книги / Плавка цветных металлов

скосвенной дугой; б – электродуговая гарнисажная; в – электродуговая для плавки в кристаллизаторе; г – электрошлаковая; д – электронно-лучевая

скристаллизатором; е – электронно-лучевая с тиглем; ж – плазменная камерная; з – плазменная с кристаллизатором; и – плазменная тигельная

Плавильные печи могут быть открытые (плавка на воздухе) и вакуумные (плавка в вакууме) [12]. Так, для плавки жаропрочных сплавов на никелевой основе применяют индукционные вакуумные плавильные печи, а для плавки титановых сплавов вакуумные электродуговые.

11

1.2. Шихтовые материалы и расчет шихты

Все материалы, загружаемые в плавильные печи в процессе плавки металлов и сплавов, называют шихтовыми или просто шихтой. В состав шихты при плавке цветных сплавов могут входить:

•первичные материалы – металлы и сплавы, поступающие

сметаллургических заводов;

•лигатуры или промежуточные сплавы, поступающие с металлургических заводов или приготовленные на месте;

•возврат собственного производства, который делится на отходы литейного цеха (бракованные отливки, литники и прибыли, сплески, стружка от отрезки литников и прибылей) и отходы механических цехов (бракованные детали, стружка);

•вторичные цветные металлы и сплавы – переработанный лом и отходы;

•модификаторы.

Кроме вышеперечисленного, при плавке цветных сплавов могут использоваться и неметаллические материалы – соли и смеси солей (флюсы).

Первичные металлы и сплавы являются продукцией металлургических предприятий. Их готовят из рудных материалов. В литейные цеха эти материалы поставляют в соответствии с ГОСТами или по ТУ в виде чушек, слитков или гранул. Маркировка и состав практически всех первичных металлов приведены в соответствующих нормативных документах и в справочной литературе, например в учебном пособии «Цветные сплавы» под авторством В.Н. Шишляева. Так, маркировка и химический состав приведены:

•для алюминия – в ГОСТ 11069–2001 «Алюминий первичный. Марки», ГОСТ 295–98 «Алюминий для раскисления, производства ферросплавов и алюминотермии. Технические условия» и ГОСТ1583–93 «Сплавы алюминиевые литейные. Техническиеусловия»;

•магния – в ГОСТ 804–93 «Магний первичный в чушках. Технические условия», ГОСТ 2856–79 «Сплавы магниевые литейные. Марки» и ГОСТ 2581–78 «Сплавы магниевые в чушках. Технические условия»;

12

•титана – в ГОСТ 17746–96 «Титан губчатый. Технические условия», ГОСТ 19807–91 «Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки». Используют девять марок литейных титановых сплавов: ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, ВТ20Л, ВТ3-1Л, ВТ9Л, ВТ21Л, ВТ35Л, их основной химический состав совпадает с составом деформируемых сплавов, за исключением более высокого содержания примесей в литейных сплавах;

•меди – в ГОСТ 859–2001 «Медь. Марки», ГОСТ 17711–93 «Сплавы медно-цинковые (латуни) литейные. Марки», ГОСТ 613–79 «Бронзы оловянные литейные. Марки», ГОСТ 493–79 «Бронзы безоловянные литейные. Марки»;

•никеля – в ГОСТ 849–2018 «Никель первичный. Технические условия»;

•цинка – в ГОСТ 3640–94 «Цинк. Технические условия», ГОСТ 25140–93 «Сплавы цинковые литейные. Марки», ГОСТ 21437–95 «Сплавы цинковые антифрикционные. Марки, технические требования и методы испытаний»;

•олова и свинца – в ГОСТ 860–75 «Олово. Технические условия», ГОСТ 3778–98 «Свинец. Технические условия», ГОСТ 1320–74 (ИСО 4383–91) «Баббиты оловянные и свинцовые. Технические условия»;

•золота и серебра – в ГОСТ 6835–2002 «Золото и сплавы на его основе. Марки», ГОСТ 28058–2015 «Золото в слитках. Технические условия», ГОСТ 28595–2015 «Серебро в слитках. Технические условия», ГОСТ 6836–2002 «Серебро и сплавы наего основе. Марки».

Первичные цветные сплавы в чушках производит большинство металлургических предприятий. Их состав и маркировка совпадают с маркировкой стандартных литейных сплавов. При необходимости можно заказать первичный чушковый сплав с любым составом в соответствии с потребностями литейного цеха. Первичные металлы и сплавы являются самой дорогой частью шихты и применяются для получения наиболее ответственных отливок.

Лигатуры (промежуточные сплавы, состоящие из основного компонента рабочего сплава и одного или нескольких легирующих

13

компонентов) применяются в тех случаях, когда введение компонента в чистом виде затруднено по различным причинам [12].

В виде лигатур наиболее целесообразно вводить тугоплавкие, химически активные, летучие компоненты или очень малые добавки (например, модификаторы). Использование лигатур с тугоплавкими элементами позволяет сократить длительность процесса растворения, потери от окисления, испарения и шлакообразования. Кроме экономии дефицитных легирующих металлов, это поможет избежать излишнего перегрева расплава, а следовательно, уменьшить потери и основы сплава. Введение легкоокисляющихся элементов непосредственно в сплав не обеспечивает получение их заданного состава в сплаве из-за неравномерного угара. Использование лигатур с этими элементами позволяет стабилизировать химический состав сплавов.

К лигатурам предъявляют следующие требования:

•они должны иметь минимальную температуру плавления;

•содержать максимальное количество легирующего компо-

нента;

•иметь однородный химический состав;

•быть хрупкими для удобства дробления.

Некоторые лигатуры выпускает металлургическая промышленность, их состав должен соответствовать требованиям ГОСТов. В табл. 1 приведены состав и значения температуры плавления одной разновидности таких стандартных лигатур – медно-фосфорных. Эти лигатуры поставляют в виде рифленых плит, которые легко раскалываются на куски по пережимам, или в виде прутков. Лигатуры маркируют цветными полосками: МФ13 – одна голубая полоса; МФ10 – одна белая полоса; МФ9 – одна черная полоса.

Другие лигатуры выпускают по ТУ металлургических предприятий. Их состав может быть изменен в соответствии с требованиями заказчика.

Большинство промежуточных сплавов можно готовить и непосредственно в литейном цехе. Состав наиболее употребительных двойных и более сложных лигатур приведен в табл. 2. Технология плавки некоторых лигатур собственными силами в литейном цехе рассмотрена в подразд. 2.

14

Таблица 1

Химический состав, мас. %, и назначение лигатуры медь–фосфор по ГОСТ 4515–81

Качество лигатур, выпускаемых специализированными предприятиями, всегда выше, чем лигатур собственного приготовления. В зависимости от целей и методов использования лигатуры могут поставлять в различных формах (табл. 3).

Таблица 3

Формы поставки лигатур

16

Классификацию лигатур по назначению рассмотрим на примере лигатур на основе алюминия:

1. Лигатуры для модифицирования алюминиевых литейных сплавов. Модифицирующий эффект достигается при использовании лигатур Al–Ti, Al–Zr, Al–Sr и Al–Ti–B.

17

2.Лигатуры для изменения (корректировки) химического состава алюминиевых сплавов. Эта многочисленная группа включает в себя всевозможные лигатуры на основе алюминия для подшихтовки при изготовлении сплавов. В эту группу входят и лигатуры, которые применяют для повышения прочности сплава. Примером могут слу-

жить: Al–Si, Al–Mn, Al–Mg, Al–Cr, Al–Cu, Al–V.

3.Лигатуры для улучшения определенных физических или механических свойств. Отдельную группу составляют лигатуры для специальных целей (улучшения определенных физических или механических свойств). Например, лигатура алюминий–бор (Al–B) добавляется для увеличения электрической проводимости алюминия для электротехнических целей – этот метод часто называют обработкой бором. Лигатуру алюминий–бериллий (Al–Be), а также в настоящее время и алюминий–кальций (Al–Ca) добавляют для минимизации образования слоя оксида и шпинели в сплавах системы Al–Mg. Лигатуру алюминий–цирконий (Al–Zr) используют для увеличения температуры рекристаллизации некоторых алюминиевых сплавов.

Возврат собственного производства составляет значитель-

ную часть (до 80 %) шихтовых материалов. Чем меньше выход годного и выше процент брака, тем больше накапливается собственных отходов. Крупные куски (бракованные отливки, прибыли, литники) должны быть очищены от остатков литейных форм и стержней. Мелкие отходы, особенно стружку, рекомендуется раздробить, очистить от масел и жидкостей, переплавить и хранить в маркированных чушках.

Вторичные цветные металлы и сплавы широко применяются

вшихте для сплавов, в которых допускается повышенное содержание примесей. Лом и отходы цветных металлов перерабатываются на специализированных предприятиях в соответствии с ГОСТ Р 54564–2011 (табл. 4).

Модификаторы существенно улучшают механические свойства сплавов. Их применение оправдано при плавке любых сплавов. Часть модифицирующих добавок выпускается в виде лигатур с основой сплава, часть применяется в виде солей и флюсов.

18

1.2.1. Расчет шихты

Расчет шихты производится для определения количества тех или иных шихтовых материалов, которые необходимы для получения заданного состава сплава с минимальным содержанием примесей. Задачей расчета шихты является определение массовой доли каждого из компонентов шихты. Необходимо учитывать, что в ходе плавки происходит изменение концентрации каждого из элементов, входящего в состав сплава. Происходит угар или пригар элемента. Эти изменения необходимо учесть на первой стадии расчета, при определении химического состава шихты. При плавке цветных сплавов наблюдается только угар элементов. Величину угара определяют по результатам производственных плавок. Если таких данных еще нет, то можно воспользоваться справочными данными. В табл. 5 приведены величины угара различных металлов.

19

Как видно из табл. 5, угар существенно зависит от типа плавильного устройства и состояния шихты.

В задачу расчета обычно включается и оптимизация шихты по стоимости.

Для проведения расчета шихты необходимо иметь следующие данные:

1)химический состав приготовляемого сплава и особые требования, предъявляемые к сплаву по содержанию основных компонентов и примесей;

2)характеристику материалов, имеющихся на складе шихтовых материалов (количество, состав и состояние);

3)величину угара элементов, входящих в состав сплава;

4)требуемое количество расплава.

20