Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Расчет шихты для плавки металлов. Учебное пособие.pdf
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
–––––––––––––––––––––
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Омский государственный технический университет»
В. В. Коршунов, Е. А. Шибеев, В. П. Павлов
РАСЧЕТ ШИХТЫ
ДЛЯ ПЛАВКИ МЕТАЛЛОВ
Учебное текстовое электронное издание
локального распространения
Омск
Издательство ОмГТУ
2017
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Сведения об издании: 1, 2 © ОмГТУ, 2017
ISBN 978-5-8149-2381-3
УДК 621.74(075)
ISBN 978-5-8149-2381-3
© ОмГТУ, 2017
ББК 34.61я73
К70
Рецензенты:
И. В. Хамов, канд. техн. наук, доцент кафедры «Эксплуатация и ремонт
автомобилей» ФГБОУ ВО «Сибирская государственная
автомобильно-дорожная академия»;
Е. Г. Лаврик, канд. техн. наук, главный металлург
АО «Омское моторостроительное конструкторское бюро»
Коршунов, В. В.
К70 Расчет шихты для плавки металлов : учеб. пособие / В. В. Коршунов,
Е. А. Шибеев, В. П. Павлов ; Минобрнауки России, ОмГТУ. – Омск : Изд-во
ОмГТУ, 2017.
ISBN 978-5-8149-2381-3
Рассмотрены основные положения дисциплины «Плавка металлов
и сплавов» (раздел «Расчет шихты»), а также теоретические аспекты со-
вершенствования расчета с использованием ЭВМ.
Издание может быть полезно студентам, обучающимся по специальности 15.03.01 «Машины и технология литейного производства» направлений
подготовки «Технологические машины и оборудование» и «Машинострое-
ние», при подготовке к лекционным и практическим занятиям по дисци-
плине «Плавка металлов и сплавов», а также в процессе выполнения вы-
пускной квалификационной работы.
УДК 621.74(075)
ББК 34.61я73
Рекомендовано редакционно-издательским советом
Омского государственного технического университета
2
1 электронный оптический диск
Оригинал-макет издания выполнен в Microsoft Office Word 2007/2010
с использованием возможностей Adobe Acrobat Reader.
Минимальные системные требования:
• процессор Intel Pentium 1,3 ГГц и выше;
• оперативная память 256 Мб и более;
• свободное место на жестком диске 260 Мб и более;
• операционная система Microsoft Windows XP/Vista/7/10;
• разрешение экрана 1024×768 и выше;
• акустическая система не требуется;
• дополнительные программные средства Adobe Acrobat Reader 5.0 и выше.
Редактор О. В. Маер
Компьютерная верстка Л. Ю. Бутаковой
Сводный темплан 2017 г.
Подписано к использованию 08.02.17.
Объем 786 Кб.
–––––––––––––––––
Издательство ОмГТУ.
644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12
Эл. почта: info@omgtu.ru
ПРЕДИСЛОВИЕ
Подготовка данного издания обусловлена учебной необходимостью:
предыдущее подобное учебное пособие вышло в свет еще в 1975 году [30].
С тех пор многое изменилось. Достаточно сказать, что из 21 ГОСТа по ли-
тейным сплавам с 1975 по 2016 год 18 претерпели существенные изменения в части обозначений, номенклатуры, химического состава. Очевидно,
что существующее учебное пособие [30] не позволяет нынешним студентам-бакалаврам, обучающимся в ОмГТУ по специальности 15.03.01 «Ма-
шины и технология литейного производства» направлений подготовки
«Технологические машины и оборудование» и «Машиностроение», качественно выполнить один из важнейших разделов выпускной квалификационной работы, а именно: расчет шихты.
Вместе с тем, авторы настоящего издания постарались сохранить об-
щий стиль вышеупомянутого учебного пособия [30]. Современное пособие
по смысловой нагрузке разделено на две части. В первой части приведены
методы расчета и общая характеристика шихтовых материалов, во второй –
справочные величины угаров, пригаров, составных частей шихты и данные по сплавам, собранные из действующих ГОСТов.
Авторы надеются, что предложенное учебное пособие поможет
студентам выполнить выпускную квалификационную работу на высоком
уровне.
4
ВВЕДЕНИЕ
Литейное производство, являясь основной заготовительной базой
машиностроения, непрерывно развивается и совершенствуется. Повыше-
ние требований к продукции машиностроения выдвинуло проблему резко-
го улучшения качества отливок, увеличения их надежности и долговечно-
сти. Решение этой проблемы осуществляется несколькими путями, основ-
ная из которых – увеличение прочности и износостойкости материала отливок за счет применения легированных литейных сплавов.
В последние годы в практике литейного производства в России и за
рубежом четко проявилась тенденция сокращения выпуска отливок из уг-
леродистой стали и серого чугуна, увеличения выпуска отливок из легированных сталей и чугуна с шаровидным или вермикулярным графитом.
Результаты исследований металлургов и литейщиков последней чет-
верти XX века свидетельствуют о существовании определенной зависимо-
сти между качеством шихтовых материалов, условиями плавки и свой-
ствами литого металла. Установлено наличие структурной наследственно-
сти у большинства литейных сплавов, которая проявляется в однотипном
строении некоторых структурных составляющих шихтовых материалов
и отливок.
Определенный тип строения структурных составляющих, свойствен-
ный компонентам шихты, может претерпевать изменения в процессе ее
плавления. При этом формируется новая атомная упаковка, характерная
для данного расплава. Однако некоторые структурные составляющие,
особенно химические соединения шихты, при наличии прочных межатом-
ных связей между химическими элементами, входящими в их состав, ока-
зываются достаточно устойчивыми и в жидком металле.
Степень упорядоченности в строении атомных группировок расплава
зависит от условий плавки (ее продолжительности и температуры метал-
ла), химического состава шихты и, особенно, от химической активности
легирующих элементов, окислителей, раскислителей, модификаторов
и к моменту заливки металла в форму может быть различной. Эти разли-
чия в атомарном строении жидкого металла могут влиять на процесс кри-
сталлизации, формирование структуры и свойств металла отливки.
5
Таким образом, свойства металла отливки определяются составом
шихты и строением ее составляющих. Свойства могут корректироваться
в процессе плавки за счет перегрева металла, введения легирующих эле-
ментов и модификаторов, а также при кристаллизации отливки путем
внешних воздействий (кристаллизация в магнитных и электрических по-
лях, наложение вибрации или ультразвука).
В связи с вышеизложенным в настоящее время большое внимание
уделяется правильному выбору и расчету соотношения составляющих
шихты, обеспечивающих получение требуемых свойств отливок.
6
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Шихтой называется определяемая расчетом смесь материалов, пред-
назначенная для расплавления металлических составляющих в плавиль-
ных агрегатах с целью получения жидкого металла.
Правильное пропорционирование компонентов шихты оказывает зна-
чительное влияние на качество получаемых отливок.
Для того, чтобы правильно составить композицию шихты, необходи-
мо знать химический состав каждого из ее компонентов, происхождение,
а также изменения, которые они претерпевают в процессе плавления и по-
следующей обработки.
Составляющие шихты, применяемой в чугуно-, стале- и цветнолитей-
ных цехах для приготовления жидкого металла:
1) металлическая часть шихты:
а) первичные металлы (доменные чугуны, чистые металлы);
б) вторичные металлы (паспортные чушки цветных сплавов, синте-
тические чугуны, переплав возврата и стружки);
в) покупной лом;
г) возврат производства;
д) металлическая стружка;
2) неметаллическая часть шихты:
а) топливо;
б) флюсы;
3) специальные добавки:
а) ферросплавы;
б) чистые металлы и специально приготовленные лигатуры;
в) раскислители;
г) окислители;
д) карбюризаторы.
Практикой литейного производства установлено, что отливки, получае-
мые при применении в составе шихты доменных чугунов одинакового хими-
ческого состава, но поставляемые разными поставщиками, имеют различную
структуру и механические свойства. Такое влияние литейных чугунов на
свойства отливок обусловливается наследственностью, которая в наибольшей
степени проявляется у чугунов. Особенно плохие наследственные свойства
наблюдаются у литейных чугунов с высоким содержанием кремния, которые
имеют повышенную склонность к усадке, высокую загрязненность спелью,
микропримесями, неметаллическими включениями и газами.
7
Лучшими литейными чугунами в Российской Федерации являются
чугуны, выплавленные ОАО «Криворожсталь», ОАО «Алапаевский ме-
таллургический завод» и ПАО «Надеждинский металлургический завод».
Применение литейных чугунов Карагандинского, Магнитогорского,
Нижне-Тагильского металлургических заводов для получения отливок требует установки закрытых прибылей для питания тепловых узлов в отливке.
В чугунах, выплавленных из руд Керчинского месторождения, со-
держится 0,05…0,06 % As и до 0,08 % Ti. Известно, что мышьяк повышает
чувствительность металла к усадке, отбелу и трещинообразованию. Вышеуказанные примеси препятствуют образованию шаровидного графита
при производстве отливок из высокопрочного чугуна. В связи с этим при
использовании чугунов, выплавленных из руд Керчинского месторожде-
ния, необходимо дополнительно обрабатывать расплав специальными добавками (селикокальций, церий, ферросилиций и др.).
В процессе индустриализации страны, с развитием машиностроения
увеличивается количество оборотного металла, а следовательно, изменя-
ется средний состав шихты, т. е. создаются предпосылки для уменьшения
расхода доменных чугунов за счет увеличения количества применяемых
дешевых материалов – чугунного и стального лома, возврата производства
(литники, брак, сплески и др.) и стружки.
Для уменьшения влияния наследственных свойств доменных литей-
ных чугунов используются низкокремнистые литейные чугуны в сочета-
нии с передельными чугунами. При необходимости повышения содержа-
ния кремния в шихту добавляется доменный или электропечной ферроси-
лиций. Недостающее количество марганца (передельные чугуны имеют
пониженное содержание марганца) легко восполняется зеркальным чугу-
ном или доменным ферромарганцем.
Свойства чугунных отливок можно значительно улучшить, используя
в шихте природнолегированные литейные чугуны – хромоникелевые, титаномедные и др.
Вышеперечисленные шихтовые материалы должны отвечать требова-
ниям, которые указаны в соответствующих ГОСТах.
Справочные данные по указанным материалам, необходимые для вы-
полнения выпускной квалификационной работы, можно найти в приложе-
нии настоящего издания. Там же указаны цены на материалы по состоянию на 2016 год.
8
2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ШИХТ
Получить металлический расплав можно используя многочисленные
комбинации, составленные из различных компонентов шихтовых материалов.
Задача расчета – подобрать композицию шихты, которая обеспечила
бы получение металлического расплава (и шлака) требуемого состава
и качества при минимальной стоимости. При расчете шихты необходимо
решить последовательно следующие задачи:
1) определить по заранее намеченному химическому составу металла
отливки средний химический состав шихты;
2) подсчитать по найденному среднему составу шихты процентное
соотношение составляющих ее исходных материалов.
Решение первой задачи основывается на знании изменения относи-
тельных величин элементов в составляющих шихты в процессе плавле-
ния. В табл. П.1…П.5 приведен угар основных элементов шихты в про-
цессе плавления. Эти данные необходимо рассматривать как ориентиро-
вочные, так как изменение элементов в процессе плавления является
функцией многих переменных. Процентное содержание элементов может
изменяться в широких пределах, поэтому их следует определять в каж-
дом отдельном случае опытным путем, учитывая конкретные условия
производства.
Составление шихт, когда ферросплавы вводятся в металлозавалку
сверх 100 %, приводит к значительным отклонениям химического состава
чугуна по кремнию и марганцу. Отклонения химического состава чугуна
вызываются нарушением стабильности веса металлозавалки, химического
состава компонентов шихты, а также, при прочих равных технологиче-
ских условиях переплава, произвольным назначением величины угара
кремния и марганца.
Авторы исследований [37, 38] установили угар расчетных элементов
в каждой составляющей шихты в зависимости от ее габаритов и концен-
трации контролируемых элементов (табл. П.1, П.2).
Составление ваграночной металлозавалки с учетом угара контролиру-
емых элементов в каждой составляющей устраняет необходимость в назна-
чении средней величины угара для всей массы шихтовых материалов.
9
Угар кремния и марганца в каждом частном случае при составлении
=
=
100
100 ±
=
металлозавалки с учетом угара во всех составляющих будет соответство-
вать величине, определяемой по уравнению
, (1)
где – угар данного элемента во всей металлозавалке, %;
– угар данного элемента в соответствующей составляющей ме-
таллозавалки, %;
– содержание соответствующей составляющей в металлозавалке, %;
– содержание данного элемента в соответствующей составляющей
металлозавалки, %;
– содержание данного элемента во всей металлозавалке, %.
Рассмотрим методы расчета шихты, применяемые при плавке чугуна
в вагранке.
Если содержание элемента в жидком металле обозначить через
, то
при известном изменении его в процессе плавления содержание этого
элемента в шихте
где
– количество элемента в шихте;
– количество элемента в расплаве;
можно определить по следующему уравнению:
(2)
– изменение данного элемента в процессе плавления.
Обозначив в уравнении (2)
±
= , будем иметь
, (3)
где – коэффициент изменения состава шихты в процессе плавления
(табл. П.1…П.5).
Содержание углерода можно определить по уравнениям из условий
его растворимости в жидком металле в присутствии и .
10