Показать меню Технической информации

Очистка чугунных расплавов с помощью пенокерамических фильтров

(А. Н. Леонов, О. JI. Сморыго и др., НИИ порошковой металлургии, OJT БГПА, г.Минск,, ж. "Литейное производство" №11, 2002 г.)

Эффективный способ повышения качества отливок - очистка расплава от неме­таллических включений на стадии литья. Традиционный путь решения этой проблемы - создание в литейной форме разветвленных тормозящих литниковых систем с мас­сивными шлакоуловителями. К таким элементам, в первую очередь, относятся инерци­онный и центробежный шлакоуловители. Как показали опытно-промышленные работы, проведенные в лаборатории НИЛМТ БГПА, такие элементы дают удовлетворительные результаты только при получении отливок неответственного назначения. Высокая ско­рость и турбулентный характер потока в шлакоуловителях вызывают замешивание мел­ких неметаллических включений в расплав с последующим попаданием их в рабочую полость формы. Применение массивных шлакоуловителей снижает выход годных отли­вок и сокращает полезную площадь модельной оснастки.

Эффективное удаление неметаллических включений достигается при очистке расплавов металлов через пористые фильтры, ведущее место среди которых занимают пенокерамические фильтры (ПКФ). В индустриально развитых странах ПКФ нашли применение для очистки расплавов черных и цветных металлов.

Рис.1 Поток жидкого металла через ячеи­стую структуру

Эффективность очистки расплавов ме­таллов через ПКФ определяется не столько за­держкой неметаллических включений, размер которых больше размера пор (экранирующая фильтрация), сколько задержкой частиц, раз­мер которых меньше размера пор фильтра (глубинная фильтрация). Эффективной очистке расплавов металлов от неметаллических включений через ПКФ способствует турбулен­тный режим течения расплавов металлов. Поток металла, проходя арочно-ячеистую структуру пенокерамики, претерпевает резкие изменения направления течения и завихрения, словливает столкновение частиц с внутренней поверхностью фильтра (высокий коэф­фициент массообмена, рис. 1), а в сочетании с адгезией и развитой поверхностью обу­словливает вероятность прилипания и задержания частиц в объеме фильтра. В резуль­тате ПКФ способны задерживать частицы, размер которых на 1...2 порядка меньше соб­ственных размеров пор. Материал ПКФ характеризуется высокими значениями порис­тости            (П = 80...90%), проницаемости (K_n= 10... 10^{-9 м2} ) и предела прочности при изгибе (σ=1 ...3 МПа), что позволяет самотеком пропускать через фильтры большие объемы металла за короткие промежутки времени при относительно небольших перепадах дав­ления. Эффективное применение ПКФ для очистки расплавов обусловлено не только структурой, но и его материалом. Материал фильтра — керамика — обеспечивает его работоспособность в экстремальных условиях (высокие температуры, агрессивные сре­ды). Высокая коррозионная стойкость, жаропрочность, жаростойкость, прочность, большие запасы относительно дешевого природного сырья делают керамику незамени­мой для прикладных задач металлургии.

ПКФ обеспечивают высокое качество отливок (прочность, ударную вязкость и пластичность, хороший внешний вид и обрабатываемость), снижают брак и повышают выход годного, способствуют экономии энергетических ресурсов. В странах СНГ пено­керамические фильтры не нашли заметного применения, что связано с рядом объектив­ных причин экономического характера. Возрастающие требования к качеству отливок, особенно поставляемых на экспорт, делают актуальными работы, направленные на разработку, изготовление и освоение ПКФ в производстве.

Эффективность применения ПКФ обусловлена не только правильным подбором параметров фильтра (толщина Lo, площадь So, период ячеистой структуры Iо, макропо­ристость П), но и положением фильтра в литейной форме. Подбор параметров ПКФ оп­ределяется массой отливки, температурой и временем заливки, высотой стояка, степе­нью загрязненности металла, требуемым коэффициентом очистки и т.п. Известные фирмы-производители ПКФ Foseco (Англия), Drache (Германия), Hi-Tech (США) для очистки чугунных расплавов предлагают ПКФ с номинальным размером пор 10, 15 и 20 ppi (ppi — число пор на линейный дюйм). В рекламных проспектах этих фирм удель­ный расход чугунного расплава (работа фильтра до закупоривания) в зависимости от вида и засоренности металла рекомендуется на уровне 0,5...4,0 кг металла на 1 см² фильтрующей поверхности. Приблизительный характер рекомендаций по расчету конструктивных параметров фильтров затрудняет проектирование ПКФ с требуемыми экс­плуатационными параметрами при минимально возможной стоимости. Рекомендации по размещению ПКФ общеприняты — как можно ближе к рабочей полости формы.

Для изготовления ПКФ была разработана теория проектирования пенокерамических фильтров, включающая модель эксплуатации ПКФ, отражающую взаимосвязь фи­зико-механических свойств пенокерамики и габаритных размеров фильтра с его эксплуатационными параметрами, требований потребителя к качеству отливки и целевой функции, отражающей главный экономический критерий — минимальную себестоимость ПКФ.

Рис.2 Схема заливки металла

Цель данной работы — экспериментальная про­верка разработанной теории по оптимальному проектиро­ванию ПКФ. В качестве объекта исследования выбрали от­ливку корпус главного цилиндра гидротормозов из СЧ20,  изготовляемую на Минском заводе отопительного оборудования (МЗОО). Отливку получали литьем в сырые песчаные формы со свойствами формовочной смеси: влажностью 3,4%, газопроницаемостью 173 (5,19-10^{-11 м2}), проч­ностью 0,11 МПа. Схема литниковой системы показана на рис.2.

Металлоемкость формы 16,2 кг, время заливки ~8 с, температура жидкого ме­талла 1360...1380°С, химсостав чугуна ваграночной плавки, %: 3,37 С; 2,05 Si; 0,45 Мп; 0,09 S.

Первый этап расчета ПКФ — перевод требований потребителя к качеству отлив­ки в перечень эксплуатационных требований к ПКФ, так как потребитель, предъявляя определенные требования к качеству отливки, не формулирует никаких требований к параметрам самого фильтра. Требования потребителя — высокие значения плотности, прочности и пластичности, а также отсутствие раковин на внешней поверхности отли­вок. Процесс заливки должен быть осуществлен за определенное время (увеличение времени заливки приводит к замерзанию металла и браку по "недоливу", уменьшение времени заливки приводит к увеличению скорости металла в литнике, вымыванию пес­ка из песчаных форм и браку по "засору"). На базе требований потребителя к качеству отливок сформулированы эксплуатационные требования к ПКФ:

- обеспечить требуемую степень очистки металла η = (•С_исх - С)/С_исх,

где С_исх, С — концентрация неметаллических включений в жидком металле до и после фильтрации, кг/м³ ;

- обеспечить процесс заливки расплава металла массой М (с учетом массы при­былей и элементов литниковой системы) с плотностью р и вязкостью μ при темпера­туре Т за требуемое из условий теплового баланса время τ;

- материал ПКФ должен обладать высокой коррозионной стойкостью в среде жидкого чугуна, чтобы не загрязнять расплав металла;

- фильтр должен обладать высокой жаропрочностью, чтобы выдержать ме­ханические нагрузки σ (Т), возникающие при фильтрации металла, в том числе при ди­намическом ударе струи в начальный момент заливки.

Эксплуатационные требования к ПКФ, а также взаимосвязь эксплуатационных параметров с физико-механическими свойствами пенокерамики и габаритными разме­рами фильтра можно представить математически:

(1)

где η_min — минимально требуемая степень очистки металла; τ_min τ _maxх — мини­мальное и максимальное время заливки металла; σ_max — максимальное напряжение, которое испытывает фильтр в процессе эксплуатации; L_e = 2 ...3 — коэффициент запаса прочности, учитывающий динамический удар струи жидкого металла о поверхность фильтра в начальный момент заливки; σ (T) — предел прочности при изгибе материа­ла ПКФ (Па) при температуре заливки металла Т°С.

Составлена система уравнений, являющаяся математической моделью эксплуа­тации пенокерамического фильтра, решение которых позволяет по известным характе­ристикам ПКФ (S_v, Lo, So, σ (T), К _μ К_η) рассчитать эксплуатационные параметры.

Структурные параметры материала фильтра (lо, П) и его габаритные размеры (Lo, So) влияют на эксплуатационные параметры ПКФ. Увеличение толщины Lo приводит к повышению степени очистки жидкого металла и прочности фильтра, но одновременно с этим увеличивается время заливки металла и его стоимость. Увеличение площади филь­тра So также повышает степень очистки жидкого металла, снижает время заливки, прочность фильтра и увеличивает его стоимость. Увеличение периода ячеистой струк­туры /о повышает степень очистки жидкого металла, но приводит к увеличению вре­мени заливки. На прочность и стоимость фильтра варьирование параметром /о не оказы­вает влияние. С ростом макропористости фильтра /7 — S_v и σ (Т) уменьшаются, а К _μ К_η (вязкостный и инерционный коэффициенты проницаемости ПКФ) увеличиваются. Поэтому при увеличении макропористости степень очистки металла, время заливки и прочность фильтра снижаются. Стоимость ПКФ при увеличении пористости несколько снижается из-за уменьшения плотности материала фильтра.

Таким образом, связь между свойствами фильтра, его размерами и эксплуата­ционными параметрами достаточно сложная и неоднозначная. Поэтому расчет па­раметров, определяющих работоспособность фильтра, сводится к нахождению ком­промисса между структурными, фильтровальными, гидродинамическими, механиче­скими свойствами и стоимостью ПКФ. Полученная модель процесса эксплуатации при заданных эксплуатационных требованиях (1) дает бесконечное множество решений. Для нахождения оптимального решения необходимо ввести целевую функцию F. В дан­ной работе целевая функция выражает главный экономический критерий — минималь­но возможную стоимость фильтра. С учетом специфики производства ПКФ его стои­мость в первом приближении определяется его объемом. Поэтому целевая функция имеет вид:

F= Lo So → min (2)

Математическая модель с учетом эксплуатационных требований (1) образует критерий работоспособности ПКФ. Для расчета структурных и габаритных параметров ПКФ в данном конкретном случае были взяты следующие исходные данные: коли­чество фильтров — два на форму (рис. 3); степень очистки η > 0,5; С_рав,/С_исх ≈ 0; вре­мя заливки металла 7,2 ≤ τ ≤ 8 с; масса заливаемого металла М= 20 кг (масса отливки, выпоров и литника между фильтром и рабочей полостью); высота жидкого металла над фильтром  H=0,1 м (рис.2); температура жидкого чугуна Т= 1380°С; вязкость μ = 0,003 Па^.с; плотность р = 7800 кг/м³ ; σ (Т) беспористой керамики = 2,8 МПа; для пеноке­рамики       σ (T) = σ₀ (l - /7)³ ; запас прочности Le = 3. Результаты расчета: габаритные размеры фильтра 50x50x15 мм; структурные параметры — макропористость П = 74,4% (общая пористость с учетом канальной пористости и микропористости перемычек 83,1%); период ячеистой структуры I₀ =1,5 мм (≈ 15 ppi). Минимальный объем фильт­ра (и стоимость), обеспечивающий требуемые эксплуатационные параметры,

S₀^. L₀= 37,5 см³.

Предварительные испытания ПКФ проводили по двум схемам: установка одного фильтра горизонтально непосредственно под стояк (рис. 3, а) и установка двух фильтров вертикально на входе в шлаковики (рис. 3, б). Расчет параметров фильтров проводили для схемы (рис. 2). В ходе эксперимента с ис­пользованием ПКФ получили >3000 отливок.

Рис.3 Схема установки ПКФ в литейную форму: 1 — стояк; 2 — дроссель; 3 — шлаковик; 4 — пи­татель; 5 — пенокерамический фильтр; а — непо­средственно под стояк; 6 — на входе в шлаковики

Первая схема установки ПКФ доста­точно проста и не требует значительной пе­ределки модельных плит, так как фильтры устанавливались горизонтально в разъеме формы на дне стояка (рис. 3, а). Свободная площадь фильтрации после установки ПКФ в форме составляла в среднем 20 см², то-есть обеспечивалось соотношение 1 кг фильтру­емого расплава на 1 см. Установка ПКФ в этом месте с вдвое меньшей площадью и с удвоенным расходом металла -20 кг при­вела к недопустимому увеличению времени заливки до 11... 12 с. В результате основным видом брака стал "недолив" — 14,9%. Увеличением размера пор ПКФ до 2,5 мм (10 ppi) достигли снижения времени заливки до требуемого уровня. Однако в этом случае вели­чина удельной поверхности уменьшилась почти вдвое, и степень очистки при сохране­нии объема фильтра уменьшилась. Анализ качества поверхности, проведенный после очистки отливок в дробеметном барабане, показал, что брак по "засору" остался на обычном для традиционной технологии уровне — 11,2% (без учета брака, выявленного после механообработки). Увеличение брака происходило также из-за вымывания частиц литейной формы после фильтра, часть которых попадала в отливку. Отсутствие поло­жительного эффекта при установке одного фильтра под стояк не было неожиданностью. Отрицательный результат этого эксперимента подтвердил необходимость использова­ния фильтров с оптимальными параметрами, рассчитанными под конкретную отливку, и правильного размещения фильтра в литниковой системе.

Установка фильтров вертикально перед входом в шлаковики обеспечила распо­  ложение фильтра максимально близко к отливке (рис. 3, б). Размещение двух фильтров размером 50x50x15 мм обеспечило двукратное уменьшение скорости фильтрации. Уменьшение скорости фильтрации приводит к повышению эффективности очистки. Для проверки результатов проектирования (расчет габаритных размеров и параметров структуры) были испытаны ПКФ с различными размерами пор, в том числе двухслой­ные фильтры типа "дуплекс". Характеристики ПКФ и результаты разбраковки отливок на разных стадиях обработки приведены в таблице:

Тип фильтра	Размер пор фильтра	Макропористость фильтра, %	Время заливки, с	Брак, %
				Общий	После заливки	После механообработки
А	20	75,5 ±0,8	9 ...11	35,2	10,2	25,0
В	10/20 "дуплекс"	74,7 ±0,8	7...9	20,7	4,6	16,1
С	15	74,3 ±0,8	6...8	21,5	6,3	15,2
D	15	73,0 ±0,8	6...8	20,1	5,0	15,1
Традиционная технология (без ПКФ)			6...8	29,2	12,9	16,3

По результатам проведенных испытаний ПКФ при получении отливки корпуса главного цилиндра гидротормозов из СЧ20 были сделаны следующие выводы:

- Проницаемость ПКФ А-типа с размером пор 20 -ppi недостаточна, что приве­ло к повышению времени заливки до недопустимого уровня. В результате — появление "недолива" (выявляется после заливки) и "подкорковой пористости" (выявляется после механообработки). И хотя "засор" был полностью устранен, общий брак превысил уро­вень, полученный при серийной технологии.

- ПКФ В-типа состоят из двух слоев. Первый высокопроницаемый слой толщи­ной 10 мм с размером пор 10 ppi выполняет функцию силового каркаса, так как из-за большого размера пор не обеспечивается требуемая степень очистки. Второй мелкопо­ристый слой (размер пор 20 ppi) толщиной 5 мм обеспечивает более высокий коэффи­циент очистки расплава, но повышает гидравлические потери на фильтре, замедляя ско­рость заполнения формы. Время заливки с применением фильтров В-типа по сравнению с традиционной технологией возросло. И хотя "недолив" не был обнаружен, брак после механообработки за счет появления "подкорковой пористости" был на уровне традици­онной технологии. Практически полное устранение "засора" позволило уменьшить брак, выявляемый после заливки, в 2,8 раза, а общий брак по сравнению с традицион­ной технологией в 1,5 раза.

- Фильтры С- и D-типов различались по отношению к направлению потока рас­плава ориентацией пор, имеющих эллипсоидную форму: течение вдоль длинной оси (С- тип) и перпендикулярно длинной оси (D-тип). Средний размер пор фильтров обоих ти­пов был одинаковый. В обоих случаях скорость заливки находилась в пределах, соот­ветствующих традиционной технологии. Брак по газовым раковинам, выявленным по­сле механообработки, находился на уровне традиционной технологии. Однако за счет устранения "засора" общий брак был снижен в 1,5 раза. Ориентация пор ПКФ не оказа­ла заметного влияния на результаты испытаний. Сравнение результатов по очистке чу­гуна через фильтры В-, С- и D-типа позволяет сделать вывод, что фильтры Б-типа в пределах экспериментальной погрешности дают такой же результат, что и фильтры С- и D-типа, но превышают последние по стоимости.

- Использование ПКФ (при условии правильного расчета параметров ПКФ и выбора места установки в литейную форму) позволяет устранить "засор" отливок и в 2,5 - 3,5 раза снизить уровень брака, выявляемого после обработки в дробеметном бараба­не. Использование ПКФ не позволило оказать позитивного влияния на уровень брака по "газовой пористости" отливок, выявляемый на стадии механообработки. Наилучшие ре­зультаты были получены при использовании ПКФ с размером пор 15 ppi при установке фильтров на входе в шлаковики. Общий брак в этом случае был снижен в 1.4 - 1,5 раза.

- Общий брак в результате использования ПКФ снизился в 1,5 раза, но остался недопустимо высоким 20%) по сравнению с показателями ведущих мировых произ­водителей. ПКФ задерживают неметаллические примеси, находящиеся в расплаве ме­талла только до фильтра, но не устраняют примеси, образующиеся после фильтра из- за низкого качества литейных форм (осыпание формовочной смеси), обильного выделе­ния продуктов разложения органических связок и плохого отвода газов из полости формы. Поэтому дальнейшее снижение брака отливок возможно только при проведе­нии комплексных мероприятий, направленных на повышение культуры литья, опти­мальное проектирование литейных форм с использованием пенокерамических фильтров и повышение качества используемых материалов.