Производство отливок из сплавов цветных металлов. Раздел оптимизация состава плавильной шихты. Учебное пособие

3709

•

« • • • • • « • »

-• • •

€‚ƒ„ …•†‚‡ˆ‰Š †‚Šˆ … ‹•‡

• ŠŒƒ Ž‚ † ‚ˆˆ ‡ ‘„ ‘ † • ’ †‚„• …

“ƒ‚…: •†•’•“ –•— † •… •…˜ˆ ‡ ™•Š†‰

š‚‘ˆ ‚ • ‘•‚

•Œ›‚ˆ ‚ƒ‚„ …˜ˆ‰’ Œš‚‘ˆ -’‚† ƒ•š‚ •’ ‘ž‚ƒ•ˆ‚ˆ•‚’

• Œ „Œ•ˆ‚ˆˆ ‡ ‹„Œ••‚ •‚–• …˜ˆ †‚‡ • ˆ •„ …‚ˆ•‡ 22.00.00 « ‚Šˆ … ‹•• ’ †‚„• … » š‚ † ‚ Œš‚‘ˆ ‹ • ‘•— •„• • ƒ‹ † ‚ ‘ … „ , ‘Œš ¢›•Š —

• ˆ •„ …‚ˆ•¢ 22.03.02 « ‚† ……Œ„‹•—»

2020

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

При производстве отливок и слитков из сплавов цветных металлов на долю шихтовых материалов приходится более 50 % всех расходов. При этом шихтовые материалы должны быть использованы расчетливо, чтобы при плавке не допустить отклонений химического состава выплавляемого сплава от регламентируемых требований. Кроме того, они должны быть использованы экономно, чтобы минимизировать расходы на шихтовые материалы и повысить эффективность производства литых заготовок. Достижение этих результатов во многом зависит от корректного выбора шихтовых материалов, адекватного учета поведения элементов в процессе выплавки, рационального подбора компонентов шихты и правильного расчета их расхода. Из этого следует, что задача расчета шихты является комплексной и с технической точки зрения предполагает получение многовариантного решения.

Втрадиционных расчетах состава плавильной шихты, выполняемых аналитическим или графическим методами, а также путем последовательного корректирования [1], задача математически сводится к составлению и решению системы линейных уравнений – равенств. При этом невозможна широкая вариативность вовлечения в расчет различных альтернативных шихтовых материалов. Это существенно ограничивает ценность полученного результата, поскольку, как правило, не является наилучшим выбором из многих возможных вариантов.

Современные методы оптимизации позволяют решить задачу расчета состава плавильной шихты при представлении ограничений по химическому составу и технологических ограничений

ввиде как равенств, так и неравенств. При этом в расчетный перечень компонентов шихты можно включать широкий набор потенциально пригодных материалов. Кроме того, сформулированная таким образом задача решается оптимизационным методом по заданному критерию. В качестве критерия оптимизации, как правило, используют минимальную стоимость шихты [1].

Вданном пособии излагается идеология и методика оптимизации состава шихты при плавке сплавов цветных металлов, а также приводятся примеры их выполнения.

5

Вразделе 1 формулируются задачи оптимизации компонентного состава шихты при плавке сплавов цветных металлов.

Вразделе 2 излагается методика оптимизации компонентного состава плавильной шихты для выплавки сплавов цветных металлов.

Вразделе 3 представлена номенклатура стандартных сплавов на основе меди, алюминия и магния и требования к ним по химическому составу.

Вразделе 4 приведены справочные данные о шихтовых материалах, которые используются при плавке сплавов цветных металлов.

Вразделах 5…7 рассмотрены технологии плавки соответственно медных, алюминиевых и магниевых сплавов и особенности методики оптимизации состава плавильной шихты, а также приведены примеры их реализации.

Данное пособие базируется на учебных пособиях, изданных

в1981 г. [2] и 1992 г. [3, 4]. Но при этом оно переработано и дополнено новым материалом, а справочные данные полностью обновлены.

6

1.ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВА ШИХТЫ ПРИ ПЛАВКЕ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Литейные сплавы цветных металлов, как правило, получают путем сплавления нескольких исходных материалов, которые называются шихтовыми. В качестве таковых используют первичные и вторичные металлы и сплавы, лигатуры в виде двойных и тройных сплавов, неметаллические материалы, покупной лом, а также отходы собственного производства в виде литников, прибылей, бракованных отливок и стружки [1].

Ко всем сплавам цветных металлов предъявляются строгие требования по химическому составу. В них регламентируется содержание основных элементов в заданных интервалах, а также ограничивается содержание наиболее вредных примесей.

Для выплавки сплава заданного состава необходимо предварительно составить шихту (определенную, сознательно выбранную совокупность различных исходных шихтовых материалов), которая может потенциально обеспечить возможность получения при последующем сплавлении требуемый химический состав сплава. При этом следует учитывать то, что в плавильных агрегатах компоненты шихты, подвергаясь тепловому воздействию, нагреваются и расплавляются. Затем полученный расплав перегревают до необходимой температуры, рафинируют от неметаллических включений и растворенных газов (водорода), легируют, раскисляют и модифицируют (при необходимости). Эти процессы реализуются в условиях контакта с газовой атмосферой плавильных агрегатов, покровными флюсами (шлаками), материалом футеровки печей и тиглей [5, 6], поэтому формирование сплава в жидком состоянии сопровождается различными физическими и физико-химическими процессами:

–расплавлением однотипных шихтовых материалов;

–сплавлением разнородных шихтовых материалов;

–окислением компонентов выплавляемого сплава;

–возгонкой (испарением) легколетучих компонентов сплава;

–растворением в жидком металле газов (прежде всего водорода и кислорода) из печной атмосферы;

7

–взаимодействием жидкого металла с покровным флюсом (шлаком) и материалом футеровки печи (тигля);

–загрязнением расплава неметаллическими включениями.

В результате протекания перечисленных выше процессов усвоение полезных элементов из шихты происходит неодинаково, при этом степень усвоения одних и тех же элементов, но из разных компонентов шихты также сильно разнится.

Величина потерь (угара) элементов зависит от многих факторов:

–от химического сродства элемента к кислороду (чем оно выше, тем больше угар);

–склонности к возгонке (чем она сильнее, тем больше потери элемента при плавке);

–компактности шихтового материала (при использовании компактной шихты угар всегда меньше, чем при использовании стружки);

–типа используемого плавильного агрегата (угар элементов при плавке в отражательных печах всегда выше, чем при плавке

втигельных печах);

–концентрации элемента в компоненте шихты (чем она выше, тем при прочих равных условиях больше его потери на угар);

–от того, на какой стадии плавки используется тот или иной компонент шихты (из завалочной шихты элементы угорают сильнее, чем при присадке того же компонента шихты на более поздних стадиях плавки).

Кроме того, расплав может дополнительно насыщаться некоторыми элементами от покровного флюса (шлака), а при проведении рафинирующих процессов отдельные элементы удаляются из расплава.

Все эти особенности поведения элементов необходимо учитывать при расчете шихты, чтобы получить в продукте плавки требуемый химический состав.

Таким образом, при расчете шихты прежде всего необходимо решить задачу нахождения необходимой комбинации исходных материалов и определения соотношения между ними, при котором в результате их технологической переработки в плавильных агрегатах обеспечивается получение расплава с требуемым химическим составом. При этом корректность расчета шихты за-

8

висит от того, насколько полно при этом были учтены все особенности поведения элементов, изложенные выше.

Сплав требуемого химического состава может быть выплавлен с использованием различных шихтовых материалов и при различных их комбинациях. Следовательно, составление шихты является задачей, допускающей многовариантные решения. При этом для нахождения наилучшего варианта используют критерий оптимизации. Поскольку при производстве литых заготовок затраты на шихтовые материалы составляют львиную долю расходов, достигая 90 % и более [4], то в качестве такого критерия используют минимальную стоимость шихты. Поэтому оптимизация состава плавильной шихты представляет собой более широкую задачу, чем задача расчета шихты: при оптимизации эта задача решается при условии достижения при этом минимальной стоимости [1, 3].

Критерий оптимизации компонентного состава шихты при выплавке сплавов цветных металлов имеет следующий вид:

Z = ∑ (Zj · Xj) = Z1 · X1 + Z2 · X2 +, …, + Zn · Xn Min, (1.1)

где Z – стоимость шихты, руб./т;

Zj – цена единицы количества j-го компонента шихты (j = 1, 2, …, n), руб./т;

Xj – расход j-го компонента шихты, доли единицы.

Таким образом, задачей оптимизации состава плавильной шихты является нахождение наиболее дешевого варианта плавильной шихты, обеспечивающего получение жидкого металла требуемого химического состава.

Контрольные вопросы

1.Какие процессы протекают при плавке литейных сплавов?

2.Что такое угар элементов при плавке?

3.В чем заключается задача расчета состава шихты?

4.Чем отличается задача оптимизации состава шихты?

5.Какой параметр оптимизации применяют при расчете оптимального состава шихты?

9

2. МЕТОДИКА ОПТИМИЗАЦИИ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ПЛАВИЛЬНОЙ ШИХТЫ

Оптимизацию многокомпонентной шихты при выплавке сплавов цветных металлов выполняют в несколько этапов.

На первом этапе определяют расчетный химический состав

выплавляемого сплава. Для этого прежде всего устанавливают регламентируемые ГОСТ или ТУ требования, которым должна соответствовать выплавляемая марка сплава по содержанию основных элементов и контролируемых примесей.

Так, согласно ГОСТ 17711–93 в медном сплаве ЛЦ40Мц3Ж регламентируется содержание меди, марганца и железа соответственно в следующих пределах, %: 53,0…58,0; 3,0…4,0 и 0,5…1,5. В этой марке латуни ограничивается содержание следующих примесей, %: Pb ≤ 0,5; Si ≤ 0,2; Sn ≤ 0,5; Sb ≤ 0,1; Al ≤ 0,6; P ≤ 0,05; Ni ≤ 0,5, суммарное содержание всех примесей ∑Пр ≤ 1,7.

В алюминиевом сплаве АК9, согласно ГОСТ 1583–93, массовая доля основных элементов должна составлять, %: Al – основа; 0,25…0,45 Mg; 8…11 Si и 0,2…0,5 Mn. Примесями в этом сплаве являются Fe (≤ 0,9/1,2/1,3 %), Cu (≤ 1,0 %), Zn (≤ 0,5 %), Ni (≤ 0,3 %); ∑Пр ≤ 2,6/2,8/3,0 %. В алюминиевых литейных сплавах из-за высокой чувствительности их структуры и свойств к условиям формирования отливок предельно допустимые содержания Fe и ∑Пр дифференцированы на три группы: минимальные значения – для литья в песчаную форму и по выплавляемым моделям; средние значения – для литья в кокиль и максимальные значения – для литья под давлением.

Аналогично в магниевом сплаве МЛ5, согласно ГОСТ 2856– 79, содержание основных элементов регламентируется в следующих пределах, %: Mg – основа; 7,5…9,0 Al; 0,15…0,50 Mn; 0,2… 0,8 Zn. При этом содержание примесей не должно превышать следующих пределов, %: 0,08 Si; 0,07 Fe; 0,002 Ni; 0,04 Cu; 0,002 Be; 0,002 Zr. Всего примесей должно быть ∑Пр ≤ 0,5 %.

Расчетный состав сплава может совпадать с регламентируемым или несколько отличаться от него. Они полностью совпадают, если при расчете шихты допустимые пределы содержания всех расчетных элементов принимают так, как это предусмотре-

10