Флюс для электрошлакового переплава цветных металлов
Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано в технологии электрошлакового переплава цветных металлов. Флюс дополнительно содержит суперфосфат при следующем соотношении компонентов, мас.%: криолит 10-20; суперфосфат 10-15; фтористый кальций остальное. Изобретение позволяет повысить механические свойства металла при температуре разупрочнения его свыше 250°С за счет активной ассимиляции неметаллических включений из металла в шлак и равномерного распределения оставшихся неметаллических включений в металле с одновременным повышением содержания фосфора в нем. 3 табл.
Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано в технологии электрошлакового переплава цветных металлов.
Известен флюс для плавки медных сплавов, содержащий криолит, фторид кальция и глинозем при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Криолит 30-60
Фторид кальция 10-25
Глинозем Остальное
(См. А.С. СССР №265917, С 22 В 9/18).
Известный флюс не обеспечивает получения металла с высокими механическими свойствами при рабочих температурах выше 250°С из-за перенасыщения флюса кислородом, высвобождающимся из глинозема, что приводит к частичному переходу кислорода в металл и появлению в нем большого количества неметаллических включений, а также за счет пониженных рафинирующих свойств по отношению к остальным неметаллическим включениям ввиду повышенной вязкости наводимого шлака.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является флюс для электрошлакового переплава металлов, содержащий криолит, фтористый кальций, фтористый натрий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Криолит 50-85
Фтористый натрий 20-5
Фтористый кальций Остальное
(См. А.С. СССР №403757, С 22 В 9/18).
Недостатком известного флюса является то, что он не обеспечивает требуемого комплекса механических свойств металла при температуре выше 250°С, так как в процессе переплава в результате реакции криолита с кислородом металла происходит накопление оксида алюминия во флюсе и увеличение его вязкости, что затрудняет удаление неметаллических включений из металла. Кроме того, оксиды алюминия, располагаясь по границам зерен металла, препятствуют образованию плотной и однородной структуры, что также приводит к снижению механических свойств металла.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении механических свойств металла при температуре разупрочнения его свыше 250°С за счет активной ассимиляции неметаллических включений из металла в шлак и равномерного распределения оставшихся неметаллических включений в металле с одновременным повышением содержания фосфора в нем.
Поставленная задача решается тем, что известный флюс для электрошлакового переплава цветных металлов, содержащий криолит и фтористый кальций, согласно изобретения, дополнительно содержит суперфосфат при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Криолит 10-20
Суперфосфат 10-15
Фтористый кальций Остальное
Известно использование суперфосфата в качестве удобрения (см. Глинка Н.А. Общая химия - Л.: Химия, 1974 г., с.419-420).
В заявляемом флюсе суперфосфат проявляет свойство раскислителя шлака и снабжает фосфором переплавляемый металл за счет активного отбора кислорода у имеющихся оксидов с образованием при этом пересыщенного раствора с низкой температурой плавления. Это способствует удалению оксидов в шлаковую фазу. Одновременно с этим часть непрореагировавшего фосфора, оставаясь в металле, увеличивает температуру рекристаллизации меди, а следовательно, способствует повышению комплекса механических свойств металла при температурах выше 250°С.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый флюс для электрошлакового переплава цветных сплавов не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности “изобретательский уровень”.
Заявляемый флюс для электрошлакового переплава (ЭШП) готовят следующим образом. Компоненты флюса: криолит, фтористый кальций и суперфосфат в заявляемом соотношении засыпают в бункер и подвергают тщательному перемешиванию до получения массы однородной консистенции, после чего флюс готов к использованию.
Перед использованием флюс заявляемого состава обезвоживают путем прокаливания в термической печи, например СНО 8.16.5/10 - И2 при температуре 750-800°С в течение 2-3 часов.
Использование флюса при ЭШП цветных металлов осуществляют следующим образом. Заявляемый флюс помещают в медный водоохлаждаемый кристаллизатор диаметром 380 мм, опускают в него медный электрод, включают ток и начинают плавление флюса, в котором затем переплавляют металл. При этом между металлом и флюсом происходят теплообменные процессы и физико-химические взаимодействия, приводящие к рафинированию металла. После окончания переплава остатки флюса отправляют в отвал.
Заявляемое соотношение компонентов флюса обеспечивает раскисление шлака и снабжение металла фосфором за счет активного отбора кислорода у имеющихся оксидов с образованием при этом пересыщенного раствора с низкой температурой плавления. Это способствует удалению оксидов в шлаковую фазу. При этом часть непрореагировавшего фосфора, оставаясь в металле, увеличивает температуру рекристаллизации меди, обеспечивая повышение комплекса механических свойств при температурах выше 250°С.
Криолит (Nа3АlF 3) в заявляемом количестве предназначен для снижения температуры плавления флюса, что позволяет снизить вязкость флюса, а следовательно, обеспечить уменьшение количества неметаллических включений в металле.
Содержание криолита в шлаке менее 10 мас.% приводит к повышению температуры плавления флюса, увеличению его вязкости, в результате чего на поверхности слитка образуются гофры, а в переплавляемом металле остается много неметаллических включений, приводящих к снижению механических свойств металла.
Вводить в состав флюса криолит в количестве более 20 мас.% нецелесообразно, так как он обладает очень высокой раскислительной способностью по схеме: 2Nа3АlF3+3МеO=6NaF+Аl 2O3+3Ме. В результате реакции криолита с оксидами металла из него высвобождаются не только катионы Na +, которые образуют соединения высокой плотности, плохо удаляемые из металла, но и происходит накопление оксида алюминия во флюсе, повышающего вязкость, что затрудняет удаление неметаллических включений. В результате снижается способность флюса поглощать неметаллические включения, а это приводит к загрязнению металла и ухудшению его механических свойств.
Фтористый кальций (СаF2) в заявляемых пределах является основным технологическим компонентом, обеспечивающим заданный шлаковый и оптимальный электрический режимы процесса переплава. Наличие фтористого кальция обеспечивает повышенную проводимость и жидкоподвижность флюса, а также способствует удалению неметаллических включений из металла, что повышает механические свойства металла. Наличие фтористого кальция во флюсе в количестве менее 65 мас.% не обеспечивает повышенной проводимости и жидкоподвижности шлака. В результате нарушается электрический режим процесса, снижается способность флюса удалять неметаллические включения из металла, что приводит к ухудшению механических свойства последнего. Содержание фтористого кальция в количестве более 80 мас.% исключает возможность введения в состав флюса требуемого количества суперфосфата, в результате чего, содержание фосфора в металле составит менее 0,02%, а выплавленный металл не приобретет повышенной температуры рекристаллизации, что препятствует повышению механических свойств при температурах выше 250°С.
Заявляемое количество суперфосфата Са(Н 2РO4)2 во флюсе позволяет снизить количество неметаллических включений в металле (преимущественно оксидов, например Cu2O) путем активной ассимиляции их из металла в шлак и равномерного распределения оставшихся неметаллических включений в объеме металла и одновременно приводит к повышению содержания фосфора в металле, что способствует не только сохранению сплошности металла, но и значительному повышению его механических свойств при температурах выше 250°С.
Содержание суперфосфата во флюсе менее 10 мас.% приводит к замедлению и ослаблению процесса извлечения вредных оксидов из металла в шлак, в результате чего большая часть неметаллических включений остается в металле и, располагаясь по границам зерен, препятствует образованию однородной и плотной структуры металла. При этом содержание фосфора в меди составляет менее 0,02%, в результате чего температура металла не достигает температуры разупрочнения, т.е. ниже 250°С, а это приводит к снижению механических свойств металла.
Содержание суперфосфата во флюсе более 15 мас.% приведет к растворению в металле дополнительного количества фосфора, концентрация которого превысит 0,06%, что будет препятствовать повышению температуры металла до температуры разупрочнения (более 250°С), в результате чего механические свойства металла будут также снижаться.
Для обоснования преимуществ заявляемого флюса для ЭШП по сравнению с прототипом, были проведены опытные плавки в электрошлаковой печи ЭШП-1,25Л-И1, предназначенной для производства слитков 2000 и 2500 кг.
При переплаве медного электрода придерживались режима переплава, представленного в табл.1.
Выплавляли медные слитки с применением метода жидкого старта. Составы заявляемого флюса и флюса, взятого за прототип, приведены в табл.2. При этом соотношение компонентов заявляемого флюса в составах 1-5 взяты в заявляемых пределах, в составах 6 и 7 компоненты заявляемого флюса взяты в соотношениях, выходящих за заявляемые пределы. Составы 8-10 флюса взяты по прототипу.
После отключения печи, выплавленные слитки выдерживали в кристаллизаторе до полного затвердевания металла и флюса. Затем слитки вынимали из кристаллизатора и помещали на специальный стеллаж.
Для определения механических свойств выплавленного металла были изготовлены и испытаны разрывные образцы в виде брусков длиной 200 мм. Полученные механические свойства металла сравнивали со свойствами электролитической меди. Результаты механических испытаний приведены в табл. 3.
Химический состав металла, выплавленного на заявляемых составах флюса, соответствует меди марки М1р по ГОСТ 859-78, но с повышенным содержанием фосфора.
Результаты испытаний показали, что заявляемый флюс (составы 1-5) по сравнению с прототипом (составы 8-10) обеспечивает получение металла с высокими механическими свойствами: предел текучести увеличивается в 1,10-1,6 раза, предел прочности - в 1,07-1,15 раза, удлинение - в 1,18-1,42 раз. Кроме того, флюс обеспечивает повышение температуры разупрочнения металла по сравнению с прототипом в 1,41-1,6 раза.
Использование флюсов составов 6-7 нецелесообразно, так как механические свойства металла при повышенных температурах выплавляемых цветных металлов снижаются.
Таким образом, заявляемый флюс для электрошлакового переплава цветных металлов соответствует условию патентоспособности “промышленная применимость”, так как он работоспособен, устраняет недостатки прототипа и может быть использован в промышленных условиях.
Формула изобретения
Флюс для электрошлакового переплава цветных металлов, содержащий криолит и фтористый кальций, отличающийся тем, что он дополнительно содержит суперфосфат при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Криолит 10-20
Суперфосфат 10-15
Фтористый кальций Остальное
