Fyzikálně chemické procesy probíhající při tavení mědi a jejích slitin | MARKMET

Výroba mědi a jejích slitin je doprovázena řadou fyzikálních a chemických procesů, z nichž hlavní jsou:

1) ohřev a tavení vsázkových materiálů;

2) interakce kovů a slitin s atmosférou pece;

3) interakce kovů a slitin s vyzdívkou pece;

4) interakce kovů a slitin s krycími tavidly;

5) regenerace roztavených kovů a slitin.

Některé procesy probíhající v tavicích pecích jsou nezbytné, jiné jsou nežádoucí, protože vedou ke zhoršení kvality ingotů, dalším ztrátám neželezných kovů a zanášení vyzdívky pecí a mísičů.

Ohřev a tavení vsázkových materiálů.

Aby kov nebo slitina byla tekutá a zajistila se její volný pohyb při plnění krystalizátoru nebo formy, dodává se do něj teplo. Všechny způsoby ohřevu vsázkových materiálů ve stávajících tavicích pecích jsou redukovány na tři hlavní: a) ohřev shora; b) ohřev ze stran a zespodu; c) ohřev celé hmoty kovu proudy indukovanými v kovu.

Princip ohřevu kovu shora je základem pro provoz dozvukových pecí. Teplo je přenášeno do spodních vrstev vsázkových materiálů nebo roztaveného kovu tepelnou vodivostí. Zatímco se horní vrstvy vsázky zahřívají, začnou se tavit, spodní vrstvy zůstávají relativně chladné. Kov horních vrstev, tající, stéká dolů a zahřívá spodní vrstvy. I po úplném roztavení všech materiálů vsázky má tekutý kov nerovnoměrnou teplotu: horní vrstvy se zahřívají výrazně výše než spodní. Pro vyrovnání teploty horní a spodní vrstvy se tavenina periodicky míchá.

Zahřívání slitiny ze stran nebo zespodu vytváří podmínky pro konvekci. Teplejší tavenina ve spodní části pece stoupá nahoru a studenější tavenina klesá dolů. Při bočním nebo spodním přívodu tepla je rozdíl teplot mezi horní a spodní vrstvou výrazně menší než při přívodu tepla shora.

Nejpříznivější podmínky pro ohřev a míchání taveniny a následně pro vyrovnání teploty v celém objemu kapalné lázně se dosahují při tavení v indukčních kanálových pecích.

V případě přípravy žáruvzdorných kovů a slitin má velký význam pořadí a sled zatěžování složek vsázky. Nejprve se vloží nejvíce žáruvzdorné komponenty a teprve po jejich úplném roztavení se vloží zbývající dávka.

Kovy, které mohou snadno oxidovat a přeměnit se ve strusku nebo se odpařit (mangan, hořčík, fosfor atd.), se do pece přivádějí na konci procesu tavení. Toto pořadí nakládání zkracuje dobu jejich interakce se slitinovými složkami a atmosférou pece, což výrazně snižuje jejich ztráty.

Jemné vsázkové materiály se vkládají do pece postupně po malých dávkách a neustále se mísí s roztaveným kovem. Při nakládání velkého množství jemné vsázky najednou může viset nad povrchem taveniny a slinovat se do pevné hrudky. Po roztavení spodní části zavěšené vsázky se mezi ní a povrchem tekutého kovu vytvoří prostor naplněný zinkovou párou a plynem, který pomalu vede teplo. Roztavený kov v kanálech bude shrabován a to může vést ke změkčení obložení nístějového kamene, průniku kovu skrz něj a selhání pece.

Interakce mědi a slitin mědi s atmosférou pece.

V pracovním prostoru tavicích pecí bez speciální ochranné atmosféry jsou vsázkové materiály a roztavený kov vystaveny působení kyslíku, vodíku, dusíku, vodní páry, oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého atd. V závislosti na tom může být nad kovem v peci oxidační, redukční nebo neutrální atmosféra. Pokud do prostoru pece vstupuje kontinuální proud atmosférického vzduchu, pak v peci převládá oxidační atmosféra, pokud vodík nebo oxid uhelnatý, pak převládá atmosféra redukční; Neutrální atmosféra je charakterizována současnou přítomností oxidačních a redukčních plynů.

V závislosti na povaze, koncentraci, době v peci, teplotě a tlaku může plyn působit na kov nebo slitinu následujícím způsobem:

1) v důsledku chemické interakce se složkami slitiny tvoří reakční produkty, které jsou rozpustné ve slitině;

2) v důsledku chemické interakce s jednotlivými složkami slitiny tvoří látky, které jsou ve slitině nerozpustné;

3) rozpustit se ve slitině bez chemické interakce s jejími složkami;

4) být inertní vůči slitině jako celku a vůči jejím jednotlivým složkám.

Při tavení neželezných kovů a slitin v peci nejčastěji vzniká oxidační atmosféra.

Pravděpodobnost oxidace určitého prvku obsaženého ve slitině závisí na chemické aktivitě tohoto prvku ve vztahu ke kyslíku. Podle stupně aktivity (afinity ke kyslíku) jsou všechny kovy uspořádány do řady, ve které každý předchozí kov vytěsňuje (redukuje) následující. V této řadě jsou kovy uspořádány v následujícím pořadí: vápník, hořčík, lithium, berylium, hliník, křemík, vanad, mangan, chrom, zirkonium, fosfor, cín, kadmium, železo, nikl, kobalt, olovo (uhlík), měď, stříbro, zlato.

K interakci tavenin s kyslíkem dochází dvěma různými způsoby:

1) kyslík volně proniká (difunduje) do tekutého kovu a nachází se v tavenině převážně ve formě oxidů, například mědi, niklu. Po dlouhou dobu může oxidace probíhat bez překážek, protože na povrchu taveniny není žádný hustý oxidový film;

2) kyslík nemůže volně difundovat do tekutého kovu, protože vytváří oxidový film na povrchu taveniny (olovo, cín, zinek, hliník atd.). K oxidaci dochází v důsledku postupného zahušťování oxidového filmu.

Povaha interakce slitin mědi s oxidy je určena složením složek, které jsou v ní obsaženy. Pokud se slitina skládá z mědi a niklu, pak bude veškerý kyslík v tavenině. Přidání malého množství prvků, které tvoří husté oxidové filmy, jako je hliník, olovo atd., do slitiny má za následek vytvoření filmu na povrchu lázně, který chrání taveninu před další oxidací.

Rozpustnost plynů v pevném kovu je podstatně menší než v tekutém kovu, takže při tuhnutí taveniny se uvolňují plyny, které tvoří poréznost v ingotech. Analýza plynů obsažených v pevné mědi a jejích slitinách ukazuje, že 80-90 % jejich objemu tvoří vodík. Cín-fosforový bronz dokáže za normálních podmínek tavení rozpustit 3,5 cm3 vodíku ve 100 g kovu, měď – až 16 cm3, jednoduchá mosaz – až 28 cm3, speciální mosaz – až 245 cm3. Kov s přijatelnou hustotou by neměl obsahovat více než 10-12 cm3 vodíku na 100 g kovu. Proto se při tavení snaží udržet kov v roztaveném stavu po co nejkratší dobu.

Interakce mědi a slitin mědi s vyzdívkou pece.

Při provozu pece je její vyzdívka vystavena fyzikálním, mechanickým a chemickým vlivům roztavených látek. Zahřátí na vysokou teplotu je fyzikální akce. Hydrostatický tlak sloupce tekutého kovu na vyzdívku a vsázkové materiály na dno pece je mechanický účinek. Chemické působení se projevuje ve formě výměnných reakcí mezi taveninou a vyzdívkou, což má za následek opotřebení a rozpínání kanálů pece.

Při delším provozu pece proniká tekutý kov a hlavně jeho páry do vyzdívky do značné hloubky. V důsledku toho jsou ztráty kovu značné (100 % hmotnosti obložení). Pro snížení úbytku neželezných kovů je pracovní plocha vyzdívky předem upravena solnou taveninou skládající se z 80 % kuchyňské soli a 20 % kryolitu.

Žáruvzdorné obkladové materiály sestávají převážně ze směsi oxidů různých kovů (křemík, hliník, hořčík, vápník atd.). K reakcím mezi taveninou a vyzdívkou dochází v případech, kdy tavený kov má větší afinitu ke kyslíku ve srovnání s oxidy žáruvzdorných materiálů. Kov tvoří oxid, který je součástí obložení. Při tavení slitin obsahujících hliník tedy hliník vstoupí do chemické interakce s oxidem křemičitým podle reakce:

Při teplotách nad 800 °C reakce probíhá intenzivně. Obklad nekoroduje, ale spíše zarůstá, protože na stěnách zdiva zůstávají oxidy hliníku. Po vytvoření vrstvy oxidu se interakce nezastaví, ale pokračuje. Hliník nepřetržitě proniká do obložení a křemík přechází do taveniny. Částice výstelky mohou také procházet do taveniny a vést k defektům v důsledku nekovových vměstků.

Při tavení jsou navíc v tavenině přítomny oxidy, které nezůstávají neutrální vůči vyzdívce pece. K interakci oxidů kovů s oxidy obložení (například s oxidem křemíku) dochází podle reakcí:

Reakční produkty mají teplotu tání 700-1200 °C. V důsledku tvorby nízkotavitelných chemických sloučenin dochází k postupné korozi vyzdívky, což vede i ke kontaminaci taveniny.

Interakce mědi a slitin mědi s povlaky tavidla.

Jednou z hlavních podmínek pro získání vysoce kvalitních ingotů je provádění procesu tavení pod ochrannou vrstvou krycích tavidel. Všechna tavidla používaná k ochraně taveniny před oxidací se dělí na neutrální a aktivní. Neutrální tavidla neinteragují s roztaveným kovem a slouží především k ochraně taveniny před oxidací, absorpcí plynů a chlazením. Aktivní tavidla, kromě svých ochranných funkcí, interagují s taveninou nebo jejími jednotlivými složkami.

K ochraně mědi a jejích slitin před oxidací se nejčastěji používá dřevěné uhlí. Doporučuje se používat dřevěné uhlí pálené z listnatého dřeva rozdrcené na kousky o velikosti 30-80 mm. Před použitím se dřevěné uhlí kalcinuje při teplotě 900-1000 °C, aby se odstranila vlhkost, a před vložením do pece nebo mixéru se skladuje v uzavřených nádobách. Žhavé uhlí je nejlepší použít ihned po kalcinaci.

Při tavení slitin mědi a zinku není dřevěné uhlí dostatečně spolehlivou ochranou proti vypařování zinku. V tomto případě mají speciální tavidla vysoké ochranné vlastnosti, mají nižší bod tání než připravovaná slitina a vytvářejí na povrchu taveniny kapalný povlak, izolující kov od atmosféry.

Oxidy kovů přítomné ve vsázce jsou během procesu tavení smáčeny tavidlem a mění se ve strusku.

Při tavení niklu a slitin mědi a niklu s vysokým obsahem niklu se doporučuje použít dřevěné uhlí, protože nasycuje taveninu uhlíkem, což činí kov křehkým. Při výrobě těchto slitin se jako ochranný povlak používá rozbité okenní sklo, borax atd.

Někdy se nečistoty rozpustné ve slitině (železo, hliník atd.) oxidací přeměňují na nerozpustné oxidy, například oxidem mědi (okují mědi), které, protože jsou lehčí, vyplavou na povrch a rozpouštějí se v tavidle, a pak jsou odstraněny spolu se struskou.

Tavidlo pro každou slitinu nebo skupinu slitin je vybráno empiricky s ohledem na jeho vliv na hygienický a hygienický stav atmosféry dílny, kvalitu ingotů, množství úbytků neželezných kovů atd.

Regenerace roztavených kovů a slitin.

Měď a její slitiny jsou při ohřevu a tavení vsázkových materiálů, přehřívání a přelévání taveniny z pece do mísiče a odlévání do ingotů vystaveny atmosféře a následně oxidovány vzdušným kyslíkem. Pokud nebudou přijata zvláštní opatření. pro dezoxidaci (redukce) kovů, oxidy zbývající v tavenině zhorší technologické a provozní vlastnosti dílů vyrobených z těchto kovů nebo slitin.

Redukce je chápána jako proces vytěsňování kovů z oxidů látkami, které jsou aktivnější ve vztahu ke kyslíku. Kromě toho jsou přijata zvláštní opatření k ochraně taveniny před oxidací během procesu tavení:

1) proces nuceného tavení;

2) optimální režimy tavení a odlévání pod vrstvou tavidel a v ochranné atmosféře;

3) optimální velikosti vsázkových materiálů;

4) restaurování kovů a slitin pomocí
speciální dezoxidanty.

Podle charakteru distribuce v tavenině se všechna dezoxidační činidla dělí na povrchová a rozpustná. Povrchové deoxidanty se při interakci s oxidy kovů v tavenině nerozpouštějí. Redukční reakce oxidů probíhají pouze na povrchu jejich kontaktu s kovem. Navzdory relativně nízké rychlosti redukce jsou povrchové deoxidátory široce používány. Lze je snadno nanášet a odstraňovat z povrchu roztavených kovů, aniž by došlo ke kontaminaci slitiny, a tedy bez zhoršení jejích vlastností. Současně s redukcí kovů z oxidů chrání povrchové deoxidační prostředky povrch kovu před interakcí se vzdušným kyslíkem přítomným v atmosféře pece nebo mísiče. Nejběžnějším povrchovým dezoxidátorem při tavení a odlévání mědi a některých jejích slitin je uhlík, používaný ve formě dřevěného uhlí, lampové černě, grafitového prášku a generátorového plynu.

Pro urychlení procesu obnovy se někdy zvětšuje povrchová plocha kontaktu mezi deoxidátorem a taveninou. Toho je dosaženo smícháním taveniny nebo jejím průchodem přes deoxidační činidlo a někdy se používá několik deoxidačních činidel současně, například dřevěné uhlí, saze a generátorový plyn.

Rozpustné dezoxidanty jsou rozmístěny v celém objemu roztaveného kovu, proto mají větší kontakt s oxidy a proces redukce probíhá mnohem rychleji. Mezi deoxidační činidla rozpustná v kovu patří fosfor, zaváděný do taveniny ve formě slitiny mědi s fosforem, zinkem, hořčíkem, manganem, křemíkem, beryliem, lithiem atd.

Při tavení mědi v indukčních kanálových pecích se jako dezoxidanty používají hlavně dřevěné uhlí, generátorový plyn a fosfor (měď-fosfor ligatura). Chemické reakce oxidu mědi s těmito deoxidačními činidly lze znázornit následovně:

Anhydrid kyseliny fosforečné P₂O₅má teplotu sublimace 347°C. Při teplotě roztavené mědi je v parním stavu a lze ji snadno odstranit z lázně. Kapky roztavené fosfátové soli CuPO₃ zůstávají na povrchu tekuté mědi ve formě „olejových“ skvrn.

V důsledku interakce s oxidem mědi takových dezoxidačních činidel, jako je hořčík, mangan, křemík, berylium, lithium atd., se získávají produkty dezoxidace ve formě jemně rozdrcených pevných částic oxidů rozpuštěných v tavenině a obtížně odstranitelných z ní i při usazování. Roztavená měď, pokud takové částice obsahuje, je v kašovitém stavu; Aby mu dodala potřebnou tekutost, přehřívá se.

Jednotlivé částice pevných oxidů mohou tvořit velké větve, které po ztuhnutí taveniny zůstávají v ingotech ve formě nekovových vměstků snižujících vlastnosti kovu. Rozpustná deoxidační činidla, která produkují pevné deoxidační produkty jako výsledek reakce s oxidem mědi, se proto široce nepoužívají.

K dezoxidaci niklu a slitin mědi a niklu se používá především mangan, křemík a hořčík. Cínové bronzy se dezoxidují fosforem (fosforečnou mědí). U mosazi je nejlepším dezoxidantem zinek, který je také jednou z hlavních složek slitiny. Někdy se pro zvýšení tekutosti mosazi do ní přidává v malých množstvích fosfor.