автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Комплексная технология изготовления литых мелющихтел из чугуна

ЛАЦЮНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ ^' °ФІЗЖО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ - / МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ

На правах рукопису

Ломакін Віктор Миколайович

УДК 621.74.002.6:669.131.2

КОМПЛЕКСНА ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ЛИТИХ МЕЛЮЧИХ ТІЛ З ЧАВУНУ

Спеціальність 05.16.04 — “Ливарне виробництво”

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі ливарного виробництва Кіровоградського державного технічного університету

Наукові керівники:

доктор технічних наук, професор Сумцов Василь Пилипович, Кіровоградський державний технічний університет, професор кафедри машин і технології ливарного виробництва;

доктор технічних наук, чл.-кор. НАН України Дубодєлов Віктор Іванович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, зав. відділом магнітної гідродинаміки і вакуумних технологій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шинський Олег Йосипович, Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України, зав. відділом фізико-хімії процесів формоутворення;

кандидат технічних наук, доцент Косячков В’ячеслав Олександрович, Національний технічний університет України (КПІ), доцент кафедри ливарного виробнищва.

Провідна установа — Одеський державний політехнічний університет

/0

Захист відбудеться “22 ” _г£/сС^£2000 р. о -/О годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.232.01 при Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України за адресою: 03680, м. Київ-ГСП 142, проспект Вернадського, 34/1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України.

Автореферат розісланий

Вчений секретар спеціалізованої Вченої ради Д 26.232.01, доктор технічних наук, професор

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення стабільної роботи металургійного сомплексу України і нарощування експортного потенціалу країни в значній лірі визначається розвитком її сировинної бази і, у першу чергу, ефективністю роботи гірничо-збагачувальних комбінатів, іцо постачають на металургійні заводи перероблену сировину. Значна частина високоякісної си-ювини у вигляді окатишів експортується за кордон. Водночас, вузьким місцем у процесі виготовлення такої продукції є низька стійкість і недостатні обсяги виробництва мелючих тіл, що застосовуються в кульових і грубних млинах для роздрібнення і здрібнювання залізної руди. Такі метало-іироби використовуються також і в ряді інших галузей промисловості, таких ік вугільна — для здрібнювання вугілля, цементна — для помелу сировини глина, вапняк), клінкера та інших матеріалів.

Таким чином, відчувається гостра потреба у великих обсягах мелючих тіл. Дя проблема ускладнюється ще і тим, що внаслідок недосконалості існуючих технологій, устаткування і матеріалів спостерігаються підвищені витрати за-іначених виробів і скорочуються терміни їхнього ефективного використання.

Проведеними раніше в Україні і за кордоном дослідженнями показано, що снують системи сплавів, зокрема чавунів, легованих хромом, що у сполу-іенні з раціональними технологічними режимами виготовлення мелючих тіл юзволяють істотно підвищити зносостійкість зазначеної металопродукції.

Не менш важливими елементами у вирішенні цієї проблеми являються 'ехнологія та устаткування, що необхідні для виготовлення якісних мелючих •іл. Розмаїття існуючих процесів і установок, які використовуються в те-іерішній час, свідчить про відсутність системного підходу до вирішення іроблеми, недостатню вивченість тепло- і масообмінних процесів при одер-канні і розливанні спеціальних легованих чавунів, а також при формоутво->енні литих мелючих тіл із таких сплавів у кокілях.

Нові можливості вивчення складних технологічних процесів, зокрема, їдродинаміки заповнення ливарних форм і теплофізики затвердіння чавун-шх виливків у металевих формах, дають сучасні методи фізичного і математичного комп'ютерного моделювання. -

Досить перспективним являється використання в якості засобів керуван-ш фізико-хімічними і тепловими процесами при одержанні і розливанні ;пеціальних чавунів магнітодинамічної техніки. Значний досвід у створенні :фективного ливарного устаткування магнітодинамічного типу і реалізова-гах з його допомогою технологій позапічної обробки і розливання чавуну икопичений у ФТІМС НАН України.

Дисертаційна робота виконана на кафедрі ливарного виробництва Кірово-радського державного технічного університету (КДТУ) у рамках держбюджет-

ної науково-дослідної теми 5.42.03/020-93 “Розробка і дослідження технології та устаткування для виробництва литих куль для кульових млинів” (1993-1994 р.). Частина досліджень проводилася у наукових підрозділах ФТІМС НАН України.

Мета роботи і задачі дослідження. Метою роботи є розробка комплексної технології виготовлення якісних сферичних мелючих тіл із легованих чавунів у багатомісних металевих формах із горизонтальною площиною рознімання і спеціалізованого конвеєрного устаткуванням для її реалізації.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наукові і технологічні задачі:

— розробити принципову технологічну схему процесу відливання чавунних сферичних мелючих тіл;

— визначити температурні і гідродинамічні режими приготування в магнітодинамічних установках розплавів чавуну, легованого.хромом;

— дослідити на фізичних моделях гідродинаміку заповнення чавуном багатомісних металевих форм із горизонтальною площиною розніманням і визначити раціональні режими їх заливки;

— вивчити з використанням математичного моделювання теплофізику затвердіння чавунних сферичних мелючих тіл у багатомісних кокілях; розробити рекомендації для забезпечення необхідної структури виливків;

— провести відпрацювання раціональних параметрів лиття і затвердіння сферичних мелючих тіл із легованих чавунів;

— розробити, забезпечити виготовлення і запровадження в промислову експлуатацію спеціалізованого конвеєрного устаткування для реалізації створеної технології лиття мелючих тіл;

— виготовити із застосуванням розроблених технології та устаткування дослідну партію чавунних сферичних мелючих тіл і провести їх випробування;

— освоїти створену технологію в умовах промислового виробництва;

— виконати порівняльну техніко-економічну оцінку розробленої і відомих технологій лиття мелючих тіл.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у такому:

— встановлені закономірності розчинення ферохрому в рідкому чавуні в умовах спільного впливу на ці процеси температури металу-розчинни-ка і швидкості циркуляції розплаву у каналах магнітодинамічної установки МДН-бЧ. Показано, що електромагнітне перемішування розплаву в 1,5 рази зменшує тривалість розчинення ферохрому;

— методами фізичного моделювання встановлені закономірності впливу масової швидкості заливки рідкого чавуну на гідродинаміку заповнення і газодинаміку багатомісних кокілів з горизонтальною площиною рознімання; визначені коефіцієнти витрати й опору ливникових систем таких форм;

з

— розроблена математична модель процесу затвердіння чавунних виливків у багатомісних металевих формах, що враховує конструктивні особливості кокілю. Розрахована оптимальна тривалість витримки і кінетика затвердіння чавунних мелючих тіл різноманітних типорозмірів у багатомісному кокілі при середній інтенсивності теплообміну (Ві» 1);

— установлені закономірності впливу таких технологічних чинників як температура чавуну, рівень рідкого металу на зливному носку магніто-динамічної установки, тривалість заливки кокілю і типорозмір мелючих тіл на точність дозування рідкого чавуну в багатомісний кокіль з горизонтальною площиною рознімання;

— визначені кількісні залежності експлуатаційних властивостей литих мелючих тіл від вмісту хрому у чавуні.

Практичне значення отриманих результатів полягає у такому:

— обгрунтовано вибір раціонального складу чавуну (2,8...3,6% С; до 1,2% Зі; 0,5...0,9% Мп; до 0,1% Р; до 0,1% 8; 0,8...1% Сг) для виготовлення литих мелючих тіл;

— визначені раціональні технологічні режими приготування розплавів легованих чавунів для мелючих тіл. Необхідна температура легування чавуну хромом складає 1380...1420 °С, а швидкість циркуляції рідкого металу у ванні і каналах установки МДН-6Ч — 0,35...0,45 м/с;

— розроблені конструкції багатомісних металевих форм з горизонталь-

ною площиною рознімання для відливки чавунних сферичних мелючих тіл різноманітних типорозмірів. Відпрацьовані режими заливки таких кокілів і технологічні параметри лиття мелючих тіл. При заповненні шістнадцятимісного і чотиримісного кокілів раціональні витрати чавуну складають, відповідно, 0,75 і 1,70 кг/с; '

— підготовлені рекомендації по керуванню режимами затвердіння мелючих тіл у багатомісних кокілях. Для забезпечення у сферичних виливках діаметром 120 мм поверхневого вибіленого шару (20...24 мм) теплопровідність кокільної фарби повинна складати 0,24...0,38 Вт/(м -°С);

— розроблена конструкція вертикально-замкнутого кокільного конвеєра для лиття чавунних сферичних мелючих тіл у багатомісні ливарні форми. Експериментально показана ефективність застосування у складі такого устаткування магнітодинамічного міксера-дозатора;

— проведена дослідно-промислова перевірка розроблених технології і конвеєрного устаткування для відливання сферичних чавунних мелючих тіл у багатомісні кокілі. Відлита промислова партія мелючих тіл різноманітних типорозмірів з чавуну. Проведені дослідження їх спеціальних і експлуатаційних властивостей, що підтвердили високу якість отриманої металопродукції.

Особистий внесок здобувача відображений у таких наукових положеннях і технологічних розробках, винесених на захист:

— обгрунтуванні вибору раціонального складу легованих чавунів для виготовлення мелючих тіл;

— експериментальному визначенні на натурній МГД — установці раціональних швидкостей перемішування рідкого чавуну в процесі легування його хромом і обгрунтуванні доцільності застосування такого устаткування для приготування і'порціонного розливання хромистого чавуну в багатомісні металеві форми;

— розробці конструкції багатомісних кокілів з горизонтальною площиною рознімання для відливки сферичних чавунних мелючих тіл різноманітних типорозмірів і встановленні методами фізичного моделювання раціональних режимів їх заповнення;

— розробці комплексного технологічного процесу, спеціалізованого устаткування та їх дослідно-промисловій перевірці при виготовленні чавунних сферичних мелючих тіл;

— результатах теоретичних і експериментальних досліджень;

— підготуванні авторських свідоцтв і публікацій по темі дисертації.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертації доповідалися і обговорювалися на республіканських конференціях “Пути повышения качества и экономичности литейных процессов” (Одесса 1994 и 1995 г.), а також на науково-технічних семінарах кафедри ливарного виробництва КДТУ і відділу магнітної гідродинаміки і вакуумних технологій ФТІМС НАН України.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 6 наукових статей і отримані авторське свідоцтво СРСР і патент України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел із 111 найменувань і спеціальних додатків.

Дисертаційна робота містить 125 сторінок машинописного тексту, 57 рисунків та 27 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану досліджень і технологічних розробок в області* виготовлення мелючих тіл сферичної форми та накреслено шляхи підвищення ефективності технологічних процесів виробництва такої металопродукції. Показано, що поставлена в даній роботі проблема отримання необхідних об’ємів якісної розмелювальної продукції може бути вирішена за допомогою комплексної ливарної технології, із застосуванням легованого хромом чавуну в якості матеріалу мелючих тіл.

У другому розділі досліджено процеси приготування розплавів легова-юго хромом чавуну та розроблено конструкції багатомісних кокілів з гори-онтальною площиною рознімання для відливки мелючих тіл сферичної юрми із такого матеріалу.

Дослідження процесів приготування розплавів хромистого чавуну. Омічний склад чавуну при виготовленні якісних мелючих тіл має важливе начення. Водночас в умовах масового і серійного їх виробництва він є насампе-іед регламентуючим параметром технології. Не менш важливе значення у вироб-ичих умовах має якість легованих розплавів, що обумовлена ступенем засвоєння ведених добавок і усереднення хімічного складу сплаву по об’єму тигля.

Основними легуючими добавками при виплавці чавуну для мелючих тіл ферохром і феромарганець. Незважаючи на значну конвекцію рідкого чаву-іу в промислових печах, швидкість розчинення таких присадок відносно не-;елика і сприяє небажаній затримці плавок, а в ряді випадків підвищеному игоранню елементів і нерівномірному їх розподіленню в чавуні.

Так як розчинення ферохрому відбувається в дифузійному режимі, то на цей ‘ іроцес істотно впливають як температура металу-розчинника (чавуна), так і ивидкість його переміщення відносно уведеної добавки. З метою інтенсифікації епло- і масообмінних процесів при приготуванні легованого чавуну в даній ро~ юті використовували засоби магнітної гідродинаміки, зокрема установку ЛДН-6Ч (міксер-дозатор), яка дозволяє прискорювати процес розчинення феро-:рому і досягати задовільної гомогенізації розплаву за рахунок регульованого ндукційного нагрівання й електромагнітного перемішування останнього.

Задача дослідження полягала у визначенні раціонального сполучення темпе-іатури металу-розчинника (чавуна) і швидкості його циркуляції в каналах і ванні ігрегату, для одержання мінімального часу розчинення ферохрому і максималь-юї продуктивності установки МДН-6Ч при виплавці сплаву з заданим масовим імістом легуючого елемента.

Для скорочення обсягу натурних досліджень були проведені розрахунки кіне-ики розчинення ферохрому в магнітодинамічній установці. При цьому були ви-:ористані відомі результати по вивченню кінетики розчинення ферохрому в іідкому чавуні (3% С і 1% Бі), які наведені в роботах В. С. Шуміхіна, А. М. Вер-гавлюка, В. І. Дубодєлова й А. А. Должикова. Зокрема, були запозичені ефек-ивні параметри дифузії хрому, що отримані методом обертового диска з рівно-юступною поверхнею при різноманітних фіксованих значеннях температури ме-'алу-розчинника і масової частки хрому в його складі.

Розрахунки розчинення ферохрому проведені для інтервалу швидкостей циркуляції рідкого металу в системі ванна — канали МГД — установки ’ 0,1...0,5 м/с), які можна отримати в магнітодинамічній установці МДН-6Ч. ' Результати виконаних розрахунків приведені на рис. 1 при співставленні з ікспериментальними даними.

В об’єм дослідження входило також вивчення процесу легування чавуну хромом на натурних об’єктах. Чавун хімічного складу: вуглець — 3%, кремній — 2%, марганець — 0,25%, хром — 0,05%, сірка — 0,1%, фосфор — 0,09% виплавляли в дуговій печі ДСП-6. Перед випуском металу з печі брали пробу на хімічний аналіз і вимірювали температуру чавуну. Для оцінки впливу електромагнітного перемішування на швидкість розчинення ферохрому й усереднення хімічного складу чавуну, розплав при о го «о во во іоо 120 ічо іво 180 200 темПературі 1330 °С зливали з печі у

' ківш, а потім заливали в міксер-дозатор.

Рисунок 1—Залежність вмісту хрому в у міксері-дозаторі розплав піддавали чавуні від часу розчинення ферохрому індукційному нагріванню до температу-

1 — тигель (з електромагнітним пе- Ри 1380...1420 С. Уведення добавок фе-ремішуванням металу); 2 — носок (з рохрому здійснювалося їх подачею на електромагнітним перемішуванням поверхню металевої ванни. Необхід-металу); 3 — тигель (без електро- ний вміст хрому в чавуні складав магнітного перемішування металу); 0,55...0,60%. Проби на хімічний аналіз

4 — носок (без електромагнітного пе- відбиралися перед завантаженням феро-ремішування металу); а розрахунок сплаву, у процесі його розчинення без (при швидкості перемішування роз- електромагнітного перемішування рідко-плаву 0,35...0,45 м/с); а-розрахунок го м й сі ншня 3 елек_

(при ШВИДКОСТІ перемішування роз- . . тт

плаву 0,15...0,25 м/с); тромагштним перемішуванням. Добір

проб робили з тигля і зливного носку. Масову частку хрому в чавуні визначали спектральним методом.

. На рис. 1 показані експериментальні залежності масової частки хрому в рідкому чавуні від часу розчинення ферохрому. Крім того, на тому ж рисунку показані розрахункові значення часу розчинення ферохрому до концентрації 0,2%, 0,4%, 0,55% і 0,6% Сг у чавуні, що отримані на підставі запозичених даних.

Розрахунки показали, а практична перевірка підтвердила, що при низькому легуванні чавуну хромом (вміст хрому в розплаві до 1%) мінімальний час розчиненйя ферохрому і гомогенізація розплаву досягаються при температурі металу-розчинника 1380...1420 °С, причому витрати металу в каналах магнітодинамічної установки повинні складати 2...5 кг/с, що забезпечує швидкість переміщення останнього відносно легуючих добавок 0,35—0,45 м/с. При дотриманні таких технологічних параметрів розчинення

—^ -А- уі-. -й-

—— — —. Г7 * С-

—# -7"

¥ Р

і засвоєння ферохрому проходить за 20 хвилин і при повному завантаженні ванни рідким чавуном, місткість якої 3 тони, продуктивність приготування в установці МДН-6Ч легованого хромом чавуну складає 9 тон/год.

Таким чином, у результаті проведених експериментів і розрахунків отримані кінетичні параметри розчинення ферохрому в розплавах чавуну для температур 1350...1450 °С, які були використані при розробці комплексної технології виготовлення литих чавунних мелючих тіл.

Розробка конструкцій багатомісних кокілів і дослідження технологічних особливостей їх заповнення рідким чавуном. При розробці технології виготовлення литих мелючих тіл проектували кокілі з горизонтальною площиною рознімання двох типів: 1) шістнадцятимісний — для виготовлення одного з найменших типорозмірів куль діаметром 40 мм; 2) чотиримісний — для виготовлення найбільшого типорозміру мелючих тіл діаметром 120 мм, що дозволило оцінити можливість застосування подібних конструкцій форм для виготовлення будь-якого проміжного типорозміру куль діаметром 60...100 мм. В якості матеріалу ливарних форм було прийнято чавун марки СЧ 20.

На рис. 2 представлена принципова схема багатомісного кокілю з горизонтальною площиною рознімання. При цьому верхня проекція кокілю виконана без кришки, а ливникові канали, що відносяться до останньої показані на нижній півформі штрих-пунктирними лініями, так, як таке спряження каналів має місце в зібраній формі.

При розробці конструкцій металевих форм проектували бокові ливникові системи, які розраховували за класичною методикою. Співвідношення між складовими елементами ливникових систем було прийняте таким: И.РЖ: Рлх: Рст = 1:1,15:1,25, де Рж, Рлх, Рст — відповідно, площа поперечного перерізу живильника 1, ливникового ходу 2 і стояка 3 (рис. 2). Окрім зазначених конструктивних елементів металеві форми містять ливникову воронку 4 і вентиляційні вставки 5, що встановлено над кожною робочою порожниною для видалення повітря з форми в процесі її заповнення рідким чавуном.

Площа поперечного перерізу конструктивних елементів розроблених ливникових систем багатомісних металевих форм складає (см2): Рж = 1,10; Рлх = 5,06; Рст = 5,50 — в чотиримісному кокілі, Рж = 0,18; Рлх = 1,66; Рст = 3,60 — в шістнадцятимісному кокілі.

Для підтвердження правильності розрахунку розмірів конструктивних елементів ливникової системи, встановлення і спостереження в робочих порожнинах і ливникових каналах кокілю основних гідродинамічних та газодинамічних особливостей, відпрацювання технологічних параметрів заливки рідкого чавуну проводили фізичне моделювання процесу заповнення металевих форм на прозорих моделях, виготовлених із органічного скла.

НЧ4-

При моделюванні константу гео-

| I

в

Ґ

~Та

метричної подібності прийняли рівною одиниці, тобто розміри моделі і натурного об’єкту співпадають. Це забезпечило відповідність місцевих швидкостей потоків

АІ

А (и, м/с) в східних точках каналів

моделі й натури при рівності кутів, що характеризують направленість таких швидкостей. В якості модельної рідини застосовували воду, кінематична в’язкість якої (V, м2/с), при кімнатній температурі, складає величину (0,8...1,1)-1(Н м2/с, що відповідає в’язкості рідкого металу. Очевидно, в даному випадку подібність інерційних і в’язких сил в рідині (по критерію Рейнольдса,

ЕЕ

А-А

Рисунок 2 — Принципова схема багатомісної а також сил тяжіння (по кри-металевої форми терію Фруда, Рг) може бути оха-

рактеризована єдиним критерієм Галілея, Єа:

де g — прискорення сили тяжіння, м/с2; .

бІгид — гідравлічний діаметр каналу, м.

Заливку моделей здійснювали на спеціальному стенді, який дозволяє встановлювати і підтримувати з достатньою точністю (1...2%) витрати рідини. Розрахункові значення тривалості заливки сферичної порожнини діаметром 40 і 120 мм по формулам різних авторів (Б. В. Рабіновича, Г. М Дубиць-кого, Г. Ф. Баландіна та інших) вказали на інтервал допустимих швидкостей заливки робочих порожнин багатомісних моделей (отіп...итах), в чотиримісній — 2,20...16,0 мм/с, в шістнадцятимісній — 2,50...19,1 мм/с. При дослідженні технологічних особливостей процесу заповнення багатомісних моделей витрати рідини варіювали з метою їх заливки з різною швидкістю, але в розрахованому інтервалі (в шістнадцятимісній — 60тіп... 124мах см3/с,' в чотиримісній— 127ті„...249тах см3/с).

Проведені експерименти показали, що коефіцієнти витрати й опору ливникової системи шістнадцятимісної моделі становлять, відповідно, 0,33 і 8,47. Для

Са = Яе2 ■ Рг =

(1)

абезпечення плавного, тобто одночасного, заповнення всіх робочих порожнин іістнадцятимісної моделі кокілю і мінімізації ступеня втягування в ливникову истему газової фази (повітря) і шлакових частинок, які моделювали кульками іаметром 0,75,1 і 1,5 мм із полістиролу, з густиною 0,3...0,4 г/см3, витрати ріди-и у верхньому перерізі ливникової воронки повинні складати 101 см3/с. Такий ежим заповнення обумовлює швидкість підйому рівня рідини в робочих по-ожнинах діаметром 40 мм, рівну 7,7 мм/с, а швидкість потоку в ливниковому оді 30,4 см/с (Яе = 3650). При цьому час заповнення моделі становить 7,4 с. В езультаті проведеної серії експериментів встановлено, що раціональна масова івидкість заливки чавуну в шістнадцятимісний кокіль складає 0,7...0,75 кг/с.

В конструкції чотиримісного кокілю висота шарового виливка сумірна з исотою стояка. При заповненні такої конструкції рідким металом важливе начення має швидкість підйому його рівня в робочих порожнинах.

Встановлено, що при заповненні моделі ливникової системи такої форми з остійними витратами забезпечується більша швидкість підйому рівня рідини в обочій порожнині, ніж при заповненні моделі з постійним рівнем рідини в стоя-у (тобто із змінними витратами). На рис. З показані залежності швидкості рівня ідинн у верхній частині робочої порожнини (вище площини рознімання кокілю) ід втрати при витіканні рідини із живильника під затоплений рівень.

Проведені експерименти показали, що в чотиримісній моделі кокілю коефіцієнти витрати й опору становлять, відповідно,

0,45 і 3,94, а раціональна витрата рідини у верхньому перерізі ливникової воронки— 249см3/с. При цьому швидкість потоку рідини в ливниковому каналі рівна 49,2 см/с (Яе ~ 10300), що забезпечує тривалість заливки 16,1 с. Таким чином, необхідна масова швидкість заливки рідкого чавуну в чотиримісний кокіль становить 1,65...1,70 кг/с.

При проведенні заводських випробувань форм із горизонтальним розніманням Рисунок 3 — Зміна швидкості рівня встановлено, що заливка кокілів протікає рідини по висоті робочої порожнини без ускладнень. Проте, вузьким місцем в та-1 — заливання з постійними витра- ких конструкціях є вентиляційна система, гами рідини 249 см3/с; 2 — зали- Вентиляційні канали товщиною 0,3...0,5 мм зання з постійним рівнем рідини в періодично забиваються кокільною фар-гтояку (із змінними витратами) §ою> яка наноситься на внутрішню поверх-ао кокілю, і, якщо при заповненні нижньої частини порожнин газова фаза іідводиться через природні зазори, що виникають в площині рознімання

кокілю, то із верхньої їх частини видалення газової фази ускладнене.

Для усунення такого недоліку товщина вентиляційних каналів в кокілі була збільшена до 1,2... 1,5 мм. Крім того, в багатомісному кокілі виконали вентиляційні канали на поверхні рознімання верхньої півформи глибиною 1 ...2 мм. ■

Перевірка працездатності багатомісних кокілів з удосконаленою вентиляційною системою показала, що в ливарних формах, в процесі їх заповнення рідким металом, створюється достатня і стабільна вентиляція. Дефекти у виливках не спостерігаються. Результати експериментальних випробувань багатомісних кокілів з горизонтальною площиною рознімання дозволили розробити на підставі таких ливарних форм новий технологічний процес виготовлення чавунних мелючих куль діаметром 40 і 120 мм.

Третій розділ присвячений аналізу умов теплопередачі в системі сферичний виливок — багатомісний кокіль — навколишнє середовище, розробці математичної моделі процесу затвердіння і охолодження кулі до заданої температури вибивки із кокілю, розрахунку оптимальної тривалості витримки виливків у кокілі, кінетики їх кристалізації і практичній перевірці отриманих результатів з метою ефективного корегування структуроутворенням в литих заготовках, зокрема, для забезпечення необхідної величини вибіленого поверхневого шару.

Розроблені чотиримісна і шістнадцятимісна конструкції металевих форм представляють собою симетричні тіла, тому теплові процеси, які в них протікають, доцільно розглядати в половинках кожного із кокілів (рис. 4, а, б).

Як видно із рисунків, виливки куль знаходяться у різних умовах тепловідво-ду. Необхідна коректна постановка задачі затвердіння виливків куль на підставі диференційованого підходу до умов їх охолодження в кокілі. З цією метою розрахункові області було розділено на невеликі об’єми лініями (К2, ОБ, БЕ, В>ї, \УЬ), які розташовані на рівній відстані від центру куль. При цьому на кожну із утворених вертикальних площин, що відповідають таким лініям та лініям симетрії, наклали умову рівності теплових потоків (теплоізоляції):

(2)

дТ(х,у,г,х) Й II О дТ(х,у,г,х)

дп дп ш

дТ(х,у,г, т) _ дТ(х, у,г, т) _дТ(хуу,г, т)

дп СЮ дп 5Е дп

= 0 (3)

ВИ

де п — нормаль до площини, що розглядається.

При накладених умовах кожен із виділених об’ємів можна розглядати як умовну ливарну форму з одним виливком у середині. Це дало змогу істотно спростити задачу затвердіння, зокрема, перейти до розгляду процесу охолодження кулі в симетричному сферичному кокілі з одним виливком, розміщеним у центрі такої

форми. Коректність такого переходу була забезпечена рівністю об’ємів виділеної частини форми і сферичної теплової її моделі, а також використанням в розрахунках ефективного коефіцієнта тепловіддачі з поверхні останньої.

а)

Рисунок 4 — Половинки багатомісних кокілів а) чотиримісний кокіль; б) шістнадцятимісний кокіль

Математична модель процесу затвердіння кулі прийняла такий вигляд:

дТк{г,х)_,

д2Тк(г,т) | 2 дТк(г,х)

дг . г дг

7] (г, 0) = Тпоч = сопбІ:, 0 < г < гвід;

(ґеід>0)=т„ок.р;

т5(г,0) = тф = СОПБІ, гвід <г<Я\ = *.1,2,3;

дг

(4)

(5)

(6) (7)

де а0 = а охщ — ефективний коефіцієнт тепловіддачі з поверхні сферичної ^сф теплової моделі Бсф\ а — коефіцієнт тепловіддачі з поверхні виділеного об’єму кокілю 50ХШ; Тк(г, т) — температура, як функція радіус-вектора г і часу т; X, рк, с(Тк ) — відповідно теплопровідність, густина і спектральна теплоємність фаз у виливку, що твердне; гдід, Л — радіус виливка кулі й сферичного кокілю; Хф — теплопровідність матеріала кокілю; к— індекс складових теплової системи (1 — рідка фаза, 2 — двофазна зона, З — тверда фаза, 4 — кокільна фарба, 5 — стінка кокілю); Тпоч і Тпокр — відповідно, початкова температура рідкого металу, що заливають у кокіль, і кокільної фарби, Тс — температура навколишнього середовища.

При розробці методики розрахунку теплового процесу, для врахування особливостей затвердіння легованого чавуну в інтервалі температур ліквідус — солідус, спектральна теплоємність була підібрана з умови рівномірного розподілення прихованої теплоти кристалізації в такому інтервалі. Термічний опір газового зазору, який виникає між виливком і формою, було враховано при реалізації розрахунків на ЕОМ у вигляді ефективної величини. Крім того, шар теплоізоляційного покриття було замінено елементарним прошарком з усіма теплофізичними характеристиками вогнетривкої фарби. ,

З метою перевірки результатів математичного моделювання було проведено експерименти. Температуру вимірювали за допомогою ПП—термопар (діаметр проволоки 0,5 мм) незахищеними спаями у центрі шарових виливків. Для моделювання було обрано три типа хромистих чавунів з різним вмістом хрому (І — 0.8%, II — 5%, III — 20%). Якісна картина процесу охолодження кулі діаметром 40 мм представлена на рис. 5.

Для прогнозування структури металу, при відливанні куль діаметром 120 мм із легованого чавуну, розраховували розподіл лінійної швидкості затвердіння вздовж товщини виливка (рис. 6). При цьому варіювали складом (теплопровідністю) кокільної фарби.

Розрахунки показали, що час затвердіння кулі діаметром 40 мм складає 116 с, а кулі діаметром 120 мм — 423 с при середній для більшості кокільних фарб теплопровідності

1500 1400

О

» 1300

я

■»; 1200 <0

£ 1100 С

Jj 1000

900 800

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Час, с

Рисунок 5 — Зміна температури у центрі сферичного виливка діаметром 40 мм о , д, □ — експеримент; о — чавун з вмістом 0,8 % Сг; д — 5 % Сг; а — 20 % Сг; •, ж, в — початок і закінчення затвердіння чавуну

1,291 Вт/(м • °С). При прогнозуванні структури металу межі критичної швид-;ості затвердіння кулі визначали по структурній діаграмі Г. Ф. Баландіна —

і. І. Вейніка для сумарного вмісту в чавуні вуглецю і кремнію (С + Бі — без [оправки). Для низькохромистого чавуну він склав С + ві = 4,15%, а для ча-уна з вмістом хрому 5% — С + Бі = 4,6%. Критична швидкість затвердіння [ля формування вибіленого прошарку у виливках із зазначених чавунів складає, відповідно, 0,15 і 0,35 мм/с.

'25,—■—------------------------------- Практична перевірка зломів литих

виробів підтвердила результати моделювання. Найбільш ефективний режим охолодження чавунної кулі діаметром 120 мм в кокілі досягається при використанні шкільних фарб з коефіцієнтом теплопровідності 0,24...0,38 Вт/(м • °С). При додержанні таких технологічних норм у виливках формується вибілена структура на відстані від поверхні приблизно 0,37 радіуса кулі (20...24мм). В центральній частині литих заготовок із низько-хромистого сплаву, як правило, має місце сгрукіура половинчастого чавуну.

Аналіз отриманих експериментальних даних показав, що похибка розра-ункових величин не перевищує 7%, що свідчить про достовірність запропо-ованої методики розрахунку. При серійному виробництві чавунних куль іаметром 120 мм доцільно використовувати кокільні фарби на основі крей-и і колоїдального графіту.

Отримані інтегральні характеристики процесу затвердіння чавунних ви-ивків дозволили скоротити цикл лиття таких металовиробів і забезпечити аксимальну продуктивність спеціалізованого устаткування.

У четвертому розділі подано результати практичного застосування ком-лексної технології виготовлення мелючих куль в кокілях з горизонтальною лощиною рознімання. Описано розроблену конструкцію кокільного кон-гєра для механізації і автоматизації технології лиття в пульсуючому режимі, •брано магнітодинамічну установку МДН-6Ч для автоматизованого розли-ання легованого хромом чавуну, і на підставі попередньо проведеного дравлічного моделювання заповнення форм, відпрацьовано режими дозу-іння рідкого чавуну в кокілі з горизонтальною площиною рознімання.

0.01 002 0.03 0.04 0.05 0.06

Відстань від центру виливка кулі, м

’исунок 6 — Розподілення швидкості твердіння та радіусу кулі діаметром 120 мм (по ізотермі ;олідусу)

► — теплопровідність кокільної фарби

),32 Вт/(м-°С); ** — 0,18 Вт/(м-°С); *** — ),48 Вт/(м°С)

Математичне опрацювання результатів дозування (по масі виливків і лив-нокової системи в кокілі) показало, що при виготовленні куль діаметром 40 мм при температурі 1320 °С точність дозування рівна 10...11 %, із підвищенням температури чавуну точність дозування підвищується і при температурі металу 1370 °С складає 5...6%. При виготовленні куль діаметром 120 мм при температурі чавуну 1330 °С точність дозування складає 7...8 %, а при температурі 1360 °С — 3...4%.

Дослідження експлуатаційних характеристик литих мелючих куль. Для дослідження мікроструктури, експлуатаційних властивостей мелючих тіл і економічної доцільності застосування того чи іншого матеріалу проведено пошуковий експеримент і відлиті декілька партій мелючих куль з різним вмістом хрому такого хімічного складу: 1) 3,22% С; 1,23% 8і; 0,34% Мп; 0,11% Р; 0,07% Б; 0,81% Сг; 2) 2,52% С; 3,06% Бі; 2,14% Мп;

0,10% Р; 0,13% в; 4,65% Сг; 3) 2,02% С; 3,32% Бі; 2,20% Мп; 0,09% Р;

0,11% Б; 18,48% Сг.

Встановленоі що мікроструктура низькохромистого чавуну перліто-лідебу-ритна. Карбідна фаза представлена легованим цементитом (Ре, Сг)3С. Всі досліджені зразки з вмістом у металі ~5% Сг мають структуру білого чавуну, що складається із лідебуриту і пластинчастого перліту. Середня мікротвердість евтектики складає 763 Н^, перліту—450 Н^, карбідів — 1135 Н^. Мікроструктура високохромистого чавуну складається із аустеніто-карбідної евтектики на базі спеціального карбіду хрому (Сг, Ре)7С3, окремих ділянок троосто-мартен-сита з мікротвердістю 644...750 та дрібних вторинних карбідів.

Залежність ударостійкості мелючих тіл від масового вмісту хрому у чавуні показана на рис. 7. Відносна зносостійкість куль із низькохромисто-го чавуну (як відношення втрат металу у сталевому зразку із сталі марки Ст. 5 до втрат у чавунному) склала 1,25 (НЯС 45); із чавуну з вмістом -5% Сг — 2,15 (НЯС 50); 3) із чавуну з вмістом -20% Сг — 2,42 (НІІС 42). Таким чином, послідовне використання двох партій мелючих тіл із низькохро-мистого чавуну еквівалентне застосуванню однієї партії мелючих тіл із високохромистого чаувуну.

Рисунок 7 —Зміна ударостійкості мелю- Як відомо збільшення вмісту хрому чих тіл від вмісту хрому у чавуні Е чавуні у межах від нуля до 1 % призво-

дить до монотонного зростання твердості й зносостійкості. Але з точки зору динамічної міцності в цьому питанні нема ясності.'

Дослідження ударостійкості мелючих тіл проведене на кулачковому механізованому копрі. Ударостійкість куль діаметром 40 мм визначали по кількості ударів, витриманих тілом до руйнування (маса бойка складала 70 кг).

Встановлені експлуатаційні характеристики мелючих тіл сферичної форми дозволили зробити висновок: при розмелі твердих гірських порід, із великим вмістом твердого кварцу, застосування низьколегованого хромистого чавуну в якості матеріалу мелючих тіл є найбільш ефективним, як у плані забезпечення необхідних властивостей таких металовиробів, так і в плані їхньої економічності.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Запропоновано нові науково-технічні рішення при одержанні якісних литих куль із низьколегованих чавунів з вибілюванням, що відрізняються застосуванням багатомісних кокілів з горизонтальним розніманням, які забезпечують керування гідродинамікою заповнення розплавом і теплофізикою затвердіння виливків.

2. Розроблено технологічну схему виготовлення мелючих тіл, що включає кокільний конвеєр, з чотиримісними і шістнадцятимісними кокілями, і плавильно-заливочні агрегати магнітодинамічного типу.

3. Методами фізичного моделювання встановлені закономірності переміщення металу в каналах ливникової системи й отримані дані про вплив масової швидкості заливання на гідродинаміку заповнення кокілю і видалення із нього газів. Раціональні витрати рідкого чавуну при заповненні шістнадцятимісного кокілю (кулі діаметром 40 мм) склали 0,75 кг/с, а при заливанні чотиримісного кокілю (кулі діаметром 120 мм) — 1,70 кг/с.

4. Вивчено умови теплообміну в системі сферичний виливок — багатомісний кокіль — навколишнє середовище. Розроблено математичну модель і проведено комп'ютерне моделювання процесу затвердіння й охолодження до температури вибивки кулі в сферичній тепловій моделі кокілю. Розрахована кінетика затвердіння виливків, а також оптимальна тривалість їх витримки в багатомісному кокілі. Для кулі діаметром 120 мм розраховано розподіл лінійної швидкості, затвердіння уздовж радіуса виливка. Встановлено, що для одержання при кристалізації чавуну вибіленої структури, теплопровідність кокільного покриття повинна знаходитися в межах 0,24...0,38 Вт/(м-°С).

5. Досліджено процес розчинення ферохрому у ванній магнітодинамічної установки (МДН-6Ч), що застосовується для одержання розплавів спеціального чавуну. Відпрацьовано раціональні режими приготування і дозування легованого хромом чавуну у багатомісні металеві форми з горизонтальним розніманням. При раціональній температурі чавуну 1360 °С точність дозування складає 3...4%.

6. Розроблено конструкцію вертикально-замкнутого кокільного конвеєра, що відрізняється пульсуючим режимом функціонування і є високоуніфікова-ним агрегатом.

7. Отримано кількісні залежності експлуатаційних властивостей мелючих тіл від ступеня легування чавуну в литому стані й обрано раціональний хімічний склад.

8. Дослідно-промислова перевірка процесу виготовлення литих мелючих тіл діаметром 40 і 120 мм здійснена на ОАО “БЛМЗ”. Використання нової технології і спеціалізованого конвеєрного устаткування дозволило забезпечити високу продуктивність, 7200 тон куль діаметром 40 мм на рік, і досягти річного економічного ефекту в розмірі 481536 гр.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дубоделов В. И., Гончар Б. С., Погорский В. К., Ломакин В. Н. Технологические особенности заливки металлических форм при изготовлении отливок мелющих тел из чугуна //Процессы литья. — 1999. — №1. — С. 41-49.

2. Дубоделов В. И., Погорский В. К., Ломакин В. Н. Численное исследование процесса затвердевания и охлаждения чугунных шаровых отливок в металлической многоместной литейной форме с естественным воздушным охлаждением //Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування. — Кіровоград: КІСМ. —1998. — Вип. 4. — С. 195-200.

3. Ломакин В. Н. Литые мелющие тела из легированного чугуна //Збірник науковік праць Кіровоградського державного технічного університету. — Кіровоград: КДТУ. — 1999. — Вип. 5. — С. 195-200.

4. Дубоделов В. И., Погорский В. К., Кропивный В. Н., Ломакин В. Н, Изготовление литых чугунных мелющих тел //Збірник наукових праць Кіровоградського інституту сільськогосподарського машинобудування. — Кіровоград: КІСМ. — 1998. — Вип. 4. — С. 189-195.

5. Ломакін В. М., Якименко С. М. Математичне моделювання процесу затвердіння і охолодження куль в кокілі //Підвищення технічного рівня сільськогосподарського виробництва та машинобудування. —Кіровоград: КІСМ. — 1996, —С. 47-51.

6. Сумцов В. Ф., Миронов В. С., Гетьман В. С., Ломакин В. Н. Автоматизация производства отливок деталей сельскохозяйственных машин //Конструирование и технология производства сельскохозяйственных машин. — К: Техніка. — 1993. — Вып. 23. — С. 89-94.

7. А.с. 1803259 СССР, МКИ B22D 15/04. Машина для отбивки деталей в кокиль с горизонтальным разъемом /В. Ф. Сумцов, И. Н. Москалев, В. Н. Ломакин, Н. 3. Шамилов, В. С. Гетьман, Н. А. Вериго. — №4906336/02; Заявлено 12.12.90; Опубл. 23.03.93, Бюл. №11.

8. Пат. 22830 А України, МПК B22D 15/04. Кокільний конвеєр /М. А. Будагянц, В. М. Ломахін, В. П. Сумцов. — №96051984; Заявл. 21.05.96; Опубл. 21.04.98.

АННОТАЦИЯ

Ломакин В. Н. Комплексная технология изготовления литых мелющих тел из чугуна. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.04 — литейное производство. — Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев, 2000.

Диссертационная работа посвящена разработке и исследованию комплексной технологии и специализированного оборудования для производства литых мелющих тел сферической формы из специального чугуна. Рассмотрено современное состояние исследований и технологических разработок в области получения мелющих тел. Разработаны конструкции многоместных кокилей для литья чугунных шаров диаметром 40 и 120 мм и изучены процессы приготовления и разливки легированных хромом чугунов в такие формы. При этом по сравнению с известными разработками созданные конструкции отличаются горизонтальным разъемом и боковой литниковой системой.

Методами гидравлического моделирования изучены гидродинамические и газодинамические процессы при заливке форм для получения сферических отливок мелющих тел литьем в кокиль. Определены геометрические характеристики литниковых систем и технологические параметры заливки форм, обеспечивающие плавное поступление металла в кокиль и эффективный отвод из него газовой фазы. При рекомендуемых значениях массовой скорости заливки жидкого чугуна, равных 0,7...0,75 кг/с для шестнадцатиместной металлической формы, с полостями диаметром 40 мм, и 1,65...1,70 кг/с для четырехместной формы, с полостями диаметром 120 мм, проведено промышленное опробование многоместных кокилей. Показаны технологические и эксплуатационные преимущества металлических форм с горизонтальным разъемом.

Процессы растворения тугоплавких присадок феррохрома при получении расплавов легированного чугуна и дозирования последнего в ко-кили с горизонтальным разъемом исследованы на промышленной установке магнитодинамического типа МДН-6Ч. Установлено, что максимальная производительность магнитодинамической установки достигается при температуре металла-растворителя (чугуна) 1380... 1420 °С и скорости его подачи относительно присадок феррохрома 0,35...0,45 м/с. Рациональная температура дозирования легированного чугуна в многоместный кокиль составляет 1360 °С.

В работе изучено тепловое состояние металлической формы. Экспериментально определена продолжительность охлаждения мелющих тел до температуры их выбивки из кокиля. Проведено математическое моде-

лирование процесса затвердевания и охлаждения отливки шара в сферической форме — тепловой модели кокиля. При разработке методики расчета спектральная теплоемкость подобрана из условия равномерного распределения скрытой теплоты кристаллизации в интервале температур ликвидус — солидус. Учитывается теплопередача через слой теплоизоляционной краски, который заменен элементарной прослойкой. Рассчитана кинетика затвердевания и оптимальная продолжительность выдержки мелющих тел различных типоразмеров в кокиле. Структура мелющих тел спрогнозирована на основании эффективных параметров затвердевания. Для получения поверхностного отбеленного слоя в массивных отливках мелющих тел диаметром 120 мм на величину 0,35...0,40 радиуса шара целесообразно применение кокильных покрытий с теплопроводностью 0,24...0,38 Вт/(м-°С). Разработанная методика расчета позволяет рассчитывать тепловые процессы в кокилях предложенной конструкции с погрешностью ±7%. .

Приведены результаты практического применения разработанных технологии и специализированного кокильного оборудования. Исследованы эксплуатационные характеристики и микроструктура мелющих тел из легированных чугунов с различным содержанием хрома. Установлена экономическая целесообразность применения в качестве материала мелющих тел низкохромистого чугуна.

Ключевые слова: мелющий шар, кокиль, модель, хромистый чугун, кокильный конвейер, МГД-установка, технология, твердость, износостойкость, ударостойкость.

АНОТАЦІЯ

Ломакін В. М. Комплексна технологія виготовлення литих мелючих тіл з чавуну. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.16.04 — ливарне виробництво. — Фізико-техно-логічний інститут металів та сплавів НАН України, Київ, 2000.

Дисертаційна робота'присвячена розробці і дослідженню комплексної технології виготовлення якісних литих мелючих тіл з спеціального чавуну. Розроблено конструкції багатомісних кокілів з горизонтальною площиною рознімання для відливки чавунних куль діаметром 40 і 120 мм. На промисловій установці магнітодинамічного типу МДН-6Ч досліджено процеси приготування і порціонного розливання розплавів легованого хромом чавуну в кокілі.

У роботі подано результати фізичного моделювання процесу заливки

рідкого чавуну у багатомісні кокілі і математичного моделювання теплофізики затвердіння сферичних виливків в металевій формі. Значна частина експериментальних даних узагальнена і подана у вигляді графіків, зручних для використання в інженерній практиці. Встановлено економічну доцільність застосування в якості матеріалу мелючих тіл чавуну з вмістом хрому 0,8...1%.

Ключові слова: мелюче тіло, кокіль, модель, хромистий чавун, кокільний конвеєр, МГД-установка, технологія, твердість, зносостійкість, ударостійкість.

SUMMARY

Lomakin V. М. Integrated technology of production of mould cast-iron grinding bodies. — Typescript.

The thesis for scientific degree of candidate of science is submitted on the speciality 05.16.04 — foundry industry. — Physical and Technological Institute of Metals and Alloys of the Ukrainian Academy of Sciences, Kiev, 2000.

The thesis deals with the elaboration and exploration of integrated technology of production of quality mould grinding bodies from special cast iron. It has been elaborated the construction of multiplace metal moulds with horizontal splite plaine for casting of iron balls by 40 and 120 mm diameter. The process of preparation and portional casting of alloyed by chrome melts af cast iron to metal moulds has been explorated on magnetohydrodynamic industrial plant MDN-6CH.

The thesis contains the results of physical simulation of casting process of liquid cast iron into multiplace metal moulds and mathematical simulation of thermal physics setting of spherical grinding bodies in such moulds. The main part of experimental datum has been generalized and given in the view Df graphics, adapted for using in an engeneering practise. The economical profit of using the cast iron with the contents of chrome from 0,8 to 1,0 % of grinding bodies production, as a raw material, has been established.

Key words: grinding body, metal mould, model, chromous cast iron, netal mould conveyer, magnetohydrodynamic plant, technology, hardness, ivearproofness, shockproofness.