Системный подход к определению причин возникновения и способа ликвидации светлых газовых раковин

Статьи от автора: Воронин Ю.Ф.

Воронин Ю.Ф., д.т.н.,профессор

Волгоградский государственный технический университет

Анализ работы литейных цехов показывает, что доля бракованного литья стоит на достаточно высоком уровне. Проведенные 11 сентября 2013 года на семинаре Ассоциации литейщиков Украины общения с литейщиками позволили быстро установить, что требуется информационное вмешательство для оказания помощи в быстром определении и ликвидации рассматриваемых литейных дефектов, в частности, светлых газовых раковин. Зачастую борьба с браком проводится методом проб и ошибок, а иногда и бессмысленных действий. Рассмотрим процесс выявления и ликвидации литейных дефектов с использованием системного подхода [1-3], который был многократно использован при снижении брака отливок на литейных предприятиях.

Для ликвидации светлых газовых раковин с применением элементов систематизации и достаточными знаниями в области ликвидации дефектов [4], необходимо выполнить следующие разделы работ:

Определить разновидность исследуемого дефекта с использованием визуально-логического метода и прибора для увеличения рассматриваемого дефекта;
Установить этапы формирования дефекта с использованием его фотографий, изучением технологических операций и реального процесса изготовления отливки;
Сопоставить установленные этапы формирования дефекта с этапами анимационного представления процесса возникновения аналогичного дефекта (по аналогии представленного ниже процесса);
Составить цепочки причинно-следственных связей между разновидностью дефекта и причинами его возникновения;
Подготовить предложения по ликвидации дефекта отливки. Рассматриваемый ниже дефект отливки был полностью определен с этапами формирования за 25 мин.

В качестве примера для исследований используем дефект, возникающий на отливке «Крышка (рис. 1) и длительное время выводящий часть отливок в брак, годовая потеря от которого составляла 12 млн. руб. Поэтапный перечень проводимых работ представлен в начале статьи. Рассматриваемая отливка имеет поражение сопрягаемой кромки пористостью со стороны стержня, состоящей из мелких раковин, представленных на рис. 2. В первую очередь необходимо определить характерные отличительные особенности дефекта для определения его разновидности. При увеличении с использованием прибора по определению диаметра шарика Бринелля, хорошо просматривается светлая гладкая блестящая поверхность раковин в виде извилистых каналов, свищами уходящих в металл. Такая форма раковин свидетельствует о возникновении в стержне паровоздушной смеси, которая пробила корку затвердевшего металла и сгруппировалась в его жидкой зоне. На рис. 2 представлено в увеличенном виде распределение раковин по поверхности кромки отливки, где с правой стороны видна подкорковая раковина, объединяющая сеть мелких раковин. Сама кромка имеет ширину не более 10 мм.

Рис.1 Отливка «Крышка» с дефектами

Рис.2 Фрагмент отливки «Крышка» с мелкими газовыми раковинами

Анализируя этот дефект с использованием визуально-логической модели, которая в цветном виде приведена в [4], можно отметить, что:

поверхность раковин гладкая светлая блестящая;
диаметр пор от 0,2 до 0,8 мм при различной длине (до 3 мм) проникновения в металл в виде свищеобразных каналов;
располагаются раковины у поверхности отливки;
на небольшой глубине обнаружены увеличенная по размеру раковина, возникшая в результате скопления газа из мелких свищеобразных раковин.

Следовательно, рассматриваемый дефект является раковиной гладкой светлой блестящей, подкорковой.

Рассмотрим этапы возможного формирования определенной газовой раковины путем определения причинно-следственных связей [4]. Проведенный анализ возникновения дефекта показывает, что данные раковины (рис. 2) образовались на той поверхности отливки, которая находится рядом со стержневым знаком (первый этап). В свою очередь стержневой знак входит в контакт с поверхностью знака формы из влажной песчано-глинистой смеси (второй этап). В результате длительной выдержки стержневого знака в знаке формы, происходит миграция влаги из формовочной смеси в стержень (третий этап). Это способствовало увлажнению стержней от знака с распространением на рабочую поверхность стержня, где и расположена исследуемая кромка отливки (четвертый этап). При заливке формы металлом происходит образование паровоздушной смеси и проникновение ее через корку затвердевшего металла в подкорковую область отливки с образованием увеличенной светлой газовой раковины (пятый этап). Следовательно, соединительным звеном между разновидностью дефекта и причиной его возникновения служит место увлажнения стержня от влажной смеси и возникновение раковины.

Для лучшего восприятия этапов возникновения дефекта, используем анимационный процесс формирования дефекта на протяжении цикла изготовления отливки. На рис. 3.а приведена форма в сборе, где в правой части представлена исследуемая отливка. Форма изготовлена из влажной песчано-глинистой смеси, стержень - из смеси песка с лигносульфонатом.

Рис.3.а Начальная стадия формирования раковины светлой гладкой блестящей, подкорковой. Справа - отливка с дефектом

С правой стороны рисунка приведена изготавливаемая отливка и ее фрагменты с дефектом. Сочетание негативных элементов литейной формы (влажная смесь и стержневой знак из смеси с гигроскопичным связующим) будем считать первым этапом формирования дефекта. На рис. 3.б можно увидеть продвижение процесса формирования дефекта. От контакта поверхностей знаков формы и стержня произошло продвижение влаги вглубь знака стержня и на его рабочую поверхность. Это второй этап условий возникновения дефекта. Третьим этапом является контакт залитого металла с увлажненной рабочей поверхностью стержня. Это можно увидеть на рис. 3.в. В этот момент происходит миграция влаги в глубинные слои стержня и создание переувлажненного слоя. Длительность этого этапа в секундах. При дальнейшем контакте жидкого металла наступает четвертый этап формирования дефекта - интенсивное парообразование переувлажненного слоя смеси с продвижением паровоздушной смеси в толщину металла в виде свищеобразных каналов. Рассмотренный этап представлен на рис. 3.г, где простреленные каналы в корке металла просматриваются от начала увлажненной поверхности стержня вглубь металла. Завершающий этап формирования дефекта представлен на рис. 3.д, где показано образование укрупненных подкорковых раковин из целой серии мелких свищевидных раковин.

Рис.3 б Этап увлажнения стержня от формовочной смеси через знаки

Рис.3.в Этап заполнения формы металлом и его контакт с влажной поверхностью стержня

Рис.3.г Этап формирования свищевидных каналов от паровоздушной смеси\

Рис. 3.д Этап образования раковин подкорковых

Изучая представленные фрагменты анимации можно отметить, что этапы формирования дефектов отливок можно разделить на технологические и производственные. К технологическим этапам формирования светлых гладких подкорковых раковин, заложенным при разработке проекта, относятся следующие материалы и технологические параметры:

лигносульфонат с повышенной гигроскопичностью в качестве связующего для изготовления стержней;
широкий интервал влажности формовочной смеси.

К производственным этапам формирования дефекта в данном случае относятся:

длительная выдержка собранных со стержнями форм перед заливкой;
колебания влажности формовочной смеси в сторону увеличения.

Рассмотренный на рисунках путь возникновения дефекта можно повторить при помощи поэтапного определения условий формирования дефекта, т.е. выявлением цепочек причинно - следственных связей. Цепочки состоят из следующих этапов технологического процесса: -> выдержка собранной влажной формы более 2-х часов -> увлажнение стержневого знака из гигроскопичной смеси от влажной формовочной смеси -> проникновение влаги через знак стержня на его рабочий участок -> испарение влаги при контакте заливаемого металла с переувлажненным участком стержня -> проникновение паровоздушной смеси через корку металла в полость отливки -> образование светлой подкорковой раковины.

Составленные цепочки причинно-следственных связей используются в накопительной базе данных «Тренажера для бездефектного изготовления отливок» совместно со своими фотографиями для возможного использования их при ликвидации аналогичных дефектов.

Рассмотрим кратко вариант образования светлых гладких газовых раковин, но уже со стороны формы на отливке «Фланец» (рис. 4).

Рис.4 Отливка «Фланец» со свищевидными раковинами на опорной поверхности со стороны формы

Данный дефект определенное время не поддавался распознаванию в связи с отсутствием у работников завода информации о разновидностях литейных дефектов [4]. Исследования по выявлению и ликвидации рассматриваемого порока отливки проводились следующим образом. На рис. 5 представлена наружная поверхность отливки с мелкими свищевидными газовыми раковинами, образованными со стороны формы. Обычно свищевидные раковины возникают при большом давлении газа или паровоздушной смеси. Следовательно, необходимо определить цвет поверхность раковин, чтобы установить направление в определении разновидности дефекта. Если раковины светлые или ржавые от длительного нахождения на открытом воздухе, то они образовались от паровоздушной струи при избытке влаги в форме. Окисленная поверхность раковин свидетельствует о повышенном давлении газа при сгорании органических связующих в формовочной смеси. На рис. 6 приведен фрагмент отливки с местом вырубки поверхности с раковинами для дальнейшего исследования.

Рис.6 Часть отливки с вырубленной поверхностью

Срубленная поверхность отливки представлена на рис. 7, где отчетливо видны конусные формы корки, началом которых являются мелкие отверстия наповерхности отливки. Поверхность срубленной корки покрыта ржавчиной, что свидетельствует о присутствии влаги в месте складирования отливок. Следует отметить, что окисленные раковины ржавчиной не покрываются. Покрытие ржавчиной не только поверхности светлых газовых раковин, но и поверхности между раковинами, свидетельствует об увеличенной по размеру раковины, образованной большим количеством паровоздушной смеси из множества мелких отверстий.

Рис.7 Внутренняя сторона срубленной корки отливки с коническими раковинами

Как известно [4], такие раковины образуются в результате увлажнения поверхности формы, интенсивного парообразование влаги при контакте с металлом и последующим прониканием паровоздушной смеси через корку металла в жидкий расплав с возможным образованием, как в данном случае, увеличенной подкорковой газовой раковины.

Рассмотрим этапы формирования дефекта. Влажная поверхность формы, от которой были сформированы раковины, представляла химически твердеющую смесь, которая при изготовлении формы не имела обильного содержания влаги (первый этап). На поверхность химически твердеющей смеси насыпалась облицовочная смесь с последующем уплотнением. Процесс производства был в летнее время года, оборотная смесь не успевала охладится из-за недостатка бункеров-отстойников и поступала в смесители в горячем состоянии (второй этап). Для охлаждения смеси при ее приготовлении заливалась повышенная доза воды, которая не успевала испариться до ее использования в производстве (третий этап). Переувлажненная смесь засыпалась в форму на поверхность химически твердеющей смеси, где происходила миграция влаги к рабочей поверхности формы (четвертый этап). При контакте влажной поверхности формы с заливаемым металлом происходило образование светлых свищевидных газовых раковин (пятый этап).

Изучение проведенных исследований совместно с информацией в [4], позволят литейщикам быстро определять разновидности светлых газовых раковин и устанавливать способы их ликвидации. При затруднении в ликвидации дефектов и оказании помощи в этом, можно обращаться в Ассоциацию литейщиков Украины к Быстрову Юрию Александровичу по адресу: Тел/ф. +38(0562) 31-42-89; моб. 0988045852; E-mail: u.a.bys56@mail.ru или к профессору Воронину Юрию Федоровичу по адресу:

электронная почта: voronin@vstu.ru .

Тел. раб. 8(8442) 24-84-92, тел. моб. 8-919-795-2788. По «Skype» логин: voronin_yu.f.

Литература:

1. Прангишвили И.В. и др. Поиск подходов к решению проблем. – М.: СИНТЕГ, 1999.

2. Прангишвили И.В. Системный подход и общесистемные закономерности. — М.: СИНТЕГ, 2000. — 528 с.

3.Воронин Ю.Ф., Камаев В.А. Синтез процессов повышения качества литья. Монография, 2 тома. – М.: «Машиностроение», 2009. – 313с.

4. Воронин Ю.Ф. Система определения и ликвидации светлых газовых раковин в отливках из чугуна и стали: Учебное пособие с грифом Минвуза, цветное, ф. А4 / Волгоградский государственный технический университет, 2010. 154 с.

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №10 (158) 2013 г.