La qualità della superficie dei componenti in acciaio fuso è governata principalmente da due fattori correlati nella fase di stampaggio: pulizia delle cavità dello stampo e il condizioni superficiali dello stampo.
Per le fusioni di grandi dimensioni, dove i sistemi di colata sono lunghi e la complessità metallurgica/del processo è elevata, è previsto l'ingresso di sabbia sciolta, scorie e altri contaminanti nei tubi montanti/corridori in ceramica e il deterioramento o il danneggiamento della superficie del modello/stampo sono le principali fonti di difetti superficiali visibili.
Questo articolo analizza questi fattori in modo approfondito, presenta misure protettive pratiche e prove di prova per l'impatto dei difetti superficiali dello stampo, e fornisce una tabella di marcia di implementazione per migliorare lo stato superficiale del getto e ridurre le rilavorazioni.
1. Contesto e importanza della qualità della superficie
Grandi parti in acciaio fuso (componenti della turbina, valvole di grandi dimensioni, guide di idroturbine, ecc.) sono prodotti in condizioni di temperature di colata elevate e sistemi di colata complessi.
L'aspetto superficiale non è solo un attributo commerciale ma anche un indicatore del controllo del processo e della solidità interna.
Una scarsa qualità della superficie comporta una rettifica costosa, rilavorazione o rifiuto della lavorazione e influisce negativamente sulla percezione del cliente.
In pratica molti fattori influenzano l'aspetto (inclusioni metallurgiche, macrosegregazione, fusione della sabbia, crisi), ma due fattori dominano costantemente per i grandi castings durante lo stampaggio e il versamento:
- Pulizia delle cavità dello stampo — ingresso di sabbia sciolta, scorie e inclusioni nei tubi di alimentazione/carico in ceramica e nella cavità; E
- Condizioni della superficie dello stampo — danno meccanico, riparare l'accumulo, e ruvidità superficiale del modello e dei componenti principali.
Basato su anni di esperienza pratica nella produzione di parti in acciaio fuso di grandi dimensioni come le turbine a gas,
turbine a vapore, e giranti di turbine idrauliche, questo articolo analizza sistematicamente il meccanismo d'influenza della pulizia della cavità dello stampo e delle condizioni della superficie dello stampo sulla qualità superficiale delle parti in acciaio fuso.
Combinato con test comparativi e pratica ingegneristica, vengono proposte misure di miglioramento mirate per migliorare efficacemente la qualità superficiale dei getti e fornire supporto tecnico per la produzione stabile di parti in acciaio fuso di alta qualità.
2. Influenza della pulizia della cavità dello stampo sulla qualità della superficie delle parti in acciaio fuso
La cavità dello stampo è lo “stampo” che modella le parti in acciaio fuso. La sua pulizia determina direttamente se ci sono inclusioni, inclusioni di sabbia, e altri difetti sulla superficie dei getti.
Durante il processo di colata di parti in acciaio fuso, l'acciaio fuso scorre nella cavità dello stampo ad alta velocità.
Inclusioni di scorie generate durante il processo di fusione, sabbia sparsa che entra nella tubazione durante la posa del sistema di colata, e altri inquinanti verranno lavati nella cavità dello stampo insieme all'acciaio fuso.
Durante il processo di raffreddamento e solidificazione dell'acciaio fuso, a causa della loro minore densità, la maggior parte delle inclusioni di scorie e della sabbia sparsa fluttueranno verso l'alto e verranno scaricate attraverso il montante o il sistema di ventilazione.
Tuttavia, una parte delle inclusioni si condenserà ancora in corrispondenza delle sezioni variabili, filetti, e altre posizioni dei casting, formazione di difetti superficiali come inclusioni di sabbia e inclusioni di scorie.
Questi difetti devono essere rimossi mediante molatura, che non solo aumenta il carico di lavoro e i costi di produzione, ma può anche influire sulla precisione dimensionale dei getti se la quantità di macinazione è troppo grande.
La principale fonte di sabbia sparsa nella cavità dello stampo è il sistema di colata.
Il sistema di colata delle parti in acciaio fuso è solitamente composto da tubi in ceramica (tubi di porcellana) per garantire resistenza alle alte temperature ed evitare l'erosione dell'acciaio fuso.
Per pezzi in acciaio fuso di grandi dimensioni, la lunghezza totale del sistema di colata posato può raggiungere più di 40 metri, e il processo di posa prevede più sezioni di tubi in porcellana collegati.
A causa della lunga lunghezza e dell'elevata difficoltà di posa, la probabilità che la sabbia sparsa penetri nei tubi di porcellana è relativamente alta.
Perciò, è particolarmente importante proteggere ogni sezione del tubo in porcellana durante il processo di posa per evitare che la sabbia sparsa entri nella cavità dello stampo insieme all'acciaio fuso.
Attraverso verifica pratica su tre tipologie di prodotti in acciaio fuso (turbine a gas, turbine a vapore, e giranti di turbine idrauliche),
sono stati sviluppati tre tipi di materiali e metodi protettivi per migliorare efficacemente la pulizia della cavità dello stampo. Di seguito è riportata un'analisi dettagliata di ciascun metodo:
2.1 Metodo di protezione del film plastico in PVC
PVC (Polivinil cloruro) il film plastico è ampiamente utilizzato nella protezione del sistema di chiusura grazie alle sue prestazioni ad alto costo, funzionamento conveniente, e buone prestazioni di tenuta.
Lo spessore consigliato della pellicola è 0,4–1 mm, e lo spessore specifico può essere selezionato in base ai requisiti dell'operazione di stampaggio in loco.
Per facilitare l'osservazione e il controllo della pulizia interna dei tubi in porcellana, è preferibile la pellicola in PVC trasparente.
Le fasi operative specifiche sono le seguenti: Primo, verificare la pulizia interna di ogni sezione del tubo in porcellana prima della protezione, e rimuovere eventuali sabbie sparse o altri inquinanti esistenti.
Poi, avvolgere la pellicola in PVC attorno all'apertura del tubo in porcellana da proteggere. La tenuta della pellicola dovrà essere adeguata per non pregiudicare il collegamento tra i tubi di porcellana.
Durante la giunzione di testa dei tubi di porcellana, la sabbia galleggiante e altri inquinanti vengono bloccati all'esterno del film e non possono entrare nei tubi di porcellana.
Una volta completata la posa del sistema di chiusura, non è necessario rimuovere la pellicola.
Durante il processo di colata, quando l'acciaio fuso scorre nella cavità dello stampo, l'aria contenuta nei tubi in porcellana viene scaricata dal sistema sotto pressione, e la pellicola in PVC viene espulsa dal sistema di uscita dell'aria insieme all'aria nella cavità dello stampo.
Poiché la pellicola in PVC verrà completamente bruciata e decomposta alle alte temperature (la temperatura di decomposizione del PVC è di circa 200–300°C,
che è molto inferiore alla temperatura di colata dell'acciaio fuso), non causerà inquinamento all'acciaio fuso né lascerà residui sulla superficie dei getti.
2.2 Metodo di protezione della lamiera di acciaio sottile
Lamiere sottili di acciaio con uno spessore inferiore a 1 mm può essere utilizzato anche per la protezione di tubi in porcellana.
Il vantaggio delle lamiere d'acciaio sottili è che possono essere riutilizzate, che può ridurre in una certa misura il costo del materiale a lungo termine.
Prima dell'uso, le sottili lamiere di acciaio devono essere lavorate in dimensioni adeguate leggermente più grandi del diametro esterno dei tubi in porcellana in base alle dimensioni e alla forma dei tubi in porcellana per garantire che possano coprire completamente la parte di collegamento dei tubi in porcellana.
Il processo operativo è: Primo, verificare se all'interno dei tubi di porcellana sono presenti corpi estranei.
Poi, rivestire le lamiere sottili di acciaio lavorate sulla parte di collegamento dei tubi in porcellana da proteggere.
Dopo che la parte superiore dei tubi di porcellana è stata completamente ricoperta di sabbia per modellatura, estrarre manualmente le sottili lamiere di acciaio.
Tuttavia, questo metodo presenta requisiti elevati per le operazioni di costruzione: da un lato, a causa della grande quantità di sabbia attorno ai tubi di porcellana,
è facile non riuscire a tirare le sottili lamiere d'acciaio; d'altra parte, il processo di estrazione delle lamiere di acciaio può far passare i tubi di porcellana già posati, con conseguente disallineamento del sistema di gate.
Inoltre, se è necessaria un'ispezione secondaria della pulizia dopo la posa del sistema di chiusura, la difficoltà dell'operazione è relativamente grande perché le sottili lamiere di acciaio sono state rimosse e la parte di collegamento dei tubi di porcellana è ricoperta di sabbia.
Va notato che se la sottile lamiera di acciaio non viene estratta in tempo o viene persa, entrerà nella cavità dello stampo insieme all'acciaio fuso durante la colata,
che bloccheranno il flusso dell'acciaio fuso e causeranno gravi difetti come arresti freddi e corse errate sulla superficie dei getti.
2.3 Metodo di protezione del pannello in polistirene espanso
Il pannello in polistirene espanso presenta i vantaggi di basso costo e leggerezza, ed è anche un materiale protettivo comune per il sistema di colata.
La chiave di questo metodo è la precisione di lavorazione del pannello in schiuma: il pannello in schiuma deve essere trasformato in una forma cilindrica con lo stesso diametro del diametro interno del tubo di porcellana, e poi posizionato sull'ugello del tubo di porcellana per protezione.
La dimensione di lavorazione del pannello in schiuma ha requisiti elevati: se il diametro è troppo grande, il pannello in schiuma non può essere inserito nell'ugello del tubo in porcellana;
se il diametro è troppo piccolo, le prestazioni di tenuta saranno scarse, e la sabbia entrerà facilmente all'interno del tubo di porcellana dallo spazio.
Allo stesso tempo, il pannello in schiuma dovrebbe avere uno spessore sufficiente (solitamente 5-10 mm) per evitare il ribaltamento all'interno del tubo in porcellana, che influenzerà l'effetto protettivo.
Simile al metodo di protezione della pellicola di plastica in PVC, non è necessario rimuovere il pannello in schiuma dopo la posa del sistema di chiusura.
Durante il processo di colata, quando una grande quantità di acciaio fuso scorre nella cavità dello stampo, il pannello in schiuma viene espulso dalla cavità dello stampo attraverso il sistema di uscita dell'aria sotto la pressione dell'aria nella cavità dello stampo.
La schiuma di polistirene si decompone alle alte temperature (la temperatura di decomposizione è di circa 100–150°C) e non produrrà sostanze nocive, quindi non inquinerà l'acciaio fuso né influenzerà la qualità superficiale dei pezzi fusi.
2.4 Confronto degli effetti protettivi di tre materiali
Il principio fondamentale dei tre metodi di protezione è impedire alla sabbia sparsa di entrare nei tubi di porcellana e nella cavità dello stampo con la premessa di non influenzare il flusso dell'acciaio fuso durante la colata e di non introdurre sostanze estranee nella cavità dello stampo..
Per selezionare lo schema di protezione ottimale, il costo, difficoltà costruttiva, e l'effetto protettivo dei tre materiali vengono confrontati, come mostrato nella tabella 1.
| Materiale | Costo unitario (¥/m²)* | Riutilizzabile | Facilità di installazione | Impatto sul flusso dell'acciaio | Efficacia della protezione |
| Pellicola di plastica in PVC | 1.2 | NO | Facile | Nessuno | Eccellente |
| Manicotto sottile in acciaio | 120 | SÌ | Difficile | Potenziale se non rimosso | Bene |
| Tappo in schiuma EPS | 2 | NO | Moderare (dimensionamento richiesto) | Nessuno | Bene |
Tavolo 1 Confronto tra costi e prestazioni dei materiali protettivi
Lo si può vedere dalla Tabella 1 che sia le sottili lamiere di acciaio che i pannelli di polistirene espanso hanno buoni effetti protettivi, ma la loro difficoltà di elaborazione è relativamente elevata, il che non è conveniente per la costruzione e l'utilizzo in loco in una certa misura.
Il film plastico in PVC ha il miglior effetto protettivo, con un semplice funzionamento in loco e prestazioni ad alto costo.
Perciò, combinato con le effettive esigenze produttive, la pellicola di plastica in PVC con uno spessore di 0,4–1 mm è consigliata come materiale protettivo preferito per il sistema di colata di parti in acciaio fuso,
che può migliorare efficacemente la pulizia della cavità dello stampo e ridurre i difetti superficiali causati dalle inclusioni di sabbia.
3. Influenza delle condizioni della superficie dello stampo sulla qualità della superficie delle parti in acciaio fuso
Lo stampo è lo strumento principale per lo stampaggio di parti in acciaio fuso, e le sue condizioni superficiali influiscono direttamente sulla finitura superficiale e sulla planarità dei getti.
Per pezzi in acciaio fuso di grandi dimensioni, gli stampi in legno vengono utilizzati principalmente per i vantaggi della facile lavorazione, basso costo, e buona macchinabilità.
Tuttavia, gli stampi in legno hanno le caratteristiche di un grande volume e di un gran numero di blocchi sciolti (blocchi mobili), che richiedono un'elevata precisione di posizionamento e tenuta della connessione tra i blocchi sciolti.
Nel processo produttivo vero e proprio, con l’aumento del numero di utilizzi dello stampo, aumenteranno anche i danni alla superficie dello stampo e ai blocchi sciolti durante la sformatura.
Se questi difetti non vengono mantenuti nel tempo, non solo influenzeranno la forma e la qualità della superficie dei pezzi fusi, ma ridurranno anche la durata dello stampo.
3.1 Generazione di difetti naturali sulla superficie dello stampo
I difetti naturali della superficie dello stampo comprendono principalmente l'usura, graffi, crepe, e irregolarità nelle lacune di collegamento. Questi difetti sono principalmente causati dai seguenti motivi:
- Danni da sformatura: Durante il processo di sformatura, a causa dell'adesione tra la sabbia di formatura e la superficie dello stampo,
la superficie dello stampo e i blocchi sciolti si graffiano o si usurano facilmente quando lo stampo viene estratto, soprattutto sui filetti e sui bordi dello stampo. - Fattori ambientali: Lo stampo viene conservato a lungo nel laboratorio di produzione, e la superficie viene facilmente influenzata dall'umidità, portando al rigonfiamento e alla deformazione del legno, con conseguente superficie irregolare.
- Manutenzione non tempestiva: Dopo l'utilizzo dello stampo, se la sabbia superficiale e gli inquinanti non vengono puliti in tempo, oppure le parti danneggiate non vengono riparate in tempo, i difetti si espanderanno progressivamente con l'aumento del numero di utilizzi.
Tra questi difetti naturali, la superficie irregolare in corrispondenza degli spazi di collegamento e dei raccordi dello stampo ha il maggiore impatto sulla qualità della superficie dei pezzi fusi.
Dopo che lo stampo è stato riparato, se la superficie non è rettificata, deve essere piana e liscia, Sulla superficie dei getti si formeranno difetti a forma di solco o coda di topo, che pregiudicano gravemente la qualità estetica dei getti.
3.2 Test su difetti artificiali sulla superficie dello stampo
Verificare quantitativamente la relazione tra planarità della superficie dello stampo e difetti della superficie del getto, è stato effettuato un test comparativo.
Sulla superficie dello stampo sono stati realizzati tre tipi di difetti artificiali con profondità diverse, che erano 1-2 mm, 2–4 mm, e 4–6 mm rispettivamente.
L'intervallo di distribuzione dei difetti copre il piano, superficie dell'arco, e raccordare parte della radice della flangia, quali sono le posizioni chiave soggette a difetti superficiali nelle parti in acciaio fuso.
Il piano di prova è il seguente: Per ciascuna posizione vengono selezionate tre aree, e l'area di ciascuna area è impostata su 300 mm × 300 mm.
I difetti artificiali vengono fabbricati nelle aree selezionate e contrassegnati.
I difetti convessi vengono realizzati aggiungendo materiali come mastice o gesso sulla superficie dello stampo, e i difetti concavi vengono rettificati e formati sulla superficie dello stampo con strumenti come lime rotanti in lega.
La profondità di tutti i difetti artificiali viene misurata con un misuratore di altezza e registrata mediante fotografia.
Durante il processo di stampaggio, le parti con difetti artificiali vengono ispezionate per garantire che non vi sia sabbia galleggiante o altre sostanze che influiscono sulla forma dei difetti.
Il grado di compattazione e la resistenza della sabbia riempita attorno ai difetti vengono implementati in conformità con i requisiti dell'operazione di stampaggio.
Dopo che i getti sono stati versati e formati, sono sottoposti ad un trattamento termico di qualità e al primo processo di granigliatura, e vengono ispezionate e verificate le superfici dei getti corrispondenti ai difetti artificiali.
I risultati dei test mostrano che diverse profondità di difetti artificiali sulla superficie dello stampo portano a diversi livelli di ruvidità della superficie di fusione.
La relazione specifica corrispondente è mostrata nella tabella 2.
| Tipo | Dimensione del difetto artificiale sulla superficie dello stampo (mm) | ||
| 1~2 | 2~4 | 4~6 | |
| Grado di rugosità superficiale della fusione | A1 | A2/A3 | A4 |
Tavolo 2 Tabella comparativa dei difetti artificiali sulla superficie dello stampo e sulla rugosità della superficie della colata
Nota: I gradi di rugosità superficiale nella tabella sono suddivisi in base allo standard interno aziendale per le parti in acciaio fuso: Grado A1 (Ra ≤ 6.3 μm) è la massima qualità della superficie, adatto per parti dall'aspetto chiave;
Grado A2/A3 (6.3 μm < Ra ≤ 12.5 μm) è la qualità generale della superficie, adatto per parti strutturali ordinarie; Grado A4 (Ra > 12.5 μm) è la bassa qualità della superficie, che necessita di essere rielaborato mediante macinazione.
Secondo i risultati del test, per soddisfare i diversi requisiti di rugosità superficiale delle parti in acciaio fuso, la superficie dello stampo deve essere ispezionata prima di ogni utilizzo.
Per difetti che superano la profondità specificata (Generalmente 2 mm per parti generali e 1 mm per le parti chiave), la riparazione e la rettifica devono essere eseguite per garantire che le condizioni generali della superficie dello stampo siano qualificate.
Per gli spazi di collegamento e i raccordi dello stampo, particolare attenzione deve essere prestata all'ispezione e alla manutenzione per evitare la formazione di difetti a forma di scanalatura o coda di topo sulla superficie del getto.
4. Conclusione
Per le parti in acciaio fuso di grandi dimensioni, i due più impattanti, contribuiscono in modo controllabile alla scarsa qualità della superficie come fusa ingresso di contaminazione tramite sistemi di chiusura/tubazioni E difetti superficiali dello stampo.
Semplice, metodi di protezione a basso costo, in particolare l'uso di una pellicola in PVC trasparente di 0,4-1,0 mm di spessore per tappare/coprire le aperture dei tubi durante l'installazione delle tubazioni, riducono significativamente l'ingresso di sabbia sciolta.
Ispezione diligente e riparazione tempestiva delle superfici dello stampo (con un'accettazione conservativa della profondità del difetto di ≤2 mm) prevenire il trasferimento dei danni dello stampo ai componenti fusi.
Combinato con NDT del primo articolo e un programma di manutenzione/ispezione documentato, queste misure migliorano materialmente lo stato superficiale, ridurre le rilavorazioni e aumentare la qualità visibile al cliente.
Riferimenti
[1] Zhang Chaohui. Analisi della qualità e misure di miglioramento della qualità delle parti in acciaio fuso [J]. Rete del giornale cinese, 2018(01): 75-77.
[2] Wang Chengbin. Discussione sull'influenza della struttura dello stampo sulla qualità della fusione e sull'ottimizzazione della progettazione [J]. Industria moderna delle imprese e del commercio, 2011, 23(01): 303.
[3] Società americana della fonderia (AFS). Manuale delle fusioni in acciaio [M]. 11IV Edizione. AFS, 2017.
