تحليل العوامل المؤثرة على جودة سطح الأجزاء المصبوبة من الفولاذ

يتم التحكم في جودة سطح مكونات الفولاذ المصبوب بشكل أساسي بواسطة عاملين مترابطين في مرحلة التشكيل: نظافة تجويف القالب و حالة سطح القالب.

بالنسبة للمسبوكات الكبيرة - حيث تكون أنظمة الصب طويلة ويكون تعقيد العمليات المعدنية/العملية مرتفعًا - يتم دخول الرمال السائبة, تعتبر النفايات والملوثات الأخرى الموجودة في الأنابيب الخزفية الصاعدة/المجاري وتدهور أو تلف النمط/سطح القالب هي المصادر السائدة للعيوب السطحية المرئية.

تحلل هذه المقالة هذه العوامل بعمق, يقدم تدابير وقائية عملية وأدلة اختبار لتأثير عيوب سطح القالب, ويوفر خارطة طريق تنفيذية لتحسين حالة السطح المصبوب وتقليل إعادة العمل.

1. خلفية وأهمية جودة السطح

أجزاء كبيرة من الصلب المصبوب (مكونات التوربينات, صمامات كبيرة, عداء التوربينات المائية, إلخ.) يتم إنتاجها تحت درجات حرارة صب عالية وأنظمة بوابات معقدة.

لا يعد المظهر السطحي سمة تجارية فحسب، بل يعد أيضًا مؤشرًا للتحكم في العملية والسلامة الداخلية.

تؤدي جودة السطح الرديئة إلى طحن مكلف, إعادة صياغة الآلات أو الرفض ويؤثر سلبا على تصور العملاء.

في الممارسة العملية هناك عوامل كثيرة تؤثر على المظهر (الادراج المعدنية, الفصل الكلي, اندماج الرمال, جرب), ولكن هناك عاملان يهيمنان باستمرار على نطاق واسع صبأثناء الصب والصب:

1. نظافة تجويف القالب - دخول الرمال السائبة, الخبث والشوائب في أنابيب التغذية / العداء الخزفية والتجويف; و
2. حالة سطح القالب - الضرر الميكانيكي, تراكم الإصلاح, وخشونة السطح للنمط والمكونات الأساسية.

استنادًا إلى سنوات من الخبرة العملية في الإنتاج في الأجزاء الكبيرة من الفولاذ المصبوب مثل توربينات الغاز,

التوربينات البخارية, ومشغلات التوربينات الهيدروليكية, تحلل هذه المقالة بشكل منهجي آلية تأثير نظافة تجويف القالب وحالة سطح القالب على جودة سطح الأجزاء الفولاذية المصبوبة.

جنبا إلى جنب مع الاختبارات المقارنة والممارسة الهندسية, تم اقتراح تدابير التحسين المستهدفة لتحسين جودة سطح المسبوكات بشكل فعال وتوفير الدعم الفني للإنتاج المستقر لأجزاء الفولاذ المصبوب عالية الجودة.

2. تأثير نظافة تجويف القالب على جودة سطح الأجزاء الفولاذية المصبوبة

تجويف القالب هو "القالب" الذي يشكل الأجزاء الفولاذية المصبوبة. تحدد نظافتها بشكل مباشر ما إذا كانت هناك شوائب, شوائب الرمال, وغيرها من العيوب على سطح المسبوكات.

أثناء عملية صب الأجزاء الفولاذية المصبوبة, يتدفق الفولاذ المنصهر إلى تجويف القالب بسرعة عالية.

شوائب الخبث الناتجة أثناء عملية الصهر, الرمال المتناثرة التي تدخل خط الأنابيب أثناء وضع نظام البوابات, وسيتم غسل الملوثات الأخرى في تجويف القالب مع الفولاذ المنصهر.

أثناء عملية التبريد والتصلب للفولاذ المنصهر, بسبب كثافتها المنخفضة, سوف تطفو معظم شوائب الخبث والرمال المتناثرة إلى الأعلى ويتم تفريغها من خلال نظام الناهض أو التنفيس.

لكن, سيظل جزء من الادراج يتكثف عند المقاطع العرضية المتغيرة, شرائح, وغيرها من مواضع المسبوكات, تشكيل عيوب السطح مثل شوائب الرمل وشوائب الخبث.

يجب إزالة هذه العيوب عن طريق الطحن, الأمر الذي لا يزيد من عبء العمل والتكلفة في الإنتاج فحسب، بل قد يؤثر أيضًا على دقة أبعاد المسبوكات إذا كانت كمية الطحن كبيرة جدًا.

المصدر الرئيسي للرمال المتناثرة في تجويف القالب هو نظام البوابات.

عادة ما يتكون نظام البوابات للأجزاء الفولاذية المصبوبة من أنابيب خزفية (أنابيب الخزف) لضمان مقاومة درجات الحرارة العالية وتجنب تآكل الفولاذ المنصهر.

للأجزاء الفولاذية الكبيرة, يمكن أن يصل الطول الإجمالي لنظام البوابات الموضوع إلى أكثر من 40 متر, وتتضمن عملية التمديد أقسامًا متعددة من أنابيب البورسلين المتصلة.

بسبب طوله الطويل وصعوبة وضعه العالية, احتمال دخول الرمال المتناثرة إلى أنابيب البورسلين مرتفع نسبيًا.

لذلك, من المهم بشكل خاص حماية كل قسم من أنابيب البورسلين أثناء عملية التمديد لمنع الرمال المتناثرة من دخول تجويف القالب مع الفولاذ المنصهر.

من خلال التحقق العملي على ثلاثة أنواع من منتجات الصلب المصبوب (توربينات الغاز, التوربينات البخارية, ومشغلات التوربينات الهيدروليكية),

تم تطوير ثلاثة أنواع من المواد والأساليب الواقية لتحسين نظافة تجويف القالب بشكل فعال. وفيما يلي تحليل مفصل لكل طريقة:

2.1 طريقة حماية الفيلم البلاستيكي PVC

PVC (بولي فينيل كلوريد) يستخدم الفيلم البلاستيكي على نطاق واسع في حماية نظام البوابات بسبب أدائه العالي التكلفة, عملية مريحة, وأداء الختم الجيد.

سمك الفيلم الموصى به هو 0.4-1 ملم, ويمكن اختيار السماكة المحددة وفقًا لمتطلبات عملية التشكيل في الموقع.

لتسهيل مراقبة وفحص النظافة الداخلية لأنابيب البورسلين, ويفضل فيلم PVC الشفاف.

خطوات التشغيل المحددة هي كما يلي: أولاً, التحقق من النظافة الداخلية لكل قسم من أنابيب البورسلين قبل الحماية, وإزالة أي رمال متناثرة أو ملوثات أخرى.

ثم, قم بلف فيلم PVC حول فتحة أنبوب البورسلين المراد حمايته. يجب أن يكون إحكام الغشاء مناسبًا حتى لا يؤثر على التوصيل بين أنابيب البورسلين.

أثناء الوصلة المؤخرة لأنابيب البورسلين, يتم حظر الرمال العائمة والملوثات الأخرى خارج الفيلم ولا يمكنها الدخول إلى أنابيب البورسلين.

بعد الانتهاء من وضع نظام البوابات, لا يحتاج الفيلم إلى إزالته.

أثناء عملية الصب, عندما يندفع الفولاذ المنصهر إلى تجويف القالب, يتم تفريغ الهواء الموجود في أنابيب البورسلين من النظام تحت الضغط, ويتم نفخ فيلم PVC من نظام مخرج الهواء مع الهواء الموجود في تجويف القالب.

حيث سيتم حرق فيلم PVC بالكامل وتحلل عند درجات حرارة عالية (تبلغ درجة حرارة تحلل PVC حوالي 200-300 درجة مئوية,

وهي أقل بكثير من درجة حرارة صب الفولاذ المنصهر), لن يسبب تلوثًا للفولاذ المنصهر أو يترك بقايا على سطح المسبوكات.

2.2 طريقة حماية صفائح الفولاذ الرقيقة

صفائح فولاذية رقيقة بسماكة أقل من 1 ويمكن أيضًا استخدام ملم لحماية أنابيب البورسلين.

ميزة صفائح الفولاذ الرقيقة هي أنه يمكن إعادة استخدامها, والتي يمكن أن تقلل من تكلفة المواد على المدى الطويل إلى حد معين.

قبل الاستخدام, تحتاج الصفائح الفولاذية الرقيقة إلى المعالجة بأحجام مناسبة أكبر قليلاً من القطر الخارجي لأنابيب البورسلين وفقًا لحجم وشكل أنابيب البورسلين لضمان قدرتها على تغطية جزء التوصيل لأنابيب البورسلين بالكامل.

عملية التشغيل هي: أولاً, التحقق من وجود أجسام غريبة داخل أنابيب البورسلين.

ثم, يتم تغليف الصفائح الفولاذية الرقيقة المعالجة على جزء التوصيل لأنابيب البورسلين المراد حمايتها.

بعد أن يتم تغطية الجزء العلوي من أنابيب البورسلين بالكامل بالرمل, قم بسحب الصفائح الفولاذية الرقيقة يدويًا.

لكن, هذه الطريقة لها متطلبات عالية لعمليات البناء: من ناحية, بسبب كمية الرمال الكبيرة حول أنابيب البورسلين,

فمن السهل أن تفوت سحب صفائح الفولاذ الرقيقة; على الجانب الآخر, قد تؤدي عملية سحب الصفائح الفولاذية إلى دفع أنابيب البورسلين الموضوعة بالفعل, مما أدى إلى اختلال نظام البوابات.

فضلاً عن ذلك, إذا كان فحص النظافة الثانوي مطلوبًا بعد وضع نظام البوابات, صعوبة التشغيل كبيرة نسبيًا لأنه تمت إزالة الصفائح الفولاذية الرقيقة وتغطية جزء التوصيل من أنابيب البورسلين بالرمال.

تجدر الإشارة إلى أنه إذا لم يتم سحب الصفائح الفولاذية الرقيقة في الوقت المناسب أو تم تفويتها, سوف يدخل تجويف القالب مع الفولاذ المنصهر أثناء الصب,

مما سيمنع تدفق الفولاذ المنصهر ويسبب عيوبًا خطيرة مثل الإغلاق البارد وسوء التشغيل على سطح المسبوكات.

2.3 طريقة حماية ألواح رغوة البوليسترين

تتميز ألواح رغوة البوليسترين بمزايا التكلفة المنخفضة والوزن الخفيف, وهي أيضًا مادة وقائية شائعة لنظام البوابات.

مفتاح هذه الطريقة هو دقة معالجة لوح الرغوة: يجب معالجة لوح الرغوة إلى شكل أسطواني بنفس قطر القطر الداخلي لأنبوب البورسلين, ثم يتم وضعها على فوهة أنبوب البورسلين للحماية.

حجم معالجة لوح الرغوة له متطلبات عالية: إذا كان القطر كبيرًا جدًا, لا يمكن إدخال لوح الرغوة في فوهة أنبوب البورسلين;

إذا كان القطر صغيرًا جدًا, سيكون أداء الختم ضعيفًا, وسوف يدخل الرمل بسهولة إلى داخل أنبوب البورسلين من الفجوة.

في نفس الوقت, يجب أن يكون لوح الرغوة سمكًا كافيًا (عادة 5-10 ملم) لتجنب الميل داخل ماسورة البورسلين, مما سيؤثر على التأثير الوقائي.

على غرار طريقة حماية الفيلم البلاستيكي PVC, لا يلزم إخراج لوح الرغوة بعد وضع نظام البوابات.

أثناء عملية الصب, عندما تندفع كمية كبيرة من الفولاذ المنصهر إلى تجويف القالب, يتم نفخ لوح الرغوة من تجويف القالب من خلال نظام مخرج الهواء تحت ضغط الهواء في تجويف القالب.

سوف تتحلل رغوة البوليسترين عند درجات حرارة عالية (درجة حرارة التحلل حوالي 100-150 درجة مئوية) ولن تنتج مواد ضارة, لذلك لن يلوث الفولاذ المنصهر أو يؤثر على جودة سطح المسبوكات.

2.4 مقارنة تأثيرات الحماية لثلاث مواد

المبدأ الأساسي لطرق الحماية الثلاثة هو منع الرمال المتناثرة من دخول أنابيب البورسلين وتجويف القالب على أساس عدم التأثير على تدفق الفولاذ المصهور أثناء الصب وعدم إدخال مواد غريبة إلى تجويف القالب.

لتحديد نظام الحماية الأمثل, التكلفة, صعوبة البناء, ويتم مقارنة تأثير الحماية للمواد الثلاث, كما هو مبين في الجدول 1.

طاولة 1 مقارنة تكلفة وأداء مواد الحماية

ويمكن رؤيته من الجدول 1 أن كلا من صفائح الفولاذ الرقيقة وألواح رغوة البوليسترين لها تأثيرات حماية جيدة, لكن صعوبة معالجتها مرتفعة نسبيًا, وهي ليست مناسبة للبناء والاستخدام في الموقع إلى حد ما.

يتمتع الفيلم البلاستيكي PVC بأفضل تأثير للحماية, مع عملية بسيطة في الموقع وأداء عالي التكلفة.

لذلك, جنبا إلى جنب مع احتياجات الإنتاج الفعلية, يوصى باستخدام الفيلم البلاستيكي PVC بسمك 0.4-1 مم باعتباره المادة الواقية المفضلة لنظام البوابات للأجزاء الفولاذية المصبوبة,

والتي يمكن أن تحسن بشكل فعال نظافة تجويف القالب وتقليل عيوب السطح الناجمة عن شوائب الرمل.

3. تأثير حالة سطح القالب على جودة سطح الأجزاء الفولاذية المصبوبة

القالب هو الأداة الأساسية لتشكيل الأجزاء الفولاذية المصبوبة, وتؤثر حالة سطحه بشكل مباشر على تشطيب السطح واستواء المسبوكات.

للأجزاء الفولاذية الكبيرة, يتم استخدام القوالب الخشبية في الغالب نظرًا لمزاياها في المعالجة السهلة, تكلفة منخفضة, وقابلية جيدة للآلات.

لكن, تتميز القوالب الخشبية بخصائص الحجم الكبير وعدد كبير من الكتل السائبة (كتل متحركة), والتي تتطلب دقة عالية في تحديد المواقع وضيق الاتصال بين الكتل السائبة.

في عملية الإنتاج الفعلية, مع زيادة عدد استخدامات القالب, سيزداد أيضًا الضرر الذي يلحق بسطح القالب والكتل السائبة أثناء تجريد القالب.

إذا لم يتم الحفاظ على هذه العيوب في الوقت المناسب, فهي لن تؤثر فقط على شكل وجودة سطح المسبوكات، بل ستقلل أيضًا من عمر خدمة القالب.

3.1 توليد العيوب الطبيعية على سطح القالب

العيوب الطبيعية لسطح القالب تشمل بشكل رئيسي التآكل, الخدوش, تشققات, والتفاوت في فجوات الاتصال. ترجع هذه العيوب بشكل رئيسي إلى الأسباب التالية:

• أضرار تجريد العفن: أثناء عملية تجريد القالب, بسبب الالتصاق بين رمل القالب وسطح القالب,
  يتم خدش أو تآكل سطح القالب والكتل السائبة بسهولة عند سحب القالب, خاصة عند شرائح وحواف القالب.
• العوامل البيئية: يتم تخزين القالب في ورشة الإنتاج لفترة طويلة, ويتأثر السطح بسهولة بالرطوبة, مما يؤدي إلى تورم الخشب وتشوهه, مما أدى إلى سطح غير مستو.
• الصيانة ليست في الوقت المناسب: بعد استخدام القالب, إذا لم يتم تنظيف الرمال السطحية والملوثات في الوقت المناسب, أو لم يتم إصلاح الأجزاء التالفة في الوقت المناسب, وسوف تتوسع العيوب تدريجياً مع زيادة عدد الاستخدامات.

ومن هذه العيوب الطبيعية, إن السطح غير المستوي عند فجوات التوصيل وشرائح القالب له أكبر تأثير على جودة سطح المسبوكات.

بعد إصلاح القالب, إذا لم يكن السطح مطحونًا ليكون مسطحًا وناعمًا, سيتم تشكيل عيوب تشبه الأخدود أو تشبه ذيل الجرذ على سطح المسبوكات, والتي تؤثر بشكل خطير على جودة مظهر المسبوكات.

3.2 اختبار العيوب الاصطناعية على سطح القالب

للتحقق كميا من العلاقة بين تسطيح سطح القالب وعيوب سطح الصب, تم إجراء اختبار مقارن.

تم تصنيع ثلاثة أنواع من العيوب الاصطناعية بأعماق مختلفة على سطح القالب, والتي كانت 1-2 ملم, 2-4 ملم, و4-6 ملم على التوالي.

نطاق توزيع العيوب يغطي الطائرة, سطح القوس, وجزء فيليه من جذر الشفة, وهي المواضع الرئيسية المعرضة للعيوب السطحية في الأجزاء الفولاذية المصبوبة.

خطة الاختبار هي كما يلي: يتم اختيار ثلاث مناطق لكل موقف, ويتم ضبط مساحة كل منطقة على 300 مم × 300 مم.

يتم تصنيع العيوب الاصطناعية في المناطق المختارة ووضع علامات عليها.

يتم تصنيع العيوب المحدبة عن طريق إضافة مواد مثل المعجون أو الجبس على سطح القالب, ويتم طحن العيوب المقعرة وتشكيلها على سطح القالب باستخدام أدوات مثل الملفات الدوارة المصنوعة من السبائك.

يتم قياس عمق جميع العيوب الاصطناعية بمقياس الارتفاع وتسجيله بالتصوير الفوتوغرافي.

أثناء عملية التشكيل, يتم فحص الأجزاء الصناعية المعيبة للتأكد من عدم وجود رمل عائم أو مواد أخرى تؤثر على شكل العيوب.

يتم تنفيذ درجة ضغط وقوة الرمال المملوءة حول العيوب وفقًا لمتطلبات عملية التشكيل.

بعد صب المسبوكات وتشكيلها, إنهم يخضعون للمعالجة الحرارية عالية الجودة وعملية التفجير بالرصاص الأولى, ويتم فحص والتحقق من المساحات السطحية للمسبوكات المقابلة للعيوب الصناعية.

أظهرت نتائج الاختبار أن الأعماق المختلفة للعيوب الاصطناعية على سطح القالب تؤدي إلى مستويات مختلفة من خشونة سطح الصب.

وتظهر العلاقة المقابلة المحددة في الجدول 2.

طاولة 2 جدول مقارنة العيوب الاصطناعية على سطح القالب وخشونة سطح الصب

ملحوظة: يتم تقسيم درجات خشونة السطح في الجدول وفقًا للمعيار الداخلي للمؤسسة لأجزاء الفولاذ المصبوب: الصف A1 (ra ≤ 6.3 μM) هي أعلى جودة للسطح, مناسبة لأجزاء المظهر الرئيسية;

A2/A3 grade (6.3 μM < ra ≤ 12.5 μM) هي نوعية السطح العامة, مناسبة للأجزاء الهيكلية العادية; درجة A4 (ر > 12.5 μM) هي جودة السطح المنخفضة, والتي تحتاج إلى إعادة صياغتها عن طريق الطحن.

وفقا لنتائج الاختبار, لتلبية متطلبات درجة خشونة السطح المختلفة لأجزاء الفولاذ المصبوب, يجب فحص سطح القالب قبل كل استخدام.

للعيوب التي تتجاوز العمق المحدد (عادة 2 مم للأجزاء العامة و 1 مم للأجزاء الرئيسية), يجب إجراء الإصلاح والطحن للتأكد من أن الحالة العامة لسطح القالب مؤهلة.

لفجوات الاتصال وشرائح القالب, وينبغي إيلاء اهتمام خاص للفحص والصيانة لتجنب تشكيل عيوب تشبه الأخدود أو تشبه ذيل الجرذ على سطح الصب.

4. خاتمة

بالنسبة للأجزاء الكبيرة من الفولاذ المصبوب، فإن الاثنين الأكثر تأثيرًا, المساهمين الذين يمكن السيطرة عليهم في ضعف جودة السطح المصبوب هم دخول التلوث عبر البوابات/الأنابيب و عيوب سطح القالب.

بسيط, طرق الحماية منخفضة التكلفة - وأبرزها استخدام طبقة PVC الشفافة بسمك 0.4-1.0 مم لتغطية/تغطية فتحات الأنابيب أثناء تركيب الأنابيب - تقلل بشكل كبير من دخول الرمال السائبة.

الفحص الدؤوب وإصلاح أسطح القالب في الوقت المناسب (مع قبول عمق الخلل المحافظ بمقدار 2 مم) منع نقل الضرر العفن إلى مكونات الزهر.

مدمج مع المادة الأولى NDT وبرنامج الصيانة/الفحص الموثق, تعمل هذه التدابير على تحسين حالة السطح بشكل ملموس, تقليل إعادة العمل ورفع الجودة المرئية للعملاء.

مراجع

[1] تشانغ تشاوي. تحليل الجودة وإجراءات تحسين الجودة لأجزاء الفولاذ المصبوب [ي]. شبكة مجلة الصين, 2018(01): 75-77.

[2] وانغ تشنغبين. مناقشة حول تأثير هيكل القالب على جودة الصب والتصميم الأمثل [ي]. صناعة الأعمال والتجارة الحديثة, 2011, 23(01): 303.

[3] جمعية المسبك الأمريكية (AFS). دليل مسبوكات الصلب [م]. 11الطبعة الرابعة. AFS, 2017.