автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Теория и технология литья в замороженные формы

РГ6 од

п П ргг,

г- УРАЛЬСКИЙ"ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - УШ1

На праваг рукописи ГРУЗМАН ВЯЧЕСЛАВ МОИСЕЕВИЧ

ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЛИТЬЯ В ЗАМОРОЖЕННЫЕ ФОРМЫ

Специальность 05.16.04 - Лдтейпое производство

Автореф&рат

дисертацли на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург 1993

Диссертационная работа выполнена в Нижнетагильском филиале Уральского государственного технического университета, г. Нихний . Тагил.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Б. С. Чуркин;

- доктор технических наук, профессор И. К Матвиенко;

- доктор технических наук, профессор 3. Я Иткис.

Ведущее предприятие - Верхне-Салдинский чугунолитейный завод (АО "Руслич").

Защита состоится (Л" октября 1993 г. в часов на заседании специализированного Совета Д 063.14.01. по защите диссертаций на соискание Ученой степени доктора технических наук при Уральском государственном техническом университете - УПИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ.

Ваш отзыв и замечания, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направить но адресу: 620002, Г- Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19.УГТУ-У1Ш, ученому секретарю совета института.

Автореферат разослан /1 [Щ Ч ^1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук* профессор

а С. Щумаков

ОЕЕАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аетх§льнооть_проблюии. Одной из главных проблей литейного производства является экологическая проблема. Литейное производство - активный постовеих самих разнообразных вредностей. > Прячем за последние десятилетия в связи с интенсификацией производства и химизацией процессов формообразования поставка вредностей приняли угрсжапзио разырры.

Тягелые условия труда являются источником к многих других проблем литеЗного производства, в частности, особо ваашой проблемы падения кзага^кашш рабочих литейных цехов, что, в свою очередь,часто сводит на нот усилия по улавливанию пили а газа, по внедрению слохних управляю©« и исполнительны;: устройств.

Отот порочней круг ыозшо преодолеть только за счет совершенствования и создания процессов формообразования, которые выделяли Си минимальное количество вредностей на всех.технологических этапах.

В настоящее время (и на обозр*se будущее) большая часть отливок производится в сырых песчано-глшшстых формах. Основным недостаткеи этих форм является их низкая прочность и жесткость, что приводит к необходимости увеличения толщины стенок форда и определяет повышенную дефектность отливок.

Повшгенная тслэдгаа стенок форла приводи? тазигэ х увеличению з технологическом обороте литейных цехов пылевыделяидах изтери-алов.

Наибольшее количество вредностей' выделяется в формовоч-но-залиэочных и териообрубных отделениях литейных цехов. При использовании сирых пэсчошх форм они достаточно велики.

Низкая прочность сырой песчгно-глинистой снеси не позволяет кзготавлмзать из нее стержни,и в сырах формах используют стера-ни на специальных связ-упхих, что прнзодит к зягазеванноегд атмосферы ц&ха.

Повышенная дефектность отлиггак, полученных а сырых формах, обуславливает рост трудоемкости очистных работ и ухудзает условия труда в термообрубшх-отделениях.

До последнего времени в качестве целевых функций при разработке и оптимизации процессов формообразования принимали их технико-вконсмкческие параметры. Характеристики условий труда з лучшем случае относили к числу ограничений. В настоящей диссертационной работе в качестве целевой функции взяты условия тру-

3

да, в техняхо-вксиоыические показатели отнесены к ограничен ям. В такой постановке проблемы наиболее перспективным объе тем исследования является литье в замороженные формы, очевидн особенность» которого является возможность использовать в к честве основного связующего—лед, при этой обеспечивается только экологическая чистота производства, но и повыше»: долговечности и снижение расхода песка.

Цель работы. Создание (экологически чистой и ресурсосбере! кцей технологии путей разработки процесса получения отливо1 песчаных формах, основной связующим которых является лед.

Следует отметить, что эпизодические замораживш традиционных сырых песчано-глинистых форм с большим содержат традиционных связущих производились и до настоящей рабо-Надеялись, что замораживание песчаных форм ускорит затверде! шее отливок и повысит их прочностные свойства, но до настоя: работы не изготовляли литейные формы из материала, основ: связувдим которого является лед.

Новое направление предопределило новые задачи для доот; явная цели:

- необходимо изучить свойства нового материала для литейн форм в широком диапазоне температур: от отрицательных положительных;

- изучить поведение нового материала при изготовлении форм;

- изучить поведение форм из втого материала при заливке расплавом;

- изучать свойства отливок, полученных в таких фордах;

- разработать технологию высокопроизводительного получен бездефектных отливок в новых замороженных формах.

Результатом решения втих задач явилось создание теории технологии получения отливок в завороженных формах, основ>: связуифг-1 которых является лед.

Научная новизна работы определяется совокупностью мето; исследования и сведения о комплексе свойств нового матери; для литейных форм • в широко« диапазоне тештерат; закономерностях взаимодействия замороженных форм без трада онных связующа о модель», округаадей средой и расплав« новой методами раочета основных технологических еломентов параметров.

Разработаны новые иетода определения реологических, деформационных и теплофюических свойств, .. обусловленных особенностями замороженной Форш.

Определен комплекс механических, теплоСвзачеегаи я Сильтрационних свойств замороженных форм, . поэволяхцих иденти<2ицировать процоссы, протекающие на всех этапах получения отливок в замороженных формах.

Сформулирована реологическая модель замороженных форм.

Изучены и обобщены основные закономерности замораживания песчаных 4ош.

Сформулирована математическая модель теплового

взаимодействия модельной оснастга со стенкой звморогкваемоЛ формы.

Изучен процесс образования инея на поверхности модели и его влияния на силы сцепления меаду моделью и фориоЯ.

Показана екслериментально и аналитически невозможность ускорения затвердевания отливки в • замороженных формах. Сформулирована модель двухстадийного затвердевания огхласл в замороженной форме.

Определены условия резруаекия поверхности формы потоком расплава. Выведены зависимости для- определения неразмывакцей скорости и времена "жизни" контактнс-й твердой корка металла.

Определены условия разрушения поверхность __ формы теплоизлучение« расплава. Выведены зависимоета для определения сопротивляемости замороженной формы теплозому излучен1""».

Впервые при расчете лкткиковыг систем учтены ..рсцсссы, связазшые с разрушениеы поверхности формы, и в расчетные формулы введены показатели механически свойств формовочной смеси.

Практическая значимость работы и реализация результатов в промышленности. Разработаны-технолоютеские процессы'изготовле-ния отливок в замороженных формах, обеслечившцие юзпакзвця» вредных выделешй по ходу изготовления отливки. На основания теоретических и вксперментвлькых нселедЪванкЗ разработаны составы формовочных смесей, технологические приемы, конструкции литниковых систем, обеспечивайте снижение дефектности фори и отливок, внедрегоше в производство на предприятиях Шшоборон-прома, Кинсельхозыаша, Ыинхзаыагз, ЬЬштязмоза а за рубегш.

5

Впервые создан и оден в експлуатацию производственный учаоток крупносерийного изготовления отливок в замороженных формах.

Результаты научных исследования работы г.спользованы как в практике литейного производства СССР, так и за рубежом.

• Ряд авторских свидетельств на изобретения, получетых в ходе работы, переданы на лицензионной основе за границу.

Экономический аффект от продажа етих лицензия составил не иенее 1 илн. рублей по курсу рубля 1985 года.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на семинарах, конференциях и совещаниях, в том числе: не ХП совещании по теории литейных процессов в АН СССР (г.Ыосква,1966), на ХХП Всесоюзной конференции литейздков (г.Свердловск,1967), на ХШ совещании по теории литейных процессов в АН СССР (г.Москва, 1969), не П Всесоюзной межвузовской научной конференции "Прогрессивные метода изготовления литейных форы" (г.Челябинск, 1973), на совещании АН СССР по проблеме "Развитие методов в процессов образования литейных фора" (г.Москва, 1975), на ХХХП Всеоошной научно-технической конференции литейзкков "Повышение технического уровня литейного производства мзЕнностроительнкх предприятий Сибири и Дальнего Востока" (г.Улан-Удэ, 1932), на международной конференции литейщиков в ЧССР (г.Острава, 1937), на сороковом международной конгрессе лнтейаржов в Гермакта <г.Срейбург), а такте на региональных, областных, институтских совещаниях, конференциях, семинарах.

Публикации. По результатам исследований и разработок опубликовано более 80 статей. Получено 41 авторе,:ое свидетельство СССР.

основное содержали; рабозы

История проблемы замороженных форы

В втой главе изложен анализ информации о замороженных формах, которой располагали к началу работы над созданием экологически члстого литейного процесса. Показано, что большинство исследований замороженных форы к этому моменту было связано с надеждой улучшения механических свойств отливок за счет охлаждения песчаных форы до отрицательных теизератур. Некоторое по-вшенае уровня механических свойств отливок получено при литье

б

в заиорс*0!Ш1.'8 формы и оказалось случайным поело прсверки приведенных в ранних работах данных современный» мотодаии математической статистики. Полученные параллольно значения физико-механических свойств фогыовочных смесей при отрицательных теюто-ратурах показали значимое уволичешм прочности на схатио и газопроницаемость. Не исследовано влияние на них состава сиоси о минимальный содержанием глины. Совершенно отсутствуют теоретические исследования, напрзвлешшо на изучение скорости заморпхя-вчнич форм, особешгостеЯ их взаимодействия с модольно-оиочноЯ оснасткой, окруааюцеЯ средой и расплавом. Ряд исследований посвящен изучению свойств песков, замороженных при транспортировке и хранении в зимнее время. Показано, что традиционно смеси, изготовленные из таких песков, по свойствам практически не отличаются от смесей, изготовленных из "летних" песков. Однако данные о дефектности заморохеннмх форм и отливок, полученных в них, отсутствуют.

В настоящее время, в связи с растуним объемом производства песчаных форы и широгаш применением химических продуктов, первостепенное значение приобретают вопросы условий труда. Анализ априорной информации о заморохешшх формах потсазал возможность использования их для улучзеппл условий труда в литейных цехах. Однако для реализации отоЯ возможности с учетом современных тохкико-еконоиических требования необходимо комплексное, тесрв-тическое и экспериментальное изучение закснсморностеЯ литья з замороженные форм;«-.

СвоЯстаа замороженных песчаных форм

Замороженная форма является разновидностью вламшх (т.а. сирых) посчаних форд. Это обуславливается не столько присутствием а составе материала форш вода о виде льда, сколько том обстоятельством, что в системе расплав-заморешенная форма качество отливки во- многом определяется, как и з сырой песчаной фср<о, процессами, главным участником которых- является вода в гадком и газообразном состояниях. 3 дальнейшем влажную песчаную форму при положительных температурах, т.о. необработанную холодом, будем называть сирой. Свойствам сыроЯ формы в работе уделяется значительное внимание, ибо свойства замороженных и сиры.'. £срм взаимосвязаны, а также потому, что преимущест-

ва и недостатки новой технологам выявляются при сопоставлении свойств замороженных в сирых фори.

Для изучения реологических свойств материала, замороженных фори била разработана методика и создай прибор , позволяпций исследовать образцы влаззюй песчаной смеси в самом аироксы диапазоне температур ( от положительных до отрицательных) и прочности. Основной особенностью новой методики являлось то, что в качестве испытуемого образца использовала круглую пластинку уплотненной формовочной смеси, жестко защемленную в металлическом кольце. Ото позволило исследовать деформацию самых малопрочных образцов. Сравнительно большой диаметр пластин обеспечил возможность получения более четкой зависимости между деформациями, нагрузками и продох,кительностыо нагру*ения.

Установлено, что при (Фиксированной нагрузке деформация влажной песчаной формы не стабилизируется, а продолжает изменяться во времени, т.е. было обнаружено явление ползучести у формовочных материалов. Деформация ползучести (вязко-пластического течения) имеет место у уплотненных формовочных смесей, содержащих воду, как при положительных, так и отрицательных температурах, ухе при самых ничтожных нагрузках. Так, например, даге у наиболее прочных замороженных форд, ползучесть наблюдается уже при напряжениях,больших О,1б7»10*Па. При малых нагрузках установленное явление носит ззтухащий характер, хотя и продолжается десятки часоз. С увеличением нагрузки продолжительность процесса увеличивается, о затем происходит незатухающее нарастание деформации и образец разруиается. При атом разрушение образца происходит при разных постоянных нагрузках, соотвэтствешю меняется время от начала нагрур;е)тя до появления первых трещин. Чем больше разрупаадая нагрузка, тем меньше время. Наряду с деформацией ползуче ста влаазшя песчаная форма проявляет и упругие деформации при растягивающих напряжениях. На основания этого построена реологическая модель песчаной формы. Определены величины различных видов деформаций и соотношения их при розных уровнях нагрузки и продолжительности нагружения. Она представляет собой комбинацию тела Гука, Кельвина, Вшгома.

Исследование реологической модели показало, что в условиях практического нагружения замороженных форм вязкопластические деформации не успевают сколько-нибудь существенно развиться и

8

далеки от продельных значений. Наибольшей практический интерес в сиропом диапазоне температур представляют характеристика упругой деформации, так как обично разрушение этих форм происходит при действии кратковременных нагрузок.

Оприделопы значения модуля упругой деформации в зависимости от iuihkhooth, температуря! и состава песчаной формы. Эти значения кгиоблются в си роком интервале и при отрицательных температурах но один два порядка превышают значения при пологи-телмшх температурах.

Прочность не разрыв сирой сыоеп определялась по суцествон-но трансформирснанним методикам о принятыми в них скоростями нагрукения. При исследовании прочности одновременно замерялась доформация от начала лагрухения до разрупения. Установлено, что продельная деформация сырых форм составляет сотые доли миллиметра. Значения прочности на разрыв колеблются от 0,001$ ЫПэ у cupuz до 2 МП а у заморогсетшг cuece Я. Конкретные значения прочности зависят от влаэиости состава и температуры.

В настоящей работе определены гепло£«зические константы при нормальных положитеяышх. и отрицательных температурах ио-тодазд* регулярного теплового ре%мма, а такке аффективные тел-до^изические константы - скорректированным методом звлибкя . влгалых и ззvopoxemniz форы и при использовании оригинального метода теплового облучения.

Последним методом установлены не только коэфЗицвент пкку-vyrjay.Pi фории в период ее заполнения, но и степени чернота поверхности песчаных форл в условиях фазового перехода воды.

Для определения теплофяэячееккх: констант в условиях теплового облучения была создана специальная установка, в основу которой положено применение ламп инфракрасного язл/ченнл мощностью 1000 Вт каздая, установленных в плоскости на панели с отражателем. Они создают практически мгновенно равномерный тепловой поток, близкий по плотности тепловому излучений расплавленной стали (23 Вт/cu2). Основная идея метода определения степени черноты влажной форш заключается в том, что при равенстве тепловых потоков и постоянстве составов материалов двух образцов температуря; облучаемых поверзхностой в соответствующие <одинаковые> моменты времени будут пропорциональны степеням черноты этих поверхностей. Разделив поверхность облу-

9

чаемого образца на две половики и закоптив тонким слоем сажи одну половину, можно принять степень черноты ее равной 1.Отсюда степень черноты необработанной чооти и соответственно влажной пеочаной формы да!шого состава (с^) будет равна

Т"(0,т) - т

с -----2_ (1)

ф т'(О.г) - 10

где Т'(О.г) - температура закопченой чаоти поверхности образца в момент времени *2Г ; ТИ(0,Т) - температура необработанной части поверхности образца в момент времени Т: Т0 - начальная температура образца.

Определен степени черноты сырых и замороженных форм на свежих материалах. Значения их колеблются от 0,65 до 0,70. Оборотная формовочная смесь имеет степень черноты.равную 0,82.

Существенно снижают степень черноты поверхности форы, из-готовлезашх из оборотных смесей, покрытая на основе марпаллита, циркона, дистен-скллиышшта (до 0,56-0,65), но наиболее эффективным пок-рытием, снихащим степень черноты формы, является еладшиевая фольга (степень черноты поверхности Формы, покрытой алюминиевой фольгой,равна 0,12). Есть покрытия, увеличивашие степень черноты до 0,83-0,92. Это упрочняющие поверхность формы растворы жидкого свекла, патоки. Применение графитовой краски обеспечивает степень черноты поверхности, разную 0,97. Значение степени черноты поверхности позволило определить в ко&ф?ициент аккумуляции тепла влагиой песчаной формы при тепловом облучении. Он оказался несколько выше, чем полученный методом заливки, что вероятно связано о разными направлениями движения водяного пара.

В результате исследования газопроггкцаемости замороженных форм установлено, что дри переходе через 0°С наблюдается резкое паденяо газопроницаемости, однако, она никогда не опускается ниже исходной (при +15+20°С), если влажность смеси меньше 9?. Для диапазона практических значений влазззости заморожейшх форм (4-656) газопроницаемость их на 30-50? выше, чем у сырых при

температурах (-10°050°С).

Уплотнение смеси

Для уплотнения смеси на предварительно охлажденной до отри-ательной температуры модели пригодны не все метода уплотнения, анесение смеси на охлажденную модель должно быть предельно ыстрым, в противном случае смесь, контактирующая о моделью, амерзает до приложения уплотняицей нагрузки, и поверхность юрмы получается рыхлой. Этому условию хороио удовлетворяет [ескосурелышй метод уплотнения.

Практика использования пескострелышх машин показала, что юл учение на них плотности выше 1450 кг/м3 крайне звтруднитель-ю. При налсжении вибрации за 2 секунды максимальная плотность

юстигает 1550 кг/м3. Доуплотнение подпрессовкой после настрела три небольших усилиях прессования (300-500 кПа) существенного увеличения плотности и прочности не показало.

С^овое_вз^о5еЯствие_^о^и_с_мо5ель»

Наиболее распространенным и опасным вследствие силового воздействия является разрушение £ор.ш при! разделении се с моделью, наиболее часто вырзкавдееся в подрыве ее выступащкх частей. 3 основе такой дефектности замороженных форм в сыром состоянии лежит ее крайне низкая прочность на разрыв (Ср > . Склонность к подрыву определяется соотнокешем удельной прочности сцепления формы с моделью (С„) и Критические значения отого ооот-

Б р

ношения (коэффициент подрыва К ) завися? от конфигурации модели. Для цилиндрических выступапдих частей отношение

' «л < Ж > <2>

где К - радиус выступающей части; Н - высота выступающей чести.

Ввиду возникновения упругих деформаций при уплотнении формовочной смеси на модели, как показали исследования, од'висту-па кщиг частей на порядок вше 08 плоских частей форды. Абсолютные значения первых зависят от способа уплотнения и соотношения глины и вода в смеси и колеблются от 3 до 40 кПа, абсолютные же значения вторых колеблются от 0,4 до 0,8 кПа. Влияние

глины и воды на о„ выступаицих частей аналогично их влиянию ни а

модуль упругой деформации. Таким образ«!, чем меньше модуль уп-

11

ругости формы, тем иеныве и 0„. При охлаждении замороженнс

О

формы непосредственно на модели упругие деформации не игра* большого значения в формировании уровня ff0 . Здесь определяйте

О

значение для величины 0„ имеют адгезионные силы. Проблема ад гезии замороженной формы, к модели одна из главных на пути практической реализации метода литья в замороженные формы Исследованиями установлено, что удельная сила сцепления заморо женной формы с моделью зависит от способа нанесения влажно смеси на модель. Если смесь наносится на предварительно охлажденную модель до отрицательных температур, то а на два порядк меньше 0fl замороженной смеси, нанесенной на модель с положи тельной температурой, а затем охлажденной на модели до отрицв -тельных температур. Это объясняется тем, что процесс смачивали: в первом случае происходит в нензотердгеескях условиях и на него накладывается процесс кристаллизации воды, который препятствует растеканию ее на поверхности. Когда контактная температура смеои и модели становится равной температуре затвердевания вода;косинус угла омачивания становится отрицательным. Этс происходит при температуре модели -8,9°С (264,1 К). С дальнейшим понижением температуры модели косинус краевого угла уменьшается пропорционально понижению температуры вплоть до -50°С (223 К). Охлаждение модели (подложки) ниже -50°С не изменяет краевого угла ввиду того, что скорость кристаллизации воды после - 50°С заведомо превышает скорость растекания.

Установлено, что при нанесении смеси ва предварительно охлааденную модель коэффициент прилипаемости меньше, чем у смеси, нанесенной на подогретую модель (0,03 против 0,06). Однако реализации втого эффекта в практике литейного производства мешает конденсация паров вода на поверхности модели, как из окружающей среды, так и из пор формовочной смеси.

Исследование кинетики осаждения конденсата в зависимости от температуры модели и влажности окружающего воздуха показало, что критическое количество конденсата ва поверхности модели составляет 0,8 г/см3. При достижении этого предела резко увеличивается сила сцепления замороженной формы с моделью. Время накопления 0,8 г/см2 конденсата зависит от температуры предварительного охлаждения модели и влажности окружающего воздуха и колеблется в пределах 1-3 минут. Наиболее опасным поставщиком

12

конденсата является воздух, заполняпдий пори формовочной сиеси и содеркащгй насшдетшй водяной пар. Микрофотографирование поверхности подели показало, что конденсат из округахщеЯ сроды представляет собой отдельные разбросанные по поверхности кристаллы льда, в то время, как после соприкосновения о влазагоЯ фор?юЯ конденсат на поверхности модели представляет с обей плотные сплошше конгломераты кристаллов. При повторном соприкосновении с формой происходит допол1штельная поставка конденсата и уг;е через 2-3 съема поверхность ыодоли покрывается сплошным слоем льда. Сила сцепления зоморогенноЯ фор-и с модель» превышает 1,0 !.Ша. . Поэтому конденсат необходимо удалять.

Исследование форм и размеров кристаллов конденсата, сил сцепления льда с алюминиевой подложкой позволили,рассчитать значение требуемоЯ для удаления инея скорости потока. Она тем больше, чем меньше плотность вещества потока. Поэтому для воздуха требуемая скорость составляет 25 см, что практичесга неприемлемо. Наиболее подходяпщы веществом для удаления инея являются саизенные газы, например, для едкого азота необходимая скорость потока составляет 2,2 м/с.

1§ЦЛ9§?§_§2аиуодейетвие_з^

Предварительное охлаждение модели ниже 0°С не только сникает прилипаемость, но и обуславливает звморакивание формы за счет теплового взаимодействия с модель». В данном случае ско-скорость формообразования будет определяться скоростью продвижения нулевой изотермы вглубь стенка форлн.

Анализ реальных условий заыоракгоання' формы со стороны модели показал, что вполне корректны дспуазгая, приятие при обобщенной постановке задачи Стефана, для которой восиогио • аналитическое решение, согласно которому тогд-ша зяморомнного » слоя (|3 ) изменяется во времени ( г ) по закону хпадратлего корня

= (3)

Для расчета 3, , после некоторых дспулекй п преобразований, получим:

МТо" V г / ьа(тф- V ,

Р. =——-{ /1+-=--1} (4)

1 /Г р «Р} I * Ьа (Т0-Тф)3 ■ 50 -I '

где Ь(и Ьд - коэффициенты теплоаккумуляции замороженного и талого слоя;

,а> - температуропроводность замороженного слоя;

р - плотность материала формы;

и - влажность смеси;

Гф - удельная теплота фазового превращения;

Тд - температура охлаждаемой поверхности формы;

Тф = 0°С;

Т0 - начальная температура формы.

Сравнивая вкспериментальные и расчетные^по формуле (Доданные о кинетике замораживания стенки формы со стороны модели, можно констатировать удовлетворительную . точность формулы (4). Ее можно использовать для оценки скорости одностороннего замораживания. Такая оценка показывает, что в пределах практически целесообразных значений влажности смеси скорость промерзания примерно одинакова. За счет снижения температуры можно ускорить промерзание. Однако даже при очень глубоком охлаждении (-150°С) время замораживания для практически необходимых толщин будет составлять десятки минут. Ускорить замораживание можно при двухстороннем- охлаждении стенки формы (со стороны модели и противоположной одновременно). Формула (4) для исследования' двухстороннего замораживания не пригодна. В результате постановки более общей задачи получаем систему уравнений, решение которой осуществляли в конечно-разностном приближении. Анализ расчетных данных показал, что для аппроксимации кинетических зависимостей можно применять степенную, функцию.

Ьз-а^а^' +аа (фа4а3 (5)

где Ь3 - относительное время прохождения заданной координаты; - толщина замороженного слоя;

ао,а!,а2'аэ~ коефХициенты, зависящие от температуры замораживания (Т) в влажности смеси («).

14

Машинные эксперименты были спланированы по матрице-2 . Кроме того, были выполнены расчеты в' центральной и в четырех внутренних точках плана.

В результате машинного эксперимента были получены уравнения, связывающие кинетические коэффициенты о влажностью и температурой замораживания для плоской стенки и для стержней. Для плоской формы

» - 13,48 + 21.38 х,+ 2,66 хд ; (6)

аа = 190,3 + 41,7 х,- 19,05 ; (7)

а3 = -116,2 - 31,2 х,+ 16,7 ха+ 4.8 х^; (8)

х4 = 3,238 + 0,259 Тп + 0,0035 Т* ; (9)

Т_ + 30

= -V" ' • (10)

' ха - ^ . (11)

Для цилиндрического стержня

Ь, = 1,028 + 15,67 1 - 2,33 г.а- 3,49 5,ха ; (12)

Ь, = 94,73 + 11.06 х, + 2,01 х + 8,08 х.х, - (13)

в < 3 12'

Ь3 = - 63,66 + 11,36 хг 3,98 х1ха ; (14)

? - _1 пег - _2,3027 • ,1(-ч

х! - «оэо - . (15)

Взаимодействие расплава о замороженной фоткой. В этот период моз<но выделить слодухщие процессы, в конечном счете определяющие качество отливки:

- процессы теплового взаимодействия отливки и формы, определяющие кинетику затвердевания отливки и прогрев стеша формы;

- процессы силового взаимодействия формы с залитым в нее расплавом;

- |Зрозио*яоа. воздействие расплава на поверхность Сорим;

- воздействие теплового излучения расплава на стенки Форш.

За твордовате_от;^га_5_з аморохенн ой _форы о. Сухой слоя о толщиной,достаточной, чтобы определить скорость теплоотвода стенку влаетой песчаной форма,образуется но сразу. Имеет мес1 начальный период, отличапцийея, в частности, тем, что продую испарения вода не фильтруются через стенку формы в атмосферу, удаляются в ее полость. В.втот период кинетика затвердеват описывается выражением

2 ЪФ (Тк - V ^ , (1б)

0 ^^КрРс

где 50 ~ толщина затвердевшего слоя отливки;

г - время;

Ъф - коэффициент тепловой аккумуляции формы;

Тк - контактная температура;

Т0 - начальная температура форкы;

О^р - количество тепла;

- плотность завещавшего сплава.

2Ьж (Т„ - Т ) и.» *-^ (17)

- константа затвердевания в начальный период.

В период, когда скорость затвердевания определяется суз слоем формы^константа затвердевания

а.

V - Тисп> / 2°, ( и (У1)Ти_ \ где Ь - ковфЦициент тепловой аккумуляции сухого слоя:

А '

п3 - показатель степени температурной кривой в су слое;

Т__ - температура кристаллизации сплава;

кр

. и - влажность переувлажненного слоя формы; ги - теплота парообразования.

16

Подстановка соответствуй^ данных в формулы (17) и (10) показало, что для замороженной формы. п^ = 0,176 см/о1''3, в

па в 0,146 си/с,/3.

Исследование полученных аналитических зависимостей и експе-рименты показали, что увеличение скорости затвордова;гая в замороженной формо по сравнению с сыро" может быть только в начальный период. Во второй период замедление роста сухого слоя у за-цорожегаюй формы по сравнении с сырыми не существенно. Кроме того, термическое сопротивление сухого слоя определяется но только его толтаной, но и теплопроводностью, которая увеличивается с ростом содержания глины. Как правило, сырие формы изготавливаются о 8-16% глины, а замороженные - с 0,5-4)6. Теплопроводность при втом может увеличиваться в 1,5 раза, т.е. вполне возмогло даже некоторое уменьшение скорости затвердевания отливки в замороженной форме. Если учесть, что начальный период крзтковременен (не более 2 с) практически условия затвердевания в замороженных формах аиалолгшн условиям затвердевания в сырых формах. Это подтверждается акспери-ментами, показавшими, что измельчение зерна в поверхностном слое отливки,вызванное ускорением "этого затвердеваяг.я п начале процесса, не обнаруживается после пата ого затвердевания отливки.

Сопротивление. формы_металлостзтическому напору

Еысокая удельная прочность замороженных форм предопределяет возможность широкого использования их в безолочном варианте о тонкими стенками.

Успех втого направления связан с необходимостью определения минимально допустимой толщины формы, способной выдержать без разрушения мзталлоствтпческое давление.

В начальный «оиент~пссле заливки по всей толгзше форма оказывает сопротивление металлостатическсму давлению. Затеи по мере прюгреза формы до определенной температур« прюнеходкт потеря прочности на глубине, соответствущеЯ продвижению критической температура в стекке форма. Для замороженной формы критической температурой является 0°С. Исследования температурных полей за-ггорожекных ферм в период затвердевания отливки показало, что толщина стенки, потеряваей прочность^равна

17

«а « 0,35 /Г. (19)

Продвижение нулевой изотермы представляет опасность только на время отвода теплоты перегрева. После начала кристаллизации расплава образовавшаяся корка металла, благодаря своей повышенной Хфочности,в любой момент времени будет компенсировать потери прочности стенкой формы, хотя скорость продвижения нулевой изотермы больше, чем скорость нарастания твердой корки расплава. Однако расплав всегда заливается с определенным перегревом, и пока отводится вта теплота, стенка формы без какой-либо _ компенсации воспринимает давление жидкого металла. Толщину стенки формы, находящейся под напором жидкого металла и при втом неразрушающуюся, рассчитывали как тонкую защемленную по краям плиту, находящуюся под гидростатической нагрузкой. В общем случае условие ыеразрушения стенка формы будет следующий;,

«с 4 м„ > и , (20)

где Ыс - предельный изгябаюций момент, выдерживаемый стенкой формы;

Ыу - предельный изгибаюсий момент для образующейся твердой корки металла;

Ы - максимальный кзгабаххдий момент,действующий на стенку формы от ыеталлостатической нагрузки.

Для расчета Ы0 вводится поправка на часть толщины стеша формы, потерявшей прочность за время отвода теплоты перегрева. Это часть толщины стенки определяется из формулы (19) путем подстановки в нее расчетного времени отвода теплоты перегрева. Расчетные толщины стенок -форьы проверялись опытной залнвкоа замороженных форм. Формы разрушались только после затвердевания отливок.

Условия размыва замороженных форм

При заполнении формы расплавом поток оказывает силовое воздействие на зерна песка, расположенные на поверхности, и может оторвать их от стенки формы. Возможность разрушения поверхности формы в общем, с одной стороны, определяется характером движения потока, а с другой, профшем поверхностного слоя формы. Микрофотографии прсфиш контактного с потоком расплава слоя

формы показали, что в ной ноблздаэтся обшнршо рнхлотн, о которых вступают отдельные зерна. Очевидно, что иыошю вта отдель-[шо зерна обладают наименьшим сопротивление'! силовому воздействию потока. Анализ условий движений расплава в литниковых каналах и полости формы показал, что виступагашо зерна контактного слоя в реальных условиям заливки, даже при минимально допустимой скорости подъема расплава в' вертикально заполняемых формах, будут выступать за пределы пограничного слоя потока и воспринимать усилия, пропорциональные квадрату его сродной скорости. Представив выступающее зорно- как параллелепипед, одной из граней связанный со стенкоЯ форыы, и приняв прочность отоЯ связи, равной прочности сырой смеси на разрыв, вывели формулу для не-размьшввдей средной скорости пото)са расплава в форме

1 /ЖГ*

ид< т "v » (21)

где К - отношение высоты зерш к ого толтлно;

<Jp - прочность сцепления зерна о формой;

р • плотность рас.иавэ.

Очевидно, что при течении расплава по поверхности замороженной форды имеет место период,когда расплав взаимодействует с эгтаявпрч поверхностные слоем. С учетом того, что в ней содор-кнтея уменьшенное количество глины (0,5-1,0*)^ ого соотавдяег всего 392 Па, и соответственно иерэзмыващая скорость расплава, согласно формуле (21),должна быть менее 20 м/с . Однако оттаивание происходит но сразу. Исследования показали, что пере -•ревом поверхности формы теплотоЯ носка потока расплава за счет кондуктивной теплопередачи мокно пренебречь, так как при люб oil скорости движония потока,большей 0,16 см/с,носок потока взаимодействовал бы с замороженной поверхность:), но прогрев поверхности происходит тагсхе за счет теплоизлучения от носка потока. Расчет скорости перемещения нулевоЯ изотермы под действием теплоизлучения носка потока с учетом характерной для практического выполнения высоты литниковых каналов показал, что только для

температуры замороженной поверхностигбольшей скорость движения расплава должна быть больше неразмываицей (20 си/с), чтобы носок потока не взаимодействовал с оттаявшим слоем.

19

Расчет контактной температурь) расплавь о поверхности форм показывает, что для стал»! при любых практических персгрюназ контактная температура неньас или равна температуре кристаллизации. При этом за головой потока начинает нарастать тверда) корка переменного прсфшя. Пока она существует размыва поверхности формы но происходит. Однако с ростом сухого слоя 5>орм1 тсплоотдича в нее подает и корка расплавляется. Для определение "времени жизни" корки вывели формулу

2Уо (Ткр - Тао> «Р ф^т

<Ьф + V ^.о" V 0

(22)

Ф

Т

ю.

где у - расстояние от входа расплава в форму;

V - скорость двикения потока;

Ь0 - кооффнциеит аккумуляции тепла кидким сплавом;

- ковффициент аккумуляции тепла формой;

- начальная температура расплава;

Т ' - начальная тешюрютура формы;

а - ковф|ицнент теплоотдачи от расплава к поверхности твердой корки;

Г! - гпдравлпчесзгпа радиус канала, равный отношению его площади к периметру;

о - удельная теплоемкость расплава;

р^ - плотность расплава.

Если, продолжительность заполнения формы 'расплавом не превышает т , то он будет контактировать только с твердой коркой V

к

размывания поверхности не произойдет. Величина г„ зависит каь от теплоаккунулирувдей способности формы, так и от коэффициенте теплоотдачи движущегося расплава. Расчеты показывают, что прх; скоростях потока, превышающих допустимую, с точки зрения размыва поверхности формы (V = 20 см/с), "время зкизни" затвердевшей корки в зависимости от степени перегрева сплава находится е пределах 0,2-23 с. При отоы наиболее затруднительно исключит! размыв формы при больших перегревах. За "время еизни" корки поверхностный слой формы, содержаний связующие вещества,успеваем упрочниться. Ввиду того, что замороженные формы должны обеспечивать минимальное выделение вредностей, выбор таких добавок ограничен. Наиболее предпочтительными здесь являются глина »

20

гхдиое стезизо. Исследования пмсаэали, что тазже нозначителышо доЗавки глины розко сго;г:пот степень размыва. Применение без глиниста?. псскон для зпморокетшх форм недопустимо.

Сощютивление_зйуо^__

плавленного уеталля.

Иод действием теплового излучения в стенко формы образуется сулоЯ поверхностный слой, который расширяется. Благодаря сопротивлению прилегающих слоев, в персом образуются нвпряг'.езшя сжатия. Крсио того, из-за большого теишературюго градиента в сухом слое возникает изгибающий момент. Одназсо в реалышг условиях сухоа слоя связан с остальной частью фарии, поэтому по границе их соприкосновения возникают поперечные напряжения,пропорциональные возмссзюму изгибу. На величину про га б а сухого слоя? кроме характера загрукения и величина действующих сил? влияет жесткость, котррая,и свою очередь,определяется его геометрическими параметрам, изменяющимися во ьремелл. Если ::аядому значению термических напряясезтй,.возникавщлх по море прогрева сухого слоя, будет соответствовать достаточно большая яеет-кость, то возмомше прогибы его будут ничтокно мали. Шеста с шоа будут малы п напряжения на границе сухого слад, обра-зущиеся благодаря его сцеплений с остальной часть» форш. Г.есткостъ создекщегося под действием теплового излучения . • сухого слоя будет определяться его толздшоЯ (Ь), стенку формы иозшо представить ¡сак полуограничезшое тело, прогреваемое расплавленным металлом. В каядый момент времени Ь определяется удалением лзотерш испарения от прогреваемой поверхности. Принимая начало координат на границе сухого и влаетого слоев стенки формы и задавшись законом распределения температур, получили зависимость

Хп (1п - 1П)

где X - коофЯицнен? теплопроводности; п - показатель степени параболы;

- температура нагреваемой поверхности;

- температура испарения воды;

Ъ - удельзшй тепловой поток.

21

Анализ напряненного состояния сухого слоя и прочностных характеристик на граница сухого и влажного слоев формы позволили установить, что ооли И достигнет значения 8,3 мм к моменту, когда температура поверхности будет соответствовать максимуму термических напряжений, то отслоения не произойдет. Отсюда установлены значения ч и X, при которых отсутствует опасность

отслоэшя: ч = 4,1 Вт/сма, X = 2,04 Вт/(м»К).

Для исследования сопротивления замороженных форм тепловому излучению была разработана установка инфракрасного нагрева, позволяющая осуществлять тепловой удар по поверхности замороженных образцов,близкий по модности к имеющим место при заливке кидкой стали. Установлено, что сопротивляемость отмытых замороженных песков тепловому излучению ни ч тост а. Разрушение поверхностного слоя начинается при темпоратуре 80-90°С, В то жа время при содержании 0,5% глины оно начинается при 400°С. Дальнейшее увеличение содержания глины в пееко повышает стойкость замороженных форм против теплового излучения, но не столь резко, после увеличения свыше 1% она изменяется незначительно. Влияние платности и температуры замораживания на стойкость против теплоизлучения изучали методом планирования эксперимента. Липлиз полученной математической модели показал значительно большее влияние на сопротивляемость теплоизлучению влажности замороженной формы, чем ее отрицательной темпоратури.

5 1;11!92 ™ _Ф9ЕУ • Замороженные Форш моашо получить о'хлаздешюм влахшых песчшшх фор», как после разделония их с моделью, ток и непосредственно на модели.

В первом случае дефектность формы, связанная с ее частичным разрушением поело снятия о модели, определяется темя же факторами, что и при изготовлении сырых песчано-глинистих форм. Одним из ' главных факторов здесь считается прочность материала фох*ш. Однако, даже при малых значениях прочности смеси па разрыв (0,001-0,015 мПа), характерной для сырых форм о низким содержанием глины, практически не возможен отрыв выступающих частей формы под действием соботвошюго веса и чисто адгезионных сил на границе с моделью. Главную роль здесь играют

22

конструкционные свойства смеси, существенно изменящиеся при колебаниях ее состава и в процессе уплотнения. Например, модуль упругой деформации увеличивается за время уплотнения на порядок. Если формч уплотняется встряхиванием, то первые удара стола упрочняют ее, а последние могут разрушить. Разрушение начинается с образования микротрещин, невидамшс глазу (предельная деформация уплотненной формовочной смеси составляет сотые доли миллиметра), возникающих в местах концентрации напряжений конструкции формы. Такими участками являются не только основания "болванов", но и места соприкосновения элементов опоки с уплогнетгоЯ смесью. Разумеется, чем больше модуль упругой деформации смеси, тем больше опасность разрушения Формы. Источником повышения модуля упругой деформации является заниженное соотношение воды и глины, оно не должно быть меньше 0,3. Использование жидкого стекла в смеси для замороженных форм вызывает засорение им оборотной смеси, что повышает ее модуль упругой деформации. Смесь становится хрупкой и форма разрушается при кантовка и транспортировке от ударных нагрузок.

Если замораживание уплотненной смеси происходит непосредственно на модели или в стержневом ящике, то дефектность форм и стержней во многом определяется температурной деформацией замораживаемой сие си. Сила разработана оригинальная методика и построена установка для замера отих деформаций. Исследовали особенности деформации злачных фсриэвочккх песков~прн 1заиэргжи^ зашш в зависимости от их состава и режима замораж:1ваккя. Установлено, что применяемые для изготовления замороженных форм влажные гл:шосодержкцие песзи при охлаадегаш ниже 0°С расширяются, что может крайне затруднять разделение формы или сторкня с оснасткой. Величину расширения можно уменызить правильным выбором соотношения глины и воды.' Безглшшстые влахныэ пески при заморагквалии имеют отрицательную, деформацию. Поэтому существует щг.жщптнальная возможность' подбора состава смеси с нулевой деформацией при замораживании . Однако наиболее радикальным средствам предупреждения увелзгеения "прилипаемости" заморожен-1П12. форм и стеркней из-за расширения смвся является неполное промораживание выступающих частей формы и стержней со стороны модели и стержневого ящика. Специфичным дефектом замороженных форм является ее деформация я разрушение от неизбежного нагрева

23

в атмосфере цеха в период между изготовлением а заливкой. Способность замороженной формы сопротивляться такому разрушению определяется живучестью. Живучесть - продолжительность, в течение которой форма нагреется до критической температуры, обуславливающей потерю прочности. Для средних замороженных форы температура не должна превышать -5°С. Живучесть (гд) определяется по формуле

Т - Т 1л ( Т° _ )

X --й-Я- ; (23)

д к

' (24)

где а - ковСфициент теплообмене;

Б - плоцадь наружной поверхности формы; о4 - теплоемкость (удельная) формы; т - маоса формы; Тс - температура окружающей среда; Т0 - начальная температура формы; ?п - допустимая температура формы.

.Дпагаз приведенной формулы показывает, что живучесть Форма мокно существенно увеличить, снижая температуру округащей среды в зоне контакта с замороженными формами. Организовать такой микроклимат в локальной зоне не представляет Сольпой слогмости. Уменьшение отнооения кад*жаой позерхЕости форяТ^к" ее* массе таксе увеличивает аажучесть (его достигается, например, за счет сборки форм в стопку). Практически живучесть форм колеблется от 30 минут до 1,5 часов даже б самых неблагоприятных условиях.

■ Предупреждение дефектов отливок, получаемых в замороженных формах

Предупреждение "засоров"

Было исследовано влияние на размыв традиционных связующих глины в жидкого стекла с помощью специальное методики. Результаты эксперимента обрабатывались методами математической

статистики. Полученные эмпирические зависимости показывают, что ухе небольшие добавки втих веществ могут существенно снизить степень размыва. В заморохонных формах целесообразно нанесение унрочняодих добавок на поверхность в виде красок и припылов. Припылы, кроме упрочнявдего действия, способствуют снижению шероховатости поверхности формы и снижают опрокидывающий момент в зернах песка под действием потока расплава. Например, применение дистенснллиыанита в качестве пришила для замороженных Форм уменьшает степень размыва более чем в два раза. Однако возможности повыиения прочности поверхностного слоя замороженных форм ограничены неизбежным усложнением технологии, а также ухудшением условий труда. Поотому наиболее приемлемым иаправле-1шем снижения эрозяя замороженных форм является оптимальное управление технологическими параметрами. С атой целью методом платрования эксперимента построена математическая модель ударного размыва замороженной формы. Реализовали ортогональный нлан второго порядка о четырьмя факторами (влажность и температура формы, время воздействия и ыеталлостатический напор расплава). В качестве парамотра оптимизации приняли глубину размыва поверхности. Полученные зависимости в натуральных переменных можно использовать для конкретного управления степенью размыва

И = 0,767+0,079Т-0.45И+0,187X4- 0,01Н+0.184«+0,041Тя3 , (25)

где Ь - глубина размыва;

Г - температура формы; те - влажность; Н - металлостатпческий напор; Т - время.

Условно методы предупреждения ужимин можно разделить на две группы: "тепловую" и."силовую".

Наиболее эффективным методом "тепловой" группы является применение экранов из алюминиевой фольги для защиты поверхности формы от теплового удара. Благодаря снижению степени черюты поверхности формы в 5-8 раз появляется принципиальная возможность снизить плотность результирукцего теплового потока ниже критической величины, т.о. обеспечить условия, при которых отслоение поверхностного слоя становится не возможным. Основной

'25

проблемой практической реализации этой возможности являете; обеспечение достаточной продолжительности сохранности фолы: вря заливке. Для ее расчета выведена формула

X «

4,9»Ю*вв

1 Г 1

1п

*А+Т,

"ЗРГ

пл . А-293

А+29Э

- аго1б] ;

ахч^ (26)

пл

л* = -13«-£в ' . 1 '»-!-; (27)

а =

- 1

1

(28)

Э

где ем - степень черноты расплавленного металла;

степень черноты екрана со стороны, обращенной к рас плаву;

- степень черноты экрана со стороны, обращенной к фор ие;

- степень черноты поверхности форлк;

- температура поверхности расплава; Т^ - температура поверхности формы; тпл ~ температура плавления екрана;

с - теплоемкость 1 ма экрана;

тк - "время жизни"- время, необходимое для полного рас плазленгя екрана под действием теплового излучения. Исследования показали хорошее совпадение расчетных значет с експериыенталышми. Применение алюминиевой фольги позволь ет ликвидировать ужимины у стальных отливок о продолжител ностью заливки 80 о.

Из "силовых" методов предупреждения ужимин наибольшее рас ' простраяеяге.- получила иетоды, связанные с добавками в смесь в« цеств, увеличивающих прочность стенки формы в зоне конденсат

26

влаги, а также снижающих термические напряжения в сухом поверхностной слое. Известно, что зачастув добавки, увеличивающие прочность в зоне конденсации, способствуют увеличению термических напряжений, например, сода, применяемая для активации бентонитов. Поэтому здесь важно не допускать переактивации (увеличения содержашя соды в смеси выше определенного предела ). Эффективным средством предупреждения уакмин является крахмал, однако возможности его применения ограничены его дефицитностью. Существенно сократить его расход можно, сочетая добавку крахмала с добавкой веществ, снижающих термические напряжения. Такая смесь (а.с. и 372014) хорошо зарекомендовала себя в производстве стальных отливок.

Однако варьирование составом смесей для предупреждения ужи-мин не всегда возможно из-за усложнения технологии, нежелательных побочных эффектов и др. Наиболее простым средством "силового" предупреждения ужимзш является рифление поверхности формы. Сущность рифления заключается в разделении большой плоской поверхности формы канавками на отдельные небольшие платики. Применение "рифленки" в производстве дает положительный вффект, но не всегда достаточный для полной ликвидации узимин. Это объясняется тем, что параметры рифления назначаются часто произвольно. Исследование влияния параметров рифления (ширины плати-ка í , глубины канавки Ь, ширины канавки Ь, угла наклона стенок канавки р) на склонность к образованию ухимин, оцениваемое по

относительному увеличению продолжительности отслоения -

с » ■■0 . р 100 % , (29)

о

где то - время отслоения корки с плоской поверхности; Тр - время отслоения корки о рнфлепой поверхности,

показало следующее:

1) при £ > зо ым, значение с резко уменьиается; 2J параметр ф не оказывает влияния на е ; 31 параметр Ь не оказывает, существенного влияния на с при Кр< 1 и постоянных значениях Ь и -4; •

где и - части площади прогреваемой поверхности, приходящиеся соответственно на канавки (Б^ ) и пла-тики (Б^ ),

4) при значениях Кр> 1 £ уменьшается с ростом К;

5) при Кр>1 значение £ определяется только величиной К, независимо от величины 11 и I ;

6) параметр Ь при К< 1 и -I = 30 мм оказывает большое ' влияние' на £ .

На основании результатов исследования предложена следу¡адая методика определения параметров рифления:

при выборе р руководствоваться только соображениями получения качественного отпечатка поверхности без подрыва отдельных платиков; ■

2^ параметр Ь находится таким образом, чтобы соблюдалось условие К < 1;

для выбора А и Ъ можно использовать уравнение

£ = -209 - 2,84 + 14711 + 0,09-01 . (30)

Обычно признаки и

меры предупреждения газовых и усадочных раковин рассматриваются раздельно. В то ке время совместное действие газовых и усадочных, процессов приводит к образованию широко распространенного при заливке влагашх пеочаных форм дефекта - газоусадочной раковины. Если наличие усадочной пористости зачастую не представляет серьезной -опасности для эксплуатационных свойств отливки ввиду локализации в ее толще, то газоусадочная раковина обязательно имеет трудно различимый'-выход на* поверхность, являющийся концентратором напряжений. Решающую роль в образовании газоусадочной раковвяы играет конфигурация поверхности формы и отливки. Сочетание массивных, разогретых частей отливки и выступающих тонких частей формы, как правило, приводит к появлению газоусадочной раковины, папрамер, в месте подвода расплава к отливке, когда питатель плоский и отсутствуют достаточно большие радиусы сопряжения его и отливки. Кроме того, возникает необходимость в заварке дефекта после удаления питателя, так как наличие газоусадочной раковшш приводит к преждевременному отрыву литниковой системы от отливки во время транспортировки, что вызывает перебои в работе очистных агрегатов. Одним из радикаль-

28

ных средств предупреждения газоусадочной раковины является изменение традиционной конфигурации питателя с сохранением необходимой расчетной площади сечения, например, применение питателей с кон<2игурацией тавра (а.с. N 776740). Установление меха-}шзма образования газоусадочной раковины при заливке в замороженные песчаные формы позволило не только определить условия предупреждения газоусадочных раковин, но и повысить эффективность работы прибылей. Обычно на стальных отливках применяются сферические или цилиндрические прибыли с полусферой в верхней части. Оформление на сферической части прибыли впадин по кон$и-гурации идентичных опасным для образования дефекта сопряжениям питателя и отливки предопределило оптимальные условия работы, прибылей на средних стальных отливках, получаемых в замороженных и сырых песчано-глинистых формах. Как указывалось, в замороженной форме после заливки расплава образуется сухой поверхностный слой,отделенный от остальной части формы зоной испарения влаги. Водяные пары уотремляются в направлении наименьшего сопротивления процессу фшьтрации. Благодаря большому разогреву выступающей части формы, выполняющей впадину на прибыли, за -твердевшяйслой металла образуется в последнюю очередь. Возникающие в зоне испарения водяные пары устремляются в вто место, создавая дополнительное давление в формирующейся усадочной раковине . • ' 0р?5упр§вдегае_газовых_ракошн , Экспериментальное изучение условий образования газовых раковин проводили на созданной установке, позволяющей наблюдать характер движения газов на границе подложки с вязкопластическим телом.

Было установлено, что двнжехис пузырей вдоль границы расплав - форма способствуют покрытия, несмачиваемые расплавом, образованию газовых раковин способствует переохлаздение расплава. Адекватность лабораторных наблюдений была подтверждена также опытными заливками в замороженные формы. В замороженной форме переохлаждению расплава благоприятствует не только низкая температура, но и наличие конденсата на ее поверхности. В отливках слогзюй конфигурации конденсат образуется в узких затененных полостях фор-ш, 'удаленных от питателей. Они заполняются расплавом в последнюю очередь, когда он потерял значительную

29

часть перегрева. Здесь газовые пузыри Сяксируютоя в мгновенно затвердевшей стонке.

Исходя из втого, все сродства, направленные на снижение скорости кристаллизации отливки в частях формы с повышенной га-зотворностыо ( уменьшением времени заливки, повышением по возможности температуры заливки, корректировкой подвода металла), а также создаиве искусственных газоотводов вдоль поверхности раздела металл-форма,должны положительно сказываться на предуп-ретдеклж- газовых раковин в отливках.

?9?уоло™я_изготовлени^

При разработке технологических процессов получения отливок в замороженных формах главная задача состояла в обеспечена: их аналогических преимуществ современным уровнем качества отливок и производительности труда. Анализ теоретических, лаборатории* и производственных исследований позволил определить основные технологические параметры, обеспечивающие решение поставленной задачи.

Песок обязательно должен содержать глинистую составляхщую в количестве от О,Ь до По гранулсметрагческому составу предпочтительней песок мелкозернистый с рассредоточенной структурой. Вода не должна содержать веществ, понижающих температуру ее замерзания, в количествах, приводяЕца к появлению этого эффекта. Например, содержание хлористого натрия и хлористого калия не должно ггревьаать .0, Л%. Добавки применяются только в случае острой необходимости. Наиболее доступные: глина к жидкое стекло. Предельные количества добавляемой глины -3-48, жидкого стекла - 2%. В отдельных случаях можно добавлять порошкообразные вещества, увеличивающие плотность стеши замороженной формы, в количестве 8-15&.

Смеси для замороженных форм состоят из песка и воды. Наиболее приемлемое содержание воды - 4-6%. При таком содержании воды смесь обладает высокой прочностью даже в случае минимального охлаждения ниже 0°С, больной газопроницаемостью, малой прилипа-емостью (коэффициент прилипаемости 0,002-0,03), хорошей сыпучестью (14-16%).

Для уплотнения смеси на предварительно охлажденной до отрицательной температуры модели пригодны не все методы. Наиболее

30

риемлем - метод пескострелыюго уплотнения, который обеспечи-аот быстрое нанесение смеси на модель, опережающее процессы риетпллизании поды, содержащейся в ней. Плотность набивки дось составляет не более 1,45 г/смэ. Увеличить плотность на-икки можно за счет порошковых добавок. Доуплотнение вибрацией I щ^ссоьмшем для замороженных форм неэффективно.

Игточники холода. Уплотненную песчаную фор^ надо звморажи-1ять как можно быстрее - ото диктуется соображениями производительности. а также получением качественной поверхности формы, .¡исокой производительности изготовления замороженных форм должна соотяетстьовать ьысокая производительность холодильного оборудования. При серийном производстве она, как правило, составляет десятж тысяч ватт. Для первоначального внедрения замороженных форм очень удобны передвижные холодильные установки, применяемые для замораживания грунтов в строительстве, например .модели 1ШС-100 производительностью 116300 Вт. Дополнительные энергозатраты, связанные с применением холода,компенсируются экономией энергии на других этапах технолог.™ замо-рсжениых форм. Расчеты показывают, что с переходом от традиционных сырых песчано-глшшстых форл к замороженным расход энергии снижается на 140 кВт>ч на 1 т годного литья.

Спдс&0ы_зауораяз1нания__фддм. Замораживать влажные песчаные &>рли мокно после снятия с модели и непосредственно па модели. При разработке технологии литья в замороженные формы нами принят второй способ, так как с использованием первого неизбежно ухудшаются условия труда. Это объясняется тем, что применение первого способа связано с необходимостью придания формам определенной первоначальной (до замораживания) прочности, для чего к влажному песку надо добавлять глину.' Эта операция приводит к пнлевыделекию при изготовлении смесей и транспортировке песка после выбивки. Для форм простой конфигурации в отдельных случаях достаточно одной глинистой составляющей, однако при этом для придания необходимой жесткости форма при снятии с модели толщина стенки форш долкна быть большей, что увеличивает расход песка и ухудшает условия труда. Второй способ не требует дополнительных добавок г.ипш при изготовлении отливок самой разнообразной конфигурации, обеспечивая достаточную жесткость формы при малых толданах стенок и, тем самым, способствует выполнению

31

одной из основных целевых функций - уменьшению вредных выделе ний при изготовлении отливок в песчаных формах.

Замораживание стенки формы здесь происходит за счет теп лоотдачи оснастке, находящейся с ней в контакте. Скорость за-морпхикашш ограничена теплопроводностью уплотненного песка. Пвиду того, что оно мало, время замораживания крупных стедан'Я не всегда удовлетворяет требованиям производства. Ускорить щх-мерзшшо можно за счет подачи хладоносителя в поры стенки формы. Ризработан и реализован ряд вариантов заморажиьчния стержней с помощью скижонных газов. В одних вариантах сжижси-ный газ подается непосредственно к поверхности набипки ст^озш, где и испоряется, а холодные пары протягиваются через пори стержня. В других - стержень полностью пропитывается сжиженным газом, который затем испаряется за счет снижения дарения тпке равновесного. Происходит замораживание стержня по ьсеиу объему. Обгем, занимаемый порами стержня, вполне обеспечишет размещение в них сжижешгого газа, необходимого для заморажива

ния стенки формы до -40°С. С помощью такого способа.замораживания можно сократить продолжительность замораживания крупных форм и стержней. Однако повышать производительность замораживания возможно и другими способами. Увеличение производства форм в единицу времени можно достичь за счет создания нескольких позиций замораживания.

Разновидноста_замороже)гга«_форм. Основными разновидностям;! замороженных форм для практического использования являются облицованный кокиль и безопочная формэ. Облицованный кокиль - ме-таллообслочховая форма, в которой функцию оболочки играет слой замороженного песка толщиной 10-20 мм.

Применение замороженного облицованного кокиля позволяет получить отливки . повышенной точности . сокращает расход песка и время замораживания. Однако щяшенение его обуславливает ряд ограничений в выборе способа замораживания, определения продолжительности выдержки отливки в форме; а также номенклатуры отливок.

Безопочная замороженная форма имеет преимущества перед бе-зопочной сырой песчано-глинистой формой, благодаря высокой прочности ее материала (ето позволяет существенно увеличить га-

!ариты фор«). 3 это« случае применимы самые разнообразные тособы заморахивания и пирокиЯ диапазон материалов для оснастки и видов оборудования, что особенно важно на первоначальных .чтаппх внедрения замороженных Форл в производство, когда ограничены возможности выбора источника холода, оборудования и оснастки.

Исследовании свойств стальных отливок, полученных в замороженных формах, показало, что ризница 11 механических свойствах тагах отливок с отливками из сирых пеочано-глинистых форм статистически незначима, такжо незначимы различия в плотности, усталостной тгрочности отливок. Существенно выше размерная точность отливок, полученных в замороженных формах.

Промышленное внедрениерезультатов работу. На основании теоретических и окспериментальных исследования разработаны соста-ьи формовочных смесей, противопригарных красок, параметры тох-нологичсских процессов, обеснечлландих получение качественных форм и отливок, разделительных смазок, конструкции литниково-питаших систем, защищенных 41 авторским свидетельством.Спроектирован и создан экспериментально-производственный участок замороженных форм.

Эксплуатация участка показала- улучпешнз техшгко-окономл-ческих показателей процесса по сравнению с получением отих ко отливок в сырых песчано-глшшстых формах. Расход смеси на 1 тонну годного дятья составил 3 т (при старом методе - 10 т). Расход опертой на 1 тмшу годного литья (без учета расхода но плавку) 6^,2 кНт-ч (по традиционной технологи;! - 332 кВт-ч). Трудоемкость обработки 1 детали - 4,751 иормо-минута (при традиционной технологии - 6,895 нормо-минуты).

Внедрение основных разработок осуществлено как на предприятия'. СССР, так и за рубежом. В СССР спи внедрены более чем на 20 .федпциятиях в Шшоборонпроме, в Минтяаэдаше, в Минавтосель-хозмаше и др. За рубежом - п Болгарии, Чехословакии, ГДР. Ряд изобретений, созданных в процессе работы, передан на' лицензиатов основе иностранным государствам: Экономический эффект от продажи лицензий составил не менее 1 млн. рублей по курсу 1985 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Тагам образом, установленные закономерности механически) тепловых процессов, протекающих во влажной песчаной форме всех технологических этапах получения отливки, обобщение i зультатов исследования, разработка новых процесоои форыообря: вания позволяют решить важнуюнароднохозяйственную проблему 1 Дания и совершенствования экологически чистых, ресурсосбореп щих технология в литейном производстве и свидетельствует о 31 чительных возможностях дпльнейшего развития технологии полу> ния отливок в замороженных формах, повышения качеств» отлит Вместо с тем, проведенные исследования и практическиЛ опит ш воляет наметить ряд перспективных направлений использования ] зультатов работы.

Для песчаных форм актуальной задачей является повыше! точности отливок, lia основании установленных р«ожнических : ксномерностей поведения замороженной формы под нпгруг.коП peí

иие поставлешой задачи возможно путем создания фориоьоч ' »

смесей, обеспечивающих высокую жесткость формы. Созданы спе альные приборы и методики, позволяющие разрабатывать смеси новыми свойствами и контролировать их.

Серьезной проблемой является дефектность песчаных форм изготовлении. Выдвинутые теоретические положения и принципы практической реализации представляют интерес для прюдолже исследования.. К перспективным способам радикального сниже прилипаемоста относится молекулярное нанесение антиадгезион покрытий на модель.

Ширсю'.е перспективы в направлении повышения прочности, у лачения производительности и улучшения условий труда намечай с внедрением разработанного способа получения отливок в облп ванных кокилях,' где в качестве облицовки используется зама кенный песок. •

Актуальной проблемой до настоящего времени является эро" поверхности влажной формы заполняющим расплавом. Установлен теоретически и подтвержденное экспериментом образование вреы ной корки металла в первые моменты соприкосновения с формой крывает эффективное направление упрочнения поверхности вла* формы за счет нанесения веществ, быстротвердекдих в услог теплового удара.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих ра-Зотах:

1. Дубицхий Г.М., Грузман В.М. Исследование склонности к образованию ужимин сырых форм с различной степенью черноты поверхности // Улучшеше качества отливок: Материалы научно-технической конференции. Горький, 1966.

, 2. Дубицкий Г.М., Грузман В.М. Исследование и предупреждение отслоения поверхностного слоя формы при заливке сталью // Новое в теории и практике литейного производства: Материалы научно-технической конференции. Пермь, 1966.

3. Дубицкий Г.М., Грузман В.М. Повшение качества поверхности крупных отливок// ГОСИНТИ,. Москва, 1967.

4. Дубицкий Г.М., Грузман В.М. Увеличение прочности формовочных смесей// Технологические свойства формовочных смесей: Сб.науч.тр. М.: Наука, 1968.

Ь. Дубицкий Г.М., Грузман В.М. Экранирование верхних поверхностей песчано-глинистых форм// Известия вузов. Черная металлургия. 1968. I!

6. Дубицкий Г.М., Грузман В.М. Влияние параметров рифленой поверхности сырой ' песчако-глинистой формы на время отслоения поверхностной корки// Повышение производительности труда в литейном производстве: Сб.науч.тр. Москва, КЮЯШП. 1969.

7. Грузман В.М. Установка для определения склонности смесей к образованию узямин // Производственно-технический бюллетень Н 1. Москва, 1970.

8. Грузман В.М. Формовочная сиесь с. пониженной склонностью к образовании ужимин// Повышение качества и надежности литых деталей: Сб.науч.тр. Свердловск, 1971.

9. Иванов В.П., Грузман В.М. Разрупение-формы при извлечении модели//.Литейное производство. 1971. И-10^

10. Грузман В.М. Определение модуля упругой деформации сырых смесей// Литейное производство. 1973. НЮ.

11. Копытов Г.Г., Грузман В.М. Прочность и тепло$изическиэ своЯства -заморожешшх песков// Литейное производство. 1973. N 7.

12. Черкасов И.Д., Грузман В.М. Вероятностная оптимизация составов формовочных смесей// Литейное производство. 1974. Н 9.

13. Дубицкий Г.М., Грузман В.М. Тепловые условия образования дефектов отслоения форл;// Литейное производство. 1974. ИЗ.

35

14. Черкасов И.Д., Грузман В.М. Определение параметров ползучести сирой формы// Литейное производство. 1974. N 2.

15. Грузман В.М. Оценка адгезии смеси к поверхности модели// Литейное производство. 1975- N 10.

16. Иконникоп В.Я., Синицын Е.А., Грузман В.М. Исследование температурных полей замороженных фор«// Литейное производство. 1У75. N Ь.

17. Василевский Ю.И., Грузман В.М. Влияние охлаждения на свойства заморожешшх форм и структуру стальных отливок// Литейное производство. 1974. N 8.

18. Василовский Ю.И., Грузман В.М. Ощюделение склонности формовочных смесей к дефектам отслоения// Прогрессивные изготовления литейных форм: Сб.науч.тр. Челябинск, 1973.

19. Василевский Ю.И., Грузман В.М. Определение степени черноты поверхности формы для борьбы с ужиминами// Литейное произ • водство. 1975. N 7.•

20. Грузман В.М. Предупреждение газовых раковин// Литейное производство. 1976. N 1.

21. Боков Н.Г., ВаслинскиВ С Л!., Иконников В.Я. Исследование условий образования газовых раковин// Контроль качества и меры предупреждения дефектов отливок: Сб.науч.тр. М.: Знание. 1977.

22. Грузман В.М. Нагрев замотхэженных Сори// Литейное производство. 1977. N 12.

23. Грузман В.М. Исследование ударного взаимодействия жидкой стали с поверхностью замороженной .формы// , Литейное производство. 1977. И 8.

24. Иконников В..Я., Грузман В.М. Исследование скорости промерзания стенки формы// Вопросы теории и технологии литейных процессов: Сб.науч.тр. Челябинск, 1978.

25.. Иконников В.Я., Хлынов ,В.В., Грузман В.М. Определение допустамой 'толягны стенки замороженной формы// Литейное производство. 1978. N 11.

26. Люханов А.А., Грузман В.М. Исследование режимов уплотнения для замороженных форм// Литейное производство. 1978. К 12.

27. Иконников В.Я., Хлынов В.В.6 Грузман В.М. Прилипание смеси к модели в замороженных формах// Известия вузов. Черна.' металлургия. 1979- N 8.