Технология производства и потребительские свойства латуней обрабатываемых давлением

Таблица 3.1

Латуни

Марка	Химический состав					Назначение
	Cu	Al	Pb	Sn	другие
Простые латуни
	Пластичные (однофазные), деформируемые в холодном и горячем состоянии
Л96 (томпак)	95,0–97,0	―	―	―	―	Трубки радиаторные, листы, ленты.
Л80 (полутомпак)	79,0–81,0	―	―	―	―	Трубки, лента, проволока.
Л68	67,0–70,0	―	―	―	―	Листы, ленты для глубокой вытяжки.
	Меньшей пластичности (двухфазные), деформируемые в горячем состоянии и литейные.
ЛС59–1	57,0–60,0	―	0,8–1,9	―	―	Листы, трубы, литье; хорошая  обрабатываемость резанием.
Сложные латуни
	Обрабатываемые давлением (однофазные)
ЛА 77–2	76,0–79,0	1,7–2,5	―	―	―	Трубы в морском и  общем машиностроении
ЛО70–1	69,9–71,0	―	―	1–1,5	―	Трубы подгревателей
	Литейные (двухфазные) по ГОСТ 17711–72
ЛА 67–2,5	66–68	2–3	<=1,0	―	―	Отливки в морском  и общем машиностроении
Сложные латуни повышенной прочности и стойкости против коррозии
ЛАН 59–3–2	57,0–60,0	2,5–3,5	―	―	2–3 Ni	Трубы, тяжело нагруженные  детали в моторо- и судостроении
ЛАЖ 60–1–1	58,0–61,0	0,75–1,5	<=0,4	―	0,8–1,5 Fe
	Литейные (двухфазные) по ГОСТ 17711–72
ЛМцЖ 55–3–1	53–58	―	<=0,5	1,3–4,5	0,5–1,5 Fe4–3 Mn	Массивное литье в  судосроении.
ЛмцОС 58–2–2–2	57–60	―	0,5–2,5	1,5–2,5	1,5–2,5 Mn	Шестерни, зубчатые колеса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛАТУНЕЙ ОБРАБАТЫВАЕМЫЕ ДАВЛЕНИЕМ  И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДИ

Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах содержится 1-6% меди.

В рудах медь обычно находится в  виде сернистых соединений (медный колчедан или халькопирит CuFeS₂, халькозин Cu₂S,  ковелин CuS), оксидов (куприт Cu₂O, тенорит CuO) или гидрокарбонатов (малахит CuCO₃ × Cu(OH₂), азурит 2CuCO₃ × Cu(OH)₂).

Пустая порода состоит из пирита FeS, кварца SiO₂, карбонатов магния и кальция (MgCO₃ и CaCO₃), а также из различных силикатов, содержащих Al₂O₃, CaO, MgO и оксиды железа.

В рудах иногда содержится значительное количество других металлов: цинк, олово, никель, золото, серебро, кремний и  другие.

Руда делится на сульфидные, окисленные и смешанные. Сульфидные руды бывают обычно первичного происхождения, а  окисленные руды образовались в результате окисления металлов сульфидных руд.

В небольших количествах встречаются  так называемые самородные руды, в которых медь находится в свободном виде.

ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА МЕДИ.

Известны  два способа извлечения меди из руд и концентратов: гидрометаллургический и пирометаллургический.

Первый из них не нашел  широкого применения. Его используют при переработке бедных окисленных и самородных руд. Этот способ в отличии  от пирометаллургического не позволяет извлечь попутно с медью драгоценные металлы.

Второй способ пригоден для переработки всех руд и  особенно эффективен в том случае, когда руды подвергаются обогащению.

Основу этого процесса составляет плавка, при которой расплавленная  масса разделяется на два жидких слоя: штейн-сплав сульфидов и шлак-сплав окислов. В плавку поступают либо медная руда, либо обожженные концентраты медных руд. Обжиг концентратов осуществляется  с целью снижения содержания серы до оптимальных значений.

Жидкий штейн продувают в конвертерах воздухом для окисления сернистого железа, перевода железа в шлак и выделения черновой меди.

Черновую медь далее подвергают рафинированию – очистке от примесей.

Подготовка руд к плавке.

Большинство медных руд обогащают  способом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe  и пустую породу, главным образом составляющими которой являются  SiO₂, Al₂O₃ и CaO.

Концентраты  обычно обжигают в  окислительной среде с тем, чтобы  удалить около 50% серы и получить обожженный концентрат с содержанием серы, необходимым для получения при плавке достаточно богатого  штейна.

Обжиг обеспечивает хорошее смешение всех компонентов шихты и нагрев ее до 550-600 ⁰С и, в конечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза. Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлаке и унос пыли.  Поэтому  обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные  (8-25% Cu) подвергают обжигу.

Температура  обжига концентратов применяют многоподовые печи с механическим перегреванием.  Такие печи работают непрерывно.

Выплавка медного штейна

Медный штейн, состоящий  в основном из сульфидов меди и  железа (Cu₂S+FeS=80-90%) и других сульфидов, а также окислов железа, кремния, алюминия и кальция, выплавляют в печах различного типа.

Комплексные руды, содержащие золото, серебро, селен и теллур, целесообразно обогащать так, чтобы в концентрат была переведена не только медь, но и эти металлы. Концентрат переплавляют в штейн в отражательных или электрических печах.

Сернистые, чисто медные руды целесообразно  перерабатывать в шахтных печах.

При высоком содержании серы в рудах  целесообразно применять так  называемый процесс медно-серной плавки в шахтной печи с улавливанием газов и извлечением из них элементарной серы.

В печь загружают медную руду, известняк,  кокс и оборотные продукты. Загрузку ведут отдельными порциями сырых  материалов и кокса.

В верхних горизонтах шахты создается  восстановительная среда, а в  нижней части печи – окислительная. Нижние слои шихты плавятся, и она постепенно опускается вниз навстречу потоку горячих газов. Температура у фурм достигается 1500 ⁰С  на верху печи она равна примерно 450 ⁰С.

Столь высокая температура отходящих  газов необходима для того, чтобы обеспечить возможность из очистки от пыли до начала конденсации паров серы.

В нижней части печи, главным образом  у фурм, протекают следующие основные процессы:

а) Сжигание углерода кокса

C + O₂ = CO₂

б) Сжигание серы сернистого железа

2FeS + 3O₂ = 2 FeO + 2SO₂

в)  Образование силиката железа

2 FeO + SiO₂ = (FeO)₂ × SiO₂

Газы, содержащие CO₂, SO₂, избыток кислорода и азот, проходят вверх через столб шихты. На этом пути газов происходит теплообмен между шихтой и ними, а также взаимодействие  CO₂ с углеродом шихты. При высоких температурах CO₂  и SO₂ восстанавливаются углеродом кокса и при этом образуется окись углерода, сероуглерод и сероокись углерода:

CO₂ + C = 2CO

2SO₂ + 5C = 4CO + CS₂

SO₂ + 2C = COS + CO

  В верхних горизонтах печи пирит разлагается по реакции:

FeS₂ = Fe + S₂

При температуре около 1000 ⁰С плавятся наиболее легкоплавкие эвтектики из FeS  и Cu₂S, в результате чего образуется пористая масса.

В порах этой массы расплавленный  поток сульфидов встречается  с восходящим потоком горячих газов и при этом протекают химические реакции, важнейшие из которых указаны ниже:

а) образование сульфида меди из закиси меди

2Cu₂O + 2FeS + SiO₂ = (FeO)₂ × SiO₂ + 2Cu₂S;

б) образование силикатов из окислов  железа

3Fe₂O₃ + FeS + 3,5SiO₂ = 3,5(2FeO × SiO₂) + SO₂;

3Fe₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5(2FeO × SiO₂) + SO₂;

в) разложение CaCO₃ и образование силиката извести

CaCO₃ + SiO₂ = CaO × SiO₂ + CO₂;

г) восстановление сернистого газа до элементарной серы

SO₂ + C = CO₂ + ½ S₂

В результате плавки получаются штейн, содержащий 8-15% Cu, шлак состоящий в основном из силикатов железа и извести, колошниковый газ, содержащий S₂, COS, H₂S, и CO₂. Из газа сначала осажают пыль, затем из него извлекают серу (до 80% S)

Чтобы повысить содержание меди в штейне, его подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких же шахтных печах. Штейн загружают кусками размером 30-100 мм вместе с кварцевым  флюсом, известняком и коксом. Расход кокса составляет 7-8% от массы шихты. В результате получают обогащенный медью штейн (25-40% Cu) и шлак (0,4-0,8% Cu).

Температура плавления  переплавки концентратов, как уже  упоминалось, применяют отражательные  и электрические печи. Иногда обжиговые  печи располагают непосредственно над площадкой отражательных печей с тем, чтобы не охлаждать обожженные концентраты и использовать их тепло.

По мере нагревания шихты  в печи протекают следующие реакции  восстановления окиси меди и высших оксидов железа:

6CuO + FeS = 3Cu₂O + SO₂ + FeO;

FeS + 3Fe₃O₄ + 5SiO₂ = 5(2FeO × SiO₂) + SO₂

В результате реакции образующейся закиси меди  Cu₂O с FeS получается Cu₂S:

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO

Сульфиды меди и железа, сплавляясь между собой, образуют первичный  штейн, а расплавленные силикаты железа, стекая по поверхности откосов, растворяют другие оксиды и образуют шлак.

Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти полностью переходят в штейн.

Штейн отражательной  плавки на 80-90% (по массе) состоит из сульфидов меди и железа. Штейн  содержит, %: 15-55 меди; 15-50 железа; 20-30 серы; 0,5-1,5 SiO₂; 0,5-3,0 Al₂O₃; 0.5-2.0 (CaO + MgO);  около 2% Zn и небольшое количество золота и серебра. Шлак  состоит в основном   из SiO₂, FeO, CaO, Al₂O₃ и содержит 0,1-0,5 % меди. Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96-99 %.

Конвертирование медного штейна

В 1866 г. русский инженер  Г. С. Семенников предложил применить  конвертер типа бессемеровского для продувки штейна. Продувка штейна снизу воздухом обеспечила получение лишь полусернистой меди (около 79% меди) – так называемого белого штейна. Дальнейшая продувка приводила к затвердеванию меди. В 1880 г. русский инженер предложил конвертер  для продувки штейна с боковым дутьем, что и позволило получить черновую медь в конвертерах.

Конвертер делают длиной 6-10, с наружным диаметром 3-4 м. Производительность за одну операцию составляет 80-100 т.  Футеруют конвертер магнезитовым кирпичом. Заливку расплавленного штейна и слив продуктов осуществляют через горловину конвертера, расположенной в средней части его корпуса. Через ту же горловину удаляют газы. Фурмы для вдувания воздуха расположены по образующей поверхности конвертера. Число фурм обычно составляет 46-52, а диаметр фурмы – 50мм. Расход воздуха достигает 800 м²/мин. В конвертер заливают штейн и подают кварцевый флюс, содержащий 70-80% SiO₂, и обычно некоторое количество золота. Его подают во время плавки, пользуясь пневматической загрузкой через круглое отверстие в торцевой стенке конвертеров, или же загружают через горловину конвертера.

Процесс можно разделить  на два периода. Первый период (окисление сульфида железа с получением белого штейна) длится около 6-024 часов в зависимости от содержания меди в штейне. Загрузку кварцевого флюса начинают с начала продувки. По мере накопления шлака его частично удаляют и заливают в конвертер новую порцию исходного штейна, поддерживая определенный уровень штейна в конвертере.

В первом периоде протекают  следующие реакции окисления  сульфидов:

2FeS + 3O₂ = 2FeO + 2SO₂ + 930360 Дж

2Cu₂S + 3O₂ = 2Cu₂O + 2SO₂ + 765600 Дж

Пока существует FeS, закись меди не устойчива и превращается в сульфид:

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO

Закись железа шлакуется  добавляемым в конвертер кварцевым  флюсом:

2FeO + SiO₂ = (FeO) × SiO₂

При недостатке SiO₂ закись железа окисляется до магнетита:

6FeO + O₂ = 2Fe₃O₄, который переходит в шлак.