6.4. Газовые и бензиновые горелки для плавки металла

Плавление металла открытым пламенем можно проводить в тигле литейной машины, положив в него требуемое количество металла и добавив для предотвращения окисления немного борной кислоты и буры. Для плавки можно использовать бензиновую горелку, которую можно использовать для плавки и пайки металлов. Она расплавляет 30—40 г цветного металла за 2—3 мин. Максимальная температура факела этой горелки 1150 °С. В настоящее время появились горелки, которые работают на пропане, или на газе и сжатом воздухе или на ацетилене.

Для плавки большого количества металла (от 1 до 10 кг) используют газовые плавильные печи фирмы «Марио ди Майо» (Италия), предназначенные для плавки драгоценных металлов и цветных сплавов в графитовых тиглях. Печи работают на газовой смеси, состоящей из 20 % бутана или природного газа и 80 % воздуха.

Электрическая плавильная печь является более эффективным агрегатом, чем газовые печи. Она бесшумна, автоматически с точностью до 5 °С контролирует температуру плавки. В ней можно плавить до 2 кг золота в зависимости от размеров печи и тигля. Печи снабжены графитовыми тиглями, в которых при плавке с помощью борной кислоты создается защитная среда, защищающая расплав от окисления. Максимальная температура в этих печах 1200—1300 °С.

Индукционная плавильная установка предназначена для плавки небольших объемов (до 3 кг) в высокочастотных полях. Печь выпускается фирмой QUGMGIОY 1S200 и имеет следующие технические характеристики:

• питание — 200 В,

• мощность — 2,5 кВт,

• рабочая частота — 20 Гц,

• максимальная температура — 1200—1600 °С.

Тигли:

• объем (на 3 кг) — 160 см3,

• рабочая емкость — 2 кг Аu, 1,1 кг Аg,

• вес — 32 кг.

Индукционная плавильная печь УПИ-0,5-3,0-440 выпускается Российской электротехнической компанией «РЭЛТЕК». Эта установка состоит из двух блоков, связанных между собой кабелями питания и управления.

В первом блоке собран контур компенсации реактивной мощности индуктора плавильной печи. Плавка металла осуществляется в керамических тиглях объемом 60 см³. Охлаждение индуктора и токового контура производится водой с расходом 0,5 л/мин.

Во втором блоке собран высокочастотный генератор мощностью 3 кВт и частотой 440 кГц. Генератор питается от однофазной сети 220 В и имеет плавную регулировку частоты выходного тока. Время плавки 500 г меди не превышает 10 мин. Допустимая температура нагрева металла в кварцевом тигле 1600 °С.

Глава 7 составление и расчет шихты

При выборе и расчете шихты учитывают особенности отдельных шихтовых материалов, их физико-химические свойства. Кроме того, необходимо принимать во внимание методику ведения процесса плавки, конструкцию применяемого плавильного агрегата и род топлива (отражательные или тигельные печи, электрические или работающие на жидком или газообразном топливе), так как это в большей степени влияет на величину потерь металлов при плавке.

Для расчета шихты необходимо иметь следующие данные: 1) химический состав приготовляемого сплава, принимаемый за основу при расчете шихты; 2) исходный состав исходных шихтовых материалов; 3) величину потерь металлов в процессе приготовлении сплава (угар).

Химический состав приготовляемых сплавов и допускаемые пределы содержания от дельных компонентов устанавливаются соответствующими ГОСТами или техническими условиями.

Обычно расчет шихты ведется по одному из двух методов.

1. По среднему химическому составу сплава. Например, для алюминиевой бронзы марки БрАЖ9-4 средний химический состав, по которому можно вести расчет шихты, будет:

9 % Аl; 4 % Fe и 87 % Сu.

2. По оптимальному химическому составу, при котором сплав имеет наилучшие технологические и эксплуатационные свойства. В отдельных случаях оптимальный состав может не отличаться от среднего химического состава.

При расчете шихты для приготовления сплавов АК6 и Д16 содержание меди следует принимать по верхнему пределу, что способствует снижению склонности сплавов к трещинообразованию. Содержание железа должно быть на нижнем пределе для уменьшения ликвации. Содержание магния и кремния принимается по нижнему пределу.

Обычно расчет шихты ведется на 100 кг готового сплава (в отличие от драгоценных металлов, где расчет ведется на 100 г сплава), т. е. при расчете определяется необходимое количество шихтовых материалов, которое нужно загрузить в печь, чтобы получить 100 кг готового сплава. При расчете увеличиваются потери, получающиеся в процессе приготовления сплава, или так называемый угар.

Угар складывается из потерь вследствие испарения, потерь в результате взаимодействия жидкого металла с атмосферой печи и образования не растворимых в металле соединений (из них наибольшее значение имеют оксиды) и потерь вследствие взаимодействия сплава и футеровки печи. Угар можно учитывать не по всем компонентам сплава, а только по одному из наиболее угораемых. Угар остальных компонентов может быть учтен, если считать их в шихте по верхнему пределу содержания, указанному в ГОСТе.

В случае необходимости иметь более точный расчет шихты надо учитывать угар отдельно по каждому компоненту. О величине угара судят по разности весов загруженной шихты и полученного жидкого или твердого металла или сплава.

Угар различных металлов при плавке в различных условиях колеблется в пределах, приведенных ниже, на примере выплавки медных сплавов.

При расчете шихты встречаются четыре вида сочетаний шихтовых материалов:

1) шихта только из первичных металлов;

2) шихта как из первичных металлов, так и из первичных или вторичных сплавов и лигатур;

3) шихта из отходов, возвратов с применением первичных металлов и лигатур;

4) шихта только из отходов, возвратов и ломов.

Наиболее часто встречается в практике третий случай составления шихты, так как у любого плавильщика в процессе плавок образуются разнообразные отходы, которые используются в качестве шихтовых материалов, — их называют отходами собственного производства или возвратами.

Кроме отходов собственного производства литейщики используют разнообразные ломы и отходы, поступающие со стороны. Количество возвратов и отходов, которое должно быть использовано в качестве шихтового материала при приготовлении сплавов, оговорено в инструкциях и технологических картах. В табл. .7.1 приведены примерные составы шихт при приготовлении различных сплавов, наиболее часто встречающихся при изготовлении художественных отливок.

Угар металлов при плавке меди, %

Сплав	Металлы
	Аl	Сu	Zn	Si	Mg	Sn	Ni	Pb	Fe	Ti	Zr
Медный	2—3	1—1,5	2—5	4—8	—	1,5	1,2	1—2	1—15	30	3—10

Табл. 7.1. Примерные составы шихт для приготовления сплавов.

Сплавы	Расход материалов, % от заливки
	первичные металлы	вторичные металлы	отходы собственного производства	лом со стороны
Алюминиевые	25—80	20—0	35—20	20—0
Медные	20—80	30—0	25—10	25—10
Никелевые	65—80		20—10	15—10
Цинковые (в художественном литье встречаются редко)	60—80		30—20	10—0

Как правило, при литье отливок из благо¬родных металлов расходуется больше первич¬ных металлов, а при литье художественных отливок для статуарного литья и отливок средней пластики — больше отходов лома и вторичных металлов.

Приведем несколько примеров расчета шихты.

Составление и расчет шихты из первичных металлов. (Вариант встречается при прямом переплаве при изготовлении изделий крупной пластики.)

Приводим расчет шихты из первичных металлов для приготовления 600 кг бронзы БрОС8-12 среднего химического состава, 8 % Sn, 12 % Pb, остальное медь. Плавка происходит в тигельной печи с газовым разогревом. Расчет проводится на 100 кг сплава, в котором должно содержаться 8 кг Sn, 12 кг РЬ и 80 кг Си. В тигельной печи угар составляет: 1,5 % Sn; 1,2 % Pb; 1 % Сu.

Количество шихтовых материалов вследствие их угара при плавке должно быть соответственно увеличено. Так, по расчету количество олова без учета угара в бронзе должно составлять 8 кг, а угар олова принимается равным 1,5 %, следовательно, в сплав нужно дополнительно ввести:

Sn.

Соответственно рассчитывается угар свинца

РЬ.

и меди

Сu.

Все данные, полученные в результате расчета, заносятся в нижеприведенную таблицу

	Sn	Pb	Сu	Всего
Состав сплава по техническим условиям, %	7—9	11—13	Ост	100
Состав сплава, при­нятый к расчету: %	8	12	80	100
кг	8	12	80	100
Угар: %	1,5	1,2	1,0
кг	0,122	0,146	0,808	1,076
Количество шихто­вых материалов с учетом угара, кг	8,122	12,146	80,808	101,076

Таким образом, для приготовления 100 кг бронзы БрОС8-12 необходимо 101,076 кг шихты. Для приготовления 600 кг бронзы данные, полученные при расчете количества отдельных шихтовых материалов, необходимо увеличить в шесть раз. Шихтовая карта, со гласно которой будет производиться навеска шихты, составляется по следующей форме:

	Шихтовая карта	Количеству кг
Сплав БрОС8-12	Шихтовый материал	—
№ плавки	Медь катодная	484,848
№ печи	Олово	48,732
Вес плавки 600 кг	Свинец	72,876
	Всего	606,486 кг

При изготовлении художественного изделия из нейзильбера (сплав медь — никель — цинк, по цветовой гамме имитирует цвет серебра) проведем составление и расчет шихты из отходов с применением свежих материалов.

Расчет шихты для приготовления нейзильбера марки МНЦ15-20. Исходные шихтовые материалы: отходы мельхиора МН-30, латуни Л70, медь, никель и цинк первичные. Сплав приготовляют в тигельной печи. При расчете принят угар цинка 2,5 %. Расчет шихты производится на 100 кг готового сплава.

1. Определение расчетного состава шихты

	Ni	Zn	Сu	Всего
Состав сплава по ГОСТ, %	13,5— 16,5	18— 22	Ост.	100
Состав сплава, принятый к расчету:
%	15	20	65	100
кг	15	20	65	100
Угар:
%	—	2,5	—	—
кг	—	0,512	—	0,512
Расчетный со­ став шихты, кг	15	20,512	65	100,512

2. При расчете шихты принимаем отходы в количестве 50 % от общего веса шихты, или 50 кг, в том числе 20 кг отходов латуни и 30 кг отходов мельхиора.

		Всего	Ni	Zn	Cu
Отходы Л70	Химический состав, % Вводится металлов, кг	100 20	— —	30 6	70 14
Отходы мельхиора	Химический состав, % Вводится металлов, кг	100 30	32 9,6	— —	68 20,4
Итого вводится с отходами, кг		—	9,6	6	34,4

3. Необходимо ввести чистых металлов:

	Ni	Zn	Сu
Расчетный состав шихты Вносится металлов с отходами Требуется ввести в шихту чистых металлов	15 9,6 5,4	20,512 6 14,512	65 34,4 30,6

4. Шихтовая карта

		Количество, кг
Сплав	Отходы Л70	20
№ плавки	Отходы МН № 30	30
№ печи	Медь катодная	30,6
Вес плавки	Никель катодный	5,4
100 кг	Цинк первичный	14,512
	Всего	100,512

Составление и расчет шихты из отходов

В качестве примера рассчитаем шихту для приготовления 100 кг латуни Л68, имеющей химический состав 67—70 % Си и остальное цинк. Исходные шихтовые материалы: отходы латуни Л80, имеющей состав 80 % Си и 20 % Zn, и отходы латуни Л62, содержащей 62 % Си и 38 % Zn. При расчете принимаем угар цинка 2 %.

Вначале определяется соотношение количества отдельных отходов в шихте. Количество отходов латуни Л80 обозначаем через х %; тогда количество отходов Л62 будет (100 — х) %.

Принимая содержание цинка в готовом сплаве 31,5 %, получаем уравнение:

откуда

Следовательно, шихта будет состоять из 36,2 % отходов латуни Л80 и 63,8 % отходов латуни Л62. Учитывая угар цинка 2 %, получаем расчетный состав шихты:

Отходы

Отходы

Итого: 100,403 кг.

По заданию требуется выплавить сплав Д16 для малой художественной пластики с последующим покрытием для пятирожковой люстры. Для выплавки необходимого сплава следует сделать расчет шихты для сплава Д16.

Исходные шихтовые материалы: чушковый первичный алюминий и лигатуры. Расчет шихты ведется на 100 кг готового сплава. При расчете принимаем угар алюминия и магния, равный 3%. Угар остальных компонентов не учитывается; содержание меди, марганца и магния принимается к расчету по верхнему пределу.

1. Определение расчетного состава шихты

	Сu	Mg	Мn	Аl
Состав сплава по ГОСТ, %	3,8— 4,9	1,5	0,3— 0,9	Ост.
Состав сплава, принятый к расчету.
%	4,9	1,5	0,9	92,7
кг	4,9	1,5	0,9	92,7
Угар:
%		3	—	3
кг		0,046	—	2,87
Расчетный состав шихты, кг	4,9	1,546	0,9	95,57

2. Определение количества лигатур. Марганец, медь и магний вводятся в сплав в виде лигатур: Al — Mg с содержанием 10 % Mg; Al — Сu — Мn с содержанием 25 % Сu и 15 % Мn и Аl — Сu с содержанием 50 % Сu. Определяем количество лигатур, которые необходимо ввести в сплав. Магний вводится с лигатурой Al — Mg, потребное количество этой лигатуры составит:

в том числе 13,914 кг Аl и 1,546 кг Mg.

Марганец вводится с лигатурой Аl — Сu Мn, количество этой лигатуры составит:

в том числе 0,9 кг Мn, а также

кг Al и кг Cu .

Количество лигатуры Аl — Сu определяется с учетом того количества меди, которое имеется в тройной лигатуре Аl — Сu — Мn т. е. 1,5 кг. Следовательно, нужно дополнительно ввести 3,4 кг Сu.

Необходимое количество лигатуры Аl — Сu составит:

в том числе 3,4 кг Аl и 3,4 кг Сu.

3. Следовательно, чистых металлов потребуется дополнительно, кг

	Mg	Мn	Сu	Al
Расчетный состав шихты	1,546	0,9	4,9	95,570
Количество метал­лов, вносимых с лигатурами	1,546	0,9	4,9	20,914
Требуется ввести в шихту чистых металлов	—	—	—	74,656

4. Шихтовая карта

	Шихтовый материал	Количество
Сплав Д16 № плавки № печи Вес плавки 100 кг	Алюминий первичный Лигатура Аl—Сu—Мn Лигатура Аl—Мn Лигатура Аu—Сu	74,656 6 15,46 6,80
	Всего	102,916

Приведем пример расчета шихты для плавки сплавов золота.

При плавке сплавов золота бывают различные потери. При плавке электролитически чистых металлов потери незначительны. При плавке легированных сплавов получаются значительные потери, особенно если в качестве примесей используются легкоплавкие металлы: цинк или кадмий.

В табл. 7.2 приведены потери, получающиеся при плавке некоторых металлов.

Табл. 7.2

Аu	Аg	Сu	Ni	Zn
0,1 — 0,2	0,2—0,5	0,5—1,5	0,3 — 0,8	2—10

Расчет шихты с учетом угара при плавке проводим по формуле:

где Х_m — расчетное количество содержания элементов шихты в граммах;

N — масса готового сплава в граммах;

X_c — процентное содержание в готовом сплаве;

у — процент угара при плавке.

Пусть нам нужно получить 50 г сплава следующего состава: Аu — 58,3 %; Аg — 32,5 %; Сu — 8,97 % и Zn — 2 %. Пользуясь вышеприведенной формулой, получим:

В ювелирном деле медь используется в сплавах золота и серебра. Она также применяется для получения различных сплавов с цветными металлами. Наиболее часто встречаемые из них: латунь (64—72 % Си и 36— 28% Zn); томпак (85—90 % Сu и 15—10% Zn); нейзильбер (50—68 % Сu; 31—19 % Zn и 19—13 % Ni).

Иногда вместо меди в сплавах золота удобно использовать в качестве лигатуры сплавы меди с цветными металлами (латунь, томпак, нейзильбер). Например, если в рассчитанном выше сплаве вместо цинка взять 1г томпака Л90, состоящего из 90 % Сu и 10 % Zn, то содержание меди в сплаве золота надо уменьшить на 0,9 г, т. е. вместо 4,55 г понадобится 3,65 г.