Шихта для плавки металла

Шихта в металлургии — что это такое

Металлургия — отрасль производства, которая изготавливает промышленные металлы и сплавы. Ее конечная цель — получение расплава, отвечающего требованиям государственных стандартов, как по химическому составу, так и по механическим свойствам. Процесс выплавки имеет множество особенностей, каждая из которых сильно влияет на качество продукции. Одним из таких факторов являются исходные материалы или, другими словами, шихта.

Общие сведения

Шихта представляет собой набор компонентов, которые необходимы для выплавки сплава. Шихта загружается непосредственно внутрь печного оборудования. Химический состав ее разнообразен и зависит от конкретно выплавляемого материала.

В состав шихт могут входить как чистые металлы, так и отходы производства: бракованная продукция, стружка, отливки, прибыля и литники.

Помимо этого шихта содержит флюсы и шлаки. Шлаки попадают в шихту в результате загрязнения исходных материалов, в частности кремнеземом. При плавке он взаимодействует с чистым металлом, образуя оксиды железа, что и служит причиной образования естественного шлака.

Флюсы представляют собой карнолиты, фториды и хлориды натрия или кальция. Их основное назначение в шихте — защита расплавленного металла от взаимодействия с воздушной средой. Газы, содержащиеся в воздухе, особенно водород и кислород, при попадании в расплав значительно снижают его механические свойства. Также данные процессы являются причиной неоднородности химического состава металла и, как результат, неравномерного распределения прочности по площади сплава.

Виды шихт

В зависимости от типа получаемого сплава выделяют следующие разновидности шихтовых материалов:

• сталеплавильной металлургии.
• чугунолитейной металлургии.
• для металлургии цветных металлов.

Разберем теперь каждый пункт более подробно.

Чугунолитейное производство

Около 90% выплавки всего чугуна в России выполняется шихтами с использованием специальных печей — вагранок. Это вносит свои коррективы в химический состав шихтовых мемориалов, т. к. в среде присутствует избыточное количество газов.

Основными материалами шихт для чугунолитейного производства являются передельные и литейные чушковые чугуны, ферросплавы, отходы собственного производства.

Химический состав литейных чугунов регламентируется ГОСТом 4832-80. Их главная особенность — это высокий процентный состав кремния (до 3,5%). В зависимости от его содержания литейные чугуны подразделяют на марки. Также данный шихтовой материал включает в себя такие элементы как марганец (до 1,5%), фосфор (до 1,2%) и серу (до 0,05%). Масса одной чушки литейного чугуна не должна превышать 25 килограмм. Делается это для удобства транспортировки и загрузки шихты в печь.

Отличием передельных чугунных шихт (ГОСТ 805-75) от литейных является пониженное количество кремния в своем химическом составе, которое не превышает 1,3%. Такие чугуны отмечаются более высоким значением жидкотекучести, прочностных свойств и меньшей вероятностью образования отбела на поверхности металла. Недостатком же будет дополнительная необходимость в использовании ферросплавов.

Основное назначение ферросплавов при производстве чугунов — доводка сплава по составу, в частности по марганцу и кремнию. Одними из наиболее распространенных марок ферросилиция являются ФС45 и ФС75Л, включающие в своем составе соответственно 45 и 75% кремния. Остальная часть приходится на железо.

Около 75% шихт при изготовлении чугунов приходится на лом, который получается в результате отходов собственного производства или закупается на стороне. Существуют специальные стандарты (ГОСТ 2787-75), регулирующие состав вторичных отходов. В зависимости от этого лом подразделяется на определенные категории, и устанавливаются допустимые габариты и масса отдельных кусков.

Для вагранок основным материалом для топлива является шихта на основе каменноугольного литейного кокса. Согласно ГОСТ 3340-71 она подразделяется на 3 вида. Главным критерием здесь служит количество серы в составе и процент зольности. Содержание влаги во всех марках кокса не должно превышать 5%.

От доменного кокса литейная коксовая шихта отличается более высоким удельным весом, что означает наличие более высокой теплотворной способности. Как правило, в качестве флюсов применяют известковые породы, на 50% процентов состоящие из оксида кальция.

Сталелитейное производство

Шихта для плавки стальных сплавов преимущественно состоит из ферросплавов, флюсов, передельного коксового чугуна и стального лома.

Существует несколько принципиальных правил, которыми руководствуются при выборе материалов шихты:

• Шихта для сталей должна содержать минимальный процент легирующих элементов.
• Применение шихты известного происхождения. Пренебрежение данным пунктом отразится на точности химического состава полученного расплава.
• При кислом процессе выплавки (при котором огнеупорами печи служат кварцевый песок, шамотный или динасовый кирпич) необходимо использование шихтовых материалов, отличающихся пониженным содержанием серы и фосфора.
• Шихта не должна содержать следов ржавчины на своей поверхности и разнообразных неметаллических включений в своем составе (остатки формовочной смеси и песок).
• Компоненты ферросплавов должны быть предварительно просушены в термических печах для избежания попадания влаги в раскаленный расплав.

Наибольшее значение на свойства стали оказывает тип флюса. Как правило, флюсы представлены в виде известняка, плавикового шпата или шамотного боя. Наибольшее распространение в производстве получил известняк, процент содержания серы и фосфора которого не превышает 2%.

Химический состав металлургического известняка регламентирован стандартами. В него входят такие элементы как оксид кальция (до 55%), оксид марганца (до 3,5%), кремнезем (до 1%), оксид железа (до 0,4%), серы (до 0,15%) и фосфора (до 0,03%).

Использование известняка предусматривает отсутствие влаги в его составе, что является проблемой, т. к. он активно впитывает ее из окружающей среды даже при непродолжительном хранении.

При плавке стали в мартеновских печах в качестве окислителя помимо традиционного кислорода применяют железосодержащие руды, но при условии, что она не имеет кремнезема и фосфора в своем составе.

Плавка сплавов цветных металлов

Шихта для выплавки цветных металлов включает в себя первичные металлы, лом соответственного типа сплава, отходы собственного производства (литники, прибыля) и специальны лигатуры.

Главной особенностью плавки цветных металлов является необходимость легирования легкоплавких сплавов тугоплавкими материалами, и наоборот. Несоблюдение данного правила приводит легкоплавкие сплавы к перегреву, а тугоплавкие сплавы к образованию зональной ликвации.

Самыми востребованными тяжелыми сплавами в цветной металлургии являются бронзы. Для их изготовления требуется наличие следующих первичных металлов:

• Медь. Поставляется чушками, листами и катодами.
• Олово. Поступает на производство прутками и чушками. Их химический состав регламентируется ГОСТом 860-89.
• Свинец. Поставляется аналогичным образов, как и вышеуказанные металлы. Содержание примесей, размер и вес указаны в ГОСТе 3778-85.

Лом медных сплавов также применяется как шихта при плавке бронз и латуней. На производстве он представлен в виде чушек. Основные требования к медному лому изложены в ГОСТе 614-79.

Вторым по популярности цветным сплавом является алюминий. В промышленности в качестве первичного металла используют алюминий марок А99 и А85 ГОСТ 11069-85.

Лом алюминия перед переплавкой подвергают предварительному рафинированию, т. е. введению в состав сплава лигатур мелкозернистого алюминия. Это необходимо для увеличения прочностных характеристик металла и снижения уровня химической ликвации.

Источник

Исходные материалы, применяемые для плавки металла при изготовлении отливок

Для плавки металла при изготовлении отливок в качестве исходных материалов применяют огнеупоры, металлические шихтовые материалы, топливо и флюсы.

Исходные материалы оказывают существенное влияние на качество получаемых отливок и их стоимость.

Огнеупорные материалы применяются в литейном производстве для футеровки плавильных и нагревательных печей, разливочных ковшей и различных других устройств, нагрев в которых достигает высоких температур.

В качестве огнеупорных материалов в основном применяют шамотный кирпич, огнеупорную глину, динасовый кирпич, кварцевый песок, магнезитовый кирпич, магнезитовые и доломитовые порошки, хромомагнезитовые кирпичи и угольные блоки.

Для плавки чугуна, стали, сплавов и цветных металлов используют различные металлические шихтовые материалы.

При получении отливок из чугуна, в качестве металлических шихтовых материалов применяют различные доменные чушковые чугуны: литейный коксовый, передельные чугуны, литейный древесно-угольный, литейный природнолегированный, чугунную и стальную стружку, доменные ферросплавы, ферросилиций, ферромарганец и зеркальный чугун, электрометаллургические ферросплавы, а также возврат собственного производства (брак отливок, литники и всплески).

Соотношение составляющих в составе шихты колеблется в широких пределах и определяется требованиями к отливкам. Ho чаще всего шихту делают, например, следующего состава:

Для получения отливок из стали в качестве шихтовых металлических материалов используют доменный передельный чугун, стальной лом, доменные и электрометаллургические ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, силикомарганец, феррохром, ферротитан, ферроникель и др.), возврат собственного производства (бракованные отливки, литники, приливы, всплески и т. п.).

Для плавки сплавов цветных металлов на основе меди, алюминия и магния в качестве исходных металлических материалов применяют техническую медь, лом красной меди, бронзы, латуни, чушковый алюминий, технический магний, магниевый лом, оборотные металлы (брак отливок, литники) и лигатуры. Лигатурами называют сплавы металлов, у которых обычно температура плавления ниже, чем у тугоплавких компонентов, входящих в данный состав. В виде лигатур в сплав вводят требуемые легирующие элементы. Лигатуры применяются как двойные, так и тройные.

Для плавки чугуна, стали и сплавов цветных металлов используют твердое, газообразное и жидкое топливо. Техническая характеристика твердого топлива приведена в табл. 25.

В качестве газового топлива используют природный газ различных месторождений, генераторный, коксовый и доменный газы.

В качестве жидкого топлива в плазильных и нагревательных печах в основном используют мазут.

Во время плавки чугуна, стали и сплавов цветных металлов для получения отливок применяют различные флюсующиеся материалы, необходимые для образования шлаков нужной вязкости и химической активности.

Шлаки во время плавки образуются за счет золы топлива, окислов (вносимых с шихтовыми материалами и образующихся при окислении примесей в металле), материала футеровки печи и самих флюсов. Флюсы понижают температуру плавления шлакообразующих материалов и вязкость шлаков. Шлаки в свою очередь предохраняют металл от окисления кислородом воздуха и кислородом, входящим в состав газов, поглощают из металла окислы, вредные примеси и газы. Чем меньше вязкость шлака и выше его химическая активность, тем лучше качество получаемого металла. В зависимости от огнеупорного материала, применяющегося для футеровки плавильной печи и состава флюса, шлаки получаются с основными или кислыми свойствами

Степенью основности шлака называют отношение суммы основных окислов к сумме кислотных окислов в шлаке.

Основность определяется отношением, %,

Для основных шлаков это отношение свыше единицы, для кислых — меньше 0,5. Шлаки с отношением 0,5—1,0 имеют слабо кислые или слабо основные свойства.

Основные шлаки поглощают из металла серу и фосфор, а кислые — окислы железа и других металлов.

В качестве флюсов при плавке чугуна применяют известняк, доломитизированный известняк, плавиковый шпат и основной мартеновский шлак.

Известняк по химическому составу в основном представляет собой карбонат кальция CaCO3. Известняк содержит 49—52% CaO; 1,6—4,0% SiO2; 2—3% Al2O3+Fe2O3.

He рекомендуется применять известняк, содержащий балласт (SiO2+Al2O3+Fe2O3) более 3%, так как снижается экономичность плавки и ухудшаются ее условия.

Доломитизированный известняк по химическому составу представляет собой карбонат кальция с примесью карбоната магния, в зависимости от содержания фосфора. Сырые дсломитизироваиные известняки делятся на обычные и малофосфористые.

Обычный доломитизированный известняк, согласно ТУ 892 1948 г., должен содержать 35—40% CaO, не менее 10% MgO, не более 1,6% SiO2, 0,01% P и 2% нерастворенного остатка, включая и содержание SiO2. В малофосфористом известняке содержание фосфора должно быть не более 0,005%, а остальных компонентов — в тех же пределах, как и в обычном доломитизи-рованном известняке.

Доломит сырой — это карбонат магния с примесью карбоната кальция, содержащий не менее 52% CaO+MgO, 16% MgO, не более 7% SiO2 и 5% Fe2O3+Pb2O3.

Плавиковый шпат представляет собой минерал кристаллического строения, содержащий CaF2 и SiO2; в следующих количествах: для первого сорта не менее 92% CaF2 и не более 5% SiO2; для второго сорта не менее 85% CaF2 (содержание SiO2 не нормируется) и для третьего сорта не менее 75% CaF2 и не более 20% SiO2. Плавиковый шпат в состав флюсующих вводят для понижения температуры плавления шлака и уменьшения его вязкости.

Основной мартеновский шлак является отходом сталелитейного производства и употребляется следующего состава: не более 25% SiO2, не менее 40% CaO-FMgO, не менее 20% FeO+MnO, не более 2% P2Os и не более 1 % CaS.

При плавке стали применяют в качестве флюсов известняк или продукт обжига — известь, плавиковый шпат, боксит и шамотный бой. Боксит и шамотный бой применяют для увеличения концентрации Al2O3 в шлаках с целью понижения вязкости.

При плавке сплавов цветных металлов на основе меди, алюминия и магния в качестве флюсов используют бой стекла, морскую соль, гипс, хлористые и фтористые соли.

Источник

Что такое шихта — ее виды, роль в производстве, шихтарник

Шихта — это определенный набор компонентов, предназначенных для загрузки в топку домны или иного высокотемпературного оборудования с целью получения на выходе конечного продукта с определенными свойствами и химическим составом. Шихта в металлургии определяет состав и характеристики выплавляемого материала.

Само понятие «состав шихты» в промышленных масштабах носит обобщенный характер. Определяющим фактором для него служит конечный продукт металлургии. В качестве компонентов шихты могут выступать:

• подготовленный к переработке лом;
• обогащенная железная руда;
• концентрат;
• флюсы;
• оборотные материалы (пыль, шлак, съем).

Флюсы применяются для защиты расплавленного металла от воздействия на него активных компонентов воздушной среды. Водород и кислород, проникающие в расплав, негативно влияют на его механические свойства, а также приводят к неоднородности химической среды в расплавленном металле. Подобное воздействие влечет за собой неравномерность показателя прочности по всей массе сплава. В качестве флюсов используют хлориды, карнолиты, фториды кальция или натрия.

Попадание шлаков в шихту происходит по причине загрязнения исходного сырья кремнеземом. Его взаимодействие в процессе плавки с чистым металлом приводит к формированию оксидов железа, которые и являются источником естественного шлака.

Виды шихт

Шихтовые материалы классифицируют в зависимости от разновидности получаемого на выходе сплава:

Компоненты, из которых формируют шихтовые материалы, оказывают прямое влияние на технические свойства конечного продукта.

Производство стали

Предназначенная для плавки стали шихта состоит из:

• ферросплавов;
• стального лома;
• флюсов;
• предельного коксового чугуна.

Шихтование требует грамотного подхода к расчетам и составлению смеси, подлежащей переработке в металлургических агрегатах. Выбор компонентов для шихты при производстве стали основан на нескольких основных правилах.

1. Шихта для стали отличается низким содержанием легирующих элементов, и должна состоять только из известных компонентов. Использование шихты неизвестного происхождения неминуемо повлияет на точность состава полученного расплава с химической точки зрения.
2. На поверхности шихты не должно быть признаков ржавчины и следов неметаллических примесей (кварца или остатков формовочной смеси).
3. Компоненты ферросплавов предварительно проходят термическую обработку для исключения вероятности попадания в расплав влаги.
4. Кислотный процесс выплавки (с применением в качестве огнеупоров печи шамотного, динасового кирпича или кварцевого песка) предполагает использование шихты с низким содержанием фосфора и серы.
5. Шихтовые слитки, изготовленные из лома, повышают производительность сталеплавильных агрегатов, поскольку снижают угар металла и легирующих элементов.

Металлошихта, полученная путем восстановления железной руды газом или углеродом, используется для получения стали с минимальным количеством примесей. Основу металлической шихты составляет твердый или жидкий чугун, а также стальной лом. При этом марка лома должна соответствовать конечному продукту. Применение большого количества жидкого чугуна предполагает добавку в качестве окислителей окатышей или железной руды.

Важным компонентом, напрямую определяющим свойства стали, является тип используемого флюса. Обычно применяется известняк (содержащий не более 2% фосфора и серы), а также шамотный бой или плавиковый шпат.

Основным условием применения известняка в качестве флюса является отсутствие в нем влаги, что представляет собой серьезную проблему из-за способности данного материала активно впитывать влагу даже при краткосрочном хранении. Стандартами предписан определенный химический состав известняка. Он примерно на 55% состоит из кальция, содержит до 3,5% оксида марганца, до 1% кремнезема, до 0,4% оксида железа, до 0,15% серы, до 0,03% фосфора.

Технология плавки стали в мартеновских печах позволяет в качестве окислителя применять не только кислород, но и руду, содержащую железо, при условии, что в ее составе отсутствует фосфор и кремнезем.

Производство чугуна

Согласно статистике почти 90% выпускаемого в нашей стране чугуна приходится на технологию с применением особых печей-вагранок. Из-за избытка газов в такой рабочей среде шихта для выплавки чугуна должна иметь определенный состав.

Основными составляющими шихты на чугунолитейном производстве являются:

• литейные и передельные чушковые чугуны;
• ферросплавы;
• отходы своего производства.

Особенностью литейных чугунов служит высокое содержание (до 3,5%) кремния. На основе этого показателя происходит деление материала на марки. ГОСТ 4832-80 четко определяет химический состав литейных чугунов. Кроме кремния в них может содержаться до 1,5% марганца, до 1,2% фосфора, до 0,05% серы. Вес одной чугунной чушки не должен быть больше 25 кг для удобства их перевозки и загрузки в печь.

Передельные литейные чугуны отличаются низким (до 1,3%) содержанием кремния в своем составе. Их использование улучшает показатель жидкотекучести и прочности, снижает вероятность образования отбела на поверхности металла. Минус их применения заключается в необходимости включения в состав шихты ферросплавов.

Ферросплавы необходимы для обогащения состава сплава кремнием и марганцем. Наиболее востребованы ферросплавы марок ФС75Л и ФС45. Маркировка указывает на содержание в их составе кремния (75% и 45% соответственно, остальная часть железо).

Примерно три четверти шихт в чугунолитейном производстве составляет лом, который делится на несколько категорий согласно ГОСТ2787-75. В качестве лома предприятия используют не только собственные отходы, но и покупное вторичное сырье. К кусковому лому применяются определенные требования относительно предельного веса и габаритных размеров.

Основным топливом для печей-вагранок служит шихта с преобладанием каменноугольного литейного кокса. С учетом процентного содержания серы и показателя зольности ее делят на три типа. Важным критерием является содержание влаги (не более 5% для любой из марок). Коксовая литейная шихта обладает большим удельным весом, что положительно влияет на степень теплоотдачи.

В роли флюсов чаще всего выступает известняк, более чем на половину состоящий из оксида кальция.

Производство сплавов цветных металлов

Шихта для выплавки цветных металлов содержит:

• первичные металлы;
• лом соответствующих сплавов;
• отходы производства;
• лигатуры.

Основной особенность выплавки цветных металлов является потребность в легировании тугоплавких металлов легкоплавкими, и наоборот.

Лидером в цветной металлургии являются бронзы, для производства которых необходимы:

Вторым по степени востребованности продуктом цветной металлургии является алюминий. Повысить показатели прочности конечного материала позволяет обогащение применяемого вторичного сырья лигатурами мелкозернистого алюминия.

Подготовка шихты для коксования

Шихтование угля предполагает собой тщательное смешивание измельченного топлива различных марок. Состав смеси определяется техническими характеристиками конечного продукта, и формируется с учетом технического анализа характеристик различных видов угля (коксуемость, спекаемость, давление распирания, конечная усадка).

На практике редко применяют строго фиксированный состав смеси. К примеру, шихтовка металлургического кокса предполагает смешивание:

• 10-15% угля кс для коксования;
• 2-4% спекающаяся добавка;
• 45-55% газовый;
• 17-25% жирный;
• остальное составляет отощенно-спекающийся уголь.

Повысить спекаемость поможет ввод в качестве органической добавки каменноугольного пека.

Шихтарник

При больших объемах перерабатываемых материалов на металлургическом производстве для приемки, проверки, хранения сырья и подготовки шихты используют рудные склады.

Современное производство оснащено механизированными шихтарниками, позволяющими ускорить все этапы подготовки шихты. Готовую шихту непосредственно перед обжигом подсушивают в специальных барабанах до уровня влажности в пределах 5-6%.

Для перемещения шихты в плавильные печи применяется специальное оборудование. Загрузчик шихты представляет собой сложное аппаратное оснащение, особенности конструкции которого зависят от типа плавильного оборудования и способа загрузки шихты.

Источник