СПОСОБ СОВМЕЩЕННОГО ЛИТЬЯ И ПРОКАТКИ МЕДНЫХ СПЛАВОВ ИЗ МЕДНЫХ ЛОМОВ Российский патент 2017 года по МПК B21B1/46 C22B15/14 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к способам переработки вторичного медьсодержащего сырья, для дальнейшего использования металла в изделиях электротехнического назначения.

Известен способ переработки медьсодержащего вторичного сырья в виде медных проводов с лаковой, полимерной или хлопчатобумажной изоляцией, включающий загрузку исходной шихты в расплав солей, плавление в соляной ванне при температуре, превышающей точку плавления меди, с последующей разливкой в слитки и полуфабрикаты. Из вторичного сырья предварительно удаляют железо, шихту загружают в расплав солей щелочных и щелочноземельных металлов и плавят ее выше температуры плавления меди на 10-310°С, далее извлекают жидкую медь, а с поверхности солей удаляют образовавшийся нагар, после чего цикл повторяют, при этом соотношение объемов загружаемой шихты и расплава солей поддерживают в пределах (2-3,4):1 (RU 2181386, кл. С22В 7/00, 2002 г.).

Однако данный способ не позволяет получать медь высокого качества из-за неоднородности ее структуры, обусловленной наличием трещин, пор, различных включений, а также высоким содержанием кислорода, не позволяющим использования меди в изделиях электротехнического назначения.

Известен способ огневого рафинирования меди при переработке медьсодержащего вторичного сырья, (RU 2391420, кл. С22В 15/14, С22В 9/10, 2010 г.). Способ заключается в порционной подаче шихтовых материалов и металлической шихты. Температуру медного расплава поддерживают на уровне 1220-1240°С. После чего проводят окислительное рафинирование медного расплава продувкой расплава воздухом с загрузкой в ванну флюса, состоящего из смеси эгиринового концентрата и кварцевого песка. Флюс загружают порциями по мере его расплавления в ванне и температуре расплава шлака в печи 1220-1240°С. Концентрат включает, в мас. %: 82,5 эгирина - Na, Fe[Si₂O₆]; 6,7 нефелина - KNa₃ [AlSiO₄]₄; 4,3 сфена - CaTiSiO₄; 3.1 апатита - Ca₁₀ (PO₄)₆; 3,4 прочих веществ, состоящих в основном из титаномагнетита. После завершения окислительного рафинирования медного расплава его продувку воздухом отключают и проводят удаление шлака. После удаления шлака медный расплав раскисляют по известной технологии с помощью природного газа.

Однако медь, полученная этим способом, загрязнена различными примесями и содержит высокое количество кислорода, что не позволяет ее использование в изделиях электротехнического назначения, т.к. к таким изделиям предъявляют высокие требования на наличие примесей.

Известен способ совмещенного непрерывного литья и прокатки медных сплавов (RU 2163855, Кл. B22D 11/12, 2001 г.), включающий получение расплава, его накопление в миксере, легирование, подачу расплава по желобу в приемную ванну литейной машины, формирование непрерывнолитой заготовки в кристаллизаторе роторного типа, выход горячей литой заготовки из кристаллизатора, подачу заготовки в непрерывный прокатный стан и сматывание готовой катанки в бунты. До попадания расплава в приемную ванну литейной машины осуществляют удаление кислорода из расплавленной меди посредством образования на пути потока жидкой меди участка, засыпанного прокаленным нефтяным коксом и/или кусками графита. Зеркало расплава в приемной ванне литейной машины покрывают прокаленным нефтяным коксом и/или кусками графита.

Участок на пути потока жидкой меди, засыпанный кусками графита, не сможет обеспечить достаточный контакт меди с графитом по всему сечению, а поэтому содержание кислорода будет оставаться на достаточно высоком уровне до 300 ppm. Такое содержание кислорода не обеспечивает требований, предъявляемых к бескислородной меди, а значит, при прокатке и волочении литой заготовки повышается уровень обрывности, что сказывается на качестве проволоки.

За прототип принят способ непрерывного горизонтального литья меди, включающий плавление меди при температуре 1084°С покрытием поверхности слоем прокаленного древесного угля и созданием над расплавом атмосферы из угарного газа. На втором этапе осуществляют рафинирование и восстановление меди при температуре 1180-1200°С до содержания в ней кислорода не более 8 ppm. Стабилизируют расплав по химическому составу и температуре с одновременным выведением газообразных продуктов реакции. Осуществляют литье через графитовый кристаллизатор с шаговым вытягиванием изделия. Скорость, шаг и частоту шагов рассчитывают в зависимости от вида получаемых изделий. Проводят подготовку полученных изделий для дальнейшей транспортировки и хранения (RU 2458758, кл. B22D 11/04, С22В 15/14, 2012 г.).

Однако для осуществления известного способа необходимо использовать высококачественное сырье - катодную медь марок М0, M1 (ГОСТ 859-2001), а в качестве медных отходов - незагрязненные маслом и посторонними примесями, отнесенные к классу А, группы 1, сорт 1 (ГОСТ 1639). К недостаткам также можно отнести высокие энергозатраты, сказывающиеся на конечной стоимости изделий, т.к. используется элекроиндукционная печь, а также возможный быстрый выход из строя футеровки, а, следовательно, дополнительные затраты на проведение футеровочных работ.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа совмещенного литья и прокатки литой заготовки с повышенными физико-техническими характеристиками, отвечающими ГОСТу, за счет снижение кислорода в медном расплаве до 3-5 ppm.

Техническим результатом изобретения является возможность получения изделий электротехнического назначения из 100% медных ломов с содержанием в них меди не менее 98%.

Поставленная задача и, как следствие, указанный технический результат достигаются тем, что способ совмещенного литья и прокатки медных сплавов из медных ломов включает приготовление расплава путем плавления меди на первом этапе, рафинирование и восстановление меди на втором этапе с использованием углеродсодержашего материала и повышением температуры, формированием и вытягиванием непрерывнолитой заготовки, подготовку получаемых изделий для дальнейшей транспортировки и хранения. Согласно изобретению, после плавления расплав меди пропускают в раздаточную камеру через графит с плотностью 1,56-2,2 г/см³ в виде перфорированного элемента при температуре 1140-1175°С, а литую заготовку подвергают прокатке путем ее пропускания с линейной скоростью 1,5-2,5 м/сек через индукционный нагреватель, обеспечивающий высокотемпературный нагрев до 650-800°С с последующим резким охлаждением заготовки до 50-55°С. Таким образом, литая заготовка дважды подвергается рекристаллизации структуры металла, на первом этапе при прокатке, а на втором при высокоскоростном и высокотемпературном нагреве и резком охлаждении.

Для обеспечения эффективности извлечения кислорода из расплава меди и обеспечения заданной производительности площадь каналов перфорированного графитового элемента должна составлять 10-23 м, а скорость истечения расплава меди в раздаточную камеру через графитовый перфорированный элемент - 0,1-0,12 м/сек.

Пропуск расплава меди в раздаточную камеру через графит обеспечивает дополнительное восстановление меди до содержания в ней кислорода до 5 ppm и ниже. При этом в момент перетока металла из камеры дегазации в раздаточную камеру температура должна повышаться до 1140-1175°С, что позволяет снизить плотность меди. Если температура расплава в зоне перетока снизится ниже 1140°С, в каналах графита возможно возникновение кристаллизации металла и забивание каналов перфорации и пор графита, а превышение температуры свыше 1175°С нецелесообразно, т.к. ведет к излишнему расходу энергии. Вязкость меди за счет поддержания температурного режима перетока поддерживают на уровне 7860 кг/м³, что создает свободное ее истечение со скоростью 0,1-0,12 м/сек и способствует соблюдению необходимой производительности агрегата. Выбор графита с плотность 1,56-2,2 г/см в виде перфорированного элемента создает условия эффективного раскисления меди. При этом опытным путем выбраны параметры графита, так при снижении его плотности меньше 1,56 г/см³, эффективность раскисления снижается и уменьшается вывод кислорода из расплава, из-за снижения массовой доли углерода, а повышение плотности свыше 2,2 г/см³ увеличивает стоимость самого графита, ведущего к повышению себестоимости производства. Площадь каналов перфорации графитового блока также подобрана экспериментальным путем и должна быть в пределах 10-23 м², т.к. при уменьшении площади контакта снижается эффективность раскисления, а ее увеличение уменьшает физико-механические характеристики самого графита и приводит к быстрому разрушению графитового перфорированного элемента.

Вытягивание литой заготовки осуществляют на прокатном стане с получением «катанки», которую подвергают совмещенному высокотемпературному нагреву и резкому охлаждению. Высокотемпературный нагрев обеспечивает мягкое состояние «катанки», позволяющее расширить диапазон сечений «катанки» от 30 до 100 мм², при этом опытным путем подобраны линейная скорость прохождения катанки через индукционный нагреватель, температура нагрева и охлаждения. Выбранные параметры обеспечивают мелкозернистую, однородную структуру «катанки», повышают ее физико-механические характеристики, необходимые для изделий электротехнического назначения.

Пример осуществления способа проводили при получении катанки диаметром 8 мм. Испытания осуществляли на плавильно-литейном агрегате «Копер Ап Лайн ZG» производительностью 2 т/час по расплаву.

Подача шихтовых материалов включала порционную загрузку через загрузочное окно в плавильную ванну печи с помощью механизированного погрузчика. При включенной горелке и сжигании природного газа с коэффициентом избытка воздуха 1,1 в ванну загружали шихту порциями по 500 кг - вторичные медные отходы с содержанием меди не менее 95%. Загрузку последующей порции шихты проводили после расплавления предыдущей. Температуру расплава поддерживали на уровне 1200-1260°С. По мере наплавки плавильной камеры металл перетоком поступал в дегазационную камеру печи, где его доводили до заданного химсостава и до уровня содержания кислорода не более 100 ppm.

Дальнейшее раскисление меди осуществляли на пути перетока металла из дегазационной камеры в восстановительную камеру посредством пропускания расплава через высокоуглеродистый перфорировнный элемент - графит. В нашем случае использовали графит плотностью 1,75 г/см³. Общая площадь контакта с графитом составляла 20 м², скорость истечения расплава при производительности агрегата до 2 т/час составляла 0,11 м/сек. Температуру расплава в зоне перетока поддерживали посредством индукционного нагрева на уровне 1168°С. Содержание кислорода в расплаве на входе в раздаточную камеру при этих условиях составляло 10 ppm. В раздаточной камере кислород в расплаве дополнительно снижался до уровня 5 ppm и ниже, после чего расплав поступал в водоохлаждаемый вертикальный кристаллизатор для формирования литой круглой заготовки диаметром 18,5 мм. После охлаждения заготовки производили намотку в бунт до 6,0 тонн.

Далее литую заготовку сваривали с целью обеспечения непрерывности процесса и направляли на стан холодной прокатки, где посредством однонаправленной деформации и общем относительном обжатии на 81,3%, т.е. прокаткой с диаметра менее 18,5 мм получали катанку диаметром 8,0 мм. Затем катанка в непрерывном процессе поступала на высокоскоростной нагрев путем пропускания ее с линейной скоростью 2,4 м/сек через встроенный отжиг (нагрев) до температуры 800°С с последующим совмещенным резким охлаждением до температуры 54°С.

Таким образом, была получена катанка диаметром 8 мм из 100% медных ломов. За счет разработки и соблюдения новых режимов получен бескислородный металл с однородной мелкокристаллической структурой и с однородными высокими физико-механическими характеристиками отвечающими ГОСТу.

Готовая катанка приобретала мягкое состояние, т.е. удлинение и разрывную прочность, отвечающую ГОСТу, кроме того, в предлагаемом способе использовали высокоэффективный газоэлектрический агрегат, где основным источником энергии является природный газ (или любое жидкое топливо), что существенно снижает затраты на производство 1 тонны изделия по сравнению с прототипом.

В настоящее время способ прошел опытно-лабораторные испытания и готовится его испытания на промышленной установке.

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при производстве медных электротехнических изделий из вторичного сырья способом совмещенного литья и прокатки. На первом этапе приготавливают расплав меди путем плавления медных отходов. На втором этапе расплав подвергают рафинированию и восстановлению меди, для чего указанный расплав пропускают в раздаточную камеру через перфорированный элемент из графита плотностью 1,56-2,2 г/см³ при температуре 1140-1175°С. Затем формируют непрерывнолитую заготовку, подвергают ее прокатке, нагревают до 650-800°С путем пропускания через индукционный нагреватель с линейной скоростью 1,5-2,5 м/с и резко охлаждают до 50-55°С. Рекристаллизация металла при прокатке, а затем при пропускании через индукционный нагреватель приводит к образованию однородной мелкокристаллической структуры и высоким физико-механическим характеристикам готового изделия. Обеспечивается получение электротехнических изделий из 100% медных ломов. 2 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.

1. Способ совмещенного литья и прокатки медных сплавов, включающий приготовление расплава путем плавления медных ломов на первом этапе, рафинирование и восстановление меди на втором этапе с использованием углеродсодержащего материала и повышением температуры, формирование и вытягивание непрерывнолитой заготовки, подготовку получаемых изделий для дальнейшей транспортировки и хранения, отличающийся тем, что после плавления расплав меди пропускают в раздаточную камеру через перфорированный элемент из графита плотностью 1,56-2,2 г/см³ при температуре 1140-1175°C, литую заготовку подвергают прокатке, затем – высокотемпературному нагреву до 650-800°C путем пропускания ее через индукционный нагреватель с линейной скоростью 1,5-2,5 м/с и последующему резкому охлаждению до 50-55°C.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что площадь каналов перфорированного графитового элемента составляет 10-23 м².

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость истечения расплава меди в раздаточную камеру через графитовый перфорированный элемент составляет 0,1-0,12 м/с.