A qualidade superficial dos componentes de aço fundido é governada principalmente por dois fatores inter-relacionados na fase de moldagem: limpeza da cavidade do molde e o condição da superfície do molde.
Para peças fundidas grandes – onde os sistemas de vazamento são longos e a complexidade metalúrgica/do processo é alta – a entrada de areia solta, escória e outros contaminantes em tubos ascendentes/corredores de cerâmica e deterioração ou danos da superfície do padrão/molde são as fontes dominantes de defeitos superficiais visíveis.
Este artigo analisa esses fatores em profundidade, apresenta medidas práticas de proteção e evidências de testes para o impacto de defeitos superficiais do molde, e fornece um roteiro de implementação para melhorar o estado da superfície fundida e reduzir o retrabalho.
1. Antecedentes e importância da qualidade da superfície
Grandes peças em aço fundido (Componentes da turbina, válvulas grandes, corredores de hidroturbina, etc.) são produzidos sob altas temperaturas de vazamento e sistemas de comporta complexos.
A aparência da superfície não é apenas um atributo comercial, mas também um indicador de controle de processo e solidez interna.
A má qualidade da superfície gera um desbaste caro, retrabalho ou rejeição de usinagem e afeta negativamente a percepção do cliente.
Na prática, muitos fatores influenciam a aparência (inclusões metalúrgicas, macrossegregação, fusão de areia, crostas), mas dois fatores dominam consistentemente para grandes elencos durante a moldagem e vazamento:
- Limpeza da cavidade do molde - entrada de areia solta, escória e inclusões nos tubos de alimentação/corredor de cerâmica e na cavidade; e
- Condição da superfície do molde - danos mecânicos, reparar acúmulo, e rugosidade da superfície do padrão e dos componentes principais.
Com base em anos de experiência prática na produção de grandes peças de aço fundido, como turbinas a gás,
Turbinas a vapor, e rotores de turbinas hidráulicas, este artigo analisa sistematicamente o mecanismo de influência da limpeza da cavidade do molde e da condição da superfície do molde na qualidade superficial de peças de aço fundido.
Combinado com testes comparativos e prática de engenharia, são propostas medidas de melhoria direcionadas para melhorar efetivamente a qualidade da superfície das peças fundidas e fornecer suporte técnico para a produção estável de peças de aço fundido de alta qualidade.
2. Influência da limpeza da cavidade do molde na qualidade da superfície de peças de aço fundido
A cavidade do molde é o “molde” que molda as peças de aço fundido. Sua limpeza determina diretamente se há inclusões, inclusões de areia, e outros defeitos na superfície das peças fundidas.
Durante o processo de vazamento de peças de aço fundido, o aço fundido flui para a cavidade do molde em alta velocidade.
Inclusões de escória geradas durante o processo de fundição, areia espalhada entrando na tubulação durante a colocação do sistema de comporta, e outros poluentes serão lavados na cavidade do molde junto com o aço fundido.
Durante o processo de resfriamento e solidificação do aço fundido, devido à sua menor densidade, a maioria das inclusões de escória e areia dispersa flutuarão para cima e serão descarregadas através do riser ou sistema de ventilação.
No entanto, uma parte das inclusões ainda irá condensar nas seções transversais variáveis, filetes, e outras posições das peças fundidas, formando defeitos superficiais, como inclusões de areia e inclusões de escória.
Esses defeitos precisam ser removidos por lixamento, o que não só aumenta a carga de trabalho e o custo de produção, mas também pode afetar a precisão dimensional das peças fundidas se a quantidade de retificação for muito grande.
A principal fonte de areia espalhada na cavidade do molde é o sistema de canais.
O sistema de passagem de peças de aço fundido é geralmente composto por tubos cerâmicos (tubos de porcelana) para garantir resistência a altas temperaturas e evitar a erosão do aço fundido.
Para grandes peças de aço fundido, o comprimento total do sistema de portão colocado pode atingir mais de 40 metros, e o processo de assentamento envolve múltiplas seções de tubos de porcelana conectados.
Devido ao longo comprimento e alta dificuldade de assentamento, a probabilidade de areia espalhada entrar nos tubos de porcelana é relativamente alta.
Portanto, é particularmente importante proteger cada seção do tubo de porcelana durante o processo de assentamento para evitar que a areia espalhada entre na cavidade do molde junto com o aço fundido.
Através de verificação prática em três tipos de produtos de aço fundido (Turbinas a gás, Turbinas a vapor, e rotores de turbinas hidráulicas),
três tipos de materiais e métodos de proteção foram desenvolvidos para melhorar efetivamente a limpeza da cavidade do molde. A seguir está uma análise detalhada de cada método:
2.1 Método de proteção de filme plástico de PVC
PVC (Cloreto de polivinil) o filme plástico é amplamente utilizado na proteção do sistema de comporta devido ao seu alto desempenho de custo, operação conveniente, e bom desempenho de vedação.
A espessura recomendada do filme é de 0,4–1 mm, e a espessura específica pode ser selecionada de acordo com os requisitos de operação de moldagem no local.
Para facilitar a observação e inspeção da limpeza interna dos tubos de porcelana, filme de PVC transparente é preferido.
As etapas de operação específicas são as seguintes: Primeiro, verifique a limpeza interna de cada seção do tubo de porcelana antes da proteção, e remover qualquer areia espalhada existente ou outros poluentes.
Então, enrole o filme de PVC ao redor da abertura do tubo de porcelana a ser protegido. A estanqueidade do filme deve ser adequada para não afetar a ligação entre os tubos de porcelana.
Durante a junta de topo dos tubos de porcelana, a areia flutuante e outros poluentes ficam bloqueados fora do filme e não podem entrar nos tubos de porcelana.
Após a conclusão da colocação do sistema de portão, o filme não precisa ser removido.
Durante o processo de vazamento, quando o aço fundido entra na cavidade do molde, o ar nos tubos de porcelana é descarregado do sistema sob pressão, e o filme de PVC é expelido do sistema de saída de ar junto com o ar na cavidade do molde.
Como o filme de PVC será completamente queimado e decomposto em altas temperaturas (a temperatura de decomposição do PVC é de cerca de 200–300°C,
que é muito inferior à temperatura de vazamento do aço fundido), não causará poluição ao aço fundido nem deixará resíduos na superfície das peças fundidas.
2.2 Método de proteção de chapa de aço fina
Chapas de aço finas com espessura inferior a 1 mm também pode ser utilizado para proteção de tubos de porcelana.
A vantagem das chapas finas de aço é que elas podem ser reutilizadas, o que pode reduzir o custo do material a longo prazo até certo ponto.
Antes de usar, as chapas de aço finas precisam ser processadas em tamanhos apropriados, ligeiramente maiores que o diâmetro externo dos tubos de porcelana, de acordo com o tamanho e formato dos tubos de porcelana, para garantir que possam cobrir completamente a parte de conexão dos tubos de porcelana..
O processo de operação é: Primeiro, verifique se há objetos estranhos dentro dos tubos de porcelana.
Então, manga as chapas de aço finas processadas na parte de conexão dos tubos de porcelana a serem protegidos.
Depois que a parte superior dos tubos de porcelana estiver totalmente coberta com areia de moldagem, retire manualmente as chapas de aço finas.
No entanto, este método tem altos requisitos para operações de construção: por um lado, devido à grande quantidade de areia ao redor dos tubos de porcelana,
é fácil deixar de puxar as finas chapas de aço; por outro lado, o processo de arrancamento das chapas de aço pode acionar os tubos de porcelana já assentados, resultando em desalinhamento do sistema de portão.
Além disso, se for necessária uma inspeção de limpeza secundária após a colocação do sistema de comporta, a dificuldade de operação é relativamente grande porque as finas chapas de aço foram removidas e a parte de conexão dos tubos de porcelana está coberta por areia.
Deve-se notar que se a chapa de aço fina não for retirada a tempo ou for perdida, ele entrará na cavidade do molde junto com o aço fundido durante o vazamento,
o que bloqueará o fluxo de aço fundido e causará defeitos graves, como fechamentos a frio e erros de funcionamento na superfície das peças fundidas.
2.3 Método de proteção de placa de espuma de poliestireno
A placa de espuma de poliestireno tem as vantagens de baixo custo e peso leve, e também é um material de proteção comum para o sistema de portão.
A chave para este método é a precisão do processamento da placa de espuma: a placa de espuma precisa ser processada em uma forma cilíndrica com o mesmo diâmetro que o diâmetro interno do tubo de porcelana, e depois colocado no bico do tubo de porcelana para proteção.
O tamanho de processamento da placa de espuma tem requisitos elevados: se o diâmetro for muito grande, a placa de espuma não pode ser inserida no bico do tubo de porcelana;
se o diâmetro for muito pequeno, o desempenho da vedação será ruim, e a areia entrará facilmente no interior do tubo de porcelana pela abertura.
Ao mesmo tempo, a placa de espuma deve ter espessura suficiente (geralmente 5–10 mm) para evitar inclinação dentro do tubo de porcelana, o que afetará o efeito protetor.
Semelhante ao método de proteção de filme plástico de PVC, a placa de espuma não precisa ser retirada após a colocação do sistema de portão.
Durante o processo de vazamento, quando uma grande quantidade de aço fundido entra na cavidade do molde, a placa de espuma é expelida da cavidade do molde através do sistema de saída de ar sob a pressão do ar na cavidade do molde.
A espuma de poliestireno se decompõe em altas temperaturas (a temperatura de decomposição é de cerca de 100–150°C) e não produzirá substâncias nocivas, portanto, não poluirá o aço fundido nem afetará a qualidade da superfície das peças fundidas.
2.4 Comparação dos efeitos de proteção de três materiais
O princípio fundamental dos três métodos de proteção é evitar que areia espalhada entre nos tubos de porcelana e na cavidade do molde, com a premissa de não afetar o fluxo do aço fundido durante o vazamento e de não introduzir substâncias estranhas na cavidade do molde..
Para selecionar o esquema de proteção ideal, o custo, dificuldade de construção, e o efeito de proteção dos três materiais são comparados, conforme mostrado na tabela 1.
| Material | Custo unitário (ienes/m²)* | Reutilizável | Facilidade de instalação | Impacto no fluxo de aço | Eficácia da proteção |
| Filme plástico de PVC | 1.2 | Não | Fácil | Nenhum | Excelente |
| Manga de aço fina | 120 | Sim | Difícil | Potencial se não for removido | Bom |
| Tampão de espuma EPS | 2 | Não | Moderado (dimensionamento necessário) | Nenhum | Bom |
Mesa 1 Comparação de custo e desempenho de materiais de proteção
Pode ser visto na tabela 1 que tanto as chapas finas de aço quanto as placas de espuma de poliestireno têm bons efeitos de proteção, mas sua dificuldade de processamento é relativamente alta, o que não é conveniente para construção no local e uso até certo ponto.
O filme plástico de PVC tem o melhor efeito de proteção, com operação simples no local e desempenho de alto custo.
Portanto, combinado com as necessidades reais de produção, o filme plástico de PVC com espessura de 0,4–1 mm é recomendado como material de proteção preferido para o sistema de canal de peças de aço fundido,
o que pode efetivamente melhorar a limpeza da cavidade do molde e reduzir os defeitos superficiais causados por inclusões de areia.
3. Influência da condição da superfície do molde na qualidade da superfície de peças de aço fundido
O molde é a ferramenta principal para a moldagem de peças de aço fundido, e sua condição de superfície afeta diretamente o acabamento superficial e o nivelamento das peças fundidas.
Para grandes peças de aço fundido, moldes de madeira são usados principalmente devido às suas vantagens de fácil processamento, baixo custo, e boa usinabilidade.
No entanto, os moldes de madeira têm características de grande volume e grande número de blocos soltos (blocos móveis), que exigem alta precisão de posicionamento e estanqueidade de conexão entre os blocos soltos.
No processo de produção real, com o aumento do número de utilizações de moldes, os danos à superfície do molde e aos blocos soltos durante a remoção do molde também aumentarão.
Se esses defeitos não forem mantidos a tempo, eles não só afetarão a forma e a qualidade da superfície das peças fundidas, mas também reduzirão a vida útil do molde.
3.1 Geração de defeitos naturais na superfície do molde
Os defeitos naturais da superfície do molde incluem principalmente desgaste, arranhões, rachaduras, e irregularidade nas lacunas de conexão. Esses defeitos são causados principalmente pelos seguintes motivos:
- Danos de remoção de molde: Durante o processo de decapagem do molde, devido à adesão entre a areia de moldagem e a superfície do molde,
a superfície do molde e os blocos soltos são facilmente arranhados ou desgastados quando o molde é retirado, especialmente nos filetes e bordas do molde. - Fatores Ambientais: O molde fica armazenado por muito tempo na oficina de produção, e a superfície é facilmente afetada pela umidade, levando ao inchaço e deformação da madeira, resultando em superfície irregular.
- Manutenção não oportuna: Depois que o molde é usado, se a areia da superfície e os poluentes não forem limpos a tempo, ou as peças danificadas não são reparadas a tempo, os defeitos se expandirão gradualmente com o aumento do número de utilizações.
Entre esses defeitos naturais, a superfície irregular nas lacunas de conexão e filetes do molde tem o maior impacto na qualidade da superfície das peças fundidas.
Depois que o molde for reparado, se a superfície não for retificada para ser plana e lisa, defeitos semelhantes a ranhuras ou cauda de rato serão formados na superfície das peças fundidas, que afetam seriamente a qualidade da aparência das peças fundidas.
3.2 Teste em defeitos artificiais na superfície do molde
Para verificar quantitativamente a relação entre a planicidade da superfície do molde e os defeitos da superfície de fundição, foi realizado um teste comparativo.
Três tipos de defeitos artificiais com diferentes profundidades foram fabricados na superfície do molde, que eram 1–2 mm, 2–4mm, e 4–6 mm respectivamente.
A faixa de distribuição dos defeitos cobre o plano, superfície do arco, e parte de filete da raiz do flange, quais são as principais posições propensas a defeitos superficiais em peças de aço fundido.
O plano de teste é o seguinte: Três áreas são selecionadas para cada posição, e a área de cada área é definida como 300 milímetros × 300 mm.
Defeitos artificiais são fabricados nas áreas selecionadas e marcados.
Defeitos convexos são feitos adicionando materiais como massa ou gesso na superfície do molde, e defeitos côncavos são retificados e formados na superfície do molde com ferramentas como limas rotativas de liga.
A profundidade de todos os defeitos artificiais é medida com um medidor de altura e registrada por fotografia.
Durante o processo de moldagem, as peças com defeitos artificiais são inspecionadas para garantir que não haja areia flutuante ou outras substâncias que afetem a forma dos defeitos.
O grau de compactação e a resistência da areia preenchida ao redor dos defeitos são implementados de acordo com os requisitos da operação de moldagem.
Depois que as peças fundidas são vazadas e formadas, eles são submetidos a um tratamento térmico de qualidade e ao primeiro processo de jateamento, e as áreas superficiais das peças fundidas correspondentes aos defeitos artificiais são inspecionadas e verificadas.
Os resultados dos testes mostram que diferentes profundidades de defeitos artificiais na superfície do molde levam a diferentes níveis de rugosidade da superfície de fundição..
O relacionamento correspondente específico é mostrado na Tabela 2.
| Tipo | Tamanho do defeito artificial na superfície do molde (mm) | ||
| 1~2 | 2~4 | 4~6 | |
| Grau de rugosidade da superfície de fundição | A1 | A2/A3 | A4 |
Mesa 2 Tabela Comparativa de Defeitos Artificiais na Superfície do Molde e Rugosidade da Superfície da Fundição
Observação: Os graus de rugosidade superficial na tabela são divididos de acordo com o padrão interno da empresa para peças de aço fundido: Grau A1 (RA ≤ 6.3 μm) é a mais alta qualidade de superfície, adequado para peças de aparência chave;
Grau A2/A3 (6.3 μm < RA ≤ 12.5 μm) é a qualidade geral da superfície, adequado para peças estruturais comuns; Grau A4 (Ra > 12.5 μm) é a baixa qualidade da superfície, que precisa ser retrabalhado por moagem.
De acordo com os resultados do teste, para atender aos diferentes requisitos de grau de rugosidade superficial de peças de aço fundido, a superfície do molde deve ser inspecionada antes de cada uso.
Para defeitos que excedem a profundidade especificada (geralmente 2 mm para peças em geral e 1 mm para peças-chave), reparo e retificação devem ser realizados para garantir que a condição geral da superfície do molde seja qualificada.
Para as folgas de conexão e filetes do molde, atenção especial deve ser dada à inspeção e manutenção para evitar a formação de defeitos semelhantes a ranhuras ou cauda de rato na superfície da peça fundida.
4. Conclusão
Para grandes peças de aço fundido, os dois aspectos mais impactantes, contribuintes controláveis para a má qualidade da superfície fundida são entrada de contaminação via canal/tubulação e defeitos de superfície do molde.
Simples, métodos de proteção de baixo custo - principalmente o uso de filme de PVC transparente de 0,4 a 1,0 mm de espessura para tampar/cobrir as aberturas dos tubos durante a instalação da tubulação - reduzem significativamente a entrada de areia solta.
Inspeção diligente e reparo oportuno de superfícies de molde (com uma aceitação conservadora da profundidade do defeito de ≤2 mm) evitar a transferência de danos do molde para componentes fundidos.
Combinado com END de primeiro artigo e um programa de manutenção/inspeção documentado, essas medidas melhoram materialmente o estado da superfície, reduzir o retrabalho e aumentar a qualidade visível para o cliente.
Referências
[1] Zhang Chaohui. Análise de qualidade e medidas de melhoria de qualidade de peças de aço fundido [J]. Rede de Periódicos da China, 2018(01): 75-77.
[2] Wang Cheng Bin. Discussão sobre a influência da estrutura do molde na qualidade da fundição e no projeto de otimização [J]. Indústria moderna de negócios e comércio, 2011, 23(01): 303.
[3] Sociedade Americana de Fundição (AFS). Manual de Fundições de Aço [M]. 11ª Edição. AFS, 2017.
