ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный
технический университет»
Кафедра материаловедения и физики металлов
Методические указания
к выполнению лабораторных и практических работ
по дисциплине
“Производство отливок из сплавов цветных металлов”
для студентов специальности 150104.65
«Литейное производство чёрных и цветных металлов»
и направления 150400.62 «Металлургия»,
профиля «Теория литейных процессов»
очной формы обучения
Воронеж 2013
Составитель канд. техн. наук Т.И. Сушко
УДК 669.3571+669.721.5
Методические указания к выполнению лабораторных и практических работ по дисциплине «Производство отливок из сплавов цветных металлов» для студентов специальности 150104.65 «Литейное производство чёрных и цветных металлов» и направления 150400.62 «Металлургия», профиля «Теория литейных процессов» очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический универ-ситет»; сост. Т.И. Сушко. Воронеж, 2013. 30 с.
Методические указания предназначены для студентов, выполняющих практические работы по расчету шихты, при изучении процессов плавки, рафинирования и модифицирования алюминиевых и магниевых сплавов. Приведены краткие теоретические сведения, примеры расчета шихты, варианты заданий, библиографический список.
Предназначены для студентов четвёртого курса.
Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word и содержится в файле ПО из ЦМ.doc.
Табл.19. Библиогр.: 2 назв.
Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. А.В. Миленин
Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук А.Т. Косилов
Издается по решению редакционно-издательского сове-та Воронежского государственного технического университета
© ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013
ПРЕДИСЛОВИЕ
Методические указания составлены в соответствии с программой дисциплины «Производство отливок из сплавов цветных металлов».
Целью данных практических работ является закрепление теоретических положений, процессов плавки, и порядок организации правила расчёта шихты, состав и структура шихтовых материалов.
В методических указаниях приведены основные теоретические положения, примеры расчета шихты, и варианты заданий.
1. Пример расчёта шихты алюминиевых сплавов
Для расчёта шихты необходимо знать химический состав всех исходных шихтовых материалов и приготовляемого сплава. Кроме того, необходимо учесть угар элементов, который зависит от состояния шихты, конструкции и типа плавильного агрегата, а также от методики ведения плавки, способа рафинирования и т. д. В таблице 1 указан угар элементов в процентах, в зависимости от условий плавки и состояния шихты.
Рассмотрим упрощённый расчёт сплава АЛ5 (АК5М2) Средний химический состав АЛ 5: 5 % Si; 0,4 % Mg; 1,25 % Cu; остальное – алюминий. Расчёт – на 100 кг сплава. Угар элементов: 1 % Si; 3 % Mg; 1 % Cu; 1 % Al.
Количество шихтовых материалов, на которые надо увеличить массу шихты для компенсации угара отдельных элементов, составит:
кремния
кг;
Таблица 1
Угар элементов в процентах (приблизительный), в зависимости от условий плавки и состояния шихты
Элементы |
Шихта |
|||
свежая |
сильно окисленная |
|||
при плавки в печах |
||||
электри-ческих и тигельны |
отража-тельных пламенных |
электричес- ких и тигельных |
отража- тельных |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Ca |
1-2 |
2-3 |
2-3 |
3-5 |
Mg |
2-3 |
3-5 |
3-5 |
3-10 |
Be |
0,5-1 |
5-7 |
3-5 |
5-10 |
Al |
0,5-1 |
2-3 |
1-2 |
3-5 |
Zr |
2-3 |
3-5 |
3-5 |
5-10 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
B |
0,5-1 |
3-5 |
3-5 |
5-10 |
Ti |
2-3 |
2-5 |
1-2 |
5-10 |
Na |
0,5-1 |
3-5 |
3-5 |
5-10 |
Cr |
0,5-1 |
1-2 |
2-3 |
4-5 |
V |
1-3 |
1-2 |
1-2 |
2-3 |
Zn |
0,5-1 |
2-4 |
2-3 |
3-5 |
Mn |
0,5-1 |
2-5 |
1-2 |
5-10 |
Sn |
0,5-1 |
0,5-1,5 |
0,5-1 |
1-2 |
Fe |
0,5-1 |
0,5-1 |
0,5-1 |
0,5-1 |
Ni |
0,5-1 |
0,5-1,5 |
0,5-1 |
0,5-1,5 |
Si |
0,5-1,5 |
2-5 |
0,5-1 |
5-10 |
Cu и мишметалл |
0,5-1 |
1-2 |
1-2 |
2-3 |
магния
кг;
меди
кг;
алюминия
кг.
В табл. 2 показан расчёт шихты сплава АЛ5 (АК5М2).
Таблица 2
Расчёт шихты сплава АЛ5 (АК5М2)
Параметры |
Si |
Mg |
Cu |
Al |
Всего |
Средний хими-ческий состав сплава, % |
5,0 |
0,4 |
1,25 |
93,35 |
100 |
Масса на 100 кг шихты, кг |
5,0 |
0,4 |
1,25 |
93,35 |
100 |
Угар: % кг |
1,0 0,05 |
3,0 0,012 |
1,0 0,012 |
1,0 0,933 |
1,007 |
Состав шихты, кг |
5,05 |
0,412 |
1,262 |
94,283 |
101,007 |
Определим необходимое количество чушкового силумина и лигатур. Следует ввести силумина (13 % Si):
кг;
содержание алюминия в силумине составит
38,85 – 5,05 = 33,8 кг.
Необходимо ввести алюминевомагниевой лигатуры (10 % Mg)
кг;
содержание алюминия в лигатуре
4,12 – 0,412 = 3,708 кг;
алюминевомедной лигатуры (50 % Cu)
кг;
она содержит 1,262 кг алюминия.
Количество чушкового алюминия, которое необходимо ввести в шихту:
94,283 – (33,8+3,708+1,262) = 55,513 кг.
Таким образом, для выплавки 100 кг сплава АЛ5 потребуется исходных материалов, кг:
чушкового алюминия – 55,513
силумина – 38,85
лигатуры алюминиевомедной – 2,524
лигатуры алюминиевомагниевой – 4,12
Всего – 101,007 кг
Характеристики шихтовых материалов, угар, физико–механические свойства алюминия высокой чистоты представлены соответственно в табл. 3 - 5.
Таблица 3
Характеристика шихтовых материалов
Шихтовой материал |
Плот-ность, кг/м3 |
Насыпная плотность, кг/м3 |
Темпера тура плав-ления, ºС |
Удельная поверхность, м2/кг |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Алюминий и сплавы алюминия в чушках |
2500 - 2700 |
1000 - 1500 |
590 - 665 |
0,014–0,025 |
Лом алюминия и алюминиевых сплавов
|
2550–2700 |
500–1500 |
590–655 |
0,01–0,04 |
Продолжение табл. 3 |
||||
Стружка алюминиевых сплавов дробления и мелкий лом |
2550–2700 |
400–800 |
590–665 |
0,28–0,32 |
Магний и сплавы магния в чушках |
1740–1850 |
700–1000 |
590–650 |
0,02–0,05 |
Лом магниевых сплавов |
1740–1850 |
600–1000 |
590–650 |
0,015–0,07 |
Свинец в чушках |
11 340 |
4500–5500 |
327 |
0,005–0,01 |
Олово в чушках |
7300 |
3500–4200 |
323 |
0,0074–0,013 |
Медь и медные сплавы в чушках |
7800–8950 |
5000 |
900–1150 |
0,0074–0,013 |
Лом меди и медных сплавов |
7800–8950 |
1500–3000 |
900–1150 |
0,005–0,02 |
Стружка меди и медных сплавов |
7800–8950 |
2000–2500 |
900–1150 |
0,14–0,16 |
Таблица 4
Угар [% (мас, доля)] некоторых компонентов при плавке цветных металлов
Сплав |
Тип плавильной печи |
Al |
Mg |
Cu |
Ni |
Zn |
Pb |
Mn |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
Алюми-ниевые |
Тигель-ная |
|
|
|
|
|
- |
|
Отража-тельная |
|
|
|
|
|
- |
|
|
Магние-вые |
Тигель- ная |
|
|
- |
- |
|
- |
|
Отражательная |
|
|
- |
- |
|
- |
|
|
Медные |
Тигель- ная |
|
|
|
|
|
|
|
Отражательная |
|
|
|
|
- |
|
- |
|
Никеле-вые |
Тигель-ная |
|
- |
|
|
- |
|
- |
Продолжение табл. 4
Сплав |
Тип плавильной печи |
Ti |
Zr |
Be |
Li |
Sn |
P |
Cd |
Si |
Алюминие-вые |
Тигельная |
|
|
|
|
|
- |
|
|
Отражатель-ная |
|
|
|
|
|
- |
|
|
|
Магниевые |
Тигельная |
- |
|
|
|
- |
- |
|
|
Отражательная |
До 5 |
|
|
|
0,5 -1 |
До 30 |
- |
До 1 |
|
Медные |
Тигельная |
10 и более |
- |
3 -5 |
- |
1-1,5 |
50 и более |
До 20 |
5 и более |
Отражатель-ная |
|
- |
|
- |
|
|
|
|
|
Никелевые |
Тигельная |
|
- |
- |
- |
|
- |
- |
|
Таблица 5
Физико-механические свойства алюминия высокой чистоты А999
Свойство |
Числовое значение |
1 |
2 |
Плотность (кг/м³) при температуре, °С: 20 700 |
2700 2380 |
Температура, °С: плавления кипения |
660,1 2520 |
Скрытая теплота плавления, кДж/кг |
395,43 |
Удельная теплоёмкость [Дж/(кг·°С)] при температуре, °С: 20 100 200 300 400 |
900 938 984 1030 1076 |
Теплопроводность [Вт/(м·°С)] при температуре, °С: 20 100 200 300 400 |
217,71 238 238 238 238 |
Электрическое сопротивление (мкОм·см) при температуре, °С: 20 100 200 300 400 |
2,67 3,55 4,78 4,99 7,30 |
Продолжение табл. 5
1 |
2 |
20 100 200 300 400 |
23,5 23,9 24,3 25,3 26,5 |
Временное сопротивление, МПа |
50 – 90 |
Относительное удлинение, % |
130 –280 |
Усадка, %: линейная объёмная |
1,7 6,5 |
Химический состав первичного алюминия, лигатуры на основе алюминия представлены в табл. 6-7.
Таблица 6
Химический состав [% (массовая доля)] первичного алюминия (по ГОСТ 11069 – 74)
Марка алюминия |
Al, не менее |
Примеси, не более |
|
|||||
Fe |
Si |
Cu |
Zn |
Ti |
Сумма определяе-мых примесей |
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
Алюминий особой чистоты |
|
|||||||
А999 |
99,999 |
- |
- |
- |
- |
- |
0,001 |
|
Алюминий высокой чистоты |
|
|||||||
А995 А99 А97 А95 |
99,995 99,99 99,97 99,95 |
0,0015 0,003 0,015 0,030 |
0,0015 0,003 0,015 0,030 |
0,001 0,003 0,005 0,015 |
0,001 0,003 0,003 0,005 |
0,001 0,002 0,002 0,002 |
0,005 0,010 0,03 0,05 |
|
Технический алюминий |
|
|||||||
А85 А8 |
99,85 99,80 |
0,08 0,12 |
0,06 0,10 |
0,01 0,01 |
0,02 0,04 |
0,01 0,02 |
0,15 0,20 |
|
А7 А7Е А6 А5 А5Е А0 |
99,70 99,70 99,60 99,50 99,50 99,0 |
0,16 0,20 0,25 0,30 0,35 0,50 |
0,16 0,08 0,20 0,30 0,12 0,50 |
0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 |
0,04 0,04 0,06 0,06 0,04 0,08 |
0,02 0,01 0,03 0,03 0,01 0,03 |
0,30 0,30 0,40 0,50 0,50 1,0 |
|
Таблица 7
Лигатуры на основе алюминия
Лигатура |
Компонент |
Содержание компонента, % (массовая доля) |
Температура плавления лигатуры, °С |
1 |
2 |
3 |
4 |
Алюминий –кремний |
Si |
20 – 25 |
650 – 700 |
Алюминий – бериллий |
Be |
4 – 6 |
820 – 880 |
Алюминий – железо |
Fe |
5 – 10 |
850 – 900 |
Алюминий – магний |
Mg |
10 – 12 |
560 – 600 |
Алюминий – марганец |
Mn |
5 – 10 |
780 – 800 |
Алюминий –медь |
Cu |
35 – 50 |
575 – 600 |
Алюминий – никель |
Ni |
10 – 20 |
780 – 820 |
Алюминий – титан |
Ti |
3 – 5 |
900 – 950 |
Алюминий – хром |
Cr |
3 – 5 |
750 – 850 |
Алюминий – церий |
Ce |
20 – 30 |
650 – 680 |
Алюминий –цирконий |
Zr |
3 – 5 |
830 – 900 |
Алюминий –медь – марганец |
Cu Mn |
10 – 13 1 – 15
|
800 – 830 |
Алюминий –титан – бор |
Ti B |
3 – 5 0,1 – 0,5 |
1000 – 1040 |
Алюминий –медь – фосфор |
Cu P |
8 – 10 1 – 1,5 |
750 – 610 |
Алюминий –медь – марганец – титан |
Cu Mn Ti |
28 – 32 4 – 6 1,8 – 2,5 |
980 – 1060 |