Impuritățile nocive din bronzurile de staniu sunt: bismut, aluminiu, siliciu, mangan, fier, sulf, antimoniu și gaze dizolvate — hidrogen, oxigen. Cea mai nocivă impuritate este bismutul, al cărui conținut în unele aliaje de cupru este permis doar în miimi de procente. Bismutul este practic absent în materiile prime secundare. Sulful este absorbit de metal în timpul topiturii din combustibil.
Majoritatea impurităților dăunătoare din aliajele de cupru pot fi eliminate prin oxidare. Este cunoscut faptul că elementele a căror afinitate chimică pentru oxigen este mai mare sunt oxidate în primul rând. Valoarea afinității chimice a elementului pentru oxigen poate fi apreciată prin cantitatea de căldură degajată sau absorbită în timpul formării oxidului elementului. Aluminiul, siliciul, manganul au cea mai mare căldură de formare a oxizilor, ceea ce înseamnă că aceste elemente sunt ușor oxidabile. În schimb, oxidul de cupru și oxidul de plumb au o căldură de formare scăzută, sunt ușor de redus și pot oxida alte elemente.
La toate metodele de rafinare oxidativă are loc o oxidare puternică a componentei principale a bronzurilor — cuprul, cu formarea de Cu2O. Oxidul de cupru este foarte solubil în cupru și, ca urmare, este un transmițător de oxigen în toată baia de metal rafinat.
Conținut
Suflare cu aer
Rafinarea bronzurilor prin suflare cu aer duce la oxidarea puternică și volatilizarea zincului, pierderile de staniu fiind, de asemenea, semnificative. Suflarea se aplică numai bronzului brut cu un conținut de zinc care nu depășește 3%.
Suflarea cu aer îndepărtează fierul și sulful, precum și aluminiul, siliciul și manganul, dacă acestea sunt prezente în bronzul blister. Procesul de rafinare se realizează într-un convertor.
Suflare cu aburi
Vaporii de apă pot fi utilizați pentru rafinarea fierului.
Suflarea cu abur se aplică bronzului blister, dacă există o colectare a prafului, deoarece pierderile de zinc și staniu sunt semnificative. Procesul de rafinare se realizează într-un cuptor de reflexie convențional. Instalația de rafinare (fig. 104) constă dintr-o conductă de abur 1 care furnizează vapori de apă la o presiune de 2-2,5 ati, o conductă de gaz cu diametrul de 2 3/4″, un separator de apă 3, supape de închidere 4 și un manometru 5.
Temperatura metalului în procesul de rafinare este de 1100°. Se folosesc fluxuri: cuarț, sodă, fluorină. Pe suprafața băii de metal lichid se aruncă cuarț concasat în cantitate de 10 kg la 1 g de metal. Baia cu fluxuri se agită și se încălzește timp de 10-15 min. Apa condensată este eliberată din separatorul de apă, supapele sunt deschise, aburul este eliberat în atmosferă. Vârful metalic al conductei de abur din care iese abur uscat se transferă în cuptor și se încălzește deasupra unei băi de metal. Se scufundă încet vârful sub oglinda băii și se suflă abur timp de 15-20 de minute, după care se scoate vârful cu abur care iese. Aburul se oprește, metalul se agită și se prelevează o probă pentru analiza expresă.
Dacă se obține o analiză satisfăcătoare, se încarcă flux (8 kg de sodă și 8 kg de fluorină la 1 g de metal). Baia se amestecă bine. Se aduce zgura în stare lichidă și se îndepărtează.
Rafinarea cu calcar de cupru
Calcarul de cupru este un produs rezidual de la laminarea lingourilor de cupru, oka constă dintr-un amestec de oxid și oxid de cupru. La temperaturi de peste 1100°, oxidul de cupru se transformă în oxid, prin urmare, la temperatura de rafinare, întreaga calcară este formată din oxid de cupru.
Proprietățile excepționale ale oxidului de cupru pentru rafinarea oxidativă au fost descrise mai sus, acesta interacționează cu aluminiul, siliciul și sulful prin următoarele reacții:
Bronzurile la care analiza rapidă a evidențiat o abatere de la standard în ceea ce privește impuritățile de aluminiu și siliciu sunt supuse rafinării. Conform analizei rapide se calculează cantitatea de calcar de cupru, considerând că pentru a elimina 1 kg de aluminiu este necesar să se cheltuiască 8 kg, iar pentru a elimina 1 kg de siliciu 10 kg. Se aruncă calcar preuscat într-o cantitate dată pe suprafața metalului rafinat, lipsit de zgură, la 1250-1300 °. Duzele sunt oprite și se creează o atmosferă oxidantă în cuptor. Baia este agitată cu un băț timp de 5-10 min. Pentru a îndepărta oxizii formați de SiO2 și Al2O3 se adaugă 10 kg de sodă la 1 tonă de metal rafinat. După aceea, baia se agită și se îndepărtează zgura formată.
Rafinarea cu silicați de oxizi de cupru
Din metalurgia cuprului se știe că silicații de oxizi de cupru interacționează cu fierul și oxidul de fier prin următoarele reacții:
Spre deosebire de metodele descrise anterior, eliminarea fierului din bronzuri se realizează prin prima reacție fără oxidarea cuprului, deoarece fierul din aliaj trece în silicat, iar cuprul deplasat de acesta trece în aliaj. În a doua reacție, este necesară oxidarea prealabilă a fierului. Interacțiunea oxidului de fier cu silicatul de oxid de cupru produce oxid de cupru, care trece la oxidarea fierului. Datorită regenerării oxidului de cupru în baia metalică, procesul de oxidare se desfășoară secvențial, pe măsură ce fierul este scurs. Silicatul de oxid de cupru poate fi preparat sintetic prin alierea nisipului și a calcarului de cupru la 1200-1300 °. Silicatul gata preparat este măcinat până la starea pulverulentă.
Pentru a îndepărta fierul din bronz, se utilizează 6 kg de silicat la 1 kg de fier îndepărtat. Rafinarea se realizează în cuptoare de reflexie în procesul de topire a bronzului. Silicatul este încărcat pe suprafața băii la o temperatură de cel puțin 1300 °. Cu ajutorul unui băț, metalul este bine amestecat cu silicatul timp de 15-20 min. Cu o cantitate mare de silicat rafinarea este mai potrivită să se efectueze în două etape, împărțind fluxul în două porțiuni.
Părțile constitutive inițiale ale silicatului — calcarul de cupru și nisipul cuarțos pot fi utilizate fără fuziune.
Reactivii oxidanți și cenușa de sodă sunt introduse în compoziția fluxurilor, se utilizează următoarea compoziție de flux, %:
Nitrat de sodiu…………… 30 Calcar de cupru ……………… 45 Nisip de cuarț …………….. 15 Soda calcinată ….. 10
Rafinarea sodei
Soda calcinată este utilizată pentru rafinarea aliajelor de cupru din oxizi (SiO2; Al2O3):
Soda poate fi utilizată și pentru eliminarea sulfului.
Degazarea fosforului
Cuprul fosforic care conține aproximativ 8% P este utilizat pentru reducerea oxizilor de cupru și degazarea aliajelor de cupru. Degazarea se bazează pe formarea de anhidridă fosforică P2O5care se evaporă la 347°,
Cuprul fosforic pentru deoxidare se introduce direct în baia cuptorului. Dezoxidarea și degazarea înainte de turnarea metalului în matrițe se realizează prin introducerea cuprului fosforic în cazanul de turnare.
Îndepărtarea oxidului de staniu
Dintre toate incluziunile solide din aliajele de cupru, SnO2 (anhidridă de staniu). Este de peste două ori mai dur decât oțelul călit. În bronzurile antifricțiune, prezența SnO2 duce la uzura rapidă a pieselor de frecare, de exemplu a unui arbore care se rotește într-un rulment cu căptușeală de bronz.
Anhidrida de staniu poate fi îndepărtată prin stingere cu sodă. De asemenea, se poate realiza reducerea staniului din SnO2pentru care se utilizează substanțe carbonate, cum ar fi cocsul de turbă sau deșeurile de electrozi de grafit. Reacția de reducere are loc la temperaturi de peste 1000°:
Cărbunele de lemn nu este potrivit pentru acest scop, deoarece alcalii conținuți în cenușa sa împiedică reacția.
