Шихтовые материалы для получения цветных сплавов.
Для получения литейных сплавов цветных металлов используют лом и отходы, чистые металлы, сплавы в чушках, лигатуры.
В соответствии с ГОСТ 1639-78 лом и отходы цветных металлов подразделяют по видам основного металла на алюминий и его сплавы, медь и его сплавы, медь и её сплавы и т.д. Цветные металлы по внешним признакам делятся на классы:
А – лом и кусковые отходы;
Б – стружка;
В – порошковые отходы;
Г – прочие отходы;
Д, Е и Ж – отходы содержащие ртуть.
По химическому составу – на группы: (I, II, III, IV, V, VI).
По качеству на сорта 1-4 (основным показателем сорта является степень незасоренности лома и отходов другими цветными металлами и сплавами). Сорт определяет вид лома, степень засор.
Лигатуры.
При выплавке сплавов в ряде случаев непосредственное введение в расплав некоторых элементов затруднено из-за большой разницы в температуре плавления основного металла и легирующей добавки или трудности её растворения в чистом виде, а так же высокой окисляемости или испаряемости. В этом случае добавляют лигатуры, т.е. промежуточные сплавы, в которых содержится значительное количество нужной легирующей добавки. Лигатуры должны удовлетворять следующим требованиям:
1) Иметь температуру плавления близкую к температуре плавления основного металла;
2) Обеспечить однородность по химическому составу;
3) Содержать возможно большее количество легирующего элемента, иметь достаточную хрупкость для удобства дробления.
Составы наиболее применяемых лигатур при плавке цветных металлов и сплавов приведены в справочной литературе.
Чистые металлы: никель, цинк, олово, свинец – являются основой при приготовлении соответствующих сплавов, а так же при легировании многих цветных сплавов на основе меди, алюминия, магния и др.
Неметаллическая шихта.
Флюсы.
Флюсы – это минеральные вещества или их смеси, добавляемые в шихту в целях удаления из металла остатков топлива, оксидов, вредных примесей в виде шлака, а так же понижения температуры плавления шлака, изменения его вязкости и жидкотекучести. В ряде случаев флюсы предохраняют металл от окисления, рафинируют его, способствуют регулированию образования шлака в процессе плавки. В зависимости от назначения флюсы подразделяются на покровные, рафинирующие и универсальные. Составы флюсов и назначение приводятся в справочниках в технической литературе.
Модификаторы.
Модифицирование – процесс воздействия на кристаллизацию и структура сплава (улучшение механических свойств) введением в расплавленный металл малых присадок (модификаторов), практически не изменяющих его химический состав. Модификаторы улучшают механические свойства сплавов, так как при их введении измельчается структура, а вредные легкоплавкие примеси переводятся в тугоплавкие менее вредные соединения.
Методика расчет шихты.
Для расчета шихты необходимы следующие данные:
- химический состав заданного сплава по ГОСТу или ТУ;
- оптимальный расчетный состав сплава;
- химический состав исходных шихтовых материалов;
- угар отдельных компонентов сплава в процессе плавки.
При расчете необходимо учесть так же компактность шихты, тип плавильной печи и состав атмосферы в плавильной камере, продолжительность плавки и другие факторы. В зависимости от назначения сплава за расчетный состав может быть принят либо средний, либо оптимальный состав сплава. Если принят средний состав, то содержание отдельных элементов в сплаве указывают в некоторых пределах. Для получения оптимального состава принимают оптимальное содержание компонентов сплава.
Угар металла, возникающий в процессе плавки, является безвозвратной потерей. При расчете шихты потери на угар принимают обычно из практических данных.
Рассмотрим несколько примеров расчета шихты для различных сплавов.
Пример 1. Рассчитать шихту для сплава Ал5; плавка осуществляется в тигельной печи (примесями, содержащими в исходном материале и готовом сплаве, при расчете пренебречь).
По ГОСТ 2685 – 75 сплав содержит , % (массовая доля): Si 5, Mg 0,4, Cu 1,25, Al – остальное в качестве шихтовых выбираем материалы, содержащие, % - чушковый силумин СИЛО: Al 87; Si 13; лигатуры; Аl – Mg (Al 90, Mg 10), Al-Cu (Al 50, Cu 50). Угар элементов составляет, %: Si, Cu, Al – 1,0, Mg – 3.
Шихта рассчитывается на 100 кг сплава. Для учета угара отдельных элементов масса шихтовых материалов должна быть увеличена:
Si (5*1):100 = 0,05 кг.
Mg (0,4*3):100 = 0,012 кг.
Cu (1,25*1):100 = 0,012 кг.
Al (93,36*1):100 = 0,933 кг.
Расчетный состав шихты представляем в следующем виде:
|
Si |
Mg |
Cu |
Al |
Всего |
Средний хим. состав, % (массовая доля). |
5,0 |
0,4 |
1,25 |
93,35 |
100 |
Масса компонентов на 100 кг шихты, кг. |
5,0 |
0,4 |
1,25 |
93,35 |
100 |
Угар, % (массовая доля). |
1 |
3 |
1 |
1 |
- |
Угар, кг. |
0,05 |
0,012 |
0,012 |
0,933 |
1,007 |
Расчетный состав шихты, кг. |
5,05 |
0,412 |
1,262 |
94,283 |
101,007 |
Затем определяем количество чушкового силумина и лигатур. В шихту необходимо ввести:
Силумина (5,05*100):13 = 38,85 кг.
Содержание Al в силумине 38,85 – 5,05 = 33,8 кг.
Лигатуры Аl – Mg (0,412*100):10 = 4,12 кг.
Содержание Аl в лигатуре 4,12 – 0,412 = 3,708 кг.
Лигатуры Al – Cu (1,262*100):50 = 2,254 кг.
Содержание Al в лигатуре (2,254*50):100 = 1,262 кг.
Масса чушкового алюминия составит 94,283 – (33,8+3,708+1,262)=55,513 кг.
Следовательно, для выплавки 100 кг сплава марки Ал5 необходимы следующие массовые доли (кг) шихтовых материалов:
Чушкового алюминия 55,513
Силумины 38,850
Лигатуры: Al – Mg 4,120
Al – Cu 2,524
Всего 101,007
Для отливок ответственного назначения необходимо проверить количество вредных примесей, вносимых исходными материалами.
Пример 2. Рассчитать шихту для выплавки бронзы среднего химического состава с содержанием % (массовая доля): Sn 5, Zn 5, Pb 5, Cu – остальное.
Пусть шихта состоит из 69 % свежих металлов и на 40 % отходов собственного производства. Расчет проведем на 100 кг сплава без учета примесей в исходном материале и сплаве. Примем, что угар олова и меди составляет 1%, цинка и свинца – 2%.
Увеличим количество шихтовых материалов на величину потерь от угара:
Sn (5*1):100 = 0,05 кг.
Zn (5*2):100 = 0,10 кг.
Pb (5*2):100 = 0,1 кг.
Сu (85*1):100 = 0,85 кг
Исходные расчетные данные
|
Sn |
Zn |
Pb |
Cu |
Всего |
Средний хим. состав, % |
5 |
5 |
5 |
85 |
100 |
Масса компонентов на 100 кг шихты, кг. |
5 |
5 |
5 |
85 |
100 |
Угар, %. |
1 |
2 |
2 |
1 |
- |
Расчетная масса шихты, кг. |
5,05 |
5,1 |
5,1 |
85,85 |
101,1 |
Содержание в цеховом возврате (40 % м.д.), кг. |
2 |
2 |
2 |
34 |
40 |
Содержание в свежих металлах (60 % м.д.), кг. |
3,05 |
3,1 |
3,1 |
51,85 |
61 |
Расчетный состав (кг) шихты для выплавки 500 кг бронзы следующий:
Sn 3,05*5 = 15,25
Zn 3,10*5 = 15,50
Pb 3,10*5 = 15,50
Cu 51,85*5 = 259,25
Возврат БРО5Ц5С5 40*5 = 200,00
Всего 505,5
Аналитический метод расчета шихты.
Компоненты шихты, их химический состав и содержание в шихте приведены в таблице (см) справочник НМ Галдина, стр. 166, табл. 55.
Угар элементов, % (массовая доля: Sn 1, Pb 1,5, Zn 5)/
Необходимое содержание элементов в шихте, в % массовая доля:
Snш
Pbш 5,08
Znш 5,2
Балансовые уравнения
Sn – x: 10/100 + z*4/100 = 5,05
Zn – x: 2,5/100 + z*4/100 + п*30/100 = 5,20
Pb – y: 30/100 + z*6/100 = 5,08
x+y+z+п = 100
z=64,81%
x=24,8%
y=3,97%
п=6,64%
Арифметический метод расчета шихты.
Для выплавки бронзы БРО5Ц5С5.
Угар элементов, % (массовая доля): Sn 1, Pb 1,5, Zn 4, Cu 1.
Необходимое содержание элементов в шихте, % (массовая доля): Sn 5,05, Pb 5,08, Zn 5,20, Cu 85,85.
Компоненты шихты, их химический состав и расчетное содержание сведены в таблицу ( см. табл. 55. Справочник «Цветное литьё». Н. М. Галдин и др 1989 г.).
Огнеупоры.
К огнеупорам относятся материалы, деформация которых под действием силы тяжести начинается при температуре выше 1580 градусов Цельсия. Характеристика огнеупорных материалов, применяемых для футеровки плавильных печей приведена в таблице.
Основу кислых огнеупоров составляет оксид кремния SiO2. Глиноземистые огнеупоры (основа Al2O3) по своим свойствам близки к нейтральным. В смеси кремнеземом они являются полукислыми. Основные огнеупоры содержат MgO, СаО и другие основные или аморфные окислы.
Таблица: классификация и характеристика огнеупоров для футеровки плавильных печей.
Тип |
Группа |
Массовая доля основных компонентов, %. |
Огнеупорность, градусы Цельсия. |
Кремнеземистые |
Динасовые Кварцевые |
93 – 96 SiO2 Более 98 SiO2 |
1680 – 1730 1750 – 1800 |
Аллюмо-силикатные |
Полукислые Шамотные Высоко глиноземистые |
65 – 80 SiO2, 30 – 17 Al2O3 50 – 65 SiO2, 45 – 30 Al2O3 48 – 99 Al2O3, до 50 SiO2 |
1600 – 1700 1600 – 1700 1800 – 2000
|
Магнезиальные |
Магнезитовые (периклазовые) Доломитовые
Форстеритовые Шпинельные |
90 – 95 MgO
45 – 60 MgO, 30 – 35 CaO 5 – 15 SiO2 50 – 55 MgO, 40 – 35 SiO2 25 – 30 MgO, 65 – 60 Al2O3 |
2300 – 2500
1750 – 1850
1800 – 1850 Более 2000 |
Хромистые |
Хромо – магнезитовые Хромитовые |
10 – 20 Сr2O3, 70 – 50 MgO
30 – 45 Сr2O3 |
Более 2200
2100 – 2200 |
Цирконо - содержащие |
Цирконовые Циркониевые |
60 – 65 ZrO2, 40 – 50 SiO2 Более 90 ZrO2 |
Более 2000 Более 2400 |
Карборундовые |
Карборуидовые |
30 – 95 SiC |
- |