Зависимость механических свойств сплавов от толщины стенок отливок 10 страница

Шихтовый материал	Свойства шихтового материала
р, т/м3	Рнас, Т/М3	м2/т	^плэ С
Стружка А1-сплавов дробленая и мелкий лом	2,55...2,7	0,4...0,8	280... 320	590...665
Магний и его сплавы в чушках	1,74... 1,85	0,7... 1	20...50	590...650
Лом магниевых сплавов	1,74... 1,85	0,6... 1	15...70	590...650
Цинк и его сплавы	7,0...7,2	3... 3,5	7... 13	420...430
Лом цинковых сплавов	7,0...7,2	1,5 ...2,5	5...20	420...430
Медь и медные сплавы в чушках	7,8... 8,95		7,4... 13	900... 1150
Лом меди и ее сплавов	7,8...8,95	1,5... 3	5...20	900... 1150
Стружка меди и ее сплавов	7,8...8,95	2...2,5	140... 160	900... 1150

* р — плотность; рнас — насыпная плотность; S — удельная поверхность; tnл — температура плавления.

Лом и отходы цветных металлов и сплавов (ГОСТ 1639—78). По

наименованиям металлов они классифицируются на лом Al, Ti, Си, Pb, Ni, Mo, Zn, Sn, Mg и металлы всех видов. По физичес­ким признакам их делят на классы (А, Б, В...), по химическому составу — на группы и марки сплавов.

Алюминий вторичный используется для раскисления (ГОСТ 395—79Е). В алюминии марок АВ97...АВ86 содержится со­ответственно 97...86 % А1 и Mg (в сумме), при содержании маг­ния не более 3 %. Кроме магния и алюминия в сплаве содержатся Си, Zn, Si, Sb и Sn.

Физические характеристики металлических шихтовых материа­лов. К важнейшим физическим свойствам шихтовых материалов, влияющим на производительность печи, величину угара металла, удельный расход энергии на плавку, относятся плотность р, на­сыпная плотность р_нас, удельная поверхность S, температура плав­ления компонентов шихты (см. табл. 9.3).

Топливо

Для плавки литейных сплавов используются твердые, жидкие и газообразные виды топлива.

Кокс литейный каменноугольный (ГОСТ 3340—71). Его полу­чают сухой перегонкой (нагревом до 1100°С без доступа возду­ха) коксующихся каменных углей. В процессе перегонки из угля выделяются летучие вещества —

Характеристика	Марка кокса
КЛ1	КЛ2	клз
Предельное содержание серы, %	0,6	1,0	1,4
Предельная зольность, %
Влага, %, не более
Выход летучих, %, не более	1,2	1,2	1,2

Важнейшие характеристики каменноугольного кокса

коксовый газ, а также смолы, аммиак, бензол. В результате получаются куски пористого веще­ства, насыпная масса которого около 0,5 т/м³. Горючей составля­ющей кокса является углерод. По содержанию вредного элемен­та — серы — различают три марки кокса (KJIl, KJI2 и KJI3) (табл. 9.4).

Для кокса всех трех марок установлены пять классов по размеру кусков: 80 мм и более, 60 мм и более, 40 мм и более, 60...80 мм и 40...60 мм.

Мазут. Он является продуктом переработки нефти, который остается после удаления из нее моторных топлив. Горючими со­ставляющими мазута являются углерод (80...87%) и водород (11... 13 %). Содержание серы в малосернистом мазуте — до 0,5 %, в сернистом — до 2 % и высокосернистом — до 3,5 %.

Природный газ. Метан — основное вещество природного газа (77...98% СН₄), кроме него содержатся этан С₂Н₆, пропан С₃Н₈, бутан С₄Н₁₀ и тяжелые углеводороды.

9.4. Флюсы

При плавке чугуна и стали в качестве флюса шире всего ис­пользуют известняк, основу которого (до 90 %) составляет СаС0₃. При нагреве известняк распадается с образованием извести СаО и С0₂. В зависимости от содержания СаО известняк делится на три сорта (табл. 9.5).

Для плавки чугуна можно использовать мел и мрамор (кото­рые по составу аналогичны известняку) свежеобожженную из­весть (содержит 88...93% СаО), доломит (30% СаО, 20% MgO, 45 % С0₂), апатитонефелиновую руду (основной компонент — Са₃(Р0₄)₂) и плавиковый шпат (CaF₂).

При плавке цветных сплавов в качестве флюсов широко ис­пользуются фтористые и хлористые соединения кальция, магния, натрия, а также хлориды алюминия и калия.

Состав известняка, мае. %   Компонент Сорт известняка 1-й 2-й 3-й СаО, не менее Si02, не более 1,75 3,0 4,0 А1203 + Fe203, не более 2,0 3,0 3,0 MgO, не более 3,5 3,5 3,5 Р205, не более 0,02 0,04 0,04 S02, не более 0,25 0,35 0,35 Нерастворимый осадок 2,15 3,75 5,0

9.5. Расчет шихты

Задачей расчета является установление такого соотношения ком­понентов шихты, которое обеспечивает получение сплава требуе­мого химического состава при минимальной его стоимости.

Исходными данными для расчета шихты являются:

• химический состав сплава в отливке;

• состав, расход и коэффициент усвоения модификатора (в слу­чае его применения);

• тип плавильного агрегата;

• характер футеровки печи.

Первый этап расчета состоит в определении среднего хими­ческого состава шихты. Для этого вычисляют количество элементов, вносимых в расплав с модификатором. Полученную величину вычи­тают из концентрации данного элемента в металле отливки.

В связи с тем, что в процессе плавки происходит угар или при­гар элементов, необходимо соответственно увеличить или умень­шить концентрацию элементов в шихте по сравнению с их кон­центрацией в жидком сплаве. В зависимости от вида сплава ис­пользуется один из двух способов учета угара в процентах:

• от среднего содержания каждого из элементов во всех компо­нентах шихты;

• для каждого компонента шихты в отдельности по каждому из элементов.

Второй этап состоит в составлении списка компонентов шихты. В этот список следует внести:

• возврат собственного производства;

• лом соответствующих сплавов известного химического состава (желательно из отходов собственного Производства завода);

• ервичные металлы, количество которых должно быть тем большим, чем выше требования к выплавляемому сплаву;

• компоненты, содержащие каждый из контролируемых элемен­тов в химическом составе сплава (предпочтительно по отдельности);

• компонент-разбавитель, содержащий минимальное количе­ство каждого из элементов (например, малоуглеродистую сталь при плавке чугунов и сталей).

Использование компонентов первых двух видов способствует реализации принципа безотходности производства.

В списке компонентов указывается химический состав данной партии каждого из компонентов шихты и его цена.

Третий этап — собственно расчет состава шихты; в совре­менных условиях проводится с помощью ЭВМ. Существовавшие ранее методы расчета — аналитический, графический и подбо­ром в настоящее время представляют интерес только с точки зре­ния раскрытия сути проводимых вычислений.

Сущность и сложность проблемы расчета реальной шихты можно проиллюстрировать простейшим примером расчета двухкомпонентной шихты по двум контролируемым элементам ее химического состава.

Пусть требуется составить шихту для выплавки серого чугуна, из стального лома и чушкового чугуна. Средняя концентрация компонентов в шихте (с поправкой на угар и модификатор) должна быть: углерода — 3,2±0,1 %, кремния — 2,0±0,1 %, а содержание этих элементов в компонентах шихты составляет, %:

С Si

Чушковый чугун......................... 4,1 2,1

Стальной лом.............................. 0,35 0,3

Обозначим искомую массовую долю чушкового чугуна Х_ъ а долю стального лома — Х₂ (сумма массовых долей этих компонен­тов шихты в данном случае должна быть равна единице).

Обычно расчет удобно вести на 100 кг шихты, так как в этом случае концентрация элемента в шихте в процентах совпадает с его количеством в килограммах. Тогда количество углерода, вно­симое в шихту с чушковым чугуном, будет: 4,1Х_Ь а со стальным ломом — 0,35Z₂ (кг или %). Количество кремния, вносимое с ком­понентами шихты, будет соответственно: 2,1Х_{ и 0,ЗХ₂. Эти рас­суждения приводят к системе трех уравнений:

'Х₁+Х₂=1,

<4,1^+0,35^2=3,2,

2,1Х_{ + 0, ЗХ₂ = 2,0.

Система уравнений противоречива и не имеет решения. Проти­воречие заключается в том, что для получения заданной концен­трации углерода в шихте нужно выполнить условия двух первых Уравнений, решением которых является: Х_х = 0,74 и Х₂ = 0,26.

Но при таком соотношении компонентов средняя концентра­ция кремния в шихте будет: 2,1-0,74 + 0,3-0,26 = 1,63 %, что ниже заданного.

На практике в таких случаях недостающее количество крем­ния — 0,37 % вводят в шихту с ферросилицием. Если для этого используется ферросилиций ФС45, то необходимое его количе­ство составит 0,37-100/45 = 0,82 %.

Важно отметить, что выбранный для подшихтовки ферроси­лиций не содержит углерода и поэтому не приводит к изменению концентрации последнего в шихте, однако сумма компонентов шихты оказывается больше единицы (1,028). Учитывая, что до­пуск на концентрацию углерода и кремния в шихте составляет ±0,1 абсолютных процента, или около 5 отн. %, погрешность вы­числения с практической точки зрения является допустимой.

Для точного решения задачи в систему уравнений необходимо ввести третий компонент шихты — ФС45. Обозначив долю этого компонента Х₃, получим новую систему уравнений:

'Х₁+Х₂+Х₃=ъ < 4, \Х_х + 0, Ъ5Х₂ + 0Х₃ =3,2, 2, \Х_{ + 0, ЗХ₂ + 45Х₃ = 2,0.

Решением этой системы являются значения: Х_х = 0,741; Х₂ = 0,2508 и!₃ = 0,008192, т.е. в составе шихты должно быть 74,1 % чушково­го чугуна, 25,08 % стального лома и 0,819 % ФС45.

Приведенный пример показывает, что расчет шихты, компоненты которой являются носителями одновременно двух элементов, зат­руднителен или невозможен даже в простейшем случае. Наличие в списке компонентов шихты металлов, легированных только одним из контролируемых элементов сплава или содержащих другие элементы в небольших количествах, устраняет эти трудности.

В реальных условиях расчет шихты проводится для сплавов, содержащих до 10 и более элементов, причем число компонентов шихты также может быть больше 10. Кроме того, из общего числа возможных решений требуется выбрать наиболее дешевый состав шихты. Такие задачи легко решаются с помощью ЭВМ. Однако подготовка данных для ввода в компьютер требует четкого пони­мания сути проводимых вычислений и аккуратности.

В табл. 9.6 и 9.7 представлен пример подготовки данных к расчету шихты на основе специально разработанных бланков таблиц. В каче­стве примера приведен поверочный расчет шихты для плавки серого чугуна (СЧ специальный) для поршневых колец автомобиля КамАЗ.

Бланки таблиц с надписями, выделенными жирным шриф­том, являются своего рода алгоритмом действий расчетчика. За­писи в табл. 9.6 и 9.7, сделанные расчетчиком, в приведенном примере выполнены обычным (светлым) шрифтом.

После внесения в табл. 9.6 исходных данных для расчета в стро­ке 2 таблицы определено количество кремния, переходящее в рас­плав из модификатора. В строке 3 определено его количество в металле перед выпуском из печи.

Величина угара У элементов принимается по данным литейного цеха, а при их отсутствии выбирается в зависимости от типа спла­ва, печи и характера футеровки по табл. 9.8 и 9.9. С учетом угара вы­числяется концентрация каждого из элементов в шихте (Э_ш), обес­печивающая заданный химический состав отливки по формуле:

_э_ж.юо

~ 100 + У

Ограничения по химическому составу могут назначаться:

• по максимально допустимому пределу содержания для вред­ных примесей в виде неравенства типа «<» (в данной марке чугу­на— для S и Си);

• по среднему значению допустимого интервала содержания легирующего элемента в виде равенства «=» (для Si, Мп, Р, Сг);

• по нижнему и верхнему пределам в виде двух неравенств «<»; «>» (как это сделано для углерода С).

В список компонентов шихты (см. табл. 9.7) введен литейный рафинированный чугун JIP7-I-A-2 в связи с требованием пони­женного (до 0,03 %) содержания серы в специальном чугуне. Ог­раничение на его содержание — 0,338 (33,8%) должно обеспе­чить стабильность состава и свойств чугуна в отливке.

Количество собственного возврата — 0,4 (40 %) характерно для таких мелких отливок, как поршневые кольца, и соответствует балансу металла в цехе. Химический состав возврата взят по сред­ним значениям допустимых содержаний элементов в отливке.

В список компонентов внесены ферросплавы — носители каж­дого из элементов чугуна. Наутлероживатель — стружка графит­ная — взят, как это принято, сверх 100 % состава металлической части шихты, поэтому сумма массовых долей компонентов ших­ты больше единицы (на величину ожидаемого количества наугле­роживателя — 2 %). По результатам предварительного расчета эта величина будет при необходимости уточнена.

Цены на шихтовые материалы приняты с большой степенью условности, что объясняется инфляцией и рыночными отноше­ниями в стране.

Порядок описания элементов в колонках табл. 9.6 и 9.7 целесо­образно сделать одинаковым — это существенно упрощает и об­легчает операцию составления системы ограничений по химичес­кому составу, так как коэффициенты перед переменными Х-_х рас­полагаются в табл. 9.7 под правыми частями соответствующих не­равенств, принятых в табл. 9.6.

Расчет ограничений по химическому составу сплава Расчетчик: И.И.Иванов. Марка сплава: СЧ специальный. Плавильный агрегат: ИСТ 2,5/2,4. Футеровка: кислая

№ п/п	Параметр расчета	Содержание элемента (Э), мае. %
С	Si	Mn	Р	S	Си	Сг
	В отливке Э0, от... до ...	3,5 4,0	2,4 3,0	0,5 0,85	0,4 0,6	<0,03	<0,3	0,2 0,3
	Вводится с модифи­катором АЭ = Эм'Ж'КУМ	С ферросилицием ФС75 при его расходе 0,4 % и коэфе ДЭ= 75 • 0,4 % • 0,9/100% = 0,27 % Si	шциенте усвоения 0,9 поступает
	В жидком чугуне эж=э0-дэ	3,5...4,0	2,13...2,73	0,5...0,85	0,4... 0,6	<0,03	<0,3	0,2...0,3
	Величина угара У (со знаком «-» для уга­ра, «+» для пригара)	-10		-ю				-5
	Должно быть в шихте Эж.100 ш" 100 + У	3,85...4,44	2,13...2,73	0,56...0,944	0,4...0,6	<0,03	<0,3	0,21...0,32
	Принятые ограничения	>3,85 <4,44	> = 2,43 <	> = 0,75 <	> = 0,5 <	> <0,03	> <0,3	> = 0,25 <	> <	> <	> <

Примечание. ЛЭ — увеличение концентрации элемента в металле при вводе модификатора; Э_м — концентрация элемента в модификаторе; М% — расход модификатора; КУМ — коэффициент усвоения модификатора; Э_ж — содержание элемента в жидком чугуне до модифицирования; У — угар или пригар; Э₀ — содержание элемента в металле отливки; Э_ш — содержание элемента в шихте.

Список компонентов шихты и ограничений по их содержанию   Пере­менная X, Компонент шихты Марка Содержание элемента в компонентах шихты, мае. % (расположите в той же последовательности, что и в табл. 9.6) Ограни­чения, доли ед. Цена, руб./т С Si Мп р S Си Сг       Xi Чугун чушковый ЛР7-1-А-2 4,0 1,2 0,3 0,08 0,01 0,0 0,04       = 0,338 Х2 Возврат свой СЧ специальный 3,75 2,43 0,68 0,5 0,025 0,25 0,25       = 0,4 X.г Лом стальной 11А од 0,3 0,4 0,04 0,04 0,0 0,1         Х4 Феррофосфор ФФ14 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0         Х5 Ферросилиций ФС45-4 0,0 44,0 0,6 0,06 0,03 0,0 0,5         Хв Ферромарганец ФМн75-3 7,0 1,0 0,45 0,03 0,0 0,0         х1 Феррохром ФХ015А-3 0,15 1,5 0,0 0,03 0,03 0,0         ЛЬ Стружка графитная Сверх 100 % 80,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0         Хщ                         2Х= 1,02 Двд

Угар (пригар) химических элементов при плавке чугуна   Плавиль­ный агрегат Футеровка Изменение содержания элемента, отн. % С Si Мп Р S Сг Ni Си Мо Ti Вагранка холодно­го дутья Кислая + 10...+30 -10..-25 -15...-30 +25... +100 -15... -30 До-10 До-10 До-10 -20...-50 Вагранка горячего дутья Кислая +20...+300 -10...+20 -10...-20 +10...+50 -10...-15 До-5 До-5 До-5 -20...-40 Основная +30...+360 -15...-20 -5...-15 До-10 -20...-50 -5...-10 До-5 До-5 До-5 -20...-40 Дуговая печь Кислая -15...+5 0...+5 -15...-20 -15...-30 До-10 До-10 До-10 -30...-60 Основная -10...+5 -10...-15 —5...-10 До -20 -20...-50 -5...-10 До-10 До-10 До-10 -30...-60 итп промы­шленной частоты Кислая -5...-15 -3...+5 -10...-25 -5 -5 Основная -5...-10 -10...-15 -5...-10 -30...-60 ИТП средне- частот- ная Кислая -10...-20 -5...+5 -10..-15 -5 -5 Основная -15...-20 -10...-15 -8...-12 -20...45

Примечание. Знак «+» перед числом означает пригар элемента, знак «-» — угар.

Угар элементов при выплавке цветных сплавов, отн. % Тип печи А1 Mg Си Ni Si Мп Ti Zr Be Zn Li Sn РЬ Р Cd Алюминиевые сплавы Тигельная 0,8...1 2...3 0,5...1 0,5-1 1-1,5 1—1,5 1-1,5 1...2 2...3 До 0,2 До 10 0,5 — — До 2   2...3 3...5 1... 1,2 1-1,2 2...3 2...3 2—5 2-5 5...10 2-5 До 15 1-1,5 — — До 5 Отражательная 2...3 3...5 1 — 1,2 1-1,2 2-5 2-5 2-5 3-5 5-7 2...3 До 15 1-1,5 — — До 5   3...5 5...10 1-1,5 1-1,5 5...10 5...10 5...10 5...10 10-20 До 10 До 20 До 2 — — До 10 Магниевые сплавы Тигельная 0,5...1 1... 1,5 — — До 1 До 1 — До 1 ДоЗ До 1,5 ДоЗ — — — 1-1,5   1—1,5 2...3 — — 1...3 1...3 — 1...5 5...10 2-3 До 5 — — —   Отражательная 1... 1,5 1,5...2 — — 2...3 1...3 — 2-5 5...10 1...3 До 5 — — — 3...5   1,5...2 2...3 — — 3...5 3...10 — 3...10 10-20 3...5 До 20   — — 5...10 Медные сплавы Тигельная 1...1.5 До 5 0,5-1 0,5-1 До 1 1-1,5 До 5 — 2...3 2...3 — 0,5... 1 0,5-1 До 30 До 20   2...2,5 До 10 1...2 1-1,5 До 5 До 5 До 10 — 3...5 3...5 — 1-1,5 1...2 До 50 20-40 Отражательная 2...3 5...10 1-0,5 1-1,5 1-5 2...3 До 10 — 3...5 5...10 — 1-1,5 1...2 30-40 15-40   До 5 10...20 2...3 1,5-2 5-10 До 10 До 30 — До 10 До 20 — ДоЗ До 5 До 70 40-50 Никелевые сплавы Тигельная 1...2 — 1-1,5 0,5-1 1...3 — До 10 — — — — 1-1,5 1...2 — —   2...5 — 1,5-2 1-1,5 2-5 — До 20 — — — — 1,5-3 2-5 — —

Примечание. В числителе — угар при плотной шихте, в знаменателе — угар при некомпактной шихте.

Система ограничений. Ограничения по содержанию элементов:

а) по углероду

4,0*! + 3,75*₂ + 0,1*3 + 0,0Х₄ + 0,0Х₅ + 7,0*₆ + 0,15*₇ + 80*₈ > 3,85, 4,0*! + 3,75Х₂ + 0,1*3 + 0,0*₄ + 0,0*5 + 7,0*6 + 0,15*₇ + 80*₈ < 4,44;

б) по кремнию

1,2*! + 2,43*2 + 0,3*3 + 0,0*4 + 44*5 + 1>0*₆ + 1,5*₇ + 0,0*₈ = 2,43;

в) по марганцу

0,3*! + 0,68*₂ + 0,4*з + 0,0*4 + 0,6*5 + 75*₆ + 0,0*₇ + 0,0*₈ = 0,75;

г) по фосфору

0,08*! + 0,5*2 + 0,04*з + 14*4 + 0,06*₅ + 0,45*₆ + 0,03*₇ + 0,0*₈ = 0,5;

д) по сере

0,01*i + 0,025*2 + 0,04*з + 0,0X4 + 0,03*5 + 0,(ШЈ + 0,03*₇ + 0,0*₈ < 0,03;

е) по меди

0,0*! + 0,25*2 + 0,0*з + 0,0*4 + 0,0*5 + 0,0*₆ + 0,0*₇ + 0,0*₈ < 0,03;

ж) по хрому

0,04*1 + 0,25*2 + 0,1*з + 0,0*4 + 0,5*5 + 0,0*₆ + 65*₇ + 0,0*₈ = 0,25.

Ограничения по содержанию компонентов в шихте в канони­ческом виде запишутся:

для чушкового чугуна

1*1 + 0,0*2 + 0,0*з + 0,0*₄ + 0,0*5 + 0,0*₆ + 0,0*₇ + 0,0*₈ = 0,338; для возврата