Получение отливки в ПГФ. Выпускная квалификационная работа. Магистратура.

1.1 Состояние вопроса

Качество отливки начинает формироваться с момента поступления расплава в форму. Принято считать [1-6], что при литье в песчаные формы, источником засоров, газовых раковин, образующихся в отливках в большей части является сама литниковая система. В процессе заполнения формы поверхностные слои каналов, и форма в местах их примыкания претерпевают значительные тепловые и динамические нагрузки. Основными воздействующими факторами являются температура заливки сплава, характер его течения, продолжительность заливки и др. Известно [7-10], что при соприкосновении расплава с формой поверхность последней мгновенно достигает температуры контакта, и в результате теплового удара в стенке формы возникает температурный перепад, который наряду с другими факторами определяет величину напряжений в приповерхностных слоях формы. Это одна из основных причин разрушения формы. В случае ее низкой термостойкости идет прямое разупрочнение тонкого поверхностного слоя из-за деструкции связующего, что облегчает смывание расплавом освободившихся частичек смеси и песка. При дальнейшем прогреве в спеченных слоях формы начинаются деформационные процессы, образуются трещины, которые при длительной заливке могут быть развиты, и будет происходить более интенсивно эрозия поверхности. В результате эрозионных процессов могут образоваться засоры, просечки, ужимины и пригар. Достижением необходимой стойкости литейной формы по время заливки в конечном итоге определяет получение качественной отливки.
...

1.3 Влияние дефектов песчано-глинистых форм на поверхность отливки

Эрозия песчаной формы зависит от её стойкости и обусловлена снижением поверхностной прочности в результате нарушения адгезионных связей, капиллярных, электрических или других сил, действующих между наполнителем и связующим в уплотненном состоянии [25-31]. Эрозионная стойкость определяется, прежде всего, свойствами самой литейной формы: поверхностной прочностью, влажностью, пористостью, термостойкостью, деформативной способностью и др. Термостойкость и деформативная способность формы наряду с прочностью и др. свойствами являются важными параметрами, непосредственно влияющими на характер разрушения, в первую очередь, литниковой системы в процессе заливки. Термостойкость формы складывается из собственно термостойкости наполнителя, связующего, т. е. предельной температуры, при которой начинается термическая или термохимическая деструкция [26], и комплекса свойств, которые определяют способность формы противостоять разрушению и искажению геометрических размеров (прочностные и реологические свойства материалов в холодном и горячем состояниях). Высокая Термостойкость формы обеспечивает повышенную эрозионную стойкость. Деформативная способность характеризует свойство поверхностных слоев формы изменять свой объем при тепловом воздействии жидкого металла и связана непосредственно с процессами тепломассопереноса, структурными и фазовыми превращениями в уплотненной смеси. Деформация формы в процессе заливки обуславливает возникновение напряжений в приповерхностных слоях каналов литниковой системы, что вызывает образование трещин, а они способствуют образованию ужимин.
Следовательно, высокая деформативная способность формы, которая в первую очередь зависит от теплового расширения песков, снижает ее эрозионную стойкость. По свободному расширению наполнителя можно судить о склонности соответствующих смесей к термическим напряжениям и связанным с ним дефектам. Основным фактором, влияющим на величину возникающих в форме напряжений, является коэффициент а наполнителя и деформация нагретой смеси εt. Из графиков на рисунках 3 а, б видно, что при медленном нагреве наименьшее тепловое расширение имеет плавленый кварц, однако при испытаниях соответствующих реальной заливки литейной формы, при термоударе, цирконовый песок имеет наименьший коэффициент температурного расширения, так как нет претерпевающих полиморфных превращений при нагреве.


Рисунок 3 - Свободное тепловое расширение песков в зависимости от
температуры нагрева:
а - нагрев с печью; б - термоудары при 100 ºС, 1 - кварц, 2 - оливин, 3 -
хромит; 4 - циркон; 5 - плавленый кварц.

Известно, что уплотненная песчано-глинистая смесь расширяется в процессе прогрева и основные изменения объёма происходят в первые 5-20 секунд. Линейное расширение достигает 1,7 % [25] (рисунок 4).
...

1.4 Известные способы оценки эрозионной стойкости песчаных форм

В большинстве случаев причины образования засоров в отливках связывают со свойствами формовочных и стержневых смесей. Если исключить возможность случайного попадания неметаллических частиц в форму и небрежность при отделке и сборке форм, то причиной засоров могут быть малая стойкость формы против механического воздействия протекающего металла (эрозионная стойкость) и её недостаточная термостойкость [16-19] (способность длительное время выдерживать высокие температуры, не разрушаясь). В некоторой степени эти характеристики оценивают по механической прочности поверхностных слоёв формы или образцов из исследуемых формовочных смесей. В реальных условиях характер взаимодействия формы и расплавленного металла - это сложный комплекс физических и химических процессов протекающих одновременно. При этом всегда важно знать участок формы, в большой степени подвергающийся эрозии, и пути переноса неметаллических частиц металлом при заполнении формы. Этому посвящены многие исследования в этой области. Повышенный интерес к явлению эрозии песчаной формы в процессе заливки в 80-е — 90-е годы говорит о том, что эта проблема решается медленно и является актуальной и в настоящее время.
Существует несколько методов изучения процессов эрозии песчаной формы в процессе заливки. Самым точным до настоящею времени считается метод радиоактивных изотопов. Он наиболее универсальный и позволяет получить полную картину эрозии формы [20, 21].
При изготовлении формы в смесь вводят радиоактивный изотоп какого-либо элемента. После затвердевания и охлаждения отливки изучают распределение в ней засоров с помощью радиографирования или счётчика. При выборе изотопа стремятся к тому, чтобы последний обладал достаточной β-акгивностью, так как от этого зависит разрешающая способность метода; период полураспада изотопа должен быть большим для возможности длительной работы с ним. Желательно, чтобы изотоп можно было перевести в водный раствор для смешивания с водой, используемой при приготовлении смеси. Это способствует наиболее равномерному распределению изотопа по всему объёму смеси. Изотоп должен быть нейтральным по отношению к смеси и не влиять на её свойства. Активность изотопа должна быть достаточно низкой для безопасного с ним обращения.
Авторы работы [22] для исследований применяли изотоп фосфора, переводимый в водный раствор H3PО4, нейтрализованный нашатырём.
Схема расположения активированного участка в форме определяется местом, подлежащим исследованию. На рисунке 3 показано расположение участков с изотопами для изучения влияния удара струи (1), размывающего действия струи (2) и процесса осыпания формы (3).

Введение 2
Глава 1. Информационно-аналитическая часть 5
1.1 Состояние вопроса 5
1.2 Дефекты песчано-глинистых форм возникающих в процессе заливки 7
1.3 Влияние дефектов песчано-глинистых форм на поверхность отливки 10
1.4 Известные способы оценки эрозионной стойкости песчаных форм 17
1.5 Чугун и его свойства 23
1.6 Структура чугуна в жидком состоянии 34
1.7 Кристаллизация чугуна 36
1.8 Затвердевание чугуна 39
Глава 2. Исследовательско-конструкторская часть 51
2.1 Общая характеристика технологического процесса получения чугунных отливок в условиях предприятия 70 – летия победы (АО)НМЗ 51
2.1.1 Анализ процесса смесеприготовления и изготовление литейных форм 54
2.1.2 Приготовление литейного расплава и заливка литейных форм 56
2.1.3 Выбивка и финишная обработка литья 59
2.1.4 Недостатки существующего технологического процесса 60
2.2 Выбора состава формовочной смеси с повышенными прочностными характеристиками 60
2.2.1 Определение физико-механических свойств 60
2.2.2 Взаимосвязь прочностных характеристик с другими характеристиками формовочной смеси 62
2.3 Формовочная смесь со шликером (керамические отходы) 71
2.3.1 Исследования физико-механических свойств специальной смеси в зависимости от содержания шликера 72
2.4 Выводы по главе 77
Глава 3. Технический проект 78
3.1 Дефекты и контроль качества отливки 78
3.2 Преимущества разработанного технологического процесса изготовления отливки перед существующим 81
3.3 Выводы по главе 82
Глава 4. Экономический раздел 84
Глава 5. Экология и охрана труда 91
5.1 Оценка опасных и вредных производственных факторов 91
5.2 Охрана труда и техника безопасности 92
5.2.1 Техника безопасности 92
5.2.1.1. Безопасность технологического процесса и оборудования 96
5.2.1.2. Безопасность эксплуатации грузоподъемного оборудования 100




5.2.2. Электробезопасность 101
5.2.3. Пожарная безопасность 104
5.3. Производственная санитария 106
5.3.1.Микроклимат в производственных помещениях 107
5.3.2. Содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны и вентиляция помещений 108
5.3.3. Производственное освещение 109
5.4. Защита окружающей среды 110
Заключение 114
Список литературы 115
...


2.3.1 Исследования физико-механических свойств специальной смеси в зависимости от содержания шликера

Разрабатываемая жидкостекольная смесь со шликером содержит в своём составе шликер, который является термостойкой добавкой с содержанием глинистой составляющей (15,4 %). Для придания смеси необходимой формуемости, прочности, осыпаемости, газопроницаемости и других технологических свойств необходимо определиться с соотношением в смеси шликера и связующего. С этой целью изучали, как влияет шликер на технологические свойства смеси при постоянном содержании в ней жидкого стекла.

Таблица 2 - Состав и свойства жидкостекольных смесей с различным содержанием шликера, при содержании связующего 7 %.


Из рисунка 32 видно, что при минимальном содержании в составе специальной смеси шликера (5 %) и постоянном содержании жидкого стекла 7 %‚ прочность смеси составляет 0,01 МПа, что как показала практика, является недостаточным для изготовления образцов и их транспортирования. Дальнейшее увеличение шликера приводит к росту прочности смеси на сжатие σсж. При содержании в смеси 20 % шликера и 7 % жидкого стекла специальная смесь набирает максимально возможную для данного состава прочность, которая составляет 0,07 МПа. Всё связующее, входящее в состав смеси задействовано на обволакивание зёрен наполнителя. Оно создаёт между ними манжеты минимальной толщины, в которых действуют капиллярные и межатомные силы. Прочность смеси зависит от количества контактов между зёрнами кварцевого песка и щликера. С дальнейшим увеличением в специальной смеси шликера прочностъ σсж падает (рисунок 32) из-за снижения действия капиллярных сил, так как увеличивается необходимая площадь смачивания связующим.


Рисунок 32 – Влияние содержания шликера на прочность на сжатие
σсж, МПа в сыром состоянии

На рисунке 33 представлена зависимость прочности специальной смеси в сухом состоянии и зависимости от содержания шликера в смеси при содержании связующего 7 %. B данном случае, прочность специальной смеси в сухом состоянии зависит от качества связующего - жидкого стекла. При избытке связующего в составе, смесь имеет максимальную прочность, но с уменьшением толщины манжет между зернами наполнителя, прочность заметно падает и при содержании шликера от 22 до 25 % прочность смеси не отвечает технологическим требованиям. При содержании шликера 18 - 20 % на графике наблюдается горизонтальная линия, которая свидетельствует об оптимальном соотношении наполнитель-связующее.
...


Глава 4 – Экономический раздел

Задание:
1. Оценить экономическую эффективность внедрения применения смоляных холоднотвердеющих смесей для изготовления форм.
2. Cделать вывод о целесообразности внедрения смоляных холоднотвердеющих смесей для изготовления форм.

Таблица 1 – Исходные данные для проведения расчетов
№ п.п. Показатель Внедрения смоляных холодно-твердеющих смесей для изготовления форм Обычная песчатная литейная форма
1 Действительный фонд раб времени ч 3743 3743
2 Условная программа формовочного отделения форм/год 200000 200000
3 Производительность форм/ч 50 50
4 Электроэнергия
5 Стоимость 1 кВт/ч электроэнергии руб. 6,5 6,5
6 Мощность установленных электроприводов кВт 8 10
7 Сжатый воздух
8 Стоимость руб. за м3 1 1
9 Расход сжатого воздуха на форму м3 на одну форму 1,3 1,8
10 Число рабочих обслуживающих единицу оборудования в одну смену 1 1
11 Капиталовложения тыс.руб.
12 Оптовая цена единицы тыс.руб..
13 Формовочная машина тыс.руб. 160000 160000
14 Конвейер тыс.руб. 800000 800000
15 Расходы на ремонт (% от стоимости оборудования) 10 10
16 Прочие цеховые расходы (% от заработной платы основных рабочих) 30 30
17 Норма дисконта % 8
18 Заданный cрок окупаемости (лет) 4 5

Произведем расчет необходимого количества оборудования и инвестиций (капитальных затрат) необходимых для выполнения производственной программы. Расчетное количество оборудования определяем по формуле

где – расчетное количество оборудования ед.;
ГП – условная программа формовочного отделения форм/год;
– коэффициент учета потерь из-за брака форм и отливок 0,94÷0,96;
– действительный годовой фонд работы оборудования ч;
– производительность оборудования форм/ч.
Фактическое количество оборудования, необходимое для выполнения годовой производственной программы, должно приниматься с учетом коэффициента загрузки, безразмерной величиной, характеризующей интенсивность использования оборудования, в соответствии с формулой

где – нижняя граница коэффициента загрузки оборудования;
– верхняя граница коэффициента загрузки оборудования;
– фактическое количество оборудования, необходимое для выполнения годовой производственной программы.
Действительный годовой фонд работы оборудования определяется по формуле

где – количество рабочих дней в году;
– продолжительность смены ч;
– количество предпраздничных дней в году с сокращением смены на 1 ч;
– количество смен;
– потери на ремонт и простои %.
Если принять равным 247 дней, равным 8 ч, равным 6, равным 5%, действительный годовой фонд работы оборудования будет равен см T

Расчетное количество формовочных машин при внедрении смоляных холодно-твердеющих смесей для изготовления форм и обычной песчаной литейной формы с учетом принятого в размере 0,95, составляет

Определим объем капиталовложений, необходимый для закупки и монтажа оборудования, по формуле

где – стоимость капитальных затрат;
– оптовая цена оборудования;
– коэффициент, учитывающий ТЗР (транспортно-заготовительные расходы), от оптовой цены для крупного оборудования 5%, для мелкого 10%;
– коэффициент, учитывающий строительные работы и устройство фундамента, от оптовой цены 2÷8%;
– коэффициент, учитывающий затраты на монтаж и освоение оборудования, % от оптовой цены 2÷8%;
Для расчета объемов капитальным вложений по вариантам принимаем следующие значения коэффициентов – равным 0,05, – равным 0,02, – равным 0,02. При внедрении смоляных холодно-твердеющих смесей для изготовления форм и обычной песчаной литейной формы объем капитальных вложений составит
...

Темпы технического перевооружения и развития литейного производства, объёмы и требуемое качество выпускаемой продукции, заставляют литейщиков совершенно по-новому решать вопросы, касающиеся технологии изготовления отливок. Опыт работы литейных заводов показывает, что одним из перспективных путей повышения качества литья, снижения его себестоимости является разработка новых формовочных смесей, совершенствование существующих технологических процессов и способов изготовления отливок. До настоящею времени наиболее распространенным является способ получения отливок в песчаную форму. Одним из характерных недостатков данного способа литья является низкое качество поверхности получаемых отливок. В большинстве случаев отливки поражены песчаными засорами, которые располагаются как на поверхности отливок, так и внутри, под слоем металла. Снижение брака отливок по этим дефектам в реальных условиях производства достигается: использованием высококачественных и тщательно подготовленных формовочных материалов: внедрением автоматизированного контроля и управления процессами приготовления формовочных и стержневых смесей и горелой смеси; внедрением современных способов формообразования для достижения необходимого качества формы с достаточной эрозионной стойкостью; внедрением мероприятий внутриформенного рафинирование расплава и снижением металлоёмкости формы.
Однако даже выполнение всех перечисленных мероприятий не даёт гарантированного эффекта получения отливок без дефектов поверхности.
В последние годы, как в нашей стране, так и в странах Европы, Америке для получения отливок без дефектов поверхности широко используются методы глубокого рафинирования расплава в форме различными фильтрующими системами и фильтрами [1 - 5]. Однако существующие шлакоулавливающие системы фильтрационной очистки не всегда дают желаемого результата на отечественных литейных заводах. Устаревшее формовочное оборудование и низкое качество формовочных материалов не позволяет изготавливать качественные формы, и поэтому имеющиеся системы очистки расплава работают не эффективно.
Наиболее приемлемым вариантом для повышения чистоты заливаемого металла является использование наряду с имеющимися системами его очистки, методов защиты всей рабочей полости литейной формы от разрушения. В настоящее время для этих целей при производстве средних и крупных отливок проводят защиту рабочей полости противопригарными красками, пастами и натирками. Данное мероприятие показало хорошие результаты [6], но противопригарная краска в большинстве случаев не способна длительное время выдерживать высокую температуру. Кроме того, заливочную воронку, стояк и зумпф выполняют с использованием керамического припаса, что частично решает данную проблему. Остаются незащищёнными остальные элементы ЛПС (литниковый ход‚ шлакоуловитель, питатели), которые сильно подвержены разрушению и являются источниками загрязнения металла отливке, даже при использовании вышеперечисленных систем фильтрации. Чтобы исключить эти недостатки необходимо использовать формовочные и стержневые смеси, а так же выполненные на их основе части ЛПС, в том числе и фильтрующие элементы, с повышенной эрозионной стойкостью, недорогие, не дефицитные, простые по технологии изготовления, хранения и применения.
Из известных типов песчаных смесей, наиболее полно удовлетворяют данным условиям применения и работы, являются смеси на основе органических и неорганических связующих материалов со специальными добавками [7 - 9]. Фильтрующие элементы, изготовленные из традиционных песчаных смесей на основе связующих, обладают достаточно высоким коэффициентом температурного расширения (КТР), но в подобных системах тоже используются ограниченно вследствие низкой термостойкости связующего. Такие фильтры при пропускании через них большого количества расплавленного металла (более 50 кг) c высокой температурой разрушаются по отверстиям и являются, таким образом, источником загрязнения расплава.
На сегодняшний день песчаные смеси с высокой эрозионной стойкостью, а так же сам механизм эрозионного разрушения литейной формы мало изучены. Разработка таких смесей, а так же мероприятий направленных на защиту формы от разрушения потоком выпиваемого металла, совершенствование технологии литейной формы — является первостепенной задачей для получения в условиях отечественного литейного производства стабильного качества литья при получении отливок любой массы, конфигурации, серийности из сплавов цветных и чёрных металлов.
В связи с этим, в данной работе упор делается на практическую сторону решения данного вопроса. На основании опыта работы литейного производства установлено, что основной причиной эрозионного разрушения литейной песчаной формы, является низкое качество исходных формовочных материалах, используемых для приготовления формовочных и стержневых смесей, а так же низкое качество изготовления форм.
Большой научный и практический интерес представляют исследования процессов эрозионного разрушения литейной песчаной формы. Их появление, причины и поиск мероприятий и технологических приёмов, снижающих или исключающих эрозию литейной формы.