RAFINACJA PRĘTOWA BRĄZU ALUMINIOWEGO

Transkrypt

1 3/3 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 3 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 3 PAN Katowice PL ISSN RAFINACJA PRĘTOWA BRĄZU ALUMINIOWEGO A. W. BYDAŁEK 1, J. KANIA 2 Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny, ul. Szafrana 2, Zielona Góra, FAMAGO S.A. w Zgorzelcu, ul.przemysłowa 1 STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki badań nad zastosowaniem technologii rafinowania stopów miedzi za pomocą reagentów wprowadzanych do ciekłego metalu za pomocą prętów lub drutów. Przedstawiono analizę rafinacji żużlowej z zastosowaniem układów węglotlenowych. Serię wytopów, w których oprócz próby osiągnięcia korzystnych efektów rafinacyjnych, kierowano się aspektami ekologicznym, przeprowadzono w warunkach przemysłowych. Celem było zminimalizowanie ilości składników chlorkowo-fluorkowych w stosowanych reagentach. Uzyskane właściwości wytrzymałościowe i struktura analizowanego brązu pozwoliły na postawienie tezy, że w odniesieniu do stopów miedzi zasadniczym czynnikiem oddziaływania w metod zie prętowej jest faza żużlowa. Key words: slag refining, Cu-Al bronzes 1. WSTĘP Metoda wprowadzania środków rafinacyjnych i modyfikacyjnych poprzez pogrążanie pretów zawierających odpowiednie czynniki znalazła szerokie zastosowanie w metalurgii żelaza [1]. Można w niej wyróżnić dwa ukierunkowania: 1) wprowadzanie reagentów rozpuszczających się w metalu, 2) zastosowanie reagentów nierozpuszczających się w metalu, tworzących odrębna fazę np. żużlową. W literaturze wyróżnia się trzy metody, a zarazem trzy rodzaje żużli, wskazując na oddziaływanie obojętne, utleniające lub redukujące [2]. Warunki redukujące prowadzą zawsze do uzyskiwania najmniejszych strat topienia i w warunkach odlewni- 1 dr hab. inż. a.bydalek@iipm.zu.zgora.pl 2 mgr inż.

2 25 czego przetapiania brązów aluminiowych należy je uznać za jedynie właściwe [3]. W pracy przedstawiona zostanie analiza oddziaływania ekstrakcyjnego żużlowych reagentów i wspomagającego oddziaływania stymulatorów wprowadzanych metodą prętową do ciekłego brązu aluminiowego BA ANALIZA ZAGADNIENIA O właściwościach żużli decyduje ich struktura w trakcie trwania zabiegu rafinacyjnego, określana na ogół według opisów opartych na uproszczonej budowie cząsteczkowej. Na podstawie próby opisów struktury żużli według analiz w stanie stałym zyskały przewagę modele opisujące strukturę cieczy jonowej. Zauważone jednak przez Tiemkina tworzenie się w wieloskładnikowych układach kompleksów jonowych, a nie jonów poszczególnych składników, stanowi nadal barierę trudną do pokonania z uwagi na brak kryteriów ustalania lokalnych stanów uporządkowania. Oddziaływanie żużli z rafinowanym metalem opisuje się w sposób dogodny za pomocą teorii tzw. podwójnej warstwy elektrycznej. Wykryta na powierzchni rozdziału metalu z żużlem różnica potencjałów, opisana przez Dietla i Coulomba, pozwala na interpretację odchyleń od warunków równowagowych Z dokonanej przez M. Szweycera klasyfikacji procesów odlewniczych ze względu na towarzyszące im zjawiska powierzchniowe w rafinacji żużlowej, wynika jednak brak możliwości konsekwentnej interpretacji zjawisk powierzchniowych w odniesieniu do układu atmosfera żużel wtrącenie niemetaliczne ciekły metal (A-Ż-WN M). Bardzo interesująco w kontekście wyżej opisanych rozważań przedstawiała się teza C. Adamskiego i S. Rzadkosza. Autorzy ci dowodzili bowiem, że opis zjawisk ekstrakcji za pomocą napięcia powierzchniowego jest jedynie uzasadniony dla roztworów koloidalnych, do jakich żużli zaliczyć nie można. Inni badacze uprościli analizę zjawisk zachodzących na granicach rozdziału faz A-Ż-WN-M, sprowadzając ją do dyskusji nad chemicznym reagowaniem żużla Ż z wtrąceniami niemetalicznymi, i możliwości mieszania się żużla z metalem. Na żużel, jako potencjalne źródło wzbogacania kąpieli metalowej tak w pierwiastki metaliczne jak i zanieczyszczenia niemetaliczne wskazywano w licznych pracach, stwierdzając ich wpływ na morfologię wlewków. Z analizy reagowania tlenkowych składników żużla wynikały również możliwości zanieczyszczania stopów miedzi pierwiastkami tworzącymi tlenkową osnowę żużli i późniejszego oddziaływania tych pierwiastków na proces krzepnięcia. W redukujących żużlach węglikowych zasadniczą rolę przypisuje się rozpuszczających się w nich reagentom węglikowych [4 ]. Osnowa żużlowa, często na bazie tlenków, pod wpływem wprowadzanych dodatkowo i rozpuszczających się w niej reagentów węglikowych zamienia się w roztwór węglo-tlenowy i dalej pod wpływem azotu z atmosfery węglo-tleno-azotowy. W rzeczywistych układach żużlowych reagenty węglikowe nie występują jednak w czystej postaci lecz w formie różnych, często niestechiometrycznych związków kompleksowych. Na podstawie analiz i badań

3 26 własnych [4] ustalono dużą rozpuszczalność węglików w haloidkach i w niektórych tlenkach Stwierdzono też przyspieszenie reakcji prowadzących do "azotowania węglików" w obecności takich związków jak: CaF 2, CaCl 2, BaCl 2, LiCl, NaCl, KCl, AlCl 3, CaCN 2. Rafinacja poprzez wprowadzenie do ciekłego metalu prętów zawierających żużlotwórcze środki rafinacyjne powoduje powstawanie w kąpieli metalu fazy żużlowej, a wprowadzony razem z osnową żużlową reagent węglikowy rozpuszcza się niej i oddziałuje ze wszystkimi możliwymi skutkami. Porównując rozwinięcie powierzchni rozdziału faz żużel metal z tradycyjną, ekstrakcyjną metodą należy się spodziewać znacznie intensywniejszego oddziaływania rafinacyjnego. Sprawdzenie poprawności tak sformułowanej tezy stanowi cel niniejszej pracy. 3. WYNIKI BADAŃ Przeprowadzone badania derywatograficzne materiałów odpadowych z procesów hutniczych, z uwzględnieniem opracowanej przez autora metody [5], pozwoliły na zaproponowanie składów mieszanek żużlowych A i B (Tablica 1). Materiał został rozdrobniony do granulacji 0,1-1,0 mm i wyprażony w temperaturze 800 K. Skład osnowy żużla (mieszanki A i B) uzupełniono reagentem węglikowym w postaci technicznego karbidu o granulacji 0,1 0,25. Tak przygotowany rafinator, w ilości 0,5% w stosunku do masy wsadu metalowego, wprowadzony do prętów miedzianych o średnicy 20 mm i długości 1200 mm. Tabela 1 Zestawienie składów prętów rafinacyjnych. Table 1. The slag compositions in to the rod. Oznaczenie Skład * Pręt nr 1 Pręt nr 2 Pręt nr 3 Pręt nr 4 2/3 A+ 1/3 karbid techniczny 2/3 B + 1/3 karbid techniczny 1/3 B + 2/3 karbid techniczny 1/3 (A+B 1:1) + 2/3 karbid techniczny *Mieszanka żużlowa (slag) A: 80% C, 10% kriolit, 10% Al 2 O 3 *Mieszanka żużlowa(slag) B - 15% C,- 60% kriolit, - 25% Al 2 O 3. Na wstępie wykonano pierwszy cykl badań stosując tradycyjną rafinację żużlową w piecu za pomocą mieszanki o składzie 1 (wg Tablicy 1) dozowanego w ilości 0,8% w stosunku do masy wsadu. Skład osnowy żużlowej wprowadzano na zimny wsad i roztapiano razem z metalem. Po całkowitym roztopieniu pobrano próbki oznaczone jako 00. Następnie, po około 1,5 godzinie, dozowano reagent karbidowy i po odczekaniu 20 minut pobierano kolejne próbki do badań (próba 01). Powyżej opisany cykl badań porównano z następnym, w którym analizowany stop topiono bez pokrycia żużlowego (próbki 000), a pręt o składzie 1 wprowadzano dopiero po roztopieniu wsadu

4 27 (próbki 001). Kolejny wytop prowadzono z roztapiającym się równocześnie prętem o składzie nr 1 (Tablica 1) i po zakończeniu procesu roztapiania wsadu metalowego pobierano próbki oznaczane jako Następnie wprowadzano do ciekłego metalu kolejny pręt o tym samym składzie. Po jego wtopieniu i odczekaniu 20 minut pobierano próbki (0001). Wyniki badań zestawiono w tablicy 2 Tablica 2. Wyniki badań wytrzymałościowych pierwszej serii wytopów. Table 2. The results of the mechanical and structural analysis the first series. Oznaczenie R m [MPa] A5 [%] ,5 18, ,1 23, ,9 9, , ,7 18, ,3 21,9 W kolejnym cyklu badań stop BA93 rafinowano w piecu stosując żużel o takim samym składzie jak wprowadzony prętów (Tablica 1), natomiast zabieg rafinacyjny z zastosowaniem metody prętowej, trwający ok. 5 min, prowadzono w kadzi. Pobierano próbki: z pieca po tradycyjnej rafinacji żużlowej - X.1 (np. 1.1.), z kadzi zaraz po przelaniu do niej metalu X.2 i z kadzi po rafinacji prętowej X.3.Wyniki zestawiono w tablicy 3 i 4.. Tablica 3. Wyniki badań drugiej serii wytopów j serii wytopów próby Table 3. The results of the mechanical and structural analysis the series Oznaczenie R m [MPa] A5 [%] Struktura, powiększenie x500 Próbka ,3 22,5 Próbka ,2 14,8 Próbka ,77 22,8

5 28 Tablica 4. Wyniki badań drugiej serii wytopów j serii wytopów próby Table 4. The results of the mechanical and structural analysis the series Oznaczenie R m [MPa] A5 [%] Struktura, powiększenie x500 Próbka ,9 24,8 Próbka ,4 17,0 Próbka ,1 26,2 Próbka ,2 22,3 Próbka ,3 11,5 Próbka ,1 23,8 Próbka ,6 23,2 Próbka ,9 18,1 Próbka ,2 23,5 4. WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych bada dokonano następujących ustaleń:

6 29 1. Rafinacja brązu BA93 w piecu z zastosowaniem metody prętowej pozwala uzyskiwać porównywalne efekty technologiczne jak przy zastosowaniu tradycyjnej metody ekstrakcji żużlowej. Warunkiem jest jednak dwukrotne zastosowanie prętów: pierwszy raz podczas roztapianie i kolejny raz po roztopieniu wsadu metalowego (tab. 2). Obserwowane zmiany, zarówno w pierwszej jak i w drugiej serii wytopów, wskazują na decydujące oddziaływanie fazy żużlowej w prowadzonych zabiegach rafinacyjnych. 2. Korzystne jest stosowanie, podobnie jak w metalurgii żelaza, metody prętowej w obróbce pozapiecowej w kadzi rozlewniczej (tab. 3 i 4). Stwierdzono bowiem możliwość uzyskiwania wówczas wysokich właściwości wytrzymałościowych, zależnych jednak od rodzaju zastosowanego układu żużlowego. W wykonanej serii badań stopu BA93 najlepsza okazała się kombinacja w prętach oznaczonych nr 2 (tab. 1) na co wskazują wyniki badań prób zamieszczone w tablicy 3. Wykonane badanie wskazały, że dla osiągnięcia optymalnych efektów technologicznych trudne jest ograniczenie ilości chlorkowo-fluorkowych czynników stymulujących. Stwierdzono jednak, że wprowadzanie środków rafinacyjnych do kadzi przelewowych poprzez zastosowanie prętów zmniejsza wydzielanie się gazów. LITERATURA [1] E. Guzik, M. Porębski: Acta Metallurgica Slovaca, R. 7, nr 3, 2001, p. 44. [2] C. Adamski, S. Rzadkosz: Metalurgia i odlewnictwo metali nieżelaznych, AGH, [3] A.W. Bydałek, A. Bydałek: Przegląd Odlewnictwa nr 3, 1992, s.120. [4] A.W. Bydałek, A. Bydałek, M. Czyż: Krzepnięcie Metali i Stopów, nr 43, 2000, s. 64. [5] A.W. Bydałek: Journal of Thermal Analysis and Calorymetry, Vol. 65, 2001, p SUMMARY ROD REFINING OF THE ALUMINIUM BRONZE The paper describes the results of the reduction slag using in rod refining method for the production with the Cu-Al. bronzes. The same slag reagents (Tab.1) are introduced in to the melting aluminium bronze (Tab.3,4). There are showed that with the rod method used in Cu-Al. Melting processes the similar effects as with traditional slag ekstraction can has been obtain (Tab 3,4). There are suggested that there method best to the tub refining were. Recenzent: prof. dr. hab. inż. Zbigniew Górny.