Нові технології електрошлакової плавки некомпактних відходів алюмінієвих і мідних сплавів та їх рафінування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Нові технології електрошлакової плавки некомпактних відходів алюмінієвих і мідних сплавів та їх рафінування

Спеціальність 05.16.02 «Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів»

Гнатушенко Олександр Віталійович

Київ - 2011 р.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Біктагіров Фарит Камілович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України, м. Київ, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Кусков Юрій Михайлович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України, м. Київ, провідний науковий співробітник

кандидат технічних наук

Скрипник Сергій Вадимович,

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут», м. Київ,

докторант кафедри Фізико-хімічних основ технології металів

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У теперішній час досить актуальними є питання щодо переробки та впровадження в виробництво різноманітних металевих відходів, які утворюються при виготовленні та обробці металопродукції. Особливо це стосується кольорових металів і їх сплавів, серед яких велику групу становлять некомпактні відходи алюмінієвих і мідних сплавів переважно у вигляді стружки, а також дрібного брухту, фольги, висічки, обрізків тощо.

Такі відходи мають невелику насипну вагу та підвищену вологість, забруднені залишками мастильних матеріалів та оксидною плівкою. Переробка їх у відбивних, дугових, індукційних та роторних печах, які традиційно використовуються для плавки цих кольорових металів, характеризується значним вигаром (5 - 20%) як основного елементу, так і легуючих добавок, а виплавлений метал - низькою якістю внаслідок підвищеного вмісту газів і неметалевих вкраплень. Тому з метою отримання з таких відходів придатної для використання у виробництві металопродукції виникає потреба в подвійному їх переплаві або додатковій обробці з проведенням операцій долегування та рафінування. Крім цього, стружку та дрібні відходи, за виключенням плавки в роторних печах, бажано перед переробкою компактувати, а це, в свою чергу, призводить до збільшення трудоємності процесу та вимагає наявності додаткового обладнання.

Зважаючи на вище зазначене, доцільним є використання інших, більш прогресивних технологій, здатних покращити як економічні показники процесу переробки відходів, так і якість кінцевої металопродукції. Одним з таких способів може бути електрошлакова плавка з невитратним електродом. Особливістю даного процесу є те, що розплавлення металу відбувається в товщі рідкого шлаку без контакту з атмосферою печі, що дозволяє суттєво знизити вигар металу. Крім цього, шлак є не тільки джерелом теплоти, але й рафінуючим середовищем. Також існує можливість у широких межах варіювати складом шлаку та його температурою, додавати в шлак під час плавки легуючі, розкислюючі та рафінуючі добавки. Обладнання для реалізації даної технології відрізняється простотою в управлінні та обслуговуванні, мобільністю і порівняно невисокою вартістю.

При розробці технологій електрошлакової плавки відходів алюмінієвих та мідних сплавів за основу узято досвід використання даного процесу для рафінування електролітичного марганцю, виплавки марганцевомідних сплавів високого демпфування і феротитану з титанової та сталевої стружки, переробки відходів нержавіючих, високолегованих, жароміцних сталей і деяких кольорових металів, який відображено у працях Латаша Ю.В., Медовара Б.І., Лютого І.Ю., Кугушина В.А., Кускова Ю.М., Біктагірова Ф.К. та ін.

Дана робота є продовженням наукових досліджень у цій області і присвячена розробці нових ефективних технологій електрошлакової плавки некомпактних алюмінієвих і мідних відходів на прикладі алюмінієвих сплавів АЛ25, Д16 і АМг2 та бронз КН1-3 і БрХ, які широко застосовуються в промисловості. Для реалізації цих технологій необхідним було дослідження металургійних особливостей плавки відходів саме цих сплавів і розробка шлакових композицій, які б відповідали вимогам щодо рафінування металу та стабільності його хімічного складу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в Інституті електрозварювання ім. Є.О.Патона в рамках наступних тем: 20/9 «Дослідити фізико-хімічні процеси і технологічні особливості відновлення, компактування і рафінування хімічно активних і тугоплавких металів, феросплавів і лігатур з використанням дугових розрядних систем, індукційного, електрошлакового і гібридних схем нагрівання» 2003-2006 рр. (№ ДР 0103U005252, виконавець); 20/2 «Дослідити фізико-хімічні і теплофізичні особливості електрошлакової виплавки і рафінування металів і сплавів із техногенних відходів та мінеральної сировини і розробити основи технології і устаткування» 2007-2009 рр. (№ ДР 0107U000128, виконавець); 20/6-П «Розробка технології утилізації некомпактних промислових відходів сплавів на основі алюмінію» 01-12/2009 р. (№ ДР 0109U004063, керівник теми).

Мета і задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи - розробка на основі електрошлакового процесу з невитратним електродом нових ефективних технологій переробки некомпактних відходів алюмінієвих та мідних сплавів з отриманням якісних металів.

Задачі досліджень:

- дослідити вплив складу шлаку на вміст легуючих елементів у сплавах, що переплавляються;

- розробити склади шлакових композицій для плавки відходів алюмінієвих і мідних сплавів, які забезпечують стабільність процесів та високу рафінуючу здатність;

- розробити основні положення технологій електрошлакової плавки некомпактних відходів алюмінієвих і мідних сплавів;

- дослідити якість металів, отриманих із відходів.

Об'єкт дослідження: електрошлакові процеси з невитратним графітованим електродом.

Предмет дослідження: фізико-хімічні, теплофізичні та металургійні закономірності електрошлакової плавки і рафінування некомпактних промислових відходів алюмінієвих та мідних сплавів, якість і властивості металів.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених задач і отримання основних результатів роботи використовували аналітичні та експериментальні методи дослідження фізико-хімічних і теплофізичних процесів, що відбуваються при електрошлаковій плавці відходів алюмінієвих та мідних сплавів. Усі експерименти проводили в ІЕЗ ім. Є.О. Патона на лабораторних електрошлакових установках. Склад шлаку та металу визначали методами спектрального та хімічного аналізів, вміст газів - методами газового аналізу. Якість металу досліджували випробуваннями на твердість, міцність, пластичність, ударну в'язкість та електропровідність на відповідному обладнанні.

Наукова новизна. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- уперше запропоновані способи електрошлакової виплавки бронз КН1-3 і БрХ із відходів міді з легуванням першої нікелем, кремнієм і марганцем, а другої - хромом безпосередньо зі шлаку шляхом відновлення цих елементів із їх оксидів, які уводяться до шлакової ванни.

- установлено, що при електрошлаковій плавці відходів алюмінієвих сплавів, які містять магній (до 2,5%), для ефективного рафінування металу та збереження його хімічного складу в межах марочного необхідно в шлак системи NaCl - KCl додавати карналіт (KCl·MgCl₂) з кріолітом (Na₃AlF₆) у співвідношенні (1,2 - 1,7) : 1;

- установлено, що вигар марганцю при електрошлаковій плавці відходів кремнієво-нікелевої бронзи КН1-3 не відбувається при додаванні в шлак АНФ-28 оксиду марганцю в кількості 2,8 - 5,0% мас.;

- установлено, що для запобігання вигару хрому при електрошлаковій плавці відходів хромової бронзи БрХ необхідно до шлаку АНФ-7 додавати 1,5 - 3,0% мас. оксиду хрому.

Практичне значення отриманих результатів. У процесі виконання роботи здійснена модернізація стандартного електрошлакового обладнання для переробки некомпактних відходів алюмінієвих та мідних сплавів. Розроблена технологія електрошлакової плавки некомпактних відходів алюмінієвих сплавів, що містять магній, таких як АЛ25, Д16 і АМг2. Рекомендовано використовувати для цього соляний шлак складу: 44…48% - NaCl; 25…30% - KCl; 10…15% - Na₃AlF₆; 12…18% KCl·MgCl₂. У результаті переробки отримані виливки з даних алюмінієвих сплавів із низьким вмістом неметалевих вкраплень і газів. Розроблені технології електрошлакової переробки некомпактних відходів кремнієво-нікелевої бронзи КН1-3 і хромової бронзи БрХ. Рекомендовано для запобігання вигару марганцю (при плавці першої) і хрому (при плавці другої) уводити до складу шлаку компоненти, що містять ці елементи, наприклад марганцевомісний флюс АН-348-А і оксид хрому відповідно. Розроблені технології виплавки бронз КН1-3 і БрХ із відходів міді (основа) з легуванням, у першому випадку, нікелем, кремнієм і марганцем, а, в другому - хромом. У результаті переробки відходів указаних бронз та іх виплавки із відходів міді з легуванням відповідними елементами отримані різні литі заготівки, які, завдяки їх високій якості, використовуються для виготовлення відповідальних деталей, в тому числі в машинах контактного стикового зварювання рейок та труб.

Особистий внесок здобувача. Автор приймав активну участь у модернізації плавильного обладнання, проведенні експериментів і обробці отриманих даних. Усі основні результати дисертаційної роботи викладені автором у 10 наукових публікаціях особисто чи у співавторстві. Роботи [5, 9] написані автором самостійно. У роботах, що написані у співавторстві, здобувачу належить наступне: [2-4, 6, 7, 10] - підготовка обладнання і проведення експериментів, обробка та аналіз отриманих даних, оформлення ілюстративного матеріалу, підготовка до публікації; [1, 8] - підготовка обладнання і проведення експериментів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення та результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: VII Международной научно-технической конференции «Проблемы металлургии, материаловедения и сварки», (Тбилиси, 2002); ІІІ Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології», (Київ, 2005); Київській конференції молодих учених «Новітні матеріали та технології, НМТ-2006», ІМФ ім. Г.В. Курдюмова, (Київ, 2006); ІV Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології», (Київ, 2007); Международной конференции «Сварка и родственные технологии в третье тысячелетие», (Киев, 2008); I Международной научно-технической конференции «Перспективные технологии, материалы и оборудование в литейном производстве», (Краматорск, 2008); V Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології», (Київ, 2009); VІ Науково-технічній конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та суміжні технології», (Київ, 2011).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 10 наукових публікацій, з яких 6 статей у наукових журналах, 3 у вигляді доповідей конференцій та отримано патент України.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 4-х розділів, загальних висновків і списку використаних літературних джерел із 172 найменувань. Основний зміст викладений на 194 сторінках машинописного тексту, включаючи 47 рисунків, 34 таблиці та 2 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульовані мета роботи та основні задачі, які необхідно вирішити в процесі досліджень і розробки технологій, приведені наукові та практичні результати роботи.

Cпособи переробки відходів алюмінієвих і мідних сплавів та перспективи застосування електрошлакових технологій. У першому розділі дисертації показана важливість і перспективність переробки брухту та відходів алюмінієвих і мідних сплавів, що утворюються як при зносі деталей машин та механізмів, так і при промисловому виробництві тих самих деталей. Проведено літературний огляд існуючих на сьогодні способів утилізації брухту указаних матеріалів та методи рафінування розплавів. Проаналізовано їх переваги та недоліки. Показано, що при переробці некомпактних матеріалів ефективно зарекомендувала себе електрошлакова плавка з невитратним електродом. У зв'язку з цим саме її запропоновано використовувати для утилізації відходів алюмінієвих і мідних сплавів. Поставлена мета і задачі дослідження.

Методика проведення експериментів і досліджень, обладнання та матеріали. Другий розділ присвячено вибору первинних матеріалів і шлакоутворюючих для проведення експериментів щодо переробки відходів алюмінієвих і мідних сплавів, опису плавильного обладнання та методик проведення досліджень.

При проведенні експериментів щодо електрошлакової плавки відходів алюмінієвих сплавів використовували стружку та дрібні обрізки сплавів АЛ25, Д16 і АМг2 (табл. 1). Основні експерименти проводили з алюмінієвим поршневим сплавом АЛ25, як найбільш високолегованим із представлених у табл.1. Для проведення експериментів щодо електрошлакової плавки відходів мідних сплавів використовували стружку бронз марок КН1-3 і БрХ (табл. 2). Ці сплави широко застосовуються при виготовленні багатьох відповідальних деталей, наприклад в машинах контактного стикового зварювання.

Таблиця 1

Хімічний склад відходів алюмінієвих сплавів

Сплав	Вміст легуючих компонентів і домішок, % мас.
	Al	Si	Cu	Mg	Ni	Mn	Ti	Fe	Zn
АЛ25	основа	10,5 10,0-13,0	1,8 1,5-3,0	1,3 0,8-1,3	0,95 0,8-1,3	0,35 0,3-0,6	0,056 0,05-0,2	0,6 ?0,8	0,5 ?0,5
Д16	основа	0,2 ?0,5	4,0 3,8-4,9	1,7 1,2-1,8	0,02 ?0,1	0,6 0,3-0,9	0,04 ?0,1	0,4 ?0,5	0,25 ?0,3
АМг2	основа	0,15 ?0,4	0,05 ?0,1	2,6 1,8-2,8	-	0,3 0,2-0,6	0,02 ?0,1	0,25 ?0,4	0,08 ?0,2

У чисельнику - вміст елементів у конкретному сплаві, в знаменнику - вміст елементів згідно зі стандартами (ГОСТ 1583-93 на сплав АЛ25 і ГОСТ 4784-74 на сплави Д16 і АМг2)

Таблиця 2

Хімічний склад дослідних бронз

Сплав	Склад	Вміст основних компонентів і домішок, % мас.
		Cu	Cr	Ni	Si	Mn	Al	Zn	Pb	Sn	Fe
КН1-3	№1	основа	-	3,3	0,9	0,3	0,02	0,1	0,1	0,09	0,08
-//-	№2	основа	-	2,9	1,0	0,35	0,01	0,07	0,1	0,1	0,05
-//-	№3	основа	-	3,1	0,8	0,4	0,02	0,05	0,12	0,1	0,07
-//-	№4	основа	-	2,8	1,1	0,38	0,02	0,1	0,08	0,08	0,05
КН1-3 ГОСТ 18175-78	основа	-	2,4-3,4	0,6-1,1	0,1-0,4	? 0,02	? 0,1	? 0,15	? 0,1	? 0,1
БрХ	№1	основа	0,6	0,01	0,04	-	-	0,01	0,06	-	0,05
БрХ ГОСТ 18175-78	основа	0,4-1,0	Загальна сума домішок - не більше 0,3 %

Відомо, що при плавці і обробці алюмінію та його сплавів у промисловості використовуються соляні шлакові композиції. Тому для проведення експериментальних плавок стружки сплаву АЛ25 були підготовлені соляні шлаки, які зазвичай використовуються в промисловості при плавці та обробці алюмінію і його сплавів, на основі хлориду натрію (NaCl), як самого доступного і дешевого матеріалу, з добавками для зниження температури плавлення хлориду калію (KCl). Для надання шлакам рафінуючих властивостей додавали кріоліт (Na₃AlF₆). Склад шлаків наступний: №1 - NaCl - 60%, KCl - 40% та №2 - NaCl - 52%, KCl - 38%, Na₃AlF₆ - 10%.

В якості шлакоутворюючих при плавці відходів бронз КН1-3 і БрХ були вибрані стандартні шлаки АНФ-7, АНФ-24, АНФ-28 і АНФ-28-М, які зазвичай використовуються при електрошлаковому переплаві міді.

Для електрошлакової переробки відходів алюмінієвих і мідних сплавів була здійснена модернізація існуючого обладнання. При цьому, в першу чергу була визначена технологічна схема плавки таких матеріалів. Із числа існуючих різновидів переробки некомпактної шихти, вибрана плавка в футерованій ємності, як найменш енерговитратна і яка дозволяє накопичувати метал у рідкому вигляді (рис. 1 а, б). Зважаючи на температурні умови процесів електрошлакової переробки відходів даних сплавів, властивості металів, що підлягають переплаву, стійкість вогнетривких матеріалів до дії шлаків, що використовуються при цьому, футерівку тигля для переробки відходів мідних сплавів виконували з вуглецевомісних матеріалів (рис. 1 а), а для плавки відходів алюмінієвих сплавів - із шамотної цегли (рис. 1 б).



Спосіб випуску розплавленого металу при електрошлаковій плавці багато в чому залежить від різниці між густинами металевого та шлакового розплавів. Тому зливання мідних сплавів здійснювали через верх разом зі шлаком шляхом повороту плавильної ємності (рис. 1 а), а випуск рідкого алюмінію окремо від шлаку через отвір у нижній частині тигля (рис. 1 б).

Експерименти проводили на електрошлаковій установці типу А550 з установленою потужністю трансформатора 138 кВ·А. Дана установка використовувалась для плавки відходів обох груп кольорових сплавів, змінювалась лише плавильна ємність. Відповідно до загально прийнятих методик, визначали хімічний склад отриманого в результаті плавок металу, вміст у ньому газів і неметалевих вкраплень, а також його службові характеристики (деякі механічні і фізичні властивості).

Дослідження металургійних особливостей електрошлакової плавки відходів алюмінієвих і мідних сплавів. У третьому розділі викладено результати досліджень впливу вибраних шлаків на поведінку легуючих елементів при плавці відходів алюмінієвих і мідних сплавів, а також рафінування металу від неметалевих вкраплень і газів. Показана можливість електрошлакової виплавки бронз КН1-3 і БрХ із відходів міді з легуванням першої нікелем, кремнієм і марганцем, а другої - хромом із шлакового розплаву.

Дослідження металургійних особливостей електрошлакової плавки відходів алюмінієвих сплавів полягало в розробці оптимального складу шлаку, здатного забезпечити стабільність протікання процесу, збереження хімічного складу металу, що переплавляється і його рафінування від неметалевих домішок (оксидних плівок) та газів. Плавки проводили з використанням соляних шлаків, склад яких приведено вище в попередньому розділі.

Результати аналізу хімічного складу алюмінієвого сплаву, виплавленого під даними шлаками (табл.3), показали, що в металі знижується вміст магнію, особливо при плавці під шлаком №2. Пояснюється це перерозподілом магнію між контактуючими фазами (металом і шлаком) та протіканням обмінної реакції (1) між цим елементом і фторидом алюмінію в шлаку (як складової кріоліту). Для попередження цього необхідно підвищувати активність магнію в шлаку, шляхом додавання до нього компонентів, що містять цей елемент.

2(AlF₃) +3 [Mg] = 3(MgF₂) + 2[Al] (1)

Таблиця 3

Хімічний склад отриманого алюмінієвого сплаву

№ шлаку	Час витримки металу під шлаком, хв.	Вміст основних компонентів, % мас.	Домішки, % мас.
		Al	Si	Cu	Mg	Ni	Mn	Ti	Fe	Zn
1	5	основа	10,5	1,8	1,0	0,94	0,35	0,056	0,49	0,5
	15	основа	10,5	1,82	0,75	0,95	0,35	0,055	0,51	0,5
	30	основа	10,7	1,8	0,67	0,95	0,33	0,055	0,52	0,5
2	5	основа	10,5	1,8	0,42	0,96	0,35	0,055	0,5	0,5
	15	основа	10,5	1,82	0,37	0,95	0,34	0,055	0,5	0,48
	30	основа	10,4	1,81	0,28	0,95	0,34	0,054	0,54	0,48

На основі термодинамічних даних взаємодії магнію з фторидом алюмінію (реакція 1) виконаний аналіз розподілу магнію в системі шлак - алюмінієвий сплав. Константа рівноваги реакції (1) має вигляд:

, (2)

де , і , - активність фторидів магнію і алюмінію в шлаку та магнію і алюмінію в металі відповідно.

Із урахуванням природи соляних шлаків, як іонних розплавів, і даних щодо активності магнію в алюмінії, вираз (2) можна записати наступним чином:

, (3)

де , , - мольні долі фториду магнію, фториду алюмінію в шлаку та магнію в металі відповідно.

Із виразу (3) мольна доля фториду магнію становить:

(4)

Мольні долі фториду алюмінію в шлаку та магнію в металі знаходимо за формулою:

, (5)

де - мольна доля компонента ; , , - числа молей компонентів.

Константу рівноваги визначаємо за відомою формулою:

, (6)

де - зміна енергії Гіббса;

- універсальна газова стала;

- температура процесу.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Значення для реакції (1) згідно з літературними даними, при Т=1200К (приблизна температура соляного шлаку при електрошлаковій плавці сплаву АЛ25), дорівнює: кДж/моль Mg*. Згідно з проведеними розрахунками визначений взаємозв'язок між концентраціями магнію в металі та шлаку, в залежності від вмісту кріоліту в останньому, який графічно відображено на рис. 2.

На основі отриманих розрахункових даних вибрані нові шлакові композиції, в яких у якості магнійвміщуючого компоненту використовували карналіт (KCl·MgCl₂) (табл. 4), і проведені додаткові експерименти для уточнення поведінки магнію. Експериментальними даними підтверджено, що вміст магнію в алюмінієвому сплаві АЛ25 залежить від концентрацій карналіту і кріоліту в шлаку (рис. 3) і зберігається в регламентованих межах (0,8-1,3 %) при співвідношенні KCl·MgCl₂ до Na₃AlF₆ як (1,2 - 1,7) : 1.

Таблиця 4

Експериментальні шлаки для плавки відходів сплаву АЛ25

№ п/п	NaCl	KCl	Na3AlF6	KCl•MgCl2	№ п/п	NaCl	KCl	Na3AlF6	KCl•MgCl2
3	53	35	5	7	10	44	29	10	17
4	51,5	34,5	5	9	11	45	29,5	11	14,5
5	49	33	10	8	12	44	28,5	11	16,5
6	48,5	32,5	10	9	13	43,5	28	11	17,5
7	48	32	10	10	14	44	29,5	12	14,5
8	47,5	31,5	10	11	15	42	28	12	18
9	47	31	10	12	16	40	27	15	18

У процесі проведення експериментів виявлено, що при введенні в шлак понад 18% карналіту порушувалася стабільність процесу, очевидно внаслідок збільшення електропровідності шлаку, а також спостерігалося підвищене димоутворення при випаровуванні KCl·MgCl₂. Тому доцільно обмежитися концентрацією карналіту в шлаку на указаному рівні.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Також досліджено вплив складу шлаку на якість виплавленого металу, зокрема на його газонасиченість та забрудненість неметалевими вкрапленнями.

Газонасиченість визначали за балом пористості на макрошліфах (рис. 4), а забрудненість за зломом зразків (рис. 5). На даних рисунках представлені найбільш характерні зразки з алюмінієвого сплаву. Установлено, що найбільш пористим є метал, що виплавлений із використанням шлаків №1 і №4. Пояснюється це відсутністю або низьким вмістом у них рафінуючого компонента - кріоліту. За шкалою ВИАМ пористість металу відповідає 4-5 балу. Навпаки, алюмінієвий сплав, виплавлений під шлаками №2, №9, №11 і №16, у яких вміст кріоліту складав 10-15%, є більш щільним, з мінімальною кількістю пор, а в деяких випадках вони відсутні взагалі. За шкалою ВИАМ пористість цого металу оцінюється в 1 бал.



Про незадовільну якість алюмінієвого сплаву, виплавленого під шлаками №1 і №4 свідчать і злами зразків, на яких спостерігаються місця накопичення оксидних вкраплень та рихлість. Метал, виплавлений під шлаками №2, №9, №11 і №16, характеризується щільною дрібнокристалічною будовою. Злами в даному випадку мають рівномірний світло-сірий відтінок, що свідчить про низький вміст у металі оксидних вкраплень і газів.

Таким чином установлено, що для ефективного рафінування сплаву АЛ25 від неметалевих вкраплень і газів в шлак необхідно додавати кріоліт, а для збереження магнію в нормованих межах - карналіт. Кількість цих компонентів, виходячи з результатів проведених досліджень, повинна складати 10-15 і 12-18% відповідно.

На підставі проведеного комплексу досліджень для плавки відходів алюмінієвого поршневого сплаву АЛ25 розроблено соляний шлак складу, %: NaCl - 44…48; KCl - 25…30; Na₃AlF₆ - 10…15; KCl·MgCl₂ - 12…18, який забезпечує стабільне ведення процесу, збереження хімічного складу металу та ефективне його рафінування від неметалевих домішок і газів. Рекомендовано використовувати даний шлак також для плавки інших алюмінієвих сплавів зі вмістом магнію до 2,5%.

Для підтвердження цього були проведені додаткові експериментальні плавки відходів сплавів Д16 і АМг2. Результати хімічного аналізу отриманого металу приведені в табл. 5. Як видно, за вмістом основних легуючих елементів, в тому числі і магнію, отримані сплави повністю відповідають вимогам стандарту (ГОСТ 4784-74 на сплави Д16 і АМг2). Вміст шкідливих домішок не перевищує допустимих меж.

Таблиця 5

Хімічний склад алюмінієвих сплавів

№ п/п	Початковий сплав	Вміст легуючих компонентів і домішок, % мас.
		Al	Mg	Mn	Cu	Si	Ni	Тi	Fe	Zn
1	Д16	основа	1,6	0,6	4,0	0,24	0,02	0,04	0,4	0,12
2	Д16	основа	1,7	0,53	3,8	0,22	0,02	0,04	0,36	0,26
3	АМг2	основа	2,5	0,27	0,05	0,15	-	0,02	0,2	0,06
4	АМг2	основа	2,63	0,3	0,05	0,2	-	0,02	0,27	0,08

При переробці стружки бронзи КН1-3 основні задачі полягали в дослідженні поведінки легуючих елементів і газів у залежності від шлаку, який використовувався. В якості останніх, як уже відзначалось вище, вибрані стандартні шлаки АНФ-7, АНФ-24, АНФ-28 і АНФ-28-М. Для дослідів використовували бронзову стружку складу №2 (табл. 2). При плавках температуру шлакової ванни підтримували приблизно на рівні 1600 - 1640 К.

Дослідженням хімічного складу отриманого металу (рис. 6) виявлено, що відбувається значний вигар марганцю незалежно від шлаку, що використовувався. У металі, виплавленому під шлаками АНФ-7 і АНФ-24, також спостерігається зменшення вмісту кремнію. Вміст інших компонентів сплаву, враховуючи регламентовані домішки, залишався в межах норми. Дослідження газового складу металу показали, що вміст кисню та водню в бронзі, виплавленій із стружки під різними шлаками, дещо нижчий ніж в початковому металі і коливається відповідно в межах 0,00015 - 0,0002% мас. та 0,0008 - 0,001% мас., а це говорить про те, що при електрошлаковій плавці відбувається рафінування металу від газів.

шлак АНФ-7 шлак АНФ-24



шлак АНФ-28 шлак АНФ-28М

Рис. 6. Зміна вмісту легуючих елементів і домішок у бронзі КН1-3, виплавленій під різними шлаками:

1 - початкова бронза; 2 - бронза після переплаву.

Виходячи з вище зазначеного, при електрошлаковій плавці бронзи КН1-3 слід використовувати шлаки, до складу яких входить оксид кремнію, а з метою запобігання вигару марганцю слід додавати в шлак компоненти, що містять цей елемент. Найбільш придатним у даному випадку виявився стандартний шлак АНФ-28 з добавками флюсу АН-348-А. В останньому вміст оксиду марганцю (MnO) становить близько 35%.

Проведені додаткові експерименти з метою дослідження поведінки марганцю при плавці бронзи КН1-3 в залежності від кількості доданого в шлак компонента, що містить цей елемент, та часу витримки. За даними хімічного складу виплавленого металу та кінцевого шлаку побудовані відповідні залежності (рис. 7 а, б). Установлено, для того, щоб вміст марганцю в бронзі залишався в межах норми, необхідно підтримувати вміст оксиду марганцю в шлаку на рівні 2,8-5%. Тому надалі при плавці відходів бронзи КН1-3 використовували шлак АНФ-28 з додаванням від 8 до 15 % флюсу АН-348-А.

При електрошлаковій переробці відходів бронзи БрХ основною задачею було запобігання вигару хрому, який є достатньо активним елементом. Як показав досвід попередніх експериментів щодо переплаву відходів алюмінієвого сплаву АЛ25 і бронзи КН1-3, збереження в регламентованих межах того чи іншого легуючого елементу сплаву можливе за рахунок підвищення його активності в шлаку, що досягається уведенням сполук які містять потрібні компоненти. Для бронзи БрХ такою хімічною сполукою є оксид хрому (Cr₂O₃), необхідну кількість якого для додавання в шлак визначали дослідним шляхом. Плавки проводили під шлаками АНФ-28 і АНФ-7, що не містить SiO₂. Вибір останнього пов'язаний з тим, що при використанні шлаків з SiO₂ можливе насичення металу кремнієм. А для даної бронзи цей елемент є шкідливою домішкою. Кількість оксиду хрому додавали як вказано в табл. 6.

Рис. 7. Зміна вмісту Mn в бронзі (а) та MnO в шлаку (б) при додаванні флюсу АН-348-А в залежності від часу витримки.

Кількість флюсу АН-348-А від загальної маси шлаку, %: 1 - 5; 2 - 8; 3 - 10; 4 - 15; 5 - 18

Хімічний склад отриманого сплаву приведено в табл. 6, звідки слідує, що в бронзі, виплавленій під шлаками без Cr₂O₃ вміст хрому зменшився приблизно на 15% у порівнянні з початковим значенням (табл. 6). В інших випадках концентрація цього легуючого елемента знаходиться на рівні з початковим сплавом Також установлено, що при плавці відходів бронзи БрХ під шлаком АНФ-28 відбувається насичення сплаву кремнієм, вміст якого збільшується майже в 5 разів у порівнянні з початковим. Таким чином, для збереження хрому і домішок в бронзі БрХ на регламентованому рівні необхідно здійснювати плавку з використанням шлаку АНФ-7 із додаванням до нього від 1,5 до 3,0% оксиду хрому.

Таблиця 6

Умови експериментальних плавок і хімічний склад отриманої бронзи БрХ

№ плавки	Шлак	Кількість Cr2O3 від маси шлаку, %	Вміст основних компонентів і домішок, % мас.
			Cu	Cr	Ni	Si	Zn	Pb	Fe
1	АНФ-28	-	основа	0,43	0,01	0,18	0,01	0,07	0,06
2		1,5	основа	0,58	0,01	0,2	0,0015	0,06	0,05
3		2,0	основа	0,61	0,01	0,2	0,01	0,06	0,055
4		3,0	основа	0,73	0,01	0,22	0,01	0,055	0,06
5	АНФ-7	-	основа	0,45	0,01	0,04	0,012	0,05	0,06
6		1,5	основа	0,6	0,01	0,05	0,01	0,07	0,05
7		2,0	основа	0,6	0,01	0,04	0,012	0,05	0,06
8		3,0	основа	0,72	0,01	0,04	0,01	0,05	0,06

Результати досліджень поведінки елементів при електрошлаковій плавці некомпактних відходів бронз КН1-3 і БрХ покладені в основу розробки нових технологій виплавки указаних сплавів з відходів міді з подальшим легуванням в процесі плавки необхідними елементами із шлакового розплаву. Для цього в шлак додаються компоненти, які містять ці елементи, наприклад їх оксиди, і створюються температурні умови для їх відновлення та переходу в метал. Отримання бронз таким способом дає додатковий економічний ефект за рахунок використання відходів, які значно дешевші за первинні матеріали, а також зниження витрат на легуючі компоненти.

При виплавці бронзи КН1-3 легування міді нікелем, кремнієм і марганцем відбувається за рахунок протікання реакцій оксидів даних елементів з вуглецем:

NiO + C = Ni + CO (7)

MnO + C = Mn + CO (8)

SiO₂ + C = Si + CO (9)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Визначені температурні умови протікання даних реакцій (рис. 8). Як видно, в умовах електрошлакового процесу відновлення Ni та Mn за реакціями 7 і 8 відбувається досить легко (згідно з розрахунками для цих реакцій ДG⁰=0 при температурах 720 та 1660 К відповідно), а відновлення кремнію за реакцією 9 відбувається при більш високій температурі (ДG⁰=0 при Т=1840 К). Така температура є досить високою для даного процесу. Це підтверджується і результатами хімічного аналізу (табл. 7), звідки видно, що легування сплаву кремнієм при використанні вуглецю, як відновника, майже не відбувається. Зважаючи на це, в якості відновника було використано карбід кальцію (CaC₂). У даному випадку реакція протікає наступним чином:

3SiO₂ + 2CaC₂ = 3Si + 2CaO + 4CO (10)

Розрахунки показали, що використання карбіду кальцію дозволяє знизити температуру, необхідну для відновлення кремнію (реакція 10), яка в даному випадку дорівнює Т=1680К (рис. 8).

Проведені експерименти підтвердили можливість отримання бронзи КН1-3 таким чином. За хімічним складом вона повністю відповідає вимогам ГОСТ на сплав даної марки.

При виплавці бронзи БрХ легування міді, в залежності від відновника, що використовується, відбувається за рахунок протікання таких реакцій:

Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO (11)

Cr₂O₃ + CaC₂ = 2Cr + CaO + 2CO (12)

Згідно з термодинамічними розрахунками для реакцій 11 і 12 ДG⁰=0 при температурах 1528 та 1092 К відповідно (рис. 8), а це говорить про те, що в умовах електрошлакової плавки можливе протікання обох приведених реакцій.

Таблиця 7

Хімічний склад бронзи, отриманої з відходів міді з легуванням нікелем, кремнієм і марганцем.

№ п/п	Вміст основних компонентів, %	Домішки, %	Відновник
	Cu	Ni	Si	Mn	Al	Zn	Pb	Sn	Fe
1	основа	2,97	0,26	0,35	0,02	0,06	0,1	0,08	0,05	С
2	основа	2,93	0,2	0,36	0,015	0,05	0,1	0,1	0,05	С
3	основа	3,0	0,75	0,37	0,012	0,05	0,1	0,06	0,05	С + CaC2
4	основа	2,95	0,93	0,43	0,02	0,05	0,08	0,07	0,08	С + CaC2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Експерименти проводили з використанням, як і при переробці стружки БрХ, стандартного шлаку АНФ-7 складу: CaF₂ - 75%, CaO - 25 % (шлак №1), також шлаку складу: CaF₂ - 50%, CaO - 25 %, Al₂O₃ - 25% (шлак №2). У ці шлаки додавали оксид хрому, кількість якого визначали розрахунковим шляхом. Також додатково уводили цю сполуку в шлак із тих міркувань, що згідно з умовами перерозподілу елементів між металевою і шлаковою фазами, деяка частина оксиду хрому залишиться в шлаку. Результати хімічного аналізу отриманого металу показали, що концентрація хрому в дослідних зразках бронзи різних плавок була в межах 0,42 - 0,88%, що відповідає вимогам стандарту на бронзу марки БрХ.

Шляхом зміни кількості оксиду хрому, який додатково уводили в шлак, експериментально була установлена залежність вмісту хрому в бронзі БрХ від кількості Cr₂O₃ в шлаку (рис. 9). Видно, що для досягнення оптимальної концентрації хрому в сплаві (0,5-0,9%) в шлак потрібно додатково уводити від 0,4 до 2% Cr₂O₃.

Технології електрошлакової плавки некомпактних відходів алюмінієвих і мідних сплавів. У четвертому розділі наведені основні положення технологій електрошлакової плавки відходів алюмінієвих і мідних сплавів. Викладені результати дослідження хімічного складу і структури металів, отриманих з відходів. Приведено дослідження впливу режимів термічної обробки бронзи КН1-3 на зміну її експлуатаційних характеристик.

Переробку некомпактних відходів алюмінієвих сплавів (АЛ25, Д16, АМг2) здійснювали в плавильній ємності з об'ємом робочого простору 58 дм³ і шамотною футерівкою. Схема живлення печі однофазна одноелектродна з донним струмопідводом. Верхнім струмопідводом був невитратний металевий електрод, що охолоджується водою, з графітованим наконечником.

Плавки починали з наведення в тиглі шлакової ванни з твердого старту. Для цього використовували соляний шлак наступного складу: NaCl - 45,5%; KCl - 26,5%; KCl·MgCl₂ - 16%; Na₃AlF₆ - 12%. Електричні режими на цьому етапі були такими: U=28-32В; І?1600А. Потім на розігріту до температури 1153-1173 К шлакову ванну поступово порціями по 0,5-0,7 кг подавали шихту. Указана температура шлаку досягається при потужності 400-450 кВт, яку було прийнято оптимальною для даного процесу, так як при цьому забезпечується швидке, з мінімальним окисленням розплавлення шихти і висока продуктивність процесу. Електричні режими за такої потужності були наступними: U=25-27В; І=1650-1700А. Час плавки алюмінієвих відходів (до заповнення тигля) складав приблизно 60 хв. Після закінчення плавки метал витримували 5-7 хв, доводячи його температуру до прийнятих температур заливки відповідних алюмінієвих сплавів.

У результаті цих плавок отримані стандартні чушкові заготівки вагою близько 15 кг (рис. 10) та визначені основні технологічні параметри процесу, а саме: продуктивність печі 100 - 120 кг/год., витрати електроенергії 450 - 500 кВт·год/т, витрати шлаку 10-15 % від маси металу, витрати графітових електродів 8 кг/т, вигар металу 2 - 4 %.

Електрошлакову плавку відходів бронз КН1-3 і БрХ, а також виплавку цих сплавів із відходів міді з легуванням відповідними елементами здійснювали в плавильній ємності з цільним графітованим тиглем. Схема живлення печі така ж як і при переробці алюмінієвих відходів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

При плавці стружки бронзи КН1-3 використовували шлак АНФ-28. Для запобігання вигару марганцю, згідно з розробленими і описаними вище рекомендаціями, використовували флюс АН-348-А, який в необхідній кількості додавали в процесі плавки стружки. Подачу шихти здійснювали зі швидкістю 2,5-3,0 кг/хв. Тривалість періоду плавки стружки, необхідної для одержання заготівки вагою 75 кг, у середньому 30 хв.

Визначено вплив потужності, що виділяється в шлаковій ванні на зміну температури шлаку та металу (рис.11). Установлено, що, з точки зору швидкості плавлення шихти і стабільності електрошлакового процесу, температура шлаку повинна знаходитися в межах 1623-1643 К, для підтримки якої необхідно вкладати потужність 56-60 кВт.

Виплавку бронзи КН1-3 з відходів міді з легуванням нікелем, кремнієм і марганцем здійснювали практично за тією ж схемою, що і переплав відходів даного сплаву. Відмінність полягала в тому, що металеву частину шихти становила стружка і брухт міді і нікелю (останній використовували замість оксиду нікелю, який є дорогим і дефіцитним матеріалом), які подавали в піч одночасно, а легування бронзи кремнієм і марганцем здійснювали зі шлаку. Для цього періодично в шлаковий розплав уводили розрахункову кількість флюсу АН-348-А, а також, для відновлення кремнію, додавали карбід кальцію. Температуру шлаку для відновлення кремнію з його оксиду піднімали до 1683 -1723 К і витримували 5-7 хв.

Аналогічно отримували і бронзу БрХ. Спочатку в шлаковій ванні, склад якої в даному випадку був наступним: CaF₂ - 50%; CaO - 25%; Al₂O₃ - 25%, розплавляли мідь, а легування хромом здійснювали шляхом відновлення його з оксиду хрому. Останній в розрахунковій кількості періодично додавали до шлаку на протязі плавки. Електричні режими даного процесу такі ж, як і при плавці бронзи КН1-3.

У результаті електрошлакової переробки стружки бронзи КН1-3 отримані різні відливки вагою від 30 до 100 кг, зокрема заготівки притискних губок машин контактного стикового зварювання (рис. 12 а). Із бронзи БрХ електрошлакової виплавки отримані відливки циліндричної форми вагою близько 50 кг (рис.12 б).

Рис. 12. Відливки з бронз КН1-3 (а) і БрХ (б).

Також визначені основні технологічні параметри процесу плавки відходів бронз: продуктивність печі 150 - 180 кг/год., витрати електроенергії 500 - 600 кВт·год/т, витрати шлаку 8 - 10% від маси металу, витрати графітових електродів 10 кг/т, вигар металу не більше 1%.

Дослідження якості алюмінієвих сплавів показали, що за хімічним складом вони відповідають сплавам АЛ25, Д16 и АМг2 (табл. 8). Пористість зливка зі сплаву АЛ25 не значна і за шкалою ВИАМ відповідає 1 балу (рис. 13 а). Злам рівномірного сріблясто-сірого відтінку на всій площині, має дрібнокристалічну будову (рис. 13 б), що є свідченням відсутності в металі грубих шлакових, оксидних та ін. вкраплень і низького вмісту газів.

Таблиця 8

Хімічний склад чушкових алюмінієвих заготівок

№ п/п	Вміст основних компонентів та домішок, % мас.
	Al	Si	Cu	Mg	Ni	Mn	Ti	Fe	Zn
1	основа	10,5	1,7	1,1	0,8	0,3	0,055	0,6	0,5
2	основа	10,3	1,74	1,2	0,95	0,33	0,05	0,7	0,5
АЛ25 початковий	основа	10,5	1,8	1,3	0,95	0,3	0,056	0,6	0,5
1	основа	0,18	4,1	1,5	0,02	0,57	0,04	0,4	0,27
Д16 початковий	основа	0,2	4,0	1,7	0,02	0,6	0,04	0,4	0,25
1	основа	0,22	0,05	2,45	-	0,28	0,02	0,3	0,1
АМг2 початковий	основа	0,15	0,05	2,6	-	0,3	0,02	0,25	0,08

Рис. 13. Макроструктура (а) і злам зливка (б) зі сплаву АЛ25.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Окрім цього, визначені деякі механічні властивості сплаву АЛ25, отриманого з відходів, такі як твердість, межа міцності, межа текучості та відносне подовження. Установлено, що вони знаходяться на рівні, які рекомендовано ГОСТ 1583-93 (табл. 9), що, в свою чергу, підтверджує високу якість даного металу.

Бронзи, отримані з відходів різними способами, за хімічним складом також відповідають сплавам КН1-3 і БрХ (табл. 10 і 11). Вміст газів у бронзі КН1-3 дещо нижчий ніж у металі заводського виробництва (в даному випадку виробництва «КольчугЦветМет»), і знаходиться в таких межах: [Н] - 0,00013-0,00017% мас., [О] - 0,00046-0,0008% мас. Вміст газів в бронзі БрХ наступний: [Н] - 0,00039-0,00042% мас., [О] - 0,003-0,0032% мас. Структура литого металу щільна і однорідна, без пор, неметалевих вкраплень та інших макродефектів. Це підтверджує високу рафінуючу здатність шлаків, що використовуються

Бронза КН1-3 широко застосовується при виготовленні різних струмопідвідних елементів у машинах контактного стикового зварювання. Тому до неї висуваються підвищені вимоги щодо твердості, міцності та електропровідності. Відомо, що дана бронза здатна до дисперсійного зміцнення за рахунок виділення в матриці фази Nі₂Si при старінні. Тому її властивості багато в чому залежать від режимів термічної обробки. Виходячи з цього, проведені дослідження впливу різних режимів термічної обробки, які включають загартування з наступним відпалом, на зміну властивостей бронзи електрошлакової плавки (рис. 14). У результаті проведених дослідів визначені оптимальні параметри термічної обробки, які дозволяють отримувати бронзу КН1-3 з необхідним комплексом експлуатаційних властивостей, а саме за твердістю, міцністю та питомим електроопором.

Таблиця 10

Хімічний склад бронзи КН1-3

№ плавки	Вміст основних компонентів, % мас.	Домішки, % мас.
	Cu	Ni	Si	Mn	Al	Zn	Pb	Sn	Fe
Із стружки бронзи «КольчугЦветМет»
2	основа	2,6	0,75	0,35	0,02	0,08	0,08	0,1	0,08
10	основа	3,3	1,1	0,2	0,02	0,1	0,12	0,09	0,1
14	основа	3,25	1,1	0,4	0,02	0,1	0,06	0,08	0,1
20	основа	2,8	1,0	0,37	0,01	0,07	0,1	0,1	0,1
25	основа	2,8	0,9	0,4	0,02	0,1	0,07	0,06	0,1
27	основа	2,8	0,9	0,38	0,015	0,09	0,07	0,07	0,1
Із відходів міді з легуванням нікелем, кремнієм і марганцем
1	основа	3,0	0,8	0,3	0,015	0,09	0,07	0,08	0,1
4	основа	2,5	0,8	0,25	0,015	0,08	0,07	0,09	0,09
6	основа	3,0	1,0	0,3	0,01	0,09	0,09	0,08	0,09
ГОСТ 18175-78	основа	2,4-3,4	0,6-1,1	0,1-0,4	?0,02	?0,1	?0,15	?0,1	?0,1

Таблиця 11

Хімічний склад бронзи БрХ електрошлакової виплавки

№ плавки	Вміст основних елементів та домішок, % мас.
	Cu	Cr	Ni	Si	Zn	Pb	Fe
1	основа	0,63	0,01	0,04	0,012	0,025	0,04
2	основа	0,7	0,01	0,04	0.01	0,03	0,05
БрХ ГОСТ 18175-78	основа	0,4 - 1,0	Загальна сума домішок - не більше 0,3 %

Виготовлені з бронзових литих заготівок і термооброблені згідно з розробленими режимами деталі машин контактного стикового зварювання при експлуатації показали високу стійкість, що не поступається стійкості подібних деталей виготовлених із бронзи «КольчугЦветМет».

Визначені також деякі властивості бронзи БрХ електрошлакової виплавки після термічної обробки. Установлено, що вони знаходяться в межах, регламентованих стандартом (ТУ 48-21-163-72) (табл. 12).

Таблиця 12

Властивості бронзи БрХ електрошлакової виплавки

Бронза БрХ	ув, МПа	д, %	НВ	с, Ом·мм2/м
Електрошлакової виплавки після термічної обробки	450-460	5-6	134-140	0,02
ТУ 48-21-163-72	450-500	4-6	130-140	?0,02

Рис. 14. Залежність твердості (І), міцності (ІІ) і питомого електроопору (ІІІ) бронзи КН1-3 електрошлакової плавки від температури (а) та часу (б) відпалу:

1 - бронза зі стружки «КольчугЦветМет»; 2 - бронза з відходів міді та нікелю з легуванням кремнієм і марганцем.

Результати виконаних наукових і практичних досліджень дозволяють рекомендувати розроблені технології для електрошлакової переробки некомпактних відходів алюмінієвих та мідних сплавів з отриманням високоякісних металів.

ВИСНОВКИ

1. Показано, що одним із ефективних методів переробки некомпактних металевих відходів, у тому числі алюмінієвих і мідних сплавів, є електрошлакова плавка з невитратним електродом, при якій забезпечується ефективне рафінування металу та збереження його хімічного складу в нормованих межах. сплав електрошлаковий алюмінієвий мідний

2. Визначені оптимальні технологічні схеми електрошлакової плавки некомпактних відходів кольорових металів, а саме: для алюмінієвих сплавів - в плавильній ємності з шамотною футерівкою та донним зливом металу окремо від шлаку, для мідних сплавів - в ємності футерованій вуглецевоумісними матеріалами з верхнім зливом металу разом зі шлаком. На основі цього здійснена модернізація плавильного обладнання.

3. Склад соляних шлаків впливає на поведінку легуючих елементів алюмінієвих сплавів, що містять магній, і рафінує їх від неметалевих вкраплень і газів. Установлена необхідність додавання в шлак для рафінування металу кріоліту (Na₃AlF₆), а для стабілізації хімічного складу металу - магнійумісними компонентів, наприклад карналіту (KCl·MgCl₂).

4. Установлено, що при співвідношенні карналіту до кріоліту як (1,2 - 1,7) : 1 концентрація магнію в алюмінієвих сплавах, що містять цей елемент (до 2,5% Mg), таких як АЛ25, Д16 і АМг2, зберігається в регламентованих межах. Розроблена технологія електрошлакової плавки відходів указаних алюмінієвих сплавів з використанням соляного шлаку складу: 44…48% - NaCl; 25…30% - KCl; 10…15% - Na₃AlF₆; 12…18% - KCl·MgCl₂.

5. Вивчено поведінку легуючих елементів при електрошлаковій переробці відходів кремнієво-нікелевої бронзи КН1-3 і хромової бронзи БрХ. Рекомендовано для першої з метою запобігання вигару марганцю додавати в шлак компоненти, що містять цей елемент, наприклад стандартний флюс АН-348-А в кількості 8-15% (в перерахунку на MnO - 2,8-5%). Для другої - з метою запобігання вигару хрому підтримувати концентрацію в шлаку оксиду даного елементу в межах 1,5-3,0%.

6. Показана можливість електрошлакової виплавки бронз КН1-3 і БрХ із некомпактних відходів міді,з легуванням, у першому випадку, нікелем, кремнієм і марганцем із шлакового розплаву шляхом відновлення їх із оксидів, а в другому, із мідних відходів з легуванням хромом шляхом відновлення його з оксиду.

7. Якість металів електрошлакової плавки за основними показниками, такими як хімічний склад, вміст неметалевих вкраплень та газів і механічними властивостями, задовольняє вимогам відповідних стандартів щодо алюмінієвих сплавів марок АЛ25, Д16 і АМг2 та бронз КН1-3 і БрХ. Для бронзи КН1-3 визначені режими термічної обробки (дисперсійного зміцнення), які забезпечують підвищення її твердості, міцності та електропровідності, що дозволяє використовувати отриманий метал для виготовлення відповідальних деталей, в тому числі в машинах контактного стикового зварювання рейок і труб.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Биктагиров Ф.К. Электрошлаковая плавка некомпактных металлических и металлосодержащих материалов / Биктагиров Ф.К., Крутиков Р.Г., Гнатушенко А.В. // Сборник научных трудов VII Междунар. научн.-техн. конф. «Проблемы металлургии, материаловедения и сварки». - Тбилиси, 2002. - С. 347-353.

2. Проблемы переработки некомпактных алюминиевых отходов / В.А. Шаповалов, Ф.К. Биктагиров, А.В. Гнатушенко [и др.] // Современная электрометаллургия. - 2005. - № 2. - С. 18-22.

3. Электрошлаковый переплав стружки бронзы Бр.КН1-3 / В.А. Шаповалов, Ф.К. Биктагиров, А.В. Гнатушенко [и др.] // Тематичний збірник наукових праць «Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні». - Краматорськ, 2005. - С. 524-526.

4. Качество марганцево-медного сплава электрошлаковой выплавки из некомпактной шихты / В.А. Шаповалов, Ф.К. Биктагиров, А.В. Гнатушенко [и др.] // Вісник ДДМА. - 2006. - № 3. - С. 54-57.

5. Гнатушенко А.В. Качество кремнисто-никелевой бронзы КН1-3 / Гнатушенко А.В. // Матеріали V Всеукраїнської наук.-техн. конф. молодих учених та спеціалістів «Зварювання та споріднені технології». - Київ: ІЕЗ, 2009. - С. 127.

6. Переработка алюминиевой стружки в солевых расплавах / А.В. Гнатушенко, Ф.К. Биктагиров, В.А. Шаповалов [и др.] // Вісник ДДМА. - 2009. - № 1. - С. 13-16.

7. Качество кремниево-никелевой бронзы КН1-3 электрошлаковой выплавки из некомпактных отходов / А.В. Гнатушенко, Ф.К. Биктагиров, А.П. Игнатов [и др.] // Современная электрометаллургия. - 2009. - № 4. - С. 13-16.

8. Рафинирование металла при плавке меди и ее сплавов из отходов / В.Н. Коледа, В.М. Илюшенко, Ф.К. Биктагиров, А.В. Гнатушенко [и др.] // Современная электрометаллургия. - 2011. - № 1. - С. 33-37.

9. Гнатушенко А.В. Электрошлаковая виплавка хромовой бронзы БрХ / Матеріали VІ Науково-технічної конференції молодих учених та спеціалістів «Зварювання та споріднені технології». - Київ: ІЕЗ, 2011. - С. 120.

10. Патент України на корисну модель №59967. Спосіб електрошлакової виплавки бронзи марки КН1-3. Ф.К. Біктагіров, В.О. Шаповалов, О.В. Гнатушенко, А.П.Ігнатов. Заявл. 29.10.2010., опубл. 10.06.2011., бюл №11 2011 р.

АНОТАЦІЯ

Гнатушенко О.В Нові технології електрошлакової плавки некомпактних відходів алюмінієвих і мідних сплавів та їх рафінування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02 «Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів» - Інститут електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України, Київ, 2011 р.

Дисертація присвячена розробці технологій переробки некомпактних відходів алюмінієвих і мідних сплавів з отриманням якісних вторинних металів на основі електрошлакової тигельної плавки з невитратним електродом.

Установлено, що при співвідношенні в шлаку між магнійвміщуючим компонентом (карналіт) і рафінуючим компонентом (кріоліт) як (1,2 - 1,7) : 1 концентрація магнію в сплаві АЛ25 зберігається в межах 0,8-1,3.

Розроблено соляний шлак для плавки відходів алюмінієвого сплаву АЛ25, а також сплавів Д16 і АМг2 складу, %: 44…48 - NaCl; 25…30 - KCl; 10…15 - Na₃AlF₆; 12…18 - KCl·MgCl₂, який забезпечує стабільне ведення процесу, збереження хімічного складу сплавів і ефективне їх рафінування від неметалевих вкраплень і газів.

Досліджено поведінку легуючих елементів при плавці відходів бронз КН1-3 і БрХ. Показано, що при забезпеченні концентрації в шлаку MnO в межах 2,8-5,0% вміст марганцю в бронзі КН1-3 залишається в межах норми. Для запобігання вигару хрому в бронзі БрХ слід підтримувати вміст Cr₂O₃ в шлаку в межах 1,5-3,0%

Розроблені технології електрошлакової виплавки бронз КН1-3 і БрХ із відходів міді з легуванням відповідними елементами з шлакової ванни.

Досліджено якість отриманих металів. Установлено, що за хімічним складом вони відповідають алюмінієвим сплавам марок АЛ25, Д16 і АМг2 та бронзам марок КН1-3 і БрХ. Для бронзи КН1-3 визначені оптимальні режими термічної обробки, що дозволяє отримувати метал з необхідним обсягом експлуатаційних властивостей.

Ключові слова: електрошлакова плавка, некомпактні відходи, шлаки, алюмінієві сплави, бронза, рафінування, неметалічні вкраплення, якість металу, хімічний склад, термічна обробка.