Составление шихты — подбор материалов, обеспечивающих их в процессе плавки в вагранке заданный химический состав чугуна и нужные механические показатели прочности при минимальной стоимости жидкого металла. В табл 10 приведены марки и составы серого чугуна, применяемого для наиболее характерных отливок в основных отраслях машиностроения. По ней технологи в соответствии с условиями работы отливки в машине выбирают пределы отклонений основных элементов в чугуне и определяют химический состав отливки. Этот состав корректируют в каждом отдельном случае в зависимости от условий и характера производства, исходных материалов, условий изготовления отливки (формовка по-сырому, по-сухому, литье в кокиль и т.п.).
Состав ваграночной шихты и требования, предъявляемые к ней
Все шихтовые материалы должны подаваться в завалку в оптимальных количествах для обеспечения нормального хода плавки (при минимальном угаре элементов, входящих в состав материалов, и минимальной стоимости жидкого чугуна). При этом желательно полностью использовать возврат собственного производства. На основании многолетнего опыта работы отечественных заводов выбран, примерный состав шихты для чугунов разных марок (табл. 11 ).
Шихтовые материалы, поступающие на завод, применяют только после проведения лабораторных анализов, подтверждающих сертификатные данные. Шихтовые материалы должны храниться строго по маркам в отдельных закромах. Для чушковых чугунов, как правило, не требуется какой-либо разделки. Природно-легированные чугуны делят на куски массой 10—15 кг, ферросплавы измельчают до получения кусков массой 0,5—5 кг. Чугунный лом, если масса отдельных кусов более допустимой, разбивают копром. Стальной лом разделывают с помощью газовой резки; размеры кусков не должны превышать 1/3 диаметра вагранки. Литники и бракованные детали, если они не прошли очистку в галтовочном барабане термоочистного отделения, должны быть очищены на складе шихты.
Исходные данные для расчета шихты
Расчет шихты сводится к определению массы металлической завалки (шихты), необходимой для выполнения литейным цехом заданной ему программы, и определения состава шихты по принятому химическому составу жидкого металла с учетом угара элементов при плавке в вагранке.
Масса металлической завалки на программу литейного цеха складывается из следующих статей: массы годных отливок, выпускаемых цехом на заданный период; массы возврата (бракованных деталей, литников и прибылей); массы безвозвратных потерь (угар элементов), потерь металла при разливке (брызги, сливы, всплески и пр.).
Масса возврата может быть определена как сумма масс литников и бракованных отливок, обнаруженных в литейном цехе и цехе механической обработки. При плавке чугуна в вагранке безвозвратные потери принимают равными 4—5 % общей массы металлозавалки. Более точно их определяют в цехе, где рассчитывают шихту.
Способы расчета шихты
По заданному химическому составу чугуна отливки определяют средний химический состав шихты. Для этого надо знать, как изменяется химический состав компонентов шихты во время плавки. Поскольку угар или пригар отдельных элементов зависит от многих факторов и для разных условий плавки может изменяться в определенных пределах (см. табл. 9), их надо определять опытным путем для каждого конкретного случая. Вначале рассчитывают шихту по средним значениям угара или пригара данного элемента, указанным в справочниках, а затем по результатам плавок уточняют процент угара или пригара для данного плавильного агрегата.
Содержание углерода в шихте можно подсчитать по формуле
Сшх = Сж —δК/100,
где Сж — содержание углерода в жидком металле, %; δ — содержание стального углерода в шихте %; К — степень науглероживания; для холостой колоши К = 1,7; для горна К = 0,4.
Содержание в шихте Si, Mn, Cr и других элементов, угарающих при плавке, можно подсчитать по формуле
Эшх = Эж — 100/(100-У ),
где Эшх — содержание элемента в шихте, %; Эж — содержание элемента в жидком металле %; У — угар данного элемента, %.
Содержание серы в жидком металле можно определить по эмпирической формуле
Sж = 0,75 Sшх + 0,003 pSK
где 0,75 — коэффициент, учитывающий угар 25 % S из металлической шихты; SШХ — содержание серы в шихте, %; 0,003 — коэффициент, учитывающий пригар 30 % S из кокса; p — расход кокса в зависимости от массы
металлозавалки %; Sк — содержание серы в коксе. %.
Из данной формулы можно ориентировочно найти содержание серы, допускаемое в металлической шихте:
Sшх = 1,33 Sж — 0,004 p SK .
Подсчитав средний химический состав металлической завалки, можно перейти к расчету отдельных составляющих шихты тремя методами: аналитическим, графическим и методом подбора.
Аналитический метод заключается в составлении и решении системы уравнений. Для этого задаются двумя или тремя неизвестными компонентами шихты А, Б, В. Составим три уравнения с тремя неизвестными (уравнений столько, сколько неизвестных компонентов шихты), решают их путем подстановок и дальнейших преобразований. В результате получим одно уравнение с одним неизвестным. Решив его и найдя одно
неизвестное, определяем второе и третье.
Пример. В отливке должно содержаться 2,2 % Si и 0 8 % Mn. Для данной вагранки примем угар кремния равным 10 %, а марганца 15 %.
Содержание кремния в шихте
Siшх = 2,2 • 100: (100 — 10) = 2,44 %.
Содержание марганца
Mnшх = 0,8 • 100 : (100-15) =0,84.
Расчет будем вести по этим двум элементам. Предположим, на складе шихты имеются следующие шихтовые материалы: чушковый чугун марки ЛК1, группы II, содержащий 3,5 % Si и 0,8 % Mn (количество этого чугуна в шихте обозначим буквой А); машинный лом, содержащий 3,0 % и 0,5 % Mn (количество машинного лома в шихте обозначим буквой Б); чушковый чугун марки ЛК6 , группы III, содержащий 1,5 % 81 и 15 % Mn (количество ЛК6 в шихте обозначим буквой В); возврат собственного производства в количестве 35 % массы металлозавалки того же химического состава, что и в жидкий чугун (2,2 % 81 и 0,8 % Mn).
Составим три уравнения. Для простоты расчет будем вести на 100 кг шихты.
Первое уравнение — суммарное количество всех материалов, входящих в колошу навески:
А+Б+В + 35 = 100.
Второе уравнение — баланс по кремнию, вносимому всеми материалами в шихту:
А • 3,5 :100 +Б • 3,0 :100 +В • 1,5 :100 + 35 • 2,2 :100 = 100 • 2,24 :100.
Третье уравнение — баланс по марганцу, вносимому всеми материалами в шихту:
А • 0,8 : 100 +Б • 0,5 : 100 +В • 1,5 : 100 + 35 • 0,8 :100 = 100 • 0,94 :100.
Решая эти три уравнения, получим то количество компонентов А , Б , В , которое надо ввести в шихту в одной колоше массой 100 кг; чугуна А (ЛК1) 22,5 кг, машинного лома Б 14,5 кг, чугуна В (ЛК6) 28 кг; возврата собственного производства 35 кг — всего 100 кг.
В жидком чугуне должно содержаться 3,5 % С; 2,2 % Si; 0,8 % Mn; 0,2 % P; 0,1 % S . Определим содержание в шихте углерода и серы.
Так как в состав шихты не входит свальной лом, то
СШх = Сж, т.е. Сшх = 3,5 %.
Допустимое содержание серы в шихте можно определить, если известны марка кокса и его расход. Предположим, что кокс марки КЛ-3 содержит 1,3 S , а его расход 10 %,тогда
Cшх = 133 • 0,1 — 0,004 • 10 • 1,3 = 0,08%.
Таким образом, зная допустимое содержание углерода и серы в шихте (содержание фосфора в процессе плавки не изменяется), можно проверить, какое количество этих элементов внесут компоненты шихты и при необходимости провести перерасчет шихты.
Графический метод расчета шихты основан на правилах геометрии. Расчет выполняется значительно проще и быстрее. Рассмотрим тот же пример, который рассчитывали аналитическим методом, с помощью метода треугольника. Определим массы трех составляющих шихты А, Б, В графически. Для этого возьмем прямоугольную систему координат, по горизонтальной оси отложим содержание одного компонента; например кремния, а по вертикальной оси — содержание другого элемента, например марганца. В данной системе координат фиксируем точки, соответствующие содержанию кремния и марганца в составляющих А, Б, В (рис. 54). Эти точки соединим прямыми линиями, получим треугольник. Определим содержание кремния и марганца в шихте чугуна без возврата, которое определяют из уравнений (100—35) Si % = 100 • 2,44 — 35 • 2,2 и (100—35) Mn % = 100 • 0,98 — 35•08. Получаем = 2,54 % и Mn = 1,08 %. Эти данные наносим на оси координат и получаем точку О.
Если эта точка попала на площадь треугольника АБВ, то из данных чугунов составить шихту можно. Если она окажется вне треугольника АБВ, то из данных компонентов составить шихту нельзя. Через точку О, характеризующую состав шихты чугуна, и вершины треугольника АБВ проводим прямые линии до пересечения с противоположными сторонами треугольника. Получим линии АОа, БОб, ВОв. Затем проводим любой длины прямую МН и делим ее на столько частей, сколько процентов от общей шихты составляют выбранные три сорта чугунов (в нашем случае 65 %). С концов прямой МН под любым углом проводим две параллельные прямые линии МХ и НУ. На параллели МХ от точки М откладываем расстояния Оа, Об: Ов, а на параллели НУ от точки Н — расстояния ОА, ОБ, ОВ. На прямой МХ получаем точки, а, б, в, а на прямой НУ — точки А, Б, В. Соединяем точки А и а, Б и б, В и в прямыми линиями. Точка пересечения прямой Аа с прямой МН будет соответствовать доле чугуна А в шихте; точка пересечения прямой Бб с прямой МН — доле чугуна В; точка пересечения прямой Вв с прямой МН — доле чугуна В. Доля чугуна А составит 22,5 %, чугуна Б — 14,5 %, чугуна В — 28 %. Их сумма составит 65 %, а 35 % будут приходиться на возврат собственного производства.
Методом подбора шихту рассчитывают следующим образом. На основании практических данных и норм расхода шихтовых материалов подбирают сорта компонентов шихты и назначают их количество. Затем по правилу смещения проверяют содержание основных элементов (углерода, кремния, марганца, фосфора, серы) в шихте и жидком металле с учетом пригара или угара данного элемента при плавке. Если в результате расчета оказывается, что химический состав жидкого чугуна значительно отличается от заданного, весь расчет переделывают: выбирают другие компоненты шихты, изменяют их соотношение. Если же сорта жидкого чугуна получаются близкими к заданному, то расчет не изменяют, а для доводки химического состава жидкого металла до заданного рассчитывают необходимое количество ферросплавов, которые будут добавлять в шихту или ковш.
Метод подбора обычно применяют при расчете шихты, когда она состоит из одних и тех же компонентов, отличающихся только предельными отклонениями содержания элементов. Пример расчета методом подбора приведен в табл. 12.
Расчет шихты с помощью ЭВМ. Аналитический метод расчета шихты достаточно точен, но при наличии четырех и более компонентов весьма трудоемок: приходится составлять и совместно решать столько уравнений, сколько неизвестных компонентов шихты. Метод подбора менее трудоемок но не позволяет решить задачу оптимизации стоимости шихты,поэтому на передовых заводах расчет шихты ведут с помощью ЭВМ. Это позволяет быстро определять оптимальный состав и минимальную стоимость металлозавалки. Ниже приведен пример, показывающий схему такого расчета.
Пример. Рассчитать состав шихты для вагранки, работающей на холодном воздухе и выплавляющей чугун марки СЧ20. Отливки должны иметь следующий химический состав, %: 3,1-3,3 С; 1,7-2,0 Si, 0,8-1,1 Mn; 0,1 S; 0,25 P.
С учетом пригара углерода 10 %, угара кремния 15 %, угара марганца 20 %, пригара серы 50 % (содержание фосфора в процессе плавки не изменяется) состав шихты будет следующий, %: 2,8-3,0 С; 2,0-2,35 Si, 1,0-1,38 Mn; 0,067 S, 0,25 P.
На складе шихты имеются шихтовые материалы, состав и стоимость которых указаны в табл. 13. Задача заключается в составлении стольких уравнений, сколько компонентов входит в шихту — 11 уравнений. Кроме того, имеется ряд ограничений на пример содержание передельного чугуна допускается до 15 %, стального лома до 20 %, брикетов стружки до 10 % из-за больших газовыделений, возврат собственного производства (27 %) должен быть использован полностью.
На основании приведенных исходных данных составляется система уравнений (табл. 14), которая кодируется в программу в зависимости от языка машины. Программа вводится в ЭВМ.
Оптимальный состав шихты при минимальной стоимости металлозавалки следующий %: 24,5 литейного чугуна ЛК5 (Х3); 15,5 передельного чугуна ПЛ1 (X4); 10 брикетов чугунной стружки (Х5); 27 возврата производства (Х6); 20 стального лома (Х7) ; 3 ферросилиция ФС20л (Х8 ). Минимальная стоимость 1 т металлозавалки составит 59 р. 98 к.
