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).

Рис.7: Фильтрация внутри фильтра

 

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.

Рис. 8 Очистка расплава от неметаллических включений

 

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.

Рис.10 Сравнение потока воды, проходящего через различные фильтры

 

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).

Рис.12 Рентгеноскопический анализ показывает способность фильтра снизить турбулентность металла, втекающего в отливку.

 

Свойства фильтров

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

Свойства	Пенокерамический	Экструзионный	Прессован­ный
Геометрическая точность	Средняя	Высокая	Высокая
Холодная прочность	Средняя	Средняя	Высокая
Эффективность фильтрации	Высокая	Средняя	Средняя
Размер задерживаемых частиц	Мелкие	Средние	Средние/грубые
Влияние на скорость потока	Высокое	Среднее	Среднее
Снижение турбулентности	Высокое	Минимальное	Минимальное
Сопротивление эрозии	Высокое	Среднее	Среднее
Огнеупорность	Высокая	Средняя	Хорошая

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.