Флюс для электрошлакового переплава цветных металлов

 

Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано в технологии электрошлакового переплава цветных металлов. Флюс содержит, в мас.%: криолит 10-20, буру 1-5, фтористый кальций остальное. Изобретение позволяет создать комплекс высоких механических свойств металла, а именно увеличить предел текучести в 1,3-1,8 раза, предел прочности в 1,13-1,18 раза, удлинение в 1,3-1,7 раза. 4 табл.

Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано в технологии электрошлакового переплава цветных металлов.

Известен флюс для плавки медных сплавов, преимущественно хромовых бронз, содержащий фторид кальция, фторид натрия и плавленые бораты натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Плавленые бораты натрия 30-60

Фторид кальция 12-41

Фторид натрия Остальное, при этом отношение оксида натрия к оксиду бора в боратах натрия составляет 0,22-0,45, а отношение фторида натрия к фториду кальция 0,7-2,3 (см. А.С. СССР №1795662, кл. С 22 С 1/06, С 22 В 9/10).

Недостатком данного флюса является то, что он обеспечивает получения металла с низкими механическими свойствами из-за перенасыщения флюса кислородом, высвобождающимся из плавленых боратов натрия, что приводит к частичному переходу кислорода в металл, а также за счет пониженных рафинирующих свойств по отношению к остальным неметаллическим включениям ввиду низкой основности наводимого шлака.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является флюс для электрошлакового переплава металлов, содержащий криолит, фтористый кальций, фтористый натрий и окись алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Криолит 30-65

Фтористый натрий 10-22

Окись алюминия 5-25

Фтористый кальций Остальное

(см. А.С. СССР №558540, кл. С 22 В 9/18).

Недостатком известного флюса является то, что он не обеспечивает требуемых механических свойств металла, так как в процессе переплава в результате реакции криолита с кислородом металла происходит накопление оксида алюминия во флюсе и увеличение вязкости его, 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.

В основу настоящего изобретения поставлена задача разработки такого состава флюса, который обеспечил бы создание комплекса высоких механических свойств металла путем снижения количества (перевод в шлак) и равномерного распределения неметаллических включений в металле.

Поставленная задача решается тем, что известный флюс для электрошлакового переплава цветных металлов, содержащий криолит и фтористый кальций, согласно изобретению дополнительно содержит буру при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Криолит 10-20

Бура 1-5

Фтористый кальций Остальное.

Известно использование буры в качестве наполнителя при изготовлении удобрений, эмалей, глазури, специальных сортов стекла, а также в качестве растворителя оксидов металлов при сварочных работах (см. Глинка Н.А. Общая химия; - Л.: Химия, 1974 г., с.624-625).

В заявляемом флюсе бура также является растворителем оксидов металла с образованием легкоплавкой эвтектики. Однако наряду с известным техническим свойством бура в заявляемом флюсе при указанном соотношении компонентов проявляет новое техническое свойство, заключающееся в активной ассимиляции неметаллических включений из металла во флюс, преимущественно оксидов, например Сu₂O, препятствующих получению высоких механических свойств металла. Это объясняется тем, что при кристаллизации цветных сплавов бура, взаимодействуя с оксидами, активно образует их пересыщенный раствор, который имеет низкую температуру плавления и легко удаляется в шлаковую фазу, а металл приобретает высокие механические свойства.

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 патентноспособности “изобретательский уровень”.

Заявляемый флюс для электрошлакового переплава (ЭШП) готовят следующим образом. Компоненты флюса: криолит, фтористый кальций и буру, засыпают в заявляемом количестве, в отдельный бункер и подвергают тщательному перемешиванию до получения однородной консистенции, после чего флюс готов к использованию.

Перед использованием флюс, заявляемого состава, предварительно прокаливают в термической печи, например СНО 8.16.5/10 - И2, при температуре 750-800С в течение 2-3 ч, для его обезвоживания.

Использование флюса осуществляют следующим образом. 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 физикохимические взаимодействия, приводящие к рафинированию металла. После окончания переплава остатки флюса отправляют в отвал.

Заявляемое соотношение компонентов флюса предотвращает образование в структуре металла хрупкой эвтектики оксидов металла, имеющей точечное строение и расположенной по границам зерен, в результате чего образуется плотная и однородная структура переплавляемого металла с минимальным количеством неметаллических включений, что обеспечивает комплекс высоких механических свойств металла: предел текучести, высокое относительное удлинение.

Фтористый кальций (CaF₂) - основной технологический компонент, обеспечивающий 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.

Криолит (Na₃AlF₃) в заявляемом количестве предназначен для снижения температуры плавления флюса, что позволяет снизить вязкость флюса, а следовательно, обеспечивает уменьшение количества неметаллических включений.

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 ухудшению 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+3МеО=6NaF+Аl₂O₃+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, повышающее вязкость флюса, что затрудняет удаление неметаллических включений. В результате снижается способность флюса поглощать неметаллические включения, а это приводит к загрязнению металла и ухудшению его механических свойств.

Заявляемое количество буры (Na₂B₄O₇·10H₂O) 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, что приводит к сохранению сплошности металла и повышению комплекса его механических свойств.

Содержание буры во флюсе менее 1 мас.% приводит к замедлению и ослаблению процесса извлечения вредных оксидов из металла во флюс, и в результате чего большая часть неметаллических включений остается в металле, располагаясь по границам зерен, что приводит к снижению его механических свойств.

Содержание буры во флюсе более 5 мас.% приводит к растворению в металле дополнительного количества кислорода, который приведет к окислению металла и образованию в нем дополнительных оксидных неметаллических включений, способствующих снижению механических свойств металла.

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.

Выплавляли медные слитки с применением метода жидкого старта. Составы заявляемого флюса и флюса, взятого за прототип, приведены в табл.1. При этом соотношение компонентов флюса в составах 1-5 взяты в заявляемых пределах, в составах 6 и 7 компоненты 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.

При переплаве медного электрода придерживались режима переплава, представленного в табл.2.

Оценку загрязненности электрошлакового металла, выплавленного с использованием заявляемого флюса и флюса прототипа, производили методом металлографического контроля и электрохимического растворения. Результаты контроля приведены в табл.3.

Химический состав металла, выплавленного на заявляемых составах флюса, соответствует меди марки М1р по ГОСТ 859-78.

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.4.

Результаты испытаний показали, что заявляемый флюс (составы 1-5) обеспечивает получение металла по сравнению с прототипом (составы 8-10) с повышенным комплексом механических свойств: предел текучести увеличивается в 1,3-1,8 раза, предел прочности в 1,13-1,18 раза, удлинение в 1,3-1,7 раза выше.

Использование флюсов составов 6–7 нецелесообразно, так как они снижают механические свойства выплавляемых цветных металлов.

Таким образом, заявляемый флюс для электрошлакового преплава 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 буру при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Криолит 10-20

Бура 1-5

Фтористый кальций Остальное