Определение максимальной доли вовлекаемых в шихту отходов

Система расчета шихты позволяет не только выполнять расчеты для получения каждой конкретной партии титановых сплавов, но и оценить в целом по всей титановой промышленности среднее количество отходов, кото­рое можно использовать в шихте при выплавке слитков.

Если преобразовать выражение (6) к виду , то получим:

, (9)

где .

Анализ формулы (9) показывает, что доля вовлекаемых в шихту отходов определяется качеством отходов, характеризуемым коэффициентом уп­рочнения, и разницей между расчетным пределом прочности губки при вы­плавке сплава из шихты без отходов ( ) и пределом прочности губки, кото­рая используется при выплавке сплава с вовлечением в шихту отходов ( ).

Сопоставление приведенных выше значений расчетного предела прочности губки (см.раздел 1) с минимальным пределом прочности губки 354…374 МПа (36-38 кгс/мм²), которая может быть широко применена в производстве (губчатый титан ТГ-110, ТГ-120), показывает, что в шихту сплавов ВТЗ-1, ОТ4, ВТ5 и ВТ5-1 может систематически вовлекаться 35...65% отходов в зависимости от соотношения в них стружки, обрези и кусковых отходов. Фактически в шихте используют не более 30...35% отходов, главным образом потому, что при большем их количестве резко падает механическая прочность прессованного расходуемого электрода и возникает опасность его обрыва при транспортировке или плавке.

Большего использования отходов в шихте можно достичь, применяя способы плавки без прессованного электрода. Наиболее перспективна в этом отношении гарниссажная плавка с расходуемым электродом (способ ГРЭ), использование которой в сочетании с повышением качества отходов путем улучшения их подготовки к плавке позволит вовлекать в шихту любое количество отходов.

Вопрос о возможной доле вовлекаемых в шихту отходов можно рассматривать не только с точки зрения прочности компонентов шихты, а также с позиций содержания в них кислорода.

Количество вовлекаемых в шихту отходов определяется, в конечном итоге, требуемым качеством титановых сплавов или, конкретнее, допустимым содержанием в них кислорода.

Преобразуем формулу (5)

к виду Тогда

(10)

Анализ формулы (10) показывает, что доля отходов в шихте (N) определяется следующими факторами: качеством отходов, характеризуемым в данном случае приростом содержания кислорода в слитках за счет вводимых в шихту отходов ( ), увеличением содержания кислорода в слитках при переплаве шихты ( ), допустимым содержанием кислорода в титановых сплавах ( ) и средним содержанием кислорода в губчатом титане ( ).

Расчет по уравнению (10) показывает, что на нынешнем уровне развития титановой промышленности, который определяет значение всех членов уравнения (см. раздел 1), в шихту для выплавки слитков первичных титановых сплавов возможно вовлечение до 35% отходов. Дальнейшее повыше­ние использования отходов может быть достигнуто внедрением ряда техно­логических и организационных мероприятий.

Наибольший эффект может быть достигнут на пути улучшения качества отходов ( ). Так, повышение содержания кислорода в отходах на 0,1% приводит к уменьшению их возможной доли в шихте в 2 раза. Снижение содержания кислорода в отходах может быть достигнуто улучшением их под­готовки к плавке, увеличением размеров применяемых кусковых отходов (например, при плавке в гарниссажной печи), уменьшением окисления отхо­дов при их образовании за счет применения защитных обмазок при нагреве слитков перед обработкой их давлением или обработки в защитных средах, а также подогревом металла при механической обработке для снижения уси­лий резания и соответствующего снижения температуры в зоне реза.

Уменьшение окисления металла при переплаве шихты ( ) может быть достигнуто применением более мощных вакуумных систем и внедрением сушки расходуемых электродов перед плавкой.

Имеются определенные резервы в повышении качества губчатого титана ( ), которое также способствует увеличению доли вовлекаемых в шихту отходов. Так, применение губчатого титана, содержащего 0,06% кислорода вместо 0,08%, позволяет увеличить количество отходов в шихте на 30%.

Весьма существенным фактором, влияющим на возможное количество отходов в шихте, является допустимое содержание кислорода в титановых сплавах ( ). Снижение допустимого содержания кислорода в сплавах с 0,15 до 0,10% практически исключает возможность применения в шихте отходов, содержащих 0,25-0,30% кислорода; с другой стороны, повышение допусти­мого содержания кислорода в сплавах с 0,15 до 0,20% позволяет увеличить количество отходов в шихте в 2 раза. С этой точки зрения обращает на себя внимание тот факт, что в стандартах США на титановые сплавы, применяемые в авиационном и ракетном производстве, предел максимального содер­жания кислорода установлен на уровне 0,20...0,25%, т.е. на 0,05…0,10% боль­ше, чем для отечественных сплавов аналогичного состава и назначения. Дело в том, что кислород, имеющий ограниченную растворимость в титане, до оп­ределенного предела (порядка 0,30%) повышает прочность, незначительно снижая пластические свойства. Повышение содержания кислорода на 0,01% позволяет увеличить прочность на 1,10...1,25 кг/мм² практически без сниже­ния пластических свойств. Эту особенность кислорода используют, искусст­венно повышая уровень его содержания введением диоксида титана или ли­гатуры Al-O-Ti(АКТ). В настоящеевремя более 50% всех выплавляемых титановых слитков легируются кислородом в целях стабилизации свойств сплава [10].

Повышение уровня технологии в рассмотренных направлениях позволит увеличить возможное использование отходов в шихте до 45...50% и бо­лее.

Расчетное задание

Задание 1

Рассчитать допустимое содержание кислорода, вносимое в слиток, при введении в шихту 5% титановой стружки, 20% листовой обрези и 20% кусковых отходов (концентрация кислорода в губчатом титане 0,04%).

Таблица 2 Расчетное допустимое содержание кислорода, вносимое в слиток с отходами( %).

Содержание кислорода в губке( )	Доля отходов шихте N,%
0,04			0,123
0,06
0,08

Решение

1. Расчетная формула в общем виде:

2. Подставляем в расчетную формулу заданные исходные данные:

3. Анализ

Задание 2

Рассчитать твердость губчатого титана при введении в шихту для выплавки слитков сплавов (прочность основы 110,130 и 150 ед. НВ) отходов в следующем количестве: 5% кусковых отходов и 20% стружки.

Таблица 3 Расчетная твердость губчатого титана , используемого для выплавки слитков с добавлением в шихту отходов

Твердость основы	Доля отходов в шихте N,%
			91,44

Решение

1. Расчетная формула в общем виде:

2. Подставляем в расчетную формулу заданные исходные данные:

3. Анализ

Задание 3

Рассчитать долю отходов в шихте при различных значениях и постоянном (0,04%):

1.

2.

3.

Таблица 4 Зависимость доли отходов в шихте от концентрации кислорода в отходах, губке и слитке

Содержание кислорода в слитке( ,%)	Содержание кислорода в губке( ,%)	Прирост содержания кислорода за счет отходов ,%
0,05	0,07	0,08	0,11	0,13	0,15	0,18	0,20
0,10	0,04
0,06					19,1
0,08	18,18

Решение

1. Расчетная формула в общем виде:

2. Подставляем в расчетную формулу исходные данные:

1. )

2. )

3. )

Из расчетов видно, что доля отходов в шихте в большей мере зависит от содержания кислорода в титановой губке. То есть от марки губки. Чем выше марка – больше отходов можно вовлечь в плавку.