2. Расчет шихты для приготовления алюминиевого сплава заданного состава

Расчет шихты должен производиться с учетом химического состава всех исходных шихтовых материалов приготовляемого сплава. В соответствии со стандартами или техническими условиями содержание компонентов, входящих в тот или иной сплав, оговаривается в определенных пределах. Наилучшие механические или литейные свойства сплав приобретает при оптимальном содержании компонентов. Поэтому расчет шихты должен производиться на оптимальный состав сплава. Если же такая информация отсутствует, то расчет шихты ведут на средний состав сплава по стандарту или техническим условиям.

В большинстве случаев при расчете шихты примеси, содержащиеся в исходных материалах, во внимание не принимаются. Сумма основных компонентов сплава приравнивается к 100 %. Однако в этом случае после окончания расчета следует сделать проверку на содержание нежелательных примесей по суммарному их содержанию в шихтовых материалах и сравнить с предельно допустимым по стандарту или ТУ содержанием этих примесей для того или иного способа литья. Если же необходимо учитывать содержание примесей уже на начальных этапах расчета шихты, то за 100 % принимается сумма основных компонентов и учитываемых примесей. При расчете шихты необходимо также учитывать угар элементов, который зависит от состояния шихты, типа плавильного агрегата, а также от методики ведения плавки, способа рафинирования и других факторов.

Наибольшее влияние на угар компонентов сплава, а также на содержание избыточного количества водорода и оксидов в расплаве оказывает продолжительность ведения плавки и температура нагрева сплава в ходе плавки. Температурный режим плавки обычно указывается в технологических инструкциях на выплавку каждого сплава, а продолжительность плавки зависит от типа и мощности плавильной печи. Во избежание излишнего угара компонентов сплава не рекомендуется допускать чрезмерно большую продолжительность плавки. Угар элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, приведен в табл. 4. Типовые примеры расчета шихты для приготовления алюминиевых сплавов приведены ниже.

Пример I. Рассчитать шихту из первичных металлов и первичных сплавов для получения сплава марки Ак7ч (АЛ9) ГОСТ 1583–89. Плавка осуществляется в индукционной печи ИАТ–0,4 (емкость тигля печи по алюминиевому сплаву 400кг). Сплав предназначен для получения фасонных отливок литьем в кокиль.

Исходные шихтовые материалы:

1. Алюминий первичный в чушках А7 ГОСТ 11069–74 (содержание железа 0,16 %).

2. Силумин марки СИЛ1 ГОСТ 1521–76 (содержание железа 0,5 %, кремния 13,0 %).

3. Магний первичный в чушках марки Мг90 ГОСТ 804–72 (содержание железа 0,04 %).

Таблица 4 – Угар элементов (приблизительный) в зависимости

от условий плавки и состояния шихты, %

Элемент	Чистая шихта		Сильно окисленная шихта
	Электрические тигельные печи	Отражатель-ные пламен-ные печи	Электрические тигельные печи	Отражательные пламенные печи
Магний Бериллий Алюминий Цирконий Бор Титан Натрий Хром Цинк Марганец Железо Никель Кремний Медь Церий мишметалл	2,0–3,0 2,0–3,0 0,5–1,0 0,5–1,0 2,0–3,0 0,5–1,0 2,0–3,0 0,5–1,0 1,0–3,0 0,5–1,0 0,5–1,0 0,5–1,0 0,5–1,5 0,5–1,0 0,5–1,0	3,0–5,0 5,0–7,0 2,0–3,0 3,0–5,0 3,0–5,0 2,0–5,0 3,0–5,0 1,0–2,0 2,0–4,0 2,0–5,0 0,5–1,0 0,5–1,5 2,0–5,0 1,0–2,0 1,0–2.0	3,0–5,0 3,0–5,0 1,0–2,0 3,0–5,0 3,0–5,0 1,0–2,0 3,0–5,0 2,0–3,0 2,0–3,0 1,0–2,0 0,5–1,0 0,6–I,0 0,5–1,0 1,0–2,0 1,0–2,0	3,0–10,0 5,0–10,0 3,0–5,0 5,0–10,0 5,0–10,0 5,0–10,0 5,0–10,0 4,0–5,0 3,0–5,0 5,0–10,0 0,5–1,0 0,5–1,5 5,0–10,0 2,0–3,0 2,0–3,0

Средний химический состав сплава марки Ак7ч в соответствии с табл.1: 7 % Si; 0,3 % Мg; остальное 92,7 % Al.

Угар элементов в соответствии с табл. 4 принимаем для алюминия 1,0 %, кремния –1,0 %; магния – 3,0 %. Расчет ведем на 100кг сплава. Расчетные данные целесообразно свести в таблицу (табл. 5).

Таблица 5 – Расчет шихты сплава АК7ч

Расчетные характеристики	Кремний	Магний	Алюминий	Всего
1. Средний химический состав сплава, %	7,0	0,3	92,7	100
2. Масса на 100кг шихты, кг	7,0	0,3	92,7	100
3. Величина угара в % кг	1,0 0,07	3,0 0,009	1,0 0,927	– 1,006
4. Масса элементов в шихте на 100кг сплава с учетом угара, кг	7,07	0,309	93,627	101,006

Количество шихтовых материалов, на которые необходимо увеличить массу шихты для компенсации угара отдельных элементов (строка 3 табл. 5), составляет:

по кремнию: по магнию;

по алюминию: .

Заносим эти данные в табл. 5 и определяем массу каждого элемента в составе шихты для получения 100 кг сплава с учетом угара (строка 4, табл. 5).

Далее определяем необходимое количестве чушкового силумина, алюминия и магния.

В 100 кг силумина содержатся 13 кг кремния, тогда для введения в сплав 7,07 кг кремния потребуется cилумина в виде чушек:

Вместе с 54,385 кг силумина в состав шихты вводится алюминий в количестве: 54,365–7,07=47,315 кг.

На получение 100 кг сплава с учетом угара требуется ввести 93,627 кг алюминия. Из этого количества часть алюминия вводится с силумином, следовательно, оставшуюся часть: 93,627–47,315=46,312 кг необходимо ввести в виде алюминия чушкового марки А7. Магний в сплав вводится в виде чистого металла марки Мг90 в количестве 0,309 кг.

Таким образом, для выплавки 100 кг сплава марки Ак7ч потребуется исходных материалов (в кг):

Алюминия чушкового марки А7 46,312

Силумина чушкового марки СИЛ1 54,385

Магния чушкового марки Мг90 0,309

Всего 101,006

Выполним проверочный расчет на содержание вредной примеси в алюминиевых сплавах (железа) для рассчитанного нами состава шихты на сплав Ак7ч. Общее содержите железа в сплаве определяется содержанием железа в силумине марки СИЛ1 и алюминии марки А7 и равно:

0,005×54,385+46,312×0,0016=0,2719+0,0741=0,346 кг.

В процентах это составляет около 0,35, что значительно ниже предела содержания железа в сплаве Ак7ч при литье в кокиль, равного 1,0% (см. ГОСТ 1583–89).

Ввиду малого содержания магния в сплаве и весьма низкого содержания в нем железа, общее содержание железа при введении в сплав магния почти не увеличится. По этой причине в расчете эту тонкость не учитывали.

В итоге, для выплавки 400 кг сплава Ак7ч в печи ИАТ-0,4 потребуется исходных шихтовых материалов (в кг):

Алюминия чушкового марки А7: 46,312×4=185,248;

Силумина чушкового марки СИЛ1: 54,385×4=217,54;

Магния чушкового марки Мг90: 0,309×4=1,236;

Всего 404,024.

Пример 2. Рассчитать шихту из первичных металлов, лигатур и отходов собственного производства для получения сплавь марки АМ5 (AЛI9) ГОСТ 1583–89, имеющего следующий оптимальный состав 4,6% Сu; 0,9% Мn; 0,25% Тi;0,12%Fe; остальное 94,13% Al.

Плавка осуществляется в индукционной печи ИАТ–0,4, Сплав предназначен для получения отливок в песчаных формах. В соответствии с требованиями стандарта содержание железа в сплаве не должно превышать 0,2 %.Это требование можно выполнить при применении исходных шихтовых материалов с низким содержанием железа.

Исходные шихтовые материалы:

1) Алюминий чушковый марки А85 по ГОСТ 11069–74 (с содержанием железа 0,08%);

2) Лигатура алюминий-медь с содержанием меди 50 %, железа 0,1 %;

3) Лигатура алюминий-марганец с содержанием марганца 10 %, железа 0,1 %.

4) Лигатура алюминий-титан с содержанием титана 4%, железа 0,1%.

5) Отходы собственного производства в количестве 20 % от массы шихты состава: 4,6 % Сu; 0,9 %Мn; 0,25 % Ti; 0,12 % Fe.

Общий угар сплава для печи ИАТ–0,4 можно принять равным 1,0 % (см. табл. 4).

Угар меди, марганца и титана в печи ИАТ–0,4 по данным табл. 5 оценивается величиной 0,5–1 % для каждого элемента. Поэтому, наряду с рассмотренной в примере 1 методикой, расчет этого варианта шихты допустимо также выполнить в следующей последовательности.

1. Определить общую массу шихты на плавку с учетом угара. Для этого массу шихты без учета угара (400 кг) разделить на величину металлургического выхода годного:

2. Определить массу отдельных компонентов сплава в навеске шихты:

Медь:

Марганец:

Титан:

Железо:

3. Определяем массу отходов собственного производства, которая составляет 20% от массы навески шихты:

В отходах содержатся:

Медь:

Марганец:

Титан:

Железо:

Алюминий: 80,807-(3,7170+0,7270+0202+0,09697)=76,0651кг.

4. До полного состава шихты не хватает следующих легирующих компонентов в количестве:

Меди: 18,586-3,717=14,869кг;

Марганца: 3,636-0,727=2,909кг;

Титана: 1,01-0,202=0,808кг.

5. Определяется необходимое количество лигатуры алюминий-медь.

В 100 кг лигатуры содержится 50 кг меди, следовательно, для введения 14,869 кг меди необходимо взять лигатуры:

6. Определяем количество лигатуры алюминий-титан.

В 100 кг лигатуры содержится 4 кг титана, значит, для введения 0,808 кг титана необходимо взять этой лигатуры в количестве:

7. Определяем необходимое количество лигатуры алюминий-марганец.

В 100 кг лигатуры содержится 10 кг марганца, следовательно, для введения 2,909 кг марганца нужно лигатуры:

8. С лигатурами в состав шихты вводятся не только легирующие компоненты: мед; марганец; титан, но и алюминий, а также вредная примесь железо. С лигатурой алюминий-медь поступило железа:

алюминия: 29,738–(14,869+0,0297)=14,8393 кг.

С лигатурой алюминий-марганец поступило железа:

алюминия: 29,09–(0,0291+2,909)=26,1519 кг.

С лигатурой алюминий-титан поступило железа:

алюминия: 20,2-(0,02+0,808)=19,372кг.

Рассчитанные данные целесообразно свести в таблицу (табл. 6).

Итак, необходимое количество основных легирующих компонентов вводится с лигатурами и отходами (см. строку 6, табл. 6), а недостающее количество шихты приходится на долю алюминия марки А85. Количество А85 составит: 404,0404–159,83607=244,20433 кг.

Вместе с алюминием марки А85 вносится железо в количестве:

Общие количество железа в шихте составит:

0,17577+0,I9536=0,3711 кг, что меньше предельной величины 0,465 кг.

Расчетные данные количества алюминия А85 заносим в строку 7 табл. 6.

Для практических целей расчетные количества шихтовых материалов для получения 400 кг сплава АМ5 следует округлить. Отклонения компонентов от оптимального содержания при этом будет незначительными, что не повлияет на конечный результат.

Таким образом, для выплавки 400 кг сплава АМ5 в печи ИАТ–0,4 потребуется исходных шихтовых материалов (в кг):

Алюминия чушкового марки А85 244,20

Лигатуры алюминий-медь 29,73

Лигатуры алюминий-марганец 29,1

Лигатуры алюминий-титан 20,2

Отхода собственного производства 80,81

Всего 404,04

Содержание железа в сплаве около 0,093 % что гарантирует получение высоких механических свойств при испытаниях металла отливок.

Таблица 6 – Сводные данные расчета шихты сплава АМ5

Расчетные характеристики	Cu	Mn	Ti	Fe	Al	Всего
1. Масса компонентов по расчету, кг	18,586	3,636	1,01	0,485	380,3234	404,0404
2. Масса компонентов, поступивших с отходами, кг	3,717	0,727	0,202	0,09697	76,0651	80,80807
3. Масса компонентов, поступившая с лигатурой Al–Cu, кг	14,869	–	–	0,0297	14,8393	29,738
4. Масса компонентов, поступившая с лигатурой Al–Mn, кг	–	2,909	–	0,0291	26,1519	29,09
5. Масса компонентов, поступившая с лигатурой Al–Ti, кг	–	–	0,808	0,02	19,372	20,2
6. Итого введено компонентов	18,586	3,636	1,01	0,17577	136,4283	159,83607
7. Необходимо ввести алюминия марки А85, в т.ч. поступило: Al Fe				0,19536	244,009	244,20433
Всего	18,586	3,636	1,01	0,3711	380,4373	404,0404