Высокорентабельная фильтрация стальных отливок

Введение

Фильтрация неметаллических включений из расплавленной стали и снижение турбулентности во время заполнения формы. Пенокерамические фильтры особенно эффективны для поглощения динамической энергии и преобразования турбулентного заполнения формы в ламинарное заполнение формы за счет сил трения. Это снижает размыв формы, улучшает поверхность литья и минимизирует вторичное окисление.

Кроме того, захват неметаллических включений увеличивает чистоту металла и улучшает механические свойства, такие как: усталостная прочность, ударная вязкость и свойства растяжения. Пенокерамическая фильтрация признана во всем мире в качестве эффективного инструмента для усовершенствования качества отливок и сокращения сроков поставки, а также себестоимости продукции.

Сталь или чугун?

Почему фильтрация чугунных отливок уже широко используется, а множество сталелитейных заводов используют фильтрацию неохотно?

Есть много причин, которые можно разделить на две основные категории:

- Рентабельность фильтрации стали;

- Технические вопросы, связанные с фильтрацией стального литья.

Рентабельность фильтрации стали не так очевидна, как чугуна. Стальные фильтры намного дороже, чем фильтры для чугуна, и бракованные чугунные отливки обычно отправляются на лом, в то время как стальное литьё подваривается.

Зачастую литейные цеха в основном ориентируются на закупочные расходы и пытаются избежать необходимости использования фильтров, а не сосредотачивают внимание на общем сокращении операционных расходов. Это играет ведущую роль для оптимизации операционной рентабельности. Литейные заводы, которые имеют понимание их общей стоимости сварки, обычно не видят признаков повышения рентабельности при использовании технологии фильтрации стали. Например, затраты на сварочные работы связанные с модернизацией литья - которые могут варьироваться от 150 до 200 USD / час - это, как правило, прямая переменная, которая может быть связана   со значением, которое предлагает стальная фильтрация. Другие дополнительные расходы литейного производства, включая манипуляции с краном, осмотр и повторный осмотр, повторная термообработка, дробеструйная обработка, дополнительная механическая обработка, производственная мощность и т.д. другие переменные добавленной стоимости, часто упускаются из виду.

Технических вопросов, связанных с фильтрацией стального литья, гораздо больше и они сложнее, чем фильтрация чугуна по следующим причинам, но не только:

- Жидкотекучесть расплавленной стали значительно ниже за счет более низкого содержания углерода;

- Повышенные температуры плавки;

- Более высокая растворимость газов;

- Узкий диапазон затвердевания и более высокая теплопроводность с тенденцией к замерзанию на поверхности фильтра.

Методический и металлургический персонал литейного цеха должен иметь большой опыт и знания по внедрению успешной фильтрации стали для достижения поставленных целей.

Важность дизайна фильтруемых литниковых систем и металлургического процесса

Критически важно для производства высококачественного и рентабельного стального литья – это то, осуществляется ли тесное сотрудничество литейных технологов с металлургическими подразделениями. Использование фильтра не исправит неприемлемый металлургический процесс. И наоборот, отличная металлургия не может самостоятельно преодолеть ошибки при применении фильтров.

Например, окончательное легирование расплава в ковше всегда будет иметь негативное влияние на фильтрацию расплавленной стали. Аналогичным образом, такая практика, скорее всего, вызовет проблему качества для нефильтрованных отливок. Оксиды, такие как MnO, SiO2 и Cr2O3, вызывают внутреннее трение и имеют тенденцию к снижению текучести стали, что способствует преждевременному засорению фильтра шлаком (рис. 1). 

Рис.1

Рис.2

Хорошо подготовленный отфильтрованный металл, подверженный давлению литниковой системы, будет вызывать фонтанный эффект, когда металл попадает в форму. Это может привести к размыву формы, разбрызгиванию металла и повторному окислению, что приводит к дефектамповерхности литья (рис.2).

Плавление, легирование, раскисление и перенос металла чрезвычайно важны для качества литья. В связи со сложностью характера процесса невозможно, чтобы все детали были освещены в этой статье. Более подробная информация, касающаяся металлургии и её влияния на эффективность фильтрации, рассматривается в разделе дополнительных презентаций.

Лучший метод фильтрации

Сегодня доступны различные методы применения фильтрации. Каждый вариант может быть более или менее подходящим для определенных групп отливок и марок металлов. Не существует единого метода фильтрации, подходящего для всех видов стального литья. Достижение успеха при выборе оптимального метода фильтрации зависит от следующих ключевых факторов:

• Процесс плавки
• Восстановительный процесс
• Химсостав расплава
• Формовочные материалы
• Температура заливки
• Время заполнения формы
• Геометрия отливок
• Требования к качеству
• Общий вес отливки.

Традиционное расположение пенокерамических фильтров в карманах литниковой системы, в вертикальном положении (Рисунок 3) и/или горизонтальном положении (Рисунок 4), всё ещё является наиболее распространенным видом фильтрации. Изначально этот метод был разработан для фильтрации чугуна в 1980-е годы и стал первым принятым в сталелитейных цехах в соответствии с опытом и знаниями чугунолитейного производства.

Рис.3                                                         Рис.4

Положительные эффекты фильтрации стали, такие как улучшение качества поверхности литья, были хорошо видны и поощрялись в литейных цехах для более регулярного использования фильтрации стального литья. Хотя сокращение расходов на зачистку/сварку было признано весьма положительным, некоторые недостатки препятствовали увеличению фильтрации большего количества стального литья.

Используются как вертикальные (Рисунок 5), так и горизонтальные (Рисунок 6) карманы для бентонитовых форм, а также для ХТС форм. Данный метод является относительно недорогим и легким в освоении, так как фильтры вставляются в форму на линии разъема прямо перед сборкой формы. Масса литья обычно варьируется от 20 кг до 500 кг, но может быть и значительно тяжелее.

Рис.5 Балка надрессорная  

Рис.6 Заслонка из нержавейки

Вертикальные карманы более эффективны, когда они расположены вблизи к стояку. Горизонтальные карманы часто страдают от обхода металла (рис. 7), и есть риск засорения фильтра при утечке металла из стакана ковша на поверхность фильтра, расположенного непосредственно под стояком (рис. 8).   Это может быть существенной проблемой для сталелитейных заводов.

Рис.7 Фильтр установлен ниже линии разъема.

Рис.8 Фильтр заблокирован металлом из подтекающего ковшевого стакана. 

Как вертикальные, так и горизонтальные карманы для фильтров представляют риск замерзания для металла, вместе с увеличением времени заливки. Это обычно происходит, когда фильтры расположены на большом расстоянии от стояка, а используется углеродистая или низколегированная сталь с коротким временем кристаллизации. Литейные производства обычно увеличивают температуру заливки по сравнению с нефильтрованным производством, чтобы решить эту проблему.  Время заливки зависит от распределения тепла в ковше (рис. 9) и низкой температуры ковшевого стакана.

  Рис.9 Холодный металл первым поступает из стопорного ковша.

Рис.10 Замерзший метал блокирует фильтр

Для донных разливочных ковшей меньший диаметр стакана ускоряет охлаждающее воздействие на металл. Поток металла охлаждается также внутри литниковой системы и замерзает частично на поверхности фильтра, блокируя его. Эта часть фильтра может не расплавиться, и  металл не сможет пролиться через него. Это может привести к снижению фильтрационной способности и увеличению времени заливки либо даже к блокированию фильтра (т.е. "не проливается") (рис. 10).

Прямая заливка - KALPUR*, пожалуй, самый простой метод фильтрации. Модификация моделей часто не требуется, и эта техника фильтрации может быть опробована очень быстро.                     Прямая заливка менее чувствительна к «не проливам», по сравнению с фильтрацией в литниковой системе. Однако, небольшие отливки с минимальным объемом KALPUR страдают от эффекта холодного стакана - особенно из низкоуглеродистой легированной стали (рис. 11) 

     Рис.11 Непролив холодного металла через цирконовый  фильтр Ø 55мм

Рис.12 Ковш с продувочной пробкой

Отличная практика металлургии и раскисления, дополненная продувкой аргоном, проходящим через продувочную пробку в нижней части ковша, облицованная высоко-изоляционной футеровкой (рис. 12), значительно снижает риск «не пролива».

Однако нет никакой гарантии, что риск «не пролива»» полностью исключается - особенно на первой отливке, когда стакан относительно холодный.

В дополнение к улучшению поверхности литья, KALPUR предлагает дополнительные общие операционные улучшения. Есть два основных преимущества по сравнению с другими методами фильтрации:

- Ликвидация литниковой системы - повышение выхода годного литья

- Оптимизация распределения температуры.

Ликвидация литниковой системы позволяет литейным цехам производить отливки с меньшим количеством жидкого металла в небольших формовочных ящиках (рис. 13), что позволяет экономить на формовочном песке, трудозатратах и месте в литейном цехе.

          Рис.13 Уменьшение размеров формовочного ящика.

Рис.14 Отливка без литниковой системы значительно упрощает обрубку. 

Устранение литниковой системы также представляет собой бесценное преимущество для участка обрубки, особенно для износостойких отливок, которые изготавливаются из не свариваемых материалов, чувствительных к растрескиванию под воздействием тепла, выделяемого при шлифовании (например, бронеплиты) (рис. 14).

Оптимизация распределения температуры позволяет получить наиболее горячий металл, находящийся внутри стояка, что, в свою очередь, уменьшает термический градиент и увеличивает расстояние от этого стояка. Это увеличивает расстояния питания и позволяет сократить количество требуемых прибылей (рис.15) в сравнении с тем способом, где используется обычная литникова система (рис. 16), которая распределяет горячий металл в отливку, а холодный металл заполняет прибыль.

   Рис.15 Прямая заливка через одну прибыль. 

Рис.16 Обычная литниковая система.

Особое внимание следует уделять тому, чтобы фильтры были должным образом покрыты расплавленным металлом. В частности, чайниковые ковши могут не обеспечить достаточный расход металла для наполнения системы KALPUR полностью и, как следствие, может произойти захват воздуха. Это может снизить эффективность фильтрации и вызвать пузырьки газа на поверхности литья. При использовании прямой заливки становится чрезвычайно важно иметь поток металла, который выравнивает и превышает пропускную способность фильтра, когда используются фильтры на углеродном связующем. Фильтры из двуокиси циркония более устойчивы к окислению, но при недостаточном потоке металла эффективность фильтрации снижается. Прямая заливка более подходит для стали с более высоким содержанием углерода, которая менее чувствительна к захвату газа, когда метал падает в полость формы после фильтра.

Расстояние от ковшевого стакана до поверхности фильтра должно быть  тоже тщательно продумано. Это зависит от уровня металла в ковше, диаметра стакана, марки металла, температуры заливки, а главное - от опыта оператора ковша. Необходимо приложить все усилия, чтобы минимизировать расстояние от ковшевого стакана до фильтра, так, чтобы минимизировать риск поломки фильтра. Практический опыт необходим для разработки оптимального решения.

TURBOPRINT - это новая запатентованная инновационная технология на основе завихрения металла на входной стороне фильтра. Она была разработана для преодоления существующих недостатков методов поточной и прямой заливки. Концепция ТУРБОПРИНТ способствовала успешному применению фильтрации на тех литейных заводах, которые потерпели неудачу в прошлом.

Концепция ТУРБОПРИНТ использует начальный холодный и загрязненный металл из ковша, чтобы вымыть поверхность фильтра и нагреть его. Этот первый металл смывается входящим чистым и горячим металлом, который воздействует на внутренние центробежные силы для рассеивания шлака/включений от поверхности фильтра к центру камеры (рис. 17). Шлак и неметаллические включения низкой плотности центрифугируются в низкую скорость вихревого центра (рис. 18), а поверхность фильтра поддерживается в чистоте свежим металлом. Этот принцип исключает риск короткой заливки и одновременно увеличивает мощность и эффективность фильтрации.

Эта технология фильтрации также устраняет риск поломки фильтра от удара металла, потому что начальный металл воздействует на поверхность фильтра по касательной, а не напрямую.

                                                                                                                                                                                 Рис.17 Завихрение потока металла.

Рис.18 Захват включений.

С высококачественной металлургией TURBOPRINT позволяет достичь такое же время заливки формы, как и при заливке нефильтрованных отливок.

Вихревой эффект более эффективен при более высоком потоке металла, так как высокая скорость металла увеличивает эффект центрифуги по удалению шлака и включений. Есть больше преимуществ при использовании донных разливочных ковшей, когда достигается более высокая динамическая энергия вращении металла. А недостатки можно смягчить  при помощи удлинения заливочной чаши над формой.

Для достижения максимальной выгоды от фильтрации важно заполнять форму снизу для минимизации турбулентности и разбрызгивания металла, приводящего к вторичному окислению.

Рис.19

Рис.20

На Рисунке 19 TURBOPRINT расположен под стержнем клапана так, чтобы отливка заполнялась снизу, а не от линии разъема. Знак стержня ТУРБОПРИНТА находится в стержне, который закрывает фильтры внутри, чтобы избежать обхода металла мимо фильтров (рис. 20).

Поперечное сечение литника на рисунке 21 подтверждает отсутствие металла в обход фильтра. Поверхность литья очень чистая, без магнитной индикации, сразу после дробеструйной очистки и перед сваркой. После первичной проверки (рис. 22) литье допускается без необходимости в сварке, что обеспечивает быструю отгрузку и преимущество в выигрыше дополнительных заказов на большее количество отливок.

   Рис.21

Рис.22 Чистая отливка

Дроссельный клапан (рис. 23) изготовлен из высоколегированного сплава CF8M стали и имеет высокую чувствительность к замерзанию фильтра. Поэтому, чтобы снизить риск замерзания фильтра и кратковременную заливку, отливка фильтруется с помощью вертикального ТУРБОПРИНТА, расположенного в месте частично под стержнем с верхней половиной внутри стержня. Данный вертикальный TURBOPRINT обеспечивает более высокую фильтрующую способность и скорость потока по сравнению с горизонтальной конструкцией TURBOPRINT.

   Рис.23 Вертикальный Турбопринт

Рис.24 Без керамической литниковой системы.

Для контроля качества этого литья (рис. 24) требуется цветная дефектоскопия. Применение вертикального ТУРБОПРИНТА сократило расходы на сварку примерно на 50 % по сравнению с нефильтрованным литьем. ТУРБОПРИНТ используется для литья весом от 50 кг до 1500 кг.

HOLLOTEX FSt и FH - это технология фильтрации, при которой фильтры используются в керамических литниковых системах (рис. 25 и рис. 26), как правило, под отливкой, что позволяет обеспечивать подводы к оптимальной части отливки для достижения ламинарного заполнения формы без разбрызгивания металла, эрозии формы и вторичного окисления. Этот метод обычно используется для более тяжелых отливок, которые превышают возможности поточного, прямого заполнения и ТУРБОПРИНТа.

   Рис.25 Керамическая фильтрующая трубка

Рис.26 Fh керамическая система.

Данное применение относительно простое и фильтры хорошо поддерживаются со всех сторон, что уменьшает риск поломки. Так как металл подвергается сильному охлаждающему действию керамических фильтрующих компонентов, фильтры в конструкции FH должны располагаться как можно ближе к основному стояку, чтобы избежать кратковременной заливки и «перемерзания» фильтра.

Пример

HOLLOTEX FSt, применяемый для литья клапанов, показан на рисунке.27.

   Рис.27 Fst фильтрация клапана. 

Рис.28 Fh Керамическая система.

Литниковая система другой отливки арматуры, отфильтрованная с помощью системы HOLLOTEX FH, показана на Рис. 28.

Эффективность фильтрации хорошо видна на основе удержания шлака на входной стороне фильтра. Выходная сторона фильтра намного чище (рис. 29). SEM-анализ (рис. 30) показывает оксиды глинозема, захваченные фильтром вместе с оксидами, образующимися под воздействием свободной энергии Гиббса, такими как MnO, Fe2O3, Cr2O3 и SiO2. Это свидетельствует о снижении турбулентности и  повторного окисления внутри литниковой системы, особенно в начале заливки, когда скорость металла максимальна и литниковая система является окислительной атмосферой.

     Рис.29 Эффективное «шлакоулавливание» фильтрами включений.

Рис.30 Детализированный SEM анализ

HOLLOTEX CFU - это новая запатентованная технология фильтрации, специально разработанная для фильтрации самого тяжелого и самого сложного литья, требующего высокой скорости потока металла и повышенного уровня требований к качеству, с жесткими требованиями к времени заполнения или изменению температуры заливки. Эта система фильтрации основана на принципе вращения металла вокруг фильтров и их разогрева металлом  перед прохождением металла сквозь фильтры. Эта фильтрационная установка (рис. 31) принимает первый холодный и грязный металл, и центрифуги удаляют его из поверхности фильтров таким же образом, как и ТУРБОПРИНТ.

    Рис.31 HOLLOTEX CFU

Рис.32 Вихревое направление металла.

Вихревое направление металла снижает риск прямого воздействия на поверхность фильтров (рис. 32) и решает проблему выхода из строя фильтров, которая наблюдалась в других устройствах вихревой фильтрации. Вихревое действие также способствует всплыванию шлака и включений низкой плотности, что сохраняет поверхность фильтра чистой. Конструкция HOLLOTEX CFU пропускает равное количество металла через каждый фильтр, в результате чего достигается оптимальная фильтрующая способность.

Фильтрационная способность самой большой установки CFU HOLLOTEX может пропустить массу заливки от 6 000 до 12 000 кг в зависимости от сорта металла, практики раскисления и практики заливки. Литейные цеха, оборудованные вторичным металлургическим процессом в вакуумном ковше, могут получать металл гораздо чище и, вероятно, способны превысить фильтрующую способность обычных литейных процессов. Представленная на рис. 33 литниковая система оснащена 3 отдельными HOLLOTEX CFU, способными фильтровать корпус турбины весом 60 тонн жидкого.  

Рис.33.Сборка литниковой системы с 3-мя HOLLOTEX CFU.

Использование HOLLOTEX CFU практически не имеет ограничений по весу относительно размера отливки, так как несколько блоков CFU HOLLOTEX могут быть использованы для каждого стояка. На рис. 33 показана литая отливка корпуса турбины из одного ковша, который имеет 2 стакана и использует адаптер, распределяющий металл поровну между тремя блоками CFU HOLLOTEX для фильтрации литья. Литниковые системы HOLLOTEX CFU легко адаптируются в соответствии с потребностями литейного производства.

Рекомендуется придерживаться консервативного подхода, когда инициируется использование HOLLOTEX CFU. Несмотря на то, что вес металла для фильтрации может превышать 12 тонн в конкретных случаях применения, некоторые марки металлов в сочетании с менее оптимальной практикой раскисления могут значительно уменьшить мощность фильтрации. Фильтрующая способность зависит от чистоты металла и, вероятно, варьируется от плавки к плавке. Фильтры предназначены для улавливания неметаллических включений, которые могут их засорять (рис. 34). Когда это происходит, фильтр не выходит из строя и эффективно делает свою работу!

Рис.34 Улавливание включений фильтром

Рис.35 Две системы CFU для отливки весом 12,5 тонн

Стандартная литниковая система, включающая в себя HOLLOTEX CFU, разработанную для высоколегированной низкоуглеродистой стали, показана на рисунке 35. Для фильтрации 12.500 кг применяются две установки HOLLOTEX CFU.

Эффективная фильтрация помогает достичь более высокой степени чистоты металла посредством улавливания неметаллических включений, создаваемых разбрызгиванием металла при приклеивании к ковшу, раскислении и заливке. Хорошо спроектированная литниковая система после фильтра должна обеспечивать ламинарность заполнения формы, чтобы не испортить эффект фильтрации. Образец, взятый из фильтрационного блока непосредственно перед фильтром (рисунок 36) и сразу после фильтра (рис. 37), демонстрирует улучшение чистоты металла.

Хотя чистота металла влияет на конечные механические свойства, литейные цеха больше ориентированы на работу с операционными расходами, например, сварки, которая может быть определена количественно и записана. Было доказано, что фильтрация уменьшает затраты на сварку на 50 - 85 %. Наибольшее сокращение сварки достигается при использовании крупных отливок, менее чувствительных к дефектам горячих трещин.

Фильтрация не может уменьшить линейное напряжение во время затвердевания, поэтому горячие трещины не могут быть устранены. Однако сварка горячих трещин в чистом металле без песчаных и шлаковых включений  намного проще и быстрее. Шлак и смешанный песок могут быть обнаружены часто очень глубоко под поверхностью литья и обычно не всплывают, что может потребовать сложный и дорогостоящий процесс сварки. Затраты на это дополнительное время и усилия по зачистке литья могут быть значительно уменьшены за счет фильтрации.

   Рис.36 Чистота металла до фильтра 

Рис.37 Чистота металла за фильтром

Выводы

Для фильтрации стали требуются хорошо управляемые и стабильные литейные процессы с высоким уровнем понимания каждого следующего шага производства. Инженеры-методисты и инженеры-металлурги должны тесно сотрудничать и учиться друг у друга, чтобы усовершенствовать весь процесс и, в конечном итоге, улучшить качество литья и увеличить общую операционную производительность.

Мелкие отливки, залитые донными ковшами, более чувствительны к блокировке фильтра из-за охлаждающего действия стакана и подачи холодного металла в начале заливки. Вертикальное расположение фильтров, скорее всего, более эффективно по сравнению с горизонтальным расположением. Горизонтальное расположение фильтров более чувствительно к  обходу металла.

KALPUR - это самый простой способ использования фильтров, который обеспечивает дополнительные производственные преимущества, такие как повышение выхода одного литья, снижение затрат на формовку и минимизация процесса обрубки.

Горизонтальный ТУРБОПРИНТ имеет более высокую эффективность фильтрации, но более низкую фильтрующую способность по сравнению с вертикальной конструкцией. TURBOPRINT предоставляет возможность заливки с температурой и временем заливки, которые аналогичны заливке без фильтров.

HOLLOTEX FSt и FH позволяют использовать фильтры внутри литниковой системы. Стояки могут быть размещены на оптимальной части отливки с нижним подводом для достижения ламинарного наполнения без разбрызгивания металла, размыва формы и вторичного окисления.

HOLLOTEX CFU предназначен для фильтрации самых тяжелых отливок с использованием чрезвычайно высокой скорости потока металла. Работающие системы должны быть тщательно разработаны в соответствии с существующим опытом литейной фильтрации и металлургической практикой. Необходимо проявлять осторожность,чтобы керамические литниковые системы не содержали песка и прочий мусор.