RU2230807C1

RU2230807C1 - Flux for electroslag refining of non-ferrous metals

Info

Publication number: RU2230807C1
Application number: RU2002126373/02A
Authority: RU
Inventors: В.Ф. Рашников (RU); В.Ф. Рашников; А.А. Морозов (RU); А.А. Морозов; Р.С. Тахаутдинов (RU); Р.С. Тахаутдинов; К.Н. Вдовин (RU); К.Н. Вдовин; н А.А. Подос (RU); А.А. Подосян; А.Н. Юсин (RU); А.Н. Юсин; В.М. Колокольцев (RU); В.М. Колокольцев
Original assignee: ОАО "Магнитогорский металлургический комбинат"
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-06-20

Abstract

FIELD: special electric metallurgy, possibly processes for electroslag refining of non-ferrous metals.

SUBSTANCE: flux contains, mass %: cryolite, 10 - 20; borax, 1 - 5; calcium fluoride, the balance. Invention allows to enhance yield limit of metal by 1.3 -1.8 times, limit strength - by 1.13 - 1.18 times, elongation - by 1.3 -1.7 times.

EFFECT: enhanced mechanical properties of metal.

4 tbl

Description

Изобретение относится к специальной электрометаллургии и может быть использовано в технологии электрошлакового переплава цветных металлов.The invention relates to special electrometallurgy and can be used in the technology of electroslag remelting of non-ferrous metals.

Известен флюс для плавки медных сплавов, преимущественно хромовых бронз, содержащий фторид кальция, фторид натрия и плавленые бораты натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:Known flux for melting copper alloys, mainly chromium bronzes, containing calcium fluoride, sodium fluoride and fused sodium borates in the following ratio, wt.%:

Плавленые бораты натрия 30-60Fused sodium borates 30-60

Фторид кальция 12-41Calcium Fluoride 12-41

Фторид натрия Остальное, при этом отношение оксида натрия к оксиду бора в боратах натрия составляет 0,22-0,45, а отношение фторида натрия к фториду кальция 0,7-2,3 (см. А.С. СССР №1795662, кл. С 22 С 1/06, С 22 В 9/10).Sodium fluoride The rest, while the ratio of sodium oxide to boron oxide in sodium borates is 0.22-0.45, and the ratio of sodium fluoride to calcium fluoride is 0.7-2.3 (see AS USSR No. 1795662, cl .С 22 С 1/06, С 22 В 9/10).

Недостатком данного флюса является то, что он обеспечивает получения металла с низкими механическими свойствами из-за перенасыщения флюса кислородом, высвобождающимся из плавленых боратов натрия, что приводит к частичному переходу кислорода в металл, а также за счет пониженных рафинирующих свойств по отношению к остальным неметаллическим включениям ввиду низкой основности наводимого шлака.The disadvantage of this flux is that it provides a metal with low mechanical properties due to supersaturation of the flux with oxygen released from fused sodium borates, which leads to a partial transition of oxygen into the metal, as well as due to reduced refining properties with respect to other non-metallic inclusions due to the low basicity of the induced slag.

Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является флюс для электрошлакового переплава металлов, содержащий криолит, фтористый кальций, фтористый натрий и окись алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:The closest analogue to the claimed object is a flux for electroslag remelting of metals containing cryolite, calcium fluoride, sodium fluoride and aluminum oxide in the following ratio, wt.%:

Криолит 30-65Cryolite 30-65

Фтористый натрий 10-22Sodium Fluoride 10-22

Окись алюминия 5-25Alumina 5-25

Фтористый кальций ОстальноеCalcium Fluoride Else

(см. А.С. СССР №558540, кл. С 22 В 9/18).(see A.S. USSR No. 558540, class C 22 V 9/18).

Недостатком известного флюса является то, что он не обеспечивает требуемых механических свойств металла, так как в процессе переплава в результате реакции криолита с кислородом металла происходит накопление оксида алюминия во флюсе и увеличение вязкости его, что затрудняет удаление неметаллических включений из металла. Кроме того, оксиды алюминия, располагаясь по границам зерен металла, препятствуют образованию плотной и однородной структуры, что также приводит к снижению механических свойств металла.A disadvantage of the known flux is that it does not provide the required mechanical properties of the metal, since during the remelting as a result of the reaction of cryolite with metal oxygen, aluminum oxide accumulates in the flux and its viscosity increases, which makes it difficult to remove non-metallic inclusions from the metal. In addition, aluminum oxides, located along the grain boundaries of the metal, prevent the formation of a dense and uniform structure, which also leads to a decrease in the mechanical properties of the metal.

В основу настоящего изобретения поставлена задача разработки такого состава флюса, который обеспечил бы создание комплекса высоких механических свойств металла путем снижения количества (перевод в шлак) и равномерного распределения неметаллических включений в металле.The basis of the present invention is the task of developing such a flux composition that would ensure the creation of a complex of high mechanical properties of the metal by reducing the amount (transfer to slag) and the uniform distribution of non-metallic inclusions in the metal.

Поставленная задача решается тем, что известный флюс для электрошлакового переплава цветных металлов, содержащий криолит и фтористый кальций, согласно изобретению дополнительно содержит буру при следующем соотношении компонентов, мас.%:The problem is solved in that the known flux for electroslag remelting of non-ferrous metals, containing cryolite and calcium fluoride, according to the invention additionally contains borax in the following ratio of components, wt.%:

Криолит 10-20Cryolite 10-20

Бура 1-5Borax 1-5

Фтористый кальций Остальное.Calcium Fluoride Else.

Известно использование буры в качестве наполнителя при изготовлении удобрений, эмалей, глазури, специальных сортов стекла, а также в качестве растворителя оксидов металлов при сварочных работах (см. Глинка Н.А. Общая химия; - Л.: Химия, 1974 г., с.624-625).It is known that borax is used as a filler in the manufacture of fertilizers, enamels, glazes, special grades of glass, and also as a solvent for metal oxides during welding (see Glinka N.A. General chemistry; - L .: Chemistry, 1974, p. .624-625).

В заявляемом флюсе бура также является растворителем оксидов металла с образованием легкоплавкой эвтектики. Однако наряду с известным техническим свойством бура в заявляемом флюсе при указанном соотношении компонентов проявляет новое техническое свойство, заключающееся в активной ассимиляции неметаллических включений из металла во флюс, преимущественно оксидов, например Сu₂O, препятствующих получению высоких механических свойств металла. Это объясняется тем, что при кристаллизации цветных сплавов бура, взаимодействуя с оксидами, активно образует их пересыщенный раствор, который имеет низкую температуру плавления и легко удаляется в шлаковую фазу, а металл приобретает высокие механические свойства.In the inventive flux of the drill is also a solvent of metal oxides with the formation of low-melting eutectic. However, along with the well-known technical property of the drill in the inventive flux at the indicated ratio of components, it exhibits a new technical property, which consists in the active assimilation of non-metallic inclusions from metal into the flux, mainly oxides, for example Cu ₂ O, which impede the obtaining of high mechanical properties of the metal. This is due to the fact that during the crystallization of non-ferrous boron alloys, interacting with oxides, it actively forms their supersaturated solution, which has a low melting point and is easily removed into the slag phase, and the metal acquires high mechanical properties.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый флюс для электрошлакового переплава цветных сплавов не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентноспособности “изобретательский уровень”.Based on the foregoing, we can conclude that for a specialist the inventive flux for electroslag remelting of non-ferrous alloys does not follow explicitly from the prior art, and therefore meets the patentability condition “inventive step”.

Заявляемый флюс для электрошлакового переплава (ЭШП) готовят следующим образом. Компоненты флюса: криолит, фтористый кальций и буру, засыпают в заявляемом количестве, в отдельный бункер и подвергают тщательному перемешиванию до получения однородной консистенции, после чего флюс готов к использованию.The inventive flux for electroslag remelting (ESR) is prepared as follows. The components of the flux: cryolite, calcium fluoride and borax, are poured in the declared amount, into a separate hopper and thoroughly mixed until a homogeneous consistency is obtained, after which the flux is ready for use.

Перед использованием флюс, заявляемого состава, предварительно прокаливают в термической печи, например СНО 8.16.5/10 - И2, при температуре 750-800°С в течение 2-3 ч, для его обезвоживания.Before using the flux of the claimed composition, it is preliminarily calcined in a thermal furnace, for example, ССО 8.16.5 / 10 - И2, at a temperature of 750-800 ° С for 2-3 hours, for its dehydration.

Использование флюса осуществляют следующим образом. Флюс помещают в медный водоохлаждаемый кристаллизатор диаметром 380 мм, опускают в него медный электрод, включают ток и начинают плавление флюса, в котором затем переплавляют металл. При этом между металлом и флюсом происходят теплообменные процессы и физикохимические взаимодействия, приводящие к рафинированию металла. После окончания переплава остатки флюса отправляют в отвал.The use of flux is as follows. The flux is placed in a water-cooled copper crystallizer with a diameter of 380 mm, a copper electrode is lowered into it, the current is turned on and flux melting begins, in which the metal is then melted. In this case, heat exchange processes and physicochemical interactions occur between the metal and flux, leading to the refinement of the metal. After the remelting, the flux residues are sent to the dump.

Заявляемое соотношение компонентов флюса предотвращает образование в структуре металла хрупкой эвтектики оксидов металла, имеющей точечное строение и расположенной по границам зерен, в результате чего образуется плотная и однородная структура переплавляемого металла с минимальным количеством неметаллических включений, что обеспечивает комплекс высоких механических свойств металла: предел текучести, высокое относительное удлинение.The claimed ratio of the components of the flux prevents the formation of a brittle eutectic metal oxide in the metal structure with a point structure and located along the grain boundaries, as a result of which a dense and uniform structure of the remelted metal with a minimum number of non-metallic inclusions is formed, which provides a complex of high mechanical properties of the metal: yield strength, high elongation.

Фтористый кальций (CaF₂) - основной технологический компонент, обеспечивающий заданный шлаковый и оптимальный электрический режимы процесса переплава. Наличие фтористого кальция обеспечивает повышенную проводимость и жидкоподвижность флюса, а также способствует удалению неметаллических включений из металла, что повышает механические свойства металла.Calcium fluoride (CaF ₂ ) is the main technological component that provides the specified slag and optimal electrical modes of the remelting process. The presence of calcium fluoride provides increased conductivity and fluid mobility of the flux, and also helps to remove non-metallic inclusions from the metal, which increases the mechanical properties of the metal.

Криолит (Na₃AlF₃) в заявляемом количестве предназначен для снижения температуры плавления флюса, что позволяет снизить вязкость флюса, а следовательно, обеспечивает уменьшение количества неметаллических включений.The cryolite (Na ₃ AlF ₃ ) in the claimed amount is intended to reduce the melting point of the flux, which allows to reduce the viscosity of the flux, and therefore, reduces the number of non-metallic inclusions.

Содержание криолита в шлаке менее 10 мас.% приводит к повышению температуры плавления флюса, увеличению его вязкости, в результате чего на поверхности слитка образуются гофры, а в переплавляемом металле остается много неметаллических включений, приводящих к ухудшению механических свойств металла.The cryolite content in the slag of less than 10 wt.% Leads to an increase in the melting point of the flux, an increase in its viscosity, as a result of which corrugations are formed on the surface of the ingot, and many non-metallic inclusions remain in the remelted metal, leading to a deterioration in the mechanical properties of the metal.

Вводить в состав флюса криолит в количестве более 20 мас.% нецелесообразно, так как он обладает очень высокой раскислительной способностью по схеме: 2Nа₃АlF₃+3МеО=6NaF+Аl₂O₃+3Ме. В результате реакции криолита с оксидами металла из него высвобождаются не только катионы Na⁺, которые образуют соединения высокой плотности, плохо удаляемые из металла, но и происходит накопление оксида алюминия во флюсе, повышающее вязкость флюса, что затрудняет удаление неметаллических включений. В результате снижается способность флюса поглощать неметаллические включения, а это приводит к загрязнению металла и ухудшению его механических свойств.It is not practical to introduce cryolite in the flux in an amount of more than 20 wt.%, Since it has a very high deoxidizing ability according to the scheme: 2Na ₃ AlF ₃ + 3MeO = 6NaF + Al ₂ O ₃ + 3Me. As a result of the reaction of cryolite with metal oxides, not only Na ⁺ cations are released from it, which form high-density compounds that are poorly removed from the metal, but aluminum oxide also accumulates in the flux, increasing the flux viscosity, which makes it difficult to remove non-metallic inclusions. As a result, the ability of the flux to absorb non-metallic inclusions is reduced, and this leads to contamination of the metal and the deterioration of its mechanical properties.

Заявляемое количество буры (Na₂B₄O₇·10H₂O) во флюсе позволяет снизить количество неметаллических включений в металле (преимущественно оксидов, например, Cu₂O) путем активной ассимиляции их из металла в шлак и равномерного распределения оставшихся неметаллических включений в объеме металла, что приводит к сохранению сплошности металла и повышению комплекса его механических свойств.The claimed amount of borax (Na ₂ B ₄ O ₇ · 10H ₂ O) in the flux allows you to reduce the number of non-metallic inclusions in the metal (mainly oxides, for example, Cu ₂ O) by actively assimilating them from the metal into slag and evenly distributing the remaining non-metallic inclusions in the volume metal, which leads to the preservation of the continuity of the metal and increase the complex of its mechanical properties.

Содержание буры во флюсе менее 1 мас.% приводит к замедлению и ослаблению процесса извлечения вредных оксидов из металла во флюс, и в результате чего большая часть неметаллических включений остается в металле, располагаясь по границам зерен, что приводит к снижению его механических свойств.The borax content in the flux of less than 1 wt.% Leads to a slowdown and weakening of the process of extracting harmful oxides from the metal into the flux, and as a result, most of the non-metallic inclusions remain in the metal, located along the grain boundaries, which leads to a decrease in its mechanical properties.

Содержание буры во флюсе более 5 мас.% приводит к растворению в металле дополнительного количества кислорода, который приведет к окислению металла и образованию в нем дополнительных оксидных неметаллических включений, способствующих снижению механических свойств металла.The borax content in the flux of more than 5 wt.% Leads to the dissolution of an additional amount of oxygen in the metal, which will lead to oxidation of the metal and the formation of additional oxide non-metallic inclusions in it, contributing to a decrease in the mechanical properties of the metal.

Для обоснования преимуществ заявляемого флюса для ЭШП по сравнению с прототипом, были проведены опытные плавки в электрошлаковой печи ЭШП - 1,25Л - И1, предназначенной для производства слитков 2000 и 2500 кг.To substantiate the advantages of the inventive flux for ESR compared to the prototype, experimental melts were conducted in the electroslag furnace ESHP - 1.25L - I1, intended for the production of 2000 and 2500 kg ingots.

Выплавляли медные слитки с применением метода жидкого старта. Составы заявляемого флюса и флюса, взятого за прототип, приведены в табл.1. При этом соотношение компонентов флюса в составах 1-5 взяты в заявляемых пределах, в составах 6 и 7 компоненты флюса взяты в соотношениях, выходящих за заявляемые пределы. Составы 8-10 флюса взяты по прототипу.Copper ingots were smelted using the liquid start method. The compositions of the inventive flux and flux taken as a prototype are shown in table 1. The ratio of the components of the flux in compositions 1-5 are taken within the claimed limits, in compositions 6 and 7, the components of the flux are taken in ratios that go beyond the claimed limits. The compositions of 8-10 flux taken on the prototype.

После отключения печи выплавленные слитки выдерживали в кристаллизаторе до полного затвердевания металла и флюса. Затем слитки вынимали из кристаллизатора и помещали на специальный стеллаж.After turning off the furnace, the molten ingots were kept in the mold until the metal and flux completely solidified. Then the ingots were removed from the mold and placed on a special rack.

При переплаве медного электрода придерживались режима переплава, представленного в табл.2.When remelting a copper electrode, the remelting regime presented in Table 2 was adhered to.

Оценку загрязненности электрошлакового металла, выплавленного с использованием заявляемого флюса и флюса прототипа, производили методом металлографического контроля и электрохимического растворения. Результаты контроля приведены в табл.3.Assessment of contamination of electroslag metal, smelted using the inventive flux and flux of the prototype, produced by metallographic control and electrochemical dissolution. The control results are given in table.3.

Химический состав металла, выплавленного на заявляемых составах флюса, соответствует меди марки М1р по ГОСТ 859-78.The chemical composition of the metal smelted on the inventive flux compositions corresponds to grade M1p copper according to GOST 859-78.

Для определения механических свойств выплавленного металла были изготовлены и испытаны разрывные образцы в виде брусков длиной 200 мм. Полученные механические свойства металла сравнивали со свойствами электролитической меди. Результаты механических испытаний приведены в табл.4.To determine the mechanical properties of the melted metal, discontinuous samples in the form of bars 200 mm long were made and tested. The obtained mechanical properties of the metal were compared with the properties of electrolytic copper. The results of mechanical tests are given in table.4.

Результаты испытаний показали, что заявляемый флюс (составы 1-5) обеспечивает получение металла по сравнению с прототипом (составы 8-10) с повышенным комплексом механических свойств: предел текучести увеличивается в 1,3-1,8 раза, предел прочности в 1,13-1,18 раза, удлинение в 1,3-1,7 раза выше.The test results showed that the inventive flux (compositions 1-5) provides metal production in comparison with the prototype (compositions 8-10) with an increased set of mechanical properties: yield strength increases by 1.3-1.8 times, tensile strength by 1, 13-1.18 times, elongation 1.3-1.7 times higher.

Использование флюсов составов 6–7 нецелесообразно, так как они снижают механические свойства выплавляемых цветных металлов.The use of fluxes of compositions 6–7 is impractical, since they reduce the mechanical properties of smelted non-ferrous metals.

Таким образом, заявляемый флюс для электрошлакового преплава цветных металлов соответствует условию патентоспособности “промышленная применимость”, так как он работоспособен, устраняет недостатки прототипа и может быть использован в промышленных условиях.Thus, the inventive flux for electroslag pre-alloy of non-ferrous metals meets the condition of patentability “industrial applicability”, as it is efficient, eliminates the disadvantages of the prototype and can be used in an industrial environment.

Claims

Flux for electroslag remelting of non-ferrous metals, containing cryolite and calcium fluoride, characterized in that it additionally contains borax in the following ratio of components, wt.%:

Cryolite 10-20

Borax 1-5

Calcium Fluoride Else