CC BY
87
УДК 669.3.017:669.2.04
А. М. Мухин1, д-р техн. наук И. П. Волчок2
1 ООО " Запорожский завод цветных сплавов",2 Национальный технический университет,
г. Запорожье
ПРОИЗВОДСТВО МЕДНОЙ ПРОВОЛОКИ ИЗ ВТОРИЧНОГО
СЫРЬЯ
Описаны состав, структура и свойства меди на основных этапах получения электротехнической проволоки: выплавка анодной меди из лома и отходов, электролитическое рафинирование, получение заготовки методом непрерывного литья, производство электротехнической проволоки и токопроводящих жил.
Медь и ее сплавы относятся к числу важных конструкционных материалов, находящих применение в качестве проводников тока и деталей машин практически во всех отраслях промышленности. Для Украи -ны, не располагающей достаточными природными ресурсами медных руд, перспективным является производство меди и ее сплавов из вторичного сырья. Прежде всего, это технически и экономически целесообразно в связи со стремительным исчерпанием в мире медьсодержащих руд: по имеющимся данным, при существующих темпах потребления меди их хватит на 50...55 лет. Во-вторых, по сравнению с добычей, обогащением и металлургической обработкой медных руд, получение меди и ее сплавов из вторичного сырья имеет ряд преимуществ: низкие капитальные вложения, меньший расход энергии, более высокая технологичность переработки, уменьшение загрязнения окружающей среды и др.
В то же время сплавы, полученные из вторичного сырья, как правило, уступают по качеству первичным вследствие меньшей стабильности химического состава по основным элементам и более высокой загрязненности вредными примесями. Существующие классификации и технологии сортировки лома и отходов цветных металлов (ДСТУ 3211-95), также как и методы металлургического передела вторичного сырья не всегда позволяют достичь требуемой стабильности состава и уровня физико-механических и служебных свойств сплавов, в том числе и медных. Цель настоящей работы заключалась в разработке и внедрении сквозной технологии получения электротехнической проволоки из вторичного сырья, начиная от сортировки лома и отходов меди и заканчивая скруткой проволоки в токопроводящие жилы. При этом на основных этапах технологического цикла
проводилось сравнение химического состава, структуры и свойств меди, полученной из первичного (руда) и вторичного (лом и отходы) сырья, и внедрялись технологические решения, обеспечивающие необходимое качество готовой продукции. В наших работах [1, 2] показано, что более детальная по сравнению с ДСТУ 3211-95 сортировка лома и отходов меди позволила в процессе переплава и огневого рафинирования в 8-тонной отражательной печи получать сплавы марок М2 (99,7 % Си) и М3 (99,5 % Си) для литья анодных пластин. При этом определенные проблемы были связаны с необходимостью снижения до заданных пределов нежелательных примесей: свинца, олова, цинка и железа. Получение меди требуемой чистоты достигалось путем многократного "дразнения" (рафинирования отходами древесины) металла в печи. В целом, в зависимости от качества исходной шихты, точнее от количества в ней примесей, производительность печи изменялась от 0,29 т/ч (при 0,26 %РЬ, 0,24 % Бп, 0,75 % Бе, 0,85 %гп) до 0,71 т/ч (0,035 % РЬ, 0,014 % Бп, 0,002 % Бе, 0,02 % гп), а выход годного (меди, пригодной для литья анодных пластин) -от 68,1 до 95,4 % (медь с повышенным содержанием примесей использовалась в качестве шихты при выплавке бронз и латуней).
После электролитического рафинирования медь, полученная из первичного и вторичного сырья, хотя и различалась по суммарному содержанию примесей (0,016 и 0,024 % соответственно), но удовлетворяла требованиям ГОСТ 859-78 по химсоставу для катодной меди МОк. При этом при практически одинаковом содержании ряда примесных элементов, первичная медь была сильнее загрязнена теллуром, селеном, сурьмой и кадмием, а вторичная - свинцом, оловом, цинком и серой (табл. 1).
Таблица 1 - Химический состав катодных пластин (средние данные по 32 плавкам)
Исходное сырье Сод. Cu, % Содержание примесей П-105, %
Pb Sn Zn S Te Se Sb Cd
Первичное 99,984 70 27 0 141 210 20 49 15
Вторичное 99,976 352 151 201 283 27 4 12 0
© А. М. Мухин, И. П. Волчок 2006 р.
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepianu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2006
53
По-видимому, повышенное содержание одних элементов, отрицательно влияющих на свойства меди (прежде всего свинца и серы), в той или иной степени компенсировалось пониженным содержанием других элементов (особенно сурьмы, селена и теллура), также неблагоприятно влияющих на те же свойства.
С целью анализа влияния исходного сырья на химический состав, структуру и свойства катанки были изготовлены две ее партии, полученные из первичного (медная руда) и вторичного (лом и отходы меди) сырья. Катанку диаметром 8 мм получали на установке "UPCAST" US 16Е-04+4 финской фирмы Outokumpu Castform oy [2]. Установка оборудована плавильной и раздаточной печами, в которых жидкая медь выдерживается соответственно под слоем древнего угля и чешуйчатого графита и подвергается вследствие этого дальнейшему рафинированию. Сравнение данных, представленных в табл. 2 и 3, показывает, что в результате переплава катодной меди в ней снизилось содержание примесей, причем по этому показателю составы первичной и вторичной меди стали практически одинаковыми. При этом, подобно анодной меди, катанка из первичного сырья характеризовалась более высоким содержанием теллура, селена, сурьмы и кадмия, а катанка из вторичного сырья - более высоким содержанием свинца, олова, цинка и серы. Размеры и форма зерен катанки, полученной из первичного и вторичного сырья, были практически одинаковы, однако во втором случае выделения вторичных фаз на границах зерен наблюдались чаще (рис. 2).
По значениям механических свойств и удельного электросопротивления (см. табл. 3) принципиальных различий между катанкой, полученной из различного исходного сырья, не установлено. Отмечалось лишь некоторое снижение пластичности и повышение электросопротивления металла в случае получения его из вторичного сырья, что можно объяснить отмеченными выше различиями в составе и структуре.
Таблица 2 - Свойства катодных пластин, полученных из различного сырья
Исходное сырье Кол-во опред. ст„, МПа 8, % Твердость НВ р • 105 Ом • мм 2 м
Первичное 16 264 35 69 1850
Вторичное 16 262 38 64 1837
Таблица 3 - Свойства катанки, полученной из первичного и вторичного сырья (средние данные по 10...32 определениям)
Сырье Сод. Cu, % МПа 8, % N, скручиваний р • 105 Ом • мм 2 м
Первичное 99,989 180 42,5 70 1686
Вторичное 99,988 183 41,5 63 1701
Существенных различий в структуре первичной и вторичной меди не обнаружено (рис. 1). В обоих случаях она имела рекристаллизованное зерно. Изредка наблюдались вытянутые зерна, ориентированные перпендикулярно поверхности катодных пластин. Механические свойства и электропроводность первичной и вторичной меди были практически одинаковыми (табл. 2).
б
Рис. 1. Структура катодной меди, полученной из различного сырья: а - из первичного, б - из вторичного; х500
Литую заготовку диаметром 8 мм, полученную с первичного и вторичного сырья, перерабатывали на электротехническую проволоку диаметром 1,76 мм и далее на проволоку диаметром 0,195 мм со скруткой последней в токопроводящие жилы сечением 0,5...1,0 мм2. Металлографические исследования ото-жженой проволоки диаметром 1,76 мм показали, что в результате интенсивной холодной пластической де-
в
формации (волочение с обжатием 78 %) и рекриста-лизационной термообработки в меди сформировалась микроструктура, характеризующаяся мелким зерном (5...10 мкм), практически не унаследовавшим особенностей литой структуры, с большим количеством типичных для чистой меди двойниковых образований (рис. 3). Не было установлено каких-либо отличий в структуре металла, полученного из различного сырья.
г
Рис. 2. Структура литой катанки из меди, полученной из различного исходного сырья: а, б - из первичного сырья; в, г - из вторичного сырья
Рис. 3. Макро- и микроструктура вторичной электротехнической медной проволоки толщиной 1,76 мм после окончательной
термообработки
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2006
55
Как следует из представленных в табл. 4 и 5 результатов, свойства медной проволоки, полученной из различного сырья, очень близки. При этом, однако, в случае использования вторичного сырья имеет место тенденция к некоторому снижению технологической пластичности и большему электросопротивлению. Степень такого изменения не превышает, соответственно, 4...5 % отн. для показателя пластичности и 0,2...0,3 % для удельного электросопротивления.
Таблица 5 - Свойства токопроводящих жил
Таблица 4 - Свойства медной проволоки 0 1,76 мм
Сырье Кол-во опред. МПа 8, % n р • 105, Ом • мм 2 м
Первичное 8 247 38 88 1689
Вторичное 8 250 37 92 1693
Номинальное сечение жил, мм2 Сырье Кол-во опред. Диаметр жилы, мм Электросопротивление, Ом/км
факт норма ТУ факт норма ТУ
0,5 первичное 26 0,88 не более 1,1 37,05 не более 39,0
вторичное 87 0,90 36,68
0,75 первичное 38 1,08 не более 1,3 24,50 не более 26,0
вторичное 182 1,07 24,37
1,0 первичное 21 1,20 не более 1,5 18,60 не более 19,5
вторичное 51 1,21 18,75
Список литературы
1. Мухин А.М. Усовершенствованная методика сортировки лома и отходов меди // Новi матерiали i технологи в металургй та машинобудуванш, 2001. - № 1. -С. 74-76.
2. Мухин А.М. Технология получения медной катанки с использованием вторичного сырья // Висою технологи в машинобудуванш. Збiрн. наук. праць НТУ "ХП1". -Харьков: НТУ "ХПГ', 2002. - С. 237-243.
Одержано 24.02.2006 р.
Описано склад, структуру i властивостi Midi на головних етапах одержання електротехтчного дроту: плавлення анодноХ мiдi is брухту та вiдходiв, електролтичне рафiнування, одержання заготовки методом безперервного лиття, виробництво електротехтчного дроту та струмопровiдних жил.
The cuprum composition, structure and properties on the main stages of electrotechnical wire production are described: the anodic cuprum smelting from scrap and waste, electrolytic refining, the workpiece receiving using continuous casting method, electrotechnical wire and conductive cable core production.
