Расчет шихты.

Составление и расчет шихты производят так, чтобы обеспечить в процессе плавки заданный химический состав чугуна, с учетом имеющихся шихтовых материалов и их стоимости.

Для расчета шихты необходимо знать:

1. Требуемый химический состав чугун;

2. Химический состав компонентов шихты;

3. Угар элементов при плавке.

Химический состав выплавляемого чугуна должен соответствовать составу, приведенному в ГОСТах; серый чугун с пластинчатым графитом – ГОСТ 1412-85; ковкий чугун - ГОСТ 1215-79; высокопрочный чугун ч шаровидным графитом – ГОСТ 7293-85; чугун с вермикулярным графитом – ГОСТ 28394-89. Следует иметь в виду, что эти составы носят рекомендательный характер, и могут уточнять в зависимости от назначения отливок. Составы, привеенные в ГОСТах, обеспечивают получение заданной марки чугуна, т.е. заданной прочности, лишь при заливке стандартной пробы (пруток ø30мм). В реальных отливках, отличающихся толщиной стенки и скоростью охлаждения от стандартной пробы, механические свойства и структура будет иными.

Чтобы определить допустимое содержание элемента в шихте Эш, который обеспечивает требуемый состав жидкого чугуна Эж по данному элементу, надо учить уменьшение его концентрации Δ Эпри плавке со своим знаком

Значение угара (+) или пригара (-) элементов при плавке чугуна в различных плавильных агрегатах приводятся в справочной литературе.

В общем случае расчет шихты заключается в определении весовых количеств различных видов шихтовых материалов необходимых и достаточных для получения заданного химического состава. Для чугунов расчет шихты ведут по трем основным элементам (C, Si, Mn) и примесям (S и P). В соответствии с ограничением

где

Э_i – содержание расчетного элемента в i-й составляющей;

Э_н и Э_в – нижний и верхний допустимые пределы содержания i-й составляющей в шихте;

X_i – количество i-й составляющей шихты.

Тогда химический состав шихты могут быть записаны следующим образом.

С_н ≤ ≤ C_в

Si_н≤ ∑Si_iX_i≤ Si_в

Mn_н≤ ∑Mn_iX_i≤ Mn_в

∑Si_iX_i≤ Si_в

∑P_iX_i< P_в

Порядок расчета шихты при плавке чугуна в коксовой вагранке.

В приложении 3 ГОСТа 1412 – 85 находится рекомендуемый химический состав выплавляемой марки чугуна.

Прежде чем приступить к расчету шихты, полезно определить, какая структура и какие механические свойства могут быть получены при данном составе чугуна в реальной отливке. Особое внимание следует обратить на то, чтобы в структуре отливки не было цементита (отбела).

Выбираем рекомендуемый состав шихты (какая применяется на заводе)

Содержание углерода в шихте

С_ш = (С_ж – С_н)/β, где

С_ж – рекомендуемое содержание углерода в жидком чугуне по ГОСТ 1412 – 85;

С_н – количество углерода, полученное путем науглероживания (С_н = 1,8 – вагранка с холодным дутьем, С_н = 2,0 – вагранка с горячим дутьем);

β = 1 – α, где

α = 0,4 – 0,6 – коэффициент обезуглероживания.

Угар кремния и марганца принимаем из справочника и находим

Si_ш = Si*100/(100 – ΔSi)

Mn_ш = Mn*100/(100 – ΔMn)

Фосфор при плавке в вагранке с кислой футеровкой полностью переходит из шихты в чугун, т.е. необходимо соблюсти условие

Р_ш ≤ Р_ж.

Для определения ограничений по содержанию S можно воспользоваться данными по её пригару из справочных данных

S_ш = S = 100/(100+ΔS)

Таким образом, могут быть установлены допустимые содержания элементов в шихте и составлены системы уравнений, учитывающие ограничения на химический состав и технологические ограничения на состав шихты.

Пример расчета шихты при плавке чугуна в коксовой вагранке.

Задание. Рассчитать шихту для выплавки чугуна марки СЧ20 в кислой коксовой вагранке холодного дутья с копильником производительностью 15 т./ч для получения отливок преобладающей толщиной стеки 20 мм, заливаемых в песчаные формы.

В приложении к ГОСТ 1412 – 85 находим, что для чугуна марки СЧ20 рекомендуется следующий химический состав:

C = 3,3 – 3,5%; Si = 1,4 – 2.2%; Mn = 0,7 – 1,0%; P ≤ 0,2%; S ≤ 0,15%

Определяем уровень механических свойств в отливке и проверяем, не будет ли в отливке отбела. По томограмме (рис.1) находим, что чугун данной марки в отливке с толщиной стенки 20 мм может обеспечить σ_в = 180 – 220 МПа без опасности отбела. Ожидаемую структуру чугуна определим по диаграмме. Так как диаграмма построена для чугунов с приведенной толщиной R_пр = 7,5, а у заданной отливки R_пр = 10, то необходимо найти поправку на содержание кремния графическим (см. рис.2) или расчетным путем:

Si_7,5 = Si₁₀ + lg(10/7,5) = (1,4 – 2,2) + 0,12= 1,52 – 2,32

По диаграмме видно, что у не модифицированного чугуна с содержанием хрома менее 0,1% при C = 3,3 – 3,5% и Si = (1,52 – 2,32%) в отливке будет получена структура с пластинчатым неориентированным графитом.

По табл. 2 выбираем рекомендуемый состав шихты:

25 – 40% литейного чугуна;

До 15% передельного чугуна;

10 – 25% чугунного лома;

10 – 20% стального лома;

15 – 30% собственного возврата;

До 10% чугунная стружка брикетированная.

Определяем необходимое содержание элементов в шихте, что бы после расплавления получить заданный состав чугуна.

Содержание углерода:

С_ш = (С_ж – С_н) / β,

Принимаем С_н = 1,8, а = 0,5, тогда

β = 1 – 0,5 = 0,5

С_ш = ((3,3 + 3,5) – 1,8) = 3,0 – 3,4

Угар кремния и марганца находим по таб.1: ΔSi = 15%, ΔMn = 20%. С учетом угара содержание этих элементов в шихте должно быть:

Si_ш = Si * 100/100 – ΔSi = (1,4 – 2,22) * 100/85= 1,64 – 2,58

Mn_ш = Mn * 100/100 – ΔMn = (0,7+1,0)* 100/80= 0,87 – 1,25

Фосфор при плавке в вагранке с кислой футеровкой полностью переходит из шихты в чугун, поэтому

Р_ш = Р_ж ≤ 0,2%

В таб.1 находим, что в вагранке с кислой футеровкой пригар серы наблюдается в переделах 25 – 100%. Принимаем пригар серы равным 40% и определяем её допустимое содержание в шихте:

S_ш = 0,15 * (100/100 + 40) = 0,11

Таким образом, ограничения на химический состав шихты могут быть записаны в виде системы уравнений:

3,0 ≤ ∑ С_iX_i ≤ 3,4

1,64 ≤ ∑ S_iX_i ≤2,58

0,87 ≤ ∑ Mn_iX_i ≤1,25

∑ P_iX_i ≤ 0,2

∑ S_iX_i ≤ 0,11

С учетом рекомендаций по составу шихты, и исходя из наличия шихтовых материалов, для расчета составляется таб.3. Химический состав шихтовых материалов берется из сертификатов (можно принять средний состав из справочников).

Технологические ограничения на состав шихты будут выглядеть следующим образом:

X₁+X₂+X₃ ≤ 0,25

X₄ ≤ 0,10

X₅ ≤ 0,10

X₆ ≤ 0,10

X₇ = 0,25

X₁₀ = 0,10

Х₁+Х₂+Х₃+Х₄+Х₅+Х₆+Х₇+Х₈+Х₉+Х₁₀ = 1

Расчет шихты методом подбора.

Сущность метода заключается в том, что на основании практических данных и норм расхода шихтовых материалов устанавливают ориентировочное количество компонентов в шихте. Затем подсчитывают какое количество основных элементов внесут в сплав эти компоненты с учетом угара или пригара. Если химический состав жидкого чугуна будет значительно отличаться от заданного, то весь расчет переделывать заново. Выбирают другие компоненты шихты, меняют их соотношения. Если же состав получается близким к заданному, то расчет не изменяют, а для доводки химического состава жидкого металла до заданного вводят необходимое количество ферросплавов сверх 100% основной части металлозавалки. Расчет шихты методом подбора часто используется, когда необходимо изменить металлозавалку для её удешевления.