Analyse av faktorer som påvirker overflatekvaliteten til støpte ståldeler

Overflatekvaliteten til støpte stålkomponenter styres primært av to sammenhengende faktorer i støpefasen: renslighet av mugg-hulrom og overflatetilstanden til formen.

For store støpegods – der støpesystemer er lange og metallurgisk/prosesskompleksitet er høy – ​​inntrengning av løs sand, slagg og andre forurensninger i keramiske stigerør/løperør og forringelse eller skade på mønster-/muggoverflaten er de dominerende kildene til synlige overflatedefekter.

Denne artikkelen analyserer disse faktorene i dybden, presenterer praktiske beskyttelsestiltak og testbevis for virkningen av muggoverflatedefekter, og gir et implementeringsveikart for å forbedre overflatetilstanden som støpt og redusere etterarbeid.

1. Bakgrunn og betydning av overflatekvalitet

Store deler i støpestål (turbinkomponenter, store ventiler, hydroturbinløpere, etc.) produseres under høye helletemperaturer og komplekse portsystemer.

Overflatens utseende er ikke bare en kommersiell egenskap, men også en indikator på prosesskontroll og intern forsvarlighet.

Dårlig overflatekvalitet driver kostbar sliping, maskinell omarbeid eller avvisning og påvirker kundens oppfatning negativt.

I praksis er det mange faktorer som påvirker utseendet (metallurgiske inneslutninger, makrosegregering, sandfusjon, skorper), men to faktorer dominerer konsekvent for store støpings under støping og støping:

1. Mugg-hulrom renslighet — inntrenging av strøsand, slagg og inneslutninger i keramiske mate-/løperør og hulrommet; og
2. Formens overflatetilstand - mekanisk skade, reparasjonsoppbygging, og overflateruhet av mønsteret og kjernekomponentene.

Basert på mange års praktisk produksjonserfaring innen store støpte ståldeler som gassturbiner,

dampturbiner, og hydrauliske turbinløpere, denne artikkelen analyserer systematisk påvirkningsmekanismen til renslighet av formhulrom og formoverflatetilstand på overflatekvaliteten til støpte ståldeler.

Kombinert med komparative tester og ingeniørpraksis, Det foreslås målrettede forbedringstiltak for å effektivt forbedre overflatekvaliteten til støpegods og gi teknisk støtte for stabil produksjon av høykvalitets støpte ståldeler.

2. Innflytelse av renslighet av mugghulrom på overflatekvaliteten til støpte ståldeler

Formhulen er "formen" som former de støpte ståldelene. Dens renslighet avgjør direkte om det er inneslutninger, sandinneslutninger, og andre defekter på overflaten av støpegodset.

Under helleprosessen av støpte ståldeler, smeltet stål strømmer inn i formhulen med høy hastighet.

Slagginneslutninger generert under smelteprosessen, spredt sand kommer inn i rørledningen under leggingen av portsystemet, og andre forurensninger vil vaskes inn i formhulen sammen med det smeltede stålet.

Under avkjølings- og størkningsprosessen av smeltet stål, på grunn av deres lavere tetthet, de fleste slagginneslutninger og spredt sand vil flyte oppover og slippes ut gjennom stigerøret eller ventilasjonssystemet.

Imidlertid, en del av inneslutningene vil fortsatt kondensere ved de variable tverrsnittene, Fileter, og andre posisjoner av støpegods, danner overflatedefekter som sandinneslutninger og slagginneslutninger.

Disse feilene må fjernes ved sliping, som ikke bare øker produksjonsbelastningen og kostnadene, men også kan påvirke dimensjonsnøyaktigheten til støpegodset hvis slipemengden er for stor.

Hovedkilden til spredt sand i formhulen er portsystemet.

Portsystemet til støpte ståldeler er vanligvis sammensatt av keramiske rør (porselensrør) for å sikre motstand mot høye temperaturer og unngå erosjon av smeltet stål.

For store støpte ståldeler, den totale lengden på det utlagte portsystemet kan nå mer enn 40 meter, og leggingsprosessen involverer flere seksjoner av porselensrør koblet sammen.

På grunn av lang lengde og høy leggevanskelighet, sannsynligheten for at spredt sand kommer inn i porselensrørene er relativt stor.

Derfor, det er spesielt viktig å beskytte hver seksjon av porselensrøret under leggingsprosessen for å forhindre at spredt sand kommer inn i formhulen sammen med det smeltede stålet.

Gjennom praktisk verifisering på tre typer støpte stålprodukter (Gassturbiner, dampturbiner, og hydrauliske turbinløpere),

tre typer beskyttende materialer og metoder er utviklet for å effektivt forbedre renheten i formhulen. Følgende er en detaljert analyse av hver metode:

2.1 PVC-plastfilmbeskyttelsesmetode

PVC (Polyvinylklorid) plastfilm er mye brukt i beskyttelsen av portsystemet på grunn av dets høye kostnadsytelse, praktisk betjening, og god tetningsytelse.

Den anbefalte tykkelsen på filmen er 0,4–1 mm, og den spesifikke tykkelsen kan velges i henhold til kravene til støpeoperasjonen på stedet.

For å lette observasjonen og inspeksjonen av den innvendige renheten til porselensrørene, transparent PVC-film foretrekkes.

De spesifikke operasjonstrinnene er som følger: Først, sjekk den innvendige renheten til hver del av porselensrøret før beskyttelse, og fjern eventuell eksisterende spredt sand eller andre forurensninger.

Da, vikle PVC-filmen rundt åpningen på porselensrøret som skal beskyttes. Tettheten til filmen bør være passende for ikke å påvirke forbindelsen mellom porselensrørene.

Under stumpen av porselensrørene, flytesanden og andre forurensninger er blokkert utenfor filmen og kan ikke komme inn i porselensrørene.

Etter at leggingen av portsystemet er fullført, filmen trenger ikke fjernes.

Under skjenkeprosessen, når det smeltede stålet suser inn i formhulen, luften i porselensrørene slippes ut av systemet under trykk, og PVC-filmen blåses ut fra luftutløpssystemet sammen med luften i formhulen.

Siden PVC-filmen vil bli fullstendig brent og dekomponert ved høye temperaturer (nedbrytningstemperaturen til PVC er ca. 200–300°C,

som er mye lavere enn støpetemperaturen til smeltet stål), det vil ikke forårsake forurensning av det smeltede stålet eller etterlate rester på overflaten av støpegodset.

2.2 Beskyttelsesmetode for tynn stålplate

Tynne stålplater med en tykkelse på mindre enn 1 mm kan også brukes til beskyttelse av porselensrør.

Fordelen med tynne stålplater er at de kan gjenbrukes, som kan redusere den langsiktige materialkostnaden til en viss grad.

Før bruk, de tynne stålplatene må bearbeides til passende størrelser litt større enn den ytre diameteren på porselensrørene i henhold til størrelsen og formen på porselensrørene for å sikre at de helt kan dekke tilkoblingsdelen av porselensrørene.

Driftsprosessen er: Først, sjekk om det er fremmedlegemer inne i porselensrørene.

Da, hylse de behandlede tynne stålplatene på tilkoblingsdelen av porselensrørene som skal beskyttes.

Etter at den øvre delen av porselensrørene er helt dekket med støpesand, trekk ut de tynne stålplatene manuelt.

Imidlertid, denne metoden stiller høye krav til anleggsdrift: på den ene siden, på grunn av den store mengden sand rundt porselensrørene,

det er lett å gå glipp av å trekke de tynne stålplatene; På den annen side, prosessen med å trekke ut stålplatene kan drive de allerede lagte porselensrørene, resulterer i feiljustering av portsystemet.

I tillegg, hvis sekundær renhetskontroll er nødvendig etter legging av portsystemet, driftsvanskeligheten er relativt stor fordi de tynne stålplatene er fjernet og tilkoblingsdelen av porselensrørene er dekket av sand.

Det skal bemerkes at hvis den tynne stålplaten ikke trekkes ut i tide eller savnes, det vil gå inn i formhulen sammen med det smeltede stålet under hellingen,

som vil blokkere strømmen av smeltet stål og forårsake alvorlige defekter som kalde stenginger og feilløp på overflaten av støpegodset.

2.3 Metode for beskyttelse av polystyrenskumplater

Polystyrenskumplate har fordelene med lav pris og lav vekt, og er også et vanlig beskyttelsesmateriale for portsystemet.

Nøkkelen til denne metoden er behandlingsnøyaktigheten til skumplaten: skumplaten må behandles til en sylindrisk form med samme diameter som den indre diameteren til porselensrøret, og deretter plassert ved munnstykket til porselensrøret for beskyttelse.

Behandlingsstørrelsen på skumplaten har høye krav: hvis diameteren er for stor, skumplaten kan ikke settes inn i munnstykket på porselensrøret;

hvis diameteren er for liten, tetningsytelsen vil være dårlig, og sand vil lett komme inn i det indre av porselensrøret fra gapet.

Samtidig, skumplaten skal ha tilstrekkelig tykkelse (vanligvis 5–10 mm) for å unngå å vippe inni porselensrøret, som vil påvirke den beskyttende effekten.

Ligner på beskyttelsesmetoden for PVC-plastfilm, skumplaten trenger ikke tas ut etter legging av portsystemet.

Under skjenkeprosessen, når en stor mengde smeltet stål suser inn i formhulen, skumplaten blåses ut av formhulen gjennom luftutløpssystemet under trykket av luften i formhulen.

Polystyrenskum vil brytes ned ved høye temperaturer (nedbrytningstemperaturen er ca. 100–150°C) og vil ikke produsere skadelige stoffer, så det vil ikke forurense det smeltede stålet eller påvirke overflatekvaliteten til støpegodset.

2.4 Sammenligning av beskyttelseseffekter av tre materialer

Kjerneprinsippet for de tre beskyttelsesmetodene er å forhindre at spredt sand kommer inn i porselensrørene og formhulen på den forutsetning at de ikke påvirker strømmen av smeltet stål under støping og ikke introduserer fremmedlegemer i formhulen..

For å velge den optimale beskyttelsesordningen, kostnaden, konstruksjonsvansker, og beskyttelseseffekten til de tre materialene sammenlignes, som vist i tabell 1.

Bord 1 Sammenligning av kostnader og ytelse for beskyttelsesmaterialer

Det kan sees fra Tabell 1 at både tynne stålplater og isoporplater har gode beskyttelseseffekter, men deres behandlingsvanskelighet er relativt høy, som ikke er hensiktsmessig for bygging og bruk på stedet til en viss grad.

PVC-plastfilmen har den beste beskyttelseseffekten, med enkel betjening på stedet og høy kostnadsytelse.

Derfor, kombinert med det faktiske produksjonsbehovet, PVC-plastfilmen med en tykkelse på 0,4–1 mm anbefales som det foretrukne beskyttelsesmaterialet for portsystemet til støpte ståldeler,

som effektivt kan forbedre renheten i formhulen og redusere overflatedefekter forårsaket av sandinneslutninger.

3. Innflytelse av muggoverflatetilstand på overflatekvaliteten til støpte ståldeler

Formen er kjerneverktøyet for støping av støpte ståldeler, og overflatetilstanden påvirker direkte overflatefinishen og flatheten til støpegodset.

For store støpte ståldeler, treformer brukes mest på grunn av fordelene ved enkel behandling, lave kostnader, og god maskinbarhet.

Imidlertid, treformer har egenskapene til stort volum og et stort antall løse blokker (bevegelige blokker), som krever høy posisjoneringsnøyaktighet og koblingstetthet mellom de løse blokkene.

I selve produksjonsprosessen, med økningen i antall muggbruk, skadene på muggoverflaten og løse blokker under muggstripping vil også øke.

Hvis disse manglene ikke vedlikeholdes i tide, de vil ikke bare påvirke formen og overflatekvaliteten til støpegodset, men også forkorte støpeformens levetid.

3.1 Generering av naturlige defekter på muggoverflaten

De naturlige defektene på formoverflaten inkluderer hovedsakelig slitasje, riper, sprekker, og ujevnheter ved koblingshullene. Disse defektene er hovedsakelig forårsaket av følgende årsaker:

• Muggstripningsskade: Under muggstrippingsprosessen, på grunn av vedheften mellom formsanden og formoverflaten,
  formoverflaten og løse blokker blir lett riper eller slitt når formen trekkes ut, spesielt ved filetene og kantene på formen.
• Miljøfaktorer: Formen lagres i produksjonsverkstedet i lang tid, og overflaten påvirkes lett av fuktighet, fører til svelling og deformasjon av tre, resulterer i ujevn overflate.
• Vedlikehold ikke rettidig: Etter at formen er brukt, dersom overflatesand og forurensninger ikke blir renset i tide, eller de skadede delene ikke blir reparert i tide, feilene vil gradvis utvide seg med økningen i antall bruk.

Blant disse naturlige feilene, den ujevne overflaten ved tilkoblingsspaltene og formen har størst innvirkning på overflatekvaliteten til støpegodset.

Etter at formen er reparert, hvis overflaten ikke er slipt til å være flat og glatt, rille- eller rottehale-lignende defekter vil dannes på overflaten av støpegodset, som alvorlig påvirker utseendekvaliteten til støpegodset.

3.2 Test på kunstige defekter på muggoverflaten

For å kvantitativt verifisere forholdet mellom formoverflatens flathet og støpeoverflatefeil, en sammenlignende test ble utført.

Tre typer kunstige defekter med forskjellige dybder ble fremstilt på formoverflaten, som var 1–2 mm, 2–4 mm, og henholdsvis 4–6 mm.

Fordelingsområdet for defektene dekker flyet, bue overflate, og fileter en del av flensroten, som er nøkkelposisjonene som er utsatt for overflatedefekter i støpte ståldeler.

Testplanen er som følger: Tre områder velges for hver stilling, og arealet for hvert område er satt til 300 mm × 300 mm.

Kunstige defekter fremstilles i de utvalgte områdene og merkes.

Konvekse defekter lages ved å legge materialer som sparkel eller gips på formoverflaten, og konkave defekter slipes og dannes på formoverflaten med verktøy som legeringsroterende filer.

Dybden på alle kunstige defekter måles med en høydemåler og registreres ved fotografering.

Under støpeprosessen, de kunstige defekte delene inspiseres for å sikre at det ikke er flytende sand eller andre stoffer som påvirker formen på defektene.

Komprimeringsgraden og styrken til sanden fylt rundt defektene implementeres i samsvar med kravene til støpeoperasjonen.

Etter at støpegodset er hellet og dannet, de utsettes for kvalitetsvarmebehandling og den første kuleblåseprosessen, og overflatearealene til støpegodsene som tilsvarer de kunstige defektene blir inspisert og verifisert.

Testresultatene viser at ulike dybder av kunstige defekter på formoverflaten fører til ulike nivåer av støpeoverflatens ruhet.

Det spesifikke korresponderende forholdet er vist i tabell 2.

Bord 2 Sammenligningstabell over kunstige defekter på formoverflaten og støpeoverflatens ruhet

Note: Overflateruhetsgradene i tabellen er delt inn i henhold til bedriftens interne standard for støpte ståldeler: A1 karakter (Ra ≤ 6.3 μm) er den høyeste overflatekvaliteten, egnet for viktige utseendedeler;

A2/A3 klasse (6.3 μm < Ra ≤ 12.5 μm) er den generelle overflatekvaliteten, egnet for vanlige konstruksjonsdeler; A4 karakter (Ra > 12.5 μm) er den lave overflatekvaliteten, som må omarbeides ved sliping.

I følge testresultatene, for å møte de forskjellige kravene til overflateruhetsgrad for støpte ståldeler, formoverflaten må inspiseres før hver bruk.

For defekter som overskrider spesifisert dybde (vanligvis 2 mm for generelle deler og 1 mm for nøkkeldeler), reparasjon og sliping må utføres for å sikre at formoverflatens generelle tilstand er kvalifisert.

For tilkoblingshull og fileter i formen, spesiell oppmerksomhet bør rettes mot inspeksjon og vedlikehold for å unngå dannelse av spor- eller rottehale-lignende defekter på støpeoverflaten.

4. Konklusjon

For store deler av støpestål de to mest virkningsfulle, kontrollerbare bidragsytere til dårlig støpt overflatekvalitet er forurensning kommer inn via port/rør og muggoverflatefeil.

Enkel, rimelige beskyttelsesmetoder – særlig bruk av gjennomsiktig PVC-film med 0,4–1,0 mm tykkelse for å dekke/dekke røråpninger under rørinstallasjon – reduserer inntrengning av løs sand betydelig.

Omhyggelig inspeksjon og rettidig reparasjon av muggoverflater (med en konservativ aksept for defektdybde på ≤2 mm) forhindre overføring av muggskader til støpte komponenter.

Kombinert med førsteartikkel NDT og et dokumentert vedlikehold/inspeksjonsprogram, disse tiltakene forbedrer overflatetilstanden vesentlig, redusere etterarbeid og heve kundesynlig kvalitet.

Referanser

[1] Zhang Chaohui. Kvalitetsanalyse og kvalitetsforbedringstiltak av støpte ståldeler [J]. China Journal Network, 2018(01): 75-77.

[2] Wang Chengbin. Diskusjon om innflytelsen av muggstruktur på støpekvalitet og optimaliseringsdesign [J]. Moderne næringsliv og handelsindustri, 2011, 23(01): 303.

[3] American Foundry Society (AFS). Håndbok for stålstøpegods [M]. 11utgave. AFS, 2017.