Классификация шихтовых материалов, свойства.

В качестве основы металлических шихтовых материалов используются первичные и вторичные черные и цветные ме­таллы и лигатуры.

Первичные металлы являются продукцией металлурги­ческой промышленности, получаемой из рудных материалов и поставляемой, как правило в чушках.

Вторичные металлы представляют собой лом и отходы металлов и сплавов, а также сплавы цветных металлов, вы­плавленные из лома и отходов. Вторичные черные металлы в виде лома широко используют при плавке стали' и чугуна. Вторичные цветные металлы переплавляют на специализи­рованных заводах "Вторцветмет", 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; сплавы магниевые; сплавы цинковые для литья под давлением; сплавы цинко^ вые антифрикционные; бронзы для художественною литья, безоловянные литейные и оловянные; латуни литейные.

Металлы вторичные черные. Это чугунный и стальной лом, стружка стальная и чугунная, обрезь и т.п. Классифика­ция вторичных металлов представлена на рис. 12. Они под­разделяются па 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. (см.рис.12). Вторичные металлы вне класса при плавке в литейном производстве не используют.

Легированные лом и отходы делят на 67 групп по составу.

Ферросплавы. Это обширная группа металлических шихтовых материалов включает сплавы Ре 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 % Мn (кроме как ФМн2 в кото­ром 75 % Мn). В низкоуглеродистом ферромарганце среднее содержание углерода показано я цифровом обозначении марки (например, ФМн 1,5. содержит 1,5 % С). Среднее со­держание марганца в высокоуглеродистом ферромарганце показано в цифровом обозначении марки (например, ФМн75 содержит 75 % Мn). В маркировке ферромарганца буква А означает пониженное содержание фосфора (например, ФМn78А содержит 0,05 % Р), буква К. - пониженное содер­жание кремния (до 1 % 31), 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 % С) и азотированный (1-6 % N), в маркировку которо­го введено буквенное обозначение Н. Во всех марках ферро­хрома содержание хрома оставляет 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, ФХН200А содержит 2 % N). Содержание кремния в ферро­хроме находится > пределах 0,8-2 %. Буква С в маркировке указывает на повышенное содержание кремния (например, ФХ800СА содержит 10 % 81), а буквы А и Б - па 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 содержаний фосфора.

Ферровольфрам выпускают шести марок с содержани­ем вольфрама не менее 65 % (ФВ65) - 80 % (ФВ 80а). 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 ФМо$2 до ФМобО) с содержанием молибдена в пределах 52-60 %.

Ферросплавы используют для корректировки шихты, легирования и модифицирования чугуна и стали.

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 10-13 % Si. Цифры после букв обозначают степень чистоты от примесей.

Лом и отходы цветных металлов и сплавов. Их класси­фицируют по наименованиям металлов. 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, Лмг! и Д16П. В-характеристике сортов указывается состояние спла­ва (кусковой лом, проволока, обрезь труб, листов и тГп.), 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 на сыпная плотность.                                 Данные о насыпной плотности используются для опре­деления объема рабочего пространства, занимаемого шихтой в плавильной печи, для 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 чрезмерного их окисления..

10. Расчет шихты, понятия о принципах составления шихты, исходные компоненты добавки.

В любом случае плавки необходим расчет шихты. С помощью этого расчета устанавливается потребность в шихтовых материалах для получения заданного количества распла­ва с учетом потерь металла при плавке со шлаком и на угар. Теоретически рассчитать потери металла при плавке невозможно. Для этого приходится использовать данные экспериментов или практического опыта. Расчет шихты предельно прост в случае использования чистых металлов для приготовления сплава. Обычно же шихта составляется из возвратов рабочего сплава (так. называемых собственных отходов в виде бракованной продукции, прибы­лей и литников), отходов и возвратов других сплавов и ми­нимального количества чистых, так называемых "свежих" металлов.

Расчет шихты призван не только определить необходимое количество каждого вида шихтовых материалов, но и устано­вить вообще возможность получения сплава заданного соста­ва из имеющихся шихтовых материалов. При этом нередко приходится учитывать как необходимое содержание легирую­щих компонентов, так и получаемое содержание примесей, которое не должно превышать заданного уровня. В связи с этим для расчета шихты необходимо иметь возможно более полные сведения о составе каждого шихтового материала.

Составляют и рассчитывают шихту исходя из тре­буемого химического состава сплава и имеющихся шихтовых материалов.

В общем случае в шихте содержится n компонентов, каждый из которых имеет определенную концентрацию i-го элемента Кi т.е. множество концентраций i-го элемента. Число таких множеств равно числу рас­четных элементов р. Задачей расчета шихты является определение массовой доли каждого из компонентов, шихты, т.е.х1,х2, х3.

                                          Необходимо иметь в виду, что концентрация элемента в процессе плавки изменяется, так как происходит либо угар, либо пригар элемента. В связи с этим на первом этапе расчета шихты определяют ее средний химический состав, исходя из требуемого химического состава жидкого сплава. Если угар принимается по опытным данным как среднестатический, то среднее содержание i-го элемента в шихте определяют по формуле

К_iш=К_{i (ж)_}[100/(100±Уi],

 где, К_i(ж)- требуемое содержание i-го элемента в жидком сплаве; У; - угар (-), пригар (+) i-го элемента во время плавки в процентах от первоначального содержания.

Затем по среднему составу шихты рассчитывают массовые доли ее компонентов х1,...,х_п. Этот расчет можно производить тремя методами: графическим, аналитическим и методом, подбора путем решения системы линейных уравнений.

Ферросплавы. Это обширная группа металлических шихтовых материалов включает сплавы Ре с одним или несколькими легирующими элементами. Основной леги­рующий элемент обычно приводится в названии (ферроси­лиций; ферромарганец; феррохром и т.д.).

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

Флюсы. При плавке чугуна в вагранке в качестве флюса применяют в основном известняк СаСO₃, который содержит СаО (52 % - 1-й сорт; 50 % - 2-й сорт; 49 % - 3-й сорт; СО2 при нагреве улетучивается) и около 10 % других примесей (А1₂Оз, Ре₂0з, МеО, Р₂0₅, S0₂).

Кроме известняка, при плавке используют следующие флюсы: мел, мрамор (по составу они идентичны известняку), известь (88-93 % СаО), аппатитопефелиповую руду Са(РО4)2 (для получения чугуна с повышенным содержанием фосфо­ра), плавиковый шпат, доломит при основном процессе (-30 % СаО, -20 % М§О, -45 % СО₂).

Перечислить фазы, участвующие в плавках и привести основные химические реакции взаимодействия фаз между собой. Привести состав каждой фазы и влияние отдельных соединений на качество сплавов (химические реакции)

Условные обозначения в реакциях: () – сплав, [] – шлак, áñ – футеровка, {} – газ.

Межфазные взаимодействия при плавке. Отдельные вещества (компоненты) и однородные совокупности веществ, ограниченные поверхностью раздела (фазы) вступают между собой в различные взаимодействия.

Наибольшее влияние на конечный результат плавки оказывает взаимодействие газов, шлака и металла между собой.

Твердые фазы. Для описания строения твердых фаз обычно используют хорошо разработанную в физике твердого тела теорию кристаллического строения вещества. Строение металла как в твердом, так и в жидком состоянии характеризуется наличием металлических связей, что определяет его свойства: электро- и теплопроводность, прочность и т.д.

Значительное влияние на качество и свойства полученного сплава может оказать строение исходной металлической шихты, так как при плавлении сохраняется ближний порядок в расположении атомов, и поэтому, например, грубая структура чушкового чугуна может при недостаточном перегреве «перейти» в готовый сплав. Это один из признаков наследственности. В связи с этим очень важным является вопрос о степени сохранности структуры исходных твердых фаз. Ее можно приблизительно оценить по размерам кластеров, сохраняющих структуру твердого металла в жидком.

Температура плавления различных составляющих шихты неодинакова. Это оказывает влияние па степень разупорядоченности кристаллической структуры. С ростом степени перегрева жидкого сплава над температурой плавления разупорядоченность возрастает, вероятность перехода исходной структуры в структуру сплава при затвердевании уменьшается. Это относится не только к структуре самого сплава, но и к неметаллическим включениям

Футеровки выполняют из огнеупорных материалов. Окислы, как правило, составляющие основную массу футеровки, переходят в шлак в результате ее оплавления и оказывают влияние на металлургические процессы плавки. Основой кислых огнеупоров является окись кремния SiO₂. Глиноземистые огнеупоры является (основа Al₂O₃) по своим свойствам близки к нейтральным. В смеси с SiO₂ они является полукислыми. Основные огнеупоры содержат MgO, СаО и другие основные или амфортерные окислы.

Жидкий шлак. В составе шлаков обычно содержатся окислы кремния, алюминия, кальция, Агния, железа марганца и других элементов и соединений, входящих в состав сплава, футеровки и флюсов.

Существует несколько теорий строения шлаковых расплавов. Согласно молекулярной теории, шлак состоит из молекул окислов: SiО₂, Аl₂О₃, СаО, FeO, MgO, MnO и др. В то же время опытные данные свидетельствуют о том, что в шлаке присутствуют электрически заряженные частицы, и на этой основе развивается ионная теория строения шлаков. В соответствии с этой теорией, шлаки представляют собой ионный раствор, содержащий катионы Са²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺ и анионы О^2-, SiO₄^4-, АlО₃^3-, РО₄^3-, CrO₄^2-, МоО₄^2-, WО₄^2-, MnO₄^2-, FeO₄^2- и др. Возможность существования тех или иных ионов надо рассматривать, исходя в первую очередь из характера химических связей. Химическая связь тем полярнее, чем больше разность электроотрицательностей Е участвующих в ней атомов. Иначе говоря, с увеличением Е увеличивается степень ионности связи, т.е.е возрастает эффективный q на атомах. Если абсолютное значение q в долях заряда электрона е больше 0,5, считают, что атомы превратились в ионы, а связь становится тонной. Это происходит при Е = 1,9. Окислы FeO (Е = 1,7), MnO (Е = 2,0), Al₂О₃ (Е = 2,0) и SiO₂ (Е = 1,7). Находятся как бы на грани между ионными и ковалентными соединениями. Окислы MgO (Е = 2,3) и СаО (Е = 1,5) можно отнести к соединениям с ионной связью.

Для общей характеристики состава и свойств шлака применяются понятия молекулярного строения шлаков, в соответствии с которыми шлаки содержат кислотные окислы, например SiO₂, основные окислы СаО, MgO, FeO, MnO и амфотерные окислы Al₂О₃ и др.

Кислотность шлака характеризуется степенью кислотности: С_к = КО/ОО, где КО – сумма кислотных окислов, % по массе; ОО – сумма основных окислов, % по массе.

При этом считают шлак сильноосновным при С_к < 0,5; основным при С_к = 0,5-1,0; средним при С­_к = 1,0-1,5; кислым при С_к = 1,5-3,0 и сильнокислым при Ск = 3,0.

Величина, обратная С_к называется степенью основности: С_о = 1 / С_к = ОО/КО.

Для определения основности шлака иногда применяют упрощенные выражения С_о = %СаО/%SiO₂ или C_О = N_CaO/N_SiO, N_CaO и N_SiO – мольные доли окислов.

Свойства шлаков (температура плавления, вязкость и др.) в зависимости от их состава изображают в виде двойных, тройных. А в отдельных случаях даже шестикомпонентных диаграмм.

Газовая фаза. В газовой фазе могут присутствовать простые двухатомные газы О₂, N₂, Н₂, газы-окислы Н₂О, СО₂, СО, SO₂, NO и другие газы – СН₄, H₂S.

Плотность компонентов газовой фазы на несколько порядков ниже, чем плотность компонентов конденсированных фаз, вязкость – на два-три порядка ниже, чем вязкость металлов.

Для газов характерны ковалентные связи, электрическая проводимость появляется лишь при высоких температурах, близких к температурам перехода газов в состоянии плазмы, т.е. ионизированного газа.

Газовая фаза может быть специально создаваемой, активно участвующей в металлургическом процессе, например в качестве теплоносителя или химического реагента, либо присутствующей при плавке в силу сложившихся условий.

Источником образования активной газовой фазы является, как правило, горение топлива, главные составляющие части которого углерод и водород, а также сера: С + О₂ ↔ СО₂; 4Н + О₂ ↔ 2Н₂О.

Углеводороды также сгорают с образованием СО₂ и Н₂О, например, СН₄ + 2О₂ ↔ СО₂ + 2Н₂О.

При температуре выше 1700-1800 °С процесс горения оказывается в значительной степени незавершенным, в газовой фазе присутствуют наряду с СО₂ и Н₂О продукты неполного сгорания СО и Н₂.

В формировании газовой фазы участвуют углерод, кислород, водород, азот. Углерод и водород являются восстановителями, а их соединения СО₂ и Н₂О – окислителями.

Наиболее активных окислитель – кислород. Это объясняется тем, что для электронного строения молекулы кислорода характерно наличие двух неспаренных. Как известно, частицы (атомы, ионы, молекулы), содержащие неспаренные электроны, обладают высокой реакционной способностью. В молекулах Н₂ и СО неспаренные электроны отсутствуют.