CC BY
35
100.
ХТГгГ; IT КЪРМГЯГП'М
(36). 2066
The technology of metallurgical recycling of zinc scrap for bar alloys including high-strength ones with increased contents of aluminum and copper is offered.
A. M. ГАЛУШКО, В. M. КОРОЛЕВ, А. Г. СЛУЦКИЙ, А. А. ГАЛУШКО, БНТУ, A. H. СТЕПАНЮК, УП «Белцветмет»
УДК 669.2/8.054.8
ВОЗМОЖНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВАРИАНТЫ ПЛАВКИ ЦИНКОВЫХ СПЛАВОВ ИЗ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ
Вторичное сырье занимает все более значимое место в суммарном объеме производства и потреблении цветных металлов и сплавов. Например, мировое производство вторичного цинка, составляющее 30% от его общего производства, по прогнозам цинковой ассоциации из Брюсселя, в 2005—2006 гг. увеличится до 40% [1]. Из всех видов исходного сырья цинковых сплавов 80% составляет цинковый лом.
В Республике Беларусь цинковые сплавы потребляют более 50 предприятий, изготавливая детали различными способами литья в машиностроении, приборостроении, детали газовой аппаратуры, бытовой техники и др. Годовая потребность в цинковых сплавах составляет 2000-2200 т. Подавляющая масса цинкового литья изготав-
20000-
18000-
16000-
14000-
12000-
10000-
8000
6000
4000-
2000
Общий ресурс
Алюминий Медь Латунь Бронза
Виды материалов
Рис. 1. Поставка лома и отходов цветных металлов предприятиям Республики Беларусь и
на экспорт
ливается из покупного сырья. Согласно данным УП «Белцветмет», в Беларуси достаточно эффективно организована переработка алюминиевого лома. Практически не перерабатывается лом свинца и цинка (рис. 1).
В настоящей работе предлагается технология металлургической переработки цинкового лома на сортовые сплавы, в том числе высокопрочные с повышенным содержанием алюминия и меди. Исходным сырьем для опытных плавок служил цинковый лом, поставленный УП «Вторцветмет» в количестве 500 кг. Предварительно цинковый лом подвергался дометаллургической обработке. Она состояла из разборки изделий, отделения алюминиевых деталей, стальных гаек и болтов, пластмассовых элементов и других инородных
включений. Затем в лабораторных условиях отливались пробы для химического, микро-рентгеноструктурного анализов и металлургических исследований. Химический состав цинкового лома приведен в табл. 1.
Из таблицы видно, что по основным элементам лом наиболее близок к сплаву типа ЦА4М1 с повышенным содержанием вредных примесей. Металлографический и микрорентгенострук-турный анализы выявили повышенное газосодержание и загрязненность металла оксидами типа ХпО,
цБеларусь gg Экспорт на продажу И Экспорт на переработку
Свинец
Цинк
Г,!Г*П>Г:Г ПЮТШТГТ
Таблица 1. Химический состав цинкового лома
wß / im
4 (36), 2005/ IUI
Соде ржание элементов, мас.% Примеси, мас.%
AI Си Mg Si Pb Fe Sn
3,8-5,7 0,7-1,9 0,04-0,46 <0,1 0,01-0,02 0,06-0,10 0,01-0,1
А1203 А12гп04, интерметаллидами, основными из которых являются ¥&п7 и РеА13.
Полученные результаты хорошо согласуются с данными работы [2].
На основании проведенного анализа химического состава лома и структуры образцов разработана технологическая схема переработки исходного сырья (рис. 2).
Рис. 2. Технологическая схема переработки цинкового лома
Схема лабораторной установки для плавки цинкового лома показана на рис. 3.
Плавку проводили в тигельной наклоняющейся печи емкостью 100 кг. Чугунный тигель покрывали огнеупорной краской, состоящей из каолина на жидком стекле.
После разогрева тигля до 600 °С в него загружали порцию лома. Поверхность зеркала расплавляемого металла покрывали слоем прокаленного древесного угля. При температуре 550 °С отбирали пробу для определения химического состава. При необходимости жидкий металл до-шихтовывали Тп и легировали А1 и Си с целью получения сплава ЦА4М1. Медь вводили в виде лигатуры А1—Си (50% А1 - 50%Си), магний -в чистом виде в конце плавки.
При температуре 550 °С производили отстаивание сплава, обеспечивающее оседание на дно тигля элементов и соединений, имеющих более высокую плотность по сравнению с выплавляемым сплавом (например, свинца и других легкоплавких соединений). В количестве сотых долей процента эти примеси резко ухудшают пластическую деформацию сплава, вызывая явление красноломкости. Свинец ввиду большого различия электропотенциалов со структурными составляющими сплава увеличивает межкристаллитную коррозию.
Для дегазации сплава и частичного удаления твердых неметаллических включений расплав рафинировали хлористым аммонием в количестве 0,10—0,15%. Последний вводили с помощью колокольчика при температуре 450—470 °С. Обработ-
102/.
гггс г: кгцрмлгтг.г,
(36), 2005 -
^БНТУ
Рис, 3. Схема лабораторной установки для плавки цинкового лома
ка хлористым аммонием позволяет удалить из расплава до 70% твердых инородных вютючений за счет флотации их газовыми пузырьками.
Наиболее эффективным методом рафинирования металлических расплавов от твердых включений является фильтрация через зернистые фильтры. Очистка расплава при фильтрации обусловлена как механическим отделением крупных вклю-
чений, так и адгезией дисперсных частиц к поверхности зерен фильтра.
Работа адгезии включений к фильтру численно равна термодинамически обусловленной убыли удельной свободной энергии в системе расплав—включение-фильтр при переходе включения из расплава на поверхность зерен фильтра. Применительно к системе, в которой включения представляют микроскопические, нерастворимые в расплаве тела, в изобарно-изотермических условиях величина работы адгезии может бьпъ определена по уравнению Дюпре:
= °,„ + 0т + стяя,
МДж/м\
гдесЛ1Л_, ол1л, са, д - соответственно межфазная энергия на границе фильтр—расплав, включение—расплав, фильтр—включение.
Уравнение Дюпре в общем виде непременимо для практических расчетов, поскольку в настоящее время межфазная энергия большинства твердых тел неизвестна.
Авторы работ [2, 5], произведя соответствующие преобразования, теоретически определили работу адгезии включений к фильтру. Наибольший интерес представляет работа адгезии включений при активных фильтрах (табл. 2).
Изложница
Таблица 2. Работа адгезии при активных фильтрах
Материал фильтра Работа адгезии включений к фильтру, МДж/м2
2п А1204, РеА13
КР 1307 72.2
СаР2 1183 -51,3
КС1 1323 88,4
СаС12 1340 105,8
1358 103,8
№№ 1341 107,1
Учитывая эффективность рафинирования, экономику и экологичность процесса, для фильтрации использовали фильтр из №С1.
Разливку из печи предварительно разогретого до температуры 450-470 °С металла проводили в изложницы через слой №С1 толщиной 100 мм. Одновременно заливали пробы для определения химического состава сплава, жидкотекучести и
механических свойств. Полученные результаты приведены в табл. 3, 4.
Из таблиц видно, что механические, технологические свойства цинкового сплава, выплавленного из загрязненного лома и подвергнутого отстаиванию, продувке хлористым аммонием с последующей фильтрацией через зернистый фильтр, по свойствам приближаются к сплаву ЦА4М1.
Таблица 3. Химический состав экспериментального сплава ЦА4М1
Содержание основных элементов, мас.% Примеси, мас.%
А1 Си РЬ Яе Бп
3,5-4,5 0,7-1,3 0,04-0,06 <0,015 <0,01 <0,07 <0,002
85 готу ЛГГТТгП Г ктГ.№Г-ПгМ I ЛПО
S#JDJrl 1 У - 4 (36). 2005/ lllu
Таблица 4. Свойства экспериментального сплава ЦА4М1
Жидко-текучесть л,мм Прочность Пластичность НВ, МПа Скорость износа 10"'г/мин
Ои1г, МПа МПа F, мм 5, %
270 475 183 1,56 0,52 720 1,7
Учитывая высокую дефицитность цинка и крайнюю необходимость расширения производства цинковых сплавов, в работе исследовали влияние различных вариантов плавки на физико-механические и технологические свойства сплава ЦА30М5. Высокоалюминиевые цинковые сплавы, обладая лучшими прочностными характеристиками наряду с экономией, позволяют существенно снизить массу деталей, что является актуальным
ческих приборов, газовых плит, редукторов и фарнитуры.
Использовали следующие варианты обработки расплава: продувку жидкого металла инертным газом (аргон или очищенный азот); обработку расплава 0,2% фторбората калия (KBF_,); микролегирование сплава стронцием.
Результаты опьггных плавок приведены в табл. 5, где свойства сплава ЦА30М5 представлены в сравнении со сплавом ЦА4М1.
при изготовлении деталей фотоаппаратов, опти-
Таблица 5. Влияние химического состава и обработки расплава на свойства цинковых литейных
сплавов
Обработка Жидкоте- Прочность Пластичность Скорость
НВ,
Сплав кучесть ^изг, <3в, F, 8, износа
расплава МПа
X, мм МПа МПа мм % 10"3, г/мин
_ 290 577 202 2,78 0,7 1210 1,9
ЦА4М1
Аг 305 599 235 3,26 0,83 1 120 1,6
- 300 668 299 2,9 0,91 1250 3,6
Аг 360 722 296 2,98 1,1 1210 1,4
ЦА30М5 *
0,2%KBF4 390 728 310 3,0 1,2 1270 1,2
0,05%Sr 360 735 300 3.0 1.05 1250 1,3
- 400 647 218 1,7 0,91 1290 1,15
Аг 410 605 243 1,36 1,25 1290 1,05
ЦА30М5**
0,2%KBF4 420 655 252 1,45 1,2 1210 0,96
0,05%Sr 400 670 250 1,25 1,05 1360 1,01
* Сплав приготовлен на основе ЦА4М1, алюминия и меди.
** Сплав приготовлен на основе сплавов ЦА4М2, АК5М4 и меди.
Как видно из таблицы, цинковые сплавы с повышенным содержанием алюминия обладают более высокими прочностными свойствами. При использовании в шихте сплава АК5М4 отмечается максимальная жидкотекучесть за счет добавки кремния при некотором снижении прочности.
Исследованные варианты обработки расплавов оказывают положительное влияние на весь комплекс изученных свойств, причем наибольший эффект достигается при обработке сплавов фтор-боратом калия, что обусловлено рафинирующим и модифицирующим действием последнего.
Таким образом, проведенные исследования показали перспективность использования цинкового лома для изготовления сплавов различного функционального назначения.
Литература
1. Уилкинсон Дж. // Металлоснабжение и сбыт, 2002.
№2.
2. Курдюмов А.В., Емельянов Е.С. Неметаллические и интерметаллические включения в отливках из цинкового сплава производства различных заводов//Литейное производство. 1993. №3. С. 11-12.
3. Флюсовая обработка и фильтрация алюминиевых расплавов / А.В.Курдюмов, С.В. Инкин, B.C. Чулков, Н.И. Графас. М.: Металлургия, 1980.
4. Инкин С.В., Курдюмов Н.В., Вы го в -с к и й Е.В. Роль дисперсионных молекулярных сил и расклинивающего давления при фильтрации металлических расплавов через зернистые материалы // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1972. №4. С. 36—42.
5. Емельянов Е.С. Исследование твердых включений и разработка методов удаления их из цинковых расплавов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1981.
