Вспомним забытые технологии: формы из жидкостекольных смесей, отверждаемые на воздухе и при помощи переносных колпаковых газовых или электровентиляторных сушил

Уважаемые читатели!

Не сочтите нас ретроградами за то, что мы предлагаем Вам оглядываться назад, на забытые технологии.

Использование забытых технологий — это способ выжить в условиях жесточайшего кризиса, охватившего экономику Украины, в том числе литейное производство, одну из основ машиностроения.

Использование старых технологий — это временное явление, позволяющее пережить упадок и включиться в поток поступательного технического развития.

Лучше что-то делать, чем сидеть сложа руки в ожидании, что технический процесс сам придет к нам.

В рамках рубрики «Вспомним забытые технологии» мы предлагаем Вам ознакомиться с вариантом жидкостекольных технологий формообразования, когда отверждение форм осуществляется естественной сушкой в цеховом помещении и переносными колпаковыми газовыми или электровентиляторными сушилами.

В нашей предыдущей публикации под рубрикой «Вспомним забытые технологии» мы уже определили место жидкостекольных технологий в общем спектре литейных технологий формообразования.

Мы констатировали принципиальную неприменимость жидкостекольных смесей (далее ЖС) в сыром состоянии во время заливки форм металлом из-за высокой предрасположенности форм к образованию дефектов типа ужимин, песочных раковин и засоров в отливках.

Во избежание образования вышеупомянутых дефектов форма должна упрочняться.

Первый и наиболее распространенный способ отверждения ЖС углекислым газом мы описали в «Литье Украины» № 1 за 2016 г. [1].

Для отверждения форм, облицованных ЖС, литейной практикой, кроме общеизвестного СО₂-процесса, разработано несколько вариантов тепловой сушки. Очень важным элементом тепловой сушки, кроме высокой прочности, является отсутствие влаги, ибо влага в любом ее виде неприемлема для качества литья. Влага и расплавленный металл несовместимы. При заливке металла в сырую форму происходит мгновенный тепловой удар, в результате чего каждый кубический сантиметр воды мгновенно превращается в 539 см³ насыщенного или перегретого пара. Это своего рода внезапное извержение множества микровулканов. И то обстоятельство, что технология производства отливок в сырой форме издавна существует и прочно утвердилась в гамме современных литейных технологий формообразования, обусловлено прежде всего оптимизацией свойств песчано-глинистых смесей (далее ПГС) и хорошими технологическими решениями по литниковым системам и выводу паров и газов из заливаемой и залитой литейной формы. Этой технологии мы под рубрикой «Вспомним забытые технологии» посвятили отдельную публикацию [2].

Отверждение ЖС-форм провяливанием на воздухе в цеховом помещении - самый дешевый и в то же время наихудший с точки зрения качества отливки вариант тепловой сушки. Его краткая суть состоит в следующем. Изготовленные полуформы с просветами по высоте 150-200 мм выставляются на плац и выдерживаются в течение суток. При средней относительной влажности воздуха (далее W_отн) 70% и его температуре (далее Т) 20°С влажность (далее W) поверхностного слоя толщиной 15-20 мм снижается с 3 до 1,45%. Процесс провяливания и соответственно упрочнения форм тем интенсивнее, чем ниже W_отн. и наоборот: чем выше W_отн, тем хуже идут сушка и тем выше получается W_отн. поверхностного слоя, формы.

Как при этой, так и при более высокой W(до 2%) поверхность формы кажется очень твердой и прочной. Однако это иллюзия. Через 3 ч после сборки формы при открытых ее прибыльных частях W_отн в ее полости и достигла 94%, а Wповерхностного слоя возросла до 1,68%. В этом случае имела место миграция влаги к поверхности из глубины формы, а также ее поступление из увлажненного воздуха полости формы. Отливка лопатки направляющего аппарата гидротурбины массой 2 т, изготовленная в такой форме, была сплошь поражена ужиминами.

Особенность отвержденной на воздухе ЖС (модуль 2,25 — 2,35) состоит в том, что при увеличении ее влажности до 2,1 — 2,2% она уже при комнатной температуре приобретает нулевую прочность. Чем выше модуль жидкого стекла тем выше порог этой влажности и наоборот. При заливке форм металлом с небольшой остаточной влажностью 1,45% достаточно несколько секунд для мгновенного образования зоны конденсации влаги (далее ЗКВ) в поверхностном слое формы, что приводит к массовому браку по ужиминам.

Степень высыхания поверхности формы при ее проявлении при постоянстве Т всецело зависит от W_отн воздуха.

Проведенные нами ранее эксперименты показали примерное совпадение W_отн воздуха и максимального объема брака отливок по ужиминам.

На основании вышеописанных исследований и экспериментов констатируем полную непригодность технологии провяливания форм из ЖС в атмосфере цеха. Эту технологию можно ограниченно использовать для упрочнения форм при изготовлении мелких отливок массой до 500 кг лишь в отдельные периоды года при W_отн воздуха не более 60%.

Абсолютно надежным техническим решением, гарантирующим полное отсутствие ужимин на отливках, является тепловая сушка форм из ЖС, которую мы условно разделяем на две части — поверхностную тепловую сушку (далее ПТС) и нормальную тепловую сушку (НТС) в камерных сушилах. ПТС можно рекомендовать для производства отливок массой до 3 т. Для производства более крупных отливок надо использовать НТС, которая возможна в камерных сушилах, а также в отдельных случаях при помощи переносных колпаковых газовых (далее ПКГС) или электровентиляторных сушил (далее ПКЭС).

В этом случае главным фактором предупреждения ужимин является отсутствие влаги в поверхностных слоях формы и связанного с нею образования ЗКВ.

Выбор ПТС или НТС зависит от единичной массы отливки и продолжительности хранения подсушенных форм до их сборки и в собранном состоянии.

При ПТС важную роль играет Т газов, являющихся сушильными агентами, а также взаимосвязь между толщиной высушиваемого слоя и продолжительностью сушки форм при заданной Т газов.

Для определения оптимальной Т газов и продолжительности сушки форм по специальной методике проведен эксперимент с определением послойной влажности формы на разных глубинах через 3 и 24 ч после окончания сушки.

Исходная WЖС-облицовки составляла 3%. Сушка при помощи ПКГС продолжалась 105 мин. Т газов газовой горелки составляла 1200°С, газов в полости формы — 300°С. Для снижения температуры газов до 300°С использовался сжатый воздух воздушной магистрали цеха.

Выбор Т сушки 300°С был обусловлен как порог начала растрескивания высушиваемой формы. Более подробное объяснение влияния Т на растрескивание поверхности ЖС-формы мы дадим в нашей следующей публикации.

Толщина каждого слоя составляла 10 мм, всего слоев 7, наибольшая глубина контролировавшейся сушки составила 70 мм.

Влажность различных слоев формы через 3 и 24 ч после окончания поверхностной сушки в течение 105 мин приведена в таблице при исходной влажности облицовочной смеси 3%, из которой видно, что зона максимальной влажности располагается примерно на расстоянии 60 мм от поверхности сушки.

Послойная влажность формы после сушки

Температура сушки 300°С выбрана из соображения оптимальной скорости сушки, с одной стороны, и предупреждения растрескивания поверхности формы, с другой стороны.

В процессе последующей выдержки формы в течение 24 ч влага из зоны конденсации переместилась как вглубь, так и в направлении поверхности сушки. Определение послойной влажности через 24 ч показало, что форма на всю глубину сушки была сухой и прочной. При влажности слоя IV1,12% смесь обладала прочностью на разрыв примерно 8-10 кгс/см². Таким образом, выдержка формы в ожидании сборки и в собранном виде в течение 24 ч не опасна в отношении разупрочнения и образования ужимин и других дефектов поверхности отливки. Сравнительно небольшие формы (развес литья до 500 кг) в течение 25-30 мин высушивались на глубину 15 мм. Более крупные формы (развес литья от 500 до 1000 кг) высушивались в течение 40-50 мин. Крупные формы (развес литья от 1000 до 3000 кг) в течение 90 мин высушивались на глубину 28-32 мм.

Как известно [3], ужимины чаще всего образуются в момент заполнения формы металлом. Причем толщина отслаивающейся корки незначительна и в редких случаях достигает 10 мм.

Главным средством осуществления тегнологии ПТС являются ПКГС или аналогичные ПКЭС, описанные в нашей публикации [4].

Источником тепла при сушке форм при помощи ПКГС являются продукты горения природного газа, разбавленные холодным воздухом с целью обеспечения заданной температуры сушки. Разбавление горячих газов осуществляется вводом в полость высушиваемой формы сжатого воздуха от цеховой воздушной сети. При использовании ПКЭС источником тепла является электричество.

Существенной особенностью тепловой сушки из ЖС является ограничение температуры сушки — не более 300°С, так как при более высоких температурах снижается прочность ЖС и происходит уже упоминавшееся растрескивание поверхностей стержней и форм.

Располагая несколькими ПКГС, например для полуформ в опоках с размерами в свету 900х1200; 1200х1600; 1600х2000 мм, можно сушить также полуформы больших размеров, например 2000х3000 мм. Для этого нет необходимости конструировать и изготавливать специальные ПКГС. Для сушки полуформ больших типоразмеров, а также любых других полуформ с типоразмерами, отличными от вышеперечисленных, можно использовать ПКГС одного из вышеупомянутых типоразмеров. Для этого достаточно изготовить переходную рамку, нижняя плоскость которой должна стыковаться с полуформой другого (нестандартного) типоразмера, а верхняя — с нижней плоскостью ПКГС одного из имеющихся типоразмеров. Высоты таких рамок надо выдерживать в пределах 150-200 мм.

Переходные рамки следует оснащать гладкообработанными опочными фланцами и цапфами для их плотной стыковки с ПКГС и транспортирования.

Для реальной сушки форм при помощи ПКГС нами отработаны 3 режима при общей продолжительности сушки 30, 60 и 90 мин соответственно. Исполнение этих режимов обеспечивает толщину сушки на 15-18, 23-25 и 28-32 мм соответственно.

Важной особенностью тепловой сушки форм из ЖС является увязка ее с окрашиванием.

Обычно при изготовлении стальных отливок с толщинами тел 30-60 мм формы можно не окрашивать. При изготовлении тонкостенных (толщина стенок 15-25 мм), толстостенных стальных отливок (толщины стенок более 60 мм) и чугунных отливок независимо от толщин стенок формы следует окрашивать. Объяснение этого феномена дано в нашей предыдущей публикации [1].

Полуформы в сыром состоянии (до сушки) можно также окрашивать водными красками. На этот счет имеется положительный опыт ГП «Электротяжмаш» (г. Харьков), сталелитейных цех которого в течение многих десятилетий использует только жидкостекольные технологии.

При окрашивании полуформ водными противопригарными красками эту операцию все же лучше производить после сушки и остывания форм до 70-80°С. Если имеется необходимость двукратного окрашивания, то второе окрашивание производить после высыхания первого красочного слоя. В обоих случаях красочный слой высыхает за счет остаточного тепла полуформы.

Высушенные полуформы можно окрашивать также быстросохнущими (спиртовыми) красками после их охлаждения до + 30...+40°С. Провяленные формы следует окрашивать только спиртовыми или другими быстросохнущими красками.

Как водные, так и быстросохнущие противопригарные краски можно наносить на полуформы кистью или пульверизатором.

Технологически вполне приемлемым является вариант тепловой сушки полуформ из ЖС, подвергшихся предварительно отверждению углекислым газом под зонтами. Однако с экономической точки зрения делать это не следует, так как тепловая сушка форм при помощи ПКГС обеспечивает сушку полуформ на такую же и даже на большую глубину, чем и при использовании СО₂-процесса. Однако в реальном производстве могут быть какие-то исключительные случаи, например необходимость производства высококачественных отливок из кислотостойких и нержавеющих сталей, когда присутствие влаги в отвержденной СО₂ форме недопустимо. В этом случае можно использовать отверждение СО₂ в сочетании с тепловой сушкой.

Сборка полуформ должна производиться при Т их рабочих поверхностей не более 40°С.

Таким образом, на основании вышеописанных исследований и экпериментов можно констатировать следующее:

1.Провяливание форм из ЖС в качестве долговременного и универсального способа отверждения форм непригодно по причине лавинного образования ужимин. Его можно использовать в отдельные весенне-летние месяцы при W_отн воздуха не более 60%.

2. Радикальным средством упрочнения форм из ЖС и предупреждения дефектов является поверхностная сушка (подсушка) при помощи ПКГС и ПКЭС.

3. На основании настоящих исследований разработано несколько типоразмеров переносных колпаковых сушил, которые можно использовать для сушки форм из жидкостекольных смесей. Разработана также подробная технологическая инструкция, учитывающая весь положительный опыт поверхностной подсушки жидкостекольных форм на заводах тяжелого, энергетического и транспортного машиностроениябывшего СССР.

Литература: