойкость меди, уменьшает окисляемость и понижает электропроводность и теплопроводность меди.

Бериллий понижает электропроводность меди, повышает механические свойства и резко уменьшает окисляемость меди при повышенных температурах.

Висмут практически не растворим в меди. При повышенном содержании висмута медь делается хрупкой; на электропроводность меди висмут заметного влияния не оказывает.

Железо незначительно растворимо в меди в твёрдом состоянии. При 1050^оС до 3,50% железа входит в твёрдый раствор, а при 635^оС растворимость его падает до 0,15%. Под влиянием железа повышаются механические свойства меди, резко снижаются её электропроводность, теплопроводность и коррозионная стойкость.

Кислород очень мало растворим в меди в твёрдом состоянии. Он является вредной примесью, так как при повышенном его содержании заметно понижаются механические, технологические и коррозионные свойства меди.

Водород оказывает значительное влияние на медь. Растворимость его в меди зависит от температуры: от 0,06 до 13,6см³/100гр металла при температуре 500 и 1500^оС соответственно. Особенно разрушительное воздействие водород оказывает на медь, содержащую кислород. Такая медь после отжига в водороде или восстановительной атмосфере, содержащей водород, делается хрупкой и растрескивается, вследствие образования водяных паров реакции водорода с закисью меди. Образовавшиеся водяные пары не диффундируют и не диссоциируют и, имея высокое давление, разрушают медь.

Мышьяк растворим в меди в твёрдом состоянии до 7,5%. Он значительно понижает электропроводность и теплопроводность, но значительно повышает жаростойкость меди.

Свинец практически не растворяется в меди в твёрдом состоянии. Заметного влияния на электропроводность и теплопроводность меди он не оказывает, но значительно улучшает её обрабатываемость резанием.

Серебро не оказывает влияния на технические свойства меди, мало влияет на её электропроводность и теплопроводность.

Сурьма растворима в меди в твёрдом состоянии при температуре эвтектики 645⁰С до 9,5%. Растворимость её резко уменьшается при понижении температуры. Сурьма значительно понижает электропроводность и теплопроводность меди.

Сера растворяется в расплавленной меди, а при затвердевании её растворимость снижается до нуля. Сера незначительно влияет на электропроводность и теплопроводность меди, заметно снижает пластичность. Под влиянием серы значительно улучшается обрабатываемость меди резанием.

Фосфор ограничено растворим в меди в твёрдом состоянии; предел насыщения твёрдого α-раствора при температуре 700^оС достигает 1,3% фосфора, а при 200^оС он снижается до 0,4%. Фосфор значительно понижает электропроводность и теплопроводность меди, но положительно влияет на механические свойства и свариваемость, повышает жидкотекучесть.

Теллур растворим в меди в твёрдом состоянии до 0,01%. На электропроводность меди теллур значительного влияния не оказывает.

Селен мало растворим в меди в твёрдом состоянии - до 0,1% и выделяется при затвердевании в виде соединения Se₂О. Влияние на медь аналогично влиянию серы.

Хорошие результаты можно получить при наплавке под флюсом плавящимся электродом, подающимся автоматической головкой, совершающей колебания в плоскости, перпендикулярной к поступающему движению. Стальную поверхность можно охлаждать со стороны, противоположной наплавке, или охлаждать непосредственно металл наплавки водоохлаждаемыми устройствами.

При наплавке меди в среде аргона плавящимся электродом следует соблюдать аналогичные условия. При сварке меди со сталью плавящимся электродом надо электрод отклонять в сторону меди, так как магнитное дутье в процессе сварки будет возвращать дуговой разряд на свариваемые кромки. При сварке необходимо применять минимальные токи, обеспечивающие формирование сварного шва. Сварку биметалла медь - сталь можно осуществлять со стороны плакирующего слоя или со стороны стали.

В первом случае неизбежны удаление плакирующего слоя на стыкуемых кромках, сварка стали, зачистка полученного шва и наплавка меди на сталь для восстановления плакирующего слоя. При возможности сварки со стороны стали плакирующий медный слой в зоне сварки не удаляют; после сварки стали производят заварку стыка на плакирующем слое любым способом.

Библиографический список

1.      Эльтермап В.М. Охрана окружающей среды на химических и нефтехимических предприятиях. М.: Химия, 1985.160 с,

2.      Лейкан И.И. Рассеивание вентиляционных выбросов химических предприятий. М.: Хнмня, 1982.224 с.

3.      Перегуд Е.А. Санитарно-химический контроль воздушной среды. Л.: Химия, 197S.336 с.

4.      Наркевич И.П., Печковский В.В. Утилизация и ликвидация отходов в технологии неорганических веществ, М,; Химия, 1984, 240 с.

.        Экологические проблемы химического предприятия/О.Г. Воробьев, О.С. Балабеков, Ш, М. Молдабеков, Б.Ф. Уфимцев. Алма-Ата: Казахстан, 1984.172 с.

6.      С. Калверт, М. Треиюу и др. Защита атмосферы от промышленных загрязнении/Под ред. С, Калверта и Г.М. Инглунда. В 2-х т. М.: Металлургия, 1988, 1470 с,

.        Техника защиты окружающей средьт / Н.С. Торочешников, А.И. Родионов, Н.В. Кедьцев, В.Н. Клушин. М.: Химия, 1981.368 с,

8.      Стадницкий Г.В., Родионов А.И. Экология. М.; Высшая школа, 1988.272 с.

9.      Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. М,: Химия, 1972, 248 с.

10.    Страус В. Промышленная очистка газов: Пер. с англ. М,: Химия, 1981.616 с.

11.    Быстрое Г.А., Гслыгерин В. М" Титов Б.И. Обезвреживание и утилизация отходов в производстве пластмасс. Л,; Химия, 1982.264 с.

12.    Т.А. Семенова, И.Л. Лейтес, Ю.В. Аксельрод и др. Очистка технологических газов/Под ред. Т.А. Семеновой. М; Химия, 1977.488 с.

13.    Кузнецов И.Е., Троицкая Т.М. Защита воздушного бассейна от загрязнения вредными веществами. М.: Химия, 1979.344 с.

14.    Алтыбаев М.А. Разработка и внедрение хемосорбционной очистки промышленных газов от сернистых и фосфорных соединений в псевдоожиженном слое с утилизацией продуктов очистки: Дне. д-ра техн. наук, Ташкент, 1989.406 с.

.        Очистка газов в производстве фосфора и фосфорных удобрений/Э.Я. Тарат, О. Г, Воробьев, О.С. Балабеков, В.И. Быков, О.Г. Ковалев/Под ред.Э.Я. Тарата. Л.: Химия, 1979.208 с.

16.    А.А. Соколовский, Т. И, Унанянц. Краткий справочник по минеральным удобрениям, - М.: Химия, 1977.376 с.

.        Абсорбция и пылеулавливание в производстве минеральных удобрений/ И.П. Мухленов, О.С. Ковалев, А.Ф. Туболкин, О.С. Балабеков и др. / Под ред. И.П. Мухленова и О.С. Ковалева. М.: Химия, 1987.208 с.

18.    Бесков С.Д. Технохимические расчеты. М.: Высшая школа, 1966.520 с.

19.    Коузов П.А., Малыгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воз-духа в химической промышленности. Л,: Химия, 1982.256 с.

20.    Бродский Ю. Н, Определение экономико-экологической эффективности систем газоочистки и пылеулавливания // Химическое инефтяное машиностроение. 1986. № 2. С.3-4.

21.    21. Stalrmand С. J, Chemical Engineer, СЕ.310 (1965).

22.    Карнаухов И.А., Доронин В.И. Цирульников П.Г. Экономический анализ технологических параметров каталитического обезвреживания газовых выбросов // Хим. пром-сть. 1988. № I. С.55-56.