Производство цилиндрических слитков из алюминиевого сплава

Размещено на http://www.allbest.ru/

Производство цилиндрических слитков из алюминиевого сплава

Цилиндрические слитки из алюминиевого сплава 6ХХХ получают методом полунепрерывного литья, на литейной машине ПНГ 60-7.5. При полунепрерывном способе литья слитков основными параметрами процесса являются: скорость литья, высота кристаллизатора, а также температура разливаемого расплава.

Увеличение скорости литья слитков сверх оптимальной улучшает качество их поверхности за счет сокращения числа неслитин и уменьшает возможность образования поверхностных трещин. Однако чрезмерное повышение скорости литья ведет к образованию внутренних трещин и пористости в слитках. Заниженные скорости литья способствуют образованию поверхностных трещин и неслитин.

Повышение температуры литья сверх оптимальной приводит к увеличению склонности к образованию внутренних трещин, увеличению пористости слитков и образованию ликвационных наплывов. Заниженная температура литья влечет за собой увеличение глубины неслитин, а также способствует объемной кристаллизации и возникновению неоднородного строения слитков. Температуру расплава в миксере при литье цилиндрических слитков поддерживают на 50-100 ⁰С выше температуры ликвидуса.

Высота кристаллизатора оказывает такое же влияние на качество слитков, как и температура литья. С увеличением высоты кристаллизатора уменьшается интенсивность охлаждения, ухудшается структура и качество поверхности слитков.

Оптимальные параметры литья устанавливают исходя из литейных свойств сплава.

Основными узлами литейной формы является: кристаллизатор, затравка и литейный стол.

Кристаллизатор (рисунок 1) - это главный элемент литейной оснастки, определяющий форму и размеры, а также состояние поверхности, склонность к трещенообразованию и качество слитков. Его изготавливают из сплавов Д1 АМг2 прошедших гомогенизацию. У кристаллизаторов годных к применению, внутренние поверхности должны быть полированными. Перед началом литья кристаллизатор смазывают универсальной легкоплавкой синтетической смазкой.

Рисунок 1. Эскиз кристаллизатора для литья цилиндрических слитков Ш 360 мм

Важное значение для слитков с минимальной кривизной и гладкой поверхностью без наплывов, неслитин имеет установка кристаллизатора на столе литейной машины. Кристаллизаторы устанавливают по отвесу и уровню; стол машины должен стоять строго горизонтально.

Для того, чтобы начался процесс кристаллизации слитка, необходимо в кристаллизатор ввести затравку (рисунок 2), которую располагают на столе литейной машины.

Затравки (поддоны), закрывающие кристаллизатор снизу, изготавливают из сплавов Д1 или АК6. Размеры затравки делают на 2-2,5% меньше соответствующих размеров кристаллизаторов.

Основным требованием к затравке является: верхняя поверхность должна быть шлифованной.



Рисунок 2. Затравка для литья цилиндрических слитков Ш 360 мм

При правильной установке затравки наряду с кристаллизатором обеспечивается нормальное начало литья.

Расчет объема и массы слитка

Рассчитаем количество металла необходимое для изготовления одного слитка из сплава 6ХХХ Ш 360 х 1050мм, слиток имеет цилиндрическую форму (рисунок 3).

Рисунок 3. Эскиз цилиндрического слитка

Рассчитаем объем слитка

V_сл = р r² • h

где V_сл - объем слитка, м³;

h - длина слитка, м;

r - радиус слитка, м;

V_сл = 3.14 • 0,18² • 1,05 = 0,1068228 м³.

Рассчитаем массу одного слитка:

М_сл = V_сл • с_AL

где М_сл - масса слитка, кг;

с_AL - плотность алюминия; с_AL = 2700 кг/м³;

М_сл = 0,1068228 • 2700 = 288,422 кг.

Расчет объема и массы прибыли

Так как в процессе кристаллизации слитка происходят усадочные процессы, то для их выведения за пределы отливки, в верхней части необходимо предусмотреть прибыль, высота которой составляет 120 мм (рисунок 4).

Рисунок 4. Эскиз цилиндрического слитка с прибылью: 1 - прибыль, 2 - слиток

Рассчитаем объем прибыли

V_пр = р r² • Н_пр

где V_пр - объем прибыли, м³;

Н_пр - высота прибыли, м;

V_пр = 3,14 • 0,18² • 0,12 = 0,01220832 м³.

Рассчитаем массу прибыли

М_пр = V_пр • с_AL

где М_пр - масса прибыли, кг;

М_пр = 0,01220832 • 2700 = 32,962 кг.

Расчет объема и массы донной части слитка

Так как перед началом процесса заливки металла в кристаллизатор вводится затравка, следовательно, необходимо учесть общее количество металла, приходящееся на донную часть слитка. Полость затравки представлена на рисунке 5.

Рисунок 5. Эскиз полости затравки

В результате донная часть приобретает сложную конфигурацию, представленную на рисунке 6.

Рисунок 6. Эскиз донной части слитка

Так как донная часть слитка имеет сложную конфигурацию, то для облегчения расчетов разобьем ее на три части:

1 - нижняя часть слитка в форме цилиндра;

2 - верхняя часть затравки в форме усеченного конуса;

3 - нижняя часть затравки в форме усеченного конуса.

Высота донной части для цилиндрических слитков составляет Н_д.ч = 150 мм, а высота затравки Н_з = 60 мм.

Рассчитаем объем нижней части слитка (рисунок 3.7):

Рисунок 7. Эскиз нижней части слитка

Найдем высоту нижней части слитка h₁:

h₁ = Н_д.ч - Н_з

где h₁ - высота нижней части слитка, мм;

h₁ = 150 - 60 = 90 мм.

Рассчитаем объем нижней части слитка V₁:

V₁ = р r² • h₁

где V₁ - объем нижней части слитка, м³;

V₁ = 3.14 • 0,18² • 0,09 = 0,00915624 м³.

Рассчитаем объем верхней части затравки (рисунок 8):

Рисунок 8. Эскиз верхней части затравки

где h₂ = 0,01 м;

d₁ = 0,295 м;

d₂ = 0,285 м.

Рассчитаем объем верхней части затравки V₂:

V₂ = ? р • h₂ • (r₁² + r₁• r₂ + r₂²)

где V₂ - объем верхней части затравки, м³;

V₂ = ? • 3,14 • 0,01 • (0,1425² + 0,1425 • 0,1475 + 0,1475²) =

= 0.01047 • (0,02030625 + 0,02101875 + 0,02175625) = 0,00066046 м³.

Рассчитаем объем нижней части затравки (рисунок 9):

Найдем высоту нижней части затравки h₃:

Рисунок 9. Эскиз нижней части затравки

h₃ = Н_д.ч - h₁ - h₂

где h₃ - высота нижней части затравки, мм;

h₃ = 150 - 90 - 10 = 50 мм.

Рассмотрим прямоугольный треугольник ABC:

АС = h₃ = 50 мм;

б = 5^о;

tg 5^о = 0,08749;

^АВ/_АС = tg б=> АВ = АС • tg?б;

АВ = 50 • 0,08749 = 4,3745 мм.

Найдем d₄:

d₃ = 170 мм;

d₄ = d₃ + 2АВ

где d₄ - диаметр верхней части затравки, мм;

d₄ = 170 + 8,749 = 178,749 мм.

Рассчитаем объем нижней части затравки V₃:

V₃ = ? р • h₃ • (r₃² + r₃• r₄+ r₄²)

где V₃ - объем нижней части затравки, м³;

V₃ = ? • 3,14 • 0,05 • (0,085² + 0,085 • 0,0893745 + 0,0893745² ) =

= 0,0523 • (0,007225 + 0,007596833 + 0,007987801) = 0,001192944 м³.

Рассчитаем объем донной части слитка V_д.ч:

V_д.ч = V₁ + V₂ + V₃

где V_д.ч - объем донной части слитка, м³;

V_д.ч = 0,00915624 + 0,00066046 + 0,001192944 = 0,011009644 м³.

Рассчитаем массу донной части слитка М _д.ч:

М _д.ч = V_д.ч • с_AL

где М _д.ч - масса донной части слитка, кг;

М _д.ч = 0,011009644 • 2700 = 29,726 кг.

Расчет количества сплава

Расчет оптимального размера слитка

Так как литейная машина позволяет отливать слиток длиной до 6000 мм, а заданный слиток имеет длину 1050 мм, то в целях экономии расходов электроэнергию и повышения выработки, рассчитаем количество слитков

h = 1050 мм, которые можно изготовить исходя из возможностей литейной машины.

К = 6000 - Н_пр - Н_д.ч. / h

где К - количество слитков заданного размера приходящихся на 6000мм отливку, шт.;

К = 6000 - 120 - 150 / 1050 = 5,46 шт.

Принимаем количество слитков равное К = 5 шт., тогда слиток оптимального размера приобретает следующий вид (рисунок 10)

Рисунок 10. Эскиз отливки оптимального размера: 1 - прибыль; 2 - слитки; 3 - распилы; 4 - донная часть

При распиловке слитка на равные части h = 1050 мм, некоторое количество металла идет в отходы, поэтому необходимо предусмотреть отходы на распиловку. Высота линии реза составляет h_p = 8 мм.

Тогда длина слитка оптимального размера будет составлять:

Н = Н_пр + h • К + Н_д.ч + h_р • n

где Н - длина слитка оптимального размера, мм;

n - количество распилов, шт.;

Н = 120 + 1050 • 5 + 150 + 8 • 4 = 5552 мм.

Расчет массы слитка оптимального размера:

М_о = М_пр + М_д.ч + М_р + М_сл • К

где М_о - масса слитка оптимального размера, кг;

М_р - масса отходов приходящихся на распиловку, кг.

Рассчитаем массу отходов, приходящихся на распиловку слитков:

М_р = V_р • с_AL

где М_р - масса отходов приходящихся на распиловку, кг;

V_p - объем металла приходящихся на распилы, м³.

Рассчитаем объем металла, приходящегося на распиловку:

V_р = р r_р² • h_{р. общ}

где V_р - объем распилов, м³;

h_{р. общ} - общая высота распилов, мм;

r - радиус слитка, мм.

Из рисунка 10 видно, что количество распилов n = 3, тогда общая высота распила будет составлено

h_{р. общ} = n • h_p

где h_{р. общ} - общая высота распилов, мм;

h_{р. общ} = 4 • 8 = 32 мм.

Тогда объем распилов составит:

V_р = 3.14 • 0,18² • 0,032 = 0,003255552 м³.

Следовательно, масса отходов приходящихся на распиловку слитков составляет:

М_р = 0,003255552 • 2700 = 8,79 кг.

Тогда масса слитка оптимального размера составит:

М_о = 32,962 + 29,726 + 8,79 + 288,422 • 5 = 1513,588 кг.

Расчет количества отходов приходящихся на один слиток

Прибыль и донная часть слитка являются негодными для дальнейшего применения. Вследствие того, что в прибыли находится усадочная раковина, а донная часть имеет отклонения от заданных размеров вследствие подвижек в начале процесса литья, поэтому их принимают за отходы производства, которые в дальнейшем идут на переплавку. Так же необходимо учесть отходы на распиловку.

Рассчитаем количество отходов, приходящихся на слиток оптимального размера

М_отх = М_пр + М_д.ч + М_р

где М_отх - масса отходов приходящихся на слиток оптимального размера, кг;

М_отх = 32,962 + 29,726 + 8,79 = 71,478 кг.

Рассчитаем количество отходов, приходящихся на слиток заданного размера с учетом нормальной заполняемости литейной машины:

М'_отх = М_отх / К

где М'_отх - масса отходов, приходящихся на 1 слиток, кг;

М'_отх = 71,478 / 5 = 14,2956 кг.

Расчет количества металла необходимого для заполнения литейной машины

В комплект литейной машины входит оснастка для литья слитков, в которой установлен литейный стол (рисунок 11).

Рисунок 11. Схема литейной машины: 1 - литейный стол; 2 - камера охлаждения; 3 - кристаллизатор; 4 - раздаточный желоб

На литейном столе установлены 4 камеры охлаждения. В каждой камере охлаждения устанавливают по 4 кристаллизатора. Подвод металла в кристаллизаторы осуществляется по раздаточному желобу.

Так как литейный стол позволяет одновременно отливать 16 слитков, рассчитаем количество металла необходимого для полного заполнения литейного стола.

М_л.м = М_о • 16

где М_л.м - количество металла необходимого для полного заполнения литейного стола, кг;

16 - количество слитков на литейном столе, шт.;

М_л.м = 1513,588 • 16 = 24217,408 кг.

Расчет количества слитков согласно годовой программе

Так как годовая программа изготовления цилиндрических слитков размером Ш 360 х 1050 составляет 1310 тонн, рассчитаем количество заливок литейной машины:

К_зал = П_г / М_л.м

где К_зал - количество заливок литейной машины за 1 год, раз;

П_г - годовая производительность, кг;

К_зал = 1310000 / 24217,408 = 54,09 раза.

Данный расчет показал, что литейная машина загружена не полностью, в связи с этим принимаю число заливок К_зал = 54, и тогда количество слитков заданного размера составит:

К_з.р = К_о.д • К

где К_з.р - количество слитков заданного размера, шт.;

К_о.д - количество отливок оптимальной длины.

Рассчитаем количество отливок оптимальной длины изготовляемых за год:

К_о.д = К_зал • 16

где К_о.д - количество отливок оптимальной длины, шт.;

16 - количество слитков на литейном столе, шт.;

К_о.д = 54 • 16 = 864 шт.

Тогда количество слитков заданного размера составит:

К_з.р = 864 • 5 = 4320 шт.

Уточняем годовую программу изготовления цилиндрических слитков размером Ш 360 х 1050 мм:

П'_г = К_зал • М_л.м

где П'_г - уточненная годовая программа, кг;

П'_г = 54 • 24217,408 = 1307740,032 кг.

Проверим годовую программу:

П'_г = К_з.р • (М_сл + М_отх)

где П'_г - уточненная годовая программа, кг;

П'_г = 4320 • (288,422 + 14,2956) = 1307740,032 кг.

Расчет количества компонентов, в сплаве, необходимых для изготовления 4320 слитков из сплава 6XXX Ш 360 х 1050мм.

В таблице 1 приведён химический состав сплава 6ХХХ.

Таблица 1. Химический состав для сплава 6ХХХ, в %

Ti	B	Fe	Si	V	Прочие	Al	Итого
5	1	0,3	0,3	0,1	0,4	92,9	100%

Рассчитаем количество компонентов в сплаве согласно химическому составу:

Q_К = П'_г • С / 100%

где Q_К - количество компонента в сплаве, кг;

С - концентрация компонента в сплаве, в %.

Рассчитаем количество Al в сплаве:

Q_AL = П'_г • C_AL/ 100%

где Q_AL - количество Al в сплаве, кг;

Q_AL = 1307740,032 • 92,9% / 100% = 1214890,49 кг.

Рассчитаем количество Ti в сплаве:

Q_Ti = П'_г • C_Ti / 100%

где Q_Ti - количество Ti в сплаве, кг;

Q_Ti = 1307740,032 • 5% / 100% = 65387,002 кг.

Рассчитаем количество В в сплаве:

Q_В = П'_г • C_В / 100%

где Q_В - количество В в сплаве, кг;

Q_В = 1307740,032 • 1% / 100% = 13077,4 кг.

Рассчитаем количество Fe в сплаве:

Q_Fe = П'_г • C_Fe / 100%

где Q_Fe - количество Fe в сплаве, кг;

Q_Fe = 1307740,032 • 0,3% / 100% = 3923,22 кг.

Рассчитаем количество Si в сплаве:

Q_Si = П'_г • C_Si / 100%

где Q_Si - количество Si в сплаве, кг;

Q_Si = 1307740,032 • 0,3% / 100% = 3923,22 кг.

Рассчитаем количество V в сплаве:

Q_V = П'_г • C_V / 100%

где Q_V - количество V в сплаве, кг;

Q_V = 1307740,032 • 0,1% / 100% = 1307,74 кг.

Рассчитаем количество прочих компонентов в сплаве:

Q_пр = П'_г • C_пр / 100%

где Q_пр - количество прочих компонентов в сплаве, кг;

Q_пр = 1307740,032 • 0,4% / 100% = 5230,96 кг.

Тогда суммарное количество сплава составит:

?Q_спл = Q_AL + Q_Ti + Q_В + Q_Fe + Q_Si + Q_V + Q_пр

где ?Q_спл - суммарное количество сплава, кг;

?Q_спл = 1214890,49 + 65387,002 + 13077,4 + 3923,22 + 3923,22 + 1307,74 + 5230,96 = 1307740,032 кг.

Полученные результаты сведем в таблицу 2.

Таблица 2. Количество компонентов в сплаве для изготовления 4320 слитков размером Ш360 х 1050 мм из сплава 6ХХХ

Компонент	Содержание компонента в сплаве, кг	Содержание компонента в сплаве, %
AL	1214890,49	92,9
Ti	65387,002	5
B	13077,4	1
Fe	3923,22	0,3
Si	3923,22	0,3
V	1307,74	0,1
Прочие	5230,96	0,4
?	1307740,032	100

Расчет количества шихты

Рассчитаем количество шихты, необходимое для изготовления 4320 слитков размером Ш 360 х 1050 мм из сплава 6ХХХ.

Так как в процессе плавки неизбежны потери металла в результате угара элементов и потерь в шлак, то учтем эти потери при расчете шихты. Данные о потерях на угар и в шлак для сплава 6ХХХ приведены в таблице 3.

Таблица 3. Потери металла в результате угара и попадания в шлак для сплава 6ХХХ

Химический элемент	Угар, %	Потери в шлак, %
AL	6,924	3,8
Ti	0,28	-
Fe	0,3	-
Si	0,12	-
V	0,06	-
B	-	-
Прочие	-	-

Рассчитаем количество компонентов в шихте:

Q_к.ш = Q_К • 100% / (100% - П)

где: Q_к.ш - количество компонента в шихте, кг;

Q_К - количество компонента в сплаве, кг;

П - потери компонента при плавке, в %.

Рассчитаем количество Al в шихте:

Так как потери AL составляют сумму потерь на угар и в шлак, то найдем их:

П_Al = П_ш + П_у

где П_Al - потери AL, %;

П_Al = 6,924 + 3,8 = 10,724%.

Тогда количество Al в шихте составит:

Q _{Al ш} = 1214890,49 • 100 / (100 - 10,724) = 1360825,407 кг.

Рассчитаем количество Ti в шихте:

Q_{Ti ш} = 65387,002 • 100 / (100 - 0,28) = 65570,599 кг.

Рассчитаем количество Fe в шихте:

Q_{Fe ш} = 3923,22 • 100/ (100 - 0,3) = 3935,025 кг.

Рассчитаем количество Si в шихте:

Q_{Si ш} = 3923,22 • 100 / (100 - 0,12) = 3927,934 кг.

Рассчитаем количество V в шихте:

Q_{V ш} = 1307,74 • 100 / (100 - 0,06) = 1308,525 кг.

Так как угар и потери в шлак В невелики, то в дальнейших расчетах их учитывать не будем => Q_{B ш} = Q_B = 13077,4 кг.

Так как угар и потери в шлак прочих компонентов шихты невелики, то в дальнейших расчетах их учитывать не будем => Q_{пр ш} =Q_пр= 5230,960128 кг.

Тогда суммарное количество шихты необходимой для изготовления 4320 слитков размером Ш 360 х 1050 мм из сплава 6ХХХ:

?Q_ш = Q_{Al ш} + Q_{Ti ш} + Q_{Fe ш} + Q_{Si ш} + Q_{V ш}+ Q_{B ш} + Q_{пр. ш}, кг;

?Q_ш = 1360825,407 + 65570,599 + 3935,025 + 3927,934 + 1308,525 + 13077,4 + + 5230,96 = 1453875,85 кг.

Сведем расчет в таблицу 4.

Таблица 4. Сводная таблица шихты

Компонент	Содержание компонента в шихте, кг	Содержание компонента в шихте, в %
1	2	3
AL	1360825,407	93,6
Ti	65570,599	4,5
B	13077,4	0,9
Fe	3935,025	0,271
Si	3927,934	0,27
V	1308,525	0,09
Прочие	5230,96	0,36
?Qш	1453875,85	100

Расчет теоретического выхода годного

ТВГ = [М_сл / (М_сл + М'_отх + М'_пот)] • 100 %;

где: М'_пот - масса потерь при плавке приходящихся на 1 слиток, кг.

М'_пот = (?Q_ш - ?Q_спл )/ К_з.р

где

?Q_ш - суммарное количество шихты, кг;

?Q_спл - суммарное количество сплава, кг;

К_з.р - количество слитков заданного размера.

М'_пот = (1453875,85 - 1307740,032) / 4320 = 33,828 кг.

Рассчитаем теоретический выход годного:

ТВГ = [288,422 / (288,422 + 14,2956 + 33,828)] • 100 % = 85,7 %.

Проверим ТВГ:

ТВГ = (К_з.р • М_сл. / ?Q_шихт) • 100%;

ТВГ = (4320 • 288,422 / 1453875,85) • 100% = 85,7 %.

Так как ТВГ при изготовлении слитков размером Ш 360 х 1050 из сплава 6ХХХ, составляет 85,7%, то можно сделать вывод, что производство данных слитков является рентабельным.

слиток металл кристаллизатор угар шлак

Размещено на Allbest.ru

...