<<
>>

ПРИНУДИТЕЛЬНОЕ ЗАПОЛНЕНИЕ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ И УПЛОТНЕНИЕ ОТЛИВКИ И СЛИТКА

Процессы кристаллизации отливки и слитка, которые заканчивают путь жидкого металла в цепи технологических процессов металлургии, одними из первых попали в поле зрения зарождающегося нового научного направления, впоследствии названного прикладной магнитной гидродинамикой.

Объективно это объясняется тем, что, используя методы и средства МГД-технологии на этой стадии для воздействия на жидкую ф$зу кристаллизующейся отливки или слитка, не приходится решать трудную проблему стойкости огнеупорной футеровки, которая в течение десятилетий сдерживала развитие, например, электромагнитных желобов и технологических процессов, основанных на использовании последних. Однако и в области управления процессами формообразования и кристаллизации при всем непрерывно расширяющемся их многообразии становление этого научного направления нельзя считать законченным.

Работу в области МГД-технологии,автор начал в 1947 г.: им экспериментально доказана физическая реальность процесса, который впоследствии получил название литья под электромагнитным давлением. Первоначально целью его было осуществление литья под давлением черных металлов (чугуна и стали). Основной проблемой было нагнетание тугоплавкого расплава под давлением, достаточным для заполнения металлической пресс-формы. Известные тогда методы (исполь- , зование поршневого и пневматического давления) были связаны с рядом недостатков: быстрым износом подвижных деталей, контактирующих с жидким металлом, и охлаждением последнего — в опытных поршневых машинах, насыщением расплава газами и большим объемом мертвого пространства — в комрессорных и т.п. Опытные машины, предназначенные для литья под давлением черных металлов, были сложны вследствие применения раздельных решений для выполнения трех основных функций: нагнетания металла в форму, подогрева его во время движения и запирания струи во время открывания формы и выталкивания отливки.

Автор предложил использовать для нагнетания жидкого металла электромагнитные, силы, создаваемые в расплаве бегущим магнитным полем [58J.

Реверсируемое бегущее магнитное поле индукционного насоса, один конец канала которого соединен с раздаточной печью, а второй с литниковым отверстием формы (рис. 42), может выполнять все указанные функции. При включении индуктора таким образом, чтобы бегущее магнитное поле двигалось в сторону формы, индукционный насос нагнетает металл в последнюю. Затем после выдержки, необходимой для затвердевания литника, бегущее магнитное поле реверсируется и отсасывает большую часть металла из канала насоса обратно в печь, запирая канал противодействием электромагнитного давления ферростати- ческому. Металл при этом подвергается подогреву индукционными токами. Канал индукционного насоса соединен с полостью формы при помощи встроенного в матрицу переходника с расширяющимся каналом. Тепловой режим переходника подбирают таким образом, чтобы в этом месте (в коническом канале переходника) в момент реверсирования поля проходила граница твердой и жидкой фаз. Тогда жидкий металл переходит в сторону печи, а затвердевшая часть металла из переходника извлекается при удалении отливки.

Рис. 42. Схема литья под электромагнитным давлением: — раздаточная печь; 2 — электромагнитный насос; 3 — пресс-форма

В 1955 г. на заводе "Ильмарине" и в ТалПИ под руководством автора был разработан проект опытной установки для литья под давлением чугуна, в которой электромагнитное поле выполняет функции поршня для нагнетания жидкого металла в форму, стопора для запирания струи во время открывания формы и одновременно используется для подогрева канала, по которому металл из плавильного аппарата попадает в форму. Проект предусматривал плоский линейный индукционный насос мощностью 150 кВт с питанием на повышенной частоте (500 Гц), обеспечивающий заполнение пресс-формы под давлением 1 МПа и интенсивный (50 кВт) подогрев металла в канале.

В настоящее время процесс литья под электромагнитным давлением реализован на многих предприятиях цветной металлургии. От описанной внедренная технология отличается тем, что для нагнетания расплава в форму или кокиль используют не линейный индукционный насос с бегущим магнитным полем, а магнитогидродинамические или кондукционные насосы. На выбор разработчиков влияло наличие отработанного и серийно выпускаемого оборудования (в варианте с МДН) или простота конструкции кондукционных насосов. Вместе с тем магнитодинамические насосы развивают меньший напор по сравнению с линейными и не обеспечивают реверса для отсечки металлов, а при кондуктивном подводе тока к расплаву возникает ряд проблем, о которых говорилось выше. По мнению автора, будущее в Технологии принудительного заполнения литейной формы под электромагнитным давлением принадлежит бегущему электромагнитному полю. Перспективы МГД-методов не ограничиваются специальными видами литья, к которым относится и литье под электромагнитным давлением. В более ортодоксальных литейных процессах, к которым относится литье в песчано-глинистые (земляные) формы и открытые кокили, также существуют проблемы, трудно и не полностью решаемые традиционными способами. Этим объясняется интерес к методам и средствам магнитной гидродинамики.

Остывание расплава, залитого в форму или изложницу, и переход

металла (кроме чугуна) из жидкого состояния в твердое, как правило, связаны с увеличением его плотности и уменьшением объема — усадкой. Усадка зависит от температуры перегрева жидкого металла и для различных металлов неодинакова. Объемная усадка колеблется в пределах нескольких процентов от объема залитого в форму расплава. Такой же относительный объем будут иметь пустоты в отливке (в виде усадочных раковин или рыхлот), если в форме не предусмотрена литейная прибыль как источник жидкого металла для восполнения усадки. Прибыль должна быть достаточно массивной и примыкать к массивной части (тепловому узлу) отливки, чтобы питание отливки продолжалось как можно дольше (в пределе — до полного затвердевания всей отливки).

Для этого прибыль обычно содержит во много раз больше металла, чем количество, теоретически необходимое для восполнения усадки. Литейные прибыли существенно увеличивают расход жидкого металла на 1 т годного литья и для своего удаления требуют трудоемкой операции — обрубки. При заливке стали в изложницы на последних также устанавливаются прибыльные надставки, а верхняя (прибыльная) часть слитков, содержащая усадочную полость, отрезается и возвращается на переплав. Однако и при наличии прибылей полностью устранить усадочные явления в отливке и слитке не удается, что снижает качество металла и выход годного.

Для более эффективной подачи жидкого металла в узлы усадки иногда используют центробежные силы, давление поршня, сжатого газа и другие способы силового воздействия, в частности электромагнитные силы. Как указано выше, создание электромагнитных сил в расплаве при заполнении литейных форм или изложниц кондукцион- ным способом затруднительно. Для уплотнения отливки удобнее использовать бегущее магнитное поле, действующее на металл на пути его перемещения между резервуаром, играющим роль прибыли, и телом отливки или слитка [59]. Устройство для осуществления такого воздействия представляет собой индукционный насос, предназначенный для нагнетания жидкого металла в узел усадки. Такая технология успешно опробована в цеховых условиях фасоннолитейного производства М.Ю.Каневским [60]. В производственных условиях 6-кг отливку кольца диаметром 300 мм трапециевидного сечения площадью 360 мм2 с наложенным на него крестообразным узлом высотой 30 мм изготовляли из стали литьем по выплавляемым моделям. В местах сочленения двух элементов отливки, а также по центру креста в месте подвода металла при механической обработке обнаруживались концентрированные усадочные раковины с площадью до 1/3 — 1/2 соответствующих сечений. По существующей технологии отливка располагалась вертикально с боковыми питателями. Использованные технологические приемы (изменение расположения деталей и конструкции литниково-питающей системы, установка холодильников, изменение

Рис.

43. Заполнение формы и уплотнение отливки при помощи электромагнитных сил, действующих в литнике: — индуктор бегущего магнитного поля; 2 — литник; 3 — литейная форма

температуры заливки и т.п.) не дали положительных результатов. Для усиления питания отливки использовали бегущее магнитное поле, применив индукционный насос, создающий дополнительное давление в жидком металле в области стояка.

Насос имеет несколько необычную конструкцию: он представляет собой цилиндрический линейный индукционный насос с круговым сечением канала, не имеющий железных магнитопроводов. Обмоткой являются четыре омываемые охлаждающей водой катушки-соленоида, соединенные в трехфазную систему (две крайние катушки соединены последовательно). При таком числе катушек угол фазной зоны составляет не 60, а 120 электрических градусов, что неблагоприятно отражается на коэффициенте распределения обмотки и возможных особенностях проявления высших гармоник поля. Однако в целом М.Ю.Каневскому удалось создать компактную конструкцию достаточно мощного индуктора, пригодного для технологических опытов в цеховых условиях, когда расход электроэнергии не имеет существенного значения. Для эффективного использования насоса отливки на стояке расположили горизонтально, в два яруса с центральным подводом металла со снижением массы стояка с 9 до 5 кг в результате уменьшения его сечения. Перед заливкой насос (рис. 43) устанавливали на выступающую из опоки часть стояка. Для термоизоляции стояка от охлаждаемой стенки рабочего канала промежуток между ними засыпали песком. Форма перед заливкой имела комнатную температуру, но режим охлаждения насоса позволяет устанавливать его на формы, подогретые до 900 °С. Расположение катушек и порядок следования фаз выбирали таким образом, чтобы направления движения бегущего поля и металла в стояке при заливке совпадали.

Сталь, выплавленную в индукционной печи, заливали при 1580°С с одновременным включением соленоида. Напряжение с обмоток снимали по окончании затвердевания. Рентгеновский анализ и визуальный контроль при разрезке отливок показали, что усадочные раковины в отливках полностью ликвидированы.

Улучшение питания отливок позволило расположить на стояке две формы (друг над другом) вместо одной и без прибылей. Перемешивание металла при заливке препятствует развитию дендритной структуры* и ликвации в отливках. Воздействие поля измельчает микроструктуру, значительно повышает плотность и механические свойства металла в отливках. Для устранения прорыва формы струей утяжеленного металла донную часть оболочки необходимо усиливать смесью жидкого стекла. В результате снижения брака себестоимость отливок умень-

Рис. 44. Индуктор радиально бегущего.магнитного поля:

1 — магнитолровод; 2 — накладной зубец магнитопровода; 3 — обмотка; 4 — литниковое отверстие

Рис. 45. Заполнение формы и уплотнение отливки при помощи электромагнитных сил, действующих в полости формы: — форма; 2 — индуктор бегущего магнитного поля

шилась: на 35 % при ординарном расположении на стояке, на 45 % при двойном.

В описанной технологии электромагнитные силы создаются в литниковой системе, и стояк-питатель выполняет роль канала индукционного насоса. Питание отливки, восполнение усадки1 осуществляется • извне. В некоторых случаях целесообразно полностью совместить литейную форму с индуктором бегущего магнитного поля, как было предложено автором в работе [61].

Подбирая различные формы индукторов, можно обеспечить в отливках различной конфигурации как продвижение расплава от питателя в удаленные части полости формы, так и уплотнение отливки электромагнитными силами. Для плоских прямолинейных элементов отливки индуктор аналогичен индуктору электромагнитного желоба или плоского линейного индукционного насоса. Для плоских круглых отливок (или частей отливки) заданное направление электромагнитных сил создается индуктором радиально бегущего поля (рис. 44). Для пустотелых цилиндрических, конических или коробчатых отливок управляемое заполнение полости расплавом достигается при помощи линейного цилиндрического индуктора.

Производственные опыты по улучшению питания отливки при помощи бегущего магнитного поля, воздействующего на металл непосредственно в литейной форме, выполнили в литейном цехе Калужского моторостроительного завода. Как показано на рис. 45, над индуктором ставили опоку с заформованной в песчано-глинистой массе деталью масляного картера размером 108X 172X375 мм с толщиной стенок 5 мм, с местными утолщениями. Материал отливки — алюминиевый сплав АЛ9. Исследование образцов, вырезанных из утолщенных мест отливки, показало, что сопротивление металла на разрыв возросло с 170 до 220 МПа. Расход жидкого металла на одну отливку при использовании электромагнитного воздействия снизился на 3,6 кг (на 26%). Аналогичные результаты получены и на отливках из сплава АЛ5 с толщиной стенок 4 — 20 мм, имеющих форму тел вращения и отливаемых также в песчано-глинистых формах со стержнями. При опытных заливках с применением электромагнитного воздействия были исключены массивные прибыли, используемые в серийных формах для данной детали. Эффективность питания отливки воздействием бегущего магнитного поля непосредственно в полости формы подтвердилась отсутствием усадочных рыхлот и пор в сечении отливки [62].

На предприятиях черной металлургии описанная и подобные технологии могут использоваться в цехах изложниц, в фасоннолитейных цехах и т.п. Выделим из их числа актуальный процесс, относящийся к большой металлургии. Успехи, достигнутые внедрением непрерывной разливки стали, отвлекли внимание от перспектив развития иных методов разливки. При этом иногда забывается то обстоятельство, что предельная толщина непрерывнолитых слябовых заготовок не превышает 250 — 300 мм. При минимальной, обеспечивающей удовлетворительное качество листового проката степени обжатия 5 — 7 толщина получаемого листа не превышает 50 мм. Указанные значения определяются теплофизическими свойствами стали и не могут быть существенно увеличены конструктивными и технологическими усовершенствованиями процесса непрерывной разливки.

По мнению автора, проблема толстого листа является одной из тех областей, где использование методов МГД-технологии может дать значительный эффект по сравнению с существующими методами получения заготовок. В работах [1,6] показана целесообразность использования электромагнитного нагнетания жидкой стали в процессе так называемой отливки слябов под регулируемым давлением. В этом процессе качество получаемых слитков зависит не столько от конечных параметров подачи расплава (напора, производительности), сколько от возможности выдерживать заданный график оптимальной скорости наполнения изложницы. Для этой цели электромагнитные практически безынерционные устройства подходят наилучшим образом.

В последнее время метод литья под регулируемым (относительно низким) давлением используют не только в литейном производстве, но и в черной металлургии (за рубежом) для разливки стали в тех случаях, когда непрерывная разливка оказывается невозможной (например, для отливки слябов, предназначаемых для получения толсто-

Рис. 46. Схема отливки слябов под регулируемым (низким) электромагнитным давлением: — приемный ковш; 2 - индуктор бегущего магнитного поля; 3 — переходник; 4 — форма (изложница)

го листа) или нерентабельной ввиду малого количества заказов на заготовки данного сечения.

На установках с пневматической подачей и нагнетанием расплава отливают в графитовые формы слябы массой до 20 т. При этом процессе достигается значительная экономия за счет исключения необходимости зачистки поверхности слитков перед прокаткой и уменьшения потерь металла, а также уменьшения производственных площадей, возможности быстрой переналадки процесса на различные размеры слябов и различные марки стали [63]. Применение электромагнитного вместо пневматического давления для подачи металла в изложницу очень перспективно, так как наряду с более совершенным регулированием давления и скорости поступления металла в последнюю исключается необходимость в герметической камере для ковша, операциях, связанных с постановкой ковша в такую камеру, а также снимаются ограничения массы слитков, связанные с размерами камеры. Принципиально важной является возможность беспрепятственного (в любой момент) пополнения ковша, из которого ведут разливку, для организации поточного процесса с использованием карусельных или иных устройств для подачи и обслуживания изложниц. При внедрении процесса литья под электромагнитным давлением для решения задач черной металлургии, в частности отливки толстолистовых слябов, высокая температура и большие объемы расплава делают наиболее перспективным создание этого давления при помощи линейных индукционных насосов с бегущим магнитным полем.

Предлагаемая схема установки для литья то лето листовых слябов под регулируемым электромагнитным давлением (рис. 46) имеет следующие основные проектные параметры: масса заготовки 20,0 т; продолжительность наполнения изложницы 3 мин; максимальный ферростатический напор 2,6 м; активная мощность индуктора 450 кВт; частота 500 Гц; удельный расход электроэнергии 1,2 кВт • ч/т. 

<< | >>
Источник: Beрте Л. А. МГД-технология в производстве черных металлов. 1990

Еще по теме ПРИНУДИТЕЛЬНОЕ ЗАПОЛНЕНИЕ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ И УПЛОТНЕНИЕ ОТЛИВКИ И СЛИТКА:

  1. ПРИНУДИТЕЛЬНОЕ ЗАПОЛНЕНИЕ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ И УПЛОТНЕНИЕ ОТЛИВКИ И СЛИТКА