13.3. Подготовка шихтовых материалов к плавке

Все шихтовые материалы, поступающие в цех, должны сопровождаться сертификатом с указанием химического состава. Перед применением все шихтовые материалы проходят определённую подготовку.

Особое внимание следует обращать на тщательную защиту материалов от влаги. Категорически запрещается загружать в печь мёрзлую и увлажнённую шихту, т.к. это ухудшает качество металла, кроме того, возможны выбросы металла из печи и травмирование персонала. Шихтовые материалы перед загрузкой в печь необходимо тщательно просушить.

Выбор и составление шихты определяется прежде всего возможностью получения из неё сплава заданного химического состава, а также их ценой и возможностью переработки в имеющихся плавильных агрегатах. Наиболее низкими ценами обладают отходы, однако они загрязнены примесями.

1. Расчёт шихты.

Общие положения

Расчет шихты является технологической операцией, в результате которой производится определение оптимального соотношения исходных шихтовых материалов, обеспечивающих получение сплава заданного химического состава. От правильности выполнения этой операции зависит соответствие полученного сплава заданным техническим требованиям. По данным расчета шихты по каждой марке сплава определяется потребность всех шихтовых материалов, необходимых для выполнения данной программы на предприятии.

Исходными данными для расчета являются:

• требуемый химический состав сплава;

• химический состав используемых шихтовых материалов, их вид и готовность к плавке;

• угар элементов при плавке;

• общие безвозвратные потери жидкого металла при плавке и заливке форм;

• потребность в жидком металле, для получения которого производится расчет шихты;

• стоимость исходных компонентов шихты, которая необходима для определения себестоимости литых изделий и для оптимизации состава шихты.

Потребность шихтовых материалов на данную программу цеха (баланс металлов) складывается из:

1. массы годных отливок по маркам сплавов (и весовым группам);

2. технически неизбежных потерь от внешнего и внутреннего брака и других непредвиденных потерь;

3. массы литников и прибылей (возврат);

4. массы потерь металла на угар элементов в процессе плавки и общих потерь жидкого металла на брызги, сплески и другие безвозвратные потери.

Баланс металла на программу цеха оформляется в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1. Типовой баланс металлов для некоторых сплавов

Составляющие баланса	Серый чугун		Высокопрочный чугун		Сталь		Алюминиевые сплавы		Медные сплавы
	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%
Выход годного	1000	72	1000	65	1000	58	1000	68	1000	74
Возврат пр-ва (литники и скрап) брак	305,6	22	446,1	29	637,9	37	397,1	27	283,8	21
Угар и безвозвратные потери	83,4	6	92,3	6	86,2	5	73,5	5	67,6	5
Брак	55,6	4	61,5	4	86,2	5	73,5	5	67,6	5
Итого, металлозавалка	1389	100	1538,4	100	1724,1	100	1470,6	100	1351,4	100

Обычно расчет шихты ведется на средний химический состав или на оптимальный состав сплава, при котором сплав имеет наилучшие технологические и эксплуатационные свойства. Для ответственного литья производится проверка содержания примесей в сплаве и корректировка состава шихты. Критерием оптимизации состава шихты является минимальная стоимость ее при обеспечении заданного химического состава сплава.

Наиболее дорогие составляющие шихты – первичные металлы, лигатуры и модификаторы, а наиболее дешевые – отходы производства и лом со стороны. Поэтому количество первичных металлов и сплавов в шихте должно быть минимальным, а количество отходов собственного производства и лома со стороны должно быть максимальным. Количество возвратных металлов и сплавов в шихте определяется выходом годного. Для неответственного литья шихту можно составлять без применения первичных металлов и сплавов, т.е. полностью из возвратных шихтовых материалов, прошедших соответствующую подготовку к плавке. Однако, следует иметь в виду, что многократный переплав возврата без освежения первичными металлами и сплавами приводит к обогащению сплавов вредными примесями, поэтому для ответственного литья составлять шихту только из отходов нельзя. Долю отходов в шихте определяют исходя из допустимого содержания примесей в сплаве.

Количество компонентов шихты определяется расчетом с учетом угара элементов. Угар химических элементов в процессе плавки складывается из потерь в результате испарения, потерь при взаимодействии элементов с печной атмосферой и футеровкой печи. Угар отдельных элементов зависит от их сродства к кислороду и от значений парциального давления их паров при температуре плавки.

На величину угара элементов оказывают влияние также следующие факторы: состояние шихтовых материалов (стружка, кусковой лом, степень окисленности и загрязненности), тип плавильных печей, вид топлива, состояние атмосферы, вид футеровки, температура сплава, длительность пребывания сплава в жидком состоянии и технологический процесс плавки.

Значения угара элементов определяют по справочным данным и уточняют для конкретных условий производства путем проведения балансовых плавок.

Расчет шихты, как правило, ведут на 100 кг сплава, т.е. определяют необходимое количество шихтовых материалов, которое нужно загрузить в печь, чтобы получить 100 кг готового сплава.

Расчет шихты может производиться двумя путями:

• путем решения системы линейных уравнений и методом подбора.

Систему линейных уравнений в общем случае можно представить в следующем виде:

X + Y + Z + … = 100

X A_x + Y A_y + Z A_z + … = 100 A_ш

X B_x + Y B_y + Z B_z + … = 100 B_ш

X C_x + Y C_y + Z C_z + … = 100 C_ш,

где X, Y, Z – содержание компонентов в шихте, %;

A_x, A_y, A_z – содержание элемента «А» соответственно в компонентах шихты X,

Y, Z, %;

B_x, B_y, B_z – содержание элемента «В» соответственно в компонентах шихты X,

Y, Z, %;

C_x, C_y, C_z – содержание элемента «С» соответственно в компонентах шихты X,

Y, Z, %;

А_ш, В_ш, С_ш – содержание элементов «А», «В», «С» в шихте, %, которое определяется по формуле (1)

(1)

где Э_ш – содержание элемента в шихте, %;

Э_с – содержание элемента в сплаве, %;

y – угар элемента при плавке, %.

Расчет шихты может быть выполнен по одному элементу, по двумя или по большему количеству элементов. В любом случае количество уравнений должно быть равно количеству неизвестных. Если количество неизвестных больше, чем уравнений, то необходимо задаться каким-либо компонентом дополнительно для решения задачи. Если при решении системы уравнений содержание какого-либо компонента получается отрицательным, то это означает, что из выбранных компонентов составить шихту не представляется возможным и состав компонентов необходимо изменить.

При значительном количестве компонентов расчет шихты становится трудоемким и длительным, поэтому аналитический способ расчета целесообразно применять при наличии компьютерной программы и необходимости оптимизации шихты по себестоимости.

На практике обычно выполняют расчет шихты методом подбора. В этом случае сначала выбирают по практическим данным рекомендуемый состав шихты, выполняют расчет химического состава чугуна и корректируют состав шихты добавками соответствующих компонентов по формуле (2):

(2)

где М – масса вводимой добавки, кг;

А – масса расчетного количества сплава, кг;

Э_с – недостающее количество элемента в сплаве, %;

Э_д – содержание элемента в добавке, %;

у – угар элемента, %.

Способ подбора чаще применяется на практике, как наиболее доступный.

Методика расчета шихты

На практике встречаются четыре варианта составления шихты:

1) составление шихты только из первичных материалов. Этот вариант применяется обычно для получения самых ответственных отливок и слитков с минимальным количеством примесей, но стоимость такой шихты будет достаточно высокой;

2) составление шихты из вторичных сплавов и лигатур;

3) составление шихты из отходов собственного производства, вторичных сплавов и лигатур. Этот способ является самым распространенным, так как обеспечивает использование в производстве возврата собственного производства; такой состав шихты является и максимально экономичным;

4) составление шихты только из отходов производства и лома. Состав такой шихты является самым дешевым, но отличается самым высоким содержанием примесей, поэтому для ответственного литья не может быть рекомендован.

Как правило, при литье слитков расходуется больше первичных металлов, а при производстве фасонных отливок – больше отходов и вторичных сплавов.

Расчет шихты производится по основным легирующим элементам. В случае необходимости при производстве ответственного литья или слитков проверяется содержание примесей.

Пример № 1.

Выполнить расчет шихты для получения алюминиевого сплава АК5Мч в количестве 350 кг при плавке в тигельной пламенной печи.

Решение

Химический состав сплава принимаем средним по ГОСТ 1583-93. В качестве исходных шихтовых материалов имеем: возврат собственного производства – 15%, чушковый первичный алюминий, чушковый алюминиевый сплав СИЛО (ГОСТ 1521-76), лигатура алюминий-медь (50-50), лигатура алюминий-титан (96-4), лигатура алюминий-магний (90-10). Угар элементов принимаем по данным справочников. Расчет ведем на 100 кг сплава. Составляем расчетную таблицу.

Наименование	Содержа- ние в шихте, %	Содержание элементов, %
		Si		Mg			Cu			Ti			Al
		1	2		1	2		1	2		1	2		1	2
1	2	3	4		5	6		7	8		9	10		11	12
Химический состав сплава, %	100	-	5,0		-	0,5		-	1,25		-	0,1		-	93,15
Угар элементов, %	-	-	1,0		-	3,0		-	1,0		-	1,5		-	1,0
Содержание элементов в шихте, %	101,03	-	5,05		-	0,515		-	1,26		-	0,102		-	94,1
Возврат	А (15)	5,0	0,75		0,5	0,075		1,25	0,19		0,1	0,015		93,15	13,97
Чушковый алюминий, А0	Х (44,7)	-	-		-	-		-	-		-	-		99,0	44,25
Алюминиевый сплав СИЛО	У (33,1)	13	4,3		-	-		-	-		-	-		87	28,8
Лигатура Ал-Мг	Z (4,4)	-	-		10	0,44		-	-		-	-		90	3,96
Лигатура Ал-Cu	Q (2,15)	-	-		-	-		50	1,1		-	-		50	1,08
Лигатура Ал-Tu	(2,175)	-	-		-	-		-	-		4	0,09		96	2,09
Итого:	101,5	-	5,05		-	0,515		-	1,29		-	0,015		-	94,15

Примечание: в графах 1 приведено содержание элемента в компонентах шихты; в графах

2 – содержание этих элементов в шихте.

Выполняем расчет шихты способом решения системы линейных уравнений.

1. Определяем содержание элементов в шихте по формуле 1.

2. Составляем балансовые уравнения.

   1. Уравнение по кремнию.

2. Уравнение по магнию.

3. Уравнение по меди.

4. Уравнение по титану.

5. Уравнение по алюминию.

Решив систему уравнений, определяем значения неизвестных:

у = 33,1%

Z = 4,4%

Q = 2,15%

Р = 2,175%

Х = 44,7%

Общее количество шихты на 100 кг сплава составляет:

С учетом общих потерь (2%) расход шихтовых материалов для получения 350 кг сплава составляет:

Возврат .

Чушковый алюминий .

Чушковый сплав «Силумин» .

Лигатура Ал-Мг .

Лигатура Ал-медь .

Лигатура Ал-Ти .

Всего: .

2. Расчет шихты методом подбора

Исходные данные те же, что и в примере 1.

С учетом общих потерь (2%) потребность в жидком металле составляет

Для упрощения расчет ведем на дополнительное количество шихты, то есть за минусом возврата.

.

Необходимое количество легирующей добавки определяем по формуле (2)

.

Определяем количество алюминия, вводимое лигатурами и возвратом.

или 49,3%.

Дополнительно необходимо ввести 93,15 – 49,3 = 43,85%.

Следовательно,

Общее количество шихты составляет

.

Результаты расчетов практически идентичны.

Пример №2

Выполнить расчёт шихты для получения 350 кг. Алюминиевого сплава марки Д16 по ГОСТ 4784-97 при плавке в индукционной печи ИАТ 0.4.

1. Исходные данные для расчёта приведены в таблице.

Материал	Содержание, %	Химический состав, %
		Cu	Mg	Mn	Fe	Si	Ni	Zn	Al
Расчётный состав		4.5	1.5	0.5	 0.5	 0.5	 0.1	 0.3	93.5
Угар, %		1.0	2.0	2.0	-	-	-	-	2.0
Содержание элементов в шихте		4.55	1.53	0.5	 0.5	 0.5	 0.1	 0.3	95.4
Лигатура	Х	-	10	-	0.1	0.4	-	-	89.5
Лигатура	У	25	-	15	0.1	0.3	-	-	59.6
Лигатура	Z	50	-	-	0.1	0.3	-	-	49.6
Алюминий первичный	В	-	-	-	0.2	0.2	-	0.2	99.4
Возврат	А (30%)	4.0	1.4	0.4	0.5	0.5	0.1	0.3	92.8

3. Расчёт шихты проводим для простоты на 100 кг. Сплава.

4. Составляем балансовые уравнения по каждому элементу.

Балансовое уравнение по меди:

У*25 + Z*50 + 30*4 = 4.55*100 кг.

Балансовое уравнение по магнию:

X*10 + 30*1.4 = 1.53*100 кг.

Балансовое уравнение по марганцу:

У*15 + 30*0.4 = 0.51*100 кг.

Балансовое уравнение по алюминию:

X*89.5 + У*59.6 + Z*49.6 + В*99.4 + А*92.8 = 95.4*100 кг.

Решив систему уравнений, находим:

Х=11.1 кг., У=2.6 кг., В=5.4 кг., Z=5.4 кг.

Общее содержание компонентов в шихте для получения 100 кг. Сплава составляет:

11.1 + 2.6 + 5.4 + 53.7 + 30 = 102.8 кг.

Проверяем содержание в сплаве примесей.

Содержание железа:

+ + + + = 0.277%

Определяем содержание кремния:

+ + + = 0.236 %

Определяем содержание цинка:

+ = 0.137 %

Содержание каждого примесного элемента меньше, чем допускается по стандарту. Определяем количество шихтовых материалов для получения 350 кг. Сплава с учётом общих потерь – 2 %. С учётом потерь общее количество сплава составляет: = 357.1 кг.

Определяем количество компонентов шихты для получения 357.1 кг. сплава.

Лигатура Al-Mg -- = 39.6 кг.

Лигатура Al-Cu-Mn = 9.3 кг.

Лигатура Al-Cu = 19.3 кг.

Первичный алюминий = 191.8 кг.

Возврат = 107.1 кг.

Всего 367.1 кг.