Analýza faktorů ovlivňujících kvalitu povrchu ocelových odlitků

Kvalita povrchu ocelových odlitků se ve fázi lisování řídí především dvěma vzájemně souvisejícími faktory: čistota plísní a dutin a stav povrchu formy.

U velkých odlitků – kde jsou licí systémy dlouhé a metalurgická/procesní složitost je vysoká – vnikání sypkého písku, strusky a jiné nečistoty do keramických stoupacích/žlabových trubek a zhoršení nebo poškození povrchu vzoru/formy jsou dominantními zdroji viditelných povrchových defektů.

Tento článek analyzuje tyto faktory do hloubky, představuje praktická ochranná opatření a zkušební důkazy o vlivu povrchových defektů formy, a poskytuje plán implementace pro zlepšení stavu povrchu po odlití a snížení přepracování.

1. Pozadí a význam jakosti povrchu

Velké díly z lité oceli (komponenty turbíny, velké ventily, poháněče hydroturbíny, atd.) jsou vyráběny za vysokých licích teplot a složitých vtokových systémů.

Vzhled povrchu není jen komerčním atributem, ale také indikátorem řízení procesu a vnitřního stavu.

Špatná kvalita povrchu vede k nákladnému broušení, přepracování nebo odmítnutí obrábění a negativně ovlivňuje vnímání zákazníků.

V praxi ovlivňuje vzhled mnoho faktorů (metalurgické inkluze, makro-segregace, pískové fúze, srážky), ale u velkých trvale dominují dva faktory obsazenís při formování a lití:

1. Čistota dutiny formy — vnikání sypkého písku, strusky a vměstků do keramických přívodních/běžných trubek a dutiny; a
2. Stav povrchu formy — mechanické poškození, opravit nahromadění, a drsnost povrchu vzoru a součástí jádra.

Na základě let praktických zkušeností s výrobou velkých ocelových dílů, jako jsou plynové turbíny,

parní turbíny, a oběžníky hydraulických turbín, tento článek systematicky analyzuje mechanismus vlivu čistoty dutiny formy a stavu povrchu formy na kvalitu povrchu ocelových odlitků.

V kombinaci se srovnávacími testy a inženýrskou praxí, jsou navržena cílená zlepšovací opatření pro efektivní zlepšení kvality povrchu odlitků a poskytnutí technické podpory pro stabilní výrobu vysoce kvalitních ocelových odlitků.

2. Vliv čistoty dutiny formy na kvalitu povrchu ocelových odlitků

Dutina formy je „forma“, která tvaruje díly z lité oceli. Jeho čistota přímo určuje, zda tam jsou inkluze, Inkluze písku, a jiné vady na povrchu odlitků.

Během procesu lití ocelových dílů, roztavená ocel proudí do dutiny formy vysokou rychlostí.

Struskové vměstky vznikající během procesu tavení, rozptýlený písek vstupující do potrubí během pokládky vtokového systému, a další znečišťující látky budou smyty do dutiny formy spolu s roztavenou ocelí.

Během procesu ochlazování a tuhnutí roztavené oceli, kvůli jejich nižší hustotě, většina struskových inkluzí a rozptýleného písku bude plavat nahoru a bude vypuštěna stoupacím potrubím nebo ventilačním systémem.

Však, část vměstků bude stále kondenzovat na proměnných průřezech, filé, a další polohy odlitků, vytváření povrchových defektů, jako jsou pískové vměstky a struskové vměstky.

Tyto vady je potřeba odstranit broušením, což nejen zvyšuje výrobní zátěž a náklady, ale může také ovlivnit rozměrovou přesnost odlitků, pokud je množství mletí příliš velké.

Hlavním zdrojem rozptýleného písku v dutině formy je vtokový systém.

Vtokový systém ocelových litých dílů je obvykle složen z keramických trubek (porcelánové dýmky) zajistit odolnost proti vysokým teplotám a zabránit erozi roztavené oceli.

Pro velké ocelolitinové díly, celková délka položeného vtokového systému může dosáhnout více než 40 metry, a proces kladení zahrnuje několik sekcí spojených porcelánových trubek.

Kvůli dlouhé délce a vysoké obtížnosti pokládky, pravděpodobnost vniknutí rozptýleného písku do porcelánových trubek je poměrně vysoká.

Proto, je zvláště důležité chránit každou část porcelánové trubky během procesu pokládky, aby se zabránilo vniknutí rozptýleného písku do dutiny formy spolu s roztavenou ocelí.

Praktickým ověřením na třech typech ocelolitinových výrobků (plynové turbíny, parní turbíny, a oběžníky hydraulických turbín),

Pro účinné zlepšení čistoty dutiny formy byly vyvinuty tři typy ochranných materiálů a metod. Následuje podrobná analýza každé metody:

2.1 Metoda ochrany PVC plastové fólie

PVC (Polyvinylchlorid) plastová fólie je široce používána při ochraně vtokového systému díky své vysoké ceně, pohodlné ovládání, a dobrý těsnící výkon.

Doporučená tloušťka fólie je 0,4–1 mm, a specifická tloušťka může být zvolena podle požadavků na lisování na místě.

Pro usnadnění pozorování a kontroly vnitřní čistoty porcelánových dýmek, preferována je průhledná PVC fólie.

Konkrétní provozní kroky jsou následující: První, před ochranou zkontrolujte vnitřní čistotu každé části porcelánové trubky, a odstraňte veškerý existující rozptýlený písek nebo jiné znečišťující látky.

Pak, obalte PVC fólií kolem otvoru porcelánové trubky, která má být chráněna. Těsnost fólie by měla být přiměřená, aby neovlivnila spojení mezi porcelánovými trubkami.

Při tupém spoji porcelánových trubek, plovoucí písek a další znečišťující látky jsou zablokovány vně fólie a nemohou se dostat do porcelánových trubek.

Po dokončení pokládky vtokového systému, fólie není třeba odstraňovat.

Během procesu nalévání, když roztavená ocel spěchá do dutiny formy, vzduch v porcelánových trubkách je vypouštěn ze systému pod tlakem, a PVC fólie je vyfukována ze systému výstupu vzduchu spolu se vzduchem v dutině formy.

Protože PVC fólie bude při vysokých teplotách zcela spálena a rozloží se (teplota rozkladu PVC je cca 200–300°C,

která je mnohem nižší než teplota lití roztavené oceli), nezpůsobí znečištění roztavené oceli ani nezanechá zbytky na povrchu odlitků.

2.2 Metoda ochrany tenkého ocelového plechu

Tenké ocelové plechy o tloušťce menší než 1 mm lze použít i pro ochranu porcelánových trubek.

Výhodou tenkých ocelových plechů je, že je lze znovu použít, což může do určité míry snížit dlouhodobé materiálové náklady.

Před použitím, tenké ocelové plechy je třeba zpracovat na vhodné velikosti o něco větší, než je vnější průměr porcelánových trubek podle velikosti a tvaru porcelánových trubek, aby bylo zajištěno, že mohou zcela zakrýt spojovací část porcelánových trubek.

Proces operace je: První, zkontrolujte, zda se uvnitř porcelánových trubek nenacházejí cizí předměty.

Pak, nasaďte zpracované tenké ocelové plechy na spojovací část chráněných porcelánových trubek.

Poté, co je horní část porcelánových trubek zcela pokryta formovacím pískem, ručně vytáhněte tenké ocelové plechy.

Však, tato metoda má vysoké požadavky na stavební provoz: na jedné straně, kvůli velkému množství písku kolem porcelánových trubek,

je snadné přehlédnout tahání tenkých ocelových plechů; na druhé straně, proces vytahování ocelových plechů může pohánět již položené porcelánové trubky, což má za následek vychýlení vtokového systému.

Navíc, je-li požadována sekundární kontrola čistoty po položení vtokového systému, obtížnost provozu je poměrně velká, protože tenké ocelové plechy byly odstraněny a spojovací část porcelánových trubek je pokryta pískem.

Je třeba poznamenat, že pokud tenký ocelový plech není vytažen včas nebo je vynechán, během lití vstoupí do dutiny formy spolu s roztavenou ocelí,

které zablokují tok roztavené oceli a způsobí vážné defekty, jako jsou studené uzávěry a chybné běhy na povrchu odlitků.

2.3 Způsob ochrany desky z pěnového polystyrenu

Polystyrenová pěnová deska má výhody nízké ceny a nízké hmotnosti, a je také běžným ochranným materiálem pro vtokový systém.

Klíčem k této metodě je přesnost zpracování pěnové desky: pěnová deska musí být zpracována do válcového tvaru o stejném průměru, jako je vnitřní průměr porcelánové trubky, a poté umístěn na trysku porcelánové trubky pro ochranu.

Velikost zpracování pěnové desky má vysoké požadavky: pokud je průměr příliš velký, pěnovou desku nelze vložit do trysky porcelánové trubky;

pokud je průměr příliš malý, těsnící výkon bude špatný, a písek se snadno dostane do vnitřku porcelánové trubky z mezery.

Ve stejnou dobu, pěnová deska by měla mít dostatečnou tloušťku (obvykle 5-10 mm) aby nedošlo k naklonění uvnitř porcelánové trubky, což ovlivní ochranný účinek.

Podobně jako u ochranné fólie z PVC, po položení vtokového systému není třeba vyjímat pěnovou desku.

Během procesu nalévání, kdy se do dutiny formy řítí velké množství roztavené oceli, pěnová deska je vyfukována z dutiny formy přes systém výstupu vzduchu pod tlakem vzduchu v dutině formy.

Polystyrenová pěna se při vysokých teplotách rozloží (teplota rozkladu je asi 100–150°C) a nebude produkovat škodlivé látky, takže neznečistí roztavenou ocel ani neovlivní kvalitu povrchu odlitků.

2.4 Porovnání ochranných účinků tří materiálů

Základním principem tří způsobů ochrany je zabránit vniknutí rozptýleného písku do porcelánových trubek a dutiny formy za předpokladu, že neovlivní tok roztavené oceli během lití a nevnášení cizích látek do dutiny formy..

Chcete-li vybrat optimální schéma ochrany, náklady, stavební obtížnost, a ochranný účinek těchto tří materiálů je porovnán, jak je uvedeno v tabulce 1.

Tabulka 1 Porovnání ceny a výkonu ochranných materiálů

Je to vidět z tabulky 1 že tenké ocelové plechy i desky z pěnového polystyrenu mají dobré ochranné účinky, ale jejich obtížnost zpracování je poměrně vysoká, což není pro stavbu a použití na místě do určité míry vhodné.

Plastová fólie z PVC má nejlepší ochranný účinek, s jednoduchým provozem na místě a vysokými náklady.

Proto, v kombinaci se skutečnými potřebami výroby, plastová fólie z PVC o tloušťce 0,4–1 mm se doporučuje jako preferovaný ochranný materiál pro vtokový systém ocelových litých dílů,

které mohou účinně zlepšit čistotu dutiny formy a snížit povrchové vady způsobené pískovými inkluzemi.

3. Vliv stavu povrchu formy na kvalitu povrchu ocelových odlitků

Forma je základním nástrojem pro lisování dílů z lité oceli, a jeho stav povrchu přímo ovlivňuje povrchovou úpravu a rovinnost odlitků.

Pro velké ocelolitinové díly, Dřevěné formy se většinou používají pro jejich výhody snadného zpracování, nízké náklady, a dobrou obrobitelností.

Však, dřevěné formy mají vlastnosti velkého objemu a velkého počtu volných bloků (pohyblivé bloky), které vyžadují vysokou přesnost polohování a těsnost spojení mezi uvolněnými bloky.

Ve skutečném výrobním procesu, s rostoucím počtem použití forem, poškození povrchu formy a uvolněné bloky během odstraňování formy se také zvýší.

Pokud tyto vady nebudou včas udržovány, ovlivní nejen tvar a kvalitu povrchu odlitků, ale také zkrátí životnost formy.

3.1 Vytváření přirozených vad na povrchu formy

Mezi přirozené vady povrchu formy patří především opotřebení, škrábance, praskliny, a nerovnosti ve spojovacích mezerách. Tyto závady jsou způsobeny především následujícími důvody:

• Poškození odstraněním plísní: Během procesu odstraňování formy, v důsledku adheze mezi formovacím pískem a povrchem formy,
  povrch formy a uvolněné bloky se při vytažení formy snadno poškrábou nebo opotřebují, zejména na filetech a okrajích formy.
• Environmentální faktory: Forma je dlouhodobě skladována ve výrobní dílně, a povrch je snadno ovlivněn vlhkostí, což vede k bobtnání a deformaci dřeva, výsledkem je nerovný povrch.
• Údržba není včasná: Po použití formy, pokud povrchový písek a znečišťující látky nejsou včas vyčištěny, nebo nejsou poškozené díly včas opraveny, vady se budou postupně rozšiřovat s nárůstem počtu použití.

Mezi tyto přirozené vady, největší vliv na kvalitu povrchu odlitků má nerovný povrch ve spojovacích spárách a zaobleních formy.

Po opravě formy, pokud povrch není broušený, aby byl rovný a hladký, na povrchu odlitků se vytvoří rýhovité nebo krysí ocasní defekty, které vážně ovlivňují kvalitu vzhledu odlitků.

3.2 Test na umělé vady na povrchu formy

Kvantitativně ověřit vztah mezi rovinností povrchu formy a defekty povrchu odlitku, byl proveden srovnávací test.

Na povrchu formy byly vyrobeny tři typy umělých defektů s různou hloubkou, které byly 1–2 mm, 2– 4 mm, respektive 4–6 mm.

Rozsah distribuce defektů pokrývá rovinu, obloukový povrch, a zaoblená část kořene příruby, což jsou klíčové pozice náchylné k povrchovým vadám u dílů z lité oceli.

Testovací plán je následující: Pro každou pozici jsou vybrány tři oblasti, a plocha každé oblasti je nastavena na 300 mm × 300 mm.

Umělé defekty jsou vyrobeny ve vybraných oblastech a označeny.

Konvexní defekty vznikají přidáním materiálů jako je tmel nebo sádra na povrch formy, a konkávní defekty se brousí a formují na povrchu formy pomocí nástrojů, jako jsou slitinové rotační pilníky.

Hloubka všech umělých defektů je měřena výškoměrem a zaznamenávána fotografií.

Během procesu formování, díly umělých defektů se kontrolují, aby se zajistilo, že v nich není plovoucí písek nebo jiné látky, které ovlivňují tvar defektů.

Stupeň zhutnění a pevnost písku vyplněného kolem defektů jsou realizovány v souladu s požadavky na lisovací provoz.

Poté, co jsou odlitky nality a formovány, jsou podrobeny kvalitnímu tepelnému zpracování a prvnímu procesu tryskání, a povrchové plochy odlitků odpovídající umělým defektům jsou kontrolovány a ověřovány.

Výsledky zkoušek ukazují, že různé hloubky umělých defektů na povrchu formy vedou k různým úrovním drsnosti povrchu odlitku.

Konkrétní odpovídající vztah je uveden v tabulce 2.

Tabulka 2 Srovnávací tabulka umělých vad na povrchu formy a drsnosti povrchu odlitku

Poznámka: Stupně drsnosti povrchu v tabulce jsou rozděleny podle podnikové vnitřní normy pro ocelolitiny: třída A1 (Ra ≤ 6.3 μm) je nejvyšší kvalita povrchu, vhodné pro klíčové vzhledové díly;

Třída A2/A3 (6.3 μm < Ra ≤ 12.5 μm) je obecná kvalita povrchu, vhodné pro běžné konstrukční díly; Třída A4 (Ra > 12.5 μm) je nízká kvalita povrchu, který je potřeba přepracovat broušením.

Podle výsledků testu, pro splnění různých požadavků na stupeň drsnosti povrchu dílů z lité oceli, povrch formy je nutné před každým použitím zkontrolovat.

Pro vady přesahující uvedenou hloubku (obvykle 2 mm pro obecné díly a 1 mm pro klíčové díly), opravy a broušení musí být provedeny, aby se zajistilo, že celkový stav povrchu formy je kvalifikovaný.

Pro spojovací spáry a zaoblení formy, zvláštní pozornost by měla být věnována kontrole a údržbě, aby se zabránilo tvorbě rýhovitých nebo krysích defektů na povrchu odlitku.

4. Závěr

Pro velké díly z lité oceli dva nejpůsobivější, ovladatelnými přispěvateli ke špatné kvalitě povrchu odlitku vnikání kontaminace přes vtok/potrubí a vady povrchu formy.

Jednoduchý, nízkonákladové metody ochrany – zejména použití průhledné PVC fólie o tloušťce 0,4–1,0 mm k zakrytí/zakrytí otvorů potrubí během instalace potrubí – významně snižují pronikání volného písku.

Pečlivá kontrola a včasná oprava povrchů forem (s konzervativní akceptací hloubky defektu ≤2 mm) zabraňuje přenosu poškození formy na odlévané součásti.

V kombinaci s prvním článkem NDT a dokumentovaným programem údržby/kontrol, tato opatření podstatně zlepšují stav povrchu, omezit přepracování a zvýšit kvalitu viditelnou pro zákazníky.

Reference

[1] Zhang Chaohui. Analýza kvality a opatření ke zlepšení kvality ocelových odlitků [J]. China Journal Network, 2018(01): 75-77.

[2] Wang Čengbin. Diskuse o vlivu struktury formy na kvalitu odlitků a návrh optimalizace [J]. Moderní obchodní a obchodní průmysl, 2011, 23(01): 303.

[3] Americká slévárenská společnost (AFS). Příručka ocelových odlitků [M]. 11vydání. AFS, 2017.