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

ния и лигатур. Компоненты шихты с легко испаряющимися и окисляющимися элементами всегда вводят в конце плавки.

Для предохранения расплава от окисления и насыщения водородом плавку реализуют с применением покровных флюсов. Дегазацию расплава осуществляют продувкой инертными и нейтральными газами (аргоном или азотом) или вакуумированием, а для очистки от неметаллических включений применяют фильтрование. Для измельчения структуры алюминиевые сплавы подвергают модифицированию: доэвтектические силумины обрабатывают титаном и бором, эвтектические – натрием или стронцием, а заэвтектические – фосфором. Теоретические аспекты проведения этих операций изложены в подразделе 6.1.1.

Угар компонентов алюминиевых сплавов при плавке приведен в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Угар элементов при плавке алюминиевых сплавов, % отн.

Окончание табл. 6.1

121

6.2. Оптимизация состава шихты при плавке алюминиевых сплавов

Рассмотрим пример оп тимизации компонентного состава шихты при выплавке алюминиевого сплава АК7ч, предназначенного для литья в песчаные формы.

Как указано в разделе 2, процедура решения задачи оптимизации состоит из пяти этапов.

На первом этапе определяем расчетный химический состав сплава. Согласно ГОСТ 1583–93 сплав АК7ч (АЛ9) при литье в песчаные формы должен иметь химический состав, приведенный в табл. 6.2.

Таблица 6.2

Требования к химическому составу сплава АК7ч, предназначенного для литья в песчаную форму, массовая доля, %

Согласно рекомендациям раздела 2 в качестве расчетных элементов включаем все легирующие элементы (Si и Mg), в качестве примесей – только Fe как наиболее вредную в алюминиевых сплавах, а также сумму учитываемых примесей (∑Пр), через которую косвенно учитываются все остальные учитываемые примеси (Mn, Cu, Zn, Ti, Zr, Pb, Sn и Be).

Расчетный состав сплава АК7ч в соответствии с (2.1) … (2.5) можно записать в виде следующих неравенств:

122

На втором этапе составляем перечень шихтовых материалов, которые можно (или обязательно нужно) использовать при выплавке алюминиевого сплава марки АК7ч.

Вэтот перечень прежде всего включаем один или несколько компонентов, которые содержат элемент – основу сплава. Поэтому в качестве алюминийсодержащего компонента шихты в перечень включаем алюминий первичный технической чистоты марок А0 и А7 (ГОСТ 11069–2001).

Затем в перечень включаем компоненты, содержащие легирующие элементы. В данном случае легирующими элементами являются Si и Mg. В качестве кремнийсодержащего компонента

вперечень включаем силумин в чушках марок АК12пч и АК12ж (ГОСТ 1583–93), а в качестве магнийсодержащего компонента – магний первичный марок Мг95 и Мг90 (ГОСТ 804–93).

Обязательным компонентом шихты является возврат собственного производства. Это обусловлено двумя факторами. Первый фактор – необходимость утилизации собственных отходов, а второй – дешевизна, поскольку такой же покупной материал будет намного дороже.

Перечень должен включать информацию о содержании эле-

мента Эi во всех j-х компонентах шихты (Эij ш) и стоимости всех компонентов шихты Cj ш.

Втабл. 6.3 в силуминах СИЛ-0 и СИЛ-2 содержание кремния принято как среднее значение от допустимого. В возврате содержание легирующих элементов принято также как среднее от регламентируемых пределов. В остальных случаях содержание элементов принято как предельное или околопредельное значение.

123

На третьем этапе устанавливаем угар элементов из шихтовых материалов при плавке сплава АК7ч в тигельной печи и рассчитываем усредненный химический состав плавильной шихты, который обеспечит требуемый состав сплава.

Согласно табл. 6.1 при плавке в тигельной печи в зависимости от компактности шихты угар алюминия колеблется в пределах 0,8...3,0 %, магния – 2…5 % и кремния – 1…3 %.

Поэтому в расчете принимаем следующие значения угара: для алюминия УAl = 2 %, для магния УMg = 4 %, для кремния УSi = 2 %, для примесей У∑Пр = 0 %. Общий угар шихты находим по соотношению (2.25):

Уш = ∑(Эi,ш · УЭ i / 100 ) =

=Alш · УAl / 100 + Mg · УMg / 100 + Siш · УSi / 100 =

=92,7 · 2,0 / 100 + 0,3 · 4,0 / 100 + 7,0 · 2,0 / 100 = 2,0 %.

(6.7)

.

Усредненный химический состав плавильной шихты находим по соотношениям (2.16) … (2.19):

Mgнш = Mgн · 100 / (100 – УMg) = 0,2 · 100 / (100 – 4) = 0,208 %; (6.8)

Mgвш = Mgв · 100 / (100 – УMg) = 0,4 · 100 / (100 – 4) = 0,417 %; (6.9)

124

Siнш = Siн · 100 / (100 – УSi) = 6 · 100 / (100 – 2) = 6,122 %; (6.10)

Siвш = Siв · 100 / (100 – УSi) = 8 · 100 / (100 – 2) = 8,163 %; (6.11)

Feвш = Feв · 100 / (100 – УFe) = 1,20 · 100 / (100 – 0) = 0,6 %; (6.12)

∑Прв ш = ∑Прв · 100 / (100 – УПk) = 1,1 · 100 / (100 – 0) = 1,1 %. (6.13)

С учетом (6.8) … (6.13) соотношения (6.1) … (6.6) можно заме-

На четвертом этапе составляют систему расчетных уравнений, которые включают пять групп.

Первую группу образуют балансовые уравнения по основным расчетным элементам в виде (6.13) … (6.16).

Во вторую группу входят балансовые уравнения по контролируемым примесям в виде (6.17) и (6.18).

Третью группу образует балансовое уравнение по количеству шихты7 в виде (2.24), которое с учетом (6.7) имеет вид

∑X j ø = 1 · 100 / (100 – Уш) = 1 · 100 / (100 – 2) = 1,02. (6.20)1

Четвертую группу составляют технологические ограничения, которые имеют вид (2.26) … (2.28). В данном примере ограничимся одним из них, по которому обязательно полное использование возвратных отходов собственного производства. Доля последних зависит от величины выхода годных отливок и обычно составляет 20…40 %. Примем, что она составляет 30 %. Тогда ограничение на полноту использования отходов собственного производства имеет вид

X7ш = 0,3. (6.21)

Пятую группу образует целевая функция, по которой производится оптимизация состава шихты по критерию минимальной стоимости:

125

∑7 (Cj ø X j ø ) = Zmin. (6.22)

На1 пятом этапе находят решение расчетных уравнений (6.14) … (6.22), которые в развернутом виде с учетом данных табл. 6.3 представлены ниже.

Врезультате решения системы уравнений-неравенств (6.23)

…(6.30) с целевой функцией (6.30) симплексным методом линейного программирования с использованием соответствующей прикладной компьютерной программы получаем следующий результат:

Х1 = 0,2229; Х2 = 0,0000; Х3 = 0,0000; Х4 = 0,00114; Х5 = 0,0000; Х6 = 0,495966; Х7 = 0,3000; Х8 = 0,0000; Х9 = 0,1045; Х10 = 2,0410; Х11 = 0,0000; Х12 = 0,021331; Х13 = 0,0217498; Zmin = 1210,345.

126

Это означает, что оптимальный состав шихты содержит компоненты в следующих массовых долях:

–алюминий А0 (Х1) – 22,29 %;

–магний Мг90 (Х4) – 0,144 %

–силумин АК12ж (Х6) – 49,597 %;

–возврат бронзы БрАЖМц10-3-1,5 (Х7) – 30,00 %.

Итоговая сумма компонентов шихты составляет 102,0 %, где 2 % – это доля угара шихты при плавке.

Приведенный состав шихты обеспечивает получение в нем следующих содержаний элементов, %:

Mgшрасч = Mgнш + Х8 = 0,208 + 0 / Mgвш – X9 = 0,3125 – 0,1045 = 0,208 %;

Siшрасч = Siшн + Х10 = 6,122 + 2,041 = Siшв – X11 = 8,163 – 0,000 = 8,163 %;

Feшрасч = Feшв – Х12 = 0,60 – 0,2133 = 0,5787 %; ∑Пр шрасч =∑Пр шв – Х13 = 1,1 – 0,0218 = 1,0782 %.

Из представленных результатов следует, что с учетом угара элементов рассчитанная шихта обеспечивает получение следующего состава выплавляемого сплава:

Mgсплрасч = Mgшрасч · (100 – УMg) / 100 = 2,08 · (100 – 4) /100 = 0,1996 0,20 %;

Siсплрасч = Siшрасч · (100 – УSi) / 100 = 8, 163 · (100 – 2) /100 = 7,9997 8,00 %;

Feсплрасч = Feшрасч · (100 – УFe) / 100 = 0,5787 · (100 – 0) /100 = 0,58 %;

∑Прсплрасч = ∑Пршрасч · (100 –УШ) / 100 = 1,0782 · (100 – 0) /100 = 1,08 %.

Полученный состав сплава АК7ч соответствует требованиям ГОСТ 1583–93 к содержанию в нем основных и примесных элементов.

Стоимость шихтовых материалов, необходимых для выплавки 1 т сплава АК7ч, составляет Zmin = 1210,345 усл. ед.

Контрольные вопросы

1.В чем заключаются особенности плавки алюминиевых сплавов?

2.Каково поведение водорода в алюминивых сплавах?

127

3.К чему приводит большая разница в растворимости водорода в жидком и твердом алюминии?

4.Какие технологические операции выполняют для очистки алюминиевых сплавов от растворенного водорода?

5.Как отражается на качестве отливок высокая склонность алюминия к окислению?

6.Какую роль играет бериллий в алюминиевых сплавах?

7.Почему при плавке алюминиевых сплавов в шихте ограничивают долю лома и отходов?

8.Какие технологические ограничения вводят при расчете плавильной шихты для алюминиевых литейных сплавов?

128

7.ПЛАВКА МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

ИОПТИМИЗАЦИЯ СОСТАВА ПЛАВИЛЬНОЙ ШИХТЫ

7.1.Плавка магниевых сплавов

7.1.1.Особенности плавки магниевых сплавов

Плавка магниевых сплавов сопряжена с рядом трудностей, связанных прежде всего с их легкой окисляемостью. На поверхности магниевых расплавов, в отличие от алюминиевых, образуется не плотная, а рыхлая оксидная пленка, потому она не предохраняет жидкий магниевый сплав от дальнейшего окисления. При незначительном перегреве магниевые расплавы легко воспламеняются. В процессе плавки магний и его сплавы взаимодействуют с азотом, образуя нитриды, и интенсивно поглощают водород (до 30 см3 на 100 г расплава). Оксиды и нитриды, находясь во взвешенном состоянии, обусловливают снижение механических свойств сплава и образование микропористости в отливках.

Для предотвращения интенсивного взаимодействия с печными газами плавку магниевых сплавов ведут под флюсами или в среде защитных газов. При плавке большей части магниевых сплавов применяют флюс ВИ2 (40…48 % MgCl2, 30…40 % КСl, 5 % ВаСl2, 3…5 % CaF2) и ВИ3 (33…40 % MgCl2, 25…36 % КСl, 15…20 % CaF2, 7…10 % MgO), основой которых является карналлит. Покровные флюсы для сплавов с редкоземельными элементами не должны содержать хлористый магний, так как он взаимодействует с РЗМ с образованием хлоридов. Для данных сплавов используется флюс, содержащий 22…26 % КСl, 17…20 % NaCl, 35…39 % СаСl2, 19…23 % ВаСl2, 2…5 % CaF2.

Применение флюсов вызывает ряд нежелательных явлений. Попадание флюса в тело отливки приводит к образованию очагов интенсивной коррозии из-за их высокой гигроскопичности, существенно ухудшаются условия труда. Поэтому в настоящее время широко применяют бесфлюсовую плавку, используя для защиты магниевых расплавов газовые смеси (воздух с шестифтористой серой (SF6) или фторидом бора (BF), углекислый газ (CO2)

129

идр.). При бесфлюсовой плавке в подогретый тигель плавильного агрегата загружают шихту, укладывая ее как можно плотнее. При приготовлении сплава из свежих материалов сначала загружают магний, затем лигатуру алюминий – марганец, алюминий

ицинк. При использовании возврата его загружают в первую очередь. Через 20…30 мин после включения печи подают под крышку тигля газовую смесь. Цинк и лигатуру алюминий – бериллий вводят при температуре расплава 720 С.

Взависимости от масштаба производства и массы отливок применяют три способа плавки литейных магниевых сплавов: в стационарных тиглях, выемных тиглях и дуплекс-процессом (в индукционной печи-тигле). Плавку в стационарных тиглях ведут при массовом или крупносерийном производстве мелких отливок. Сплавы в этом случае расплавляют под флюсом ВИ2 в толстостенных стальных тиглях. После рафинирования и модифицирования расплавы отстаивают в течение 10…15 мин при температуре 700…720 °С, а затем небольшими ковшами разливают по формам. Остаток металла (20…30 % объема расплава в тигле), загрязненный неметаллическими включениями и флюсом, после каждой плавки сливают и подвергают переплавке и рафинированию.

При изготовлении крупных отливок плавку ведут в выемных сварных стальных тиглях чайникового типа под флюсом ВИ3. Этот флюс имеет меньшую плотность, чем флюс ВИ2, поэтому всплывает на поверхность расплава и во время заливки форм удерживается в тигле перегородкой. Для заполнения форм используют 2/3 объема расплава; 1/3 объема, загрязненного флюсом и неметаллическими включениями, направляют на переплав и рафинирование.

При дуплекс-процессе после расплавления в индукционных тигельных печах под флюсом ВИ2 или в атмосфере защитных газов расплав переливают в выемные тигли, в которых осуществляют рафинирование и модифицирование.

Выплавка большей части магниевых сплавов начинается с загрузки и расплавления покровного флюса (около 10 % от массы шихты), затем загружается и расплавляется магний или подготовительный сплав, в который добавляются легирующие компоненты (Mn, Zn, Zr и РЗМ). Марганец вводят в виде лигату-

130