Способ производства толстостенных центробежнолитых трубных заготовок Российский патент 2025 года по МПК B22D13/02 B22D27/20 

Изобретение относится к металлургическому производству, в частности к использованию центробежного литья толстостенных заготовок, широко используемых в конструкциях машин в отраслях энергетического, химического, нефтедобывающего, горнорудного и ряда других отраслей машиностроения.

При этом надежность и долговечность указанного оборудования в значительной степени зависит от качества литых деталей. В этой связи особое значение приобретает производство высококачественных заготовок с помощью прогрессивных технологических процессов, одним из которых несомненно является способ центробежного литья, позволяющий получать заготовки различной конфигурации с внутренней полостью без применения стержней, с плотной структурой и повышенной размерной точностью при значительном улучшении санитарно-гигиенических условий труда.

Однако при непрерывном увеличении габаритов основных рабочих деталей современных машин и механизмов возникает проблема с появлением ликвационной и структурной неоднородности в литом металле, что в значительной мере приводит к снижению физико-механических свойств литых заготовок.

Одним из способов устранения подобных дефектов в литых толстостенных заготовках является использование металлических порошков при заливке жидкого металла в форму, способствующих локальному возникновению центров кристаллизации по всему объему отливки [1].

Так, в работе [2] показано, что при центробежной отливке бандажных колец из стали 60ГСТЛ массой 2,5 т, диаметром 800-1000 мм и толщиной стенки 180-200 мм, используемых в четырехвалковых дробилках в горнорудной промышленности, присадка металлического порошка в количестве 2-4% в струю жидкого металла, заливаемого во вращающуюся изложницу, покрытую теплоизоляционным слоем из кварцевого песка толщиной 10 мм на внутренней поверхности изложницы, при частоте ее вращения 430 об/мин, соответствующей величине гравитационного коэффициента 60 на внутренней поверхности отливки, способствует снижению перегрева расплава в форме, повышению его вязкости и, как следствие, увеличению центров кристаллизации и объемному затвердеванию отливки, а так же получению более мелкого зерна (балл 6-7) по сравнению с отливками без присадки порошка (балл 3-4).

При этом протяженность зоны столбчатых кристаллов в отливках с присадкой порошка 2% и 4% уменьшается соответственно до 60 мм и 40 мм, а в отливке без присадки порошка она составляет 120 мм.

Отмечается, что при травлении темплетов, вырезанных из отливки, наблюдается слабо выраженная кольцевая полосчатость, представляющая ликвационную неоднородность и способствующая расслоению металла в зоне ее образования.

Несмотря на слабо выраженный характер проявления полосчатости в толстостенной отливке бандажных колец, подвергнутых воздействию микрохолодильников при заливке металла во вращающуюся форму, их присутствие является браковочным признаком.

Если образование полосчатости, как отмечает автор [2], происходит при затвердевании отливок из-за смещения слоев жидко-твердого металла относительно твердо-жидкой фазы, то выбор технологических параметров, принятых в этой работе, в виде сравнительно низкой частоты вращения формы (430 об/мин), соответствующей величине гравитационного коэффициента 61 на внутренней поверхности отливки, а так же пониженной интенсивности охлаждения отливки с применением толстого слоя 10 мм теплоизоляционного покрытия из кварцевого песка на внутренней поверхности вращаемой изложницы значительно способствует такому смещению слоев металла, поэтому появление полосчатости в отливках при указанных параметрах литья можно считать как ожидаемое явление.

В работе [3] показано, что ввод металлического порошка в количестве 1,5-2% позволяет обеспечить химическую и структурную однородность металла, при этом уделено внимание соотношению элементов заливочного устройства и литникового канала, по которым осуществляется ввод жидкого металла и металлического порошка, а также определены температурно-временные параметры обработки жидкого металла металлическим порошком.

Несмотря на положительные результаты, полученные в упомянутой работе, предлагаемая технология изготовления отливок усложнена в связи с дополнительным использованием инертного газа.

Наиболее близким к заявленному изобретению является работа [4], в которой металлический порошок предлагается вводить во вращаемую форму при непосредственном воздействии периодического торможения изложницы от 4 до 16 раз в минуту с целью более эффективного перемешивания металлического порошка в жидком металле. Недостатком указанного процесса является его усложнение с использованием специального устройства для автоматического торможения вращающейся формы, роль которого слишком преувеличена в связи с турбулентным характером течения металла во вращающейся форме, обеспечивающим хорошее перемешивание металла без применения внешних воздействий.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в устранении указанных недостатков, выявленных в прототипе и упомянутых изобретениях, и создании эффективного процесса суспензирования металла во вращаемой форме с учетом эксплуатационных особенностей используемых деталей, а так же в снижении трудоемкости их изготовления.

Технический результат заявленного изобретения при изготовлении толстостенных отливок, преимущественно эксплуатируемых в условиях абразивного износа, достигается за счет формирования столбчатой структуры в поверхностной зоне отливки с протяженностью, соответствующей ширине слоя металла, который подвергается износу изделия в условиях эксплуатации.

При этом учитывается, что формирование зоны столбчатых кристаллов, ориентированных перпендикулярно к поверхности отливки, оказывает наиболее эффективное сопротивление процессу изнашивания металла в эксплуатационных условиях и тем самым повышает долговечность изделий.

Протяженность упомянутой столбчатой зоны регулируется в процессе заливки металла путем ввода металлических порошков в жидкий металл в количестве 1,8-2,2% от массы отливки по истечении 30-35% времени от продолжительности заливки жидкого металла в форму.

При более низких значениях, менее 30% указанного времени, требуемая протяженность столбчатой зоны металла не достигается, а при более 35% дальнейшая протяженность столбчатой зоны становится неэффективной.

Использование указанной технологии ввода металлических порошков в жидкий металл осуществляется путем применения интенсивного охлаждения поверхности изложницы водой с расходом 3,2 м³/ч спрейерным способом.

Расход воды ниже указанного значения 3,2 м³/ч снижает интенсивность охлаждения формы, а при более высоких значениях этого фактора становится менее эффективным.

Повышению интенсивности охлаждения вращаемой формы способствует также использование тонкого слоя противопригарной краски толщиной 0,002 м, являющейся более эффективной по сравнению с использованием в качестве теплоизоляционного покрытия кварцевого песка толщиной слоя 10 мм, а так же увеличение частоты вращения формы до 535 об/мин, соответствующей гравитационному коэффициенту 115 по внутреннему диаметру отливки.

При использовании противопригарной краски толщиной слоя менее 0,002 м наблюдается появление трещин в отливках, а при толщине слоя краски более 0,002 м происходит ее смывание в зоне падения струи металла во вращаемую форму.

При использовании заявленного изобретения, наряду с обеспечением необходимой протяженности столбчатой зоны с внешней поверхности отливки, наблюдается также повышение химической однородности металла по сечению отливки.

При этом создаются условия для предотвращения такого дефекта в толстостенных центробежнолитых заготовках как полосчатость, которая полностью устраняется с применением повышенной частоты вращения формы, достигающей в заявленном изобретении до величины гравитационного коэффициента на внутренней поверхности отливки 115, что позволяет полностью предотвратить смещение вязких слоев металла относительно фронта затвердевания отливки, которое способствует появлению указанного дефекта. При более низких значениях гравитационного коэффициента (менее 115) устранение полосчатости затрудняется, а при более высоких величинах - становится нецелесообразным.

Осуществление изобретения производилось в условиях литейного цеха при изготовлении толстостенных заготовок в виде бандажных колец, используемых в углеразмольном оборудовании, диаметром 1,0 м с толщиной стенки 0,2 м и диаметром 0,8 м с толщиной стенки 0,06 м, с учетом выплавки стали марки 60ГСТЛ в основной печи. Шихтовка производилась из расчета получения по расплавлению металла 0,75-0,99 углерода.

Предварительное раскисление металла в печи производилось ферромарганцем из расчета введения 0,8-1,2% марганца, а также ферросилицием из расчета введения 0,3-0,4 кремния, а также алюминием в количестве 300 г/т.

Шлак раскисляли смесью, состоящей из извести, плавикового шпата, кокса и молотого ферросилиция. Остальной марганец вводили в печь во второй половине периода рафинирования, а кремний за 15-20 минут до выпуска плавки.

Феррохром вводили в печь после предварительного раскисления металла и наведения восстановительного шлака за 10 минут до выпуска металла с учетом угара 50%.

Металл в ковше раскисляли алюминием в количестве 300 г/т. Температура металла в печи перед выпуском составляла 1580-1600°С. С помощью крановых весов ковш с металлом направляли к центробежной машине, подготовленной к заливке металла, основная подготовка которой состояла в нанесении противопригарного покрытия из цирконо-бентонитовой краски на внутреннюю поверхность вращаемой изложницы толщиной слоя 0,002 м с частотой 585 об/мин., соответствующей гравитационному коэффициенту 115 по внутреннему диаметру отливки. Покраску внутренней поверхности изложницы производили с помощью устройства в виде трубы с распылительной форсункой на ее конце, совершающего возвратно-поступательные движения внутри вращаемой изложницы.

Заливку металла применительно к заготовкам 1,0 м с толщиной стенки 0,2 м массой 3000 кг с учетом припусков на механическую обработку внешней и внутренней поверхности отливки из стали 60ГСТЛ осуществляли во вращаемую форму центробежной машины при температуре 1560°C с превышением на 65°С температуры ликвидуса этой марки стали. Одновременно с началом заливки металла включали спрейерное охлаждение водой с расходом 3,2 м³/ч внешней поверхности вращаемой изложницы, а на струю жидкого металла подавали металлический порошок марки ПЖВ-2 по ГОСТ 9849-86 в количестве 60 кг, т.е. 2% от массы заливаемого металла и через 6 с от начала заливки металла во вращаемую форму, т.е. через 30% времени от продолжительности заливки металла 20 с в форму. По окончании заливки металла во вращаемую форму на внутреннюю поверхность жидкого металла вводили легкоплавкий флюс с толщиной слоя 9 мм для обеспечения однонаправленного затвердевания отливки от внешней ее поверхности к внутренней.

После окончания затвердевания отливки через 50 мин от начала заливки металла во вращаемую форму, литую заготовку извлекали из нее и помещали в термос для медленного охлаждения с целью уменьшения термических напряжений, а после термической и механической обработки осуществляли контроль качества металла, показавший соответствие физико-механических свойств техническим условиям.

При изготовлении бандажного кольца 0,8 м с толщиной стенки 0,06 м заливку металла массой 1300 кг во вращаемую форму осуществляли с применением металлического порошка, вводимого в струю металла в количестве 26 кг через 4 с от начала заливки металла в форму продолжительностью 8 с.

Отливки, полученные по заявленному изобретению, отличаются наличием зоны столбчатой структуры с внешней поверхности отливки, ориентированной перпендикулярно к ее внешней поверхности и равной ширине изнашиваемого слоя металла, что способствует повышению износостойкости изделий.

Физико-механические свойства металла отливок по заявленному способу соответствуют техническим требованиям, а себестоимость их производства по сравнению с традиционной технологией их изготовления - способом ковки из слитка снижается на 30-35%.

Используемые источники

1. Затуловский С.С. Суспензионная разливка. - Киев. Изд. «Наукова думка», 1981 г. 260 с.

2. Доброжанов А.И. Автореферат-диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Исследование влияния суспензирования металла на повышение химической и физической однородности крупногабаритных центробежнолитых заготовок. Москва, 1979 г.

3. Соя В.И. Автореферат-диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Разработка технологии центробежной отливки из суспензированного металла длинномерных заготовок с повышенными эксплуатационными свойствами. Москва, 1989 г.

4. Доброжанов А.И., Бельцов П.Ф., Бам B.C. и др. Авторское свидетельство №447215 B22D 13/00 от 15.06.73 г. «Способ центробежного литья».

Изобретение относится к области металлургии. Способ производства толстостенных центробежнолитых трубных заготовок, эксплуатируемых в условиях абразивного износа, диаметром 0,8-1,0 м и толщиной стенки 0,06-0,2 м включает заливку металла во вращаемую форму и введение в нее металлического порошка. При этом в заготовке формируют зону столбчатой структуры, ориентированной перпендикулярно внешней поверхности заготовки, протяженностью, соответствующей ширине ее изнашиваемого в условиях эксплуатации слоя. Данное формирование осуществляют путем подачи металла с температурой на 60-80°С выше ликвидуса во вращаемую форму, покрытую изнутри цирконо-бентонитовой краской толщиной слоя 0,002 м. При этом форму вращают с частотой, соответствующей гравитационному коэффициенту 115 по внутреннему диаметру трубной заготовки, а внешнюю поверхность формы охлаждают водой с расходом 3,2 м³/ч спрейерным методом. Металлический порошок в количестве 1,8-2,2% от массы заготовки вводят в струю металла, поступающего во вращаемую форму, по истечении 30-35% времени продолжительности заливки металла во вращаемую форму. Обеспечивается повышение износостойкости трубной заготовки.

Способ производства толстостенных центробежнолитых трубных заготовок, эксплуатируемых в условиях абразивного износа, диаметром 0,8-1,0 м и толщиной стенки 0,06-0,2 м, включающий заливку металла в охлаждаемую водой вращаемую форму и введение в нее металлического порошка, отличающийся тем, что в трубной заготовке обеспечивают формирование зоны со столбчатой структурой, ориентированной перпендикулярно внешней поверхности трубной заготовки, протяженностью, соответствующей ширине ее изнашиваемого в условиях эксплуатации слоя, посредством заливки металла с температурой на 60-80°С выше его температуры ликвидус во вращаемую форму, покрытую изнутри противопригарной цирконо-бентонитовой краской толщиной слоя 0,002 м, через литниковое устройство, вращения формы с частотой, соответствующей гравитационному коэффициенту 115 по внутреннему диаметру трубной заготовки, и охлаждения внешней поверхности вращаемой формы водой с расходом 3,2 м³/ч спрейерным способом, при этом металлический порошок в количестве 1,8-2,2% от массы трубной заготовки вводят в струю металла, поступающего во вращаемую форму, по истечении 30-35% времени продолжительности заливки металла во вращаемую форму.