Состав стекольной шихты рассчитывают по заданному составу стекла в % по массе с учетом составов используемых сырьевых материалов и стеклобоя. Расчет ведут на 100 частей стекла по массе.
Основы расчета состава шихты. Для расчета принимают, что из сырьевых материалов шихты в стекломассу переходят только оксиды, а влага и газы, образующиеся при химических реакциях в шихте, удаляются с продуктами горения топлива, сжигаемого в печи. В составе стекла учитывают только некоторое количество S03, остающееся после разложения Na2S04. По практическим данным, при расчете шихты его принимают до 0,5 % по массе.
Многие компоненты при температуре варки стекла частично улетучиваются, и для получения требуемого содержания в составе стекла в шихту их вводят в некотором избытке. Необходимая добавка на улетучивание зависит от вида материала и упругости его пара при разных температурах; степень летучести компонентов возрастает при увеличении содержания материала в шихте и повышении температуры печи. Можно для расчетов принимать следующие добавки компонентов на улетучивание в % по массе от их заданного содержания в составе стекла: В203- от 11 (при содержании в стекле до 7 % по массе) до 15 (при более высоком содержании); РЬО-1,5-3; ZnO — порядка 4; КгО -5; Na20 — 1,5-3 для соды, 5 для сульфата натрия, 30 для кремне- фтористого натрия и криолита; фтор — от 30 (для обычных стекол) до 50 (для тугоплавких, боросиликатных, бесщелочных и малощелочных). Эти значения даны для пламенных печей.
Расчет состава шихты заключается в решении системы уравнений с несколькими неизвестными, причем число неизвестных зависит от количества сырьевых материалов, вводящих в состав стекла сразу несколько компонентов. Если стекло и применяемые сырьевые материалы являются многокомпонентными, число неизвестных и уравнений увеличивается, и в этом случае расчет шихты значительно усложняется. Для точных расчетов шихт многокомпонентных стекол системы уравнений решают с помощью электронно-вычислительных машин, а в условиях пользуются расчетами по методу постепенного приближения.
Во всех случаях расчеты надо начинать с тех компонентов стекла, которые вводятся в наименьшем числе материалов. Состав промышленной шихты рассчитывают с точностью до второго десятичного знака. Для расчета необходимо знать коэффициенты перехода оксидов в стекло из сырьевых материалов (см. приложение).
Примеры расчета состава шихты. Пример 1. Расчет состава шихты стекла простого состава. Простое стекло содержит в % по массе:
Si02-72,8; CaO-10; Na20-17; S03-0,2; 85 % оксида натрия введем содой, а 15 %-сульфатом Na. Восстановителем будет уголь, составляющий 6 % от массы сульфата натрия. Химический состав сырьевых материалов возьмем из табл. 5.1. Si02 введем песком № 1, а СаО — мелом. Как видно, Si02 и СаО содержатся в песке, меле и сульфате натрия, a Na20 — в соде и сульфате натрия. Кроме того, используемые материалы (кроме соды) содержат также А1203, Fe203 и MgO, которые перейдут в состав стекла. Поэтому получить точно заданный состав стекла, содержащий только Si02, СаО, Na20 и SO3, не удастся (для этого нужно было бы взять химически чистые сырьевые материалы).
Расчет начнем с Na20, которая вводится двумя материалами, и определим требуемое количество соды и сульфата натрия.
Сода. В составе соды Na20 содержится в основном веществе — Na2C03; оксид натрия также частично образуется из примеси NaCl в результате ее взаимодействия с влагой шихты по реакции 2NaCl+ +H204±Na20 + 2HCI. Однако ввиду малого содержания NaCl, а также его большой и непостоянной летучести этой реакцией можно пренебречь. Из Na2COj переходит в стекло 58,5 % по массе Na20, а из соды — с 98,7 % Na2C03: 58,5-0,987=57,7 % по массе Na20.
С содой необходимо ввести в стекло 85 % от заданного содержания Na20 в стекле, т. е. 17-0,85=14,3 % по массе Na20. Для этого потребуется соды (14,3-100)/57,7=25 кг. Примем, что 2% соды при варке улетучатся, тогда нужно взять добавку, равную 25-0,02=0,5 кг. Всего будет взято соды 25+0,5=25,5 кг. С содой войдут в состав стекла в % по массе: Si02 25-0,0005=0,01; А120з 25-0,0005 = 0,01; СаО 25-0,0008 = 0,02 (содержания Si02, А1203 и СаО в соде взяты из табл. 5.1).
Сульфат натрия. Этим материалом нужно ввести в состав стекла 17—14,3 = 2,7 % по массе Na20. Из Na2S04 переходит в стекло 43,7 % Na20, а из сульфата натрия — 43,7-0,9447=41,3 % Na20. Количеством Na20, образующимся из NaCl сульфата, пренебрегаем.
Для введения в состав стекла 2,7 % по массе Na20 потребуется сульфата натрия (2,7-100)/41,3=6,54 кг. Добавка на 5% улетучивания составит 6,54-0,05 = 0,33 кг, а всего сульфата натрия в шихте будет 6,54+0,33=6,87 кг.
В сульфате натрия содержатся CaS04 и MgS04, которые при разложении дадут в % по массе: СаО — 41,1 от CaS04, или 3.09Х Х0,411 = 1,27; MgO -33,5 от MgS04, или 0,45-0,335=0,15 %. Сульфат натрия внесет в состав стекла в % по массе: Si02 6,54-0,0043 = = 0,03; А120з 6,54-0,0014=0,01; СаО 6,54-0,0127=0,08; MgO 6,54 X Х0,00151 = 0,01. Кроме того, принимаем, что в состав стекла из сульфата натрия перейдет 0,2 % по массе S03.
Для восстановления сульфата натрия вводим уголь с 90 % С, которого потребуется (6,87-0,06)/0,9=0,458=0,45 кг.
Песок и мел. Подсчитаем, сколько Si02 и СаО внесено содой и сульфатом натрия в % по массе: Si02 — 0,01+0,03=0,04; СаО — 0,02+0,08=0,10. Для получения требуемого количества в стекло нужно ввести в % по массе: Si02-72,8-0,04=72,76; СаО-10-0,1 = = 9,9. Оба эти компонента вводят и песком и мелом. Обозначим потребное количество песка х, а мела у; тогда баланс Si02 и СаО можно написать следующими уравнениями:
Si02 — 72,76 = х-0,9882 + у-0,0238; СаО — 9,90 = дг-0,002 + у-0,5417.
Решим эти уравнения, исключив у:
*-0,9882-0,5417+0238-0,5417 = 72,76-0,5417
Х-0,002-0,0238 — у-0,5417-0,0238 = — 9,9-0,0238
Ж-0,536 ± 0 = 39,179
Отсюда узнаем количество вводимого песка х:
Х=39,179/0,536=73,07 кг.
Песок введет в состав стекла в % по массе:
Si02 — 73,07-4,9882 = 72,2;
СаО — 73,07-0,002 = 0,15; А120373,07-0,0029 = 0,21;
MgO — 73,07-0,001 =0,07; Fe203 73,07-0,001 = 0,07.
Количество мела определяем из уравнения (2):
Состав стекла пересчитываем на 100 кг стекла по пропорции: 72,67 кг Si02 получается из 100,4 кг стекла; х кг Si02 получается из 100 кг стекла:
Х = (72,67-100) /100,4 = 72,38.
Аналогичный пересчет делаем для всех остальных компонентов.
Как видно, фактический состав стекла отличается от заданного, но сумма Si02+Al203+Fe203=72,8 %; т. е. заданному Si02, а сумма Ca0+Mg0 + Na20=27 %, т. е. заданной сумме Ca0+Na20.
Аналогично предыдущему рассчитываем расход шихты на 100 кг стекла: 100,4 кг стекла получаются из 123,9 кг шихты; 100 кг стекла получаются из у кг шихты:
У = (123,9-100)/100,4 = 123 кг.
Для получения 100 кг стекла необходимо (см. табл. 5.2 и 5.3): песка 123-0,5893 = 72,95 кг; мела 123-0,1455=17,9 кг; соды 123Х
X 0,206=25,38 кг; сульфата натрия 123-0,0555=6,83 кг; угля I23X X 0,0037=0,45 кг.
Для технологических расчетов нужно знать выход стекла из 100 кг шихты. Его рассчитывают по пропорции: из 123 кг шихты получают 100 кг стекла, из 100 кг шихты — х кг стекла. Отсюда
Х = (100-100)/123 = 81,2 кг, или (81,2-100)/100 = 81,2% по массе.
Разница между расходом шихты (100 кг) и выходом стекла (81,2 кг), равная 18,8 кг, или (18,8-100)/100= 18,8 % по массе, равна массе удаляющихся при варке стекла летучих компонентов шихты (газов, влаги). Эту разницу называют «угаром» шихты.
Пример 2. Расчет состава шихты листового стекла. Требуется рассчитать состав шихты листового стекла, вырабатываемого методом вертикального безлодочного вытягивания. Заданный состав стекла в % по массе: Si02 -72,6; А120з — 1,5; Fe203 -0,1; СаО -8,2; MgO -3,5; Na20-12,9; КгО — 0,8; S03 -0,4; сульфатом натрия вводят 10 % от Na20 (по массе).
Ввиду заданного низкого содержания оксидов железа для шихты следует взять обогащенный песок, а также доломит и известняк. Оксид алюминия введем полевошпатовым концентратом, оксид калия- нефелиновой содой. Так как в этом случае щелочные оксиды будут частично введены в стекло полевошпатовым концентратом, расчет количества потребной соды сделаем после определения необходимого количества концентрата. Для точности сделаем расчет два или три раза, внося в него каждый раз поправку на неизбежные примеси.
Полевошпатовый концентрат. Первый расчет количества концентрата произведем по заданному количеству А120з, который и вводится в стекло концентратом. Концентрата потребуется (1,5-100)/ /15,1=9,95 кг. Такое количество концентрата введет в состав стекла в % по массе:
SiOa -9,95-0,758 = 7,54; Fe203- 9,95-0,0026 = 0,03;
СаО — 9,95-0,0010 = 0,01; MgO — 9,95-0,0014 = 0,01;
Na20 — 9,95-0,0490 = 0,49; K20 — 9,95-0,0368 = 0,37.
Теперь рассчитаем потребное количество песка с учетом количества Si02, вводимого концентратом.
Песок. По первому расчету нужно ввести Si02-72,6-7,54 — = 65,06 %. Песка потребуется (65,06-100)/99,5=65,38 кг. Такое количество песка введет в состав стекла в % по массе:
А1203 — 65,38-0,0016 = 0,4; Fe203 — 65,38-0,0003 = 0,02;
СаО -65,38-0,0006 = 0,04; MgО-65,38-0,0003 = 0,02;
Na20-65,38-0,0006 = 0,04; К2 О — 65,38-0,0005 = 0,03.
Сейчас нам известны количества СаО и MgO, вносимые концентратом и песком. Чтобы рассчитать потребное количество доломита и известняка, определим, сколько оксидов кальция и магния вносит в стекло природный сульфат натрия.
Сульфат натрия. С помощью этого материала вводим 10 % от 12,9% по массе Na20, т. е. 0,1-12,9=1,29% по массе Na20. Сульфата потребуется (см. предыдущий расчет состава шихты стекла простого состава) 1,29-100/41,3=3,12 кг. Добавка на улетучивание составит 3,12-0,05=0,15 кг. Всего потребуется сульфата натрия на 100 кг стекла 3,12 + 0,15=3,27 кг. Сульфат натрия введет в состав стекла в % по массе:
Si02 — 3,12-0,0043 = 0,01; Аі20з — 3,12-0,0014 = менее 0,01;
СаО -3,12-0,0127 = 0,04; MgO — 3,12-0,0014 = менее 0,01.
Таким образом, всего в стекло введено в % по массе: СаО — 0,01+0,04-1-0,04=0,09; MgO — 0,01+0,02=0,03. Теперь можно рассчитать необходимые количества доломита и известняка по балансу СаО и MgO, вводимых обоими этими материалами.
Известняк и доломит. Обозначим неизвестное нам количество известняка х, количество доломита у. Этими материалами нужно ввести СаО и MgO в % по массе: СаО — 8,2-0,09=8,11; MgO— 3,5-0,03=3,47. Баланс СаО и MgO:
СаО -8,11 = х-0,533 +0-0,3209;
MgO — 3,47 = лг-0,004 + 0-0,2053.
Исключаем у:
Дг-0,533-0,2053 + t/-0,3209-0,2053 = 8,11-0,2053 — лг-0,004-0,3209 + у-0,2053-0,3209 =-3,47-0,3209 лг-0,1081 ±0 = 0,5515
Отсюда количество известняка х=0,5515/0,1081 =5,1 кг.
Известняк введен в состав стекла в % по массе: Si02-5,1 х Х0,0018=0,01; АЦ03 -5,1-0,008=0,04; Fe203 — 5,1-0,0018=0,01; MgO — 5,1 -0,004=0,02; СаО — 5,1 -0,533=2,73.
Таким образом, доломита потребуется
(3,47 — 0,02) 100 у = — 16,8 кг.
Доломит введет в состав стекла в % по массе:
Si02 -16,8-0,0053 «0,09; А1а03- 16,8-0,0033 = 0,05;
Fea03 — 16,8-0,001 =0,02; СаО- 16,8-0,3209 = 5,39; MgO — 16,8-0,2053 = 3,45.
С известняком и доломитом в состав стекла войдут в % по массе: Si02 -0,19; А120з -0,09; Fe203 -0,03; СаО -8,11; MgO — 3,47.
Теперь можно по балансу Si02 и А1203 пересчитать потребное количество песка и полевошпатового концентрата. Расчет делаем заново, исходя из заданного содержания этих оксидов в стекле.
Песком и полевошпатовым концентратом нужно ввести в % по массе:
Si02 — 72,6 — (0,01 +0,19) =72,4; Ala03 — 1,5 — 0,09 = 1,41.
Баланс Si02 и А1203. Пусть w будет количество песка, z -количество концентрата.
Si02 — 72,4 = ш-0,995 + г-0,758; А1203- 1,41 = да-0,0016 + г-0,151.
Исключаем г:
Ш-0,995-0,151 +2-0,758-0,151 = 72,4-0,151 ш-0,0016-0,758 — г-0,151-0,758 =- 1,41 -0,758 да-0,149 ±0 = 9,863
Отсюда w=9,863/0,149 = 66,19 кг. Песок введет в состав стекла в % по массе:
Si02 — 66,19 0,995 = 65,85; А1203 — 66,19 0,0016 = 0,11; Fe203 — 66,19-0,0003 = 0,02; СаО — 66,19-0,0006 = 0,04; MgO — 68,16-0,0003 = 0,02; №20 — 68,16-0,0006 = 0,04; К20 — 68,16-0,0005 = 0,03.
Тогда полевошпатового концентрата потребуется (по А120з)
Г = ———— — Н——— = 8,61 кг.
Концентрат введет в состав стекла в % по массе: Si02 -8,61-0,758 = 6,52; Аі203-1,3; Fe203 — 8,61-0,0026 = 0,02; СаО -8,61-0,001 =0,01; MgO -8,61-0,0014 да 0,01; Na20 — 8,61-0,049 = 0,42; К20 — 8,61-0,0368 = 0,32-
Количество нефелиновой соды определяется по вводимому этим материалом оксида калия.
Введено в состав стекла песком и полевошпатовым концентратом 0,03+0,32=0,35 % КгО в пересчете на Na20. Необходимо ввести ие — фелнновой содой 0,8-0,35=0,45 % по массе KjO,
В нефелиновой соде содержится 8,7 % по массе КгО из К2СО3 и 1,04-0,54-1,52=0,85 % по массе КгО из K2SO4 (здесь 0,54 -коэффициент перехода КгО из K2SO4, а 1,52 — коэффициент пересчета К20 на Na20). Всего в нефелиновой соде содержится 8,7+0,85= =9,55 % по массе КгО (в пересчете на Na20).
Для ввода 0,45% КгО потребуется (0,45-100)/=9,55=4,72 кг нефелиновой соды. С этим материалом в состав стекла войдут в % по массе Si02+Al203-4,72-0,0015=0,007=0,01 (будем считать, что введется только Si02); Na20 — с учетом улетучивания: из Na2CC>3- 4,72-0,434-0,97= 1,98; из Na2S04 -4,72-0,031-0,437-0,95=0,06, а всего 1,98+0,06=2,04 Na20.
Всего в состав стекла сульфатом натрия, песком, полевошпатовым концентратом и нефелиновой содой введено 1,29+0,04+0,42 + +2,04=3,79 % по массе Na20. Нужно ввести кальцинированной содой 12,9-3,79=9,11 % по массе Na20. Для этого потребуется кальцинированной соды, содержащей 98,7-0,585 = 57,7 % по массе Na20:
(9,1Ы00)/57,7 = 15,8 кг.
Добавка на улетучивание будет 15,8-0,03=0,47 кг, а всего потребуется 15,8+0,47=16,27 кг кальцинированной соды.
Кальцинированная сода введет в состав стекла в % по массе: Si02 и AI2O3 — по 15,8-0,0005=0,01; СаО — 15,8-0,0008=0,01.
Для восстановления сульфата натрия примем уголь (антрацит) с 90 % по массе С в количестве, отвечающем введению 5 % углерода от массы сульфата. Его потребуется: (3,27-0,05)/0,9=0,18 кг.
Полученный состав шихты дан в табл. 5.4, расчетный состав стекла из шихты — в табл. 5.5.
Как видно, фактический состав стекла ничтожно отличается от заданного.
Расход шихты на 100 кг стекла составит
У = (100-121,33)/100,11 = 121,2 кг.
Таким образом, для получения 100 кг стекла потребуется материалов (см. табл. 5.4): песка 121,14-0,5465 = 66,19 кг; доломита 16,8 кг; соды 16,27 кг; полевошпатового концентрата 8,61 кг; известняка 5,1 кг; нефелиновой соды 4,72 кг; сульфата натрия 3,27 кг; угля 0,18 кг.
Выход стекла из шихты составит (100-100)/121,2 = 82,5 кг, или 82,5 % по массе. Угар шихты 100-82,5=17,5 % по массе.
Основы теории.
1.1. Шихтовые материалы.
Материалы, загружаемые в плавильные печи в процессе плавки металлов и сплаов, называют шихтовыми. К шихтовым материалам, применяемым для плавки цветных металлов и сплавов относят:
1) первичные или свежие металлы и сплавы, поступающие с металлургических заводов;
2) лигатуры или промежуточные сплавы, поступающие с металлургических заводов или приготовляемые на месте;
3) возвратные шихтовые материалы своего производства, не вызывающие сомнения по содержанию основных легирующих компонентов, не имеющие загрязнения и обеспечивающие получение расплавов заданной степени чистоты с учётом возможного освежения первичными металлами и лигатурами. Эти шихтовые материалы разделяют на отходы литейного цеха и отходы обрабатывающих цехов.
Металлы цветные первичные . Эти шихтовые материалы поставляют в соответствии с ГОСТами и ТУ в виде чушек, слитков, гранул; маркируют обычно в зависимости от степени чистоты.
Алюминий первичный в чушках особой чистоты обозначается А999 (99,99 % Al), высокой чистоты – А995 (99,995 % Al) и т.д. до А95, технической чистоты – А85 и т.д. до А0 (99 % Al).
В чушках первичной плавки поставляют также силумин, содержащий 10-13 % Si. Цифры после букв обозначают степень чистоты от примесей. Наиболее чистый силумин имеет марку СИЛ-00. В СИЛ-2, например, содержится 0,7 % Fe, 0,5 % Mn, 0,2 % Ca, 0,3 % Cu, 0,08 % Zn.
Алюминий — серебристо-белый пластичный металл, относящийся к легким цветным металлам. Алюминий применяют в качестве основы литейных алюминиевых сплавов, а также как раскислитель. Алюминий — химически активный металл, в атмосфере он легко покрывается тонкой и плотной пленкой, предохраняющий от дальнейшего окисления. Оксидная пленка малопроницаема для всех газов и обеспечивает алюминию высокую коррозионную стойкость в атмосферных условиях к среде многих органических кислот. Качество первичного алюминия пропорционально от степени его чистоты.
Магний первичный в чушках маркируют в зависимости от химического состава: Mг96 (99,99 % Mg), Мг95 (99,95 % Mg), Мг90 (99,90 % Mg).
Магний. Блестящий пластичный металл серебристо-белого цвета. Магний широко используют как основа приготовления ряда сплавов, применяемых в качестве конструкционных материалов, а также как легирующий элемент при приготовлении сплавов на алюминиевой, свинцовой и цинковой основах или для десульфуризации медных и никелевых сплавов.
Магний легко окисляется (окисная пленка обладает слабыми защитными свойствами), не устойчив против коррозии, горюч; при температурах больше 450 0 С самовоспламеняется.
Медь маркируют в зависимости от способа изготовления: наиболее чистую бескислородную обозначают МО0б (99,99 % Cu); раскисленную – М1р(99,9 % Cu), М1ф, М2р; огневого рафинирования М2 (99,7 % Cu),М3 (99,5 % Cu).
Медь. Температура плавления 1083 °С, плотность 8940 кг/м 3 ; обладает гранецентрированной кубической решеткой; имеет высокие тепло- и электропроводность, а также пластичность; коррозионно-устойчива в ряде агрессивных сред. Медь является основой литейных оловянных и безоловянных бронз, а также латуней. Её применяют при фасонном литье в тех случаях, когда необходимы высокие электропроводность и теплопроводность материала (роторы электродвигателей, детали сварочных машин). Основная трудность получения отливок — плохая жидкотекучесть чистой меди и трудность получения расплава, не содержащего кислорода и водорода. Фасонные отливки получают литьём: в кокиль, по выплавляемым моделям, в сухие песчаные и оболочковые формы.
Аналогично, выше указанным маркируют и все другие первичные цветные металлы. Цинк от ЦВ00 (99,997 % Zn) до Ц2 (97,5 % Zn). Олово от ОВЧ-40000 (99,999 % Sn) до О4 (96,43 % Sn). Свинец от С0 (99,992 % Pb) до СЗС(99,5 % Pb). Никель от Н-0 (99,99 % Ni) до Н-4 (97,6 % Ni). Титан от ТГ90 доТГ-150 (число означает твердость), ТГ-Тв (буквы Тв означают твердый). Хром от 99А (99 % Cr) до Х97 (97 % Cr).
Сплавы цветные.
Сплавы алюминиевые литейные в чушках выпускают 19 марок. Буквы, следующие за А, обозначают легирующие элементы (К –кремний, М – медь, Н — никель), а цифры – их среднее содержание. Например,сплав АК9 содержит 9 % Si; АК21М2,5Н2,5 – 21 % Si, 2,5 % Cu, 2,5 % Ni.
Сплавы магниевые в чушках маркируют в зависимости от химического состава Буквы, следующие за М, обозначают легирующие элементы: М – марганец, А – алюминий, Ц – цинк, Цр – церий, Н – неодим. Например, МА5Ц1содержит 5 % Al и 1 % Zn.
Маркировка цинковых сплавов в чушках совпадает маркировкой самих сплавов. Например, ЦАМ 9-1,5Ч (9 % Al, 1,5 % Cu).
Бронзы в чушках оловянные и безоловянные и латуни литейные в чушках маркируют в зависимости от химического состава: сразу за буквами А –Al; Ж – Fe; Мц – Mn; О – Sn; Ц – Zn; C – Pb; H – Ni. Например, бронзы оловянные в чушках обозначаются Бр. О3Ц8С4Н1 и т.д.
Составы некоторых сплавов приведены в приложении.
Лигатура. Лигатура — вспомогательные сплавы, применяемые для введения в жидкий металл легирующих элементов. Обычно лигатура представляет двойной сплав, состоящий из большей части основного сплава и одной или нескольких добавок (легирующих элементов), содержание которых в несколько раз больше, чем в основном сплаве. Лигатуру используют для более надежного и быстрого усвоения легирующих элементов, чем при введении их в чистом виде. Лигатура получается сплавлением входящих в ее состав компонентов либо восстановлением их из руд, концентратов и оксидов. Составы некоторых лигатур приводятся в приложении.
Лом и отходы цветных металлов и сплавов . Лом и отходы цветных металлов и сплавов по физическим признакам подразделяют на классы, по химическому составу – на группы и марки сплавов, по показателям качества – на сорта.
Например, алюминий и алюминиевые сплавы составляют три класса: А – лом и кусковые отходы, Б – стружка, Г – прочие отходы. Каждая из десяти групп (I — X) характеризуется определенным химическим составом (I – алюминий чистый, примесей не более 1 %, II – сплавы алюминиевые деформируемые с низким (до 0,8 %) содержанием магния и т.д.). В характеристике каждой группы оговариваются марки сплава, например, группа III включает марки Д12, Д16, Амг1 и Д16П. В характеристике сортов указывается состояние сплава (кусковой лом, проволока, обрезь труб, листов и т.п.), а также засоренность другими металлами.
Отходы литейного цеха – элементы литниковой системы, забракованные отливки, сплески, стружки и опилки, образующиеся при отрезке литников и прибылей, шабровке и распиловке слитков и первичной обработке отливок.
Отходы обрабатывающих цехов – кромки и концы из прокатных цехов, пресс-остатки и захваты из прессовых цехов, высечки, облои, обрезки проволоки и прутков из кузнечно-штамповочных, волочильных и других цехов, стружка, опилки и забракованные детали из механических цехов. Лом и отходы цветных металлов не должны содержать вредных примесей, загрязнения и должны иметь известный состав и требуемую степень чистоты для получение расплава заданного химического состава с учётом возможного освежения первичными металлами и лигатурами.
1.2. Подготовка шихтовых материалов.
Все шихтовые материалы, поступающие в литейный цех, должны снабжаться сопроводительным сертификатом или свидетельством с указанием химического состава по основным компонентам и примесям. Шихтовые материалы с неизвестным или вызывающим сомнение химическим составом по основным легирующим компонентам и примесям опробыввают на эти компоненты и примеси. Если опробывание непосредственно произвести невозможно, шихтовые материалы предварительно переплавляют на подготовительные сплавы.
В случае несоответствия шихтовых материалов по химическому составу и невозможности проведения их очистки от загрязнений в условиях данного производства эти материалы направляют для переработки на заводы вторичных цветных металлов. Перед употреблением в плавку шихтовые материалы предварительно проходят операцию подготовки. Поверхностно загрязнённые шихтовые материалы обязательно очищают от загрязнений.
Подготовка крупных литейных отходов к переплавке заключается главным образом в дробеструйной или пескоструйной очистке для удаления с поверхности остатков формовочной и стержневой смеси, продуктов коррозии и других загрязнений. Литники с железными сетками и детали с залитыми каркасами, холодильниками и шпильками отбирают отдельно и пилой вырезают из них железные части. Обрезки, содержащие железные части, например, части литников с железными сетками, переплавляют отдельно, а полученный из них сплав рафинируют от железа или используют на малоответственное литьё.
Бракованные детали и узлы, поступающие из механических и сборочных цехов, должны подвергаться разделке для удаления частей из сплавов на основе других металлов.
Детали и крупные обрезки из деформируемых сплавов могут добавляться непосредственно в шихту рабочих сплавов только в количествах, допустимых химическим составом литейного сплава. Крупногабаритные шихтовые материалы разрезают на части, удобные для загрузки в печь.
Предварительная обработка мелких отходов бывает различной в зависимости от степени их загрязнённости. Сильно загрязнённая эмульсиями, влагой, железом витая стружка должна быть раздроблена, очищена в центрифугах, высушена и подвергнута магнитной сепарации.
Предварительная подготовка лома и крупных отходов деформируемых сплавов (например, бракованные поковки) заключается в их сортировке и механической разделке с целью полного освобождения их от деталей, изготовленных из сплавов на основе других металлов. Особенно большие трудности возникают при переработке самолётного моторного лома. Самолётный лом содержит трудноотделимые стальные узлы и детали, в моторном ломе много шпилек, болтов, втулок и других деталей из железных и медных сплавов. Подготовленный таким образом лом должен переплавляться в печах особой конструкции с наклонным подом.
Шихтовые материалы, загрязнёные вредными примесями, подвергают окислительно-рафинировочной переплавке с применением для этой цели окисляющих и рафинирующих присадок, а сильно окисленные – раскислительной переплавке с применением флюсующих присадок и стандартных раскислителей в большем количестве относительно обычных производственных плавок.
1.3. Составление и расчёт шихты.
Для получения сплавов с определённым химическим составом необходимо перед плавкой произвести расчёт шихты. От правильности проведения этой технологической операции зависит соответствие сплава требованиям стандарта или техническим условиям. Для составления и расчёта шихты нужно иметь следующие данные: 1) требования, предъявляемые к годному литью, для которого составляется шихта. По содержанию основных легирующих компонентов и примесей; 2) характеристик, имеющихся на складе шихтовых материалов по их виду, источнику поступления, состоянию и готовности к плавке, массе и содержанию основных легирующих компонентов и примесей; 3) величину угара компонентов, входящих в шихту, при плавке и литье; массу годного конечного литого изделия, для получения которого составляется шихта, и показатель выхода годного литья или заправочный коэффициент.
При составлении шихты необходимо учитывать влияние шихтовых материалов на себестоимость литого изделия. Себестоимость должна быть минимальной.
Наиболее дорогие составляющие шихты – первичные металлы и лигатуры, а наиболее дешёвые шихтовые материалы – отходы производства и лом. Поэтому количество первичных металлов и сплавов должно быть в шихте минимальным. А количество отходов собственного производства. А также отходов и лома со стороны должно быть максимальным.
Количество возвратных металлов и сплавов в шихте определяется показателем выхода годного литья и расходом металла на его изготовление с учётом снабжения производства исходным сырьём.
При составлении шихты также необходимо учитывать свойства компонентов, входящих в шихту, их поведение при высоких температурах и их взаимодействие друг с другом, печной атмосферой и материалами футеровки печи в процессе плавки. Различные металлы, входящие в сплав, обладают неодинаковым сродством к кислороду и температурой испарения и, следовательно при повышенных температурах дают различные величины безвозвратных потерь.
На величину металлургических угаров и других потерь металлов существенное влияние оказывают степень отработанности технологического процесса плавки, тип плавильных печей и степень их исправности, техническое совершенствование плавильно-литейного оборудования и правильность выполнения плавильно-литейных работ.
В таблице 1приложения II приведены приблизительные величины угара различных металлов в зависимости от состояния шихты и типа плавильного устройства.
В зависимости от сочетания исходных шихтовых материалов возможны следующие четыре варианта составления и расчёта шихты:
1. составление и расчёт шихты из первичных металлов;
2. составление и расчёт шихты из первичных или вторичных сплавов и лигатур;
3. составление и расчёт шихты из отходов своего производства с применением первичных металлов и лигатур;
4. составление и расчёт шихты только из отходов своего производства или только из вторичных металлов.
В заводской практике чаще всего применяется третий вариант составления шихты.
Расчёт шихты ведут, как правило, на 100 кг сплава. Это значительно упрощает подсчёт. При рассчёте следует брать средний химический состав на данный сплав или оптимальный химический состав в пределах ГОСТа и ТУ, при котором сплав имеет наилучшие свойства. Марки и состав цветных сплавов представлены в приложении II.
где Э ш – расчётное содержание элемента в шихте, %;
Э ж –содержание элемента в жидком сплаве, %;
У – угар элемента при плавке, %
Определив среднее содержание элемента в шихте, рассчитывают процентное содержание составляющих шихты.
Практическая часть
2.1. Порядок выполнения работы
Для выполнения задания необходимо:
2.1.1. Получить у преподавателя номер индивидуального задания, по таблице 1 приложения II выписать задание включающее марку сплава, требуемое количество сплава и состав шихтовых материалов.
2.1.2. Проанализировав исходные шихтовые материалы, выбрать способ расчёта и провести расчёт шихты сплава заданного химического состава по примерам представленным ниже. Средний химический состав сплавов, лигатур, потери на угар представлены в приложении II.
2.1.4. Написать практическую часть отчета о работе в соответствии с вышеуказанными пунктами задания.
2.1.5. Используя дополнительную справочную литературу, описать свойства и область применения заданного цветного сплава.
2.2 .Пример выполнения расчёта .
2.2.1 Расчёт шихты из первичных металлов.
Задано: приготовить 600 кг бронзы марки Бр.ОЦ4-3
Исходные данные:
1. Средний химический состав бронзы: Sn – 3,75%, Zn – 3,0%, остальное – медь (таблица 3 приложения II).
2. Шихтовые материалы:
а) медь марки М1;
б) цинк марки Ц1;
в) олово марки О1.
3. Плавильный агрегат – индукционная высокочастотная печь.
4. Угар компонентов сплава составляет: Cu – 1,0 %, Zn – 2,5%, Sn – 1,5% (величину угара определяем по таблице 2 приложения III).
Методика расчёта.
1. Расчёт потребляемого количества каждого компонента производят по формуле
Меди
Цинка
Олова
2. Определяют количество исходных шихтовых материалов на загрузку (600 кг) по каждому компоненту с учётом угара:
меди 94,192ґ6=565,152 кг;
цинка 3,077ґ6=18,462 кг;
олова 3,807ґ6=22,842 кг.
Меди марки М1………………..565,152 кг
Цинка марки Ц1…………………18,462 кг
Олова марки О1…………………22,842 кг
Всего: на загрузку……………606,456 кг
2.2.2 Расчёт шихты с применением лигатуры
Задано: Приготовить 30000 кг сплава Д16.
Исходные данные: Средний химический состав сплава: Cu – 4,4%, Mg – 1,5%, Mn – 0,6%, Al – 93,5%
2. Определяем состав металлической завалки:
а) магния
в) марганца
г) алюминия
3. Определяем необходимое количество лигатур:
а) тройной лигатуры Al – Cu – Mn. Расчёт ведётся по марганцу:
С лигатурой вносится:
марганца ………….. 0,609 (кг );
меди………………
алюминия ………… 6,09 — (0,609 + 2,436) = 3,045 (кг );
б) двойной лигатуры Al – Cu. Расчёт ведётся по меди:
с лигатурой вносится 2,054 кг меди, 2,054 кг алюминия;
в) двойной лигатуры Al – Mg. Расчёт ведётся по магнию:
с лигатурой вносится: магния 1,562 кг, алюминия 15,620 — 1,562 = 14,058 кг;
г) определяем суммарное количество каждого компонента, вносимого лигатурами: меди 2,436 + 2,054 = 4,490 кг, марганца 0,609 кг, магния 1,560 кг, алюминия 3,045 + 2,054 + 14,058 = 19,157 кг.
Определяем количество алюминия, которое необходимо ввести в чистом виде:
94,924 – 19,057 = 75,867 кг.
4. Определяем массу каждой составляющей шихты на одну плавку сплава (30000 кг):
а) тройной лигатуры Al – Cu – Mn
б) двойной лигатуры Al – Cu
в) алюминия
Таким образом, окончательно шихта будет состоять из следующих компонентов:
Алюминия марки А1…………………22760 кг
Тройной лигатуры Амц40-10…………1827 кг
Двойной лигатуры АМ50………………1232 кг
Двойной лигатуры АМг10……………..4686 кг
Всего…………………………………..30505 кг
2.2.3 Расчёт шихты из отходов своего производства с применением первичных металлов и лигатур
Задано : Приготовить рабочий магниевый сплав марки МЛ5 с номинальным составом: Al — 8,7%, Zn – 0,5%, Mn – 0,35%, Be – 0,002%, остальное — магний в количестве 1000 кг.
Исходные данные. Шихтовые материалы следующего состава:
1) первичный сплав МЛ5 состава: Al – 8,3%, Zn – 0,40%, Mn – 0,35%;
2) крупные отходы сплава МЛ5 состава: Al – 8,5%, Zn – 0,55%, Mn – 0,30%, Be – 0,001%;
3) переплав литников сплава МЛ5 состава: Al – 8,6%, Zn – 0,30%, Mn – 0,25%, Be – 0,0015%;
4) переплав стружки сплава МЛ5 состава: Al – 10,8%, Zn – 0,5%, Mn – 0,28%, Be – 0,0008%;
Методика расчёта.
Шихта имеет следующий состав:
первичный сплав МЛ5 30% (300кг);
крупные отходы сплава МЛ5(отходы 1-го сорта) 25% (250 кг);
переплав литников сплава МЛ5(отходы 2-го сорта) 20% (200 кг);
переплав стружки сплава МЛ5 25% (250 кг).
В первую очередь рассчитывают металл, содержание которого в исходных материалах выше расчётного для данного сплава. При рассмотрении исходных материалов видно, что таким металлом является алюминий, содержание которого в переплаве стружки равно 8,0% (при номинале для данного сплава 8,7 % Al).
Алюминий . Потребное количество алюминия будет:
В первичном сплаве (300кг) содержится алюминия
В крупных отходах (250 кг) содержится алюминия
В переплавке стружки (250 кг) содержится алюминия
Всего в шихту вводится переплав литников
10000 – (300 + 250 + 250) = 200 (кг )
В переплаве литников содержится алюминия
Всего в шихте алюминия 24,9 + 21,25 + 27,0 + 17,20 = 90,35 кг или в процентах к общей шихте
Как указано выше, расчётное количество алюминия в сплаве равно 8,7%, так как содержание алюминия в шихте превышает требуемое по номиналу.
В таких случаях возможны два пути: либо изменение количества отдельных материалов при сохранении общей массы шихты, либо производится подшихтовка чистыми металлами.
Предположим, что в данном случае необходимо иметь шихту именно в количестве 1000 кг. Необходимо уменьшить количество того материала, в котором содержание алюминия выше номинального. Таким материалом является переплав стружки. Следовательно, необходимо заменить часть переплава стружки чистым магнием. Определим эту часть.
Всего 1000 г шихты должно содержать алюминия 87 кг.
Заданная вначале шихта содержит алюминия 90,35 кг.
Избыток алюминия в заданной шихте составит 90,35 – 87 = 3,35 кг.
Зная избыточное количество алюминия, можно определить, на сколько потребуется уменьшить переплав стружки в шихте. С 1 кг переплава стружки вносится алюминия:
Отсюда, чтобы уменьшить общее содержание алюминия на 3,35 кг, надо уменьшить количество переплава стружки на 3,35 / 0,108 = 31,0 кг.
Учитывая, что при подшихтовке магнием потребуется введение лигатуры (состав выбирается по таблицам приложения II) Al – Mg – Mn (для введения марганца), с которой снова будет введено определённое количество алюминия, изменим первоначальный состав шихты следующим образом: первичного сплава 300 кг, т.е. 30 свежих металлов и лигатур 100 кг, или 100 ґ100 /1000 = 10 %.
Отходы остальные, в том числе:
Крупных отходов 250 кг (25%);
Переплава литников 200 кг (20%);
Переплава стружки 150 кг (15%).
Как подсчитано выше, в сплаве должно быть алюминия 87 кг, а с учётом угара алюминия потребуется 87ґ100/98=88,880 кг.
В шихте имеется алюминия (как подсчитано выше):
1) в первичном сплаве 24,900 кг;
2) в крупных отходах 21,250 кг;
3) в переплаве литников 17,200 кг;
4) в лигатуре алюминий – бериллий 0,283 кг;
5) в лигатуре алюминий – магний – марганец 6,273 кг.
В переплаве стружки имеется алюминия 150ґ10,8/100=16,200 кг;
Всего в шихте алюминия 24,900 + 21,250 + 17,200 + 0,283 + 6,273 + 16,200 = 86,106 кг.
Требуется ввести в шихту чушкового алюминия 88,880 – 86,106 = 2,774 кг.
Бериллий. Потребное количество бериллия в сплаве должно быть: 100ґ0,002/100=0,02 кг.
Наличие бериллия в шихте:
1) в первичном сплаве – нет;
2) в крупных отходах 250 ґ 0,001 / 100 = 0,0025 кг;
3) в переплаве литников 200 ґ 0,0015 / 100 = 0,0030 кг;
4) в переплаве стружки 150 ґ 0,0008 / 100 = 0,0012 кг.
Итого бериллия в шихте 0,0025 + 0,0030 + 0,0012 = 0,0067 кг.
0,0133 ґ 100 / 4,5 = 0,296 кг; в том числе бериллия 0,0133 и алюминия: 0,2*96-0,0133=0,283 кг*.
Расчёт бериллия производится по верхнему допустимому пределу, поэтому угар его также не принимается во внимание.
Марганец. Общее количество марганца в сплаве должно быть 1000ґ0,35/100 = 3,5 кг.
Потери марганца при плавке принимаются в количестве 10%. Потребуется марганца всего с учётом угара 30,5ґ100 / 90 = 3,890 кг.
Наличие марганца в шихте:
1) в первичном сплаве 300 ґ 0,35 / 100 = 1,050 кг;
2) в крупных отходах 250 ґ 0,30 / 100 = 0,750 кг;
3) в переплаве литников 200 ґ 0,32 / 100 = 0,540 кг;
4) в переплаве стружки 150 ґ 0,28 / 100 = 0,420 кг.
Итого в шихте имеется марганца 1,050 + 0,750 + 0,640 + 0,420 = 2,860 кг.
Требуется ввести марганца через лигатуру Al – Mg – Mn:3,890 – 2,860 = 1,030 кг.
Допустим, имеется тройная лигатура Al – Mg – Mn следующего состава: Al – 67%, Mg – 22%, Mn – 11% (табл. 6 приложение II). Потребуется такой лигатуры 1,030 ґ 100 / 11 = 9,363 кг.
В лигатуре содержится алюминия 9,363 ґ 67 / 100 = 6,273 кг.
В лигатуре содержится магния 9,363 ґ 22 / 100 = 2,060 кг.
Цинк. Потребное количество цинка в сплаве 1000 ґ 0,50 / 100 = 5,00 кг,
А с учётом угара должно быть 5,00 ґ 100 / 98 = 5,102 кг.
В шихте имеется цинка:
1) в первичном сплаве …….. 300 ґ 0,4 / 100 = 1,200 кг;
2) в крупных отходах ……… 250 ґ 0,55 / 100 = 1,375 кг;
3) в переплаве литников ……200 ґ 0,3 / 100 = 0,600 кг;
4) в переплаве стружки ……..150 ґ 0,5 / 100 = 0,750 кг.
Итого в шихте имеется цинка …….1,200 + 1,375 + 0,600 + 0,750 = 3,925 кг.
Потребуется ввести чушкового цинка: 5,102 – 3,925 = 1,177 кг.
Магний. Определяем процент содержания магния в сплаве:
100 – (8,7 + 0,5 + 0,35 + 0,002) = 90,448 % » 90,45 %.
Потребное количество магния в сплаве будет 1000 ґ 90,45 / 100 = 904,500 кг.
С учётом угара (3%) магния потребуется 904,500 ґ 100 / 97 = 932,475 кг.
Определяем количество магния в шихте (по разности):
1) в первичном сплаве 300 – (1,050 + 1,200 + 24,900) = 272,850 кг;
2) в крупных отходах 250 – (0,750 + 1,375 + 21,250) = 226,625 кг;
3) в переплаве литников 200 – (0,640 + 0,600 + 17,200) = 181,560 кг;
4) в переплаве стружки 150 – (0,420 + 0,750 + 16,200) = 132,630 кг;
5) в лигатуре Al – Mg – Mn содержится магния 2,060 кг.
Всего магния в шихте: 272,850+226,625 +181,560 +132,630 + 2,060 = 815,725 кг.
Требуется ввести чушкового магния: 932,475 – 815,725 = 116,750 кг.
Общая шихта рабочего сплава на 1000 кг будет состоять из, (кг):
Первичного сплава……………………………300,0
Переплава из крупных отходов………………250,0
Переплава литников……………………………200,0
Переплава стружки……………………………150,0
Чушкового цинка…………………………………1,177
Чушкового алюминия…………………………….2,774
Чушкового магния……………………………..116,750
Лигатуры алюминий – бериллий………………..0,296
Лигатуры алюминий – магний – марганец……….9,363
Всего ………………………………….……….1030,360
Приведённые выше примеры расчёта шихты применяются в случаях, когда потребуется строго выдержать расчётный состав шихты. Практически при расчётах шихты сплавов допускаются некоторые отклонения от номинального состава для облегчения и ускорения расчёта и не учитывается угар отдельных металлов (например, магния, алюминия, цинка, меди, марганца), а берётся средний процент угара.
Для выплавки стали в электропечах необходима шихта следующего состава:
- металлическая часть,
- шлакообразующие,
- окислители,
- добавочные материалы (раскислители и легирующие) науглероживатели.
Металлическая часть шихты
Основу шихты для электропечей составляет металлический лом: на одну тонну выплавляемой в электропечах стали в среднем расходуется около 950 кг лома .
Примерно треть этого количества составляют брак, литейные отходы, обрезь слитков, отходы при прокатке и ковке, а также стружка от обдирки слитков , т. е. собственные отходы металлургических заводов. Остальная часть шихты складывается из отходов, возвращаемых заводами потребителями, направляемого в переплав изношенного и устаревшего оборудования и инструмента и лома, собранного отделениями вторчермета. Кроме того, в ограниченных количествах используется специально выплавляемая шихта — мягкое железо, а также передельный чугун и металлизованные окатыши .
Металлический лом, используемый в качестве шихты при выплавке стали, делится на две категории: группа нелегированных (А) и легированных (Б) отходов .
Нелегированный (углеродистый) лом не должен быть загрязнен цветными металлами (свинцом, цинком, оловом и др.), особенно никелем, медью и мышьяком , которые практически полностью переходят из шихты в металл и могут оказать существенное влияние на свойства стали. Нежелательно также, чтобы в углеродистых отходах содержалось фосфора более 0,05%, так как удаление таких количеств фосфора потребует продолжительного окислительного периода. Поэтому металлический лом испольуемый в качестве шихты, должен быть освобожден от лома цветных металлов и рассортирован по происхождению . Знание происхождения лома позволяет примерно оценить его состав и более правильно использовать его при шихтовке.
На заводах качественных сталей в электросталеплавильных цехах выплавляют сотни различных марок легированной стали. Часть из них содержит элементы, не поддающиеся окислению и трудно удаляемые при пользовании обычными процессами. Отходы, содержащие такие элементы, могут быть использованы в качестве шихты при выплавке стали определенного сортамента. Отходы легированных сталей должны быть рассортированы в группы, близкие по составу марок, и храниться отдельно от других отходов . Отходы некоторых наиболее сложно легированных марок следует хранить помарочно.
Металлический лом должен иметь определенные габариты. Мелкий лом, как правило, более окислен, замусорен и загрязнен маслом. Значительная окисленность лома не позволяет точно оценить долю угара металла, что чревато при таком качестве шихты непопаданием в заданный химический состав готовой плавки. Разложение в зоне электрических дуг ржавчины (гидрата окиси железа) и масла приводит к появлению в атмосфере печи атомарного водорода, интенсивно поглощаемого металлом.
Малая насыпная масса мелкого лома не позволяет завалить в печь всю шихту в один прием, вследствие чего, после расплавления первой порции шихты, приходится осуществлять подвалку. Это снижает производительность печи и увеличивает потери тепла.
Особые заботы доставляет переплав стружки . Длинная стружка затрудняет загрузку шихты; как правило, она сильно загрязнена маслом и уже на месте получения смешивается с отходами стали других марок, а часто и со стружкой цветных металлов. По этим причинам стружку следует переплавлять на заводах вторчермета и электросталеплавильным цехам поставлять изготовленные из нее паспортные болванки с известным химическим составом. Стружка, поставляемая непосредственно в электросталеплавильные цеха, должна быть спрессована и обожжена. Дополнительные затраты на подготовку стружки вполне окупаются экономией, получаемой при использовании доброкачественной шихты.
Нежелательно, чтобы в шихте были чрезмерно крупные куски — бракованные слитки, недоливки и т. п. В дуговой печи можно расплавлять крупногабаритный лом, но продолжительность плавления при этом увеличивается, длительное время приходится работать на высокой мощности, что отрицательно сказывается на стойкости футеровки печи. По этой причине максимальная масса отдельных кусков не должна превышать одной пятидесятой массы всей садки .
Для производства стали некоторых марок в состав шихты вводят специально выплавленную предварительно заготовку. Чаще всего она по своему составу представляет собой низкоуглеродистую сталь с ограниченным содержанием углерода, фосфора и серы, т. е. мягкое железо, полученное методом плавки на свежей шихте.
Мягкое железо должно быть в менее крупных кусках, чем легированные отходы , так как в связи с низким содержанием углерода оно плавится при более высокой температуре. Поэтому слитки мягкого железа прокатывают на заготовку, которую затем рубят на куски определенного размера.
Мягкое железо намного дороже углеродистого лома и его использование в отрицательно сказывается на себестоимости стали. Использование в шихте мягкого железа может быть оправдано только серьезными технологическими затруднениями выплавки стали нужной марки.
Следует отметить, что для электропечной плавки характерен постоянно наблюдаемый недостаток качественного лома. В связи с этим в течение длительного времени изыскивают материалы, которые могли бы заменить лом. В частности, неоднократно предпринимались попытки заменить часть лома передельным чугуном в качестве шихты. Однако все эти попытки заканчивались, как правило, неудачно.
Передел чугуна в сталь заключается в окислении находящихся в нем в избыточных количествах углерода, кремния, фосфора. Электропечи, плохо приспособлены для проведения окислительных процессов, поэтому использование их для передела значительного количества чугуна в качестве шихты нецелесообразно.
Обнадеживающие результаты получены при использовании в шихте электропечей полупродукта — предварительно продутого в реакторе чугуна . Однако появление и совершенствование кислородно-конвертерного процесса сделали более целесообразным переработку чугуна в сталь монопроцессом в конвертере.
В последние годы проводятся интенсивные всесторонние исследования плавки стали в электропечах с использованием высокометаллизированных окатышей в качестве шихты (90-95% Fe oбщ, 85-90% Fe мeт). Построены промышленные комплексы для работы с непрерывной загрузкой окатышей в дуговую печь и с непрерывной разливкой стали. Использование чистых по сере, фосфору и сопутствующим примесям металлизованных окатышей позволяет при обычном качестве шихты выплавлять, применяя этот процесс, качественные стали. Плавка металлизированных окатышей в электропечах (бездоменный процесс) при успешном решении проблемы эффективного восстановления окатышей может оказаться более эффективной по всем показателям, чем выплавка стали из чугуна в конвертерах.
Таблица 1. Химический состав шлакообразующих и окислителей
Кликните на рисунок, чтобы увеличить.
Шлакообразующие
При выплавке стали в основных дуговых печах для образования основного шлака используют известь, известняк, плавиковый шпат, шамотный бой и песок . В кислых печах шлак наводят из песка, шамотного боя и извести.
Наиболее важной составляющей шлаковых смесей, использемых в качестве шихты, является известь, которую получают обжигом известняка в шахтных печах при температуре 1100-1300° С. При обжиге углекислый кальций известняка разлагается на окись кальция и углекислый газ
- СаСO 3 -> СаO + СO 2 .
Химический состав обожженной извести приведен в таблице. Содержание серы в известняке, применяемом в качестве шихты, в большинстве случаев низкое, однако оно возрастает после обжига за счет серы топлива. Повышенное содержание серы в шлаке затрудняет процесс десульфурации стали. Содержание других окислов в извести ограничивают по следующим соображениям: кремнезема, чтобы при заданной основности шлака количество его было меньше; окиси магния, чтобы шлак был более жидкотекучим и активным; окислов железа, чтобы не затруднять процесс десульфурации .
Для выплавки высококачественной стали, в качестве шихты используют только свежеобожженную известь . При хранении известь интенсивно поглощает влагу из воздуха с образованием гидроокиси кальция
- [СаО + Н 2 О -> Са(ОН) 2 ],
которая рассыпается в порошок. Влага, внесенная известью, в печи разлагается на кислород и водород, вызывая обогащение стали водородом. Поэтому применение пылеватой извести, так называемой «пушонки», в электропечах совершенно недопустимо.
Вместо извести в окислительный период можно пользоваться необожженным известняком . Применяют известняк, содержащий не менее 97% СаСО 3 (не менее 54% СаО). Известняк не гигроскопичен, его можно длительное время хранить. Разложение углекислого кальция в электропечи вызывает выделение пузырьков СО 2 , которые обеспечивают перемешивание металла и шлака и способствуют дегазации металла. Окислительный углекислый газ окисляет примеси в металле, в частности углерод.
Отрицательной стороной применения известняка вместо извести является дополнительная затрата электроэнергии на разложение карбоната кальция .
Для разжижения высокоосновных шлаков, в качестве шихты, применяют плавиковый шпат, песок и шамотный бой .
Как отмечалось при изучении свойств шлака, особенно сильно понижает его вязкость CaF 2 . К тому же использование CaF 2 позволяет разжижать высокоосновные шлаки без уменьшения их основности, что чрезвычайно важно для эффективного удаления серы.
Поэтому широкое применение для наводки шлака получил плавиковый шпат , который в случае его использования при электроплавке должен содержать 90-95% CaF 2 , не более 3,0% SiO 2 и не более 0,2% S.
Песок также понижает температуру плавления основных шлаков, но при этом понижается и основность шлака. Поэтому в основных печах песок находит ограниченное применение, в то время как в кислых печах он является главным шлакообразующим материалом . Основное требование, предъявляемое к песку, — высокое (минимум 95%) содержание SiO 2 .
При выплавке нержавеющих сталей и для разжижения густых магнезиальных шлаков иногда используют бой шамотных огнеупоров, содержащих примерно 60% SiO 2 и 35% Аl 2 O 3 .
Окислители
Для интенсификации окислительных процессов в металл необходимо вводить окислители — кислород. Источниками кислорода служат железная руда, окалина и агломерат . Широкое распространение получила продувка металла газообразным кислородом.
Железную руду в качестве окислителей применяют при выплавке стали методом полного окисления. Присадка руды небольшими порциями обеспечивает длительное равномерное кипение металла без повышения его температуры , так как присаживаемая руда постоянно охлаждает металл. Это имеет особое значение для эффективного удаления фосфора.
Руду в качестве окислителей используют в завалку и в окислительный период. Руда, присаживаемая в окислительный период через шлак, должна быть в кусках определенного размера , желательно 50-100 мм в диаметре. Мелкая руда растворяется в шлаке, а крупные куски вызывают бурное вспенивание металла и шлака.
Кроме соответствия требованиям, касающимся определенного размера кусков, руда применяемая в качестве шихты должна удовлетворять и требованиям по химическому составу: в ней должно содержаться много окислов железа и мало кремнезема, серы и фосфора . Наиболее богатой является криворожская руда, но в ней содержшся довольно много фосфора и серы. Чистая по сере и фосфору бакальская руда характеризуется повышенным содержанием пустой породы, что вызывает понижение основности шлака, увеличение его количества и требует дополнительных затрат электроэнергии.
Иногда вместо руды в качестве окислителей используют заменители — агломерат и окалину от проката. Окалина от проката углеродистых сталей является наиболее чистым окислителем , но вследствие малого удельного веса она задерживается в шлаке. Необходимо учитывать также, что прокатная и кузнечная окалина может содержать легирующие элементы, которые целесообразно использовать.
Для интенсификации окисления углерода во время окислительного периода плавки на свежей шихте, а также для быстрого повышения температуры металла, окисления избыточного углерода и сопутствующих примесей при переплаве легированных отходов широко применяют продувку металла кислородом. Газообразный кислород чистотой около 99,5% подают в ванну под давлением 1-2 МПа (10-12 ат).
Основное требование, предъявляемое к газообразному кислороду как окислителю, низкое содержание влаги (не более 1 г/м 3) . Поэтому перед продувкой кислород должен быть осушен в специальных поглотителях влаги.
Раскислители и легирующие
Для раскисления стали и ее легирования раскислители и легирующие элементы применяют в чистом виде или в виде сплавов с железом или друг с другом.
Наибольшее распространение для раскисления и легирования стали получили металлические алюминий, никель, хром, марганец, молибден, кобальт и титан, ферросплавы — ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферровольфрам, феррованадий, ферромолибден, ферротитан, феррониобий, ферробор и другие, а также комплексные сплавы — силикомарганец, силикокальций, силикоцирконий силикоалюминий, сплавы алюминия, марганца и кремния, кремния, кальция и алюминия и другие.
Сплавы, применяемые в качестве раскислителей и легирующих, должны удовлетворять ряду требований:
1. Содержание основного легирующего элемента в сплаве должно быть максимальным . При низком содержании легирующих элементов увеличивается масса присадки, что удлиняет время ее проплавления и ведет к увеличению расхода электроэнергии и снижению производительности печи. Исключение составляют ферросплавы тугоплавких металлов — ферровольфрама и ферромолибдена, для более быстрого растворения которых желательно иметь более низкое их содержание в сплаве.
2. Сплавы должны быть чистыми от вредных для стали примесей, шлаковых включений и газов . Это особенно важно, потому что значительную часть их присаживают в печь лишь к концу плавки, когда рафинирование ванны уже закончено.
3. Куски сплавов должны быть определенного габарита . Наличие крупных кусков удлиняет время их растворения, затрудняет точность взвешивания и может быть причиной повышенного расхода сплава.
Кроме того, сплавам каждого элемента предъявляются свои особые требования, которые изложены в разделе «производство ферросплавов».
Науглероживатели . К числу науглероживателей принадлежат материалы, содержащие углерод и используемые для увеличения содержания углерода в металле. Они входят либо в состав шихты, либо их вводят в жидкий металл. Для науглероживания в электросталеплавильных цехах используют главным образом кокс и электродный бой, в редких случаях (вследствие дефицита) — древесный уголь и сажу.
Основное требование, предъявляемое к науглероживателям, заключается в том, что они должны быть чистыми по вредным примесям (главным образом иметь низкое содержание серы) и вносить мало золы .
Cтраница 2
Состав шихты: 30 — 35 % скрапа, 65 — 70 % чугуна, 12 — 14 % железной руды, 6 — 8 % известняка. Завалку производят на жидкий шлак.
Состав шихты определяется химическим составом выплавляемой стали. При плавке с окислением шихту составляют из расчета получения содержания углерода в металле по расплавлении выше 0 3 % заданного при выплавке высокоуглеродистых сталей (с содержанием 0 6 % С и более) и выше 0 4 % при выплавке средне — и низкоуглеродистых сталей. Шихта составляется из стального лома, отходов низколегированных сталей и чугуна. Отходы легированных сталей в шихту не вводят, так как их экономически выгодно использовать при выплавке стали методом переплава. Завалку шихты производят сразу же по окончании заправки.
Состав шихты подбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить необходимые физико-механические и химические свойства керамических покрытий. Так, например, окислы А12О3, Cr2O3, TiOz, B2O3, и др. способствуют повышению жаростойкости покрытий, но обладают коэффициентом линейного расширения значительно меньшим чем у стали.
Состав шихты следует подбирать на основании лабораторных исследований кварцитов и полузаводских опробований опытных партий динаса. Аморфные кварциты перерождаются бызтрее, полнее кристаллических и при менее высокой температуре.
Состав шихты в процентах определяется следующим образом: суммируется вес составляющих и количество каждого компонента умножается на 100, а затем делится на сумму.
Состав шихты рассчитывают согласно уравнениям реакций.
Состав шихты флюса (марка флюса) зависит от вида разрезаемого металла. Промышленность располагает следующими марками флюсов: ФХ — для разделительной и поверхностной резки высокохромистых и хромоникелевых сталей.
Составом шихты для производства ферросилидов определяется тип плавильных агрегатов. Для выплавки ферросилидов могут быть использованы электродуговые сталеплавильные, индукционные типа ИСТ или ИЧТ, вакуумные печи.
Составом шихты для производства ферросилидов определяется тип плавильных агрегатов. Для выплавки ферросилидов могут быть использованы электродуговые сталеплавильные, индукционные типа ИСТ или ИЧТ вакуумные печи. Электродуговые сталеплавильные печи наиболее часто применяются при производстве ферросилидов. Они отличаются экономичностью и позволяют с достаточной точностью выдерживать температурные и шлаковые режимы. Индукционные печи высокой и повышенной частоты наиболее перспективны по технологическим характеристикам. Вакуумные печи позволяют получать ферросилид высокого качества вследствие ускоренной дегазации сплава, сочетающейся с процессом рафинирования за счет восстановления окисных соединений углерода, прежде всего кремнеземов.
В состав шихты входит: 20 — 22 % стального лома; 14 — 17 % ферросилиция (45 % Си); 3 — 5 % штыкового чугуна; 5 — 7 % чугунного лома; 54 — 55 % отходов собственного производства и переплава.
Изменяя состав шихты и, вводя в нее различные добавки, получают материалы с заданными свойствами. Если вместо соды в шихту вводят поташ КгС03, получают высококачественное тугоплавкое стекло, из которого изготавливают химическую посуду и оптические стекла. Из шихты, содержащей поташ, кремнезем и РЬО, получают хрусталь и искусственные драгоценные камни.