Analys av faktorer som påverkar ytkvaliteten på gjutna ståldelar

Ytkvaliteten på gjutna stålkomponenter styrs i första hand av två inbördes relaterade faktorer i formningsfasen: mögel-hålighet renhet och formens yttillstånd.

För stora gjutgods – där gjutningssystem är långa och metallurgisk/processkomplexitet är hög – inträngning av lös sand, slagg och andra föroreningar i keramiska stigar-/löparrör och försämring eller skada på mönstret/formytan är de dominerande källorna till synliga ytdefekter.

Den här artikeln analyserar dessa faktorer på djupet, presenterar praktiska skyddsåtgärder och testbevis för påverkan av mögelytdefekter, och tillhandahåller en implementeringsfärdplan för att förbättra tillståndet i den gjutna ytan och minska omarbetningen.

1. Bakgrund och vikt av ytkvalitet

Stora delar av gjutstål (turbinkomponenter, stora ventiler, hydroturbinlöpare, etc.) produceras under höga hälltemperaturer och komplexa grindsystem.

Ytans utseende är inte bara en kommersiell egenskap utan också en indikator på processkontroll och intern sundhet.

Dålig ytkvalitet driver kostsam slipning, bearbetning eller avslag och påverkar kundernas uppfattning negativt.

I praktiken är det många faktorer som påverkar utseendet (metallurgiska inneslutningar, makrosegregering, sandfusion, skabb), men två faktorer dominerar genomgående för stora gjutnings under formning och gjutning:

1. Renlighet av mögelhålrum — inträngande av lös sand, slagg och inneslutningar i keramiska matar-/löparrör och kaviteten; och
2. Formytans skick — mekanisk skada, reparationsuppbyggnad, och ytjämnhet hos mönstret och kärnkomponenterna.

Baserat på många års praktisk produktionserfarenhet av stora gjutna ståldelar som gasturbiner,

ångturbiner, och hydrauliska turbinlöpare, den här artikeln analyserar systematiskt inverkansmekanismen för formhålighetens renhet och formytans skick på ytkvaliteten hos gjutna ståldelar.

Kombinerat med jämförande tester och ingenjörspraktik, riktade förbättringsåtgärder föreslås för att effektivt förbättra ytkvaliteten på gjutgods och ge tekniskt stöd för en stabil produktion av högkvalitativa gjutna ståldelar.

2. Inverkan av formhålighetens renhet på ytkvaliteten hos gjutna ståldelar

Formkaviteten är "formen" som formar de gjutna ståldelarna. Dess renlighet avgör direkt om det finns inneslutningar, sandinföringar, och andra defekter på gjutgodsets yta.

Under gjutningsprocessen av gjutna ståldelar, smält stål strömmar in i formhåligheten med hög hastighet.

Slagginneslutningar som genereras under smältningsprocessen, spridd sand som kommer in i rörledningen under läggningen av grindsystemet, och andra föroreningar kommer att tvättas in i formhåligheten tillsammans med det smälta stålet.

Under kylning och stelning av smält stål, på grund av deras lägre densitet, de flesta slagginslutningar och utspridd sand kommer att flyta uppåt och släppas ut genom stigar- eller ventilationssystemet.

Dock, en del av inneslutningarna kommer fortfarande att kondensera vid de variabla tvärsnitten, filéer, och andra positioner av gjutgodset, bildar ytdefekter såsom sandinneslutningar och slagginslutningar.

Dessa defekter måste avlägsnas genom slipning, vilket inte bara ökar produktionsbelastningen och kostnaden utan också kan påverka gjutgodsets dimensionella noggrannhet om slipmängden är för stor.

Den huvudsakliga källan till utspridd sand i formhåligheten är grindsystemet.

Grindsystemet av gjutna ståldelar är vanligtvis sammansatt av keramiska rör (porslinspipor) för att säkerställa hög temperaturbeständighet och undvika erosion av smält stål.

För stora gjutna ståldetaljer, den totala längden av det utlagda grindsystemet kan nå mer än 40 mätare, och läggningsprocessen involverar flera sektioner av porslinsrör anslutna.

På grund av den långa längden och höga läggningssvårigheter, sannolikheten för att strö sand kommer in i porslinsrören är relativt hög.

Därför, det är särskilt viktigt att skydda varje sektion av porslinsröret under läggningsprocessen för att förhindra att spridd sand kommer in i formhålan tillsammans med det smälta stålet.

Genom praktisk verifiering på tre typer av gjutna stålprodukter (gasturbiner, ångturbiner, och hydrauliska turbinlöpare),

tre typer av skyddsmaterial och metoder har utvecklats för att effektivt förbättra renheten i formhålan. Följande är en detaljerad analys av varje metod:

2.1 Skyddsmetod för PVC-plastfilm

Pvc (Polyvinylklorid) plastfilm används ofta för att skydda portsystemet på grund av dess höga kostnadsprestanda, bekväm drift, och bra tätningsprestanda.

Den rekommenderade tjockleken på filmen är 0,4–1 mm, och den specifika tjockleken kan väljas enligt kraven på gjutningsoperationen på plats.

För att underlätta observation och inspektion av porslinsrörens inre renhet, transparent PVC-film är att föredra.

De specifika operationsstegen är som följer: Första, kontrollera den invändiga renheten hos varje sektion av porslinsröret före skydd, och ta bort all befintlig utspridd sand eller andra föroreningar.

Sedan, linda PVC-filmen runt öppningen på porslinsröret som ska skyddas. Tätheten på filmen bör vara lämplig för att inte påverka kopplingen mellan porslinsrören.

Under stumfogen av porslinsrören, den flytande sanden och andra föroreningar blockeras utanför filmen och kan inte komma in i porslinsrören.

Efter att läggningen av grindsystemet är klart, filmen behöver inte tas bort.

Under hällningsprocessen, när det smälta stålet rusar in i formhålan, luften i porslinsrören släpps ut från systemet under tryck, och PVC-filmen blåses ut från luftutloppssystemet tillsammans med luften i formhåligheten.

Eftersom PVC-filmen kommer att brännas helt och sönderdelas vid höga temperaturer (nedbrytningstemperaturen för PVC är cirka 200–300°C,

vilket är mycket lägre än gjuttemperaturen för smält stål), det kommer inte att orsaka förorening av det smälta stålet eller lämna rester på ytan av gjutgodset.

2.2 Skyddsmetod för tunn stålplåt

Tunna stålplåtar med en tjocklek på mindre än 1 mm kan även användas för skydd av porslinsrör.

Fördelen med tunna stålplåtar är att de kan återanvändas, vilket kan minska den långsiktiga materialkostnaden i viss mån.

Före användning, de tunna stålplåtarna måste bearbetas till lämpliga storlekar något större än porslinsrörens ytterdiameter beroende på storleken och formen på porslinsrören för att säkerställa att de helt kan täcka anslutningsdelen av porslinsrören.

Operationsprocessen är: Första, kontrollera om det finns främmande föremål inuti porslinsrören.

Sedan, hylsa de bearbetade tunna stålplåtarna på anslutningsdelen av porslinsrören som ska skyddas.

Efter att den övre delen av porslinsrören är helt täckt med formsand, dra ut de tunna stålplåtarna manuellt.

Dock, denna metod ställer höga krav på byggverksamhet: å ena sidan, på grund av den stora mängden sand runt porslinsrören,

det är lätt att missa att dra de tunna stålplåtarna; å andra sidan, processen att dra ut stålplåtarna kan driva de redan lagda porslinsrören, vilket resulterar i felinriktning av grindsystemet.

Dessutom, om sekundär renhetsinspektion krävs efter läggning av grindsystemet, driftsvårigheten är relativt stor eftersom de tunna stålplåtarna har tagits bort och anslutningsdelen av porslinsrören är täckt av sand.

Det bör noteras att om den tunna stålplåten inte dras ut i tid eller saknas, den kommer in i formhåligheten tillsammans med det smälta stålet under gjutning,

som kommer att blockera flödet av smält stål och orsaka allvarliga defekter som kallstängningar och felkörningar på gjutgodsets yta.

2.3 Skyddsmetod av polystyrenskumskiva

Polystyrenskumskiva har fördelarna med låg kostnad och låg vikt, och är också ett vanligt skyddsmaterial för grindsystemet.

Nyckeln till denna metod är skumskivans bearbetningsnoggrannhet: skumskivan måste bearbetas till en cylindrisk form med samma diameter som porslinsrörets innerdiameter, och placeras sedan vid munstycket på porslinsröret för skydd.

Bearbetningsstorleken på skumskivan har höga krav: om diametern är för stor, skumskivan kan inte föras in i munstycket på porslinsröret;

om diametern är för liten, tätningsprestandan blir dålig, och sand kommer lätt in i porslinsrörets inre från springan.

Samtidigt, skumskivan bör ha tillräcklig tjocklek (vanligtvis 5–10 mm) för att undvika lutning inuti porslinsröret, vilket kommer att påverka den skyddande effekten.

Liknar skyddsmetoden för PVC-plastfilm, skumskivan behöver inte tas ut efter läggning av grindsystemet.

Under hällningsprocessen, när en stor mängd smält stål rusar in i formhålan, skumskivan blåses ut ur formhålan genom luftutloppssystemet under trycket från luften i formhålan.

Polystyrenskum sönderdelas vid höga temperaturer (nedbrytningstemperaturen är cirka 100–150°C) och kommer inte att producera skadliga ämnen, så det kommer inte att förorena det smälta stålet eller påverka ytkvaliteten på gjutgodset.

2.4 Jämförelse av skyddseffekter av tre material

Kärnprincipen för de tre skyddsmetoderna är att förhindra att spridd sand kommer in i porslinsrören och formhålan under förutsättningen att de inte påverkar flödet av smält stål under gjutningen och att främmande ämnen inte kommer in i formhålan..

För att välja det optimala skyddsschemat, kostnaden, konstruktionssvårigheter, och skyddseffekten av de tre materialen jämförs, som visas i tabell 1.

Tabell 1 Jämförelse av kostnad och prestanda för skyddsmaterial

Det kan ses från Tabell 1 att både tunna stålplåtar och polystyrenskumskivor har goda skyddseffekter, men deras bearbetningssvårigheter är relativt hög, vilket inte är lämpligt för byggande och användning på plats i viss utsträckning.

PVC-plastfilmen har den bästa skyddseffekten, med enkel drift på plats och hög kostnadsprestanda.

Därför, kombinerat med det faktiska produktionsbehovet, PVC-plastfilmen med en tjocklek på 0,4–1 mm rekommenderas som det föredragna skyddsmaterialet för portsystemet för gjutna ståldelar,

vilket effektivt kan förbättra renheten i formhålan och minska ytdefekterna som orsakas av sandinneslutningar.

3. Inverkan av formens ytförhållande på ytkvaliteten hos gjutna ståldelar

Formen är kärnverktyget för gjutning av gjutna ståldelar, och dess yttillstånd påverkar direkt gjutgodsets ytfinish och planhet.

För stora gjutna ståldetaljer, träformar används mest på grund av deras fördelar med enkel bearbetning, låg kostnad, och god bearbetbarhet.

Dock, träformar har egenskaperna stor volym och ett stort antal lösa block (flyttbara block), som kräver hög positioneringsnoggrannhet och anslutningstäthet mellan de lösa blocken.

I själva produktionsprocessen, med ökningen av antalet mögelanvändningar, skadorna på mögelytan och lösa block vid mögelborttagning kommer också att öka.

Om dessa defekter inte underhålls i tid, de kommer inte bara att påverka formen och ytkvaliteten på gjutgodset utan också förkorta formens livslängd.

3.1 Generering av naturliga defekter på mögelytan

De naturliga defekterna på formytan innefattar främst slitage, repor, sprickor, och ojämnheter vid anslutningsspalterna. Dessa defekter orsakas huvudsakligen av följande orsaker:

• Mögelskada: Under formstrippningsprocessen, på grund av vidhäftningen mellan formsanden och formytan,
  formytan och lösa block repas eller slits lätt när formen dras ut, speciellt vid filéerna och kanterna på formen.
• Miljöfaktorer: Formen förvaras i produktionsverkstaden under lång tid, och ytan påverkas lätt av fukt, leder till träsvällning och deformation, vilket resulterar i ojämn yta.
• Underhåll inte i tid: Efter att formen har använts, om ytsand och föroreningar inte rengörs i tid, eller så repareras de skadade delarna inte i tid, defekterna kommer successivt att expandera i takt med att antalet användningar ökar.

Bland dessa naturliga defekter, den ojämna ytan vid formens anslutningsspalter och filéer har störst inverkan på gjutgodsets ytkvalitet.

Efter att formen är reparerad, om ytan inte slipas för att vara plan och slät, spårliknande eller råttsvansliknande defekter kommer att bildas på ytan av gjutgodset, vilket allvarligt påverkar utseendets kvalitet på gjutgods.

3.2 Test på konstgjorda defekter på mögelytan

För att kvantitativt verifiera sambandet mellan formytans planhet och gjutytdefekter, ett jämförande test genomfördes.

Tre typer av konstgjorda defekter med olika djup tillverkades på formytan, som var 1–2 mm, 2–4 mm, respektive 4–6 mm.

Defekternas fördelningsområde täcker planet, bågsyta, och filédel av flänsroten, vilka är nyckelpositionerna som är utsatta för ytdefekter i gjutna ståldelar.

Testplanen är följande: Tre områden väljs ut för varje position, och området för varje område är satt till 300 mm × 300 mm.

Konstgjorda defekter tillverkas i de utvalda områdena och markeras.

Konvexa defekter görs genom att lägga till material som spackel eller gips på formytan, och konkava defekter slipas och formas på formytan med verktyg såsom legerade roterande filar.

Djupet på alla konstgjorda defekter mäts med en höjdmätare och registreras med fotografering.

Under gjutningsprocessen, de konstgjorda defekta delarna inspekteras för att säkerställa att det inte finns någon flytsand eller andra ämnen som påverkar formen på defekterna.

Packningsgraden och hållfastheten hos sanden som fylls runt defekterna implementeras i enlighet med formningsoperationskraven.

Efter att gjutgodset hälls och formas, de utsätts för kvalitetsvärmebehandling och den första kulblästringsprocessen, och ytareorna på gjutgodset som motsvarar de konstgjorda defekterna inspekteras och verifieras.

Testresultaten visar att olika djup av konstgjorda defekter på formytan leder till olika nivåer av gjutytans grovhet.

Det specifika motsvarande förhållandet visas i tabell 2.

Tabell 2 Jämförelsetabell över konstgjorda defekter på formytan och gjutytans ojämnhet

Notera: Ytråhetsgraderna i tabellen är uppdelade enligt företagets interna standard för gjutna ståldetaljer: A1 grade (Ra ≤ 6.3 μm) är den högsta ytkvaliteten, lämplig för viktiga utseendedelar;

A2/A3 klass (6.3 μm < Ra ≤ 12.5 μm) är den allmänna ytkvaliteten, lämplig för vanliga konstruktionsdelar; A4 betyg (Ra > 12.5 μm) är den låga ytkvaliteten, som behöver omarbetas genom slipning.

Enligt testresultaten, för att möta de olika kraven på ytråhetsgraden för gjutna ståldelar, formytan måste inspekteras före varje användning.

För defekter som överstiger det angivna djupet (vanligtvis 2 mm för allmänna delar och 1 mm för nyckeldelar), reparation och slipning måste utföras för att säkerställa att formytans övergripande skick är kvalificerat.

För anslutningsluckor och filéer i formen, särskild uppmärksamhet bör ägnas åt inspektion och underhåll för att undvika bildning av spårliknande eller råttsvansliknande defekter på gjutytan.

4. Slutsats

För stora delar av gjutstål de två mest slagkraftiga, kontrollerbara bidragsgivare till dålig gjutkvalitet är föroreningar kommer in via grindar/rörledningar och mögelytdefekter.

Enkel, billiga skyddsmetoder – framför allt användning av transparent PVC-film med 0,4–1,0 mm tjocklek för att täcka/täcka röröppningar under installation av rör – minskar avsevärt inträngning av lös sand.

Flitig inspektion och snabb reparation av mögelytor (med en konservativ acceptans för defektdjup på ≤2 mm) förhindra överföring av mögelskador till gjutna komponenter.

Kombinerat med första artikel NDT och ett dokumenterat underhåll/inspektionsprogram, dessa åtgärder förbättrar yttillståndet väsentligt, minska omarbetning och höja kundsynlig kvalitet.

Referenser

[1] Zhang Chaohui. Kvalitetsanalys och kvalitetsförbättringsåtgärder av gjutna ståldelar [J]. China Journal Network, 2018(01): 75-77.

[2] Wang Chengbin. Diskussion om mögelstrukturens inflytande på gjutkvalitet och optimeringsdesign [J]. Modern affärs- och handelsindustri, 2011, 23(01): 303.

[3] American Foundry Society (Afs). Handbok för stålgjutningar [M]. 11upplagan. Afs, 2017.