Analyse af faktorer, der påvirker overfladekvaliteten af ​​støbte ståldele

Overfladekvaliteten af ​​støbestålkomponenter er primært styret af to indbyrdes forbundne faktorer i støbefasen: mug-hulrum renlighed og formens overfladetilstand.

For store støbegods - hvor støbesystemer er lange og metallurgisk/proceskompleksitet er høj - indtrængen af ​​løst sand, slagg og andre forurenende stoffer i keramiske stigrør/løberrør og forringelse eller beskadigelse af mønster-/skimmeloverfladen er de dominerende kilder til synlige overfladedefekter.

Denne artikel analyserer disse faktorer i dybden, præsenterer praktiske beskyttelsesforanstaltninger og testbeviser for påvirkningen af ​​skimmeloverfladedefekter, og giver en implementerings-køreplan for at forbedre den støbte overfladetilstand og reducere efterbearbejdning.

1. Baggrund og vigtighed af overfladekvalitet

Store dele af støbt stål (Turbinekomponenter, store ventiler, hydroturbine løbere, osv.) produceres under høje hældetemperaturer og komplekse portsystemer.

Overfladeudseende er ikke kun en kommerciel egenskab, men også en indikator for proceskontrol og intern soliditet.

Dårlig overfladekvalitet driver dyr slibning, bearbejdning omarbejde eller afvisning og påvirker kundernes opfattelse negativt.

I praksis har mange faktorer indflydelse på udseendet (metallurgiske indeslutninger, makro-segregation, sandsammensmeltning, fnat), men to faktorer dominerer konsekvent for store støbnings under støbning og hældning:

1. Renlighed af skimmel-hulrum — indtrængen af ​​løst sand, slagg og indeslutninger i keramiske føde-/løberør og hulrummet; og
2. Form overflade tilstand — mekanisk skade, reparationsopbygning, og overfladeruhed af mønsteret og kernekomponenterne.

Baseret på mange års praktisk produktionserfaring i store støbte ståldele såsom gasturbiner,

dampturbiner, og hydrauliske turbineløbere, denne artikel analyserer systematisk indflydelsesmekanismen for renhed i formhulrum og formoverfladetilstand på overfladekvaliteten af ​​støbte ståldele.

Kombineret med sammenlignende test og ingeniørpraksis, Der foreslås målrettede forbedringsforanstaltninger for effektivt at forbedre overfladekvaliteten af ​​støbegods og yde teknisk støtte til stabil produktion af støbeståldele af høj kvalitet.

2. Indflydelse af renhed i formhulrum på overfladekvaliteten af ​​støbte ståldele

Formhulen er "formen", der former de støbte ståldele. Dens renlighed bestemmer direkte, om der er indeslutninger, sandindeslutninger, og andre defekter på overfladen af ​​støbegodset.

Under hældeprocessen af ​​støbte ståldele, smeltet stål strømmer ind i formhulrummet med høj hastighed.

Slaggeindeslutninger genereret under smeltningsprocessen, spredt sand kommer ind i rørledningen under lægningen af ​​portsystemet, og andre forurenende stoffer vil blive vasket ind i formhulrummet sammen med det smeltede stål.

Under afkøling og størkning af smeltet stål, på grund af deres lavere tæthed, de fleste slaggeindeslutninger og spredt sand vil flyde opad og udledes gennem stigrøret eller udluftningssystemet.

Imidlertid, en del af indeslutningerne vil stadig kondensere ved de variable tværsnit, fileter, og andre positioner af støbegodset, danner overfladedefekter såsom sandindeslutninger og slaggeindeslutninger.

Disse defekter skal fjernes ved slibning, hvilket ikke kun øger produktionsbelastningen og omkostningerne, men også kan påvirke dimensionsnøjagtigheden af ​​støbegodset, hvis slibemængden er for stor.

Hovedkilden til spredt sand i formhulen er portsystemet.

Portsystemet af støbte ståldele er normalt sammensat af keramiske rør (porcelænsrør) for at sikre højtemperaturbestandighed og undgå erosion af smeltet stål.

Til store støbte ståldele, den samlede længde af det udlagte portsystem kan nå mere end 40 meter, og lægningsprocessen involverer flere sektioner af porcelænsrør forbundet.

På grund af den lange længde og høje lægningsbesvær, sandsynligheden for, at der kommer spredt sand ind i porcelænsrørene, er relativt stor.

Derfor, det er særligt vigtigt at beskytte hver sektion af porcelænsrøret under lægningsprocessen for at forhindre, at spredt sand trænger ind i formhulrummet sammen med det smeltede stål.

Gennem praktisk verifikation på tre typer støbte stålprodukter (gasturbiner, dampturbiner, og hydrauliske turbineløbere),

tre typer af beskyttende materialer og metoder er blevet udviklet til effektivt at forbedre renheden af ​​formhulen. Det følgende er en detaljeret analyse af hver metode:

2.1 PVC plastfilm beskyttelsesmetode

PVC (Polyvinylchlorid) plastfilm er meget udbredt til beskyttelse af portsystemet på grund af dets høje omkostninger, bekvem betjening, og god tætningsevne.

Den anbefalede tykkelse af filmen er 0,4-1 mm, og den specifikke tykkelse kan vælges i henhold til kravene til støbedrift på stedet.

For at lette observation og inspektion af porcelænsrørenes indvendige renhed, transparent PVC-film foretrækkes.

De specifikke operationstrin er som følger: Først, kontroller den indvendige renhed af hver sektion af porcelænsrøret før beskyttelse, og fjern eventuelt eksisterende spredt sand eller andre forurenende stoffer.

Så, vikle PVC-filmen rundt om åbningen af ​​porcelænsrøret, der skal beskyttes. Filmens tæthed skal være passende for ikke at påvirke forbindelsen mellem porcelænsrørene.

Under stødsamlingen af ​​porcelænsrørene, det flydende sand og andre forurenende stoffer er blokeret uden for filmen og kan ikke trænge ind i porcelænsrørene.

Efter lægningen af ​​portsystemet er afsluttet, filmen skal ikke fjernes.

Under hældeprocessen, når det smeltede stål styrter ind i støbeformens hulrum, luften i porcelænsrørene udledes fra systemet under tryk, og PVC-filmen blæses ud af luftudløbssystemet sammen med luften i formhulrummet.

Da PVC-filmen vil blive fuldstændig brændt og nedbrudt ved høje temperaturer (nedbrydningstemperaturen for PVC er omkring 200–300°C,

hvilket er meget lavere end støbetemperaturen for smeltet stål), det vil ikke forårsage forurening af det smeltede stål eller efterlade rester på overfladen af ​​støbegodset.

2.2 Beskyttelsesmetode for tynd stålplade

Tynde stålplader med en tykkelse på mindre end 1 mm kan også bruges til beskyttelse af porcelænsrør.

Fordelen ved tynde stålplader er, at de kan genbruges, hvilket kan reducere de langsigtede materialeomkostninger til en vis grad.

Før brug, de tynde stålplader skal forarbejdes til passende størrelser, der er lidt større end porcelænsrørenes ydre diameter i henhold til størrelsen og formen af ​​porcelænsrørene for at sikre, at de helt kan dække tilslutningsdelen af ​​porcelænsrørene.

Operationsprocessen er: Først, kontrollere, om der er fremmedlegemer inde i porcelænsrørene.

Så, muffe de forarbejdede tynde stålplader på tilslutningsdelen af ​​porcelænsrørene, der skal beskyttes.

Efter den øverste del af porcelænsrørene er helt dækket af støbesand, trække de tynde stålplader ud manuelt.

Imidlertid, denne metode stiller høje krav til byggeoperationer: på den ene side, på grund af den store mængde sand omkring porcelænsrørene,

det er let at gå glip af at trække de tynde stålplader; På den anden side, processen med at trække stålpladerne ud kan drive de allerede lagte porcelænsrør, resulterer i fejljustering af portsystemet.

Derudover, hvis sekundær renhedsinspektion er påkrævet efter lægning af portsystemet, betjeningsbesværet er relativt stort, fordi de tynde stålplader er fjernet, og tilslutningsdelen af ​​porcelænsrørene er dækket af sand.

Det skal bemærkes, at hvis den tynde stålplade ikke trækkes ud i tide eller savnes, det vil trænge ind i formhulrummet sammen med det smeltede stål under hældningen,

som vil blokere strømmen af ​​smeltet stål og forårsage alvorlige defekter såsom koldlukke og fejlløb på overfladen af ​​støbegodset.

2.3 Metode til beskyttelse af polystyrenskumplader

Polystyren skumplade har fordelene ved lave omkostninger og let vægt, og er også et almindeligt beskyttelsesmateriale til portsystemet.

Nøglen til denne metode er behandlingsnøjagtigheden af ​​skumpladen: skumpladen skal forarbejdes til en cylindrisk form med samme diameter som porcelænsrørets indvendige diameter, og placeres derefter ved mundstykket på porcelænsrøret til beskyttelse.

Bearbejdningsstørrelsen af ​​skumpladen har høje krav: hvis diameteren er for stor, skumpladen kan ikke indsættes i mundstykket på porcelænsrøret;

hvis diameteren er for lille, tætningsevnen vil være dårlig, og sand vil let trænge ind i porcelænsrørets indre fra mellemrummet.

På samme tid, skumpladen skal have tilstrækkelig tykkelse (normalt 5-10 mm) for at undgå at vippe inde i porcelænsrøret, hvilket vil påvirke den beskyttende effekt.

Svarende til beskyttelsesmetoden i PVC-plastfilm, skumpladen skal ikke tages ud efter lægning af portsystemet.

Under hældeprocessen, når en stor mængde smeltet stål suser ind i støbeformens hulrum, skumpladen blæses ud af formhulrummet gennem luftudløbssystemet under tryk fra luften i formhulrummet.

Polystyrenskum nedbrydes ved høje temperaturer (nedbrydningstemperaturen er omkring 100–150°C) og vil ikke producere skadelige stoffer, så det vil ikke forurene det smeltede stål eller påvirke overfladekvaliteten af ​​støbegodset.

2.4 Sammenligning af beskyttelseseffekter af tre materialer

Kerneprincippet i de tre beskyttelsesmetoder er at forhindre spredt sand i at trænge ind i porcelænsrør og formhulrum på den forudsætning, at det ikke påvirker strømmen af ​​smeltet stål under udstøbning og ikke indfører fremmedlegemer i formhulrummet..

For at vælge den optimale beskyttelsesordning, omkostningerne, konstruktionsbesvær, og beskyttelseseffekt af de tre materialer sammenlignes, som vist i tabel 1.

Tabel 1 Sammenligning af omkostninger og ydeevne for beskyttelsesmaterialer

Det kan ses fra tabel 1 at både tynde stålplader og polystyrenskumplader har gode beskyttelseseffekter, men deres bearbejdningsbesvær er relativt høj, som i et vist omfang ikke er praktisk til konstruktion og brug på stedet.

PVC-plastfilmen har den bedste beskyttelseseffekt, med enkel betjening på stedet og høj omkostningsydelse.

Derfor, kombineret med det faktiske produktionsbehov, PVC-plastfolien med en tykkelse på 0,4-1 mm anbefales som det foretrukne beskyttelsesmateriale til portsystemet til støbte ståldele,

som effektivt kan forbedre renheden af ​​formhulrummet og reducere overfladedefekter forårsaget af sandinklusioner.

3. Indflydelse af skimmeloverfladetilstand på overfladekvaliteten af ​​støbte ståldele

Formen er kerneværktøjet til støbning af støbte ståldele, og dets overfladetilstand påvirker direkte overfladefinishen og planheden af ​​støbegodset.

Til store støbte ståldele, træforme bruges mest på grund af deres fordele ved nem forarbejdning, lave omkostninger, og god bearbejdelighed.

Imidlertid, træforme har karakteristika af stor volumen og et stort antal løse blokke (bevægelige blokke), som kræver høj positioneringsnøjagtighed og forbindelsestæthed mellem de løse blokke.

I selve produktionsprocessen, med stigningen i antallet af skimmelsvampeanvendelser, skaderne på skimmeloverfladen og løse klodser under skimmelfjerning vil også stige.

Hvis disse mangler ikke vedligeholdes i tide, de vil ikke kun påvirke formen og overfladekvaliteten af ​​støbegodset, men også forkorte støbeformens levetid.

3.1 Generering af naturlige defekter på skimmeloverfladen

De naturlige defekter på formoverfladen omfatter hovedsageligt slid, ridser, revner, og ujævnheder ved forbindelsesspalterne. Disse defekter er hovedsageligt forårsaget af følgende årsager:

• Skimmelsvampeskader: Under støbeformstripningsprocessen, på grund af vedhæftningen mellem formsandet og formoverfladen,
  formoverfladen og løse blokke bliver let ridset eller slidt, når formen trækkes ud, især ved fileterne og kanterne af formen.
• Miljøfaktorer: Formen opbevares i produktionsværkstedet i lang tid, og overfladen påvirkes let af fugt, fører til træhævelse og deformation, resulterer i ujævn overflade.
• Vedligeholdelse ikke rettidig: Efter at formen er brugt, hvis overfladesand og forurenende stoffer ikke renses i tide, eller de beskadigede dele ikke repareres i tide, fejlene vil gradvist udvide sig med stigningen i antallet af anvendelser.

Blandt disse naturlige defekter, den ujævne overflade ved støbeformens tilslutningsspalter og fileter har størst indflydelse på støbegodsets overfladekvalitet.

Efter at formen er repareret, hvis overfladen ikke er slebet til at være flad og glat, rille- eller rottehale-lignende defekter vil blive dannet på overfladen af ​​støbegodset, som alvorligt påvirker udseendets kvalitet af støbegodset.

3.2 Test af kunstige defekter på skimmeloverfladen

At kvantitativt verificere forholdet mellem formoverfladeplanhed og støbeoverfladedefekter, der blev udført en sammenlignende test.

Tre typer kunstige defekter med forskellige dybder blev fremstillet på formoverfladen, som var 1-2 mm, 2–4 mm, og henholdsvis 4-6 mm.

Defekternes fordelingsområde dækker flyet, bue overflade, og fileter en del af flangeroden, som er nøglepositionerne, der er tilbøjelige til overfladefejl i støbte ståldele.

Testplanen er som følger: Der vælges tre områder til hver stilling, og arealet af hvert område er sat til 300 mm × 300 mm.

Kunstige defekter fremstilles i de udvalgte områder og markeres.

Konvekse defekter fremstilles ved at tilføje materialer som spartelmasse eller gips på formoverfladen, og konkave defekter slibes og dannes på støbeformens overflade med værktøjer såsom legerede roterende filer.

Dybden af ​​alle kunstige defekter måles med en højdemåler og registreres ved fotografering.

Under støbeprocessen, de kunstige defekte dele inspiceres for at sikre, at der ikke er flydende sand eller andre stoffer, der påvirker formen af ​​defekterne.

Komprimeringsgraden og styrken af ​​sandet, der er fyldt omkring defekterne, implementeres i overensstemmelse med kravene til støbedrift.

Efter at støbegodset hældes og formes, de udsættes for kvalitetsvarmebehandling og den første slyngelblæsningsproces, og overfladearealerne af støbegodset svarende til de kunstige defekter inspiceres og verificeres.

Testresultaterne viser, at forskellige dybder af kunstige defekter på formoverfladen fører til forskellige niveauer af støbeoverfladeruhed.

Det specifikke tilsvarende forhold er vist i tabel 2.

Tabel 2 Sammenligningstabel over kunstige defekter på formoverfladen og støbeoverfladeruheden

Note: Overfladeruhedsgraderne i tabellen er opdelt i henhold til virksomhedens interne standard for støbte ståldele: A1 klasse (Ra ≤ 6.3 μm) er den højeste overfladekvalitet, velegnet til vigtige udseendedele;

A2/A3 klasse (6.3 μm < Ra ≤ 12.5 μm) er den generelle overfladekvalitet, velegnet til almindelige konstruktionsdele; A4 klasse (Ra > 12.5 μm) er den lave overfladekvalitet, som skal omarbejdes ved slibning.

Ifølge testresultaterne, for at opfylde de forskellige krav til overfladeruhedsgrad for støbte ståldele, formoverfladen skal efterses før hver brug.

For defekter, der overstiger den angivne dybde (som regel 2 mm til generelle dele og 1 mm til nøgledele), reparation og slibning skal udføres for at sikre, at den overordnede formoverfladetilstand er kvalificeret.

Til tilslutningsspalter og fileter i formen, Der bør lægges særlig vægt på inspektion og vedligeholdelse for at undgå dannelsen af ​​rille- eller rottehale-lignende defekter på støbeoverfladen.

4. Konklusion

Til store støbeståldele er de to mest virkningsfulde, kontrollerbare bidragydere til dårlig støbt overfladekvalitet er forurening trænger ind via porte/rør og skimmeloverfladefejl.

Enkel, billige beskyttelsesmetoder – især brug af transparent PVC-film med en tykkelse på 0,4–1,0 mm til at dække/dække røråbninger under rørinstallation – reducerer indtrængen af ​​løst sand markant.

Omhyggelig eftersyn og rettidig reparation af skimmeloverflader (med en konservativ defektdybdeaccept på ≤2 mm) forhindre overførsel af skimmelsvamp i støbte komponenter.

Kombineret med første artikel NDT og et dokumenteret vedligeholdelse/inspektionsprogram, disse foranstaltninger forbedrer overfladetilstanden væsentligt, reducere efterbearbejdning og højne kundesynlig kvalitet.

Referencer

[1] Zhang Chaohui. Kvalitetsanalyse og kvalitetsforbedringsforanstaltninger af støbte ståldele [J]. China Journal Network, 2018(01): 75-77.

[2] Wang Chengbin. Diskussion om indflydelsen af ​​skimmelstruktur på støbekvalitet og optimeringsdesign [J]. Moderne erhvervs- og handelsindustri, 2011, 23(01): 303.

[3] American Foundry Society (AFS). Håndbog om stålstøbegods [M]. 11udgave. AFS, 2017.