СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ
METHOD OF INGOT RECEIVING

Предлагаемый способ относится к металлургии и может быть применен для получения литых изделий с плотной и пористой частями материала в отливке.
Известен способ получения плотных литых изделий, согласно которому в форму, изготовленную из кварцевого песка с добавлением крепителей, заливают расплавленный материал, причем форму делают так, чтобы не образовывались газы, проникающие в отливку при затвердевании материала, то есть получают отливку без газовых раковин (Литейное производство. - 2-е изд. перераб. и доп. - М. Машиностроение, 1987, с.85-104, 115-128).
Недостатком известного способа является то, что он не позволяет получать пористые отливки.
Известен также способ получения пористой отливки, включающий плавку материала (металла) и заливку металла в формы (SU 1814247 А1, В22D 25/00, 27/00, 10.03.1995). Известный способ обеспечивает получение пористых отливок из меди, алюминия, свинца, которые обладают меньшим удельным весом по сравнению со сплошными, монолитными отливками из тех же материалов, так как имеют газовые поры.
Однако этот способ сложный и дорогой и не позволяет получать пористые отливки, которые обладали бы теплоизоляционными свойствами и были бы прочными.
Из известных наиболее близким по технической сущности является способ получения пористой отливки, включающий плавку материала, добавку в форму газотворного вещества и заливку расплава в форму, отличающийся тем, что в качестве газотворного вещества используют органическое вещество, которое добавляют в форму до начала образования корки расплава, который заливают в форму с перегревом на 50-150°С. При этом согласно изобретению в качестве газотворного органического вещества используют чернозем или ил, или измельченную бумагу, или растительные остатки, или канифоль (RU 2292253 С1, В22D 25/00, 04.05.2005, опубл. 27.01.2007 Бюл.№3).
Известный способ обеспечивает получение пористых отливок, но не позволяет получать литые изделия с плотной и пористой частями материала в отливке.
Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение, снижение трудоемкости получения литых изделий с плотной и пористой частями материала в отливке, обладающих высокой прочностью плотной части отливки и теплоизоляционными свойствами пористой части отливки.
Технический результат достигается тем, что в способе получения отливки, включающем плавку материала, заливку расплава в форму, залитый в форму жидкий материал подвергают снизу ускоренному охлаждению, а сверху барботируют газо-газотворными веществами до образования в нижней части отливки плотной структуры материала, а в верхней - пористой, при этом выдерживают скорость охлаждения материала в нижней части в 5-12 раз большей, чем в верхней, а давление проникающих в материал газов в верхней части увеличивают в 6-15 раз и выдерживают его максимальным в период полного затвердевания материала в форме.
Предложенный способ рационально применять при производстве отливок типа плит, в которых нижняя часть требуемой толщины была бы плотной и прочной, а верхняя часть - пористой, обладающей теплоизоляционными свойствами. Такие плиты можно использовать при строительстве сейсмостойких сооружений, для перекрытия каналов теплотрасс в местах автомобильных и железных дорог, для тепловых устройств, химических аппаратов. Плиты можно изготавливать из различных металлических и неметаллических материалов.
Расплавленный материал надо заливать в форму, нижняя часть которой может быть металлической и иметь систему принудительного охлаждения стенок, а верхнюю часть формы надо выполнять теплоизоляционной неметаллической (из алюмосиликатных материалов с каналами для ввода и отвода газо-газотворных веществ). Количество подаваемой в форму охлаждающей жидкости (воды) зависит от требуемой толщины плотной части получаемой отливки, а количество подаваемых в верхнюю часть формы газо-газотворных веществ связано с необходимостью достижения требуемой пористости в отливке.
Плотно-пористые литые изделия в виде плит, содержащих плотный материал и пористый (с газовыми раковинами, каналами разнообразной формы) можно получать из чугуна, стали, медных, алюминиевых сплавов, силикатных, высокоглиноземистых, стекловидных составов, пластмасс). Форма, размеры, масса литых плотно-пористых изделий могут быть такими, какие требуются. Количество и состав газо-газотворных веществ, вводимых в расплав, определяются исходя из требований степени опустошения материала, состава, температуры и вязкости расплава, скорости охлаждения материала в различных частях формы. В зависимости от состава расплава его можно барботировать газами (углекислым газом, холодными или горячими продуктами сгорания топлива, парами жидкостей, азотом, аргоном), смесями газов, водой, газотворными веществами (углеводородами, вдуваемыми порошками мела, известняка, частицами малоценных органических веществ). Можно добавлять в форму недорогие, недефицитные газотворные вещества.
1
2
1
1
1
1
Скорость охлаждения материала в нижней части формы V должна быть в 5-12 раз большей, чем в верхней V, а давление проникающих в материал газов в верхней части P надо увеличивать в 6-15 раз по сравнению с первоначальным давлением Р и выдерживать его максимальным в период полного затвердевания материала в форме. Рационально давление P в пределах от P=6·P до P=15·P изменять импульсно, скачкообразно с частотой N от 60 до 180 импульсов в минуту, в связи с чем улучшается турбулентность процесса и достигается большая степень пористости материала.
1
2
1
2
1
Скорость охлаждения в нижней части формы V определяется исходя из необходимости получения требуемой толщины плотного материала в течение заданного времени. При V<5·V жидкотекучесть материала в верхней части формы резко уменьшается, газы не проникают глубоко в материал, в связи с чем не достигается требуемая пористость материала (наблюдается неравномерность распределения пор в материале). При V>12·V резко увеличивается расход газо-газотворных веществ и также наблюдается неравномерность распределения пор в материале.
1
1
1
Первоначальное давление Р проникающих в материал газов в верхней части должно быть таким, при котором газы проникали бы в материал при максимальной начальной жидкотекучести расплава. Должно быть 6·Р≤P≤15·Р. При P<6·Р газы неравномерно распределяются в материале по мере затвердевания расплава, а при P>15·P образуются крупные «пузыри» в верхней части отливки.
1
2
1
1
1
1
1
1
1
Следовательно, оптимальные условия для получения требуемых качественных плотно-пористых отливок достигаются при 5·V≤V≤15·V, 6·P≤P≤15·P. В пределах изменения P от P=6·P до P=15·Р при увеличении вязкости расплавов рационально выдерживать 60≤N≤180. При N<60 и N>180 применение импульсного изменения P незначительно влияет на образование пор в верхней части отливки, качество пористой части отливки такое же, как без применения импульсного изменения P.
1
В период полного затвердевания материала в форме надо выдерживать максимальное давление P (до полного затвердевания материала в верхней части), что позволяет сохранять поры (газовые раковины) в материале и получать высококачественные плотно-пористые отливки.
Количество газов, поступающих в материал верхней части получаемой отливки, должно быть таким, чтобы газы проходили через материал, барботировали расплав и оставались в материале в виде пузырьков, образовывали многочисленные газовые раковины и пустоты требуемых размеров в нужных местах в затвердевшем материале. В зависимости от толщины стенок отливки, массы, температуры, вязкости расплава, химического состава материала производится выбор газо-газотворных веществ, места подвода и отвода этих веществ в форме.
Получаемые плотно-пористые отливки в плотной части могут иметь высокую плотность и прочность, а в пористой части быть легче, иметь меньше массу, удельный вес материала и обладать высокими теплоизоляционными свойствами. Эти литые изделия можно применять вместо плотных, тяжелых изделий в теплообменниках, рекуператорах, регенераторах, в строительной индустрии. Из них можно делать стены и перекрытия промышленных объектов, колодцев, каналов энергетических устройств.
Пример осуществления способа
Изготавливали чугунные отливки, которые необходимо было сделать такими, чтобы нижняя часть каждой отливки имела плотный и прочный материал, а верхняя - пористый, с меньшим удельным весом и хорошими теплоизоляционными свойствами. Отливки предназначались для перекрытия туннеля, в котором находился паропровод. Перекрытие должно было обладать теплоизоляционными свойствами и быть прочным, позволяющим проезжать по нему автомобилям.
Для производства отливок применялась форма, нижняя часть которой была металлической, пустотелой, водоохлаждаемая, а верхняя изготавливалась из формовочного материала, содержащего кварцевый песок, зернистый высокоглиноземистый материал, крепитель (жидкое стекло). В верхней части формы имелись каналы для ввода и отвода газо-газотворных веществ. В форме можно было получать чугунные отливки с размерами: длина 1200 мм, ширина 1000 м, высота 70 мм. Литниковая система располагалась в верхней, неметаллической части формы.
После сборки в форму заливали расплавленный чугун, температура которого была 1350°С. В нижнюю металлическую часть формы подавали охлаждающую воду при начальной температуре 15°С. Расход охлаждающей воды был таким, который позволял бы получать в первую минуту заливки требуемую толщину плотной, прочной части металла в отливке. Затем в верхнюю часть незатвердевшего жидкого материала под давлением вводили продукты сгорания природного газа, отбор которого производили компрессором из дымохода газоотапливаемой печи. В продукты сгорания добавляли пыль молотого известняка.
5
5
При производстве плотно-пористых отливок выдерживали скорость охлаждения материала в нижней части в 5-12 раз большей, чем в верхней (50-120 градусов в секунду), а давление проникающих в материал газов в верхней части увеличивали в 6-15 раз (5·6·10 Па-5·15·10 Па) и выдерживали его максимальным в период полного затвердевания материала в форме. Для улучшения турбулентности процесса и достижения большей степени пористости материала давление газо-газотворных веществ изменяли импульсно, скачкообразно с частотой 60-180 импульсов в минуту.
Было изготовлено 12 плотно-пористых плит, пористая часть которых была толщиной 45-55 мм, а плотная 15-25 мм. Удельный вес пористой части отливок был в 1,8-2,3 меньше, чем плотной.
Плотно-пористые отливки были использованы для перекрытия туннеля энергетической установки, причем пористая часть плит была нижней, изолирующей тепловыделение из туннеля, а плотная часть плит располагалась сверху и служила дорогой.
Предложенный способ применялся и для изготовления алюминиевых плотно-пористых отливок с продувкой материала пористой части инертными газами (азотом, аргоном) и плотно-пористых плит из неметаллических материалов (шлака, стекла) с продувкой пористой части сжатым воздухом, паром.
Предложенный способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств.
Полученные предложенным способом отливки обладают прочностью и теплоизоляционными свойствами. Толщину прочной и пористой частей отливок можно получать такой, какая требуется, регулируя скорость охлаждения материала нижней и верхней частей путем изменения расхода жидкости-охладителя нижней формы, а теплопроводность материала верхней формы зависит от выбора для продувки газо-газотворных веществ, их температуры, давления, расхода, импульсивности ввода и вывода.
Предложенный способ позволяет уменьшать массу отливок, их удельный вес, расход материала, снижать в 1,5-2 раза стоимость отливок, в 1,5-3,5 раза трудоемкость изготовления по сравнению с известными способами. Отливки обладают высокой прочностью и теплоизоляционными свойствами. Их можно использовать для строительства жилых и промышленных зданий в сейсмически опасных зонах вместо применяемых недолговечных и разрушающихся при землетрясениях кирпичных и бетонных конструкций. В этом случае может быть достигнута высокая эффективность (в 2-10 раз больше), безопасность использования сооружений, сохранение жизней и здоровья проживающих и работающих в сейсмоопасных районах людей.
Применение плотно-пористых отливок в качестве теплоизоляторов позволяет повышать коэффициент полезного действия тепловых агрегатов, долговечность устройств.
Предложенный способ позволяет получать не только плотно-пористые отливки в виде плит требуемых размеров, но и С-, O-, Т-, П-, Х-, Н- образные отливки, а также отливки более сложной формы. В этих случаях необходимо изготавливать более сложные формы, применять соответствующее (требуемое) распределение охлаждающей жидкости, требуемый ввод и отвод газо-газотворных веществ для получения в отливках плотного и пористого материала заданной (требуемой) толщины. Толщина этих частей отливки может быть как одинаковая, так и разная в зависимости от конструкции формы, распределения охладителя и газов-турбулизаторов. Набор конструктивных вариантов плотно-пористых отливок зависит от назначения этих изделий. Для жилых и промышленных зданий, теплообменных аппаратов, защитных сооружений, перекрытий каналов, колодцев, покрытий дорог они могут быть разными по форме и размерам.
Плотно-пористые изделия можно применять при подземном строительстве ( в шахто-, метростроительстве, при сооружении подземных бункеров, складских помещений, хранилищ).