Эффективность фильтрации расплава металла

Показать меню Технической информации

Эффективность фильтрации расплава металла

(Представитель компании в г. Москве А. Чикунов)

За последние 20 лет литейная технология и управление техпроцессом были значительно усовершенствованы. Усовершенствования процессов плавки, графитизации, модифицирования и легирования сплава, технологии контроля температуры заливки, а также методов изготовления форм и стержней фундаментально повысили и стабилизи­ровали качество литья.

За тот же период применение технологии фильтрации продолжало развиваться. Возможно ли предположить, что повышение качества литья, полученное за счет совершенствования других технологий, приведет к сокращению случаев применения фильтров?

Существует ряд причин, дающих ответ на данный противоречивый вопрос:

• продолжающиеся исследования технологии фильтрации позволили добиться более эффективной и экономичной очистки расплава от включений;
• литейщики осознали, что наряду с удалением нежелательных включений из отливок, фильтрация позволяет повысить степень управления техпроцессом и производительность производства;
• повышаются стандарты качества литья;
• повышаются требования к внешнему виду литья;
• возникают требования по снижению себестоимости литья посредством сокращения брака и/или повышения выхода годного;
• тенденции по снижению веса литья приводят к необходимости получе­ния тонкостенных отливок, более чувствительных к наличию дефектов, связанных с включениями и вторичным окислением расплава;
• рост популярности автоматической заливки приводит к повышению скорости заливки и склонности к образованию турбулентности металла и дефектов по эрозии формы;
• более частое применение программ моделирования процесса заливки и расчета литниково-питающей системы более четко определяет положительное влияние фильтрации на заполнение формы.

Использование пенокерамических фильтров продолжает расти благодаря тому, что достигаемый экономический эффект превышает затраты, связанные с их покупкой и применением.

Данный экономический эффект связан не только с сокращением брака, но также с повышением качества производства литья в целом. Если 20 лет назад фильтры при­менялись только в особых случаях, сегодня они являются фундаментальной частью технологии производства высококачественного автомобильного и машиностроитель­ного литья при оптимальной себестоимости.

Источники включений.

«Грязный» расплав - наиболее распространенный источник включений. Нежелательные материалы могут попадать в расплав различными путями, включая использование возврата, не прошедшего дробеструйную обработку, окисление металла при переливе и транспортировке, образование продуктов реакции при вводе легирующих элементов и прочие продукты образующиеся при металлургической обработке распла­ва, размыв огнеупорной футеровки и шлак, образующийся при недостаточном обслу­живании ковшей.

Тем не менее, часто загрязнение расплава происходит внутри формы по ходу заливки, что связано: со вторичным окислением металла за счет высокой турбулентно­сти; с размывом формы при высокой скорости металла и низкой прочности формы; с проблемами выделения пара и газа в форме при недостаточной вентиляции формы и/или взаимодействии металла с формой.

Одним из преимуществ применения пенокерамических фильтров является возможность более точной диагностики причины брака.

Как работает фильтр

Одномерные продукты, такие как экструзионные (рисунок 1) и прессованные (рисунок 2) керамические фильтры, а также стальные или кремнеземные сетки очи­щают расплав, задерживая включения только на своей внешней поверхности, в то вре­мя как частицы размером меньше чем минимальная ячейка могут свободно попадать в отливку (рисунок 3).

Рис.1: Экструзионные фильтры                              Рис.2: Прессованные фильтры
Рис.3: Механизм работы одномерных фильтров	Рис.4: Пенокерамические фильтры

Напротив, пенокерамические фильтры (рисунок 4) являются многомерными. Металл должен пройти через лабиринт ходов перед тем, как он попадет в отливку.

Вначале задерживаются крупные частицы, размер которых больше диаметра пор фильтра, эти частицы оседают на поверхности (рисунок 5).

Рис.5: Оседание частиц на поверхности

Рис.6: Фильтрации скопившимися частицами

Включения начинают накапливаться на поверхности, образуя «пирог», который после определенного времени начинает задерживать и более мелкие частицы (рис.6).

Расплав, который проходит через «пирог» на поверхности фильтра, течет по ла­биринту ходов внутри фильтра. Механизм фильтрации, свойственный для пенокерамических фильтров, основан на многочисленном из­менении направления потока расплава, что приводит к снижению его скорости. В результате мелкие частицы оседают на внутренней структу­ре фильтра (рис. 7).

Эффективность пенокерамических фильтров по устранению типовых включений, возни­кающих в процессе плавки, легирования и фор­мовки, можно проследить по рис. 8. На первой фотогра­фии - песчинки, застрявшие в порах фильтра. На второй фотографии - шлак накапли­вается на поверхности фильтра. На последней фото­графии можно разглядеть тонкую зону сульфидов маг­ния по всей лицевой поверх­ности фильтра.

Наконец, пенокерамические фильтры помогают предотвратить формирова­ние вторичных окислов, снижая турбулентность потока, проходящего, через фильтр.

Турбулентность заливки необходимо снижать  при литье любых сплавов и особенно при литье сплавов, склонных к быстрому окислению. Турбулентность способствует захвату воздуха, формированию и росту оксидных включений в чистом расплаве, имеющем взаимодействие с воздухом. Выбор фильтра, его размещение и конструкция литниковой системы являются фундаментальными критериями для снижения вторичного окисления расплава. Многочисленные эксперименты с применением анализа водного потока, рентгеновской уста­новки и моделирования заливки, окончательно подтвердили, что правильно применен­ные пенокерамические фильтры, оказывают наибольшее влияние на предотвращение вторичного окисления расплава в форме. Прессованные фильтры имеют сравнительно большую «мертвую зону» со стороны выхода расплава из фильтра, что способствует возникновению воздушных пузырьков в потоке металла после фильтра.

Площадь потока, выходящего из пенокерамического фильтра, намного больше, что свидетельствует о замедлении и снижении турбулентности потока, при этом воз­душные пузырьки на выходе из фильтра отсутствуют (рис. 10).

При повторении того же эксперимента с насыщенным воздухом водным потоком можно отметить, что прессованный и экструзионный фильтр не оказывают совершенно никакого влияния на захваченные воздушные пузырьки. Пенокерамический фильтр снижает скорость потока, что помогает захваченному воздуху выходить из металла. Тот же механизм снижает турбулентность потока и позволяет добиться высокой эффектив­ности фильтрации с применением пенокерамических фильтров.

Дальнейшее подтверждение способности пенокерамических фильтров сгладить поток получено с применением рентгеновской съемки процесса заливки металла (рису­нок 12).

Свойства фильтров

Свойства, характерные для трех основных типов фильтров, представлены в сле­дующей таблице:

Таким образом, пенокерамические фильтры превосходят другие фильтры по че­тырем ключевым свойствам:

• способность задерживать более мелкие включения;
• снижение скорости и турбулентности потока уменьшает эрозию формы;
• снижение вторичного окисления расплава захваченным воздухом благодаря отсутствию турбулентности потока после фильтра;
• более высокая стойкость к термодинамическому удару при заливке.

Преимущества пенокерамических фильтров

Преимущества применения пенокерамических фильтров заключается не только в снижении брака, но отражаются также и в других технологических процессах литейно­го производства. В зависимости от типа сплава и технологии применения можно до­биться таких преимуществ, как:

Контроль уровня брака

• снижение процента брака;
• повышение точности диагностики брака, благодаря более четкому разделению проблем, связанных с чистотой металла и проблем с качеством формы;
• снижение брака, выявленного при механической обработке;
• литниковая система и стояк заполняются более спокойно, снижая вероятность захвата воздушных пузырьков в отливку;
• применение фильтров, имеющих специальный некерамический состав, для фильтрации алюминия устраняет опасность попадания в отливку твердых керамических частиц, а также исключает возможность загрязнения расплава железом, что часто наблюдается при применении фильтровальной сетки.

Повышение производительности

• благодаря фильтру можно исключить шлакоулавливающие элементы литниковой системы, тем самым повысить выход годного, что способствует экономии на всех этапах производства;
• фильтр способствует снижению скорости и турбулентности металла в фор­ме, поэтому можно упростить конструкцию литниковой системы;
• упрощение конструкции литниковой системы позволяет разместить в фор­ме дополнительные отливки;
• повышение выхода годного также означает, что можно залить больше форм в расчете на тонну выплавленного металла;
• во многих случаях можно снизить температуру заливки;
• специальные фильтры, разработанные для алюминиевых сплавов, имеют низкую плотность, при переплаве возврата они всплывают на поверхность расплава и легко могут удаляться со шлаком;
• низкий уровень финансовых затрат, связанных с выполняемой работой.

Повышение качества литья

• повышение однородности по чистоте литья;
• снижение колебаний скорости металла при ручной заливке позволяет добиться однородности литья;
• повышение механических свойств за счет однородности структуры;
• повышение текучести металла способствует улучшению качества поверхности, внешнего вида и точности воспроизведения деталей литья.

Упрощение финишных операций

• повышение обрабатываемости и снижение износа инструмента;
• допуски на механическую обработку можно сократить благодаря сниже­нию уровня включений;
• снижение времени на визуальный осмотр и дорогие трудоемкие методы неразрушающего контроля;
• сокращение времени цикла, особенно там, где серьезные сокращения объе­ма финишных операций позволили добиться повышенной гибкости производственного графика и конкурентоспособности литейного производства;
• фильтры для алюминиевых сплавов имеют некерамическую структуру и в случае попадания их частиц в отливку не повреждают режущий инструмент механообрабатывающего станка.