Влияние последовательных плавок на качество слитков серебра 875 пробы
Старченко И. П.
В целях наиболее полного использования драгметаллов предприятия ювелирной промышленности многократно переплавляют отходы собственного производства, что обычно приводит к резкому ухудшению качества металла сравнительно с исходным уровнем первичного проката. Ухудшение качества слитков связано прежде всего с неизбежным загрязнением отходов ювелирного производства посторонними примесями (припои, покрытия, пыль от инструмента). Кроме того, металл в процессе самой плавки загрязняется неметаллическими включениями (в результате окисления примесей и основных компонентов, замешивания в расплав осыпи от тиглей и шлаков). Квалифицированно организованная и тщательно соблюдаемая система сбора, хранения и подготовки отходов к плавке позволяет резко снизить загрязнение шихты перед плавкой, однако остается влияние на качество слитков факторов, связанных с самим процессом плавки.
В связи с этим, целью настоящей работы является определение влияния этих факторов сравнительно с другими источниками загрязнения металла и выявление допустимого количества последовательных переплавов оборотного металла применительно к сплаву СрМ 875.
Работа проводилась на сплаве серебра СрМ 875. Металл последовательно переплавлялся пять раз. В качестве шихты для первого переплава использован листовой прокат централизованной поставки. Шихта каждого последующего переплава составлялась из образцов, слитков, стружки и корольков предыдущего переплава. Для сравнения исследовались образцы производственных плавок фабрики «Северная чернь». Плавка велась в лабораторной шахтной печи сопротивления с использованием графито-шамотных тиглей емкостью 50 см3. Перед загрузкой шихты тигли прогревались до 1000—1100°С. Расплавление велось под слоем древесного угля. Металл перед заливкой перегревался до 1120—1140°С. Длительность большинства плавок—15 минут. Серия плавок первого переплава была сделана с выдержкой жидкого металла в печи в течение 1,5 часа. Для исследования качества металла проводилось две-три плавки каждого переплава. Отливались слитки и образцы. Слитки отливались двух типов в стальные изложницы.
№ 1 —плоский слиток 85x30 = 5 мм.
№ 2— цилиндрический пруток d=13 мм, l = 200—250 мм.
Изложницы смазывались машинным маслом и перед заливкой нагревались до температуры 200°С (№ 1) — 120°С (№2).
Плоские слитки и часть цилиндрических строгались по плоскости на 1/2 толщины (диаметра) для исследования макроструктуры. Отрезался образец 2,5X3 мм l = 50 мм для оценки характера излома металла. Два цилиндрических слитка от каждого переплава разрезались на образцы высотой 18 мм для испытаний на осаживание.
Помимо слитков, из металла каждого переплава методом точного литья отливались образцы 1x5 l= 60 мм для испытаний на перегиб и малые гагаринские образцы для испытаний на разрыв.
Качество металла каждого переплава оценивалось следующими методами:
1. Визуальным осмотром макрошлифов и изломов образцов от слитков под бинокулярным микроскопом МПС-1 (Х25);
2. Определением загрязненности слитков неметаллическими включениями. Подсчет количества и размеров включений проводился на шлифах с помощью окуляр-микрометра микроскопа МИМ-8М при увеличении Х250.
Загрязнение определялось средним индексом по 3 - 6 шлифам от слитков каждой плавки. На каждом слитке просматривалось по 20 полей зрения.
Площадь включений (в процентах) на каждом шлифе определялась по формуле
где
I— индекс (суммарная площадь включений);
n — количество полей зрения (п = 20) ;
S — площадь одного поля зрения (в данном случае S = 7850 кв. делений окуляр-микрометра).
3. Спектральным анализом металла на содержание вредных примесей и химическим анализом на содержание серы;
4, Определением механических и технологических характеристик металла:
а) прочность на разрыв определялась испытанием малых гагаринских образцов на разрывной машине РМ-5. По кривым растяжения подсчитывалось временное сопротивление разрыву
и предел текучести
где
Pв - максимальная нагрузка, выдерживаемая образцом;
P0,2 - нагрузка, вызывающая остаточное удлинение 0,2% от длины рабочей части образца;
F0 - площадь поперечного сечения образца (перед испытанием), мм2;
б) допустимая степень осаживания определялась испытанием образцов на осадку по ГОСТ 8817-58. Испытания проводились на цилиндрических образцах d=12 l=18 мм. Образцы осаживались на гидравлическом прессе с повышением степени осадки от 50 до 85%. Отмечалось, при какой степени деформации образуются трещины;
в) пластичность металла оценивалась испытанием на перегиб образцов толщиной 1 мм (по ОСТ 1688).
Таблица 1 Содержание примесей в исследованных сплавах
| Объект исследования | №№ слитков | Содержание примесей, вес. % | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pb | Bi | Zn | Sn | Sb | Fe | Si | Al | S | ||
| Слиток первого переплава исходного проката | 64—1 | <0,001 | <0,001 | <0,001 | <0,001 | н. о. | <0,001 | 0,001-0,003 | <0,001 | 0,004 |
| 64-2 | " | " | " | " | " | " | " | " | ||
| 65—1 | " | " | " | " | " | " | " | " | 0,004 | |
| 65-2 | " | " | " | " | " | " | " | " | ||
| Слиток второго переплава | 80—1 | <0,001 | н. о. | 0,01-0,03 | <0,001 | н. о. | 0,001-0,003 | 0,001-0,003 | <0,001 | |
| Слиток пятого переплава | 88-1 | 0,001-0,003 | н. о. | 0,01—0,03 | <0,001 | н. о. | 0,001-0,003 | 0,001-0,003 | <0,001 | |
| Слиток серебра ф-ки «Северная Чернь» | 58 | 0,01-0,1 | 0,1-0,3 | > 1 | 0,1-0,3 | 0,01—0,03 | <0,001 | 0,003-0,01 | <0,001 | 0,016 |
| Слиток 3 переплава исходного проката с добавлением 1,5% цинка | 89—1 | 0,03-0,1 | 0,01-0,03 | >1 | 0,03-0,1 | н. о. | 0,001-0,003 | 0,001-0,003 | <0,001 | |
Таблица 2 Характер макроструктуры исследованных слитков сплава СрМ 875
| Плавка | Образец | Характер структуры | |
|---|---|---|---|
| на макрошлифе | на изломе | ||
| 1 переплав исходного проката (длительность плавок 15 мин) | Плоский слиток (изложница № 1) | Металл плотный, дефектов нет | Грубый рельеф, посторонних включений не обнаружено |
| Слиток из изложницы № 2 | Отдельные усадочные раковины вдоль оси слитка | ||
| 2 переплав исходного проката (длительность плавок — 1,5 час) | Слиток №1 | Неоднородная структура по сечению, небольшое количество мелких газовых раковин | Заметны мелкие включения шлака |
| 2 переплав | Слиток №1 | Металл плотный, одна крупная газовая раковина | Отдельные мелкие шлаковые включения |
| 3 переплав | Слиток №1 | В нижней части слитка скопление 4-х газовых раковин | Мелкие шлаковые включения равномерно распределены, в двух местах скопления |
| 4 переплав | Слиток №1 | Металл плотный, дефектов не обнаружено | Отдельные мелкие шлаковые включения |
| 5 переплав | Слиток №1 | Значительная газовая и усадочная пористость | Отдельные шлаковые включения, характерное отличие от предыдущих плавок — отсутствие шейки изгиба образца в месте излома — хрупкое разрушение, заметны границы крупных зерен, дендриты. |
| Слиток фабрики «Северная Чернь» | Газовая пористость по всему сечению, дефекты видны невооруженным глазом | Много крупных шлаковых включений | |
В результате исследований обнаружено:
1. Содержание вредных примесей в металле при последовательных плавках несколько повышается, но и после пятого переплава не превышает допустимого уровня (табл. 1). Значительно выше содержание примесей, прежде всего цинка, в слитке сплава СрМ 875 фабрики «Северная Чернь»;
2. Плотность металла, судя по макроструктуре слитков, залитых в изложницу № 1 (табл. 2), остается высокой вплоть до пятого переплава. В то же время слитки, полученные при литье в изложницу № 2, имеют развитую усадочную пористость уже после первого переплава. Такое различие в плотности металла связано с влиянием условий кристаллизации: теплоемкость изложницы №1, у которой толщина стенки в 3—4 раза превышает толщину слитка, гораздо выше, чем у изложницы №2 (толщина стенки составляет 0,65 приведенной толщины отливки).
Плотность слитка определяется также условиями плавки: увеличение длительности плавки приводит к образованию газовых раковин в металле 1-го переплава и при литье в изложницу №1;
3. Загрязненность сплава неметаллическими включениями, судя по результатам исследования микрошлифов (табл. 3), наиболее резко увеличивается в результате первого переплава и в дальнейшем изменяется более плавно. Загрязненность металла окислами существенно увеличивается с удлинением плавки (с 0,306% до 0,54% для первого переплава при десятикратном увеличении времени плавки);
4. Прочностные характеристики (σв, σ0,2) испытуемых сплавов в ходе эксперимента сохранялись на одном уровне (рис. 1);
5. При испытаниях на осаживание степень деформации до появления трещин снизилась с 70% (первый переплав) до 62% (пятый переплав) (рис. 2). Металл производственной плавки отличается от испытуемого явно выраженной неоднородностью, отдельные образцы растрескиваются уже при 50% деформации;
Таблица 3 Загрязненность слитков СрМ 875 неметаллическими включениями
| Объект исследования | Среднее значение площади неметаллических включений, % |
|---|---|
| Исходный прокат поставки МЗСС | 0,054 |
| Слитки 1 переплава (длительность плавок 15 мин) | 0,306 |
| Слитки 1 переплава (длительность плавок 1,5 часа) | 0,54 |
| Слитки после 3 переплава | 0,89 |
| Слитки 5 переплава | 0,76 |
| Слиток фабрики «Северная Чернь» | 2,12 |
6. Испытаниями на перегиб установлено снижение пластичности металла в ходе последовательных переплавов (рис. 3). Снижение пластичности наблюдается и при увеличении длительности плавки. Пластичность металла производственной плавки ф-ки «Северная чернь» значительно ниже, чем испытуемых образцов — количество выдерживаемых перегибов примерно на 35% ниже, чем для металла V переплава.
Резкое снижение пластичности до уровня металла фабрики отмечено при легировании испытуемого сплава цинком.
Таким образом, в результате проведенного исследования установлено, что по ходу пяти последовательных переплавов сплава СрМ 875 по технологии, приближенной к производственной, но при тщательном контроле за чистотой шихты металл загрязняется посторонними примесями незначительно. Однако содержание в сплаве неметаллических включений повышается заметно — количество включений увеличивается после первого переплава в шесть раз по сравнению с исходным состоянием, после третьего переплава — в 18 раз. Одновременно снижается пластичность — основная технологическая характеристика сплава.
Газовая пористость в слитках обнаруживается после пятого переплава. Однако характеристики производственного металла, выплавленного из отходов ювелирного производства, значительно ниже по всем показателям, чем характеристики испытуемого металла даже после пятого переплава. Снижение пластичности испытуемого металла в результате введения в шихту цинка, высокое содержание которого обнаружено в металле производственной плавки фабрики «Северная Чернь», выражено гораздо сильнее, чем при последовательных переплавах чистой шихты. Как показывают результаты сравнения качества слитков, отлитых в изложницы с различной охлаждающей способностью, к слитков, отлитых в однотипные изложницы после плавок с различной длительностью, условия плавки и разливки сплава сказываются на качестве слитков более существенно, чем 4-х кратный последовательный переплав по оптимальной технологии.
Следовательно, основными причинами снижения качества металла на предприятиях при многократном переплаве отходов собственного производства являются: использование в шихте бракованных ювелирных изделий, загрязненных посторонними примесями в процессе производства, и нарушение оптимальных режимов плавки и литья.
При использовании в шихте только чистых отходов (от заготовительных, штамповочных, литейных участков) допустим четырехкратный переплав металла, что обеспечивает практически полное использование таких отходов на предприятиях.
