Режим работы	Время после начала затвердевания, мин.
	5	10	15	20
1. Пульсационное воздействие: а) на режимах, близких к кавитационному порогу б) на режимах, значительно отличающихся от режимов кавитационного порога 2. Вибрационное воздействие: а) режим одноузловых стоячих волн б) режим нестационарных стоячих волн в) кавитационный режим 35-50 Гц без сильных возмущений поверхности расплава) г) сочетание режимов б) и в)	200-250* 60-80 150-200 50-70 20-30 5-10 100-140 5-10 80-120 60-80 150-180 60-80	1250-1300 800-850 400-500 150-180 50-80 10-15 450-500 250-300 250-300 200-250 600-700 350-400	1250-1300 800-900 500-600 200-220 200-240 30-50 550-600 300-400 450-500 350-400 1000-1100 700-800	700-800 450-500 250-300 160-200 350-400 40-50 550-600 300-400 450-500 300-350 600-700 450-500
* В числителе приведены данные для слитка без подогрева зеркала расплава, а в знаменателе - с подогревом.

Однако в этом случае наблюдается рост количества частиц твердой фазы в расплаве по мере увеличения продолжительности воздействия, что следует связывать как с накоплением частиц в расплаве, так и с их механическим разрушением под действием упругих сил. Для вибро-обработки в режиме кавитации с частотами порядка 20-60 Гц и выше число частиц твердой фазы при подогреве зеркала расплава снижается в меньшей степени. Это свидетельствует о том, что в этом случае источником частиц твердой фазы является кавитационный эффект. При этом наблюдаемое увеличение количества частиц твердой фазы по мере увеличения продолжительности обработки, видимо, является следствием эффекта постепенного разрушения имеющихся в расплаве частиц кавитационными силами. Вместе с тем, степень развития кавитационных эффектов носит достаточно ограниченный характер, если сравнить их с данными по пульсационному перемешиванию, что подтверждает роль интенсивного перемешивания в разрушении частиц твердой фазы. Максимальный эффект с точки зрения количества частиц твердой фазы достигается при режимах вибрации, соответствующих проявлению кавитационного эффекта в совокупности с развитием нестационарных волн на поверхности расплава. По существу, на таких режимах достигается эффект образования частиц твердой фазы сразу по двум механизмам: разрушение твердой корочки на поверхности расплава и последующее разрушение частиц вследствие развития кавитационных эффектов.

В ходе проведенных экспериментов прямых свидетельств того, что пульсационная и вибрационная обработка способствует интенсивному разрушению столбчатых кристаллов, формирующихся на фронте затвердевания. На практике все же следует ожидать, что эффект разрушения вторичных и третичных ветвей дендритов может также служить источником твердых частиц.

Выполненные исследования позволили предложить некоторые закономерности для выбора модели управления процессами затвердевания с помощью методов пульсационного и вибрационного воздействия [156, 157, 158, 166, 167]. Для улучшения условий тепловой работы прибыли и головной части слитка или отливки пульсационное воздействие целесообразно осуществлять в режимах, которые обеспечивают развитие кавитационных эффектов, сопровождающихся образованием большого количества частиц твердой фазы в расплаве. При этом рост частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве сопровождается локальным подогревом отдельных зон жидкой ванны, а формирование локальной зоны с повышенной температурой расплава в жидкой ванне достигается посредством рационального расположения пульсационной трубы в прибыли, направлением, интенсивностью и длительностью пульсационного перемешивания.

Обобщая приведенные данные, следует отметить, что пульсационное воздействие в оптимальных режимах в значительной степени подавляет развитие усадочной раковины, а поражение тела слитка дефектами типа «нарушение сплошности» зависит от глубины погружения трубы.

Для улучшения условий тепловой работы прибыли слитков или отливок вибрационное воздействие целесообразно осуществлять в режимах, обеспечивающих развитие волн на поверхности расплава и кавитационных эффектов в жидкой ванне. В этом случае первичным источником частиц твердой фазы в расплаве является, разрушающаяся на его поверхности твердая корочка. В дальнейшем происходит дробление этих частиц вследствие развития кавитационного эффекта или воздействия конвективных потоков. Поскольку в зоне, прилегающей к поверхности расплава, развиваются замкнутые конвективные потоки, то в перемешивание вовлекаются растущие твердые частицы, которые обеспечивают дополнительный локальный подогрев. Результаты влияния вибрационного воздействия на формирование алюминиевых слитков представлены на рис 3.5. Как видно из приведенных результатов значительный эффект улучшения условий тепловой работы прибыли достигается даже при низких частотах (5-10 Гц) при условии развития одноузловых стоячих волн на поверхности расплава (рис.3.5, б - в). Аналогичный эффект получен при виброобработке на частоте 39 Гц (рис.3.5, г) в условиях развития всплесков на поверхности расплава и кавитации (соотношение значений частоты и амплитуды колебаний для кавитационного режима здесь и далее определялся по рекомендациям Дж. Кэмпбелла [75]). Дополнительно следует обратить внимание, что виброобработка в режиме вибрации, превышающем кавитационный порог на 30-40% (рис. 3.5) сопровождалась серьезными нарушениями сплошности тела слитка, что следует рассматривать как негативное проявление эффекта обработки.

Обобщая полученные результаты, следует отметить, что наибольший эффект при пульсационной и вибрационной обработке был достигнут именно на тех режимах, которые в большей степени соответствовали режимам кавитационных эффектов и режимам формирования различного рода стоячих волн или всплесков при вибрации. Нельзя не отметить дополнительно, что при отклонении режимов виброобработки от оптимальных ее эффект резко снижается. Это легко проследить как по увеличению глубины проникновения усадочной раковины, так и по снижению физической однородности (колебанию размеров макрозерна по сечению слитка). Видимо, такой результат виброобработки находится в полном соответствии с ранее сделанными выводами о роли кавитации как источника частиц твердой фазы и тепловом эффекте при их росте в верхней части жидкой ванны.

Таким образом, влияние виброимпульсной обработки на процессы затвердевания слитков, во многом зависит от механизма формирования частиц твердой фазы, их роста и перемещения в жидкой ванне в процессе обработки. Следовательно, в основу принципов управления процессами формирования слитков и отливок с помощью пульсационной и вибрационной обработки может быть положена совокупность критериев оптимизации, условно разделенная на три группы по следующим признакам:



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.5. Макроструктура опытных алюминиевых слитков: а) - без виброобработки; б) и в) - вибрация в горизонтальной или вертикальной плоскости с образованием одноузловых стоячих волн с частотой соответственно 5 и 10 Гц; г) - вибрация с образованием всплесков в режиме кавитации (частота 39 Гц); д) вибрация без образования всплесков в кавитационном режиме (частота 48 Гц); е) - вибрация значительно выше порога кавитации (частота 67 Гц).

а) по характеру перемешивания жидкой ванны с точки зрения транспортирования частиц твердой фазы в предполагаемые локальные зоны;

б) по предпочтительному механизму образования частиц твердой фазы в расплаве (при регламентации соответствующих рабочих режимов обработки);

в) по началу и длительности обработки в зависимости от желаемых результатов.

Применительно к виброимпульсной обработке оптимизация режимов воздействия в общем виде может быть выполнена по следующей схеме:

а) выбор предпочтительного механизма образования частиц твердой фазы (разрушение твердой корочки на поверхности расплава или кавитационное зарождение частиц в объеме жидкой ванны) в зависимости от конечных задач с точки зрения качества слитка или отливки;

б) выбор способа обработки и рациональных диапазонов режимов обработки в зависимости от заданного механизма образования частиц твердой фазы;

в) определение предполагаемой длительности обработки в зависимости от круга решаемых задач.

Вместе с тем эффективность реализации предложенных рекомендаций в промышленных условиях во многом должна зависеть от уровня и корректности теоретических разработок, позволяющих осуществить рациональный выбор рабочих параметров воздействия. Дальнейшая окончательная оптимизация рабочих параметров для пульсационной и вибрационной обработки может быть осуществлена путем соответствующей коррекции расчетных рабочих параметров, которая выполняется на базе промышленных экспериментов применительно к конкретным слиткам и отливкам с учетом всей совокупности качественных эффектов и уровня требований, предъявляемых к качеству металлопродукции.

4. 

4. РАЗРАБОТКА ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ОТЛИВОК ИЗ ЧУГУНА И СТАЛИ

Рассмотренные в предыдущих разделах результаты лабораторных и промышленных исследований влияния методов внешних воздействий на характер затвердевания слитков и отливок в целом подтверждают их высокую эффективность с точки зрения возможностей управления качеством в процессе затвердевания. Вместе с тем широчайший спектр промышленных отливок и технологий их получения практически полностью исключает возможность разработки универсальных технологических рекомендаций и оборудования без соответствующей привязки к реальным объектам.

4.1 ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ВИБРООБРАБОТКИ НА ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ОТЛИВОК

При производстве отливок необходимо учитывать специфику их формы и геометрических размеров, совокупность физико-механических и литейных свойств материала, способ его выплавки и доводки, способ литья, тип производства, перечень специально регламентируемых свойств, обуславливаемых условиями эксплуатации и пр. Поэтому разработка каких-либо универсальных рекомендаций, охватывающих весь спектр промышленных отливок, представляется весьма проблематичной. На наш взгляд, более эффективным путем применения вибрационной обработки может быть отработка технологических аспектов и конструктивного оформления для определенных классов, групп или типов отливок.

На практике для большинства отливок наблюдается дифференциация условий заполнения металлом и затвердевания в различных их зонах, что во многом зависит от соотношения толщины стенок отливок, геометрической формы сопряжении, а также удаленности локальных объемов отливки от питающей системы. Различие условий затвердевания в отдельных зонах отливок является источником физической и химической неоднородностей, которая затем оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства изделия. В соответствии с полученными в работе результатами представляется возможным принять, что виброобработка, как дополнительная технологическая операция, может быть достаточно эффективна в части изменения условий затвердевания за счет принудительного перемешивания жидкой фазы в условиях развития эффекта кавитации, обеспечивающего значительное увеличение количества частиц твердой фазы в расплаве и повышение его температурной однородности или локальное изменение температурного поля. При этом виброобработку целесообразно начинать непосредственно с началом заливки, поскольку это будет способствовать повышению жидкотекучести металла и образованию частиц твердой фазы, которые будут транспортироваться в тело отливки.

Вместе с тем, учитывая, что физические свойства используемого конструкционного материала могут существенно колебаться даже в сечении одной отливки, на первом этапе исследований было принято целесообразным получить дифференциальную оценку влияния параметров вибрации на основные свойства материала для отливок простейшей геометрической формы. В настоящем разделе рассмотрено влияние вибрации на свойства чугуна и алюминия в отливках. Выбор именно этих конструкционных материалов объясняется следующими соображениями:

а) чугун как конструкционный материал наиболее широко используется в различного рода отливках и имеет сравнительно высокую жидкотекучесть и низкий коэффициент объемной усадки;

б) алюминий по совокупности свойств является достаточно сложным литейным материалом и в противоположность чугуну имеет большой коэффициент усадки и склонность к заметному изменению макроструктуры в зависимости от условий затвердевания.

Эксперименты по виброобработке специальных чугунных отливок массой примерно 16 кг в закрытой песчано-глинистой литейной форме были выполнены в условиях литейного цеха Донецкого металлургического завода [168]. Одновременно с опытными отливками изготавливались сравнительные (без вибровоздействия). Вибровоздействие накладывали на литейную форму с опокой, которая жестко крепилась к базовой плите, установленной на упругих элементах. Механический вибратор располагали непосредственно на плите, а характеристики колебаний контролировали с помощью пьезоэлектрического датчика ДН-5. Из полученных отливок отбирались образцы (схема порезки приведена на рис. 4.1) для дальнейших исследований, в процессе которых определялись колебания химического состава, плотности и твердости по высоте отливок. Для испытаний чугуна на разрыв дополнительно отливали цилиндрические образцы диаметром 40 мм. В ходе опытов варьировалась частота виброобработки.

Основная цель исследований заключалась в определении возможного порога развития кавитационных явлений (и соответственно появления в расплаве большого количества частиц твердой фазы) и степени влияния частоты вибрации на результаты воздействия (как управляющего фактора). Всего было проведено две серии испытаний и получено 20 опытных отливок с фиксированной частотой вибрации в диапазоне 0,5-65 Гц. В качестве критериев эффективности результатов воздействия использовали оценку химической однородности, предел прочности на растяжение, твердость по Бринелю и плотность металла. В ходе предварительных оценок установлено, что заметное проявление эффекта виброобработки наблюдается в отливках, подвергнутых воздействию в режимах, которые близки к теоретическому порогу кавитации. Изменение режимов вибровоздействия в сторону увеличения величины произведения f2б свыше 0,30 не способствовало повышению физико-механических свойств чугуна.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4.1. Схема отбора образцов из опытных отливок (цифрами обозначен порядковый номер проб)

Более того, было отмечено некоторое снижение физической однородности по телу отливки и уменьшение плотности металла за счет развития микропористости. Соответственно дальнейшие исследования выполнялись при варьировании частоты вибрации с обеспечением условия f2б = 0,24-0,27. Сравнение полученных в результате исследований данных приведено в табл.4.1 (в числителе приведены средние показатели абсолютных величин, в знаменателе - максимальное отклонение от среднего значения в процентах).

В целом анализ полученных данных показывает, что частота виброобработки может оказывать значительное влияние на качественные показатели чугуна. Так, исследуемые характеристики металла отливок практически не изменялись при частоте воздействия в диапазоне 0,5-15 Гц, а при частоте вибрации свыше 60 Гц было отмечено заметное снижение плотности и твердости чугуна в отобранных образцах, а также значительное уменьшение показателей прочности чугуна (в большинстве случаев даже ниже, чем в сравнительных отливках). В диапазоне 15-60 Гц наблюдали повышение химической однородности чугуна в большинстве опытных отливок и изменение показателей прочности (как в большую, так и в меньшую сторону). Установлено, что для условий проведенных экспериментов, наилучшие показатели достигались при виброобработке в диапазоне 23-40 Гц при достаточно плавном переходе через точку экстремума. По нашему мнению, наблюдаемое повышение физико-механических свойств отливок следует связывать с принудительным перемешиванием жидкой фазы при виброобработке с определенными частотами в условиях развития кавитационных явлений и роста частиц твердой фазы в переохлажденном расплаве. При этом в качестве подтверждения наличия принудительного перемешивания можно рассматривать повышение химической однородности отливок. Безусловно, в этом случае рациональный частотный диапазон виброобработки может значительно изменяться (расширяться или сдвигаться) в зависимости от геометрической формы отливок и критериев, предъявляемых к качеству изделия. Например, увеличение плотности чугуна в отливках, подвергнутых виброобработке, отмечено в диапазоне 23-35 Гц (рис. 4.2.). При более низких частотах вибрация существенного влияния на плотность чугуна не оказывала. Снижение плотности обнаружено при частоте вибрации 65 Гц и выше.

Результаты оценки влияния частоты виброобработки на величину жидкотекучести приведены на рис. 4.2, б. При этом для всех частот виброобработки отливалась сравнительная проба (без воздействия), однако максимальные отклонения результатов для этих проб составили не более 5%.



Таблица 4.1.

Сравнение физико-химических свойств опытных и сравнительных отливок

Частота виброобрабо-тки, Гц	Содержание химических элементов, %	Предел прочности на растяже-ние, Н/мм2	Твердость, НВ
	C	Si	Mn	S	P
0	3,81 6,3	1,74 4,1	0,60 2,6	0,076 15,3	0,076 9,6	130 3,1	135 11,1
10	3,81 1,8	1,73 3,7	0,61 2,1	0,078 11,4	0,081 6,9	130 2,0	130 10,7
15	3,74 1,8	1,77 2,0	0,60 2,1	0,075 12,1	0,080 7,7	132 1,8	135 5,6
23	3,78 1,6	1,74 2,3	0,60 2,1	0,100 8,9	0,071 2,8	160 1,8	165 6,1
30	3,73 0,8	1,48 0,3	0,59 2,0	0,078 2,8	0,080 1,4	165 1,2	168 3,6
35	3,82 0,9	1,75 1,8	0,60 1,9	0,075 3,2	0,081 1,4	155 1,2	165 3,6
40	3,88 0,8	1,70 1,6	0,59 2,1	0,085 8,6	0,080 1,8	160 1,4	160 4,0
47	3,83 0,7	1,74 2,3	0,62 2,3	0,081 2,8	0,072 2,8	145 2,1	149 5,1
56	3,75 0,9	1,77 3,7	0,62 1,9	0,078 6,0	0,083 37,9	145 2,1	140 8,7
65	3,77 1,4	1,66 3,9	0,60 2,5	0,071 11,7	0,082 11,4	130 2,6	135 8,5

Как видно из приведенных данных, в результате виброобработки жидкотекучесть чугуна повысилась в 1,5-1,8 раза. Вероятно, влияние виброобработки на повышение жидкотекучести объясняется разрушающим действием вибрации на формирующийся в процессе движения первых порций металла твердый каркас. Затем образовавшиеся частицы твердой фазы попадают в жидкую ванну тела отливки и могут оказывать существенное влияние на процессы затвердевания по рассмотренной ранее схеме.

Металлографическую оценку качества отливок осуществляли в соответствии с ГОСТ 3443-87. Во всех отобранных чугунных образцах (необработанных и подвергнутых виброобработке) графит пластинчатый прямолинейный ПГФ1 с размерами графитных включений от ПГД90 до ПГД80 в необработанных отливках и от ПГД45 до ПГД90 в чугуне, подвергнутом виброобработке (частота обработки 30-40 Гц). В большинстве исследованных образцов максимальный размер пластин графита в опытном чугуне в 2-3 раза меньше, чем в сравнительном. В чугуне, полученном с виброобработкой, наблюдается также большее количество мелкопластинчатого и междендритного графита при более равномерное распределение графита типа ПГР1. Это нашло свое выражение в отсутствии чередования участков с мелко- и грубопластинчатым графитом, которые были выявлены в образцах чугуна, полученного без обработки (в сравнительном чугуне распределение графита неравномерное ПГР2). Во всех исследуемых образцах структура металлической основы - пластинчатый перлит (Пт1) в количестве 90-94% (П92, Ф8) с межпластинчатым расстоянием 0,3-1,3 мкм (ПД 0,5 - ПД 1,0). В некоторых случаях отмечены участки цементитной сетки по границам первичных зерен, сопровождаемой фосфидной эвтектикой. В отличие от опытного чугуна, в сравнительном чугуне встречаются грубые выделения цементита с фосфидной эвтектикой.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.2. Изменение плотности (а) и жидкотекучести чугуна (б) в зависимости от частоты виброобработки.

Таким образом, в результате выполненных исследований показано, что виброобработка в режимах развития кавитационных явлений в определенном диапазоне частоты воздействия может обеспечить повышение предела прочности и твердости в среднем на 20-25% и показателя жидкотекучести чугуна в среднем в 1,5-1,8 раза. Между тем, достижение максимального эффекта для каждого из вышеперечисленных показателей достигалось на различных частотных диапазонах, что, видимо, предопределяет требование корректировки режимов обработки применительно к конкретным промышленным отливкам и предъявляемым критерием качества.

Эффект влияния вибрации на формирование кристаллической структуры и развитие усадочных дефектов легко просматривается на рис.4.3. Анализируя строение и механические свойства опытных алюминиевых слитков нетрудно выделить несколько диапазонов частот колебаний, в которых достигались наилучшие результаты. Проявление положительного эффекта в диапазоне 4-6 Гц для горизонтальной плоскости вибрации и в диапазоне 10-12 Гц для вертикальной плоскости вибрации следует связывать с возникновением на поверхности расплава одноузловых стоячих волн [95]. При этом следует обратить внимание, что абсолютные значения собственной частоты колебаний жидкости в сосуде для вертикальной плоскости вибрации примерно в 2 раза выше, чем при горизонтальной, что хорошо согласуется с визуальными наблюдениями. В остальных случаях виброобработка осуществлялась с амплитудно-частотной характеристикой, соответствующей порогу кавитации. Установлено, что повышение практически всех исследуемых показателей наблюдается при вибрации в вертикальной плоскости в диапазоне 38-42 Гц в сопровождении энергичных всплесков металла. Сопоставляя полученные результаты, можно отметить, что максимальный эффект виброобработки был достигнут в тех случаях, когда обеспечивалось интенсивное образование частиц твердой фазы за счет разрушения твердой корочки на поверхности расплава. Это хорошо согласуется с рассмотренной ранее моделью влияния кавитационных явлений на дробление частиц твердой фазы в расплаве.



Рис.4.3. Общий вид поперечного сечения опытных алюминиевых слитков, отлитых без вибровоздействия (а) и с вибровоздействием

При этом проявление оптимумов по исследуемым показателям совпадает с максимальным измельчением макрозерна в опытных отливках.

Обобщая исследования, выполненные на отливках из чугуна и алюминия, необходимо отметить, что наложение колебаний на отливку в процессе затвердевания может обеспечить значительное повышение ее качественных показателей, а большинство из положительных эффектов, достигаемых при вибрационной обработке, в целом находятся в прямой взаимосвязи с процессами образования частиц твердой фазы в расплаве и их количеством. Вместе с тем, положительный эффект для равных качественных показателей достигается на различных амплитудно-частотных режимах. Следовательно, при разработке промышленных технологий представляется целесообразным выполнять дополнительные сравнительные исследования для нескольких режимов обработки с последующим сопоставительным анализом полученных результатов.

4.2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ЧУГУННЫХ ИЗЛОЖНИЦ

Известно, что отливки из чугуна широко используются в различных отраслях машиностроения в силу того, что чугун, как конструкционный материал, обладает определенной совокупностью литейных и эксплуатационных свойств при сравнительно низкой себестоимости изделий. Среди многочисленных типов отливок из чугуна особое место по значимости занимают изложницы для слитков, так как они эксплуатируются в крайне сложных температурных условиях (периодические теплосмены и неравномерный прогрев стенок изложниц в процессе остывания слитков) в потоке сталеплавильного производства. Учитывая высокую актуальность повышения стойкости изложниц с точки зрения снижения затрат на тонну стали в настоящей работе выполнены специальные исследования по оценке возможностей использования вибрации для решения этой задачи.

При анализе чугунных изложниц как объекта исследования во внимание были приняты следующие факторы:

а) высокие требования, предъявляемые к качеству отливки, и тяжелые с точки зрения термических и механических нагрузок условия ее эксплуатации;

б) достаточно сложные условия затвердевания отливок изложниц, в том числе различие в условиях затвердевания стенок и углов;

в) наличие центрального стержня, препятствующего свободной усадке изложницы при затвердевании, что способствует формированию в отливке внутренних напряжений уже в процессе затвердевания;

г) весьма короткий период эксплуатации отливок, что позволяет достаточно быстро и эффективно проследить результаты виброобработки и скорректировать режимы воздействия;

д) большой объем потребления изложниц в черной металлургии и машиностроении при сравнительно высоком их расходе (в среднем 20-22 кг/т разливаемой стали [169]).

Отличительной чертой работы изложницы в процессе ее эксплуатации являются циклически повторяющиеся односторонние нагревы от заливаемой во внутреннюю полость стали и последующие охлаждения, включающие период извлечения слитков и подготовку изложницы к работе. В результате значительного температурного градиента в стенке изложницы возникают большие температурные напряжения, что в совокупности со структурными изменениями происходящими в чугуне [170], приводит к ее разрушению после определенного числа наливов. Основными причинами выхода изложниц из эксплуатации является образование продольных и поперечных трещин, а также возникновение сетки разгара, размывов стенок, коробления и т.п. Принято считать, что по признаку "образование трещины" выходит из строя до 90% всех изложниц [171].

В соответствии с классификацией дефектов, возникающих в изложницах, впервые предложенной А.А. Горшковым [172], различают трещины первого (возникающие с наружной стороны после нескольких наливов), второго (возникающие на внутренней стороне после большего количества наливов) и третьего (сетка разгара, возникающая после значительного числа односторонних нагревов [173]) рода. Кроме рассмотренных дефектов, в практике эксплуатации изложниц можно встретить и другие дефекты, которые носят случайный характер и могут быть объяснены низкой квалификацией обслуживающего персонала.

Возникновение в стенках изложниц различного рода трещин является следствием действия внутренних напряжений (температурных, литейных и эксплуатационных). Величина внутренних напряжений зависит от физических свойств чугуна и от конструкции изложницы. Как показывают многочисленные исследования, для оценки пригодности материала для изготовления изложниц условно можно использовать следующее выражение [174]:

где С - предел прочности при растяжении; д - относительное удлинение, %; л - коэффициент теплопроводности; Е - модуль упругости; б - коэффициент линейного расширения.

Между тем, в литературе имеются данные, в которых предлагается использовать в анализе также дополнительные параметры: циклическая вязкость, теплоустойчивость, ростоустойчивость, жаростойкость, квазиизотропия, ликвация, несплошность структуры, износостойкость и адгезия [175], однако простых эмпирических зависимостей между этими параметрами, качеством чугуна и стойкостью изложницы не предложено.

Сопоставляя выражение (4.1) с результатами исследований влияния виброобработки на свойства чугуна, рассмотренными в предыдущем параграфе, следует отметить, что такое воздействие может заметно повысить стойкость изложниц, в первую очередь, за счет повышения физико-механических свойств чугуна; (С и д) без уменьшения коэффициента теплопроводности (л).

Оценку влияния виброобработки чугунных отливок исследовали в условиях литейного цеха Донецкого металлургического завода при производстве чугунных изложниц для слитков массой 5,6 тонн [176]. При этом был принят во внимание тот факт, что многолетний поиск оптимальных технологических и конструкционных решений, направленных на повышению стойкости изложниц в сталеплавильных цехах ДМЗ в целом позволил достигнуть в 80-е годы крайне высоких показателей (расход изложниц составлял 11-12 кг/т стали). Такой низкий расход изложниц делает этот завод предпочтительным для проведения дальнейших исследований, так как при этом с большей степенью уверенности можно утверждать, что основные критерии повышения стойкости изложниц (традиционные решения) в основном установлены и оптимизированы.

Принимая во внимание тот факт, что в изложницах перед началом эксплуатации имеется определенный уровень внутренних (остаточных) напряжений [177], в значительной мере влияющих их эксплуатационную стойкость, исследования были выполнены в следующем порядке:

а) разработка промышленной технологии виброобработки изложниц в процессе их затвердевания и оценка ее эффективности с точки зрения повышения стойкости;

б) разработка промышленной технологии виброобработки изложниц после их выбивки из формы с целью снятия внутренних остаточных напряжений и определение степени эффективности такой обработки;

в) исследование динамики изменения внутренних напряжений для изложниц, подвергнутых дополнительному воздействию вибрацией, и выбор рациональной схемы виброобработки в промышленных условиях.

Такая последовательность проведения исследований объясняется, прежде всего, тем фактом, что при обработке изложницы в процессе затвердевания, видимо, также может происходить снятие внутренних напряжений из-за длительности периода воздействия вибрации. На наш взгляд, представляется весьма важным разделение эффектов, достигаемых при вибрации, так как это, в конечном счете, позволяет оптимизировать режимы обработки.

Для виброобработки изложниц в процессе их затвердевания опоки располагались на специальной виброплите. При этом обработку начинали через 100-200 секунд после окончания заливки. Для уточнения оптимальных режимов воздействия был исследован диапазон 23-56 Гц, который, судя по предыдущим исследованиям можно было рассматривать как наиболее эффективный. Для каждой частоты вибрации были получены 8-10 опытных изложниц, а в качестве сравнительных использовались изложницы без обработки, полученные из чугуна той же плавки. Сравнение стойкости опытных (числитель) и сравнительных изложниц (знаменатель) приведено ниже:

23 Гц - 81,2/69,2 наливов (17%)

30 Гц - 78,0/67,2 наливов (16%)

35 Гц - 69,5/68,8 наливов (1%)

40 Гц - 69,2/64,5 наливов (7%)

56 Гц - 66,0/67,4 наливов (2%)

Для оценки степени влияния вибрации на качество получаемого чугуна из стенок изложниц отбирались керновые пробы, по которым осуществляли металлографические исследования, а также измеряли плотность чугуна и предел прочности. В целом результаты, относящиеся к плотности и прочности чугуна изложниц, оказались весьма близкими к ранее рассмотренным данным для опытных отливок. При этом в отобранных образцах отмечено более равномерное распределение свободного графита при одновременном уменьшении линейных размеров пластин.

Одной из причин улучшения прочностных характеристик чугуна и эксплуатационных свойств отливок, по нашему мнению, можно считать некоторое изменение условий затвердевания чугуна в стенках изложниц в случае наложения вибрационного воздействия за счет принудительного перемешивания жидкой фазы. Этот факт был подтвержден в ходе специальных исследований, в которых на трех уровнях по высоте опытной и сравнительной изложницы были установлены термопары. Показания термопар фиксировались в течение всего периода затвердевания. Как видно из результатов измерений, приведенных на рис. 4.4, время затвердевания отливки в случае использования вибровоздействия уменьшается по крайней мере на 15-20%. Кроме того, сравнивая результаты измерений по различным уровням отливки изложниц, нетрудно заметить также, что для опытной изложницы характерно более равномерное распределение температур по ее высоте, что безусловно улучшает условия затвердевания.

Таким образом, выполненные исследования по виброобработке изложниц в процессе затвердевания, позволили установить, что в этом случае удается достигнуть более равномерного распределения температур по высоте жидкой фазы при сокращении времени затвердевания. При этом стойкость опытных изложниц повысилась в среднем на 16-17%.

Вместе с тем, как показывают исследования [272,273], в изложницах может наблюдаться достаточно высокий уровень остаточных (литейных) напряжений еще до начала эксплуатации.



Рис.4.4. Кривая охлаждения сравнительной (а) и опытной (б) изложниц для трех уровней (верх, середина, низ)



Безусловно, эти напряжения, суммируясь с эксплуатационными, могут служить причиной преждевременного образования трещин и выхода изложниц из строя. Возникновение в отливках внутренних напряжений, величина которых не превышает уровня предела упругости, обычно связывается с неодинаковыми линейными и объемными изменениями, происходящие в смежных объемах отливки [179]. При охлаждении отливок в зоне пластичности чугун склонен преимущественно к остаточным деформациям, которые не исчезают. Однако вследствие пластического состояния материала заметных напряжений в отливке не возникает. При более низких температурах возможны упругие деформации, в результате которых возникают остаточные напряжения. Следовательно, остаточные напряжения могут возникнуть лишь тогда, когда весь металл отливки находится в упругом состоянии или же когда часть металла отливки находится в пластическом, а другая часть - в упругом состоянии.

Самым распространенным методом снижения литейных напряжений является термообработка, которая основана на том, что при нагреве отливок до высоких температур, при которых исчезают упругие и появляются пластические деформации, остаточные напряжения в значительной степени снижаются. Однако, использование термообработки для снятия напряжений в чугунных отливках, представляется весьма проблематичным в условиях действующих литейных цехов, так как при этом потребуется существенное наращивание производственных площадей для сооружения участка термических печей. Более того, достигнутый эффект может быть эквивалентен дополнительным затратам. Видимо, использование термообработки целесообразно лишь для отливок из чугуна с шаровидным графитом.

Виброобработка как альтернативный метод снятия внутренних напряжений в последние десятилетия получает все большее распространение для различных типов литых и сварных изделий [179-183]. Механизм вибростарения в локальных зонах объясняется обычно суммированием возникающих при вибрации дополнительных напряжений с начальными остаточными, в результате чего в поликристаллическом материале происходят сдвиги кристаллической решетки, которые сопровождаются перераспределением напряжений. Эффективность вибрационной обработки определяется степенью пластической деформации металла, которая зависит от прикладываемой нагрузки при вибрации, определяемой значением и местом приложения вынуждающей силы, создаваемой вибровоздействием, а также геометрической формой детали. Определение оптимальных режимов обработки в каждом конкретном случае сводится к отысканию такой схемы нагружения деталей при вибрации и таких ее параметров, при которых достаточно просто обеспечивается по возможности полная проработка всей детали циклическими напряжениями требуемой величины.

Учитывая высокую жесткость изложницы с точки зрения упругих деформаций наиболее рациональным, на наш взгляд, представляется крепление вибратора непосредственно на одной из ее стенок (рис. 4.5). С целью определения рациональных режимов вибровоздействия для снятия остаточных литейных напряжений в изложницах Донецкого металлургического завода была разработана следующая методика проведения экспериментов [178, 184, 185]:

- определение спектра резонансных частот колебаний в системе изложница - вибратор;

- определение рациональной длительности вибрационного воздействия в зависимости от достигаемой эксплуатационной стойкости изложниц;

- изучение эффективности вибрационного воздействия на промышленной партии изложниц при эксплуатации в сталеплавильном цехе.

Проявление резонансного эффекта при наложении воздействия фиксировали по величине амплитуды колебаний стенок изложниц в ходе сканирования частоты вибрации с помощью прибора ВИП-2. Отмечено, что в области проявления резонанса амплитуда колебаний стенок изложницы возрастает в 3-5 раз и более. При этом сам эффект резонанса наблюдается в достаточно узком частотном интервале. Для конструкции изложницы ДМЗ наиболее характерное проявление резонансного эффекта наблюдалось в следующих основных диапазонах: 17-22 Гц; 28-34 Гц; 40-47 Гц; 58-64 Гц; 76-81 Гц. Сравнение эффективности снятия остаточных внутренних напряжений при виброобработке на различных резонансных частотах показывает, что для резонансных частот первого и второго порядка (а) характерно более глубокое снятие остаточных напряжений. Однако в этом случае требуется достаточно точная фиксация периода обработки, поскольку при его увеличении свыше критического может наблюдаться повышение внутренних напряжений в стенках изложниц. Для резонансных частот третьего-пятого порядков следует отметить более плавное снятие внутренних остаточных напряжений при некотором уменьшении общего эффекта обработки (б).

Кроме того, для определения рациональной длительности вибрационного воздействия были выполнены промышленные эксперименты, в которых партии изложниц (8 - 10 штук в каждой) подвергались виброобработке в течение 4, 6, 8, 10, 12, 16 мин. соответственно на резонансной частоте третьего порядка. В процессе эксплуатации изложниц наблюдения велись не только за опытными, но и за сравнительными изложницами, отлитыми из чугуна той же плавки. Средняя стойкость изложниц для каждого режима обработки определялась как среднее арифметическое значение стойкости изложниц без учета максимального и минимального показателя. Ниже приведены полученные результаты:

без обработки 82,8

виброобработка в течение:

4 мин 83,7

6 мин 94,1

8 мин 91,4

10 мин 92,0

12 мин 86,3

16 мин 85,2

Наилучшие результаты достигаются при длительности виброобработки в течение 6-8 минут. Некоторое увеличение рациональной длительности виброобработки видимо, следует связывать с вторичным эффектом перераспределения напряжений в стенках изложниц. При увеличении периода обработки свыше указанных значений наблюдается снижение стойкости изложниц, что, видимо, следует объяснять накоплением дополнительных внутренних напряжений уже непосредственно в ходе обработки.

Анализ возможностей повышения стойкости изложниц за счет использования дополнительной виброобработки в условиях промышленного производства осуществлен на партии изложниц количеством 650 штук (рис. 4.6). С помощью статистической обработки данных установлено, что виброобработка в оптимальных режимах может обеспечивать повышение стойкости изложниц в среднем на 10-12% за счет снижения числа изложниц, выходящих из строя по трещинам первого и второго рода.

В дальнейшем, с целью определения наиболее рациональной схемы повышения стойкости изложниц за счет виброобработки, были выполнены эксперименты, в ходе которых, часть изложниц подвергалась виброобработке как при затвердевании, так и после выбивки и обрубки. Для анализа результатов отбирались лишь изложницы с химическим составом близким к средним значениям рекомендованного в технологической инструкции литейного цеха ДМЗ (в скобках указано количество изложниц, принятых во внимание):

- сравнительные изложницы (34) - 71,4 налива;

- изложницы с виброобработкой после выбивки и обрубки (29) - 78,2 налива;

- изложницы с виброобработкой в процессе затвердевания (27) - 83,3 налива;

- изложницы с виброобработкой и в процессе затвердевания и после выбивки и обрубки (2) - 85,9 налива.

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что в большинстве случаев представляется достаточно целесообразной организация одного цикла виброобработки, что, естественно, в значительной степени упрощает весь технологический процесс. Применительно к литейному цеху ДМЗ было принято, что, в случае отсутствия серьезных отклонений в технологии и колебаний химического состава чугуна от рекомендуемых значений, достаточно использовать вибрацию изложниц после выбивки и обрубки. Вибрацию же в процессе затвердевания изложницы (в силу более сложного процесса обработки) рекомендуется использовать только для компенсации ухудшения механических свойств чугуна из-за определенных отклонений в его химическом составе и технологии доводки перед заливкой в формы. В общем случае наиболее предпочтительным представляется использование виброобработки при затвердевании изложниц в специализированных цехах с массовым производством.

Выполненные исследования показали, что виброобработка при рациональных режимах воздействия является эффективным средством повышения эксплуатационной стойкости чугунных изложниц. В ходе промышленных экспериментов установлено, что положительный эффект при виброобработке достигается как в части снятия остаточных напряжений, так и в части повышения физико-механических свойств чугуна в отливках за счет виброобработки в процессе затвердевания, что обеспечивает рост эксплуатационных показателей изложниц. Результаты исследований внедрены в промышленное производство в условиях литейного цеха ДМЗ и обеспечили повышение стойкости изложниц в среднем на 10-12%.



Рис. 4.6. Сравнение стойкости опытных и сравнительных изложниц

4.3 НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОЙ ВИБРООБРАБОТКИ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Полученные в предыдущем разделе результаты исследований достаточно убедительно продемонстрировали широкие возможности виброобработки отливок для повышения или стабилизации их качества. Поэтому дальнейшее развитие технологического приема "виброобработка с целью повышения качества" осуществлялось в направлении расширения его промышленного использования для различных типов отливок в условиях специализированных литейных цехов. Как уже было показано ранее, виброобработка обеспечивает достижение определенных положительных эффектов по целому ряду показателей. Однако, для каждого из таких качественных критериев оптимальные режимы виброобработки могут существенно отличаться, что соответственно предопределяет необходимость проведения предварительного системного анализа, включающего в себя определение взаимосвязи между видами дефектов, возможными факторами, влияющими на их развитие, и принципами выбора режимов обработки на базе рассмотренных механизмов воздействия вибрации на процессы затвердевания. Общая схема такого анализа, сформулированная на базе выполненных в работе исследований и разработанных моделей влияния внешнего воздействия на процессы затвердевания, приведена в табл.4.2.

Для промышленных литейных цехов с установившейся технологией литья и сортаментом отливок всегда существует определенная группа критериев требуемого качества изделий в зависимости от их назначения и соответствующая информация по браку в соответствии с этими критериями. При этом использование виброобработки как дополнительной технологической операции требует ее совмещения с общей технологической схемой с последующим анализом результатов воздействия на качество отливки по всем требуемым критериям. На основании вышеизложенных соображений представляется целесообразным предложить следующую общую последовательность операций, обеспечивающую разработку технологии виброобработки для повышения качества отливок (табл. 4.2.).



Таблица 4.2.

Общая схема к выбору параметров вибровоздействия в зависимости от видов дефектов в отливках

Вид дефекта	Основные причины возникновения	Возможные механизмы вибровоздействия
А. Дефекты поверхности: шеро-ховатость, спай, заливы, неслитины, недоливы, складчатость и т.п.	Низкая температура заливки расплава, малая скорость заливки форм, сложная геометрическая форма отливки	Повышение жидкотекучести расплава при виброобработке
Б. Дефекты тела -раковины усадочные, ужимины - раковины газовые - трещины горячие	Недостаточное питание отливки в ходе затвердевания, перегрев металла Повышенное содержание газов в расплаве Неравномерное охлаждение и затрудненная усадка	Увеличение частиц твердой фазы и их рост в расплаве при принудительном перемешивании Ускорение газовыделения обработкой в режиме кавитации Обработка в режимах, повышающих упругие и пластические свойства металла
В. Дефекты размеров и формы	Неравномерное охлаждение и затрудненная усадка	Вибростабилизирующая обработка после выбивки и обрубки
Г. Дефекты материала	Развитие ликвации и неравномерное охлаждение	Принудительное перемешивание жидкой фазы в режиме кавитации

а) анализ причин образования дефектов в заданной конструкции промышленной отливке (объекта исследований) и выделение в ней отдельных характерных зон, в наибольшей степени пораженных дефектами, соответствующими браку изделия;

б) предварительный выбор нескольких альтернативных режимов виброобработки, которые могли бы обеспечить повышение качества (в соответствии с рекомендациями табл. 4.2);

в) проведение на опытных отливках экспериментальных исследований, охватывающих все предлагаемые диапазоны вибровоздействия, с последующим анализом качества отливок как по принятым в цехе критериям, так и по основным видам дефектов, которые могут возникнуть в ходе вибровоздействия (физическая неоднородность, микропористость и пр.);

г) выделением области рациональных параметров воздействия на основании результатов контроля качества отливок в соответствии с существующими требованиями качества изделия;

д) отработка технологического процесса вибровоздействия на промышленных отливках в соответствии с полученными рекомендациями по рациональным параметрами вибровоздействия;

е) общая корректировка технологического процесса производства отливок в цехе в соответствии с достигнутыми показателями повышения качества отливок по требуемым качественным показателям.

Рассмотренные в настоящей работе закономерности управления качеством отливок с применением метода вибрационного воздействия были успешно использованы в условиях ряда промышленных литейных цехов машиностроительных заводов для нескольких типов отливок, имеющих различные типы дефектов и брака.

В условиях Кишлинского машиностроительного завода нефтепромыслового оборудования (г. Баку, Азербайджан) была разработана и внедрена технология виброобработки деталей типа "корпус" (корпус редуктора, крышка редуктора и т.п.) массой от 50 кг до 2 т из серого чугуна СЧ12, СЧ15. При используемой на заводе технологии основными причинами низкого качества и отбраковки отливок являются повышенная газовая пористость, неслитин, спаи и складчатость. На основании выполненных исследований было принято, что причинами возникновения неслитин, спаев и складчатости в отливках корпусов является недостаточная скорость заполнения полости литейной формы жидким чугуном, что связано с уменьшением жидкотекучести сплава при падении температуры в процессе движения. При этом увеличение температуры заливки обеспечило некоторое снижение этого вида брака, но при этом значительно возросло число отливок, отбракованных по усадочным дефектам (усадочные раковины и пористость). С точки зрения подавления газовой пористости было принято, что целесообразно интенсифицировать процесс выделения газов посредством стимулирования кавитационного эффекта в условиях равномерного охлаждения тела отливки, обеспечивающего более полный отвод пузырьков газа из металла в процессе заполнения формы и затвердевания.

Было принято, что предпочтительным диапазоном воздействия может быть вибрация с частотой 23-30 Гц и амплитудой колебаний, обеспечивающей развитие кавитационных процессов (порядка 0,47-0,55 мм). Принципиальная схема виброобработки отливок при затвердевании, существенным отличием которой является расположение нескольких опок одновременно (4-10 штук) на рельсах с резиновыми прокладками, обеспечивающими эффективную передачу виброколебаний приведена на рис. 4.7. а.

На стадии определения рациональных режимов воздействия были получены партии отливок, подвергнутые виброобработке на разных частотах. Установлено, что при виброобработке с частотой 20-30 Гц (амплитуда колебаний 0,50-0,55 мм) брак отливок практически полностью отсутствовал. При частоте виброобработки от 5 до 15 Гц характеристики опытных и сравнительных отливок практически не отличались, а при частоте более 40-60 Гц отмечено снижение плотности, твердости и предела прочности на разрыв в образцах, отобранных из опытных отливок. Как показали штатные испытания, проводимые ОТК, брак в опытной партии отливок (объем выборки - 38 штук) практически полностью отсутствовал, в то время как в сравнительной партии отливок (объем выборки - 42 штуки) брак по неслитинам на нижней стенке или спаям составил 22-24%, а по газовым раковинам в посадочных гнездах подшипниковых узлов - 13-14%. В целом же внедрение виброобработки в технологическую линию на Кишлинском заводе позволило снизить себестоимость отливок в среднем на 4-6% за счет устранения брака отливок по критериям "газовая пористость", "неслитины, спаи и складчатость".

Проблема снижения количества брака по недоливам и спаям при одновременном обеспечении герметичности отливок была решена также и для конвейерной схемы производства в условиях участка мелкого литья литейного цеха Уфалейского завода металлургического оборудования (г. Верхний Уфалей, Россия). Исследования выполнялись для широкого спектра чугунных отливок элементов запорной аппаратуры (корпус, крышка клапана и т.п.), к качеству которых предъявляются особые требования по критерию "герметичность". В соответствии с установившейся технологической схемой (рис. 4.7, б) скорость движения конвейера составляет 0,5 м/мин. а полный цикл оборота - 145 мин.

Рис.4.7. Принципиальная схема вибрационной обработки отливок при заливке на плацу (а) и при заливке на конвейерной линии (б): 1 - опоки; 2 - литниковая чаша, 3 - ковш; 4 т- вибратор; 5 - тележка; 6 - резиновые прокладки

Формовка производится с использованием песчано-глинистой смеси в опоки 1, набираемые в секции по три штуки. На одной тележке одновременно могут размещаться до трех форм. Заливку форм выполняют из ковша вместимостью 200 кг последовательно от формы к форме, а емкости ковша обычно хватает на 7-8 отливок. По принятой на заводе технологии брак отливок по недоливам и спаям составлял в среднем 15-18% при отбраковке по критерию "герметичность" - 7-9% от общего числа отливок. При этом установлено, что основной причиной брака по недоливам и спаям является низкая температура чугуна (и соответственно низкая жидкотекучесть) при заливке последних порций из ковша (обычно это 25-30% от общей массы металла в ковше). Выполненные исследования по повышению температуры чугуна на выпуске показали, что действительно процент брака по недоливам и спаям несколько снижается, однако при этом наблюдался интенсивный отбел поверхности, а также увеличение отливок, пораженных усадочной пористостью и не соответствующих критерию "герметичность". В целом процент отбраковки отливок при проведении такого мероприятия не уменьшился [186].

При выборе рациональных параметров виброобработки было принято, что при затвердевании отливки находятся в разных условиях и заливаются металлом, имеющим различную температуру, что служит главной причиной брака. Поэтому для сравнительных исследований были выбраны следующие варианты: