5. 16 Расчёт шихты

Для обеспечения заданного химического состава и качества выплавляемого чугуна следует рассчитывать шихту по принятому химическому составу чугуна с учётом угара элементов при плавке его в вагранке.

Шихту рассчитывают на 100 кг металлической завалки.

Масса металлической шихты или завалки на заданную программу складывается из масс:

1) годных отливок, необходимых по плану;

2) бракованных отливок – брака внутреннего и внешнего, т.е. обнаруженного в литейном и механообрабатывающих цехах;

3) литниковой системы;

4) угара и механических потерь расплава при заливке (сливы, брызги и др.).

Масса литниковой системы колеблется в пределах для отливок: мелких 20-30 %, средних 15-25 % от массы отливки.

Потери расплава по массе при выпуске его из вагранки рекомендуется принимать равным 4-5 % от общей массы металлической шихты.

Коэффициентом выхода годных отливок (КВГО) называют отношение массы годных отливок к массе металлической шихты, выраженное в процентах.

КВГО из серого чугуна составляет для отливок: мелких 40-60 % и средних 55-70 % [9].

При расчёте шихты необходимо учитывать угар элементов при ваграночной плавке:

10-30 % для Si, 15-25 % для Mn, 16-20 % для Cr.

Пригар серы составляет 40-50 % вследствие перехода серы из кокса в чугун.

Угар примесей в чугуне зависит от абсолютного содержания их в шихте и от режима плавки.

При плавке в вагранке содержание углерода в шихте можно определить по формуле Н.Г. Гиршовича [2]:

С_ш = ,

где С_ш – массовая доля углерода в шихте, %;

С_ч – массовая доля углерода в чугуне, %;

К – коэффициент науглероживания;

β – коэффициент, учитывающий окисление углерода.

Значение коэффициента К можно принять по данным, приведённым в таблице 29 с соответствующей интерполяцией.

Таблица 29 – Значение коэффициента науглероживания

Доля стального лома в шихте, %	5	10	15	20	25	30	35	40	45
Коэффициент науглероживания, К	1,70	1,72	1,74	1,76	1,79	1,82	1,86	1,90	1,94

Значение коэффициента β изменяется в пределах от 0,4 до 0,6. Чем меньше доля стального лома в шихте, тем выше значение коэффициента β и наоборот. Зависимость значения коэффициента β от доли стального лома в шихте показана на рисунке 44.

β

Рисунок 44 - Зависимость значения коэффициента β

от доли стального лома в шихте

Основой для определения состава металлической шихты является химический состав марки серого чугуна, указанного в задании для каждого варианта (таблица 30).

Шихта рассчитывается тремя методами: подбором, аналитическим и графическим. Чаще рассчитывают методом подбора, как наиболее простым.

Пример расчёта шихты методом подбора. Серый чугун марки СЧ 25, используемый для отливок автомобильных деталей, должен иметь следующий химический состав (массовые доли, %) в соответствии с таблицей 30: углерод 3,2 – 3,4; кремний 1,4 – 2,2; марганец 0,7 – 1,0; фосфор и сера – не более 0,2 и 0,15 соответственно.

Таблица 30 – Плотность и химический состав чугуна по ГОСТ 1412 – 85

Марка чугуна	Плотность, p	Массовая доля компонентов, %
		Углерод	Кремний	Марганец	Фосфор	Сера
					не более
СЧ 10	6,8	3,5 – 3,7	2,2 – 2,6	0,5 – 0,8	0,3	0,15
СЧ 15	7,0	3,5 – 3,7	2,0 – 2,4	0,5 – 0,8	0,2	0,15
СЧ 20	7,1	3,3 – 3,5	1,4 – 2,4	0,7 – 1,0	0,2	0,15
СЧ 25	7,2	3,2 – 3,4	1,4 – 2,2	0,7 – 1,0	0,2	0,15
СЧ 30	7,3	3,0 – 3,2	1,3 – 1,9	0,7 – 1,0	0,2	0,12
СЧ35	7,4	2,9 – 3,0	1,2 – 1,5	0,7 – 1,1	0,2	0,12

Угар элементов при плавке в вагранке принимаем следующий (массовые доли, %): кремния 15%, марганца 20%, пригар серы – 50%. Химический состав наиболее используемых пяти материалов и их предельное содержание в шихте приведены в таблице 31. Массу металлической завалки примем 800 кг.

Таблица 31 – Химический состав и предельное содержание шихтовых материалов

В процентах

Наименование шихтовых материалов	Предельное содержания в шихте	Массовые доли
		углерода	кремния	марганца	фосфора	Серы
Литейный чушковой чугун: ЛК 1 ЛК 2	40 40	3,5 3,6	3,3 3,0	0,5 0,5	0,11 0,12	0,02 0,03
Возврат собственного производства	50	3,3	2,1	0,7	0,10	0,09
Стальной лом	45	0,2	0,3	0,8	0,05	0,05
Брикетированная чугунная стружка	20	3,3	2,1	0,7	0,01	0,09

Сначала определяем среднюю массовую долю кремния и марганца в шихте. Допустим, что искомая доля кремния в шихте х (%) , марганца – y (%), тогда угар при плавке кремния составит 0,15 х, а марганца – 0,2 y. В жидком чугуне остаётся:

кремния х – 0,15 х = 0,85 х;

марганца y – 0,20 y = 0,80 y.

В соответствии с заданным составом (таблица 30) в жидком чугуне должно оставаться кремния в пределах от 1,4 до 2,2 % и марганца в пределах от 0,7 до 1,0 %. Таким образом с учётом угара содержание элементов в шихте должно быть:

х = (1,4 – 2,2) Si / 0,85 = (1,65 – 2,58) %; y = (0,7 – 1,0) Mn / 0,80 = (0,875 – 1,25) %.

Рассчитываем состав шихты, т.е. определим процентное содержание компонентов в шихте.

В соответствии с заданием (таблица 31) шихту необходимо составить из пяти наиме­нований материалов. С учётом имеющихся шихтовых материалов и химического состава подбираем массу отдельных компонентов шихты. Содержание элементов в «колоше» (массовый состав компонентов равный 800 кг) проверяем расчётом (таблица 32).

Из таблицы 32 видно, что массовая доля углерода в выплавляемом чугуне в норме и составляет 2,93 массовых долей, %.

Это подтверждается расчётом по формуле Н.Г. Гиршовича [2]:

С_ш = (3,3 – 1,74) / 0,53 = 2,94.

Расчёт, представленный в таблице 32, показывает, что кремния в шихте достаточно:

1,65 < 2,265 < 2,58.

А вот марганца недостаточно. Чтобы получить минимальное содержание марганца в шихте необходимо добавить:

0,875 – 0,635 = 0,24 %, или 0,24 · 800 / 100 = 1,92 кг.

Недостаток марганца восполним введением ферромарганца, один килограмм которого содержит 0,7… 0,75 кг марганца. Угар марганца в ферромарганце около 30 %. Отсюда, с учётом угара, введение в шихту одного килограмма ферромарганца повысит содержание марганца в выплавляемом чугуне на 0,5 кг.

Следовательно, в шихту нужно ввести ферромарганца 1,92/0,5 = 3,84 кг на одну завалку массой 800 кг или 3,84/8 = 0,48 кг на 100 кг завалки.

Сера получает пригар 0,0287 %. Пригар серы учитываем в содержании серы в шихте, но в целом её содержание будет меньше заданного 0,09% (таблица 31).

На основании расчёта шихты методом подбора записываем состав шихты металлической завалки массой 800 кг:

1) литейный чугун марок

ЛК1  200

ЛК2 120

2) возврат собственного производства 240

3) стальной лом 120

4) брикетированная чугунная стружка 120

Итого: 800 кг

Дополнительно в состав шихты вводится 3,84 кг ферромарганца. Вся масса металлической шихты составит (800 + 3,84) = 803,84 кг.

Расход кокса зависит от способа плавки в вагранке и составляет 9-16 % от массы металлической завалки. Например, при плавке в вагранке без подогрева дутья его расход составляет около 15 %, с подогревом дутья – 11 %. Флюсы вводятся в количестве 3 % от массы металлической завалки.

Таблица 32 – Расчёт содержания элементов в шихте (колоше)

Компоненты	Содержание		Массовые доли элементов, %
	масса, кг	мас. доля, %	Углерод	Кремний	Марганец	Фосфор	Сера
Чугун марки ЛК1	200	25	0,25·3,5 = = 0,875	0,25 ·3,3 = = 0,825	0,25 · 0,5 = = 0,125	0,25 ·0,11= = 0,0275	0,25·0,02= = 0,005
Чугун марки ЛК2	120	15	0,15·3,6 = = 0,54	0,15·3,0 = = 0,45	0,15 · 0,5 = = 0,075	0,15·0,12= = 0,018	0,15·0,03= = 0,0045
Возврат собственного производства	240	30	0,3 · 3,3 = = 0,99	0,3 · 2,1 = = 0,63	0,3 · 0,7 = = 0,21	0,3 · 0,1= = 0,03	0,3 · 0,09= = 0,027
Стальной лом	120	15	0,15·0,2 = = 0,03	0,15 · 0,3 = = 0,045	0,15 · 0,8 = = 0,12	0,15 ·0,05= = 0,0075	0,15·0,05= = 0,0075
Брикетированная чугунная стружка	120	15	0,15·3,3 = = 0,495	0,15·2,1 = = 0,315	0,15 · 0,7 = = 0,105	0,15·0,01= = 0,0015	0,15·0,09= = 0,0135
Всего	800	100	2,930	2,265	0,635	0,0845	0,0575 + + 0,0287 = = 0,0862