Производство отливок из стали и чугуна : методика расчета и оптимизации состава шихты при плавке литейных сталей и чугунов

№ 2792          МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
     «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

   Кафедра литейных технологий и художественной обработки материалов


            Э.Б. Тен
            Т.А. Базлова





                Производство отливок из стали и чугуна




  Методика расчета и оптимизации состава шихты при плавке литейных сталей и чугунов

  Учебное пособие



   Рекомендовано редакционно-издательским советом университета




МИСиС


Москва 2016

УДК 621.74 Т33



Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. К.А. Батышев (Московский политехнический университет); д-р техн. наук, проф. А.Е. Сёмин




        Тен Э.Б.

Т33    Производство отливок из стали и чугуна : методика расчета
      и оптимизации состава шихты при плавке литейных сталей и чугунов : учеб. пособие / Э.Б. Тен, Т.А. Базлова. - М. : Изд. Дом МИСиС, 2016. - 136 с.
        ISBN 978-5-906846-31-0




          Пособие посвящено методике расчета шихты и оптимизации ее состава по критерию минимальной стоимости. Представлены требования к химическому составу литейных сталей и чугунов и приведены сведения о шихтовых материалах, которые используются при их плавке в различных плавильных агрегатах. Приведены примеры оптимизации состава шихты при плавке чугуна и стали по разным технологиям.
          Предназначено для практических занятий, выполнения домашних заданий по курсу «Производство отливок из стали и чугуна», а также курсовых проектов и квалификационных выпускных работ студентов, обучающихся по профилю подготовки «Литейные технологии» направления 22.04.02 «Металлургия».
УДК 621.74













ISBN 978-5-906846-31-0

© Э.Б. Тен, Т.А. Базлова, 2016
                      © НИТУ «МИСиС», 2016

        ОГЛАВЛЕНИЕ


Введение.................................................5
1. Постановка задачи для расчета шихты и оптимизации ее состава...............................................6
  1.1. Постановка задачи для расчета шихты...............6
  1.2. Постановка задачи для оптимизации состава шихты...7
2. Методика расчета шихты и оптимизации ее состава......10
3. Химический состав чугунов и сталей для отливок.......18
  3.1. Требования к химическому составу чугунов для отливок.18
  3.2. Требования к химическому составу литейных сталей.....25
4. Шихтовые материалы для плавки чугунов и сталей для отливок.............................................33
  4.1. Шихтовые материалы для плавки чугуна.............33
  4.2. Шихтовые материалы для плавки литейных сталей....38
5. Плавка чугуна и особенности оптимизации состава ее шихты................................................45
  5.1. Плавильные агрегаты для плавки чугуна............45
  5.2. Плавка чугуна в вагранках........................48
    5.2.1. Устройство вагранки и особенности плавки в ней чугуна........................................48
    5.2.2. Поведение элементов при плавке чугуна в вагранке.57
  5.3. Электроплавка чугуна.............................61
    5.3.1. Электропечи для плавки чугуна................61
    5.3.2. Технология плавки чугуна в индукционных тигельных печах.....................................65
    5.3.3. Поведение элементов при индукционной плавке чугуна..............................................67
  5.4. Оптимизация состава шихты для плавки чугуна......68
    5.4.1. Пример оптимизации состава шихты для ваграночной плавки чугуна...........................68
    5.4.2. Пример оптимизация состава шихты для индукционной плавки синтетического чугуна...........75
6. Плавка литейных сталей и оптимизация состава шихты.......79
  6.1. Плавильные агрегаты для плавки литейных сталей.......79
  6.2. Плавка стали в дуговой электропечи...............85
    6.2.1. Методы плавки стали..........................85
    6.2.2. Плавка стали в основной дуговой электропечи......87
    6.2.3. Плавка стали в кислой дуговой электропечи....97

3

  6.3. Плавка стали в индукционных печах............. 103
  6.4. Особенности плавки сталей со специальными свойствами..........................................108
    6.4.1. Плавка высокомарганцевой стали............ 108
    6.4.2. Плавка высокохромистых низкоуглеродистых сталей.............................................114
    6.4.3. Особенности плавки хладостойких литейных сталей.............................................121
  6.5. Оптимизация состава шихты при плавке литейных сталей...............................................122
    6.5.1. Особенности методики оптимизации состава шихты при плавке литейных сталей.........................122
    6.5.2. Пример оптимизации состава шихты при электродуговой плавке конструкционной
    низколегированной стали.......................... 129
    6.5.3. Рекомендации по оптимизации состава шихты при выплавке высоколегированных сталей........... 132
Библиографический список............................. 134

4

        ВВЕДЕНИЕ

   При выплавке литейных сталей и чугунов на долю шихтовых материалов приходится свыше 50 % себестоимости отливок. При этом шихтовые материалы должны быть использованы наиболее рационально с тем, чтобы не допустить отклонений химического состава выплавляемого сплава от регламентируемых требований, минимизировать расходы на шихтовые материалы и обеспечить производство отливок с наибольшим выходом годных. Решение этих задач во многом зависит от корректного выбора шихтовых материалов, адекватного учета поведения элементов в процессе выплавки, рационального использования компонентов шихты на различных стадиях плавки и правильного расчета их расхода. Задача расчета шихты является комплексной и с технической точки зрения предполагает получение многовариантного решения.
   В традиционных методах расчета шихты (аналитический, графический и графоаналитический, метод последовательного корректирования) задача формулируется в виде системы уравнений. При этом невозможна широкая вариативность вовлечения в расчет различных альтернативных шихтовых материалов. Это существенно ограничивает ценность полученного результата, поскольку, как правило, не является наилучшим выбором из многих возможных вариантов.
   Современные методы оптимизации позволяют решить задачу расчета шихты с учетом ограничений по химическому составу и технологических параметров как в виде равенств, так и неравенств. При этом в расчетный перечень компонентов шихты можно включать широкий набор потенциально пригодных материалов. Кроме того, сформулированная таким образом задача решается оптимизационным методом по заданному критерию. В качестве критерия оптимизации, как правило, используют минимальную стоимость шихты.
   В данном пособии излагается методика расчета и оптимизации состава шихты при плавке литейных сталей и чугунов.
   Пособие является третьим переработанным и дополненным изданием ранее издававшихся [1, 2].

5

1.  ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ДЛЯ РАСЧЕТА ШИХТЫ И ОПТИМИЗАЦИИ ЕЕ СОСТАВА

        1.1. Постановка задачи для расчета шихты

   Литейные стали и чугуны получают сплавлением различных исходных материалов, называемых шихтовыми, и последующей обработкой полученного расплава. В качестве шихтовых материалов используют стальной и чугунный лом, различные ферросплавы, лигатуры, чистые металлы, отходы собственного и смежных производств, а также науглероживатели, окислители, раскислители, десульфура-торы и др.
   Для выплавки стали или чугуна заданного состава необходимо предварительно составить шихту - определенную совокупность различных исходных материалов, которая может обеспечить возможность получения из нее расплава с требуемым химическим составом.
   В плавильных агрегатах шихта подвергается нагреву и расплавлению, перегреву полученного расплава до необходимой температуры и легированию, раскислению и рафинированию от неметаллических включений и растворенных газов (водорода), а также модифицированию (при необходимости). При этом процесс получения жидкой стали и чугуна сопровождается различными физическими и физикохимическими процессами:
   - расплавлением однотипных компонентов шихты;
   - сплавлением разнородных компонентов шихты;
   - окислением компонентов выплавляемого сплава;
   - возгонкой легколетучих компонентов сплава;
   - насыщением расплава растворенными газами;
   - загрязнением расплава примесными элементами;
   - удалением примесных элементов из расплава;
   -    взаимодействием жидкого металла со шлаком и материалом футеровки печей;
   - загрязнением расплава неметаллическими включениями.
   В результате протекания перечисленных выше процессов усвоение полезных элементов из разных компонентов шихты происходит неодинаково. При проведении плавки могут реализовываться различные рафинирующие процессы, при которых также происходит изменение содержания некоторых элементов (фосфора, серы и др.). Кроме того, расплав может дополнительно насыщаться углеродом от

6

графитовых электродов или серой от кокса. Все эти особенности поведения элементов необходимо учитывать при расчете шихты, чтобы получить в продукте плавки требуемый химический состав.
   Таким образом, при расчете шихты решается задача определения необходимой комбинации исходных материалов и соотношения между ними, при котором в результате их технологической переработки в плавильных агрегатах обеспечивается получение расплава стали или чугуна, соответствующего требуемому химическому составу. При этом желательно решать данную задачу как оптимизационную, достигая минимальной стоимости шихты.

        1.2. Постановка задачи для оптимизации состава шихты

   Процесс плавки стали и чугуна может реализовываться по одно- , двух- и многостадийным вариантам.
   Одностадийным вариантом является ваграночная плавка чугуна, так как все шихтовые материалы в этом случае загружаются в шахту печи сверху и на выходе снизу получают жидкий чугун. Внутри вагранки все процессы, которые перечислены в предыдущем разделе, реализуются последовательно, неизбежно и в течение всего времени плавки. Главное при этом то, что состав получаемого чугуна полностью прогнозируется составом шихты.
   Как одностадийный можно рассматривать и процесс плавки литейных сталей и чугунов в индукционной тигельной печи. В ней из-за «холодности шлака» плавку проводят методом переплава или сплавления, без проведения дефосфорации, дегазации и десульфурации. При этом, как и при ваграночной плавке, состав получаемого расплава полностью предопределяется составом шихты.
   Варианты плавки стали в дуговой печи методами переплава отходов и сплавления шихтовых материалов также можно рассматривать как одностадийные. Хотя в дуговой печи возможно проведение различных рафинирующих процессов, в литейном производстве такие варианты плавки часто используют в целях экономии энергоресурсов и избежания больших потерь легирующих элементов.
   Двустадийным вариантом является дуплекс-плавка «ваграночная плавка + электроплавка», поскольку каждая стадия реализуется независимо друг от друга.
   Многостадийным вариантом является плавка стали с окислением, когда в печи последовательно реализуются процессы расплавления

7

исходной шихты и окислительной дефосфорации, окисления углерода для создания эффекта кипения жидкого металла всплывающими пузырьками СО, обеспечивающих рафинирование его от растворенных газов и неметаллических включений, раскисления, восстановительной десульфурации и легирования жидкой стали.
   Во всех вариантах плавки за редким исключением происходит угар элементов, величина которого зависит от многих факторов:
   -    от химического сродства элемента к кислороду (чем оно выше, тем больше угар);
   -    склонности к возгонке (чем она сильнее, тем больше потери элемента при плавке);
   -    варианта плавки (она ниже при плавке переплавом, чем при плавке окислением);
   -    типа используемого плавильного агрегата (при индукционной плавке она ниже, чем при ваграночной или электродуговой плавке);
   -    вида шихтового материала (из компактной шихты угар всегда меньше, чем из стружки);
   -    концентрации легирующего элемента в компоненте шихты (чем она выше, тем, при прочих равных условиях, больше его потери на угар);
   -    того, на какой стадии плавки используют тот или иной компонент шихты (чем раньше, тем угар одного и того же элемента выше).
   Таким образом, корректность расчета шихты зависит от того, насколько полно при этом были учтены все особенности поведения элементов, изложенные выше. При этом сплав требуемого химического состава может быть выплавлен с использованием различных шихтовых материалов и разных их комбинациях. Следовательно, составление шихты является задачей, допускающей многовариантные решения. При этом для нахождения наилучшего варианта необходимо использовать определенный критерий. Наиболее актуальным критерием является минимизация затрат. Поэтому задача оптимизации состава шихты представляет собой более широкую задачу, чем задача расчета шихты: при оптимизации задача расчета шихты решается при условии достижения при этом минимальной стоимости [1, 2].
   Критерий оптимизации применительно к составу шихты при одностадийном варианте плавки имеет следующий вид:

          ZI = Z (ZjXj) = Z1X1 + Z2X2+ ... + ZX ^ min,   (1.1)

где Z[ - стоимость шихты при одностадийном варианте плавка, руб/т;


8

   Zj - цена j-го компонента шихты (j' = 1, 2, ..., n), руб/т;
   Xj - расход j-го компонента шихты, доли ед.

   При двустадийном варианте плавки критерий оптимизации имеет следующий вид:
         ZII = Z1I + Z2 = Y (ZjX1 j) +£ (ZjX2 j) ^ min ,  (1.2)
где Zц - стоимость шихты при двустадийном варианте плавки, руб/т;
   Z1 и ZI² - стоимость шихтовых материалов, используемых на первой и второй стадии плавки соответственно, руб/т;
   X। j и X₂j - расход j-го компонента шихты на первой и второй стадии плавки соответственно, доли ед.
   При многостадийном варианте плавки выражение для критерия оптимизации становится соответственно многочленным:
ZN = ZN + ZN +...+ZkN = £( ZjXi j)+£(ZjX2 j)+... +£(ZjXkj) ^ min, (1.3)
где ZN - стоимость шихты при многостадийном варианте плавки, руб/т;
        ry2    к к
     n , Zn , ..., Zn - стоимость шихтовых материалов, используемых на первый, второй и последующих стадиях плавки соответственно, руб/т.

   Таким образом, задачей оптимизации состава шихты является нахождение из многих возможных вариантов определенной совокупности компонентов шихты и определение расхода каждого компонента из этой совокупности, при котором обеспечивается получение жидкого металла требуемого химического состава при минимальных затратах на шихтовые материалы.

9

        2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ШИХТЫ И ОПТИМИЗАЦИИ ЕЕ СОСТАВА

  Расчет шихты выполняют в несколько этапов.
  На первом этапе определяют расчетный химический состав выплавляемого сплава. Для этого, прежде всего, устанавливают регламентируемые ГОСТом или ТУ требования, которым должна соответствовать выплавляемая марка стали или чугуна по содержанию основных элементов и контролируемых примесей. Так, в нелегированных сталях и чугунах в качестве основных элементов регламентируется содержание углерода, марганца и кремния, а также ограничивается содержание примесей - серы и фосфора. В легированных сталях и чугунах дополнительно регламентируются все легирующие элементы, присутствующие в данном сплаве.
  Расчетный состав сплава может совпадать с регламентируемым или несколько отличаться от него. Они полностью совпадают, если допустимые пределы содержания всех расчетных элементов принимают так, как это предусмотрено в ГОСТе или ТУ. Но в некоторых случаях при необходимости учета дополнительных факторов допустимые интервалы содержания отдельных элементов в расчетном составе могут отличаться от регламентируемого. Это обусловлено тем, что, изменяя содержание основных элементов в пределах, регламентируемых ГОСТом или ТУ, можно получить различные сочетания механических, технологических и эксплуатационных свойств. Максимальный уровень конкретных свойств достигается при определенном, но разном для каждого свойства сочетании содержания основных элементов. Поэтому расчетный состав сплава, будучи в пределах регламентируемого, может иметь более узкие пределы содержания элементов. Например, в износостойкой стали 110Г13Л согласно ГОСТ 977-88 содержание углерода и марганца регламентируется в пределах 0,90.. .1,50 и 11,50... 15,00 % соответственно . Но если из этой стали изготовляют зубья ковшей экскаваторов, работающих на скальном грунте, то срок службы зубьев может лимитироваться из-за их поломок вследствие высоких ударных нагрузок. В этом случае оправдано повышение пластических характеристик стали даже за счет частичной потери износостойкости. Для этого необходимо ограничить верхний предел содержания углерода в стали и


     Здесь и далее, если не указано иное, содержание компонентов приводится в массовых долях, %. Слова «массовая доля» опущены.


10

сузить его расчетный интервал, например в пределах 0,90.1,20 %. Соответственно, при работе экскаватора на мягком грунте, когда опасность механических поломок зубьев отсутствует, а срок их службы определяется износостойкостью стали, содержание углерода необходимо выдерживать ближе к верхнему пределу 1,30.1,50 %.
   Расчетный состав стали и чугуна представляют в виде двусторонних или односторонних неравенств

Эн < Эг< Эв;                       (2.1)
                          Пк < Пk,                        (2.2)

где Э₋ - содержание (массовая доля) --го основного расчетного элемента (углерода, кремния, марганца, никеля, хрома и др.), %;
   Эн и Эв - соответственно нижний и верхний допустимые (или целесообразные) пределы содержания i-го расчетного элемента, %;
   Пк и Пв - содержание к-й примеси (серы, фосфора) и верхний предел ее допустимого содержания в сплаве, %.
   Неравенства вида (2.1) составляют по всем основным компонентам стали и чугуна. Так, при расчете шихты для выплавки нелегированных сталей и чугунов такие неравенства составляют по углероду, кремнию и марганцу. При расчете шихты для выплавки легированных сталей и чугунов такие же неравенства составляют по всем легирующим элементам.
   Неравенства вида (2.2) составляют для всех примесных элементов, которыми в литейных сталях и чугунах обычно являются фосфор и сера, а в нержавеющих сталях и углерод.
   Двусторонние неравенства (2.1) часто заменяют двумя односторонними неравенствами:

                          Э- < Эв;                        (2.3)
                          Э- > Э н.                       (2.4)

   При расчете шихты для выплавки стали в дуговых печах необходимо учитывать выбранный вариант плавки. При плавке стали в основной дуговой печи в окислительный период запланировано окисляют до 0,25.0,35 % углерода. При этом на подине и стенках печи в поровых каналах футеровки зарождаются пузырьки газа СО. По мере укрупнения они отрываются от футеровки, всплывают через толщу жидкого металла. Полости пузырьков СО для растворенных в жидкой стали газов представляют собой вакуумное пространство. По

11

этому они (прежде всего водород) проникают в эту полость (в результате диффузионных и химических процессов) и удаляются из расплава вместе с пузырьками СО. При всплывании пузырьков СО к ним прилипают неметаллические включения и жидкая сталь от них очищается. Пузырьки на поверхности расплава расхлопываются, при этом создается эффект кипения жидкой стали. Поэтому период рафинирования стали от растворенных газов и неметаллических включений за счет окисления углерода называют периодом КИПа.
   В кислой дуговой печи при плавке с окислением для дегазации и гомогенизации расплава проводят менее интенсивный КИП, в течение которого окисляют до 0,15.. .0,20 % углерода.
   С учетом изложенного верхний и нижний пределы расчетного содержания углерода в стали должны быть больше регламентируемых на соответствующую величину. При расчете шихты для выплавки стали в дуговой печи без окисления необходимо учесть науглероживание расплава от электродов. В этом случае расчетный интервал содержания углерода, наоборот, должен быть ниже на 0,1.. .0,2 %.
   На втором этапе составляют перечень шихтовых материалов, которые можно (или обязательно нужно) использовать при выплавке стали или чугуна заданной марки. В этот перечень обязательно входят стальной лом (как основа шихты) и возврат производства (в связи с необходимостью утилизации собственных отходов). Кроме того, в этот перечень для обеспечения требований по содержанию углерода, кремния и марганца включают науглероживатель (чугун передельный, бой графитовых электродов и др.), ферросилиций и ферромарганец. При выплавке легированных сталей и чугунов этот перечень дополняют материалами, содержащими необходимые легирующие элементы. Перечень должен включать информацию о содержании элемента Эi во всех j-х компонентах шихты (Эу ш) и стоимости всех компонентов шихты Zⱼ.
   На третьем этапе устанавливают степень усвоения элементов из шихтовых материалов при плавке данного сплава в конкретном плавильном агрегате по тому или иному варианту плавки.
   В разных плавильных агрегатах при реализации различных вариантов выплавки поведение элементов существенно различается. Основные компоненты литейных сталей и чугунов, как правило, угорают за счет окисления и испарения. Содержание примесей может уменьшаться, оставаться без изменения или увеличиваться. Так, содержание серы и фосфора в стали при плавке в основных дуговых печах после проведения дефосфорации и десульфурации уменьшает

12