книги / Теория литейных процессов

насыщенных паров; Р - фактическое давление паров в данный момент (для металлов это значение близко к нулю, так как пары металла на воздухе быстро окисляются); Я - внешнее давление; /я, п - эмпирические коэффициенты, обычно их значение меньше единицы.

Часто эта формула Дальтона представляется в несколько ином виде:

где экспериментальным путем определяется один коэффициент К. По формуле Дальтона следует, что определяющую величину представляет Р0 - давление насыщенных паров, которое является функцией температуры и выражается известным уравнением Клаузиуса-Клапейрона

давление. Увеличение давления снижает скорость испарения и, наоборот, создание разрежения, вакуума способствует увеличению скорости испарения. Поэтому плавка легкокипящих металлов Mg, Zn и их сплавов в вакууме не допускается. Для таких сплавов благоприятно действие повышенных давлений в печной атмосфере. Из основного выражения скорости испарения - формулы Дальтона - следует, что основной путь снижения потерь металла при испарении состоит в снижении Р0 равновесного, или давления насыщенных паров. Как было рассмотрено выше, эта величина зависит прежде всего от температуры. Однако из теории растворов известно, что переход вещества в раствор снижает давление паров этого вещества (P = PQN - закон Рауля). Из рис. 5.3 видно, что и температура кипения вещества в растворе повышается. Отсюда вырисовывается технологическое направление ввода в расплав легкокипящих элементов не в чистом виде, а в виде лигатур с целью снижения величины равновесного давления Р0 и повышения температуры кипения. Оценим количественную величину и методику расчета повышения температуры кипения. В расчете используется уравнение КлаузиусаКлапейрона (5.53). В этом выражении учтем АН = Я как скрытую теплоту

испарения. Выразим Р через концентрацию следующим образом. При температуре кипения раствора Р = Р0= 1 атм. In P = ln(/yV) = 1п1 = 0.

Рис. 5.3. Изменение температуры кипения вещества при переходе в раствор

Дифференцируем по температуре

Полученное выражение может быть использовано для расчета состава лигатуры при вводе легкокипящего элемента.

Перейдем от концентрации в мольных долях к процентной концентрации. Масса мольной доли железа равна 0,084 ат. Mg = 0,084 -24 = 2,0 г, где ат. Mg - атомный вес магния. Масса мольной доли железа равна 0,926 ат. Fe = 0,926 56 = 51,4 г. Масса суммы мольных долей железа и магния равна 53,4 г. Отсюда процентное содержание магния в лигатуре составит (2,0 -100%)/53,4 = 3,7 %.

Для двойного сплава кремния с магнием аналогичный расчет для повышения температуры кипения магния на 300 °С дает концентрацию магния

-7,8 %. Поэтому и применяют тройные железокремниемагниевые лигатуры.

5.4.Состав и свойства шихтовых материалов

Классификация и общая характеристика материалов. В качестве основы металлических шихтовых материалов используются первичные и вторичные черные и цветные металлы и лигатуры. Первичные материалы являются продукцией металлургической промышленности, получаемой из рудных материалов и поставляемой, как правило, в чушках. Вторичные материалы представляют собой лом и отходы металлов и сплавов, а также сплавы цветных металлов, выплавляемые из лома и отходов. Вторичные черные металлы в виде лома широко используют при плавке стали и чугуна.

Вторичные цветные металлы переплавляют на специализированных заводах, продукцией которых служат сплавы в чушках. Иногда лом и отходы используются непосредственно на машиностроительных предприятиях, на которых имеется необходимое шихтоподготовительное и металлургическое оборудование, причем использование отходов дает значительный экономический эффект.

Сплавы в чушках - это практически готовые литейные сплавы. В виде готовых сплавов в чушках поставляют следующие сплавы: алюминиевые литейные; магниевые; цинковые для литья под давлением; цинковые антифрикционные; бронзы для художественного литья; безоловянные литейные и оловянные; латуни литейные.

Чушковые чугуны. Эти чугуны разделяют на литейные, передельные и природно-легированные. Литейные чугуны выпускают обычные (маркировка Л) и рафинированные магнием (ЛР). Их делят по содержанию кремния на марки Л1 (3,2-3,6 % Si)-R6 (1,2-1,6 % Si); по содержанию марганца на группы I-IV (I - до 0,3 % Mn; IV - св. 0,9 до 1,5 % Мп); по содержанию фосфора на классы А, Б, В, Г, Д (А - до 0,08 % Р; Б - до 0,12 % Р; В - до 0,3 % Р; Г - до 0,7 % Р; Д - до 0,12 % Р) и по содержанию серы на категории 1-4 (1 - до 0,02 % S; 4 - до 0,05 % S).

Передельный чугун выпускают десяти марок: для сталеплавильного производства П1 и П2, для литейного производства ПЛ1 и ПЛ2, фосфористый ПФ1, ПФ2, ПФЗ и высококачественный ПВК1, ПВК2, ПВКЗ.

Марка, как и для литейного чугуна, определяется содержанием кремния, которого в передельном чугуне значительно меньше, чем в литейном. Передельный чугун также подразделяют на группы по содержанию марганца, на классы по содержанию фосфора и на категории по содержанию серы.

Чугуны природно-легированные используют трех видов: хромоникелевый, титановый и титанмедистый. Хромоникелевый чугун выпускают десяти марок - от ЛХН1 (0,2 % Ni+Co, 0,4-1,2 % Сг) до JIXH10 (1% Ni+Co, 2,3-3,2 % Сг). Титановый чугун (БТЛЗ-БТЛ7) содержит 0,3-1,2 % Ti, титанмедистый (БТМЛЗ-БТМЛ7) - 1-3 % Си и 0,3-1,2 % Ti. Присадка их в шихту позволяет выплавлять низколегированные конструкционные чугуны.

Металлы вторичные черные. Это чугунный и стальной лом, стружка стальная и чугунная, обрезь и т. д. Классификация вторичных металлов представлена на рис. 5.4. Они подразделяются на две категории (А - углеродистые и Б - легированные), на два класса (стальные и чугунные) и на несколько видов. Вид определяется физическим состоянием и показателями качества: кусковые, прессованные, стружка; габаритные, негабаритные и т. д. (рис. 5.4). Вторичные материалы вне класса при плавке в литейном производстве не используют.

Легированные лом и отходы делят на 67 групп по составу. Ферросплавы. Эта обширная группа металлических шихтовых

материалов включает сплавы Fe с одним или несколькими легирующими элементами. Основной легирующий элемент обычно приводится в названии (ферросилиций, ферромарганец, феррохром и т. д.).

Ферромарганец разделяют на низкоуглеродистый (0,5 % С), среднеуглеродистый (1-2 % С) и высокоуглеродистый (7 % С). Низкоуглеродистый и среднеуглеродистый ферромарганец содержит 85 % Мп (кроме ФМн2,0, в котором 75 % Мп). В низкоуглеродистом ферромарганце среднее содержание углерода показано в цифровом обозначении марки (например, ФМн1,5 содержит 1,5 % С). Среднее содержание марганца в высокоуглеродистом ферромарганце показано в цифровом обозначении марки (например, ФМн75 содержит 75 % Мп). В маркировке ферромарганца буква А означает понижение содержания фосфора (например, ФМн78А содержит 0,05 % Р), буква К - пониженное содержание кремния (до 1 % Si), С - повышенное содержание кремния (например, ФМн75АС6 содержит 6 % Si).

Феррохром подразделяют на низкоуглеродистый (0,01-0,5 % С), среднеуглеродистый (1-4 % С), высокоуглеродистый (6,5-8,0 % С) и азотированный (1-6 % N), в маркировку которого введено буквенное обозначение Н. Во всех марках феррохрома содержание хрома составляет 60-68 %. В маркировке низкоуглеродистого, среднеуглеродистого и высокоуглеродистого феррохрома цифры показывают содержание углерода (например, ФХ006А содержит 0,06 % С), а в маркировке азотированного феррохрома - содержание азота (например, ФХН2А содержит 2 % N).

Содержание кремния в феррохроме находится в пределах 0,8-2,0 %. Буква С в маркировке указывает на повышенное содержание кремния (например, ФХ800СА содержит 10 % Si), а буквы А и Б - на различие в содержании фосфора.

Ферросилиций выпускают одиннадцати марок. В маркировке цифры показывают среднее содержание кремния в ферросилиции (например, ФС45 содержит 41-47 % Si).

Ферротитан выпускают двенадцати марок с содержанием титана не менее 20 % (ФТн20А)-68 % (ФТн68). В маркировке ферротитана буквы А и Б указывают на различие в содержании фосфора.

Ферровольфрам выпускают шести марок с содержанием вольфрама не менее 65 % (ФВ65)-80 % (ФВ80а). Буква а в марке показывает на присутствие алюминия в ферровольфраме.

Ферробор выпускают семи марок с содержанием бора не менее 6 % (ФБ6) и 20 % (ФБ20).

Ферросиликохром выпускают шести марок с содержанием хрома не менее 28 % (ФСХ48)-55 % (ФСХ13). В марках ферросиликохрома цифры показывают среднее содержание кремния.

Ферромолибден выпускают пяти марок (от ФМо50 до ФМобО) с содержанием молибдена в пределах 52-60 %.

Ферросплавы используют для корректировки шихты и легирования. 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 % А1), высокой чистоты - А995 (99,995 % А1) и т. д. до А95, технической чистоты - А85 и т. д. до АО (99 % А1).

В чушках первичной плавки поставляют также силумин, содержащий 1013% 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 % Мп, 0,2 % Са, 0,3 % Си, 0,08 % Zn.

Магний первичный в чушках маркируют в зависимости от химического состава: Мг96 (99,99 % Mg), Мг95 (99,95 % Mg), Мг90 (99,90 % Mg).

Медь маркируют в зависимости от способа изготовления: наиболее чистую бескислородную обозначают МООб (99,99 % Си); раскисленную - М1р (99,9% Си), М1ф, М2р; после огневого рафинирования - М2 (99,7 % Си), М3 (99,5 % Си).

Аналогично маркируют и все другие первичные металлы. Цинк от ЦВ00 (99,997 % Zn) до Ц2 (97,5 % Zn). Олово от ОВЧ-ООО (99,999 % Sn) до 04 996,43 % Sn). Свинец от СО (99,992 % РЬ) до СЗС (99,5 % РЬ). Никель от Н-0 (99,99 % Ni) до Н-4 (97,6 % Ni). Титан от ТГ-90 до ТГ-150 (число означает твердость), ТГ-Тв (буквы Тв означают твердый). Хром от Х99А (99 % Сг) до Х97 (97 % Сг).

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 % Си, 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, МА5Ц1 содержит 5 % А1 и 1 % Zn.

Маркировка цинковых сплавов в чушках совпадает с маркировкой самих сплавов. Например, ЦАМ 9-1,54 (9 % А1, 1,5 % Си).

Бронзы в чушках оловянные и безоловянные и латуни литейные в чушках маркируют в зависимости от химического состава, сразу за буквами: А-А1; Ж - Fe; Мц-Мп; O-Sn; Ц-Zn; C-Pb; H-Ni. Например, бронзы оловянные в чушках обозначают Бр. ОЗЦ8С4Н1 и т. д.

В ГОСТ 1020-77 даны конкретные указания, для какой марки латуни применяют ту или иную марку чушки.

Лом и отходы цветных металлов и сплавов. Их классифицируют по наименованиям металлов (рис. 5.5). 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, и Д16П. В характеристике сортов указывается состояние сплава (кусковой лом, проволока, обрезь труб, листов и т. д.), а также засоренность другими металлами.

Физические характеристики шихтовых материалов. При плавке литейных сплавов важное значение имеет не только химический состав компонентов шихты, но и их температура плавления, плотность, удельная поверхность и насыпная плотность (табл. 5.5).

Данные о насыпной плотности используются для определения объема рабочего пространства, занимаемого шихтой в плавильной печи, и расчета загрузочных устройств и т. п.

Компоненты шихты могут иметь удельную поверхность, отличающуюся на один-два порядка, что оказывает влияние на угар элементов. Большую удельную поверхность имеют стружка и мелкий лом, поэтому при плавке необходимо принимать меры к тому, чтобы избежать их чрезмерного окисления.

Рис. 5.5. Классификация вторичных цветных металлов

Характеристика основных шихтовых материалов

Топливо. В качестве топлива при плавке литейных сплавов применяют кокс, мазут и природный газ.

Кокс литейный каменноугольный в зависимости от содержания серы обозначают КЛ-1, КЛ-2 и КЛ-3 (табл. 5.6)

Для кокса всех марок установлены классы по размеру кусков: 80 мм и более, 60 мм и более, 60-80 и 40-60 мм.