Расчет шихты

1. Определение  химического состава чугуна заданной  марки

Химический состав серых чугунов определяют по ГОСТ 1412-85

Рекомендуемый состав серого чугуна по ГОСТ 1412-85

Средний расчетный состав чугуна чаще всего  определяют как полусумму указанных в табл. 1 и 2 предельных значений. Например, для чугуна СЧ 15 можно принять следующий состав: 3,6 % С, 2,2 % Si, 0,6 % Mn, не более 0,15 % S, не более 0,2 % Р.

2. Шихтовые материалы для плавки чугуна

 

Среди применяемых  при плавке чугуна шихтовых материалов можно выделить следующие группы:

• отходы собственного производства литейного цеха;
• стальной и чугунный лом;
• стальная и чугунная стружка;
• чушковые чугуны;
• ферросплавы и легирующие добавки;
• лигатуры и модификаторы;
• карбюризаторы.

К отходам собственного производства относятся литники, прибыли, выпоры, скрап, бракованные отливки и  т.п. Как правило, химический состав отходов можно принять равным среднему расчетному составу выплавляемого чугуна. Количество отходов в шихте должно быть согласовано с балансом металла по цеху и выходом годного.

Все отходы целесообразно  переплавлять в цехе. Это обеспечивает снижение себестоимости чугуна. Не переплавленные отходы придется фактически списывать. Так как цена металлолома  значительно ниже себестоимости отходов, это приведет к повышению себестоимости чугуна. При выполнении расчета количество включаемых в шихту отходов либо указывается в задании, либо определятся при расчете баланса металла по цеху. В зависимости от марки чугуна и типа отливок (в зависимости от выхода годного) доля отходов шихте составляет от 15 до 35 %.

Вторичные черные металлы (чугунный и стальной лом, стружка) должны соответствовать  требованиям ГОСТ 2787-86. Их классифицируют по наличию легирующих элементов  на категории (А - углеродистые, Б -легированные), на 25 видов по показателям качества и 67 групп по содержанию легирующих элементов. Химический состав лома указывается поставщиком в сертификатах и для каждой партии контролируется на предприятии. Количество чугунного лома в шихте колеблется от 10 до 40 %, а стального лома от 0 до 60 % в зависимости от химического состава лома, марки выплавляемого чугуна и типа плавильного агрегата.

 

3. Изменение содержания химических элементов в шихте в процессе плавки

В результате взаимодействия элементов шихты с газами, футеровкой печи и топливом происходит уменьшение (угар) или увеличение (пригар) содержания химических элементов в шихте. Выраженное в процентах изменение содержания элемента в процессе плавки, отнесенное к его содержанию в шихте, называют угаром элемента У. Величина угара У зависит от типа плавильного агрегата, его конструкции и размеров, режима плавки, а также от вида элемента.

В соответствии с  этим на практике значения y для каждого элемента и типа плавильного агрегата характеризуются некоторыми диапазонами значений. Например, при плавке в вагранке угар кремния составляет 10-35 %, угар марганца 15-40 %, угар хрома 15-20 %. При плавке в вагранке с кислой футеровкой угар фосфора равен нулю. Содержание никеля при плавке не изменяется (Ум=0).

При опускании  твердой шихты в верхней части  печи происходит угар углерода Ус, а при протекании капель жидкого чугуна через холостую калошу и при выдержке его в горне происходит науглероживание, вызванное переходом углерода из кокса в чугун. Содержание углерода в чугуне С_ч можно определить по формуле

С_ч=С_ш(1-(У_с/100))+ К_н                     (1)

где С_ш - процентное содержание углерода в шихте;

К_н - коэффициент науглероживания, представляющий собой выраженное в процентах количество углерода, перешедшего из кокса в чугун.

Величины У_с и К_н зависят от многих факторов и колеблются в значительных пределах. При плавке серых чугунов в среднем при выполнении расчетов можно принять К_н=2 % и У_с=50 %.

Для того чтобы  обеспечить в чугуне требуемое содержание углерода С_ч необходимо, чтобы содержание углерода в шихте удовлетворяло следующему, полученному из (1) уравнения

 

С_ш= (С_ч- К_н)/ (1-(У_с/100))           (2)

Основное количество серы в вагранку поступает с коксом. 30 % серы кокса окисляется, а 70 % переходит  в чугун, что приводит к повышению  содержания серы в чугуне. При выполнении расчетов можно принять пригар серы 60 %.

Для обеспечения получения чугуна заданного  состава необходимо определить содержание элементов в шихте с учетом их угара или пригара. Справедливо  следующее балансное уравнение

Э_ш*(1-(У_с/100))=Э_ч

где Э_ш и Э_ч - содержания элемента в шихте и в чугуне.

Отсюда  находим уравнения для расчета содержания элементов в шихте

               Э_ш=(Э_ч*100)/(100-У)          (3)

В случае угара У>0, а в случае пригара У<0.

При плавке в вагранке при выполнении расчетов можно принять следующие  усредненные значения величины угара  элементов: У&=15 %, Ум_п=20 %, ys= - 60 % и у,=0.

Определим содержание элементов в ваграночной  шихте для выплавки чугуна марки СЧ 15, при определенном выше среднем составе чугуна.

 

Si_ш=(2,4*100)/(100-15)=2,82%

Mn_ш=(0,6*100)/(100-20)=0,75%

S_ш(0,15*100)/(100+60)=0,094%

P_Ш0,2%

Содержание углерода найдем по формуле (2):

С_ш=(С_ч- К_н)/ (1-(У_с/100))=(3,6-2)/(1-(50/100)=3,2

 

 

4. Выполнение  расчетов при плавке чугуна  в вагранке         4.1.Последовательность расчета шихты

 

В обобщенном виде последовательность расчета шихты  описана во введении. Рассмотрим здесь  эту последовательность на примере  расчета шихты для выплавки чугуна марки СЧ 15.

Определенные  выше соответствующие значения для  чугуна СЧ 20 записываем в соответствующие  колонки в строках 1 и 3 табл. 6. Расчет ведем на 100 кг жидкого чугуна. Данные по угару элементов, помещенные в строку 2, определены как разность содержания элементов в шихте (строка 3) и в чугуне (строка 1). Угар железа принимаем равным 0,25 % от его содержания в чугуне, т.е

 

У_fe= (100-3,6-2,2-0,6-0,15)*0,25/100=0,233 кг

Суммарный угар элементов определится как  алгебраическая сумма угаров элементов, т.е

У=0,34+0.2+0,23-0,6-0,056= =0,11 кг.

Примем  количество вводимых в шихту отходов  собственного производства равным 25 кг, а количество покупного чугунного лома - 14 кг. Химический состав применяемых шихтовых материалов приведен в табл. 7.

Внесем  процентные содержания элементов в  отходах и ломе в соответствующие колонки строк 4 и 5 табл. 6. Количества элементов, внесенных отходами и ломом, определяем путем умножения данных колонки 3 на процентные содержания элементов (колонки 4, 6, 8, 10 и 12) и деления на 100. В строке 6 приведены суммарные количества элементов, введенные отходами и ломом, а строке 7 - количества элементов, которые нужно вве сти остальными шихтовыми материалами. Они определены как разности соответствующих значений в строках 3 и 6.

В строке 7 в колонках 4, 6, 8, 10, 12 приведены  требования по средним процентным содержаниям элементов в оставшейся части шихты. Они определены путем деления данных колонок 5, 7, 9, 11 и 13 на число в колонке 3 и умножения на 100. Например, процентное содержание углерода равно 1,47 100/60,11=2,45 %.

В остальной части  шихты используется чушковый чугун. Содержание углерода в нем колеблется от 3,4 до 4,5 %, т.е. значительно выше полученного выше значения 2,45 %. Поэтому для обеспечения требуемого содержания углерода необходимо в шихту ввести стальной лом.

Целесообразно вводить  в шихту среднекремнистые литейные чугуны марок Л3 или Л4, так как в структуре высококремнистых чугунов (Л1 и Л2) содержится значительное количество графитовой спели, отрицательно влияющей на литейные свойства чугуна.

Для получения  достаточного количества перлита в  структуре чугуна желательно вместе с литейным чугуном применять  в шихте передельный чугун. Доля передельного чугуна в зависимости от марки выплавляемого чугуна колеблется от 10 до 25 % от количества литейного чугуна. Примем для использования в шихте литейный чугун марки Л4БШ и передельный чугун марки ПЛ1Б11. Количество передельного чугуна примем равным 20 % от количества литейного чугуна. Анализ химического состава этих чугунов показывает (данные колонок 6 и 8 в строках 9 и 10), что содержание в них кремния и марганца меньше требуемых значений, приведенных в соответствующих колонках строки 7 (по кремнию 2,45 %, а по марганцу 1,21 %).

Поэтому для обеспечения требуемых содержаний марганца и кремния необходимо применять ферромарганец и ферросилиций. При ваграночной плавке применяют низко кремнистый ферросилиций, чаще всего ФС20. Применим также низкоуглеродистый ферромарганец ФМн0,5.

Обозначим количество введенного стального лома буквой А, количество литейного чугуна буквой В, количество предельного чугуна примем равным 0,2В, а количество ферросилиция обозначим буквой С. Сумма количества стального лома, литейного, предельного чугунов и ферросилиция равна числу в колонке 3 в строке 7, т.е.

 

 

А+В+0,2В+С=60,11.

 

Отсюда  находим, что С=60,11 -А-1,2В.

Напишем балансное уравнение по углероду

 

 

                ((0,3*А)/100)+(3,9*В)/100)+((0,2В*3,8)/100)=1,47                  (4)

 

В этом уравнении  слева сумма количеств углерода, вносимых стальным ломом, литейным и передельным чугуном, а в правой части количество углерода, которое необходимо внести (см. в строке 7 колонку 5).

Напишем балансное уравнение по кремнию

((0,4*А/100))+((2,2*В/100))+((0,2В)/100)+(20С/100)=1.46

 

Здесь слева сумма  количеств кремния, внесенного стальным ломом, литейным и передельным чугунами и ферросилицием, а справа количество кремния, которое необходимо внести (см. в строке 7 колонку 7). Подставим в это уравнение вместо С полученное выше выражение и после преобразований получим следующее уравнение

 

                 19,6А+21,6В=1057.               (5)

 

Решив совместно уравнения (4) и (5), получаем:

Количество стального  лома А=20,62 кг; количество литейного чугуна В=30,22 кг, количество передельного чугуна равно 6,04 кг и количество ферросилиция ФС20 равно 3,22 кг.

Внесем  эти данные в табл. 6. Внесем также  в соответствующие строки и колонки величины по количеству внесенных материалами элементов. Как видно из строки 13, необходимо внести 0,436 кг марганца. Количество ферромарганца ФМн0,5 равно 0,436/0,85=0,51 кг. Внесем эту величину в колонку 3 строки 14 и рассчитаем количество внесенных ферромарганцем элементов.

В строке 15 приведены итоговые данные по составу шихты. Видно, что они  практически не отличаются от приведенных  в строке 3 необходимых значений. Содержание серы и фосфора в шихте меньше приведенных в строке 3 предельных значений.

В табл. 6 приведены итоговые данные по составу шихты, приведенные к 100 кг шихты.

 

 

 

Расчет  шихты для плавки чугуна СЧ15

 

Номер строки		Количество, кг	Содержание  элементов, %
			Наименование		С		Si		Mn		P		S
					%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
1	Жидкий чугун	100,00	3,4	3,4	1,9	1,9	0,8	0,8	0,2	0,2	0,15	0,15
2	Угар	0,11	—	—0,6	2,82	-	0,75	-	0	0	—60	—0,056
3	Шихта	100,11	2,8	2,8	2,24	2,24	1,0	1,0	0,2	0,2	0,084	0,094
4	Отходы	25	3,4	0,85	1,9	0,48	0,8	0,2	0,2	0,05	0,15	0,038
5	Чугунный лом	15	3,2	0,48	2,0	0,30	0,5	0,075	0,2	0,03	0,1	0,015
6	Внесено	40	—	1,33	—	0,78	—	0,275	—	0,08	—	0,053
7	Нужно внести	60,11	2,45	1,47	2,45	1,46	1,21	0,725	0,20	0,12	0,05	0,041
8	Стальной лом	20,62	0,3	0,062	0,4	0,082	0,1	0,021	0,05	0,01	0,05	0,01
9	Чугун Л4БШ	30,22	3,9	1,179	2,2	0,665	0,7	0,212	0,12	0,036	0,03	0,009
10	Чугун ПЛ1Б11	6,04	3,8	0,230	1,0	0,060	0,4	0,024	0,12	0,007	0,02	0,001
11	Ферросилиций  ФС20	3,22	—	—	20	0,664	1,0	0,032	0,1	0,003	0,02	0,001
12	Внесено	100,11	—	1,47	—	1,46	—	0,289	—	0,056	—	0,021
13	Нужно внести	—	—	—	—	—	—	0,436	—	—	—	—
14	Ферромарганец ФМн0,5	0,51	0,5	0,003	2,0	0,01	85,0	0,436	0,3	0,002	0,003	—
15	Всего	100,62	2,79	2,803	2,24	2,25	0,99	1,0	0,137	0,138	0,074	0,074