Исследования комплексного флюса на основе феррит-натриевого силиката в процессах огневого рафинирования меди Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Орыщенко, А.С. Особенности структурных изменений в жаропрочном сплаве 45Х26Н33С2Б2 при температурах эксплуатации. Сообщение 1. Литое состояние [Текст] / А.С. Орыщенко, С.Ю. Кондратьев, Г.П. Анастасиади, М.Д. Фукс, С.Н. Петров // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер.: Наука и образование.— 2012. № 1 (142).— С. 155-163.

2. Орыщенко, А.С. Особенности структурных изменений в жаропрочном сплаве 45Х26Н33С2Б2 при температурах эксплуатации. Сообщение 2. Влияние высокотемпературной выдержки [Текст] / А.С. Орыщенко, С.Ю. Кондратьев, Г.П. Анастасиади, М.Д. Фукс, С.Н. Петров // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер.: Наука и образование.— 2012.— № 2(147). Т. 1.— С. 217-228.

3. Масленков, С.Б. Стали и сплавы для высоких температур [Текст]: Справочник в двух книгах. Кн. 2 / С.Б. Масленков, Е.А. Масленкова.— М.: Металлургия, 1991.— 403 с.

4. Рудской, А.И. Особенности структуры и дли-

тельная прочность литого жаропрочного сплава 45Х26Н33С2Б2 [Текст] / А.И. Рудской, А.С. Орыщенко, С.Ю. Кондратьев, Г.П. Анастасиади, М.Д. Фукс, С.Н. Петров // Металловедение и термическая обработка металлов.— 2012.— (в печати).

5. Жаропрочные сплавы для аэрокосмических и промышленных энергоустановок. Кн. 1. [Текст] / Пер. с англ. под ред. Р.Е. Шалина.— М.: Металлургия, 1995.— 384 с.

6. Слезов, В.В. Рост частиц новой фазы при распаде пересыщенных твердых раствовров [Текст] / В.В. Слезов, В.В. Сагалович // Известия АН СССР. Неорганические материалы.— 1976. № 12.— С. 719—722.

7. Анастасиади, Г.П. О росте частиц новой фазы, лимитируемом диффузией одного компонента [Текст] / Г.П. Анастасиади // Физика металлов и металловедение.— 1979. Т. 47, Вып. 3.— С. 654-656.

8. Анастасиади, Г.П. Неоднородность и работоспособность стали [Текст] / Г.П. Анастасиади, М.В. Сильников.— СПб.: Полигон, 2002.— 624 с.

УДК 669.33

Ю.А. Митрофанов, И.О. Попов

ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПЛЕКСНОГО ФЛЮСА НА ОСНОВЕ ФЕРРИТ-НАТРИЕВОГО СИЛИКАТА В ПРОЦЕССАХ ОГНЕВОГО РАФИНИРОВАНИЯ МЕДИ

В современной металлургии одним из основных процессов, влияющим на основные технико-экономические показатели производства меди, является процесс огневого рафинирования. Существующий процесс огневого рафинирования черновых сплавов на основе меди состоит из следующих основных этапов: продувки расплава кислородсодержащим газом; окисления примесей металлов за счет их большего сродства к кислороду, чем у меди; ошлаковывания оксидов примесей с использованием кварцевого флюса (КФ); скачивания рафинировочного шлака; продувки расплава восстановительным газом (драз-нение на ковкость и плотность) и розлива рафинированной меди. Однако для данного способа характерен ряд таких существенных недостатков, как: ограниченная степень рафинирования меди

от трудноудаляемых примесей (например, N1, РЬ и др.); низкая производительность процесса; ограниченная растворимость в наводимых шлаках ряда тугоплавких оксидов примесных металлов, например железа (магнетит), цинка и др.; высокая температура плавления КФ и, как следствие, относительно низкая скорость образования первичных шлаков, растворения в них окисленных металлов медного сырья и получения конечных шлаков; высокая доля меди, содержащейся в шлаках в виде полидисперсных включений металлической медной фазы (механические потери); затраты на добычу и подготовку к плавке КФ, ухудшение экологии в местах карьерных разработок и добычи КФ [1, 3].

Для усовершенствования существующей технологии огневого рафинирования меди в послед-

Металлургия и материаловедение -►

ние года на кафедре теоретических основ металлургии цветных металлов СПбГПУ исследовалась возможность применения легкоплавкого комплексного флюса, содержащего активный «твердый» окислитель (оксиды трехвалентного железа) и химически связанные с окислителем оксиды щелочных металлов (натрий, калий) и кремния. При этом изучалась эффективность совмещения процессов окисления примесных металлов и растворения образующихся оксидов в первичном шлаке, образованном сравнительно легкоплавким исходным флюсом. В качестве основного компонента комплексного флюса в данной работе использован хибинский эгири-новый концентрат (ЭК) — техногенный отход ОАО «Апатит», выделяемый из «хвостов» при комплексной переработке апатито-нефелино-вых руд [2, 6]. Примерный химический и минералогический составы ЭК по данным ОАО «Апатит» следующий:

Оксиды Содержание, % масс.

....................................44,0-46,0

Fe2Oз..................................15,5-17,5

FeO......................................8,0-10,5

№20......................................6,2-7,8

К20........................................0,7-1,2

СаО........................................7,2-9,0

ТЮ2........................................4,5-9,0

Р205.......................................0,5-1,3

А1203......................................1,5-3,6

У205.......................................0,0-0,2

МпО.......................................0,8-1,8

MgO.......................................2,0-3,0

Прочие F-1, С1-1...................0,1-0,2

Влажность Н20.....................0,2-0,4

Минералы Содержание, % масс.

Эгирин NaFe[Si2O6]................75,0-85,0

Нефелин К№3[А^Ю4]4.............4,0-9,0

Ильменит FeTiO3........................3,0-8,0

Сфен СаТ^Ю4](0,0Н^)..........3,5-6,0

Апатит Са10[Р04]6(Ц0Н)2.........12,0-3,7

Титаномагнетит (FeFe2O4 • Fe2TiO4)+(FeFe2O4. FeTiO3) .... 0,8-4,5

Микроклин К[АШ308]..............0,3-1,0

Гидрослюды

КА12(А^3010)(0Н)2. пН20.....0,5-1,0

Лепидомелан

СТе3[(А1^е^3О10](ОН)2........0,3-0,5

Полевые шпаты..........................0,3-1,0

Прочие ........................................ 0,5-1,5

Особенности вещественного состава ЭК как комплексного флюса для огневого рафинирования меди

Основными компонентами ЭК служат природные минералы, содержащие оксиды щелочных металлов (натрия и калия) и кремния: эги-рин — NaFe[Si2O6], кристаллическисвязанный с ним в определенных соотношениях нефелин — К№3[А^Ю4]4, гидрослюды, микроклин и лепи-домелан (табл. 1). Кроме того, ЭК содержит оксиды двух- и трехвалентного железа (эгирин, ильменит, титаномагнетит), оксиды кальция (сфен) и в примесных количествах другие минералы [1]. Таким образом, состав ЭК включает широко известные и применяемые в разных процессах рафинирования меди оксиды SiO2, СаО, Fe2O3, №2О, К2О в виде, соответственно, кварцита, известняка, железной руды, соды, поташа и других обособленных веществ. По вещественному составу ЭК можно отнести к легкоплавкому комплексному флюсу, содержащему «твердый» окислитель. Плотность ЭКпо данным ОАО «Апатит» равна 3,25-3,6 г/см3, что существенно ниже, чем плотность твердой (при 20 °С) и расплавленной (при 1085 °С) меди — соответственно 8,94 и 7,96 г/см3. Температура ликвидуса ЭКпо данным термографического анализа, выполненного на термическом анализаторе $е1зу8 ЕтоМюп 1750 ^е-1агаш), составляет около 1196 °С, а отдельных его более легкоплавких силикатных эвтектик натрия и калия соответственно ~ 800 и ~765 °С [5].

Особенность состава ЭК как флюса для окислительного рафинирования меди от примесей — это содержание в нем в относительно легкоплавкой минеральной форме оксидов трехвалентного железа (см. табл. 1). Последнее, как известно, способно эффективно окислять большинство примесей цветных металлов медных расплавов в силу большего сродства примесных металлов к кислороду по сравнению с медью и, соответственно, рафинировать медные расплавы от таких примесей, как /п, Fe, Со, №, РЬ, Sn, Sb, Аз и др. Окисление примесей медных сплавов с помощью «твердого» окислителя Fe2O3, содержащегося в ЭК, схематично описывается системой реакций на границе раздела [металл] — (шлак):

Fe2O3 + 2[Си] = [Си^] + 2(FeO); [Си^] + [ Ме ] = 2[Си ] + (МеО) Fe2O3 + [Ме ] = 2(FeO) + (МеО) (1)

Параллельно возможно окисление меди и примесных металлов кислородом воздуха по традиционной схеме в объеме медного расплава:

4[Cu] + O2 = 2[Cu2O]; [Cu2O] + [Ме] = 2[Cu] + [МеО]

(2)

[Ме] + O2 = [МеО]

Важным элементом схемы реакций (2), в отличие от (1), является массоперенос окисленной примеси к поверхности расплава для ош-лакования.

Другая особенность применения ЭК в рафинировочных процессах — использование в них оксидов натрия и калия, содержащихся в ЭК, которые, как известно, снижают температуру плавления, плотность и вязкость образующихся при рафинировании меди рафинировочных шлаков и увеличивают растворимость в шлаках оксидов ряда трудноудаляемых металлов, таких, как Pb, Sn, Sb, As и др. [4].

Следующей особенностью рафинирования медных расплавов с помощью ЭК служит совмещение процессов окисления примесей медной ванны и их растворения в расплаве ЭК в соответствии со схемой реакций (1). Эффективный отвод продуктов реакции окисления из зоны реакции в соответствии с термодинамическими основами способствует большей глубине и массовой скорости окислительного рафинирования медных сплавов [4].

Экспериментальные исследования рафинирования медных сплавов с использованием ЭК в качестве окислителя и флюса

Исследования рафинирования медных сплавов с помощью ЭК проведены в лабораторных условиях в два этапа:

на первом этапе определялась степень рафинирования модельных сплавов на основе меди Cu-Fe, Cu-Zn, Cu-Sn, Cu-Pb, Cu-Sb, Cu-Ni от соответствующих примесных металлов — Fe, Zn, Sn, Pb, Sb и Ni;

на втором этапе исследовалось рафинирование промышленного медного сплава марки М4.

В созданных условиях изучалось влияние массы загружаемого в плавку ЭК на степень очищения медных сплавов от каждого примесного металла.

Исследования рафинирования двойных медных сплавов

Для исследования использовались лигатуры двойных медных сплавов Cu-Fe, Cu-Zn, Cu-Sn, Cu-Pb, Cu-Sb, Cu-Ni с близким содержанием в них примесных металлов (Fe, Zn, Sn, Pb, Sb, Ni) — на уровне 0,5—0,6 % масс. Расплавление лигатур проводилось в алундовых тиглях, установленных в шахту электрической печи с кар-бидокремниевыми нагревателями. Температура в печи и в тигле измерялась с помощью стационарной и погружаемой термопары. На зеркало расплава при заданной температуре в интервале 1170—1230 °С загружался флюс на основе ЭК (в принятом для данной серии опытов количестве до 7 % от массы модельного сплава). Далее тигель выдерживался при той же температуре в течение ~15—20 минут до полного расплавления флюса и образования рафинировочного шлака. Затем токовая нагрузка печи отключалась и полученные расплавы охлаждались в печи. Определялся полный состав медного сплава до и после рафинировочной плавки, а также количество и состав рафинировочных шлаков.

В плавках использовался флюс следующего состава ( % масс.): SiO2 - 44,0; Fe2O3-15,5 FeO — 8,0; Na2O — 14,9; K2O — 0,9; CaO — 7,2

TiO2-4,5;

P2O5—0,5;

Al2O3-1,5;

V2O5 0,1

МпО — 0,8; MgO — 2,0.

Степень рафинирования сплава меди от при месного элемента рассчитывалась по формуле

.(0-С2)

CP =

C1 -100

(1)

где СР — степень рафинирования сплава от примеси, % отн.; С\ и С2 — содержание компонента (примеси цветного металла) в исходном сплаве соответственно до и после рафинирования, % масс.

Результаты экспериментальных исследований сведены в табл. 1.

Как видно из табл. 2, флюс на основе ЭК позволяет эффективно удалять примеси цветных металлов из меди, содержащей 0,5-0,6 % масс. Fe, 2п, 8п, РЬ, 8Ь, N1. Продолжительность процесса составила 15-20 минут.

Исследования рафинирования промышленного медного сплава

Проведены рафинирование сплава меди марки М4 (с содержанием меди ~99,7 %) и флюса

Металлургия и материаловедение

Таблица 1

Степени рафинирования двойных медных сплавов при использовании ЭК

Модельные сплавы Компонент примеси сплава Содержание примеси в исходных модельных сплавах, % масс. Содержание примеси в модельном сплаве после рафинирования, % масс. Степень рафинирования, %

Си-/п /п 0,5 0,004-0,003 99,2-99,4

Си^п Sn 0,5 0,008-0,006 98,4-98,8

Си^е Fe 0,6 0,006-0,003 99,0-99,5

Си^Ь Sb 0,5 0,006-0,004 98,8-99,2

Си-РЬ РЬ 0,5 0,012-0,015 97,6-97,0

Си-№ Ni 0,5 0,045-0,055 89,0-91,0

Таблица 2

Составы рафинированных медных сплавов марки М4

Компонент сплава Состав сплава, %

Исходный После рафинирования при загрузке флюса с разной процентной массовой долей меди

2 % 3 % 4 % 5 % 7 %

Составы сплавов после рафинирования

Bi 0,002 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001

Se <0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001

Те 0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001 -

№ 0,007 0,007 0,006 0,006 0,006 0,006

/п 0,070 0,008 0,002 0,001 <0,001 <0,001

Si <0,001 0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001

Sn 0,024 0,005 0,002 0,001 0,001 0,001

Fe 0,170 0,021 0,007 0,006 0,006 0,006

Р 0,008 0,003 0,002 0,002 0,002 -

Сг 0,002 0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001

Мп <0,001 0,001 <0,001 <0,001 0,001 <0,001

АБ 0,001 0,001 0,001 <0,001 0,001 <0,001

Сё <0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001

SЬ 0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001

S 0,003 0,002 0,002 0,001 0,001 <0,001

РЬ 0,020 0,005 0,003 0,002 0,001 <0,001

0,004 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001

Си 99,687 99,954 99,975 99,981 99,981 99,987

Рис. 1. Изменение степени очищения (рафинирования) медного сплава марки М4 от примесей Бе, 8п, 2п, РЬ и N1 при увеличении загрузки флюса (степень рафинирования рассчитывалась по формуле (1))

на основе ЭК в количествах 2, 3, 4, 5 и 7 % от массы исследуемого сплава. Состав используемого в плавках флюса и методика экспериментального исследования аналогичны описанным выше.

Результаты химического анализа полученных образцов рафинированного медного сплава приведены в табл. 2.

На основе полученных экспериментальных данных были построены зависимости, отражающие изменение степени рафинирования медного сплава при увеличении загрузки флюса на основе ЭК (см. рисунок).

В результате рафинирования меди металлической марки М4 установлено:

возможность удаления примесей Бе, 8п, 2п, РЬ и N1 до уровня, отвечающего содержанию примесей в меди металлической марки М1;

загрузка флюса в количестве до 5 % от массы рафинируемого сплава приводит к увеличению степени очищения медного сплава от примесей Бе, 8п, 2п и РЬ до 95-98 %. Дальнейшее увеличение содержания флюса практически не влияет на степень рафинирования;

при наличии примесей других металлов степень очищения медного сплава от примеси N1 ниже, чем в опытах со сплавами двухкомпонент-ной системы Си—№;

продолжительность процесса рафинирования составила 15-20 минут.

Выполнено лабораторное исследование по определению рафинирующей способности ЭК — техногенного отхода ОАО «Апатит» — при его использовании в качестве комплексного флюса и «твердого» окислителя в процессе огневого рафинирования вторичной меди.

Установлена возможность эффективного рафинирования сплавов систем Cu-Fe, Cu-Zn, Cu-Sn, Cu-Pb, Cu-Sb, Cu-Ni, содержащих трудноу-даляемые примеси Ni, Zn, Sn, Fe, Sb и Pb. Степень очищения от Ni, Zn, Sn, Fe, Sb и Pb соответственно составила: 91,0; 99,4; 98,8; 99,5; 99,2 и 97,6 % отн.

Установлена возможность эффективного рафинирования меди металлической марки М4 с получением меди марки М1.

Скорость процесса рафинирования по новой технологии более чем в два раза превосходит массовую скорость существующего процесса огневого рафинирования, в результате продолжительность нового процесса составляет 1520 минут.

На способ огневого рафинирования меди с использованием ЭК получен патент РФ [5].

Металлургия и материаловедение -►

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Смирнов, В.И. Металлургия меди, никеля и кобальта [Текст] / В.И. Смирнов, А.А. Цейдлер, И.Ф. Худяков, А.И. Тихонов.— М.: Металлургия, 1964.

2. Федоров, С.Г. Химическая переработка минеральных концентратов Кольского полуострова [Текст] / С.Г Федоров, А.И. Николаев, Ю.Е. Брыляков [и др.].— Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2003.— С. 22-26.

3. Купряков, Ю.П. Производство тяжелых цветных металлов из лома и отходов [Текст] / Ю.П. Ку-ряков.— Харьков: Основа, 1992.

4. Ванюков, А.В. Теория пирометаллургических процессов [Текст] / А.В. Ванюков, В.Я. Зайцев.— М.:

Металлургия, 1973.

5. Патент № 2391420. Российская Федерация, МПК7. Способ огневого рафинирования меди [Текст] / Попов И.О., Устинов С.М., Бутырский Б.Н., Макаров А.М.— № 2009124157. Заявлено 24.06. 2009.

6. Попов, И.О. Научные и практические основы применения эгиринового концентрата-техногенного отхода ОАО «Апатит» в качестве комплексного флюса в пирометаллургии меди [Текст] / И.О. Попов, Ю.А. Митрофанов // Научно-технические ведомости СПбГПУ— 2012. № 1.— С. 163-172.

УДК 621.92

Н.В. Никитков, Н.Ю. Ковеленов, Д.Н. Шабалин

РАСЧЕТ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ПРИ АЛМАЗНОМ ШЛИФОВАНИИ ЗАГОТОВОК ИЗ ТВЕРДЫХ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ

В настоящее время не существует методик обоснованного расчета и назначения режимов резания при алмазном шлифовании твердых хрупких материалов типа керамики, твердых сплавов, композитов и т. п. Общеизвестна кинематическая модель режущей способности круга формы 1А1, описываемая формулой

Q = « , мм3/мин,

(1)

приведены сведения о разрушении зернами кругов материала заготовки и параметрах режущей поверхности (см. таблицу) алмазных кругов при шлифовании заготовок из хрупких твердых материалов.

В качестве примера рассмотрен алмазный круг формы 1А1 с размерами: диаметр х высота — 300x10 мм. Площадь £кр режущей поверхности круга равна

где мм, — глубина резания; уоб = упр /пз, мм/об, — продольная подача стола за 1 оборот заготовки; ур = %dзnз, мм/мин, — окружная скорость заготовки.

Формула для Q справедлива, если зерна круга при назначенных параметрах режима у1об, Уз успевают снять объемный припуск с заготовки. В противном случае в процессе резания возникают прижоги или сколы на поверхности заготовки, вибрации, засаливание круга.

Назначение наилучших режимов шлифования — неочевидная и сложная задача, зависящая от свойств материала заготовки, характеристик круга, оборудования и квалификации рабочего.

Управление процессом алмазного шлифования возможно при изучении взаимодействия зерен круга с поверхностью заготовки. Ниже

£кр = = та300-10/100 = 94,25 см2. (2)

Ниже приведены зависимости для расчета параметров и режущей способности алмазного круга, которые являются математической моделью расчета режимов шлифования материала заготовок алмазными кругами.

В строках 4-7 таблицы жирным шрифтом выделены глубины внедрения алмазных зерен кругов разной зернистости в хрупкий материал заготовок с микротвердостью НУ= 15 ГПа, обеспечивающие хрупкое разрушение поверхности заготовок (соответствует черновому и получистовому шлифованию). При внедрении зерен кругов на глубину 0,5-1 мкм обеспечивается пластичное и квазихрупкое разрушение материала заготовок, что желательно производить при чистовом шлифовании.