Покривний склофлюс для захисту олов’яних бронз при плавленні

Запропонована корисна модель відноситься до складів покривних склофлюсів для захисту кольорових металів при плавленні, спрямована на зменшення втрат металів при цьому процесі і може бути використана при плавленні олов'яних бронз. На сьогоднішній день олов'яні бронзи завдяки своїм унікальним властивостям - високим антикорозійній, антифрикційній, хімічної стійкості, тепло- та електропроводності та виключно малій усадці знайшли широке застосування, а підчас являються незамінним матеріалом, в різних областях промисловості, науки та техніки для виготовлення складних відливок, які працюють в корозійних середовищах під тиском та при високих температурах (до 280°С), фасонних частин тр убопроводів, підшипників та їх вкладишів, тонкостінної арматури з різкими переходами за товщиною, художнього лиття та інш. [1, 2]. Однак при плавленні, яке здійснюють за температурами 915-1050°С, мають місце великі втрати цих металів, внаслідок їх угару та зі шлаками. Ці втрати складають в залежності від способу плавлення, використаної сировини (рудна, або вторинна - лом, стружка), флюсів або інших захисних матеріалів 7-12 мас.% [2-4]. Окрім того, внаслідок окислення знижується якість поверхні бронз, що виплавляються [4, 5]. Одним з найбільш ефективних способів захисту бронз при плавленні являється застосування флюсів, одержаних на основі різних матеріалів: кріоліта, бури, соди, плавикового шпату, легкотопких стекол, хлоридів та інш. [4, 5]. Однак флюси, які використовуються, не задовольняють вимоги промисловості щодо ступеня захисної дії від окислення цих металів та якості їх поверхні, екологічної безпеки, дефіцитності в Україні матеріалів, які входять до їх складу, та інш. Так, відомі покривні флюси для плавки олов'яних бронз мають у складі, мас.%: 1) SiO2 41-47; MnO2 25-32; Na2O 10-15; Аl2О3 11-14; 2) SiO2 50; Na 2B4O7.10H2O (бура) 30; СuО 20; 3) SiO2 10-30; Na2B4O7 (бура) 90-70 [4]. Але завдяки своєму складу вони є відносно легкотопкими, втрати бронз при їх використанні складають вище 8 мас.%, тому вони не забезпечують достатній захист при плавленні цих сплавів. До того ж другий і третій склади, які мають значну кількість бури (30-90%), є досить агресивними до футеровки плавильної печі, як правило, кварцитової або шамотної, чим зменшують в 4-5 разів строк її експлуатації [5, 6]. Відомі також покривні флюси, які застосовуються для захисту олов'яних бронз при плавці, що містять, мас.%: 1) Nа2СО3 50, CaF2 50; 2) Nа2СО3 60, CaF2 33, Na 2B4O7.10H2O (бура) 7; 3) Na 2СО3 40, CaF2 20, SiO 2 40; 4) деревне вугілля 14-20, склобій 10-16, кріоліт 30-36, кальциновану соду - решта; 5) відходи фосфорного виробництва 45-55, вуглецьвміщуючий матеріал 6-12, SiO2 15-25, соду - решта [6-8]. Ці флюси проявляють декілька більшу, ніж попередні, захисну дію (втрати олов'яних бронз при плавці під їх шаром складають 7-8 мас.%), але й вони не забезпечують достатній рівень захисту бронз, мають у своєму складі токсичні та екологічно небезпечні фториди та фосфати, і, як і попередні склофлюси, швидко руйнують футеровку плавильних печей [5]. Найбільш близьким за технічною сутністю та запропонованим технічним рішенням є флюс складу мас.%: бура - Na2B4 O7.10Н2О - 63; бій скла - 37 [2, с. 87]. Однак цей покривний флюс не формує достатньо щільного шару покриття, який захищав би розплав бронз від проникнення кисню, тому при його використанні утворюється 1015% шлаків від маси шихти [2]. До того ж, як було вказано вище, завдяки вмісту великої кількості бури у цьому флюсі - 63 мас.%, він може значно прискорювати руйнування футеровки плавильної печі. В основу корисної моделі поставлена задача - розробити покривний склофлюс з ефективною захисною дією при плавленні олов'яних бронз, який забезпечує зниження втрат цих металів до 5 мас.% і при одержанні якого не буде використовуватися екологічно небезпечна сировина (фториди, фосфати), а також буде суттєво зменшено вміст бури, агресивної до футеровки печі та дефіцитної в умовах України. Поставлена задача вирішується шляхом розробки покривного склофлюсу для захисту олов'яних бронз при плавленні, який складається зі склобою та бури і відрізняється тим, що додатково вміщує силікат-глибу при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: склобій 20-35, бура 8-25, силікат-глиба 40-70 й при співвідношенні (модулі) 8102 / Na2О в силікат-глибі 2,3-3,2. Завдяки присутності у цьому флюсі силікат-глиби у запропонованій кількості цей флюс при температурі інтенсивного окислення (780-870°С) та плавлення (915-1050°С) олов'яних бронз створює щільний газонепроникний шар на їх поверхні, який забезпечує е фективний захист розплаву бронз від окислення. Це є результатом сполучення певних значень температури плавлення флюсу (780-870°С), його в'язкості (102,0102,8Па.с) та розтікання 30-35мм в температурном інтервалі плавлення бронз. Такі показники забепечуються запропонованим складом склофлюсу на основі склобою та бури з додатковим введенням силікат-глибинедефіцитного, нешкідливого та дешевого матеріалу, інертного до футеровки печі, при співвідношенні (модулі) в ній SiO2/Na2O 2,3-3,2. Це співвідношення відповідає складам силікат-глиби, які за діаграмою стану Na2O-SiO2 [9] знаходяться в областях легкотопких евтектик з температурою плавлення 793-846°С. До того ж ці склади силікатглиб найбільш широко виготовляються українською промисловістю. В лабораторних умовах виго товлено 5 складів запропонованого склофлюсу, 2 склади склофлюсу за межами та, для порівняння, флюсу - прототипу, що наведені у таблиці 1. Склофлюси виготовляли шляхом механічного змішування складових компонентів з розміром зерен, що проходять крізь сита №05-07. Доведення часток силікат-глиби до такого розміру здійснювали помелом їх у лабораторному шаровому млині. В лабораторних умовах визначали: температуру плавлення флюсів, їх розтікання, втрати бронз при плавленні під шаром склофлюсів. Визначення температури плавлення здійснювали за стандартною методикою згідно ГОСТ 24405-80, а розтікання - по розміру діаметра ціліндричного зразка з покривного склофлюсу при температурі плавлення бронзи. Для цього використовували зразки олов'яних бронз Бр05Ц6С5 у вигляді круглих пластин діаметром 50мм товщиною 10мм. В'язкість розплавів визначали розрахунковим методом заміщення Гельгоффа та Томаса [10]. Втрати металу визначали термо-гравіметрічним та диференційно-термічним методами. Показники наведені у таблиці 2, з якої видно, що запропонований скло-флюс, на відміну від прототипу, має на 60-140 °С вищу температур у плавлення 790-870 °С завдяки наявності силікат-глиби з температурою плавлення 793-846°С взамін зменшення кількості бури з температурою плавлення 741°С. Це сприяє найбільш своєчасному створенню достатньо щільного захисного скло-розплаву - на стадії інтенсивного окислення олов'яних бронз, яке має місце при таких же температурах й кращому захисту їх поверхні від ди фузії газів. Вказана заміна також позитивно впливає на зменшення інтервалу розтікання з 44мм у прототипу до 31-34мм та на підвищення в'язкості склофлюсу з 101,2Па.с до 102,4-102,7Па.с. Значення цих показників у сукупності з температурою плавлення покривного склофлюсу з запропонованим співвідношенням компонентів дозволяють створити необхідний розплавлений шар на поверхні олов'яних бронз, який в 1,6-1,7 рази більш надійно, ніж прототип, захищає ці метали при плавленні і внаслідок цього зменшує їх втрати з 7,7 до 4,5-4,8мас.%. Відхилення від замовлених меж компонентів покривного склофлюсу веде до погіршення його показників: розтікання (26 або 41мм), температури плавлення (900 або 760°С) та в'язкості (103,3 або 101,5Па.с), які не забезпечують в достатній мірі захист олов'яних бронз при плавленні, що обумовлює зростання їх втрат до 5,9-6,4 мас.%. Запропонований покривний склофлюс випробуваний при плавленні олов'яних бронз Бр05Ц6С5, Бр03Ц1С4, Бр03Ц8С4Н1 з відходів у вигляді стружки на Харківському дослідному ливарному заводі. Плавку вели в індукційній печі "ІЛО-1.25" під шаром склофлюсу в кількості 2 мас.% впродовж 2-3 годин. Результати показали, що запропонований склофлюс має кращі захисні властивості в порівнянні з відомими, завдяки чому одержані зливки відрізнялися високою якістю, постійністю та чистотою складу. Це дало змогу рекомендувати цей склофлюс до впровадження у виробництво вказаних бронз. Реалізація корисної моделі в промисловості дозволить вирішити важливу ресурсо- та енергозберігаючу задачу - суттєвої економії дефіцитної та багатокоштовної в Україні сировини для виготовлення олов'яних бронз за рахунок зменшення втрат і підвищення їх якості та реалізації використання відходів (стружки, лому), що також сприятиме покращенню екологічного стану машинобудівних підприємств. Джерела інформації: 1. Ме талознавство: Підручник /О.М. Бялік, B.C. Черненко, В.М. Писаренко та інш. - Київ: Політе хніка, 2002. 283 с. 2. Купряков Ю.П. Производство тяжелых цветных металлов из лома и отходов. - Харьков: ХГУ, 1992. - 398 с. 3. Липницкий A.M., Морозов И.В., Яценко А.А. Те хнология цветного литья.-Л.: Ма шиностроение, 1986. 4. Цветное литье. Справочник / Под общей ред. Н.М. Галдина - М.: Машиностроение, 1989. - 528 с. 5. Поручиков Ю.П., Мысик Р.К., Ти това А.Г. Особенности полунепрерывной разливки меди с применением покровных материалов.- М.: Цветметинформация, 1979, - 297 с. 6. Пикунов М.В. Плавка металлов. Кристаллизация сплавов. Затвердение отливок. Учебное пособие - М.: МИСИС, 1997. - 377 с. 7. Покровный флюс для сплавов на основе меди: Патент 897873 СССР, С 22 В 9/10, С 22 С 1/06 / Научноисследовательский институт автотранспортных материалов. Б.Л. Кузнецов и др. (СССР). - №2713982/22-02; Заявл. 17.01.79; Опубл. 15.01.82, Бюл. №2. 8. Флюс для обработки сплавов цветных металов: Патент 1217904А СССР, С 22 В 9/10, С 22 С 1/06 / Всесоюзный проектно-технологический институт литейного производства и Ленинградский НИИ основной химической промышленности. Г.Ф. Дворецкая и др. (СССР). - №3776384 /22-02; Заявл. 03.08.84; Опубл. 15.03.86, Бюл. №10. 9. Физическая химия силикатов: Учебник для студентов вузов / Под ред. А.А. Пащенко - М.: Высш.шк., 1986. С.214. 10. Матвеев М.А., Матвеев Г.М., Финкель Б.Н. Расчеты по химии и технологии стекла. Справочное пособие. М.: Стройиздат, 1972. - 239 с. Таблиця 1 Склад флюсу, мас.% Склобій Бура Nа2В4O7.10Н2O Силікат-глиба Флюс прототип 37 Флюс за межами 40 1 2 3 4 5 30 20 35 25 33 Флюс за межами 15 63 30 20 10 25 20 9 6 30 50 70 40 55 58 79 Таблиця 2 Властивості Температура плавлення, °С В'язкість, Па.с Розтікання, мм Втрати бронз при плавленні, мас.% Флюс Флюс за прототип межами 730 1,2 900 3,3 1 2 3 4 5 Флюс за межами 860 790 820 830 870 760 2,6 2,4 2,5 2,5 2,7 10 44 10 26 10 31 10 34 10 32 10 32 10 31 101,5 41 7,7 6.4 4,7 4,5 4,6 4,6 4,8 5,9