Применение фильтров и экзотермических оболочек прибылей для повышения качества отливок

ПРИМЕНЕНИЕ ФИЛЬТРОВ И ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИХ ОБОЛОЧЕК ПРИБЫЛЕЙ

ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОТЛИВОК

, зам. ген. директора -ИМПЭКС»,

, инженер-технолог -ИМПЭКС»,

, начальник тех. отдела производства стального литья -Металлургия»

Использование литейной и металлургической керамики при производстве отливок из различных марок стали, чугуна, цветных сплавов – это эффективный способ обеспечения и повышения качества производства отливок. Металлургическая чистота расплавленного металла повышается не только из-за удержания включений при фильтрации жидкого металла благодаря механизму образования «фильтрационной лепёшки» на входной стороне фильтра и глубокой фильтрации внутри керамической матрицы, но также вследствие обеспечения ламинарного потока в системе входного отверстия для потока металла. Такое подтвержденное испытаниями подавление турбулентности приводит к равномерному наполнению литейной формы, снижению эрозии формовочной смеси, и сокращению числа поверхностных микроканалов в отливке. Уменьшение количества воздушных включений в системе впускного литника вследствие поддержания ламинарного потока позволяет сократить площадь соприкосновения расплава с окружающей атмосферой и, следовательно, предотвращает дополнительное насыщение расплава кислородом во время разливки.

Механизмы удаления включений из расплава представлены на примере керамического фильтра:

·  Механизм просеивания крупных частиц позволяет задерживать частицы, размер которых больше диаметра пор фильтра. ·  Захват на поверхности фильтра отжатым (отфильтрованным) осадком, который формируется на стороне подачи фильтра из-за постепенного накопления там примесей. Этот осадок создает поперечные ограничения и поднутрения, через которые жидкий металл должен течь. Это, в свою очередь, приводит к образованию частиц, размер которых может быть меньше диаметра пор фильтра. Однако толщина отжатого осадка увеличивается со временем фильтрации, что может привести к закупорке фильтра. По этой причине важно, чтобы не была превышена фильтрующая способность используемого фильтра. При необходимости количество фильтруемого металла должно быть в таком случае "разделено" между несколькими фильтрами (или должен использоваться фильтр большего размера). ·  Связывание частиц с внутренней поверхностью полости фильтра. Напорная фильтрация с глубокой постелью позволяет захватывать частицы, размер которых меньше диаметра пор фильтра. Турбулентность расплава во время его перекачки через фильтр часто приводит к контакту включений с внутренними стенками фильтра. Частицы прилипают к стенкам фильтра и поэтому не могут попасть в отливку. Однако прилипшие частицы могут быть смыты снова в расплав в случае сильных потоков из-за высокой скорости перемещения таких потоков. Поэтому важно не превысить пропускную способность (кг/с) соответствующего фильтра.

Рис. 1 Механизмы фильтрации

На данный момент не существует никакого "универсального" фильтра, который имеет одинаковую хорошую пригодность для всех областей применения, поэтому в таблицах №1 и №2 представлены материалы фильтров и часто используемые модели фильтров.

Таблица №1

Химический состав фильтра	Тмax (°C)	Сопротивление ударной нагрузке	Применение
AI2O3 Химически связанное cоединение	1000	< 820°C – высокое > 820°C – низкое	Сплавы алюминия, меди, цинка
AI2O3 Спекшийся материал	1100	< 1100°C – высокое > 1100°C – низкое	Сплавы алюминия, меди, цинка
ZrO2 - AI2O3 Спекшийся материал	1700	превосходное	Все марки сталей
SiC Химически связанное соединение	1600	превосходное	Все марки чугуна
AI2O3 – SiO2 Муллит	1600	превосходное	Все марки чугуна
AI2O3 – SiO2 – MgO Кордиерит	1450	очень высокое	Все марки чугуна

Таблица №2

	Эти фильтры подобны известным фильтровальным сеткам из стержневой смеси, используемым при производстве чугуна. Они изготавливаются путем прессования из смесей керамического порошка и связующего компонента. Главная характеристика этого типа фильтра – его "глубокое" действие, что означает способность отделять самые маленькие частицы на внутренней стенке фильтра. Фильтры этого типа – самые известные фильтры вследствие их большого срока службы, механической стабильности и всплывания к поверхности в расплавах алюминиевых сплавов.
	Фильтр из вспененной керамики имеет самую высокую гидродинамическую устойчивость и самый большой уровень разделения частиц. Внутренняя конструкция фильтра сформирована в виде сеточной матрицы из пенополиуретана. После того, как матрица будет обрезана до требуемой формы, она заполняется или покрывается керамической суспензией и затем прокаливается. Пористость обозначается в единицах ppi (число пор в одном квадратном дюйме). Фильтры производятся с порами различного размера в зависимости от требований литейного завода - 10, 20, 30, 40 ppi.
	Эти фильтры изготавливаются путем непрерывного прессования керамического материала через матрицу соответствующего штампа с поперечными сечениями. Керамический материал прокаливается и обрезается до требуемого размера. Фильтры производятся с отверстиями различного размера - 100, 200, 300 csi (число ячеек в одном квадратном дюйме).

Все керамические и пенокерамические фильтры отличаются хорошей теплопроводностью, прочностью и стойкостью к резким перепадам температуры, поэтому их можно использовать в керамических фильтрационных отделениях литниковых систем даже в случае прямого литья на фильтр. Изделия могут использоваться в комбинации с экзотермическими или изоляционными литьевыми лейками и фильтрационными каруселями. Стоимость фильтров варьируется от 01.01.01 рублей и зависит от материала, размера, пористости, объёмов и сроков поставки.

Изотермические и экзотермические материалы для литейного производства. Экзотермические оболочки для прибылей обладают важным преимуществом - длительным временем протекания экзотермической реакции, в ходе которой выделяется энергии около 8МДж/кг. Это обстоятельство позволяет в течение длительного времени сохранять металл жидким, при этом зеркало металла в прибыли в течение питания отливки опускается равномерно по всему сечению прибыли, что приводит к сокращению объёма металла за счёт отсутствия вытянутой в вертикальном направлении усадочной раковины. При падении температуры от 16000С до 7000С теплоёмкость экзотермического материала меняется от 1331 до 1168 Дж/гр*К, теплопроводность меняется от 0.71 до 0.24 Вт/м*К. Необходимо отметить, что теплоизоляционные свойства изотермического материала оболочек превосходят во всём рабочем диапазоне температур свойства экзотермического материала, однако протекание в течение 2 минут экзотермической реакции создает дополнительный разогрев металла, обеспечивающий столь эффективно направленное затвердевание.

После затвердевания отливки для облегчения отделения подприбыльного остатка используются отсекатели, выполненные из стержневой смеси. Основные преимущества применения подобных отсекателей связаны с их небольшой теплопроводностью, что практически не снижает теплоемкость самой оболочки прибыли. Меньшее внутреннее поперечное сечение отсекателя снижает поверхность соединения / разъединения между прибылью и отливкой. Клиновидная внутренняя поверхность отсекателя позволяет легко удалять прибыль, что приводит к сравнительно гладкой поверхности разъема.

Рис. 2 Образцы оболочек прибылей

Наиболее используемые модели оболочек представлены в таблице №3. Полный перечень оболочек, состоящий из более 50 видов с различными размерами, представлен на сайте www. *****. Стоимость оболочек варьируется от 16 до 235 рублей и зависит от материала, геометрических размеров, объёма партии и сроков поставки.

Таблица №3

выпуклые прибыли	овальные узкогорлые прибыли
овальные прибыли колпаки	цилиндрические прибыли

Эффективность использования экзо - и изотермических оболочек прибылей и фильтров проверяется на стадии проектирования литейной технологии или её модернизации без проведения многочисленных натурных экспериментов. На основе численного анализа литейной технологии с учётом использования фильтров и оболочек прибылей проводится диагностика технологических и металлургических параметров режима заливки в условиях: различной циркуляции расплава, возможного фонтанирования расплава, действия вынужденной и естественной конвекции; эрозии стенок формы и увлечения частиц шлака в вглубь полости формы; перемерзания потока, растекающегося по поверхности формы. При использовании программного пакета «MAGMASOFT» становится возможным описать образование целого ряда литейных дефектов, в основе возникновения которых лежат сопряжённые гидродинамические, тепловые и усадочные процессы при заливке полости литейных форм и затвердевании отливки. При этом база данных пакета «MAGMASOFT» дополняется специфическими свойствами поставляемых фильтров и оболочек. Вводимые данные отражают для фильтров различных марок (керамика, пенокерамика, пористость) теплофизические свойства, перепад давления до места фильтра и после, в том, числе, по разным направлениям фильтрации. Для оболочек прибылей вводятся время протекания экзотермической реакции, температура воспламенения, количество выделяемой теплоты, распределение объёмной теплоёмкости и теплопроводности в зависимости от температуры.

Результаты численных расчётов, проверка их адекватности и внедрение соответствующих технологических решений доказывают эффективность применения аппарата численного моделирования перед проведением натурных испытаний фильтров и оболочек при разработке или модернизации литейной технологии.

С учётом выше сказанного компания «РАНТАЛ-ИМПЭКС» (г. Санкт-Петербург, тел./предоставляет комплекс услуг для предприятий литейно-машиностроительного комплекса в части поставок пенокерамических и керамических фильтров, экзотермических и изотермических оболочек прибылей, керамического инструмента для литья различных металлов и сплавов, а также огнеупорных масс для футеровки тигельных печей и вагранок. При этом поставка указанных сертифицированных материалов сопровождается технической поддержкой с учётом особенностей литейного производства заказчика. На текущий момент компания, основываясь на существующей в нашей лаборатории системе проверки качества, является одним из основных поставщиков фильтров и оболочек прибылей для -УРАЛВАГОНЗАВОД», , -Металлургия», , и многих других металлургических предприятий РФ.