Analiza czynników wpływających na jakość powierzchni części ze staliwa

Jakość powierzchni elementów ze staliwa zależy przede wszystkim od dwóch wzajemnie powiązanych czynników w fazie formowania: czystość gniazda formy i stan powierzchni formy.

W przypadku dużych odlewów – gdzie systemy zalewania są długie i złożoność metalurgiczna/procesowa jest duża – wnikanie luźnego piasku, żużel i inne zanieczyszczenia w ceramicznych rurach wznośnych/wpustowych oraz pogorszenie lub uszkodzenie powierzchni wzoru/formy są dominującymi źródłami widocznych defektów powierzchni.

W tym artykule szczegółowo analizujemy te czynniki, przedstawia praktyczne środki ochronne i dowody badań wpływu wad powierzchni formy, oraz przedstawia plan wdrożenia mający na celu poprawę stanu powierzchni po odlaniu i ograniczenie konieczności wykonywania dodatkowych prac.

1. Kontekst i znaczenie jakości powierzchni

Duże części ze staliwa (Składniki turbiny, duże zawory, prowadnice hydroturbin, itp.) są produkowane w wysokich temperaturach zalewania i złożonych systemach wlewowych.

Wygląd powierzchni jest nie tylko cechą handlową, ale także wskaźnikiem kontroli procesu i solidności wewnętrznej.

Zła jakość powierzchni powoduje kosztowne szlifowanie, obróbkę skrawaniem, przeróbkę lub odrzucenie i negatywnie wpływa na postrzeganie przez klientów.

W praktyce na wygląd wpływa wiele czynników (wtrącenia metalurgiczne, makrosegregacja, fuzja piasku, strup), ale w przypadku dużych stale dominują dwa czynniki odlewpodczas formowania i zalewania:

1. Czystość gniazda formy — wnikanie luźnego piasku, żużel i wtrącenia w ceramicznych rurach doprowadzających/kanałowych i wnęce; I
2. Stan powierzchni formy — uszkodzenia mechaniczne, nagromadzenie napraw, oraz chropowatość powierzchni modelu i komponentów rdzenia.

Opiera się na wieloletnim praktycznym doświadczeniu w produkcji dużych części ze staliwa, takich jak turbiny gazowe,

Turbiny parowe, i wirniki turbin hydraulicznych, W artykule systematycznie analizowano mechanizm wpływu czystości wnęki formy i stanu powierzchni formy na jakość powierzchni odlewów stalowych.

W połączeniu z testami porównawczymi i praktyką inżynierską, proponowane są ukierunkowane środki udoskonalające, aby skutecznie poprawić jakość powierzchni odlewów i zapewnić wsparcie techniczne dla stabilnej produkcji wysokiej jakości części ze staliwa.

2. Wpływ czystości wnęki formy na jakość powierzchni odlewanych części stalowych

Wnęka formy to „forma”, która kształtuje części ze staliwa. O tym, czy występują wtrącenia, bezpośrednio decyduje jego czystość, Inkluzje piasku, i inne wady na powierzchni odlewów.

Podczas procesu zalewania części ze staliwa, roztopiona stal wpływa do gniazda formy z dużą prędkością.

Wtrącenia żużlowe powstałe w procesie wytapiania, rozproszony piasek przedostający się do rurociągu podczas układania systemu wlewowego, i inne zanieczyszczenia zostaną wpłukane do wnęki formy wraz ze stopioną stalą.

Podczas procesu chłodzenia i krzepnięcia roztopionej stali, ze względu na ich mniejszą gęstość, większość wtrąceń żużla i rozproszonego piasku uniesie się w górę i zostanie usunięta przez pion lub system odpowietrzający.

Jednakże, część wtrąceń będzie nadal kondensować w zmiennych przekrojach, filety, i inne pozycje odlewów, tworząc defekty powierzchniowe, takie jak wtrącenia piasku i wtrącenia żużla.

Wady te należy usunąć poprzez szlifowanie, co nie tylko zwiększa nakład pracy i koszty produkcji, ale także może wpływać na dokładność wymiarową odlewów, jeśli ilość przemiału jest zbyt duża.

Głównym źródłem rozproszonego piasku we wnęce formy jest system wlewowy.

System wlewowy składający się z części ze staliwa składa się zwykle z rur ceramicznych (rurki porcelanowe) aby zapewnić odporność na wysoką temperaturę i uniknąć erozji stopionej stali.

Do dużych części ze staliwa, całkowita długość ułożonego systemu wlewowego może osiągnąć więcej niż 40 metry, a proces układania obejmuje wiele połączonych ze sobą odcinków rur porcelanowych.

Ze względu na dużą długość i duże trudności w układaniu, prawdopodobieństwo przedostania się rozproszonego piasku do rur porcelanowych jest stosunkowo wysokie.

Dlatego, szczególnie ważne jest zabezpieczenie każdego odcinka rury porcelanowej podczas procesu układania, aby zapobiec przedostawaniu się rozproszonego piasku do wnęki formy wraz ze stopioną stalą.

Poprzez praktyczną weryfikację trzech rodzajów wyrobów stalowych (Turbiny gazowe, Turbiny parowe, i wirniki turbin hydraulicznych),

opracowano trzy rodzaje materiałów i metod ochronnych, które skutecznie poprawiają czystość wnęki formy. Poniżej znajduje się szczegółowa analiza każdej metody:

2.1 Metoda ochrony folią z tworzywa sztucznego PVC

PVC (Polichlorek winylu) Folia z tworzywa sztucznego jest szeroko stosowana w ochronie systemu wlewowego ze względu na wysoką wydajność kosztową, wygodna obsługa, i dobre właściwości uszczelniające.

Zalecana grubość folii to 0,4–1 mm, a konkretną grubość można wybrać zgodnie z wymaganiami dotyczącymi operacji formowania na miejscu.

Aby ułatwić obserwację i kontrolę wewnętrznej czystości rur porcelanowych, preferowana jest przezroczysta folia PVC.

Konkretne etapy operacji są następujące: Pierwszy, przed zabezpieczeniem sprawdź wewnętrzną czystość każdej sekcji rury porcelanowej, i usuń wszelki istniejący rozproszony piasek lub inne zanieczyszczenia.

Następnie, owinąć folią PVC otwór rury porcelanowej, która ma być chroniona. Szczelność folii powinna być taka, aby nie wpływać na połączenie rur porcelanowych.

Podczas łączenia rur porcelanowych na styk, pływający piasek i inne zanieczyszczenia są blokowane na zewnątrz folii i nie mogą przedostać się do rur porcelanowych.

Po zakończeniu układania systemu wlewowego, filmu nie trzeba usuwać.

Podczas procesu nalewania, gdy roztopiona stal wpada do gniazda formy, powietrze w rurach porcelanowych jest usuwane z instalacji pod ciśnieniem, a folia PVC jest wydmuchiwana z układu wylotu powietrza wraz z powietrzem we wnęce formy.

Ponieważ folia PVC zostanie całkowicie spalona i rozłożona w wysokich temperaturach (temperatura rozkładu PVC wynosi około 200–300°C,

która jest znacznie niższa niż temperatura zalewania roztopionej stali), nie spowoduje zanieczyszczenia roztopionej stali ani nie pozostawi pozostałości na powierzchni odlewów.

2.2 Metoda ochrony cienką blachą stalową

Cienkie blachy stalowe o grubości mniejszej niż 1 mm może być również stosowany do ochrony rur porcelanowych.

Zaletą cienkich blach stalowych jest to, że można je ponownie wykorzystać, co może w pewnym stopniu obniżyć długoterminowe koszty materiałów.

Przed użyciem, cienkie blachy stalowe należy przetworzyć na odpowiednie rozmiary, nieco większe niż zewnętrzna średnica rur porcelanowych, zgodnie z rozmiarem i kształtem rur porcelanowych, aby zapewnić, że całkowicie zakryją część łączącą rur porcelanowych.

Proces operacyjny jest: Pierwszy, sprawdź, czy wewnątrz rur porcelanowych nie znajdują się ciała obce.

Następnie, osłonić obrobione cienkie blachy stalowe na części łączącej rur porcelanowych, które mają być chronione.

Po całkowitym pokryciu górnej części rur porcelanowych piaskiem formierskim, ręcznie wyciągnąć cienkie blachy stalowe.

Jednakże, metoda ta ma wysokie wymagania dotyczące operacji budowlanych: z jednej strony, ze względu na dużą ilość piasku wokół rur porcelanowych,

łatwo przeoczyć ciągnięcie cienkich blach stalowych; z drugiej strony, proces wyciągania blach stalowych może spowodować wbicie już ułożonych rur porcelanowych, co powoduje niewspółosiowość układu wlewowego.

Ponadto, jeśli po ułożeniu systemu wlewowego wymagana jest wtórna kontrola czystości, trudność obsługi jest stosunkowo duża, ponieważ usunięto cienkie blachy stalowe, a część łącząca rur porcelanowych została pokryta piaskiem.

Należy zauważyć, że jeśli cienka blacha stalowa nie zostanie wyciągnięta na czas lub zostanie pominięta, dostanie się do gniazda formy wraz ze stopioną stalą podczas zalewania,

które zablokują przepływ roztopionej stali i spowodują poważne wady, takie jak zimne zamknięcia i nieprawidłowe przebiegi na powierzchni odlewów.

2.3 Metoda ochrony płyty styropianowej

Płyta styropianowa ma zalety niskiego kosztu i lekkości, i jest również powszechnym materiałem ochronnym systemu wlewowego.

Kluczem do tej metody jest dokładność obróbki płyty piankowej: płytę piankową należy przetworzyć w kształt cylindryczny o tej samej średnicy, co wewnętrzna średnica rury porcelanowej, a następnie umieszczony na dyszy rury porcelanowej w celu ochrony.

Rozmiar przetwarzania płyty piankowej ma wysokie wymagania: jeśli średnica jest za duża, płyty piankowej nie można włożyć do dyszy rury porcelanowej;

jeśli średnica jest za mała, skuteczność uszczelniania będzie słaba, a piasek z łatwością przedostanie się do wnętrza rury porcelanowej ze szczeliny.

Naraz, płyta piankowa powinna mieć odpowiednią grubość (zwykle 5–10 mm) aby uniknąć przechylania się wewnątrz rurki porcelanowej, co wpłynie na efekt ochronny.

Podobny do metody ochrony folią z tworzywa sztucznego PVC, płyty piankowej nie trzeba wyjmować po ułożeniu systemu wlewowego.

Podczas procesu nalewania, gdy duża ilość stopionej stali wpływa do gniazda formy, płyta piankowa jest wydmuchiwana z wnęki formy poprzez system wylotu powietrza pod ciśnieniem powietrza we wnęce formy.

Styropian rozkłada się w wysokich temperaturach (temperatura rozkładu wynosi około 100–150°C) i nie będzie wytwarzał szkodliwych substancji, więc nie zanieczyszcza roztopionej stali ani nie wpływa na jakość powierzchni odlewów.

2.4 Porównanie efektów ochronnych trzech materiałów

Podstawową zasadą trzech metod ochrony jest zapobieganie przedostawaniu się rozproszonego piasku do rur porcelanowych i wnęki formy, przy założeniu, że nie będzie to miało wpływu na przepływ roztopionej stali podczas zalewania i nie wprowadzać obcych substancji do wnęki formy.

Aby wybrać optymalny schemat ochrony, koszt, trudność budowy, i działanie ochronne trzech materiałów, jak pokazano w tabeli 1.

Tabela 1 Porównanie kosztów i wydajności materiałów ochronnych

Widać to z tabeli 1 że zarówno cienkie blachy stalowe, jak i płyty styropianowe mają dobre działanie ochronne, ale trudność ich przetwarzania jest stosunkowo wysoka, co w pewnym stopniu nie jest wygodne w budowie i użytkowaniu na miejscu.

Folia z tworzywa sztucznego PVC ma najlepszy efekt ochronny, z prostą obsługą na miejscu i wysoką wydajnością kosztową.

Dlatego, w połączeniu z rzeczywistymi potrzebami produkcyjnymi, Jako preferowany materiał ochronny systemu wlewowego części stalowych zaleca się folię PCV o grubości 0,4–1 mm,

które mogą skutecznie poprawić czystość wnęki formy i zmniejszyć wady powierzchni spowodowane wtrąceniami piasku.

3. Wpływ stanu powierzchni formy na jakość powierzchni odlewów stalowych

Forma jest podstawowym narzędziem do formowania części ze staliwa, a stan jego powierzchni bezpośrednio wpływa na wykończenie powierzchni i płaskość odlewów.

Do dużych części ze staliwa, formy drewniane są najczęściej stosowane ze względu na ich zalety w postaci łatwej obróbki, niski koszt, i dobra maszyna.

Jednakże, formy drewniane charakteryzują się dużą objętością i dużą liczbą luźnych bloków (ruchome bloki), które wymagają dużej dokładności pozycjonowania i szczelności połączenia pomiędzy luźnymi blokami.

W rzeczywistym procesie produkcyjnym, wraz ze wzrostem liczby zastosowań pleśni, zwiększy się również uszkodzenie powierzchni formy i luźne bloki podczas usuwania formy.

Jeśli wady te nie zostaną usunięte w odpowiednim czasie, nie tylko wpłyną one na kształt i jakość powierzchni odlewów, ale także skrócą żywotność formy.

3.1 Generacja naturalnych defektów na powierzchni formy

Do naturalnych wad powierzchni formy zalicza się przede wszystkim zużycie, zadrapania, spękanie, i nierówności w szczelinach połączeń. Wady te wynikają głównie z następujących przyczyn:

• Uszkodzenia spowodowane usuwaniem pleśni: Podczas procesu usuwania formy, ze względu na przyczepność masy formierskiej do powierzchni formy,
  powierzchnia formy i luźne bloki łatwo ulegają zarysowaniu lub zużyciu podczas wyciągania formy, szczególnie na zaokrągleniach i krawędziach formy.
• Czynniki środowiskowe: Forma jest przechowywana w warsztacie produkcyjnym przez długi czas, a na powierzchnię łatwo wpływa wilgoć, co prowadzi do pęcznienia i deformacji drewna, co skutkuje nierówną powierzchnią.
• Konserwacja nie terminowa: Po użyciu formy, jeśli piasek powierzchniowy i zanieczyszczenia nie zostaną usunięte na czas, lub uszkodzone części nie zostaną naprawione na czas, wady będą się stopniowo pogłębiać wraz ze wzrostem częstotliwości użytkowania.

Wśród tych naturalnych wad, Największy wpływ na jakość powierzchni odlewów ma nierówna powierzchnia przy szczelinach połączeniowych i zaokrągleniach formy.

Po naprawie formy, jeśli powierzchnia nie jest szlifowana, aby była płaska i gładka, Na powierzchni odlewów utworzą się defekty przypominające rowki lub ogony szczura, które poważnie wpływają na jakość wyglądu odlewów.

3.2 Test sztucznych defektów na powierzchni formy

Ilościowe sprawdzenie związku pomiędzy płaskością powierzchni formy a wadami powierzchni odlewu, przeprowadzono test porównawczy.

Na powierzchni formy wykonano trzy rodzaje sztucznych defektów o różnej głębokości, które miały 1–2 mm, 2–4 mm, i odpowiednio 4–6 mm.

Zasięg rozkładu wad obejmuje płaszczyznę, powierzchnia łuku, i zaokrągloną część nasady kołnierza, które są kluczowymi miejscami podatnymi na wady powierzchniowe części staliwnych.

Plan testów jest następujący: Dla każdego stanowiska wybierane są trzy obszary, a obszar każdego obszaru jest ustawiony na 300 mm× 300 mm.

W wybranych obszarach wykonywane są sztuczne defekty i znakowane.

Wady wypukłe powstają poprzez nałożenie na powierzchnię formy materiałów takich jak kit czy gips, i wklęsłe defekty są szlifowane i formowane na powierzchni formy za pomocą narzędzi takich jak pilniki obrotowe ze stopu.

Głębokość wszystkich sztucznych wad mierzy się wysokościomierzem i rejestruje fotograficznie.

Podczas procesu formowania, części sztucznych wad są sprawdzane w celu sprawdzenia, czy nie ma na nich pływającego piasku lub innych substancji wpływających na kształt wad.

Stopień zagęszczenia i wytrzymałość piasku wypełnianego wokół ubytków dobiera się zgodnie z wymaganiami operacji formowania.

Po wylaniu i uformowaniu odlewów, poddawane są jakościowej obróbce cieplnej oraz procesowi pierwszego śrutowania, oraz sprawdzane i weryfikowane są pola powierzchni odlewów odpowiadające wadom sztucznym.

Wyniki badań wykazały, że różna głębokość sztucznych defektów na powierzchni formy powoduje różny stopień chropowatości powierzchni odlewu.

Konkretną odpowiednią zależność pokazano w tabeli 2.

Tabela 2 Tabela porównawcza sztucznych defektów powierzchni formy i chropowatości powierzchni odlewu

Notatka: Stopnie chropowatości powierzchni w tabeli są podzielone zgodnie z wewnętrzną normą przedsiębiorstwa dotyczącą części ze staliwa: Klasa A1 (RA ≤ 6.3 μm) to najwyższa jakość powierzchni, nadaje się do kluczowych części wyglądu;

Klasa A2/A3 (6.3 μm < RA ≤ 12.5 μm) jest ogólną jakością powierzchni, nadaje się do zwykłych części konstrukcyjnych; Klasa A4 (Ra > 12.5 μm) jest niska jakość powierzchni, które należy przerobić poprzez szlifowanie.

Według wyników testu, aby spełnić różne wymagania dotyczące stopnia chropowatości powierzchni części ze staliwa, powierzchnię formy należy sprawdzić przed każdym użyciem.

W przypadku wad przekraczających określoną głębokość (zazwyczaj 2 mm dla części ogólnych i 1 mm dla kluczowych części), należy przeprowadzić naprawę i szlifowanie, aby upewnić się, że ogólny stan powierzchni formy jest odpowiedni.

Do szczelin łączących i zaokrągleń formy, szczególną uwagę należy zwrócić na kontrolę i konserwację, aby uniknąć tworzenia się defektów przypominających rowki lub ogony na powierzchni odlewu.

4. Wniosek

W przypadku dużych części ze staliwa dwa najbardziej skuteczne, kontrolowanymi czynnikami wpływającymi na słabą jakość powierzchni odlewu przedostawanie się zanieczyszczeń przez śluzę/rurociąg I wady powierzchni formy.

Prosty, tanie metody ochrony – w szczególności zastosowanie przezroczystej folii PVC o grubości 0,4–1,0 mm do zakrywania/zakrywania otworów rurowych podczas instalacji rur – znacznie ograniczają wnikanie luźnego piasku.

Dokładna kontrola i terminowa naprawa powierzchni form (z konserwatywną akceptacją głębokości wady ≤2 mm) zapobiegają przenoszeniu uszkodzeń formy na elementy odlewane.

W połączeniu z badaniami NDT pierwszego artykułu i udokumentowanym programem konserwacji/inspekcji, środki te znacząco poprawiają stan powierzchni, zredukuj liczbę poprawek i podnieś jakość widoczną dla klienta.

Odniesienia

[1] Zhang Chaohui. Analiza jakości i środki poprawy jakości części ze staliwa [J]. Sieć czasopism chińskich, 2018(01): 75-77.

[2] Wanga Chengbina. Dyskusja na temat wpływu struktury formy na jakość odlewów i projektowanie optymalizacyjne [J]. Nowoczesny biznes i handel, 2011, 23(01): 303.

[3] Amerykańskie Towarzystwo Odlewnicze (AFS). Podręcznik odlewów stalowych [M]. 11wydanie. AFS, 2017.