TOPIENIE WYBRANYCH STOPÓW MIEDZI W WARUNKACH REDUKUJĄCYCH

Transkrypt

1 8/40 Solidification of Metals and Alloys, Year 1999, Volume 1, Book No. 40 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 1999, Rocznik 1, Nr 40 PAN Katowice PL ISSN TOPIENIE WYBRANYCH STOPÓW MIEDZI W WARUNKACH REDUKUJĄCYCH BYDAŁEK Adam W. Instytut Inżynierii Produkcji i Materiałoznawstwa Politechniki Zielonogórskiej ul. Szafrana 2, Zielona Góra STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki badań nad zastosowaniem nowych reagentów żużli rafinacyjnych w procesach topienia złomów i przetapiania w warunkach odlewniczych. Na podstawie analiz właściwości otrzymywanych stopów dokonano wyboru najkorzystniejszych reagentów dla mosiądzu MO59 i brązu B Wstęp Materiały badawcze opisujące procesy rafinacji miedzi i jej stopów w warunkach odlewniczych przedstawiają się, w odróżnieniu do metalurgii stopów żelaza, nadzwyczaj skromnie. Podczas gdy w stalownictwie wyjaśnione zostały wszystkie podstawowe zagadnienia związane z obróbką w stanie ciekłym, tu nie doczekały się nawet rozstrzygnięcia rozbieżności poglądów dotyczących podstawowego ustalenia - stosowania utleniających czy redukujących warunków topienia. Odlewniczego procesom topienia stopów miedzi towarzyszy prawie zawsze obecność żużla. Zapewnienie możliwie najmniejszego udziału tlenu w warunkach stopów miedzi uznane zostały za najważniejszy kierunek już w pracach A.Bydałka i współpracowników [1-9]. Zasadnicze dążenie w proponowanych przez nich zabiegach polegało na zapewnieniu jak najmniejszej aktywności tlenu w ciekłym metalu poprzez zastosowanie węglika wapnia jako aktywizatora żużli. Dzięki jego zastosowaniu uzyskiwano niskie stężenia tlenu w miedzi i stopach, znaczne podwyższenie właściwości wytrzymałościowych wraz z eliminacją porowatości w odlewach. W innych pracach [10-14] jako rafinacyjne środki o charakterze redukującym stosowano węglany głównie NaCO 3, K 2 CO 3 lub węgiel. Badania autora [15] potwierdziły obserwacje min. C. Adamskiego i S. Rzadkosza [16] i doprowadziły do wnioski, wbrew

2 88 cytowanym powyżej wynikom, że wymienione preparaty nie powinny wspomagać oddziaływań redukujących, intensywnie uczestnicząc raczej w zabiegach o charakterze utleniającym. W prezentowane pracy przedstawione zostaną wyniki przemysłowego wykorzystania warunków redukujących z uwzględnieniem nowej koncepcji oddziaływania wieloskładnikowych reagentów chemicznych [17,18] w odniesieniu do warunków przetwórczych i odlewniczych. 2. Topienie mosiądzów Badania wykonano w zakładzie przetwórczym METKOL-Andrzej Krupa w Praszce, w którym wyrobem końcowym są cechowane gąski odlewnicze, oraz w odlewniach w Oleśnie i Reczu. przetapiających przygotowane w warunkach hutniczych stopy w celu wytworzenia odlewów kształtowych - głównie na drodze odlewania kokilowego. Po wstępnej segregacji za pomocą przenośnego spektrometru masowego X-MET złomy topiono w piecu indukcyjnym o pojemności 800 kg. Stosowano rafinator Ż1 (tablica 1), wybrany na podstawie analiz określających zdolność rafinacyjną żużli [19], z dodatkiem 40 reagenta chemicznego, składającego się z CaC2:C: w proporcjach jak 3:2:0,2 kriolit (taki reagent chemiczny oznaczano dalej jako R1), oraz z zastosowaniem 40 innego reagenta złożonego z Al, technicznego karbidu i kriolitu w proporcjach jak 4:2:0,1 (oznaczanego dalej jako R2). W trakcie wytopu, po analizie składu chemicznego, stosowano korektę wprowadzając dodatkowe ilości składników stopowych. Dla porównania zastosowano dwa inne, zalecanych przez literaturę, rafinatory Topmos S-1 i Mosiądzotop. Dokumentację przeprowadzonych wytopów mosiądzów podano w tablicy 2. Natomiast w tablicy 3 zestawiono wyniki analiz chemicznych tlenu i fosforu oraz badań wytrzymałościowych. Tablica. 1. Składy mieszanek rafinacyjnych złożonych ze składników mineralnych i odpadowych Table. 1. Slag composition Skład podstawowy żużla Dodatkowe czynniki * * NaCl, Al 2 O 3 Na 2 CO 3 Na 3 B 5 O 7 SiO 2 inne KCl NaF C Ż * 10 5 Ż CaO MgO FeO 5 5 Σ(MgO, FeO,) Tablica 2. Dokumentacja wytopów mosiądzu MO59 z hutniczego procesu przetwarzania złomów

3 89 Table. 2. Chemical analysis and charge composition of the CuZn39Pb2 (MO59) brass Nr wytopu Ż+R1 Ż+R2 Topmos S-1 Mosiądzotop Składniki stopowe i zanieczyszczenia Cu 57,43 57,85 57,31 57,38 57,92 57,55 Zn 40,11 39,74 40,34 40,21 40,09 39,93 Sn 0,13 0,13 0,13 0,12 0,13 0,13 Pb 1,91 1,86 1,84 1,81 1,87 1,85 Si 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Mn 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Fe 0,14 0,13 0,13 0,14 0,13 0,13 Ni 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Al 0,25 0,26 0,23 0,23 0,24 0,26 Sb 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Bi 0,0046 0,0046 0,0047 0,0046 0,0045 0,0048 P 0,0140 0,0140 0,0090 0,0110 0,0092 0,0120 Otoczka MO58 M63 wióry M63 kawałki Ołów 5,1 5 5, ,8 Aluminium 1,88 1,88 1,90 1,80 1,85 2,1 Cynk ,5 36 Tablica. 3.Wyniki badań wytrzymałościowych dla mosiądzów MO59 Table. 3. The properties of the CuZn39Pb2 (MO59) brass Rodzaj Hutnicze warunki przetwarzania złomów Warunki odlewnicze żużla METKOL-A.Krupa Armatura Olesno REMOR w Reczu straty Rm Mpa A5 *P o Rm Mpa A5 P o Rm Mpa A5 P o ** O 2 ppm **P. ppm Ż+R1 2, ,7 1, ,3 1, ,3 0,9 Ż+R2 1, ,2 1, ,5 0,7 T 3, ,2 2, ,9 1,9 M. 3, ,5 1,7 178 * porowatość odlewów, ** dokładność oznaczenia tlenu i fosforu ±2ppm, pozostałe wartościu są średnimi z 6 pomiarów, T - Topmos S-1, M. - Mosiądzotop 3. Topienie brązu B101

4 90 Warunki topienia brązów przeanalizowano na przykładzie stopu B101 topionego ze złomówi przygotowywanych w podobny sposób jak omawiany powyżej mosiądz M059 co pokazuje tablica 3. Badania przeprowadzono w zakładzie hutniczo-przetwórczym METKOL Zastosowano żużel Ż2 o składzie podanym w tablicy 1 stosując następujące reagenty : 1. Ż2 + 40karbidu, oznaczony dalej jako R3, 2. Ż2 + 40karbidu + 20Mn, oznaczony dalej jako R4, 3. Ż2 + 40karbidu + 20Mn + 10C, oznaczony dalej jako R5. Właściwości otrzymanych odlewów zebrano w tabeli 5. Tablica 4. Skład wytopów brązu B101 w zakładzie przetwarzania złomów METKOL w Praszce Table. 4. Chemical analysis and charge composition of the CuSn10P (B101) bronze Pierwiastki Rodzaj zstosowanego reagetna R3 R3 R4 R4 R5 R5 Cu 91,235 91,987 91,620 91,805 91,744 91,139 Zn 0,245 0,237 0,252 0,282 0,233 0,225 Sn 7,823 7,151 6,653 7,874 7,343 8,038 Pb 0,067 0,077 0,114 0,143 0,132 0,072 Si 0,005 0,005 0,000 0,011 0,008 0,002 Mn 0,008 0,007 0,006 0,011 0,008 0,006 Fe 0,011 0,056 0,052 0,073 0,059 0,068 Ni 0,029 0,091 0,046 0,011 0,020 0,000 Al. 0,006 0,006 0,009 0,031 0,020 0,006 Sb 0,052 0,046 0,052 0,073 0,059 0,068 Bi 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 P. 0,502 0,323 0,179 0,320 0,344 0,399 As 0,008 0,005 0,004 0,009 0,008 0,009 S 0,009 0,009 0,012 0,009 0,007 0,011 złom B101** złom miedzi (wióry i kable) cyna hutnicza ,5 zaprawa Cu-P złom B10** Struktura wsadu do pieca indukcyjnego złom B6** Tablica 5. Wyniki badań brązu B101 (piec indukcyjny, przetwarzanie złomów) Table. 5. The properties of CuSn10P (B101) with the investigated slag

5 91 Rodzaj straty R m A5 Po O 2 żużla topienia MPa Ż2+R3 1, ,8 33 Ż2+R4 0, ,6 11 Ż2+R5 0, ,7 9 - pomiar tlenu z dokładnością ± 2 ppm, - pozostałe pomiary są średnią z 6 prób na poziomie ufności 0,95 4. Podsumowanie i wnioski W przeprowadzonych próbach przemysłowych uwzględnione zostały warunki odlewnicze przetapianie metali z katod lub gąsek, oraz wytapianie ze złomów i odpadów w warunkach hutniczo-przetwórczych. Przeprowadzone próby topienia mosiądzu wykazały optimum dla podobnych jak ustalone z analiz DTA warunków z udziałem aktywnego reagenta R2 i w obecności wybranego we wcześniejszych próbach stymulatora St. Wzrost wskaźników wytrzymałościowych i znaczące zmniejszenie porowatości w mosiądzu MO59 potwierdziły skuteczność oddziaływania ustalonego na podstawie badań modelowych składu rafinującego. Rafinator o nazwie handlowej RZ został wdrożony do przemysłu hutniczoprzetwórczego złomów i odpadów, oraz zastosowany w kilkunastu zakładach przemysłu odlewniczego. Przemysłowe próby topienia brązu B101 wykazały wysokie efekty rafinacyjne w warunkach stosowania manganu jako węglikotwórczego składnika aktywnego reagentów R3-R5, wskazując szczególnie na reagent R5. Opracowany na tej podstawie rafinator RN 1 znalazł również zastosowanie w hutniczo-przetwórczym przemyśle złomów i odpadów i w odlewniach. Literatura [1] Bydałek A.: Chemische Process, nr 10, 1971, 27 [2] Bydałek A., Ankudowicz B.:Prace Nauk. ITBM Pol. Wrocławskiej, nr 3, 1971, 3 [3] Bydałek A., Jocz Z.:Arch.Techn. Bud. Maszyn, nr 24, 1974, 17 [4] Bydałek A.: Noue Hiite, Nr 12,1977, 663 [5] Bydałek A.,Kazimierczak J., Romankiewicz F.: Rudy i Metale Nieżelazne, nr 5, 1978, 335 [6] Brzózka M., Bydałek A.: Arch. Techn. Bud. Maszyn, nr5, 1984, 7 [7] Bydałek A.W., Król J.: Inż. Materiałowa, 4-5,1986, 126 [8] Bydałek A., Bydałek A.W.: Arch. Budowy Maszyn, z.11,1993, 25 [9] Bydałek A.W.: Krystalizacja Metali i Stopów, nr 24/3, 1995,23 [10] Yanagase T. Morinaga K.: Metall. Rewiew of M.M.I.J., vol.1 No 1, 1984, 6

6 92 [11] Nakamura T. Noguchi F., Neda Y.: Metall. Rewiew of M.M.I.J, vol3, No 2, 1986,102 [12] Ochifuji Y., Tsuki H., Sano N.: Metall. Trans., vol 26 B, 1995, 789 [13] Oishi T., Kondo Y., Ono K.: Trans. of J.I.M., vol.29, No12, 1986, 976 [14] Taskinen A., Jylh K., Ha;oppa L.: Soda in the refining..., report TKK-V, Helsinki Univ., 1983 [15] Bydałek A.W.: Analiza oddzialywania..., Mat. VII Konf. Metale Nieżelazne w Przemyśle Okrętowym, Szczecin-Międzyzdroje, 1996, 33 [16] Adamski C., Rzadkosz s.: Przegląd Odlewnictwa, nr 4, 1993, 119 [17] Czyż M., Bydałek A.W.: The manufacturing...,europ. Conf. TRANSCOM 95, Źilina 1995 [18] Bydałek A.W., Bydałek A., Czyż M.:Acta Metall. Slovaca, 4/2, 1998, 219 [19] Bydałek A.W.: Journal of Thermal Analysis, Vol.45, 1995, 919 THE COPPER ALLOYS MELTING IN THE REDUCTION CONDUCTIONS ABSCTRACT Apart from high quality brass and bronze, a considerable reduction of melting losses was also observed. The experiments on CuZn39Pb2 brass melting proved that optimum is achieved while using technical carbide, aluminium and as stimulator NaCl with NaF. A refiner of commercial name RZ was introduced to foundry and scrap processing industry. The experiments on CuSn10P bronze melting proved to until conclusion - best is reagent consist with mangan, technical carbide and carbon. This assented as a confirmation of the following foundations that reduction conductions should be chosen on copper alloys deliberately but the essential emphasis should be put on properly elaborated factors of multistage reaction with essential usage of suitable stimulators. Recenzował Prof. dr hab. inż. Janusz Braszczyński Prof. dr hab. inż. Przemysław Wasilewski