По просьбе наших коллег и постоянных посетителей сайта в данной статье излогаю методику расчета шихты методом подбора для выплавки серого чугуна марки СЧ20 по ГОСТ 1412-85 применительно к условиям их производства. О. Виноградов
Исходные данные
- выплавку чугуна будут проводить в индукционной плавильной печи ИСТ-0,4 емкостью – 400 кг;
- выход годного составляет – 76,0%;
- возврат собственного производства – 19,0%;
- угар и безвозвратные потери – 5,0;
- расход шихтовых материалов на получение 1 т годного литья составляет – 1315,8 кг.
Для получения чугуна предлагается использовать нижеперечисленные шихтовые материалы:
- Чугун литейный марки Л2, следующего состава, %: C – 3,8; Si – 3,0; Mn – 0,5; S – 0,05; P – 0,7.
- Лом стальной марки 1А, следующего состава, %: C – 0,3; Si – 0,3; Mn – 0,5; S – 0,06; P – 0,07.
- Возврат собственного производства, следующего состава, %: C – 3,5; Si – 1,7; Mn – 0,7; S – 0,12; P – 0,2.
- Ферросилиций марки ФС45, следующего состава, %: C – 0,1; Si – 45; Mn – 0,4; S – 0,02; P – 0,04.
- Ферромарганец марки ФМн78, следующего состава, %: C – 0,5; Si – 1,8; Mn – 77; S – 0,02; P – 0,4.
- Графитовая стружка, следующего состава, %: C – 95; S – 0,03.
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 1412-85 «Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки» дает только рекомендуемый химический состав и отклонение по химическому составу не является браковочным признаком.
Справочные данные:
- Угар элементов при плавке в индукционной плавильной печи повышенной частоты составляет: C – 5%; Si – 3%; Mn – 10%; S – 0%; P – 0%.
- Усвоение углерода из гафитовой стружки при плавке в индукционной плавильной печи повышенной частоты составляет 85%.
- Рекомендуемый химический состав чугуна марки СЧ20: C – 3,5-3,7%; Si – 1,4-2,4%; Mn – 0,7-1,0%; S – до 0,15%; P – до 0,2%.
Пожелания производителя:
- Использовать в составе шихты 50% стального лома.
- Использовать в составе шихты весь объем возврата собственного производства, т.е. — 19%.
На первом этапе строится таблица для расчетов и в нее заносятся все имеющиеся на данный момент данные (см. Табл. 1). Как видно из таблицы, расчет состава шихты, состоящей из шести компонентов, будет проводиться по пяти элементам (три элемента C, Si, Mn – основные компоненты сплава, для них приведен диапазон содержания — от и до; два элемента S, P – примеси, для них приведен только верхний предел содержания).
Таблица 1. Расчет состава шихты для выплавки серого чугуна марки СЧ20
| № | Наименование материала |
Марка | Массовая доля элементов в шихтовых материалах, % |
Содержание материала в шихте, % |
Массовая доля элементов в чугуне, % |
Масса завалки, кг |
||||||||
| C | Si | Mn | S | P | C | Si | Mn | S | P | |||||
| 1 | Чугун литейный | Л2 | 3,8 | 3,0 | 0,5 | 0,05 | 0,3 | |||||||
| 2 | Лом стальной | 1A | 0,3 | 0,3 | 0,5 | 0,06 | 0,07 | 50 | ||||||
| 3 | Возврат | 3,5 | 1,7 | 0,7 | 0,12 | 0,2 | 19 | |||||||
| 4 | Ферросилиций | ФС45 | 0,1 | 45 | 0,4 | 0,02 | 0,04 | |||||||
| 5 | Ферромарганец | ФМн78 | 0,5 | 1,8 | 77 | 0,02 | 0,4 | |||||||
| 6 | Графитовая стружка | 95 | 0,03 | |||||||||||
| 7 | ИТОГО: | 100% | 400 | |||||||||||
| 8 | Угар | 5 | 3 | 10 | — | — | ||||||||
| 9 | ВСЕГО: | |||||||||||||
| 10 | Требуемый состав СЧ20 | |||||||||||||
| 11 | Рекомендуемый химсостав СЧ20 по ГОСТ 1412-85 | 3,5-3,7 | 1,4-2,4 | 0,7-1,0 | до 0,15 | до 0,2 | ||||||||
Расчет методом подбора заключается в том, что для каждого из основных компонентов чугуна (C, Si, Mn) выбирается одно конкретное требуемое значение (из рекомендуемого ГОСТ диапазона возможных значений содержания данного элемента) и варьируя процентным содержанием компонентов шихты в чугуне, подгоняют содержание каждого элемента к выбранному требуемому содержанию. После этого следует проверка на содержание примесей – не превышает ли их содержание предельно допустимых значений?
На практике оптимальный (требуемый) химический состав чугуна выбирается на основании анализа результатов механических испытаний и химического состава примерно 10 плавок. Для нашего случая принимаем значения для основных элементов: C=3,5%; Si=2,0%, Mn=0,8%; для примесей оставляем прежние значения. Результы вводим в строку 10 таблицы.
На втором этапе рассчитывается содержание элементов, вносимых в чугун стальным ломом и возвратом собственного производства, содержание, которых уже определено 50% и 19%, соответственно. К примеру 50% стального лома вносят в состав чугуна следующее количество углерода C=0,3 х 0,5=0,15%. Результаты вносим в таблицу [строки 2 и 3] (см. Табл. 2).
Таблица 2. Расчет состава шихты для выплавки серого чугуна марки СЧ20
| № | Наименование материала |
Марка | Массовая доля элементов в шихтовых материалах, % |
Содержание материала в шихте, % |
Массовая доля элементов в чугуне, % |
Масса завалки, кг |
||||||||
| C | Si | Mn | S | P | C | Si | Mn | S | P | |||||
| 1 | Чугун литейный | Л2 | 3,8 | 3,0 | 0,5 | 0,05 | 0,3 | |||||||
| 2 | Лом стальной | 1A | 0,3 | 0,3 | 0,5 | 0,06 | 0,07 | 50 | 0,15 | 0,15 | 0,25 | 0,03 | 0,035 | |
| 3 | Возврат | 3,5 | 1,7 | 0,7 | 0,12 | 0,2 | 19 | 0,665 | 0,323 | 0,133 | 0,023 | 0,038 | ||
| 4 | Ферросилиций | ФС45 | 0,1 | 45 | 0,4 | 0,02 | 0,04 | |||||||
| 5 | Ферромарганец | ФМн78 | 0,5 | 1,8 | 77 | 0,02 | 0,4 | |||||||
| 6 | Графитовая стружка | 80,75 | 0,03 | |||||||||||
| 7 | ИТОГО: | 100% | 400 | |||||||||||
| 8 | Угар | 5 | 3 | 10 | — | — | ||||||||
| 9 | ВСЕГО: | |||||||||||||
| 10 | Требуемый состав СЧ20 | 3,5 | 2,0 | 0,8 | до 0,15 | до 0,2 | ||||||||
| 11 | Рекомендуемый химсостав СЧ20 по ГОСТ 1412-85 | 3,5-3,7 | 1,4-2,4 | 0,7-1,0 | до 0,15 | до 0,2 | ||||||||
Углерод вносимый в чугун карбюризатором. В качестве карбюризатора используется графитовая стружка с содержанием углерода – 95%. Усвоение углерода из стружки составляет – 85%. Следовательно, фактически из графитовой стружки в жидкий чугун будет переходить С=95 х 0,85 = 80,75%. Это значение вносится в таблицу [строка 6] в замен 95% (см. Табл. 2).
Первый этап подборв состава копонентов шихты
Первый этап подбора состава компонентов шихты базируется на предположении, что для получения чугуна не требуется использование ферросплавов и карбюризатора, т.е. шихта состоит из: стального лома (50%), возврата (19%) и 100 — 50 – 19 = 31% чугуна литейного. Вносим это значение в таблицу. Рассчитываем количество основных элементов, вносимых литейным чугуном [строка 1] (Табл. 3), общее количество основных элементов вносимое в чугун всеми компонентами шихты [строка 7] (Табл. 3), угар элементов в процессе плавки [строка 8] (Табл. 3) и подбиваем окончательное содержание элементов в чугуне с учетом угара [строка 9 «ВСЕГО»] (Табл. 3).
Таблица 3. Расчет состава шихты для выплавки серого чугуна марки СЧ20
| № | Наименование материала |
Марка | Массовая доля элементов в шихтовых материалах, % |
Содержание материала в шихте, % |
Массовая доля элементов в чугуне, % |
Масса завалки, кг |
||||||||
| C | Si | Mn | S | P | C | Si | Mn | S | P | |||||
| 1 | Чугун литейный | Л2 | 3,8 | 3,0 | 0,5 | 0,05 | 0,3 | 31 | 1,178 | 0,93 | 0,155 | |||
| 2 | Лом стальной | 1A | 0,3 | 0,3 | 0,5 | 0,06 | 0,07 | 50 | 0,15 | 0,15 | 0,25 | 0,03 | 0,035 | |
| 3 | Возврат | 3,5 | 1,7 | 0,7 | 0,12 | 0,2 | 19 | 0,665 | 0,323 | 0,133 | 0,023 | 0,038 | ||
| 4 | Ферросилиций | ФС45 | 0,1 | 45 | 0,4 | 0,02 | 0,04 | |||||||
| 5 | Ферромарганец | ФМн78 | 0,5 | 1,8 | 77 | 0,02 | 0,4 | |||||||
| 6 | Графитовая стружка | 80,75 | 0,03 | |||||||||||
| 7 | ИТОГО: | 100% | 1,993 | 1,403 | 0,538 | 400 | ||||||||
| 8 | Угар | 5 | 3 | 10 | — | — | 0,1 | 0,04 | 0,054 | |||||
| 9 | ВСЕГО: | 1,893 | 1,363 | 0,484 | ||||||||||
| 10 | Требуемый состав СЧ20 | 3,5 | 2,0 | 0,8 | до 0,15 | до 0,2 | ||||||||
| 11 | Рекомендуемый химсостав СЧ20 по ГОСТ 1412-85 | 3,5-3,7 | 1,4-2,4 | 0,7-1,0 | до 0,15 | до 0,2 | ||||||||
Анализ и предварительный расчет добавок
Углерод: требуемое содержание в чугуне – 3,5%, имеем в наличии – 1,893%. Необходимо ввести: 3,5 – 1,893 = 1,607%. Рассчитываем необходимое количество графитовой стружки:
- в 100 % графитовой стружки — 80,75% С
- в Х % графитовой стружки — 1,607% С
Следовательно, Х = 100 х 1,607 / 80,75 = 1,99%. Округляя считаем, что для получения в чугуне требуемого содержания углерода на уровне 3,5% в состав шихты необходимо ввести 2% графитовой стружки. Добавим 0,3% на компенсацию снижения содержания углерода за счет уменьшения доли литейного чугуна в составе шихты, получаем 2,3%.
Кремний: требуемое содержание в чугуне – 2.0%, имеем в наличии – 1,363%. Необходимо ввести: 2,0 – 1,363 = 0,637%. Рассчитываем необходимое количество графитовой стружки:
- в 100 % ферросилиция содержится — 45% Si
- в Х % ферросилиция содержится — 0,637% Si
Следовательно, Х = 100 х 0,637 / 45 = 1,42%. Для получения в чугуне требуемого содержания кремния (на уровне 2,0%) в состав шихты необходимо ввести 1,42% ферросилиция ФС45. Добавим 0,3% на компенсацию снижения содержания кремния за счет уменьшения доли литейного чугуна в составе шихты, получаем 1,72%.
Марганец: требуемое содержание в чугуне – 0,8%, имеем в наличии – 0,484%. Необходимо ввести: 0,8 – 0,484 = 0,316%. Рассчитываем необходимое количество графитовой стружки:
- в 100 % ферромарганца содержится — 77% Mn
- в Х % ферромарганца содержится — 0,316% Mn
Следовательно, Х = 100 х 0,316 / 77 = 0,41%. Для получения в чугуне требуемого содержания марганца (на уровне 0,8%) в состав шихты необходимо ввести 0,41% ферромарганца ФМн78.
Второй этап подбора состава компонентов шихты
На основании проведенных расчетов корректируем состав компонентов шихты:
- Вводим в состав шихты 2,3% графитовой стружки; 1,72% ферросилиция ФС45; 0.41% ферромарганца ФМн78.
- Снижаем в составе шихты содержание литейного чугуна до: 31 – 2,3 – 1,72 – 0,41 = 26,57%.
Производим по новой перерасчет количества элементов, вносимых каждым компонентом шихты, суммируем содержание, по каждому элементу, вычисляем угар и подсчитываем суммарное содержание элементов в чугуне за вычетом угара (см. Табл. 4). Анализ таблицы 4 показывает, что полученный в результате расчетов химический состав чугуна соответствует требуемому, единственное содержание марганца на 0,03% ниже требуемого, но вписывается в диапазон предусмотренный ГОСТом. При желании можно произвести еще один круг подбора, увеличив содержание в шихте ферромарганца примерно на 0,04%, но мы уже этого делать не будем.
Таблица 4. Расчет состава шихты для выплавки серого чугуна марки СЧ20
| № | Наименование материала |
Марка | Массовая доля элементов в шихтовых материалах, % |
Содержание материала в шихте, % |
Массовая доля элементов в чугуне, % |
Масса завалки, кг |
||||||||
| C | Si | Mn | S | P | C | Si | Mn | S | P | |||||
| 1 | Чугун литейный | Л2 | 3,8 | 3,0 | 0,5 | 0,05 | 0,3 | 26,57 | 1,01 | 0,797 | 0,133 | |||
| 2 | Лом стальной | 1A | 0,3 | 0,3 | 0,5 | 0,06 | 0,07 | 50 | 0,15 | 0,15 | 0,25 | 0,03 | 0,035 | |
| 3 | Возврат | 3,5 | 1,7 | 0,7 | 0,12 | 0,2 | 19 | 0,665 | 0,323 | 0,133 | 0,023 | 0,038 | ||
| 4 | Ферросилиций | ФС45 | 0,1 | 45 | 0,4 | 0,02 | 0,04 | 1,72 | 0,001 | 0,774 | 0,007 | |||
| 5 | Ферромарганец | ФМн78 | 0,5 | 1,8 | 77 | 0,02 | 0,4 | 0,41 | 0,002 | 0,007 | 0,316 | |||
| 6 | Графитовая стружка | 80,75 | 0,03 | 2,3 | 1,857 | |||||||||
| 7 | ИТОГО: | 100% | 3,696 | 2,057 | 0,839 | 400 | ||||||||
| 8 | Угар | 5 | 3 | 10 | — | — | 0,185 | 0,061 | 0,084 | |||||
| 9 | ВСЕГО: | 3,511 | 1,996 | 0,756 | ||||||||||
| 10 | Требуемый состав СЧ20 | 3,5 | 2,0 | 0,8 | до 0,15 | до 0,2 | ||||||||
| 11 | Рекомендуемый химсостав СЧ20 по ГОСТ 1412-85 | 3,5-3,7 | 1,4-2,4 | 0,7-1,0 | до 0,15 | до 0,2 | ||||||||
Контроль на содержание примесей
На этом этапе проводится обсчет содержания примесей в чугуне (см. Табл. 5). Анализ показывает, что содержание примесей – фосфора и серы, не превышает допустимых пределов.
Таблица 5. Расчет состава шихты для выплавки серого чугуна марки СЧ20
| № | Наименование материала |
Марка | Массовая доля элементов в шихтовых материалах, % |
Содержание материала в шихте, % |
Массовая доля элементов в чугуне, % |
Масса завалки, кг |
||||||||
| C | Si | Mn | S | P | C | Si | Mn | S | P | |||||
|
1 |
Чугун литейный | Л2 | 3,8 | 3,0 | 0,5 | 0,05 | 0,3 | 26,57 | 1,01 | 0,797 | 0,133 | 0,013 | 0,08 | |
| 2 | Лом стальной | 1A | 0,3 | 0,3 | 0,5 | 0,06 | 0,07 | 50 | 0,15 | 0,15 | 0,25 | 0,03 | 0,035 | |
| 3 | Возврат | 3,5 | 1,7 | 0,7 | 0,12 | 0,2 | 19 | 0,665 | 0,323 | 0,133 | 0,023 | 0,038 | ||
| 4 | Ферросилиций | ФС45 | 0,1 | 45 | 0,4 | 0,02 | 0,04 | 1,72 | 0,001 | 0,774 | 0,007 | 0 | 0 | |
| 5 | Ферромарганец | ФМн78 | 0,5 | 1,8 | 77 | 0,02 | 0,4 | 0,41 | 0,002 | 0,007 | 0,316 | 0 | 0,002 | |
| 6 | Графитовая стружка | 80,75 | 0,03 | 2,3 | 1,857 | 0 | ||||||||
| 7 | ИТОГО: | 100% | 3,696 | 2,057 | 0,839 | 0,066 | 0,155 | 400 | ||||||
| 8 | Угар | 5 | 3 | 10 | — | — | 0,185 | 0,061 | 0,084 | — | — | |||
| 9 | ВСЕГО: |
3,511 |
1,996 | 0,756 | 0,066 | 0,155 | ||||||||
| 10 | Требуемый состав СЧ20 | 3,5 | 2,0 | 0,8 | до 0,15 | до 0,2 | ||||||||
| 11 | Рекомендуемый химсостав СЧ20 по ГОСТ 1412-85 | 3,5-3,7 | 1,4-2,4 | 0,7-1,0 | до 0,15 | до 0,2 | ||||||||
Вычисление массы каждого компонента шихты
Завершающий этап – расчет массы каждого компонента шихты производится по следующей схеме:
- Масса завалки 400 кг, что соответствует – 100% завалки
- Масса завалки чугуна литейного Х кг составляет – 26,57%,
что в весовом эквиваленте составляет: 400 х 26,57 / 100 = 106, 28 кг. По такой схеме рассчитаны остальные компоненты шихты, данные сведены в табл. 6.
Таблица 6. Расчет состава шихты для выплавки серого чугуна марки СЧ20
| № | Наименование материала |
Марка | Массовая доля элементов в шихтовых материалах, % |
Содержание материала в шихте, % |
Массовая доля элементов в чугуне, % |
Масса завалки, кг |
||||||||
| C | Si | Mn | S | P | C | Si | Mn | S | P | |||||
| 1 | Чугун литейный | Л2 | 3,8 | 3,0 | 0,5 | 0,05 | 0,3 | 26,57 | 1,01 | 0,797 | 0,133 | 0,013 | 0,08 | 106,28 |
| 2 | Лом стальной | 1A | 0,3 | 0,3 | 0,5 | 0,06 | 0,07 | 50 | 0,15 | 0,15 | 0,25 | 0,03 | 0,035 | 200 |
| 3 | Возврат | 3,5 | 1,7 | 0,7 | 0,12 | 0,2 | 19 | 0,665 | 0,323 | 0,133 | 0,023 | 0,038 | 76 | |
| 4 | Ферросилиций | ФС45 | 0,1 | 45 | 0,4 | 0,02 | 0,04 | 1,72 | 0,001 | 0,774 | 0,007 | 0 | 0 | 6,88 |
| 5 | Ферромарганец | ФМн78 | 0,5 | 1,8 | 77 | 0,02 | 0,4 | 0,41 | 0,002 | 0,007 | 0,316 | 0 | 0,002 | 1,64 |
| 6 | Графитовая стружка | 80,75 | 0,03 | 2,3 | 1,857 | 0 | 9,2 | |||||||
| 7 | ИТОГО: | 100% | 3,696 | 2,057 | 0,839 | 0,066 | 0,155 | 400 | ||||||
| 8 | Угар | 5 | 3 | 10 | — | — | 0,185 | 0,061 | 0,084 | — | — | |||
| 9 | ВСЕГО: | 3,511 | 1,996 | 0,756 | 0,066 | 0,155 | ||||||||
| 10 | Требуемый состав СЧ20 | 3,5 | 2,0 | 0,8 | до 0,15 | до 0,2 | ||||||||
| 11 | Рекомендуемый химсостав СЧ20 по ГОСТ 1412-85 | 3,5-3,7 | 1,4-2,4 | 0,7-1,0 | до 0,15 | до 0,2 | ||||||||
