книги / Плавка цветных металлов

1.2.2.Пример аналитического расчета шихты

Внастоящее время на большинстве предприятий имеются программы для расчета шихты с помощью ЭВМ. Для того чтобы понять сущность расчета, рассмотрим последовательность действий на примере «ручного» аналитического расчета шихты для приготовления сплава МЛ5он в индукционной тигельной печи.

Пусть на складе имеются в наличии следующие шихтовые материалы:

1) магний марки Mг90 в чушках (ГОСТ 804–93); 2) алюминии А85 (ГОСТ 11069–2001); 3) цинк Ц1 (ГОСТ 3640–94);

4) лигатураAl–Mg–Мn, содержащая67 % Al, 22 % Mg, 11 % Мn; 5) вторичный сплав MЛ5 следующего состава: 8,3 % Al, 0,4 %

Zn, 0,32 % Мn, ост. – Mg;

6) возврат в виде крупных литников и прибылей следующего состава: 8,6 % Аl, 0,3 % Zn, 0,32 % Мn, ост. – Mg;

7) переплав стружки следующего состава: 10,8 % Аl, 0,5 % Zn, 0,28 % Mn, ост. – Mg;

8) лигатура Al–Be, в которой содержится 4 % Be.

Расчет ведется в следующей последовательности. Сначала необходимо установить расчетный состав шихты. Для некоторых сплавов есть рекомендации по содержанию легирующих добавок (на верхнем или нижнем уровне) в зависимости от требований, предъявляемых к отливке. Если нет таких особых указаний по содержанию легирующих элементов и ограничений по примесям, то выбирается средний состав в пределах, установленных ГОСТом,

сучетом угара, как это показано в табл. 6. Остаточное содержание магния здесь проставлено без учета примесей.

Расчет обычно проводят на 100 кг готового сплава. При необходимости данные такого расчета можно легко перевести на любую массу сплава. Результаты расчета заносим в таблицу в виде баланса шихтовых материалов (табл. 7).

Обычно в шихту при плавке цветных сплавов допускается вводить не более 80 % вторичных сплавов и отходов. Поскольку

21

в выплавляемом сплаве допускается довольно высокое содержание примесей (до 0,7 %), мы можем использовать максимальное количество собственных отходов. В нашем примере допускаем 68 % данных материалов: 40 % вторичного сплава, 17 % возврата в виде крупных литников и прибылей и 11 % переплава стружки (пропорционально их наличию на складе).

Таблица 6

Выбор расчетного состава шихты, мас. %, для плавки сплава МЛ5он

Примечание: *бериллий вводится в сплав для уменьшения окисления сплава при плавке.

Таблица 7 Баланс шихтовых материалов на 100 кг сплава Мл5

По известному химическому составу этих компонентов шихты определяем путем решения простых пропорций, какое количество магния, алюминия и других элементов будет внесено с ними, и по-

22

лученные данные заносим в табл. 7. В качестве примера определим внесенное количество алюминия:

• в 40 кг вторичного сплава (8,3 % Al) содержится

40 8,3 = 3,32 кг Al;

100

• в литниках – 17 8,6 =1,46 кг Al;

100

• в стружке – 11 10,8 =1,19 кг Al.

100

Аналогичные данные получаем по содержанию марганца, магния и цинка. Принимаем, что бериллия в них не содержится, он выгорел в ходе предыдущих плавок. После заполнения этих трех строк видим, что необходимо дополнительно ввести бериллий, марганец, цинк, алюминий и магний.

Дальнейший расчет всегда начинается с компонентов, вводимых в сплав в виде лигатур и содержащихся в наименьших количествах. В нашем примере это бериллий и марганец.

Определяем потребное количество лигатуры Al–Be (4 % Be):

0,002 100 = 0,05 кг.

4

Вместе с шихтой в сплав вносится 0,05 – 0,002 = 0,048 кг Al. Переходим к определению нужного количества лигатуры, содержащей марганец. В шихте должно быть 0,36 кг Мn. Уже внесли в шихту 0,22 кг, осталось добавить с лигатурой 0,36 – 0,22 = 0,14 кг. Потребное количество лигатуры Al–Mg составит

0,14 100 =1,27 кг.

11

Вместе с марганцем из лигатуры в шихту добавится:

• алюминия 1,27 67 = 0,85 кг,

100

23

• магния 1, 27 22 = 0, 28 кг.

100

Недостающее количество магния, алюминия и цинка вводим в виде чистых металлов. Так, расчетное содержание цинка в сплаве (см. табл. 6) составляет 0,51 кг. Уже внесено с вторичными сплавами, отходами и стружкой 0,27 кг. Таким образом, надо добавить

0,51 – 0,27 = 0,24 чистого цинка Ц1.

Аналогично определяем количество алюминия и магния. Если используются вторичные сплавы с повышенным содер-

жанием примесей, то необходимо подсчитать их количество и сравнить с допустимым.

Для проверки правильности расчета необходимо просчитать сумму компонентов шихты (по вертикали) и сумму компонентов сплава (по горизонтали). Они должны быть одинаковыми.

1.3. Защита расплава при плавке

Плавка металлов и сплавов в большинстве случаев производится на открытом воздухе. Жидкие металлы тем или иным образом взаимодействуют с газами, входящими в состав воздуха. Результатом этого взаимодействия является загрязнение металла растворимыми и нерастворимыми примесями, снижающими качество отливок.

Если взаимодействие с газами ограничивается образованием на поверхности нерастворимых в расплаве соединений и образующаяся пленка этих соединений замедляет дальнейшее взаимодействие (алюминий и алюминиевые сплавы, цинковые и оловянно-свин- цовые сплавы), то можно продолжать плавку при прямом контакте расплава с атмосферой. Но для уменьшения угара все же лучше вести защитную плавку.

Если на расплаве образуется рыхлая пленка, не способная защитить металл от дальнейшего окисления (магний и его сплавы), то необходимо принимать специальные меры для его защиты.

Защита расплава необходима и в том случае, когда газ растворяется в жидком металле. На первый план выходит защита расплава от кислорода. При плавке сплавов на основе железа, никеля и меди,

24

которые растворяют кислород, металл требуется изолировать от атмосферы печи.

Для защиты расплавленного сплава от взаимодействия с газами печного пространства применяют флюсы, твердые покровные смеси и защитные атмосферы. В некоторых случаях для уменьшения взаимодействия расплава с газами проводят легирование специальными добавками. Так, в алюминиевые сплавы с магнием и в магниевые сплавы вводят тысячные доли процента бериллия. Если перечисленных мер оказываетсянедостаточно, то прибегают к вакуумной плавке.

Наибольшее применение для защиты нашли флюсы, представляющие собой расплавленную смесь различных солей и других химических соединений. Флюсы создают на поверхности металлической ванны сплошной шлаковый покров для изоляции расплава от газовой фазы или для очистки расплава от нежелательных примесей. Применение флюсов дает возможность уменьшить безвозвратные потери металла и повысить качество литья.

Флюсы делятся на покровные, рафинирующиеиуниверсальные. Все они должны отвечать следующим основным требованиям: 1. Иметь температуру плавления ниже, чем у расплавляемого

металла.

2. Флюс должен быть нейтральным к металлу, футеровке и атмосфере плавильной печи, т.е. не вступать с ними в химическое взаимодействие, растворять их или растворяться в них.

3.Флюс должен иметь плотность, значительно отличающуюся от плотности расплава. Чем больше разность значений плотности, тем проще отделение флюса от расплава. Плотность покровных флюсов, как правило, должна быть меньше плотности расплава.

4.Обладать повышенным поверхностным натяжением и минимальной смачивающей способностью по отношению к расплаву, чтобы обеспечивать сплошность покрова над расплавом и легко отделяться от него.

5.Обладать малой вязкостью при плавлении и повышенной вязкостью при разливке.

6.Обладать минимальной гигроскопичностью и не содержать водород.

25

7. Рафинирующие и универсальные флюсы в дополнение к этому должны обладать адсорбционной способностью к примесям, чтобы растворять или адсорбировать включения или вступать с ними в химическое взаимодействие с образованием частиц, которые будут всплывать в шлак или оседать на дно тигля.

Наиболее полно этим требованиям соответствуют смеси хлористых и фтористых солей щелочных, щелочно-земельных и некоторых других металлов. Главные физические свойства солей, применяемых для приготовления флюсов, приведены в табл. 8. Здесь же показаны и свойства некоторых оксидов.

26

При определении состава флюсов необходимо руководствоваться соответствующими диаграммами плавкости солей. Флюсы можно приготовить механическим смешиванием солей, но лучше произвести их сплавление, а затем раздробить на кусочки и хранить в термостате при 120 °С. В том и другом случае соли предварительно обезвоживают путем сушки в нагревательных печах.

Весьма перспективным является использование жидких флюсов, предварительно расплавленных в специальных флюсовых печах.

Следует иметь в виду, что шлаки и флюсы, применяемые при плавке, могут оказывать разрушающее воздействие на огнеупорную футеровку.

Состав, назначение и условия применения флюсов будут рассмотреныв подразделах, описывающих плавку тех или иных сплавов.

Защитные атмосферы могут быть созданы из инертных или нейтральных газов [12]. Они используются в тех случаях, когда невозможно или нежелательно применять флюсы, например при плавке сплавов, содержащих химически активные добавки. Атмосферы не загрязняют расплав примесями и шлаковыми включениями и не разрушают футеровку. Наиболее надежную защиту дают такие инертные газы, как гелий и аргон. Аргон дешевле и удобнее в работе. Для алюминиевых, магниевых и медных сплавов можно взять азот, который до определенной температуры является инертным по отношению к ним. При повышении температуры выше 750 °С азот образует нитриды AlN в алюминиевых и магниевых сплавах.

При всей эффективности флюсов и защитных атмосфер наиболее надежным способом получения чистых расплавов будет плавка в вакууме в специальных вакуумных печах или вакуумирование готового расплава в вакуумных камерах.

Процесс очистки металла от таких нежелательных примесей называется рафинированием или дегазацией, если целью рафинирования является удаление растворенных газов. Разнообразие видов примесей, их природы, состава, агрегатного состояния, формы и размеров затрудняет выбор способа рафинирования.

Плавка металла в вакууме необходима для титановых и некоторых никелевых сплавов. Остаточное давление в плавильной печи, как правило, не более 0,13 Па.

27

Плавка в вакууме сопряжена с заметными потерями металлов из-за их испарения. Поскольку плавка ведется при включенной вакуумной системе, испарение происходит непрерывно.

1.4. Рафинирование цветных сплавов

При плавке литейных сплавов на воздухе, несмотря на принимаемые меры по защите расплава, чистый металл получить не удается. Кроме того, некоторое количество загрязнений вносится с шихтовыми материалами.

Для получения качественных отливок необходимо очистить расплав от всех видов примесей, т.е. произвести рафинирование расплава (или дегазацию, если целью рафинирования является очистка расплава от растворенных газов) [12].

1.4.1. Рафинирование от растворенных примесей

Удаление растворенных примесей из расплавов, как правило, является задачей металлургического передела, однако подобные процессы приходится проводить и в ходе приготовления сплавов в литейном цехе. Для этих целей можно воспользоваться окислением, хлорированием, обработкой флюсами, отстаиванием или вакуумной дистилляцией.

Путем окислительной плавки можно удалить из расплава примеси, обладающие большим сродством к кислороду, из металлов, которые способны растворять кислород. Таким способом можно удалить из меди свинец, мышьяк, висмут, сурьму, а из никеля – кремний, магний, марганец. Если ввести в расплав твердые окислители или продуть его кислородом, то вначале произойдет окисление основного металла и насыщение его кислородом. Затем будут окисляться растворенные примеси. Если образовавшиеся оксиды нерастворимы в расплаве, то они постепенно перейдут в шлак [12]. Избыток кислорода из основного металла удаляется путем раскисления, механизм которого рассмотрен ниже.

Элементы, обладающие большим сродством к хлору, могут быть удалены хлорированием – продувкой расплава хлором. Таким

28

путем проводится очистка алюминиевых сплавов от примесей натрия и магния.

Рафинирование флюсованием применяют для тех примесей, которые растворяются во флюсе или образуют с ним летучие или легко шлакующиеся соединения, нерастворимые в основном металле. Если над алюминиевым расплавом навести флюс, содержащий криолит (Na3AlF6), то можно удалить излишний магний.

Вакуумную дистилляцию используют для удаления примесей, имеющих большее давление пара, чем у рафинируемого металла.

Рафинирование отстаиванием применяют для удаления примесей, которые образуют между собой или с основным металлом тугоплавкие соединения, отличающиеся от рафинируемого металла по плотности. Во время выдержки при температуре, лежащей ниже точки выпадения из раствора кристаллов тугоплавких соединений, последние всплывают или оседают в расплаве.

1.4.2. Рафинирование расплавов от нерастворимых примесей

Нерастворимые примеси решающим образом влияют на технологические и рабочие свойства металлов. Они резко снижают пластические свойства, существенно понижают коррозионную стойкость.

Нерастворимые примеси представляют собой неметаллические вещества: оксиды, нитриды, карбиды, карбонитриды и т.п. В связи с этим их называют неметаллическими включениями. Они делятся на экзогенные и эндогенные. Экзогенными называют примеси, которые попадают в расплав извне. К ним относятся частицы футеровки, шлака, флюса, литейной формы и других инородных материалов, занесенные в расплав с шихтой или попавшие в него при перемешивании и разливке сплава. К эндогенным относятся неметаллические включения, образовавшиеся при протекании физикохимических процессов в расплаве, например при раскислении.

Для получения годных отливок необходимо удалить из расплава как растворимые, так и нерастворимые примеси. Как правило, при любом методе рафинирования достигается определенный эффект по одновременному удалению тех и других примесей.

29

Различают адсорбционные, неадсорбционные и комбинированные методы рафинирования.

Адсорбционные методы сопровождаются физико-химическим взаимодействием (адсорбцией) между рафинирующим веществом

ивключением или газом. К таким методамотносятся следующие:

•Продувка инертными (нейтральными) газами. В расплав че-

рез пористые насадки под небольшим избыточным давлением вдувают аргон или азот (в сплавы, к которым он инертен). Пузырьки инертного или нейтрального газа адсорбируют водород, а также смачивают некоторые неметаллические включения и уносят их на поверхность.

•Продувка активными газами. В расплав вдувается газ, вступающий в химическое взаимодействие с основным металлом с образованием нейтрального газа, который и оказывает рафинирующее действие. Так, алюминиевые сплавы с большой эффективностью продувают хлором, который образует газообразное соединение

AlCl3. Газообразные продукты с рафинирующим действием могут быть получены и при введении в расплав хлористых солей.

•Рафинирование флюсами. Флюсы предназначаются для защиты металла при плавке от окисления и насыщения газами. Кроме защитных свойств, некоторые составы флюсов могут растворять примеси или образовывать с ними летучие или шлакующиеся соединения. Такие флюсы называют рафинирующими или универсальными. Они широко применяются при плавке магниевых и алюминиевых сплавов.

Неадсорбционные методы рафинирования также весьма раз-

нообразны:

• Отстаивание расплава. Метод основан на разности значений плотности расплава и материала включений. Легкие частицы могут всплывать и переходить в шлак. Скорость всплывания частиц невелика. Время всплывания крупных частиц измеряется минутами. Но мелкие частицы (менее 5 мкм) удалить отстаиванием практически невозможно. Реальный результат может быть достигнут в том случае, если есть возможность укрупнения частиц и придания им компактной формы.

30