Расчет шихты для получения высокопрочного чугуна ВЧ50 методом подбора

vv-001

В нижеприведенной статье технический директор Агенства Литье++ Виноградов О.Н. подробнейшим образом излагает методику расчета шихты для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом марки ВЧ50 по ГОСТ 7293-85.

Существует широкое множество способов производства высокопрочного чугуна, для расчетов выбираем – «сэндвич-процесс», как наиболее не благоприятный по причине низкого усвоения магния и, как следствие, высокого удельного расхода сфероидизирующего модификатора, который вносит в жидкий чугун порядка 1% кремния. При таком высоком проценте вносимого кремния, очень трудно обеспечить использование в шихте всего количества, образующегося в процессе производства, возврата высокопрочного чугуна с высоким содержанием кремния.

Технологический комментарий

Получение ВЧШГ «сэндвич-процессом» является двух стадийным процессом: на первом этапе в плавильной печи выплавляют «исходный чугун»; на втором этапе «исходный чугун» подвергают сфероидизирующему модифицированию в «ковше-реакторе». Расчет шихты ведут в обратной последовательности: рассчитывают количество элементов, вносимое модификатором и, зная требуемый химический состав ВЧШГ, определяют состав «исходного чугуна», а на второй стадии – рассчитывают количество компонентов шихты для выплавки «исходного чугуна».

Исходные данные
  • выплавку чугуна будут проводить в индукционной плавильной печи ИСТ-0,4 емкостью – 400 кг;
  • выход годного составляет – 70,0%;
  • возврат собственного производства – 25,0%;
  • угар и безвозвратные потери – 5,0;
  • расход шихтовых материалов на получение 1 т годного литья составляет – 1428,57 кг.

Для получения чугуна предприятие располагает нижеперечисленными  шихтовыми  материалами:

  1. Передельный высококачественный чугун марки ПВК3 (ГОСТ 805-95), следующего состава, %: C – 4,4; Si – 0,4; Mn – 0,5; S – 0,02; P – 0,02.
  2. Лом стальной марки 1А, следующего состава, %: C – 0,2; Si – 0,15; Mn – 0,6; S – 0,05; P – 0,04.
  3. Возврат собственного производства, следующего состава, %: C – 3,7; Si – 2,2; Mn – 0,7; S – 0,01; P – 0,07.
  4. Ферросилиций марки ФС45, следующего состава, %: C – 0,1; Si – 45; Mn – 0,4; S – 0,02; P – 0,04.
  5. Ферромарганец марки ФМн75, следующего состава, %: C – 0,5; Si – 1,8; Mn – 75; S – 0,02; P – 0,1.
  6. Бой графитированных электродов, следующего состава, %: C – 95; S – 0,02.
Модификаторы
  1. Сфероидизирующий – комплексный модификатор марки ФСМг7 следующего состава, %: Si – 50; Mg – 8.
  2. Графитизирующий – ферросилиций с барием марки ФС65Ба17 следующего состава, %: Si – 65; Ba – 17.
Комментарий

В отличие от других металлов и сплавов, механические свойства материала отливки в значительно большей степени зависят от скорости охлаждения и кристаллизации отливки, ее модуля, толщины стенки отливки и способа производства, потому ГОСТ 7293-85 «Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки» дает только рекомендуемый химический состав и отклонение по химическому составу не является браковочным признаком.

Справочные данные 
  1. Угар элементов при плавке в индукционной плавильной печи повышенной частоты составляет: C – 5%; Si – 3%; Mn – 10%; S – 0%; P – 0%.
  2. Усвоение углерода из боя графитированных электродов при плавке в индукционной плавильной печи повышенной частоты составляет 90%.
  3. Рекомендуемый химический состав чугуна марки ВЧ50 по ГОСТ 7293-85: C – 3,2-3,7%; Si – 1,9-2,9%; Mn – 0,3-0,7%; S – до 0,02%; P – до 0,1%.
Пожелание производителя
  • Использовать в составе шихты весь объем возврата собственного производства, т.е. – 25,0%.

На первом этапе строится таблица для расчетов и в нее заносятся все имеющиеся на данный момент данные и справочные материалы (Табл. 1).

Таблица 1. Расчет состава шихты для получения высокопрочного чугуна марки ВЧ50

Наименование
материала
Марка Массовая доля элементов
в шихтовых материалах, %
Сод.
матер.
в шихте,
%
Массовая доля элементов
в чугуне, %
Масса
завалки,
кг
C Si Mn S P C Si Mn S P
1 Передельный
высококачественный чугун
ПВК3 4,4 0,4 0,5 0,02 0,02
2 Лом стальной 1A 0,2 0,15 0,5 0,05 0,04
3 Возврат 3,7 2,2 0,7 0,01 0,07 25
4 Ферросилиций ФС45 0,1 45 0,4 0,02 0,04
5 Ферромарганец ФМн75 0,5 1,8 75 0,02 0,4
6 Бой графитированных
электродов
95 0,02
7 ИТОГО: 100% 400
8 Угар 5 3 10
9 ВСЕГО:
10 Требуемый состав
«исходного чугуна»
11 Комплексный модификатор ФСМг7 50
12 Ферросилиций с барием ФС65Ба17 65
13 Требуемый состав ВЧ50
14 Рекомендуемый химсостав
ВЧ50 (ГОСТ 7293-85 )
3,2-3,7 1,9-2,9 0,3-0,7 до 0,02 до 0,1

На втором этапе, из диапазона содержания элементов ВЧ50, предлагаемого ГОСТ  7293-85, выбирают конкретные значения содержания для каждого элемента, к которым мы будем стараться подогнать состав высокопрочного чугуна. Данные заносят в строку 12 (Табл. 2).

Таблица 2. Расчет состава шихты для получения высокопрочного чугуна марки ВЧ50

Наименование
материала
Марка Массовая доля элементов
в шихтовых материалах, %
Сод.
матер.
в шихте,
%
Массовая доля элементов
в чугуне, %
Масса
завалки,
кг
C Si Mn S P C Si Mn S P
1 Передельный
высококачественный чугун
ПВК3 4,4 0,4 0,5 0,02 0,02
2 Лом стальной 1A 0,2 0,15 0,5 0,05 0,04
3 Возврат 3,7 2,2 0,7 0,01 0,07 25
4 Ферросилиций ФС45 0,1 45 0,4 0,02 0,04
5 Ферромарганец ФМн75 0,5 1,8 75 0,02 0,4
6 Бой графитированных
электродов
95 0,02
7 ИТОГО: 100% 400
8 Угар 5 3 10
9 ВСЕГО:
10 Требуемый состав
«исходного чугуна»
11 Комплексный модификатор ФСМг7 50
12 Ферросилиций с барием ФС65Ба17 65
13 Требуемый состав ВЧ50 3,6 2,5 0,5 <0,02 <0,1
14 Рекомендуемый химсостав
ВЧ50 (ГОСТ 7293-85 )
3,2-3,7 1,9-2,9 0,3-0,7 <0,04 <0,1

Третий этап – вычисление состава «исходного чугуна». Для этого рассчитывают количество кремния, вносимое в чугун модификаторами. Шаровидная форма графита в чугуне зарождается при условии растворения в нем более 0,03% магния, что обычно требует введения 1,8% сфероидизирующего модификатора от массы чугуна обрабатываемого в ковше. Он вносит в чугун 50·1,8/100=0,9% Si. Графитизирующий модификатор вводится в объеме – 0,2% и вносит 65·0,2/100=0,13% Si. В сумме модификаторы вносят 1,03% Si. Содержание кремния в исходном чугуне должно составлять 2,5-1,03=1,47%. Содержание марганца в процессе модифицирования не меняется, а вот содержание углерода всегда снижается на 0,2%. На это значение увеличиваем содержание углерода в «исходном чугуне». Допустимое содержание серы в «исходном чугуне» обычно не должно превышать – 0,04% (в противном случае в отливках может наблюдаться дефект – «черные пятна»), это значение мы и принимаем. Таким образом, рассчитан химический состав «исходного чугуна» (см. строку 9, табл. 3) и можно приступать к подбору состава шихты.

Таблица 3. Расчет состава шихты для получения высокопрочного чугуна марки ВЧ50

Наименование
материала
Марка Массовая доля элементов
в шихтовых материалах, %
Сод.
матер.
в шихте,
%
Массовая доля элементов
в чугуне, %
Масса
завалки,
кг
C Si Mn S P C Si Mn S P
1 Передельный
высококачественный чугун
ПВК3 4,4 0,4 0,5 0,02 0,02
2 Лом стальной 1A 0,2 0,15 0,5 0,05 0,04
3 Возврат 3,7 2,2 0,7 0,01 0,07 25
4 Ферросилиций ФС45 0,1 45 0,4 0,02 0,04
5 Ферромарганец ФМн75 0,5 1,8 75 0,02 0,4
6 Бой графитированных
электродов
95 0,02
7 ИТОГО: 100% 400
8 Угар 5 3 10
9 ВСЕГО:
10 Требуемый состав
«исходного чугуна»
3,8 1,47 0,5 <0,04 до 0,1
11 Комплексный модификатор ФСМг7 50 1,8 0,9
12 Ферросилиций с барием ФС65Ба17 65 0,2 0,13
13 Требуемый состав ВЧ50 3,6 2,5 0,5 <0,02 <0,1
14 Рекомендуемый химсостав
ВЧ50 (ГОСТ 7293-85 )
3,2-3,7 1,9-2,9 0,3-0,7 <0,02 <0,1

Четвертый этап — сужение диапазона использования материалов. Для выплавки «исходного чугуна» мы планируем использовать шесть материалов. На данный момент на использование материалов наложено только одно ограничение – возврат должен использоваться в полном объеме, т.е. его содержание в шихте должно составлять – 25%. Математически существует миллион, а может быть сотни миллионов вариантов решения. Для поиска решения в ручную необходимо сузить диапазон возможных решений. Обычно для этого вводят ограничения, вызванные технологическими особенностями производства данного конкретного литья. К примеру, мы производим расчет шихты для довольно тонкостенной отливки, которая не будет подвергаться термической обработке и в ней желательно получать феррито-перлитную структуру металлической матрицы. В этом случае технолог задает ограничение на использование высококачественного передельного чугуна: его содержание должно составлять 25% для приобретения хороших «наследственных свойств» чушковых чугунов и получения ВЧШГ хорошего металлургического качества.

Имея, два ограничения, обсчитываем массу каждого элемента чугуна вносимых возвратом и высококачественным передельным чугуном. К примеру 25% ПВК3 вносят в состав чугуна следующее количество углерода C=4,4 х 25/100=1,1%. Результаты заносим в строки 1 и 3, Табл. 4.

Таблица 4. Расчет состава шихты для получения высокопрочного чугуна марки ВЧ50

Наименование
материала
Марка Массовая доля элементов
в шихтовых материалах, %
Сод.
матер.
в шихте,
%
Массовая доля элементов
в чугуне, %
Масса
завалки,
кг
C Si Mn S P C Si Mn S P
1 Передельный
высококачественный чугун
ПВК3 4,4 0,4 0,5 0,02 0,02 25

1,1

0,1 0,125
2 Лом стальной 1A 0,2 0,15 0,5 0,05 0,04
3 Возврат 3,7 2,2 0,7 0,01 0,07 25 0,925 0,55 0,175
4 Ферросилиций ФС45 0,1 45 0,4 0,02 0,04
5 Ферромарганец ФМн75 0,5 1,8 75 0,02 0,4
6 Бой графитированных
электродов
85,5 0,02
7 ИТОГО: 100% 400
8 Угар 5 3 10
9 ВСЕГО:
10 Требуемый состав
«исходного чугуна»
3,8 1,47 0,5 <0,04 <0,1
11 Комплексный модификатор ФСМг7 50 1,8 0,9
12 Ферросилиций с барием ФС65Ба17 65 0,2 0,13
13 Требуемый состав ВЧ50 3,6 2,5 0,5 <0,02 <0,1
14 Рекомендуемый химсостав
ВЧ50 (ГОСТ 7293-85 )
3,2-3,7 1,9-2,9 0,3-0,7 <0,02 <0,1

Углерод вносимый в чугун карбюризатором. В качестве карбюризатора используется бой графитированных электродов с содержанием углерода – 95%. Усвоение углерода из боя электродов составляет – 90%. Следовательно, фактически из боя электродов в жидкий чугун будет переходить С=95 х 90/100 = 85,5%. Это значение заносится в таблицу 4, строка 6 в замен 95%.

Пятый этап – подгонка содержания углерода. Анализируем столбец, отображающий содержание углерода (табл. 4). Требуемое содержание углерода в «исходном чугуне» С=3,8%. Угар углерода 5%. Следовательно, всего в «исходном чугуне» должно содержаться С=3,8+3,8·5/100=3,99%. Передельный чугун и возврат вносят в состав чугуна 1,1 и 0,925% углерода, соответственно. Стальной лом, содержание которого будет выбираться по остаточному принципу и ориентировочно будет составлять 40-50%, ориентировочно внесет в состав чугуна 0,1%С.Таким образом в состав чугуна необходимо еще ввести С=3,99-1,1-0,925-0,1=1,865%. Стальной лом, вносит незначительное количество углерода, которое на данном этапе не стоит и учитывать. Повысить содержание углерода в чугуне возможно только за счет ввода боя графитизированных электродов, их количество должно составлять 1,865·100/85,5=2,18% от массы завалки. Данные расчетов заносим в табл. 5.

Таблица 5. Расчет состава шихты для получения высокопрочного чугуна марки ВЧ50

Наименование
материала
Марка Массовая доля элементов
в шихтовых материалах, %
Сод.
матер.
в шихте,
%
Массовая доля элементов
в чугуне, %
Масса
завалки,
кг
C Si Mn S P C Si Mn S P
1 Передельный
высококачественный чугун
ПВК3 4,4 0,4 0,5 0,02 0,02 25 1,1 0,1 0,125
2 Лом стальной 1A 0,2 0,5 0,05 0,04
3 Возврат 3,7 2,2 0,7 0,01 0,07 25 0,925 0,55 0,175
4 Ферросилиций ФС45 0,1 45 0,4 0,02 0,04 1,9 0,002 0,86 0,008
5 Ферромарганец ФМн75 0,5 1,8 75 0,02 0,4
6 Бой графитированных
электродов
85,5 0,02 2,18 1,865
7 ИТОГО: 100% 400
8 Угар 5 3 10
9 ВСЕГО:
10 Требуемый состав
«исходного чугуна»
3,8 1,47 0,5 <0,04 <0,1
11 Комплексный модификатор ФСМг7 50 1,8 0,9
12 Ферросилиций с барием ФС65Ба17 65 0,2 0,13
13 Требуемый состав ВЧ50 3,6 2,5 0,5 <0,02 <0,1
14 Рекомендуемый химсостав
ВЧ50 (ГОСТ 7293-85 )
3,2-3,7 1,9-2,9 0,3-0,7 <0,02 <0,1

Шестой этапподгонка содержания химического состава чугуна по кремнию. Анализируем столбец, отображающий содержание кремния  (табл. 4). Требуемое содержание кремния в «исходном чугуне» составляет Si=1,47%. Угар кремния — 3%. Следовательно, всего в «исходном чугуне» должно содержаться Si =1,47+1,47·3/100=1,51%. Передельный чугун и возврат вносят в состав чугуна 0,1 и 0,55% кремния, соответственно. Т.о. в состав чугуна необходимо еще ввести Si =1,51-0,1-0,55=0,86%. Стальной лом, вносит незначительное количество кремния, которое на данном этапе не стоит и учитывать. Повысить содержание кремния в чугуне возможно только за счет ввода ферросилиция ФС45, его количество должно составлять 0,86·100/45=1,9% от массы завалки. Данные расчетов заносим в табл. 5.

Седьмой этапподгонка содержания химического состава чугуна по марганцу. Анализируем столбец, отображающий содержание марганца   (табл. 5). Требуемое содержание марганца в «исходном чугуне» составляет Mn=0,5%. Угар марганца — 10%. Следовательно, всего в «исходном чугуне» должно содержаться Mn =0,5+0,5·10/100=0,55%. Передельный чугун, возврат и ферросилиций вносят в состав чугуна 0,125;  0,175 и 0,008% марганца, соответственно. Т.о. в состав чугуна необходимо еще ввести Mn =0,55-0,125-0,175-0,008=0,242%. Стальной лом, вносит значительное количество марганца, предположим, что мы не используем ферромарганец, в этом случае в составе шихты будет 100-25-25-1,9-2,29=45,81% стального лома, который внесет в состав чугуна  =0,5·45,81/100=0,23% Mn. Различие составляет – 0,012%, величина столь незначительная, что дальнейшая подгонка состава шихты становится не целесообразной. От использования ферромарганца отказываемся.

Восьмой этаппроверка на содержание примесей. На этом этапе проводится обсчет содержания примесей в чугуне (Табл. 6). Анализ показывает, что содержание примесей – фосфора и серы, не превышает допустимых пределов. По основным элементам сплава мы хорошо приблизились к требуемому составу. При желании можно пройти еще один круг подгонки снизив на какие-то сотые доли содержание ферросилиция в шихте и добавив те же сотые доли процента ферромарганца.

Таблица 6. Расчет состава шихты для получения высокопрочного чугуна марки ВЧ50

Наименование
материала
Марка Массовая доля элементов
в шихтовых материалах, %
Сод.
матер.
в шихте,
%
Массовая доля элементов
в чугуне, %
Масса
завалки,
кг
C Si Mn S P C Si Mn S P
1 Передельный
высококачественный чугун
ПВК3 4,4 0,4 0,5 0,02 0,02 25 1,1 0,1 0,125 0,005 0,005
2 Лом стальной 1A 0,2 0,15 0,5 0,05 0,04 45,92 0,092 0,069 0,223 0,022 0,018
3 Возврат 3,7 2,2 0,7 0,01 0,07 25 0,925 0,55 0,175 0,002 0,017
0,4 Ферросилиций ФС45 0,1 45 0,4 0,02 0,04 1,9 0,002 0,855 0,008 0 0
5 Ферромарганец ФМн75 0,5 1,8 75 0,02 0,4
6 Бой графитированных
электродов
85,5 0,02 2,18 1,865 0
7 ИТОГО: 100% 3,984 1,574 0,531 0,029 0,04 400
8 Угар 5 3 10 0,199 0,047 0,053
9 ВСЕГО: 3,785 1,527 0,478
10 Требуемый состав
«исходного чугуна»
3,8 1,47 0,5 <0,04 <0,1
11 Комплексный модификатор ФСМг7 50 1,8 0,9
12 Ферросилиций с барием ФС65Ба17 65 0,2 0,13
13 Требуемый состав ВЧ50 3,6 2,5 0,5 <0,02 <0,1
14 Рекомендуемый химсостав
ВЧ50 (ГОСТ 7293-85 )
3,2-3,7 1,9-2,9 0,3-0,7 <0,02 <0,1

Девятый этапрасчет массы завалки каждого компонента шихты. Производится по следующей схеме:

  • Масса завалки 400 кг, что  соответствует – 100% завалки
  • Масса завалки передельного чугуна Х кг составляет – 25%,

что в весовом эквиваленте составляет: 400 х 25 / 100 = 100 кг.

По такой схеме рассчитаны остальные компоненты шихты, данные сведены в табл. 7.

Таблица 7. Расчет состава шихты для получения высокопрочного чугуна марки ВЧ50

Наименование
материала
Марка Массовая доля элементов
в шихтовых материалах, %
Сод.
матер.
в шихте,
%
Массовая доля элементов
в чугуне, %
Масса
завалки,
кг
C Si Mn S P C Si Mn S P
1 Передельный
высококачественный чугун
ПВК3 4,4 0,4 0,5 0,02 0,02 25 1,1 0,1 0,125 0,005 0,005 100
2 Лом стальной 1A 0,2 0,15 0,5 0,05 0,04 45,92 0,092 0,069 0,223 0,022 0,018 183,68
3 Возврат 3,7 2,2 0,7 0,01 0,07 25 0,925 0,55 0,175 0,002 0,017 100
4 Ферросилиций ФС45 0,1 45 0,4 0,02 0,04 1,9 0,002 0,855 0,008 0 0 7,6
5 Ферромарганец ФМн75 0,5 1,8 75 0,02 0,4
6 Бой графитированных
электродов
85,5 0,02 2,18 1,865 0 8,72
7 ИТОГО: 100% 3,984 1,574 0,531 0,029 0,04 400
8 Угар 5 3 10 0,199 0,047 0,053
9 ВСЕГО: 3,785 1,527 0,478 0,029 0,04
10 Требуемый состав
«исходного чугуна»
3,8 1,47 0,5 <0,04 <0,1
11 Комплексный модификатор ФСМг7 50 1,8 0,9
12 Ферросилиций с барием ФС65Ба17 65 0,2 0,13
13 Требуемый состав ВЧ50 3,6 2,5 0,5 <0,02 <0,1
14 Рекомендуемый химсостав
ВЧ50 (ГОСТ 7293-85 )
3,2-3,7 1,9-2,9 0,3-0,7 <0,02 <0,1

Статьи по теме

Об авторе

Avatar
Олег Виноградов / http://on-v.com.ua/

Технический директор ООО «Полимер-инжиниринг», Агентства Литье ++, г. Киев, Украина; т.: +38 (096) 574-17-11; e-mail: v@on-v.com.ua