Výroba bronzu: výrobci, způsoby výroby, technologie výroby

Doba bronzová zahrnuje přibližně 3. a 2. tisíciletí před naším letopočtem. V této době byl vyvinut a realizován kompletní hutní cyklus: těžba, příprava, spalování uhlí, tavení a rafinace. Od té doby se zařízení změnilo, používal se jiný způsob těžby rudy, ale hlavní stupně technologie se vůbec nezměnily.

V tomto článku budeme zvažovat technologii získávání, tavení (tavení) bronzu, vlastnosti a způsoby výroby odlitků z něj v Rusku.

Suroviny pro výrobu bronzu

Slitina se odlévá z mědi, dále cínu, hliníku, berylia, olova a tak dále. Ve starověku se k tomuto účelu používala nativní měď, ale později se zájem přesunul na rudy bohaté na tento a další kovy.

Průmyslový význam má dnes kromě přírodní mědi i chalkopyrit (pyrity měďnaté), bornit a chalkocit. Můžete použít malachit, azurit nebo cuprit. Za perspektivní je považován důl, ve kterém obsah kovu dosahuje 0,3–1 %. Ruda se těží převážně povrchovou těžbou.

Měď se získává třemi hlavními metodami: pyrometalurgickou, hydrometalurgickou a elektrolytickou.

• Pyrometalurgické – nejběžnější, zahrnuje několik operací. Zpočátku se měděná ruda obohacuje flotací nebo oxidativním pražením. První metoda je založena na různém stupni smáčivosti hlušiny a mědi. V důsledku obohacení se získá koncentrát s obsahem kovu 10–35 %. Pro sirné rudy je vhodnější oxidační pražení: minerál se dvakrát zahřeje na teplotu 700–800 C, aby se síra vypálila. Měděný kamínek získaný po obohacení je vyfukován v konvertorech za vzniku bublinkové mědi s obsahem kovu až 91 %. Kov je poté zušlechtěn požárním čištěním nebo elektrolýzou, aby se získala čistá měď – 99,9 %.
• Hydrometalurgický Metoda zahrnuje vyluhování mědi kyselinou sírovou, aby se získal roztok mědi a dalších kovů. Tato metoda se používá při vývoji vyčerpané rudy.

Cín je druhou nejoblíbenější složkou bronzu. Získává se z kasiteritu, stannitu nebo nigeritu. Ruda se obohacuje mechanickými metodami, promyje se za získání rudného koncentrátu a poté se podrobí redukčnímu tavení a rafinaci – tepelné nebo elektrolytické. Vhodnými metodami se získávají i další kovy – hliník, berylium, olovo.

Bronz obsahuje minimálně dvě složky: měď a další kov nebo nekov jiný než nikl a zinek. Slitina může být také vícesložková: takové kompozice je poněkud obtížnější získat, ale jejich technické vlastnosti jsou zajímavější.

Toto video vám řekne, jak se bronz vyráběl v průběhu staletí:

Výpočet poplatku

Vzhledem k tomu, že složení různých typů bronzu je velmi rozmanité, používá se k jeho získání řada kombinací vsázkového materiálu. Kombinace mohou být následující:

• pouze čerstvé kovy, což je docela vzácné;
• kovové a sekundární slitiny s ligaturou;
• z cirkulujících slitin;
• pouze ze sekundárních slitin.

Při určování složení vsázky se bere v úvahu typ pece, čistota součástí, stupeň vyhoření přísad slitiny a tak dále.

Nejběžnější složení náboje zahrnuje:

• 50–60 % čerstvého kovu;
• 20–35 % oběhových slitin;
• 10–12 % zmetkovitosti, pokud je vsázka zvolena ze sekundárních slitin.

Dále zvažujeme technologie výroby a odlévání bronzu.

Technologie výroby

Jako náboj pro získávání bronzu se používají buď čisté kovy, nebo hotové slitiny v ingotech. První možnost je méně častá a častěji se používá pro drahé deformovatelné bronzy. Druhý se snadno používá pro výrobu litých slitin.

Tavení na bázi ingotů

Tavení pomocí této technologie zahrnuje 4 stupně: plnění, tavení, přehřívání, rafinace a odplyňování.

Důležitou podmínkou pro tavení, bez ohledu na typ použité pece, je minimální doba trvání postupu. Čím kratší je doba tavení, tím nižší je riziko nasycení slitiny plyny a tím nižší je ztráta neželezného kovu.

1. Stáhnout – k tomuto účelu se používají grafitovo-šamotové nebo grafit-karborudové kelímky. Před použitím se suší a kalcinují.
2. Tání Začínají tavením mědi, která se nakládá po částech nebo celá. Měď se pod vrstvou dřevěného uhlí co nejrychleji roztaví. Přidá se měď fosfor. Přídavek fosforu zajišťuje produkci kapalných fosforečnanů, které se ze slitiny mnohem snadněji odstraňují. Poté se do kelímků vloží cín a další slitinové složky, pokud jsou uvedeny v receptuře.
3. Přehřátí – tavenina se zahřeje na 1150–1200 C. Cínový bronz se taví s povlakem z dřevěného uhlí nebo dřevěného uhlí se solemi. Pokud je surovina kontaminována křemíkem, hořčíkem nebo hliníkem, používají se tekutá solná tavidla.
4. Odplyňování – čištění od plynných nečistot, zejména od vodíku. Za tímto účelem se tavenina fouká sušeným argonem nebo dusíkem. Procedura trvá od 3 do 10 minut v závislosti na velikosti trouby.

Výrobní proces obvykle zahrnuje fázi modifikace pro zlepšení mechanických vlastností bronzu. Metody jsou určeny složením produktu a jeho účelem.

Příjem odlitků

Vtokové systémy

Slitiny mědi vytvářejí poměrně vysoký metalostatický tlak, takže odlévání bronzu zahrnuje řadu funkcí. Běžné pískové formy nejsou vhodné pro slitiny mědi, proto se používají formovací směsi s vysokým obsahem jílu.

Forma se plní při teplotě 1100–1200 C. To může mít za následek pokovení, které se obtížně odstraňuje. Riziko je tím vyšší, čím vyšší je obsah fosforu v bronzu a čím vyšší je teplota lití. Je nemožné odmítnout přidání fosforu: látka zvyšuje tekutost slitiny, což zase zajišťuje hustotu odlitku a nízké smrštění. Problém je tedy vyřešen přidáním složek obsahujících uhlík do formovací směsi – například břidlicových pryskyřic.

Pro odlévání se používá speciální zařízení – vtokové systémy. Volba procesní teploty závisí na konstrukci systému a také na hmotnosti a konfiguraci odlitku.

Pro zajištění vysoké hustoty odlitků se používá metoda směrového tuhnutí pomocí lednic. Rychlé ochlazení snižuje porézní zónu a zvyšuje tloušťku odlitku.

Toto video vám řekne o tavení bronzu z mosazi:

Odlévání kovů

Tato metoda se častěji používá k výrobě odlitků z cínového bronzu. Hlavním rozdílem je použití kovových forem pro odlévání – kokily. To má za následek vyšší rychlost tuhnutí a tím i vyšší hustotu odlitku.

Kokila je odlita z litiny, tyče jsou ocelové. Složité dutiny se vytvářejí pomocí skořepinových pískových tyčí. Před litím se forma namaže směsí strojního oleje s 6% grafitu.

Lití se provádí do forem předehřátých na 150–250 C. Odlitky se z formy vyjmou, jakmile získají dostatečnou mechanickou pevnost, čímž se sníží napětí při smršťování.

Odstředivé lití

Tímto způsobem se získá až 37 % všech polotovarů ve výrobě obráběcích strojů. Metoda je stejně vhodná pro velké i malé díly.

K tomuto účelu se používají horizontální odstředivé stroje, u kterých je ocelová forma umístěna na několika válečkových podpěrách. Odlévání se provádí do formy, která je zvenčí chlazená vodou.

Malé díly jsou odlévány na strojích konzolového typu.

Nezbytné vybavení

Stejně jako ve většině podniků neželezné metalurgie závisí vybavení používané k výrobě bronzu na mnoha faktorech: použitých surovinách, vlastnostech tavby, složení hotového bronzu, finančních možnostech podniků atd. Tavení je stále velmi choulostivý a vícepravděpodobný proces a dvě totožná zařízení mohou používat zcela odlišné technologie.

Pro tavení je zvoleno takové zařízení pece a výkon, který by zajistil co nejrychlejší tavení mědi a dalších součástí. K tomu se hodí několik možností.

• Elektrické pece – obloukové a indukční. Ten může být s ocelovým jádrem nebo bez něj. V posledních letech se stále častěji používají indukční kelímkové pece. V tomto případě je snazší připravit zařízení na novou taveninu a vyhoření v takových pecích nepřesahuje 0,5–1%.
• Nepřímo vyhřívané elektrické obloukové pece – oblouk vzniká mezi vodorovnými grafitovými elektrodami. Během tavení se pec houpe ve stále větším úhlu se zvyšující se teplotou. To umožňuje zabránit místnímu přehřátí taveniny.

Pro odlévání měděných slitin se používají různé typy vtokových systémů. Jejich design je dán složením slitiny, velikostí a konfigurací odlitku a podobně.

• Nejčastějším zařízením je rozšiřovací systém se sifonem – spodní a horní boční přívod. Tento design je univerzální a umožňuje získat části jednoduchých i složitých konfigurací.
• Pro získání jednoduše konfigurovatelných přířezů se používají systémy dešťových nebo horních vtoků.
• Pokud se odlitky získávají ze slitin, které netvoří vysoce pevné oxidové filmy, pak se používají zařízení bez složitých sběračů strusky. V opačném případě je takové zařízení nezbytné.
• Pokud potřebujete získat obrobky malých rozměrů, můžete použít systémy se spodním posuvem.

Níže se podíváme na výrobce bronzu v Rusku.

Slavní výrobci

Bronz je oblíbený materiál, který má značný význam pro národní hospodářství. Vyrábí ho velmi známé firmy.

• Závod na neželezné kovy Kolchuginsky nabízí 20 tisíc standardních velikostí různých typů válcovaných kovových výrobků z více než 70 druhů slitin. Významnou část sortimentu tvoří široká škála bronzů. Dnes závod poskytuje 30 % všech válcovaných neželezných kovů v Ruské federaci.
• Závod Kamensk-Uralsky OCM vyrábí produkty na bázi 140 různých slitin, včetně zirkonu a chromového bronzu – žáruvzdorných slitin.
• Závod na výrobu neželezných kovů Kirov funguje od roku 1956. Jedná se o jeden z největších podniků vyrábějících měď a slitiny mědi různého složení.
• Závod na zpracování neželezných kovů OJSC Revda se specializuje na výrobu trubek a tyčí z mědi a slitin mědi – mosaz, bronz, měďnatý nikl. Závod byl certifikován pro shodu s mezinárodní normou ISO 9002:1994.

Světová produkce mědi a slitin mědi je z velké části určována zdroji kovů. Lídry ve výrobě rafinované mědi jsou USA, Chile a Japonsko. Spojené státy jsou také největším spotřebitelem mědi a slitin mědi.

Výroba bronzu je metalurgický proces vyvinutý v nejstarších dobách a používá se dodnes. Ve skutečnosti to bylo vytvoření bronzu, které sloužilo jako vzor pro vývoj všech dalších pyrometalurgických procesů pro získávání slitin.

Výroba voskového modelu pro odlévání bronzu doma je popsána v tomto videu:

Bronzová kompozice

Bronz je dvousložková nebo vícesložková slitina sestávající z mědi a dalších prvků, které zlepšují základní vlastnosti kovu, kromě zinku. Takové prvky se nazývají legující prvky. Bronz obsahuje více než 2,5 % hm. Jako legovací složky se používají mangan, cín, berylium, olovo, křemík, chrom, fosfor, železo, hliník a další prvky. Slitiny jsou označeny kombinací „Br“, písmeny označujícími hlavní legující složky a čísly označujícími jejich obsah. Například: BrO5 – cínový bronz, BrA5 – hliníkový bronz. Chemické složení bronzových slitin a jejich třídy jsou určeny odpovídajícími GOST. Bronz můžete zakoupit na našem webu.

Bronz na bázi mědi a cínu je jednou z nejstarších slitin vyráběných člověkem. Ve 3. tisíciletí př. n. l. se bronzové výrobky objevily v Mezopotámii a jižním Íránu. V dávných dobách se z této slitiny vyrábělo vše potřebné pro lidský život. Archeologové objevili zbraně (dýky, sekery, hroty šípů, meče), nábytek a interiérové ​​předměty (zrcadla), ale i nádobí (džbány, vázy, talíře). Kromě toho se z bronzu vyráběly mince a všechny druhy šperků. Zhruba v 5.-4. století před naším letopočtem se starověcí řečtí sochaři naučili odlévat velké bronzové sochy, mimochodem tato technologie je stále aktuální. Ve středověku se bronz používal k výrobě děl a dělostřeleckých granátů. Z této slitiny se odedávna odlévají zvony. Změnou složení a velikosti odlitku řemeslníci vytvořili zvony s úžasným zvukem.

Video – výroba bronzového zvonu

Bronzová klasifikace

Podle chemického složení se rozlišují:

Cínové bronzy – jedná se o slitiny s hlavní legující složkou cín. Kromě cínu mohou být jako další složky přítomny olovo, fosfor a zinek. S přidáním cínu získává měď větší tavitelnost, pružnost a tvrdost. V důsledku toho je slitina náchylnější k leštění. Další komponenty zlepšují mechanické vlastnosti, odlévací vlastnosti a vlastnosti proti tření.

Bezcínové (speciální) bronzy – jedná se o slitiny, které neobsahují cín jako legující prvek. Vlastnosti nejsou horší než cínové bronzy a v některých je dokonce předčí.

Podle technologických vlastností se bronzy dělí na:

• Deformovatelné – dobře přístupné mechanickému zpracování: lisování, zvlnění, kování. Obsah cínu v nich není větší než 6%, což zajišťuje potřebnou tažnost. Plechy, bronzový drát, bronzová tyč a bronzová páska jsou vyrobeny z deformovatelných cínových bronzů.

• Slévárna – určeno pro tvarové odlitky. Různé díly strojů pracujících ve slané mořské vodě, ložiskové pánve a ozubená kola jsou vyrobeny z litých cínových bronzů.

Vlastnosti bronzu

Srovnáme-li to s mosazí, bronz se vyznačuje vyšší odolností proti korozi, pevností a kluznými vlastnostmi. Je poměrně stabilní na vzduchu, slané vodě, roztocích oxidu uhličitého a roztocích mnoha organických kyselin. Většinu typů bronzu lze svařovat a pájet tvrdými a měkkými pájkami.

V závislosti na množství přísad se barva bronzu může pohybovat od červené po bílou. Podívejme se, jak legující prvky ovlivňují vlastnosti bronzu. Cín, nikl, křemík a hliník zvyšují pevnost, odolnost proti korozi a elastické vlastnosti bronzů. V kombinaci s olovem, zinkem a fosforem se také zvyšují vlastnosti proti tření. Nikl a železo výrazně zjemňují zrno a zvyšují teplotu rekrystalizace. Křemík a mangan zvyšují tepelnou odolnost. Chrom, zirkonium a berylium zvyšují tepelnou odolnost slitin a mírně snižují elektrickou vodivost.

Pojďme se v rychlosti podívat na nejčastěji používané druhy bronzu.

• Berylliový bronz je lídrem v tvrdosti mezi ostatními slitinami mědi. Ve vytvrzeném stavu má dobrou tažnost a vyrobitelnost a ve stavu stárnutí má vysoké mechanické vlastnosti. Úroveň mechanických vlastností lze dále zvýšit plastickou deformací před stárnutím. Berylliový bronz se používá k výrobě pružin, membrán a nástrojů.
• Hliníkový bronz se vyznačuje vysokou hustotou, odolností vůči agresivním vlivům prostředí a chemickým prvkům a dobrou odolností vůči mořské vodě. Tento typ bronzu lze zpracovávat řeznými nástroji. Vyrábějí se z něj pásky a pásy trubek.
• Křemičitozinkový bronz umožňuje vyrábět výrobky složitých tvarů díky své zvýšené tekutosti v roztaveném stavu. Tento bronz má vysoký stupeň odolnosti proti stlačení a při mechanickém namáhání nejiskří.
• Olověný bronz má vynikající vlastnosti proti tření, dobře odolává rázovému zatížení a také se vyznačuje vysokou pevností a žáruvzdorností. Používá se pro silně zatížená ložiska.
• Cínový bronz má všechny výše uvedené vlastnosti a je nejrozšířenější v moderním průmyslu.

Příjem

Bronz se vyrábí tavením mědi a slitinových komponentů. Proces probíhá v elektrických indukčních pecích nebo kelímkových pecích. Tavicí vsázka může sestávat z čerstvých kovů, jakož i z výrobního odpadu a sekundárních kovů. Tavení se provádí pod vrstvou tavidla nebo dřevěného uhlí.

Potřebné množství uhlí nebo tavidla se umístí do vyhřáté pece a poté se naloží měď. Po roztavení a zahřátí mědi na příslušnou teplotu se tavenina dezoxiduje fosforečnanem měďnatým. Dále se do taveniny zavádějí zahřáté legující prvky. Žáruvzdorné legující prvky jsou zavedeny ve formě slitin. Tavenina se míchá, dokud se složky nerozpustí a zahřeje se na požadovanou teplotu. Před odléváním se tavenina opět dezoxiduje fosforovou mědí, aby se odstranily její oxidy.

Bronz se dobře taví a rovnoměrně plní ingotové formy. Slitiny jsou vyráběny ve formě plochých a kulatých ingotů. Ingoty se zpracovávají válcováním nebo lisováním.

Výsledkem je široká škála válcovaného kovu:

• bronzová stuha;
• bronzový drát;
• bronzová trubka;
• bronzová pouzdra;
• bronzový kruh;
• bronzová tyč.

Aplikace bronzu

Bronz se používá v moderním strojírenství, raketové technice, letectví, stavbě lodí a dalších průmyslových odvětvích. Bronzové výrobky se díky své odolnosti proti mechanickému otěru a vysoké odolnosti proti korozi používají k výrobě strojních součástí a zařízení zapojených do pohybu jednotek v procesu tření. Bronzové díly vyžadují pravidelnou výměnu, to znamená, že jsou spotřební. Bezcínové slitiny bronzu se používají k výrobě válcovaných výrobků pro součásti chemických zařízení, regulačních ventilů pro topné systémy a potrubí pro jiné účely.

Bronz se používá k odlévání soch a pomníků, protože materiál je odolný, není vystaven povětrnostním vlivům a je odolný proti mechanickému poškození. Z bronzu se vyrábí i výrobky vysoce uměleckých forem v divadlech, palácích a sálech (lustry, stojací lampy, svícny).

Video – jak se vyrábí bronzové figurky