Проектирование литниковой системы для изготовления мелющих тел в песчано-глинистые формы

ЕТАПЛООБРАБОТК]

УДК 621.74.011

Проектирование литниковой системы для изготовления мелющих тел в песчано-глинистые формы

Д. О. Пустовалов, В. Н. Лабутин, С. А. Белова, А. В. Богомягков, К. В. Шаров

Представлены результаты анализа предложенного сплава на износостойкость для изготовления мелющих тел, влияние химического состава сплава на температуру ликвидуса и солидуса, раачитана плотность выбранной марки чугуна в твердом и жидком состояниях, разработаны варианты литниковых систем для получения мелющих тел в песчано-глинистых формах, изложены результаты моделирования процессов заполнения форм на предмет получения бездефектных отливок с высоким технологическим выходом годного.

Ключевые слова: мелющие тела, износостойкость, температура ликвидуса, температура солидуса, плотность, усадка отливки, литниковая система, песчано-глинистая форма.

Введение

Ежегодно в мире размалывают около двух миллиардов тонн минерального сырья. Так, для измельчения руд металлов в горнорудной отрасли промышленности, перемалывания клинкера в цемент в цементной страсли широкое распространение нашли мелющие тела в виде шаров. Такие мелющие тела получают из сплавов на основе чугуна и стали, заливаемых в песчано-глинистые формы или кокиль.

Цель исследования — разработка литнико-во-питающей системы для получения мелющих тел не только с максимальным технологическим выходом годного (ТВГ) (70 ± 2 %), но и с минимальным количеством дефектов в отливке. Основными дефектами, встречающимися у отливок сферической формы, являются усадочные раковины и пористости, исходящие из центра шара.

Основная часть

Из-за специфики эксплуатации к мелющим телам предъявляют ряд технологических и эксплуатационных требований, в частности

высокие твердость, абразивная износостойкость и сопротивление ударам.

Исходя из вышеуказанных требований в качестве материала для отливок был выбран сплав ИЧХ16 по ГОСТ 7769-82. Износостойкость является одним из основных показателей для этого сплава.

Для выбранных чугунов износостойкость обеспечивается наличием в их микроструктуре карбидов (Сг, Ее^Сз благодаря их повышенной микротвердости и разветвленному строению в эвтектике. Причем с увеличением содержания Сг в чугуне (более 1з %) его износостойкость увеличивается. В то же время количество карбидов в структуре чугуна тем больше, чем выше содержание углерода.

Соответственно тип образующихся карбидов определяется соотношением содержания хрома и углерода в чугуне, а следовательно, и износостойкостью чугуна в целом. При этом максимальную износостойкость имеют чугуны, содержание углерода в которых соответствует эвтектическому, а соотношение Сг и С обеспечивает образование карбидов типа (Сг, Ее)7Сз и отсутствие карбидов типа ^е, Сг)зС.

Химический состав ИЧХ16 по ГОСТ 7769-82 [1]

Элемент........ C Si Mn Сг

Содержание, % ... 1,6-2,4 1,5-2,2 До 1 13-19

Элемент........ Р S

Содержание, % ... Не более Не более 0,05 0,05

Принятый химический состав исследуемого сплава, %

Элемент........ С Si Мп Сг Р S

Содержание, % ... 2,00 1,85 0,80 16,00 0,05 0,05

Важнейшими показателями сплава являются температуры ликвидуса и солидуса. Значения температуры во многом зависят от химического состава.

Влияние химического состава сплава ИЧХ16 на температуру ликвидуса и температуру со-лидуса отражено на монограмме (рис. 1).

Данные для монограммы были рассчитаны в программном комплексе ProCAST.

Исходя из монограммы для принятого химического состава исследуемого сплава искомые температуры равны следующим значениям:

Тлик = 1336 °С и ТСол = 1111 °С.

Были проведены теоретические расчеты плотности сплава в твердом и жидком состояниях.

Рис. 1. Влияние химического состава сплава ИЧХ16 на температуру ликвидуса и солидуса

Для нахождения плотности сплава в твердом состоянии необходимо провести расчет с учетом добавления по 1 % каждой примеси в целях получения сплава заданного химического состава [2, 3].

Теоретический расчет плотности сплава был произведен по формуле

Р = Рж + ДР*,

где р — плотность определенного сплава, г/см3; рж — плотность железа, г/см3; х — содержание примесей, % (мас.); Ар — изменение плотности на 1 % добавки.

Изменение плотности сплава на 1 % каждой примеси

Элемент........ С Мп Сг

Изменение плотности сплава на 1 %

добавки Ар...... -0,04 -0,073 -0,016 +0,001

Элемент........ Р Б

Изменение плотности сплава на 1 %

добавки Ар......-0,117 -0,164

В результате подстановки приведенных значений в формулу (1) получим, что плотность ИЧХ16 в твердом состоянии

р = 7,86 - 2 • 0,04 - 1,85 • 0,073 + + 16 • 0,001 - 0,8 • 0,016 - 0,05 • 0,164 -- 0,05 • 0,117 = 7,6 г/см3.

Плотность сплава в жидком состоянии в первом приближении может быть вычислена по плотности чистых компонентов, входящих в состав расплава, по правилу аддитивности исходя из формулы

р =

1

100

=1 / *=1 р1рг,

Р' = ^(7-79,25 + 2- 2,25 +

+ 1,85 • 2,53 + 0,8 • 7,05 +16 • 6,3 + +1,64 • 0,05 + 0,05 • 1,86) = 6,71 г/см3.

Так как литейная усадка сплава ИЧХ16 находится в пределах 1,6-2,0 %, то, для того чтобы получить плотные отливки, в лит-никово-питающей системе необходимо предусмотреть прибыли.

В ходе проведенной работы рассмотрено несколько возможных вариантов получения шаровой отливки диаметром 100 мм во влажной форме (рис. 2). Основные размеры литниковых систем рассчитаны по общепринятым методикам [4, 5].

На рис. 3-6 представлены результаты моделирования вариантов получения мелющих шаров.

Время заполнения расплавом формы тзал и время полного нахождения отливки в форме от начала заливки до температуры выбивки 600 °С тпол = тзал + тохл, а также ТВГ для каждого из предложенных вариантов даны в табл. 2.

Таблица 1

Плотность компонента расплава, г/см3

Компонент При 20 °С При температуре кристаллизации

Ее 7,87 7,00

Мп 7,44 7,05

3,20 2,53

Сг 7,15 6,30

Б 2,07 1,86

С 2,50 2,25

Р 1,82 1,64

Таблица 2

Характеристики рассмотренных литниковых систем

где р * — плотность г-го компонента в жидком состоянии, г/см3; р1 — содержание в сплаве твердой фазы, %.

Плотность каждого компонента сплава в жидком состоянии представлена в табл. 1.

Подставив приведенные значения в формулу (2), получим, что плотность ИЧХ16 в расплавленном состоянии

Номер варианта тзал> с тпол> с ТВГ, %

1 4,81 12633,41 68

2 4,46 10451,94 69

3 3,33 10147,51 69

4 3,22 19236,59 72

Вариант 1

Ф80

120

360

Вариант 3 А-А

Рис. 2. Варианты получения шаровой

Вариант 2 А-А

Вариант 4 А-А

диаметром 100 мм во влажной форме

ЕТАЛЛООБРАБОТКЛ

а)

б)

Рис. 3. Усадочные дефекты в отливке по варианту 1: а — в объеме; б — в поперечном сечении; в — в продольном сечении

а)

б)

а)

б)

1

Рис. 5. Усадочные дефекты в отливке по варианту з: а — в объеме; б — в сечении

а)

б)

^ - '»

Рис. 6. Усадочные дефекты в отливке по варианту 4: а — в объеме; б — в сечении

в)

Рис. 4. Усадочные дефекты в отливке по варианту 2: а — в объеме; б — в поперечном сечении; в — в продольном сечении

Выводы

1. Из рассмотренных вариантов получения мелющих шаров четвертый вариант является наиболее рациональным, так как основная часть усадочных дефектов концентрируется в зоне стояка (одновременно с этим играющим и роль прибыли для отливки), а оставшаяся усадочная пористость остается близко к центральной части шара и несильно влияет на

его эксплуатационные свойства, при этом достигается наибольший технологический выход годного, который составляет 72 %.

2. Невозможно полностью вывести все усадочные дефекты в прибыль из-за высоких тепло-аккумулирующих свойств песчано-глинистых форм.

Литература

1. Шишляев В. Н. Железоуглеродистые литейные сплавы: учеб. пособ. Пермь. Перм. гос. техн. ун-т, 2002. 161 с.

2. Теория формирования отливки: основы тепловой теории. Затвердение и охлаждение отливки: учеб. / Г. Ф. Баландин. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1998. 359 с.

3. Теория литейных процессов: учеб. / В. Д. Белов [и др.]; под ред. Хосена Ри. Хабаровск: РИОТИП, 2008. 580 с.

4. Дубицкий Г. М. Литниковые системы. М.: Свердловск: Машгиз, 1962. 256 с.

5. Трухов А. П., Сорокин Ю. А., Ершов М. Ю. [и др.].

Технология литейного производства / Под ред. А. П. Тру-хова. М.: Академия, 2005. 528 с.