Технология изменения цвета огнеупорного покрытия как инструмент контроля качества

АННОТАЦИЯ

На сегодняшний день, в условиях непрекращающегося изменения литейных технологий, при обсуждении огнеупорных покрытий покрытия на водной основе становятся базой. Главная задача, с которой литейные предприятия сталкиваются при переходе с покрытий на основе растворителя на специально разработанные современные покрытия на водной основе - выбор эффективного метода качественной оценки контроля полного высыхания покрытия. Ранее полагались на то, что печь для сушки стержней/форм работает эффективно и заданые параметры обеспечивали полное высыхание покрытия перед последующей заливкой. Этот процесс является определяющим для предотвращения серьезных дефектов, таких как пригар, образование ужимин и пористость, которые могут возникать при использовании влажного покрытия.

Сегодня доступны новые технологии, которые могут помочь литейным предприятиям не только контролировать высыхание покрытия, но и оптимизировать параметры технологического процесса, снижая тем самым затраты на очистку литья, а следовательно, и увеличенивая чистую прибыль. Ранее огнеупорные покрытия использовались лишь для улучшения качества поверхности отливки, сегодня становится возможным также использовать их как инструмент контроля качества, исключая догадки и предположения при нанесении покрытия и его сушке.

Эта статья объясняет как использовать новую технологию, содержит картинки и реальные примеры того, как эта технология может быть использована в качестве диагностики контроля качества.

ВВЕДЕНИЕ

Огнеупорные покрытия используются на протяжении десятилетий для защиты песчанных стержней и форм от возникновения дефектов при заливке металла, таких как пригар, ужимины, размыв и др. В большинстве случаев такие слагаемые литейного производства считались "заплаткой", помогающей устранить недостатки, существующие при формовке. Хорошо известно, что даже лучшее покрытие не сможет улучшить плохо изготовленный стержень или форму, также как и свежий слой краски никогда не улучшит гнилое дерево. Поскольку литейное производство продолжает двигаться вперед, становится крайне важным, чтобы потребляемые материалы типа огнеупорных покрытий делали бы больше, чем просто выполняли роль "заплаток".

Производительность и контроль качества литья - вот главные барьеры литейных предприятий, которые необходимо преодолеть для того, чтобы понять действительную экономию и стать более конкурентноспособными на глобальном рынке литья. В большинстве случаев литейщики рассматривают улучшение процесса изготовления форм и стержней, исследования песка, уплотнения смеси, химического состава металла и температуры заливки в качестве методов контроля и улучшения качества конечной отливки. В некоторых случаях проблемы типа недостаточной плотности форм/стержней и остаточной влаги в форме достаточно трудно, а иногда и невозможно, определить и контролировать. Сейчас, в условиях, когда мы постоянно совершенствуем технологии покрытий, для определения подобных проблем мы можем предложить рассмотреть возможность использования специально разработанных огнеупорных покрытия в качестве инструмента контроля качества.

При использовании покрытий на водной основе полное высыхание покрытия является критическим параметром, отвечающим за отсутствие влаги в форме на момент заливки. Если же при заливке в форме окажется влага, то результатом могут быть газовые дефекты и пористость в отливке, которые могут привести к забраковыванию отливки. Использование покрытия, которое показывает момент полного высыхания - ответ на эту многолетнюю проблему. Эта новая технология позволяет визуально убедиться в том, что покрытие высохло и форма может быть без последствий передана на заливку. Данная технология также может помочь идентифицировать участки формы/стержня с недостаточной плотность, поскольку такие участки будут впитывать больше влаги из покрытия и, следовательно, потребуется больше времени для их высыхания. Такое очевидное изменение цвета в зависимости от водержания влаги позволяет огнеупорным покрытиям не только выступать в качестве барьера между металлом и формой, но также играть роль диагностики качества.

УЛУЧШЕНИЕ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА

В роли дополнительного аспекта качества новой технологии выступает лучшая индикация степени разбавления покрытия, т.е. при добавлении большего количества воды в покрытие процесс изменения цвета будет проходить медленнне, чем обычно, при условии, что сушильная печь работает правильно и известно среднее время цикла сушки.

В случаях, когда требуется многослойное нанесение огнеупорного покрытия (например, для толстостенных чугунных или стальных отливок), использование покрытия с изменением цвета позволит оператору понять, когда высох первый слой и покрытие готово для нанесения следующего. Такая функциональная особенность может оказывать положительное влияние на устранение связанных с содержанием влаги дефектов. Во многих случаях внешний вид после высыхания обычного покрытия может быть обманчивым, возможно наличие остаточной влаги в покрытии или под толстыми слоями покрытия [1].

Возможность снижения время цикла вследствие определения момента полного высыхания форм и стержней позволяет улучшить качество литья, производительность, уменьшить брак и энергозатраты. Ухудшение стержня из-за применения огнеупорного покрытия и последующей сушки для удаления жидкости может иметь большое значение на потерб прочности стержнем с течением времени. Чем больше требуется времени для удаления влаги из стержня (особенно для стержней, изготовленных по технологии Coldbox) путем сушки, тем пагубнее это сказывается на прочности стержня и способности обращения с ним [2]. Один только этот факт показывает всю важность полного высыхания покрытия и возможность определения момента когда это произошло.

Ранее некоторые огнеупорные покрытия слегка изменяли оттенок цвета при переходе от влажного к сухому. Описанная в этой статье технология отличается явным изменением цвета (например, из красного в желтый или из пурпурного в желтый), что является показателем того, что влага испарилась из стержня и/или формы. Ниже приведены лабораторные исследования сушки образца, на котором было опробовано это новое технологическое достижение, далее приведен реальный пример из мировой практики, показывающий влияние применения подобного огнеупорного покрятия на обычную литейную практику.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Лабораторные испытания были проведены для того, чтобы показать как удаление влаги из покрытия проявляется на эффекте визуального изменения цвета покрытия. Стандартный образец обычного 100% цирконового покрытия в виде суспензии, содержащего компоненты технологии изменения цвета, был разбавлен до нормального значения Боме и содержания твердого остатка, 80оВе и 71.8% твердого соответственно. Песчаный образец для покраски был изготовлен по технологии Coldbox на основе феноло-уретановой смолы из стандартного озерного песка 50GFN. Стержень был взвешен без покрытия, после этого путем окунания помещен в покрытие на 6 секунд (3 секунды - опускание, 3 секунды - извлечение), затем снова взвешен и высушен с трех минутным интервалом (Таблица 1). Сушка образца осуществлялась в лабораторной конвекционной печи с принудительной подачей воздуха при температуре 150'С. Во время сушки стержень взвешивался каждые три минуты с целью измерения количества удаленной из покрытия влаги, образец фотографировали для отслеживания изменения цвета. Для обеспечения полного высыхания образца, сушка проводилась до тех пор, пока три последних показания массы высушенного стержня не повторились.

Для того, чтобы определить общее количество влаги в образце и процентное остаточное содержание влаги в образце во время сушки, были сделаны несколько расчетов. Во-первых, необходимо определить общую массу влажного и высохшего покрытия на образце. Общяя масса влажного покрытия на стержне определялась путем измерения разницы между массой образца после окунания и массы образца до окунания. Это можно представить в виде следующей формулы:

Wвл=С2 (масса образца после окунания) - С1 (масса образца до окунания) = 169,65 - 163,71= 5,94 гр.

Общая масса покрытия после высыхания определяется следующим образом:

Wсух = C8 - C1 = 167,69 - 163,71 = 3,98 гр.

С8 показывает общую массу образца после полного высыхания. Тогда общее количество влаги, абсорбированное стержнем, можно легко определить исходя из следующей формулы:

W влага = Wвл - Wсух1 = 5,94 - 3,98 = 1,96 гр.

Таким образом, общее количество влаги, которое стержень смог абсорбировать, составляет 1.96 грамм. Зная абсорбированное количество влаги можно рассчитать общую массу влаги, оставшуюся в стержне после каждого интервала сушки, следующим образом:

Мобщ = CN - C1 - Wсух

CN показывает массу образца в любом интервале сушки. Результаты определения Мобщ можно найти в Табл. 1. Содержание остаточной влаги (%) в образце (Мост) в любом интервале сушки может быть определено из соотношения Мобщ/Wвлага, результаты которого приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Масса образца (СN) и соответствующее количество остаточной влаги (Mобщ и Мост) в стержне во время сушки

На рис.1 приведен график, показываюший связь между фазами изменения цвета покрытия и степенью его высыхания. Цифрами на графике показаны этапы сушки образца в печи (по Таблице 1).

Рис. 1. Влияние содержания влаги на изменение цвета огнеупорного покрытия

Это один из примеров использования технологии изменения цвета покрытия на определенном песке и связующей системе в лабораторных условиях. Различные пески и связующие системы могут иметь разные значения поверхностного натяжения, поэтому смачивание и проницаемость при использовании одного и того же покрытия может варьироваться в зависимости от конкретных процессов изготовления форм и стержней. Эти различия могут влиять на количество впитываемой воды и, как следствие, на время, необходимое для полного высыхания формы или стержня. Время, затрачиваемое на сушку, или метод сушки (на воздухе, горелкой, в печи и т.д.) не влияют на процессы изменения цвета, а влияют только лишь на временные рамки, в которых такое изменение протекает.

ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОКРЫТИЯ С ТЕХНОЛОГИЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ ЦВЕТА НА ЛИТЕЙНОМ ПРЕДПРИЯТИИ

Выбранное для проведения экспериментов литейное предприятие производит стальные лопастные колеса (крыльчатки), используя для этого фенол-уретановый no-bake процесс. Ниже приводится сравнение использования обычного цирконового огнеупорного покрытия с новым процессом использования цирконового огнеупорного покрытия изменяющего цвет по высыханию, что позволяет контролировать качество технологического процесса.

Предыдущий процесс применения покрытия

Ниже приведено описание процессов нанесения и сушки цирконового огнеупорного покрытия на водной основе, а также приведен пример качества поверхности отливки.

Нанесение предыдущего огнеупорного покрытия

Метод нанесения покрытий, использующийся на выбранном литейном предприятии - облив. Использование высокоогнеупорного покрытия, способного проникать в полости формы является крайне необходимым фактором для получения качественных отливок. Предыдущие попытки наносить покрытие распылением или кистью на участки формы с тонкими канавками приводили к плохому качеству литья, которое было не допустимо. Для нанесения на формы такого типа покрытия методом облива необходимо, чтобы покрытие распределялось равномерно, и в то же время имело имело достаточную вызкость для удаления остатков с поверхности формы во время сушки.

На формовочной линии производятся формы с размерами от 24"x30" до 36"x40". Формы на основе фенол-уретановой смолы изготавливаются с помощью шнекового смесителя непрерывного действия и затем передаются на участок окраски. Формы поднимаются на участке покраски с помощью манипулятора, покрытие наносится методом облива. Остатки покрытия стекают с формы в поддон, после чего покрытие используется повторно, а формы передаются на участок сушки.

Сушка стандартных огнеупорных покрытий

После того, как покрытие нанесено на формы, а излишки покрытия стекли, формы подаются на участок сушки, где они помещаются под одно из четырех тепловых сушил, чтобы удалить всю влагу из покрытия перед сборкой форм и передачей их на заливку. Стандартная процедура сушки при использовании обычных огнеупорных покрытий состояла в оставлении форм под сушилами на два цикла по 12 минут каждый (24 минуты всего). В зависимости от размера форм, покрытие на некоторых формах выглядело сухим после первого цикла сушки, но для того, чтобы быть уверенным в том, что покрытие полностью высохло, операторы обычно использовали два цикла сушки. Иногда некоторым крупным формам для сушки требовалось больше, чем два полных цикла. Как только оператор убеждался, что формы полностью высохли, формы передавались на участок сборки и заливки. Необходимо отметить, что на большинстве литейных предприятий, включая это, отсутствует какой-либо метод определения полного высыхания форм или стержней. Как правило степень высыхания покрытия определяется оператором. При использовании обычных покрытий степень высыхания можно определить по изменению оттенка покрытия, но в условиях недостаточного освещения такой метод не является практичным для определения такой важной характеристики как влага в форме.

Исправление дефектов при использовании стандартного покрытия

В связи со сложной геометрией форм, для оператора было сложно определить высохло ли покрытие в месте "лопасти" форм крыльчаток. В случае, когда влажное покрытие попадает на заливку, это приводит к возникновению различного рода дефектов, преимущественно пористость или газовые дефекты, вызванные испарением влаги при температурах заливки (рис.2). Такой тип дефекта не всегда приводил к забраковыванию отливки, однако требовалось время и силы для его исправления. Следует также вспомнить о потенциальной стоимость износа оборудования, применяющегося для механической обработки, которое используется для исправления подобных дефектов. Все эти дополнительные усилия и затраты могут сделать процесс изготовления литья экономически невыгодным.

Рис. 2. Дефект, связанный с использованием влажного покрытия

Новый процесс применения покрытия (покрытие с изменением цвета)

После того, как данное литейное производство начало использовать новое цирконовое огнеупорное покрытие с функцией изменения цвета, были также собраны данные по производству таких же отливок стальных лопастных колес (крыльчаток).

Нанесение нового покрытия

Метод нанесения покрытия остался тем же, что и при использовании обычного покрытия. Единственным значительным отличием было более равномерное распределение покрытия с минимальным количеством потеков и капель, что достигалось за счет хороших реологических свойств покрытия, а не технологии изменения цвета. Главное отличие во внешнем виде - изначальный цвет покрытия, новое покрытие имело ярко пурпурный цвет, который был прекрасно виден на темных формах.

Сушка покрытия с изменением цвета

Преимущества новой технологии начали проявляться вскоре после того, как окрашеные формы были помещены под сушила и начался процесс сушки. В сушилах с испарением влаги цвет покрытия начал изменяться от пурпурного до ярко желтого. На рис. 3, 4 и 5 показан переход от влажного до полностью высохшего покрытия.

Рис. 3. Нанесение покрытия с технологией изменеия цвета (влажное)	Рис. 4. Нанесенное покрытие с технологией изменеия цвета (в процессе сушки)

Вследствии визуального, основанного на изменении цвета, контроля момента высыхания покрытия, оператор теперь уверен, что он может передавать собранные формы на заливку и дефекты, связанные с недостаточно высохшим покрытием, не возникнут. Операторы на данном литейном производстве уменьшили цикл сушки на 50% (с 24 минут до 12), поскольку они точно определяли момент высыхания формы, поэтому дополнительный цикл сушки, "чтобы быть уверенным", не требовался. Это привело не только к уменьшению энергозатрат при сушке, но также и к увеличению производительности. Данное предприятие за счет использования нового покрытия сумело увеличить производство форм на 8 штук в день, что равносильно увеличению выпуска продукции примерно на 20-25%.

Рис. 5. Нанесенное покрытие с технологией изменеия цвета (после полного высыхания)	Рис. 6. Отливка после использования покрытия, изменяющего цвет

Применение нового покрытия не ограничено использованием только лишь конвекционной сушильной печи. Новое покрытие будет работать также хорошо и при сушке на воздухе или с использованием горелки, данные процессы используются на некоторых литейных предприятиях для сушки форм и стержней. Также возможности применения такой технологии не ограничиваются только лишь покрытиями с высоким содержанием циркона в качестве огнеупорного наполнителя, фактически, любое покрытие, за исключением покрытий, содержащих значительное количество графитового или огнеупорного наполнителя темного цвета, может содержать данную инновацию.

Исправление дефектов при использовании нового покрытия

После того, как предприятие поменяло способ нанесения покрытия с распыления/кисти на облив, уменьшение затрат на исправление дефектов составило 40%. Затем, после перехода на новое покрытие, было достигнуто дополнительное снижение затрат на исправление, которое составило 12% с одной отливки, в основном за счет уменьшение дефектов, связанных с использованием влажного покрытия (рис. 6).

Тот факт, что оператор мог использовать покрытие как инструмент диагностики качества для определения степени влажности покрытия после одного цикла сушки, привел не только к снижению затрат на 50% при использовании газа в сушилах, но также и к ощутимой экономии при очистке литья.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Сегодня, когда наблюдается беспрецедентное давление со стороны иностранных конкурентов, стоимость сырья высока, жестко ставятся вопросы, связанные с экологией, появилась потребность найти "извне" пути улучшения качества литья и производительности. Поскольку мы пытаемся улучшить типичные сферы литейного производства, такие как процесс изготовления форм и стержней, заливка и очистка, нам также необходимо получать больше из тех слагаемых литейного производства, которые мы уже имеем сейчас.

Это только один пример того, как обычный продукт, изначальное предназначение которого состоит в предотвращении пригара и получения гладкой поверхности, сейчас может быть использован как инструмент контроля качества, который обеспечивает преимущества в нескольких направлениях. Уменьшение энергозатрат, уверенность в том, что форма полностью высохла, а также снижение затрат на исправление дефектов - это только лишь немногие преимущества, продемонстрированные с использованием новой технологии изменения цвета покрытия на литейном предприятии.

Есть другие направления, которые требуют изучения, успех на которых может определить дальнейшее распространение и срок жизни литейной промышленности. Литейщикам необходимо требовать больше от того, что считалось стандартным или "нормой". Открытие всего "нестандартного" позволит нам быть более конкурентноспособным в будущем при производстве литья.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Авторы хотят поблагодарить сотрудников Goulds Pumps (Ashland, PA) за их помощь в работе над этой статьей. Отдельно хотели бы поблагодарить Tim Matthews и Stacey Clifford из Ashland Casting Solutions за их помощь в сборе важной информации и данных для этой статьи.

ССЫЛКИ

1. Vingas, G.J., "Mold and Core Coatings: Past, Present, and Future", AFS Transactions, vol 94, p 469 (1986)
2. Guyer, O.B., Adamson, W., Cieplewski, J., Rebholz, K.W., Willkomm, R., "Exploring the Effect of Water Solutions on Coldbox Core Strength", Modern Casting (1999), vol 89 (10), pp 30-32

По всем интересующим вопросам обращайтесь в компанию Ashland Casting Solutions, [Россия, 197101, г. Санкт-Петербург, ул. Чапаева, 15; тел.: +7 (812) 332-56-04; факс: +7 (812) 332-56-05] или к дистрибьютеру Ashland Casting Solutions - ООО "Ц-Л Украина" [Украина, 61020, г. Харьков, ул. Калинина, 31; т.: +38 (057) 783-32-77; ф.: +38 (057) 783-32-73].

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №5 (93) 2008 г.