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.