Газодинамические процессы в литейном производстве - Энергетика и промышленность России - № 04 (168) февраль 2011 года - WWW.EPRUSSIA.RU - информационный портал энергетика
16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/epr/168/12670.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 04 (168) февраль 2011 года

Газодинамические процессы в литейном производстве

Новые технологии В. С. ДОРОШЕНКО, К. Х. БЕРДЫЕВ, Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины

Большинство литейщиков и машиностроителей малознакомы с процессом ЛГМ (Lost Foam Casting Process) и недооценивают его возможности.

В то время как это десятилетиями отработанный и один из наиболее ресурсосберегающих процессов производства высокоточных отливок массой от 0,1 килограмма до нескольких тонн.

В литейном производстве он отнесен в раздел специальных видов литья, из которых в вузах изучается около десятка видов. Многие литейщики, даже с солидным опытом, после ознакомления с успешно работающим литейным цехом ЛГМ или получения об этом технической информации задают нам вопрос: если эта технология более прогрессивна, менее затратна, используемое технологическое оборудование – преимущественно отечественное и весьма несложное, а модель формуется просто в сухом песке, – то почему ЛГМ так медленно распространяется в отечественной производственной практике?

Бывают случаи, когда, увидев где‑нибудь на производстве его кажущуюся простоту, пытаются повторить процесс – и, не получив результата, начинают винить не свое незнание сути происходящих в нем явлений, а способ литья.

На наш взгляд, так случается из‑за неочевидности для производственника сути протекающих, одновременно за очень короткое время, физико-химических, тепловых, газогидравлических процессов в вакуумируемой песчаной форме – не вполне освоенной цеховыми специалистами, но наиболее часто используемой при ЛГМ.

Понимание и направление в нужное русло взаимосвязанных перечисленных процессов составляют основу технологии получения качественных, точных и недорогих отливок этим способом. Конечно, во многих случаях более приемлемо и привычно получать отливки традиционно: в пустотелых (чаще в парноопочных) формах. Тем более что к этому «склоняет» многолетняя практика: видна полость для заливки металлом, понятны и освоены в навыках протекающие процессы, помимо того – известны все приемы получения отливок.



Стереотипы литейщиков

Появление способа получения пенополистирола (ППС) относят к 1928 году, а начало его промышленного производства – к 1937‑му. Но, пожалуй, не случайно первым подал патент на ЛГМ не литейщик, а архитектор (Г. Шроер в 1956 году).

Видимо, литейщику труднее преодолеть стереотип, что можно лить не только в пустоту, а и на модель из ППС. Почему это возможно? Взглянем «в глубь» технологии – на структуру такой модели, представляющей твердую пену, типичную для ячеистых пластмасс (пенопластмасс или поро- и пенопластов).

Обычно такую пену получают либо спеканием тонких стенок вспениваемых гранул, либо газонасыщением и экструзией пенопластмассы.

Со временем ячейки пены полностью заполняет воздух, и, увеличиваясь в объеме в десятки раз, на срезе эта пена выглядит как воздух, упакованный в шарики или многогранники с едва различимыми тонкими стенками.

Тогда, по аналогии с традиционной литейной формой, можно сказать, что при ЛГМ расплавленный металл также льют в пустоту полости литейной формы – но только в пустоту, упакованную в мелкие шарики, составляющие модель из ППС, находящуюся в песке этой формы.

Приравнивать пеномодель к пустоте в какой‑то мере позволяет такой пример. Если 1 м3 ППС-модели весит примерно 25 килограммов и замещается семью тоннами жидкого чугуна, то на 1 тонну отливок расходуется 25/7=3,6 килограмма полимера (как говорится, меньше некуда), при стоимости 1 килограмма импортного ППС в гранулах 3‑4 доллара США.

В то же время в формах из смоляных ХТС, при потреблении 3 процентов связующего (стоимость которого уже достигает приблизительно 500 долларов на тонну литья) на 3 тонны смеси, на 1 тонну литья расход составит 0,03х3000=90 килограммов полимерного связующего, или (90/3,6) – в двадцать пять раз больше, с соответственным увеличением газовыделений из формы и отходов отработанной смеси!

Это заодно объясняет существенные экологические преимущества ЛГМ. При этом стоит учесть, что при вакуумировании практически все продукты разложения полимеров откачиваются вакуум-насосом из формы в процессе заливки – затвердевания отливки идут на очистку дожиганием.

Традиционные же формы дымят в помещении, как ни вентилируй рабочую зону цеха, – а утилизация и складирование отходов от них скоро достигнет 20 процентов себестоимости продукции.

Следующее неоспоримое преимущество перед остальными методами литья состоит в гибкости техпроцесса ЛГМ, прежде всего – благодаря многообразию способов модельного производства, а также – простоте и скоротечности формовки. Это делает его экономически обоснованным – как для получения единичных отливок (например, в ремонтных целях), так и в массовом производстве.



Структура процесса

В целом ЛГМ-процесс состоит из четырех частей: производство моделей из ППС, формовка, заливка и обрезка/очистка отливок.

Наиболее сложен для понимания физики сопутствующих явлений процесс заливки. Способ ЛГМ в форме без связующего базируется на поддержании газодинамического баланса во время заливки.

Напомним его суть без формул и диаграмм, – поскольку знать, почему сухой песок не обваливается в полости формы, когда модель разрушается, и какие факторы на это влияют, должны все. От технологов – до рабочих, через руки которых «проходят» модель, форма и металл. И от этого зависит качество получаемой отливки.

Полость формы с сифонной литниковой системой во время заливки можно представить как два сообщающихся сосуда: открытый с торца стояк и закрытая полость формы с замещаемой металлом моделью.

Процесс заливки металлом и газификации модели выглядит как перетекание из открытого сосуда в закрытый.

Если в двух сосудах на одинаковом уровне имеется равное давление, то в стояке оно состоит из (главным образом) металлостатического давления в сумме с атмосферным, а в форме – из давления металла в сумме с давлением газов от газификации модели.

Это давление газов может на 24 процента превышать атмосферное давление и достигать 124 кПа.
Образно говоря, газы от газификации металлом ППС при освобождении от модели полости формы – изнутри этой полости как бы надувают песчаную форму.

В толще герметично упакованного в контейнере и покрытого пленкой песка, путем подключения формы к вакуумному насосу, поддерживается давление, равное 50‑60 процентам от атмосферного (50‑60 кПа). И перепад указанных значений давления на поверхности освобождаемой полости формы над зеркалом металла – как раз и создает то прессующее песок давление, которое удерживает его от обрушения.

Аналогичные явления происходят при ЛГМ с другими типами литниковой системы. Также они составляют принцип упрочнения формы при ВПФ (V-Process) – с тем отличием, что там оба рассматриваемых сосуда (стояк и литейная полость формы) сообщают с атмосферой, причем сечение открытых выпоров в два-четыре раза превышает сечение стояка.



Эффект горошины

Как поддержать давление в полости формы в течение заливки? Может, здесь уместна аналогия с детской игрушкой: если снизу дуть в вертикальную трубку, развернутую сверху, то в потоке воздуха будет висеть горошина. Если слабо дуть, горошина упадет на трубку, если сильно – улетит прочь.

В этой связи различают факторы, способствующие увеличению и стабилизации давления газов в полости формы, во избежание осыпания песка, и ослабляющие это давление, чтобы не повредить изнутри форму. Ниже мы рассмотрим их подробнее.

Почти всегда ЛГМ-процесс обладает саморегулирующими свойствами во время заливки металла, когда вышеуказанный перепад давления уплотняет песок формы и удерживает его от осыпания.

Саморегулирование (самобалансирование) формозаполнения металлом состоит в том, что если при заливке металл слишком быстро газифицирует модель, то рост давления газов от модели тормозит течение металла внутрь формы по литниковой системе, – и это ведет к уменьшению темпа газифицирования.

А если газифицирование слабое, то вакуум формы, проникая в литейную полость, подсасывает заливаемый металл, стимулируя газовыделения от деструкции модели.

Последнее явление используют при сочетании ЛГМ и литья вакуумным всасыванием алюминиевых сплавов – с нижним подводом металла в форму из печи. Это когда применяемого разрежения в песке формы (с давлением до 20 кПа) достаточно как для удержания песка, так и для подъема металла на высоту почти до двух метров.

Если стояк во время гравитационной заливки не заполнен металлом – то часто в полость стояка подсасывается и воздух (с характерным шипящим звуком), что крайне нежелательно из‑за высокой вероятности появления брака отливки.

Таким образом, ввиду указанных сопутствующих явлений заливка при ЛГМ отличается от заливки традиционным способом литья.

Отличие заливки при ЛГМ состоит в необходимости баланса сил газового давления, с учетом сопротивления фильтрации газа на границе «металл-форма», а также – гравитационных и термических сил.

Металл, как правило, подается вдоль стенок отливки с учетом минимизации появления спаев, трещин, нагрева тепловых узлов, местных размывов стенки формы, пригара и других возможных дефектов. А также – для удобства отделения литниковой системы от отливки.



Особенности заливки

При сифонной заливке давление, в зазоре между поднимающимся зеркалом металла и газифицируемой моделью из ППС, зависит от скорости заливки и температуры металла. Его относительно легко регулировать.

Но сифонную заливку не всегда можно осуществить, особенно если модель (отливка) велика (более 1,5‑2 метров) – так как жидкому металлу необходимо преодолевать длинные пути, которые уменьшают скорость его течения, с падением температуры и увеличением вязкости. Это изменяет режим деструкции пенополистироловой модели и, при установившейся скорости откачки газов из формы, может привести к пульсации газового давления. С такими негативными последствиями, как частичное или полное обрушение формы, недоливы, спаи, газовые и шлаковые включения и т. д.

На процесс литья влияет не только способ подачи металла, но и климатические и сезонные факторы. Например, увеличение влажности воздуха ведет к увеличению влажности песка, краски (на поверхности модели), а также изменению текучести металла.

Влага в песке формы приводит к появлению водяных паров при нагреве его газами деструкции модели и контактной теплопроводности от металла отливки.

При наличии в песке остаточной влаги 0,4 процента его текучесть снижается на 30 процентов. При деструкции модели возникает свободный водород, который частично реагирует с кислородом воздуха, образуя пары воды. Последние могут присутствовать в модели – особенно если она не высушена.

С целью нивелирования этих факторов формовщики располагают модели таким образом, чтобы обеспечить равномерность вакуумирования. А технолог так проектирует подведение расплава к модели, чтобы обеспечивались нормальные, без резких пиков, рост и последующее уменьшение объема газов.



Пример литейной технологии

При литье трубчатых деталей для песка, заполняющего канал вдоль трубы, часто применяют дополнительное вакуумирование.

Поясним это примером литейной технологии, использованной опытным технологом В. Синевым в литейном цехе ФТИМС НАНУ при получении таких отливок. Модель стальной отливки длиной более 2,5 метра, наружным диаметром около 400 мм, толщиной стенки до 60 мм и утолщением на одном из концов. Ее устанавливали вертикально или с наклоном не более 10 градусов.

Для задержки шлаков в литниковой системе применяли центробежный уловитель с запиткой от него одной из прибылей, установленной на конце без утолщения. При поэтапной засыпке внутреннего сквозного канала модели песком на удалении от стенки примерно 80 мм спирально уложили гибкую трубу вакуумной системы контейнера. Этим обеспечили устойчивость вакуумируемого песка формы и получили качественную отливку.

Соблюдением дистанции при формовке между элементами откачки и моделью в пределах 70‑80 мм достигался оптимальный режим вакуумирования. Газы, проходя эту дистанцию, теряют 40‑60 процентов температуры от той, которую они имели на входе в песок, что увеличивает их вязкость. При укладке на расстоянии меньше 20 мм откачиваемые газы могут расплавить вакуумно-фильтровальный гибкий трубопровод контейнера или деформировать форму с вероятностью попадания металла внутрь этого трубопровода.

На соблюдение газодинамического баланса формы оказывает влияние соотношение размеров элементов литниково-питающей системы, которую выполняют в соответствии с законами гидравлики, поскольку неправильный подбор этих размеров может привести к созданию в ней разряжения, с образованием полостей между металлом и стенкой каналов этой системы, куда может обсыпаться песок.

Такое разряжение в литниковых каналах предотвращают, прежде всего, применением запертых литниковых систем, поток металла в которых регулируют увеличением отношения площади сечения стояка к питателю как наиболее тонкому месту (узкому сечению), т. е. уменьшением питателя или увеличением стояка с соответствующим увеличением размеров чаши.

Заливка форм из несвязанного песка и конструкции литниковых систем во многом аналогичны для ЛГМ и ВПФ. Эти способы, как никакие другие, требуют тщательного подбора размеров чаш или воронок – так, чтобы при заливке их без труда держать заполненными, во избежание образования вихрей в литниковой системе и с возможностью захвата металлом легких частиц, воздуха, шлака, смытой формовочной смеси, если те попадут в отливку.

Уменьшение расхода металла от расчетного приводит к разбалансированию давления в зазоре «металл – пенополистироловая модель», что несет угрозу обрушения формы.



Окраска модели

Следующим важным фактором, влияющим на газодинамический баланс, являются наносимая на модель краска: ее газопроницаемость при заливке металлом, зависящая от состава, плотности, толщины наносимого слоя, адгезионной стойкости; а также клей для сборки составных моделей и литниково-питающей системы. Использование водных красок различного состава предпочтительно по экологическим соображением, однако превышение их плотности выше 1,8 г/см3 часто приводит к их осыпанию после высыхания. Оптимальная толщина краски, при которой приемлемо соблюдается баланс прочности, целостности и газопроницаемости, составляет 0,8‑1,2 мм.

Эта толщина может удивить опытного литейщика, но ведь при ЛГМ краску наносят на точно выполненную модель сверх размера будущей отливки, а на полых формах со связующим краску на поверхность полости формы обычно наносят более тонким слоем. В первом случае краска не влияет на точность отливки, а во втором из‑за потеков и неравномерности слоя может ее понизить.

Краски для вакуумируемых форм выполняют противопропригарную и герметизирующую (регулирующую газопроницаемость песчаного слоя формы) функции.

Большая газопроницаемость уменьшает давление газов над зеркалом металла и грозит разупрочнением песка, малая способствует торможению потока металла противодавлением газов, вплоть до «кипения» формы с последующими газовыми дефектами отливки. Декстрин, используемый в ряде составов красок как связующее, при заливке выгорает, чем увеличивает газопроницаемость краски. Для увеличения газопроницаемости в состав краски также добавляют асбест, искусственные минеральные волокна, пемзу и др.



Формовочный материал

Если от марки используемого ППС и клея зависит объем и состав продуктов деструкции, то от песка как формовочного материала, так же как и от конструкции вакуумной системы и краски, зависит стабильность удержания газодинамического баланса при заливке.

Исследования, проведенные во ФТИМС АН Украины, показали, что кварцевый песок, как и металлическая дробь, обладает оптимальным сочетанием газопроницаемости и теплопроводности для ЛГМ. Учитывая относительную легкость варьирования плотностью модели, физические свойства песка обычно рассматривают как стабильные среди основных формовочных параметров при ЛГМ. Использование песка с размером зерен 0,1‑0,2 мм при формовке с вакуумированием дает наибольшую прочность и твердость формы, но увеличение его мелкой фракции или глинистой составляющей снижает газопроницаемость.

Песок мелкой фракции прогревается быстрее, чем крупнозернистый. Форма зерен песка, остроугольная или закругленная, не оказывает значительного влияния на газодинамические процессы при ЛГМ. Пористость песка с концентрированной зерновой структурой составляет от 35 процентов (виброуплотненного) до 47 процентов (свободной засыпки) его объема в опоке.

При наложении вибрации происходит уплотнение песка на величину, составляющую до 20 процентов первоначального объема после свободной засыпки. Песок при ЛГМ используют многократно с отсевом около 5 процентов после каждой заливки. Поэтому в нем может увеличиваться доля мелких частиц с размерами меньше 0,05 мм. Если доля мелких частиц превышает 8 процентов, то газопроницаемость песка резко снижается, однако применение пневмотранспорта в линии оборота песка достаточно эффективно его обеспыливает путем уноса пыли с воздухом и осаждения ее в циклонах.



Подготовка к формовке

Одной из наиболее ответственных при ЛГМ является технологическая подготовка операции формовки, несмотря на то что сама формовка может занимать до 10 минут.

Формовщик, при установке собранной с литниково-питающей системой одной или нескольких моделей, модельного куста или кустов в литейный контейнер, в первую очередь определяет соответствие их размеров и достаточность элементов вакуумирования контейнера возможному объему газов деструкции.

Модели в контейнере располагают с возможностью заполнения песком по всей их поверхности без образования пустот или слабого уплотнения песка, особенно если они имеют внутренние полости. При формовке моделей с установленными в них холодильниками последние желательно закреплять к литейному контейнеру с целью предотвращения смещения при заливке.

При ЛГМ отсутствуют стрежни, и уплотненный песок, заполняя каналы или пустоты модели, выполняет функцию стрежней, что часто открывает возможность получения нетехнологичных отливок. Неравномерность уплотнения песка или откачки газов приводит к несоответствию чертежным размерам отливки и ряду других литейных дефектов. Тепловые напряжения в зернах формовочного песка могут достигать 100 кг/см2 – и часть этих сил передается на затвердевающую отливку. При несоответствии скорости откачки условиям газодинамического баланса действующие силы могут разрушить или деформировать как модель, так и незатвердевшую отливку из‑за непрочности образовавшейся корки.

Практика литья свидетельствует, что оптимальные условия виброуплотнения формовочного песка достигаются при частоте 50 Гц и амплитуде 0,5‑0,6 мм. При ЛГМ максимальная прочность формы достигается при включении перед заливкой вакуумной системы, а ее газопроницаемость при заливке остается практически постоянной – колеблется в пределах 5‑10 процентов в зависимости от температуры заливаемого металла. Скорость перемещения песка в полостях и поднутрениях модели мало зависит от формы в плане, но больше зависит от гидравлических радиусов поверхности модели.



На пути к высоким технологиям

Специальный ППС для ЛГМ получен еще в 1962 году в СССР (марка ПСВ) и в ФРГ(марка «Exporit»), которые в дальнейшем улучшались по испаряемости и сажевыделению.

Для увеличения испаряемости (теплопоглощения) в ППС добавляют красители. Поэтому для изготовления единичных моделей лучше применять цветной блочный ППС с удельным весом, соответствующим получению модели отливки данного развеса и толщины стенки.

Для серийных отливок разработаны пенопласты с атомами кислорода в их молекулярной структуре, а для уменьшения сажевыделения в исходный ППС добавляют перекись дикумила, бензоил и др.

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 04 (168) февраль 2011 года:

  • Конец зимнего времени
    Конец зимнего времени

    Этой весной Россия в последний раз переведет стрелки часов. С осени 2011 года в стране отменяется переход на зимнее время: такое решение принял президент. ...

  • Сотрудникам «Росатома» вменили дисциплину
    Сотрудникам «Росатома» вменили дисциплину

    Государственная дума большинством голосов приняла во втором чтении проект федерального закона № 418864‑5 о дисциплине сотрудников «Росатома». ...

  • Арьян де Йонгсте: о России – только хорошее
    Арьян де Йонгсте: о России – только хорошее

    Компания Royal Philips Electronics (AEX: PHI, NYSE: PHG) провела в Москве и Санкт-Петербурге бизнес-сессии, посвященные вопросам стратегического развития российских предприятий. В них приняли участие представители более тридцати российских компаний – поставщики различных комплектующих светотехнической, медицинской и других отраслей, действующие и потенциальные российские партнеры Philips. – Россия – один из приоритетных регионо...

  • Быстродействующая модификация ПЦ6806
    Быстродействующая модификация ПЦ6806

    ООО «НПП Электромеханика» разрабатывает и производит широкий спектр оборудования для оснащения систем АСУТП, ССПИ, СОТИ, АСДТУ и телемеханики. ...

  • Ольга Макарова: «Нам удалось найти баланс интересов энергетики и потребителей»
    Ольга Макарова: «Нам удалось найти баланс интересов энергетики и потребителей»

    По всем филиалам ОАО «МРСК Северо-Запада» в тарифные решения на 2011 год заложены инвестиционные программы на общую сумму 4,6 миллиарда рублей. ...