Результат интеллектуальной деятельности: Способ однонаправленного и ускоренного затвердевания крупногабаритных толстостенных центробежно-литых стальных заготовок

Изобретение относится к области литейного производства, в частности, к центробежному литью и может быть использовано в тяжелом, энергетическом, нефтехимическом, металлургическом и в ряде других отраслях машиностроения для производства крупногабаритных изделий ответственного назначения, таких как трубы большого диаметра, толстостенные баллоны, крупнотоннажные прокатные валки, крупногабаритные валы бумагоделательных машин и др., размеры которых по наружному диаметру превышают 500 мм, а при отношении их диаметра к толщине стенки составляют 5,5-9,0, с массой от одной до нескольких десятков тонн.

Специфической особенностью формирования крупногабаритных толстостенных центробежно-литых стальных заготовок при традиционной технологии их изготовления является образование двух фронтов кристаллизации, движущихся навстречу со стороны внешней и внутренней поверхностей, в месте соприкосновения которых образуются дефекты в виде раковин и пор, вследствие недостатка жидкого металла для компенсации усадки.

Наряду с образованием усадочных дефектов наблюдается характерное для крупногабаритного толстостенного литья появление ликвационной полосчатости, концентрично располагающейся в поперечном сечении стенки и распространяющейся по всей длине отливки.

Известен способ центробежного литья стальных заготовок (а.с 445514 кл., В22Д, 13/00 1973), согласно которому на струю жидкого металла сначала вводится металлический порошок через дозатор, установленный над желобом заливочного устройства открытого типа, а затем вводят металлический порошок с флюсом от 1 до 5% от массы заливаемого металла через второй дозатор, также установленный над желобом заливочного устройства, при следующем соотношении в (%):

Недостатком указанного изобретения является способ подачи флюса в жидкий металл после ввода металлического порошка, который нейтрализует его положительные качества как рафинирующего и утепляющего внутреннюю поверхность отливки материала, так как в охлажденном металле после ввода порошка затрудняется всплывание флюса на внутреннюю поверхность отливки для ее утепления и предотвращения появления второго фронта затвердевания.

Следующим недостатком указанного изобретения является использование заливочного желоба открытого типа и значительной длины, из-за установки двух дозаторов для флюса и металлического порошка, размещенных между заливочной чашей и передней дверью кожуха центробежной машины, что в значительной степени способствует усложнению конструкции заливочного устройства и интенсификации окислительных процессов, ухудшающих качество металлического порошка и жидкого металла.

Известен способ центробежного литья под жидким флюсом (а.с 530737 кл. В22Д 13/0/1975), согласно которому на струю жидкого металла при его заливке во вращаемую форму вводится жидкий флюс и металлический порошок. При этом, в начале заливки металла вводится 30-60% флюса от общей его порции, а затем металлический порошок и лишь после этого остальное количество флюса.

Предложенный способ позволяет усовершенствовать способ предыдущего изобретения, обеспечивая в первую очередь подачу флюса в струю жидкого металла, а затем уже металлического порошка, улучшая тем самым условия всплывания флюса на внутреннюю поверхность жидкого металла.

Однако, общий недостаток, заключающийся в подаче флюса на струю металла длинномерного заливочного желоба открытого типа, остается в силе, в виду интенсивного окисления металлического порошка и увеличения количества неметаллических включении в металле заготовок.

Известен способ изготовления центробежно-литых заготовок с использованием синтетического шлака, согласно которому, его заливают в подогретую до 80-120°С вращаемую изложницу, внутренняя поверхность которой предварительно покрывается графитовой краской толщиной слоя 1,0-1,5 мм (А.И. Шевченко, В.А. Ефимов и др. «Производство центробежных однослойных и биметаллических труб и заготовок с использованием синтетического шлака» Сб. Многослойное литье, Киев, 1970, С. 158-169).

После образования шлакового гарнисажа из синтетического шлака толщиной слоя 6-8 мм производится заливка жидкого металла, который расплавляя часть шлакового гарнисажа всплывает на внутреннюю поверхность отливки, утепляя ее и предотвращая развитие фронта кристаллизации.

Недостатком указанного способа является расплавление гарнисажа под напором струи жидкого металла, вытекающего из заливочного желоба, с последующим смывом тонкого слоя графитовой краски на поверхности изложницы, что приводит к привариванию металла к изложнице с последующей ее деформацией и выходом из строя.

Недостатком указанного способа является также высокая трудоемкость его осуществления с учетом дополнительной установки двух дозаторов, а также повышенная себестоимость получаемых изделии, учитывая конструктивную сложность заливочного устройства и большой расход дорогостоящего металлического порошка.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является способ центробежной отливки толстостенных стальных заготовок (патент №2391181 кл. В22Д 13/00/2009), в котором во вращаемую изложницу, нагретую до 200°С, наносится (на ее внутреннюю поверхность) теплоизоляционная краска с толщиной слоя 0,0016-0,0019 м.

Одновременно с началом заливки металла, вводят теплоизолирующий флюс с толщиной слоя 0,004-0,008 м при частоте вращения, соответствующей величине гравитационного коэффициента 110-230 по внутреннему диаметру отливки, при этом, отношение термических сопротивлений слоя флюса к слою краски составляет 2-6.

Недостатком указанного метода является ввод флюса с началом заливки металла, что затрудняет его всплывание в жидком металле и способствует внедрению его остатков в тело отливки, загрязняя его вредными примесями, при этом рекомендуемые параметры литья не предотвращают образование ликвационной неоднородности.

При таких недостатках прототипа достижение физической и ликвационной однородности при изготовлении крупногабаритных толстостенных центробежно-литых заготовок не представляется возможным.

Задачей заявленного способа является получение крупногабаритных толстостенных центробежно-литых заготовок с плотной и однородной структурой, без усадочных и ликвационных дефектов.

Техническое решение поставленной задачи достигается путем создания однонаправленного затвердевания центробежно-литых стальных крупногабаритных толстостенных заготовок от внешней поверхности к внутренней, а также ускоренного затвердевания отливки.

Первая задача решалась путем ввода порошкообразного флюса с температурой плавления 760-780°С на зеркало металла сразу после его заливки в количестве 2,5-3,0 кг на 1 м² внутренней поверхности отливки, что позволяет полностью обеспечить ее защиту от тепловыделения.

При массе флюса, менее чем 2,5 кг, наносимого на внутреннюю поверхность отливки на 1 м² ее площади, защитные свойства флюса ухудшаются, а при большей, чем 3,0 кг, затрудняется его извлечение из отливки после остывания.

Нанесение флюса на внутреннюю поверхность отливки сразу после окончания заливки металла способствует быстрому растеканию флюса по всей поверхности металла, что позволяет полностью исключить образование встречного фронта затвердевания с этой поверхности и предотвратить появление усадочных дефектов в теле отливки.

Вторая задача решалась путем создания условий для ускоренного затвердевания отливки с внешней ее поверхности с продвижением фронта затвердевания к ее внутренней поверхности со средней скоростью 0,002-0,004 м/мин, что позволяет полностью исключить образование ликвационной неоднородности по сечению заготовки.

При меньшей скорости затвердевания, чем 0,002 м/мин ликвационная неоднородность проявляется в отливке, а при большей величине скорости, чем 0,004 м/мин повышается опасность появления трещин.

Ускоренное затвердевание отливки с прохождением его фронта от внешней поверхности к внутренней обусловлено теплопередачей через многослойную форму, толщина стенки которой составляет 0,4-0,6 от толщины стенки отливки и поэтому она работает в качестве передатчика тепла в окружающую среду с пренебрежительно малой долей аккумулированного тепла, чему во многом способствует высокая частота вращения формы, соответствующая гравитационному коэффициенту 201-220 на внешней поверхности отливки, затрудняя образование газового зазора между отливкой и формой и уменьшая ее величину.

При меньшем значении гравитационного коэффициента, чем 201, толщина газового зазора увеличивается, что сказывается на уменьшении интенсивности теплопередачи и на повышение ликвационной неоднородности, а гравитационного коэффициента более 220 возрастает напряженное состояние отливки.

В отличие от стационарного литья широко из распространенных сталей перлитного и ферритного классов, у которых линейная усадка находится в пределах 2,2-2,3%, при центробежном литье подобного класса сталей она уменьшается до 1,3-1,5%.

Теплоизоляционный слой толщиной 0,003-0,005 м из смеси кварцевого песка с цирконовым порошком с соотношением 1:1, термическое сопротивление которого является преобладающим в системе многослойной формы, строго выполняет свои функции в качестве противопригарного и защитного покрытия на внутренней поверхности изложницы и варьирование толщиной слоя покрытия в пределах указанных величин позволяет поддерживать необходимую скорость кристаллизации не ниже 0,002 м/мин.

При уменьшении толщины слоя менее 0,003 м возникает опасность ее размыва струей металла при заливке, а при толщине слоя более 0,005 м становится недостижимой необходимая скорость продвижения фронта кристаллизации.

Отвод тепла от внешней поверхности формы с высокой эффективностью выполняет спрейерное охлаждение водой стенки вращающейся изложницы с расходом воды 2,5-2,9 м³/ч.

При меньшем расходе воды, чем 2,5 м³/ч, теплоотвод от вращающейся формы уменьшается, что сказывается на снижении скорости затвердевания металла ниже 0,002 м/мин, а при увеличении расхода воды выше предельной 2,9 м³/ч влияние этого фактора на интенсивность теплоотвода от внешней поверхности изложницы нивелируется.

В качестве примера была изготовлена крупногабаритная толстостенная заготовка из стали 16ГС с толщиной стенки 200 мм при наружном диаметре 1000 мм.

Плавка металла проводилась в электродуговой сталеплавильной печи при температуре 1500-1600°С, металл сливали в ковш и с помощью мостового крана перевезли на участок центробежного литья.

Заливка металла во вращающуюся изложницу производилась при температуре 1540°С.

Внутренняя поверхность изложницы перед заливкой покрывалась слоем теплоизоляционного покрытия толщиной 0,004 м, состоящим из смеси кварцевого песка с цирконовым порошком в соотношении 1:1.

Частота вращения в процессе затвердевания металла соответствовала значению гравитационного коэффициента 210 на внешней поверхности отливки.

По окончании заливки металла вводили флюс в количестве 3 кг/м² свободной поверхности отливки.

В процессе вращения формы изложница охлаждалась путем спрейерного воздействия воды с расходом 2,8 м³/ч.

Исследование качества металла отливки выявило отсутствие усадочных и ликвационных дефектов в теле отливки, за исключение узкой зоны у внутренней поверхности отливки (до 5-8% от ее толщины), являющейся прибыльной и удаляемой при механической обработке.

При этом механические свойства полностью удовлетворяют требованиям технических условий (ТУ 3-923-75).

Таким образом предлагаемый способ позволяет получать крупногабаритные толстостенные заготовки с плотной и однородной структурой без усадочных и ликвационных дефектов.