УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК

Полезная модель относится к металлургии, в частности, к устройствам для получения отливок (шаров) в кокилях литьем. Оно может быть использовано для получения шаровых мелющих тел (преимущественно для крупных - 60÷100 мм) из стали, чугуна, используемых в шаровой мельнице при размоле руд, угля, клинкера и других материалов в металлургической, цементной, угольной отраслях промышленности.
Известно устройство для получения в облицованных кокилях отливок из различных сплавов (Святкин Б.М., Литье в кокиль., М., «Высшая школа», 1979 г., с. 126-128), содержащее облицованные обе половинки кокиля с образованием прочной облицовки слоем от 4 до 7 мм. толщиной.
Устройство имеет горизонтальный разъем, что не позволяет получать отливки высокого качества (без пор, без усадочного дефекта). Не позволяет избежать больших напряжений в отливке при последующем охлаждении, а из-за малой скорости охлаждения во всей полости полностью облицованного кокиля не реализуется направленная кристаллизация, способствующая перемещению усадочных дефектов из отливки в стояк (литниковую систему), интенсифицирующая упрочнение отливок, и, следовательно, повышающая удароустойчивость мелющих тел в процессе их эксплуатации.
Известно устройство для получения шаровых мелющих тел диаметром 60÷100 мм (Святкин Б.М.. Литье в кокиль. М., «Высшая школа», 1979 г., с. 34.), выполненное с вертикальным разъемом, содержащее двухуровневую систему шаровых форм в кокиле, коллектор, стояки, прибыли, питатели.
Шаровые формы размещены друг под другом в каждом из четырех рядов, питатели размещены параллельно оси коллектора. Формы через стояки заполняются расплавом сверху-вниз, а через коллектор заполняется снизу-вверх.
Устройство выбрано в качестве прототипа заявляемому как наиболее близкое по технической сущности.
Устройство конструктивно усложнено. Двухсторонняя подача расплава в полости необлицованного шарового кокиля при такой замкнутой системе распределения расплавленной массы может привести к накоплению газовой составляющей в отливке. Замедленное охлаждение кокиля способствует получению крупнокристаллической структуры, что уменьшает прочность, твердость отливок и, соответственно, мелющих тел после охлаждения, снижая их эксплуатационные свойства. В случае необлицованного кокиля усадочные дефекты остаются в отливках, а в полностью облицованном кокиле (обе половинки кокиля облицованы) получают отливки с пониженной твердостью из-за более длительного процесса охлаждения. В связи с этим требуется дополнительная термообработка отливок (мелющих тел), выравнивающая свойства до уровня, обеспечивающего заданные эксплуатационные свойства (свойства, удовлетворяющие техническим условиям изделия). В случае облицовки обеих половинок шаровых форм кокиля затруднена направленная кристаллизация, позволяющая получить качественные монолитные, плотные отливки, обладающие удароустойчивостью. Усадочные дефекты остаются в отливках. Процент годного невысок. Питатели цилиндрической формы не обеспечивают качественного заполнения полости формы кокиля и полного вывода газовой составляющей из отливки.
Задача полезной модели - повышение качества шаровых отливок из стали, чугуна, и, соответственно, изделий в виде шаровых мелющих тел за счет оптимизации конструктивных элементов, гарантированно обеспечивающих направленную кристаллизацию уплотнения отливки, перемещения усадочного дефекта отливки в стояк (литниковую систему) и повышение стойкости кокиля.
Технический результат направлен на получение отливок в виде шаровых мелющих тел с повышенной удароустойчивостью из стали или чугуна.
Технический результат достигается тем, что устройство для получения отливок в виде шаровых мелющих тел, содержащее металлический кокиль с вертикальным разъемом, стояк и питатели, соединяющие стояк с шаровыми формами кокиля, шаровые формы кокиля выполнены с облицовкой в половине формы кокиля, соединенной с питателем, который выполнен в виде усеченного конуса, расположенного большим основанием к шаровой форме кокиля, а меньшим - к стояку, причем два питателя размещены относительно оси стояка с двух сторон под прямым углом к стояку у его центральной части, а двух других - под углом 45° к оси стояка в его торцевой части, а стенки внутри шаровых форм кокиля покрыты слоем краски.
Совпадающие признаки заявляемой полезной модели с прототипом: кокиль содержит облицованные металлические шаровые формы, стояк, питатели, соединяющие шаровые формы со стояком, разъем кокиля выполнен вертикальным.
Отличительными признаками заявляемой полезной модели являются: облицовка выполнена в половине формы кокиля, контактирующей с питателем, при этом отношение оптимальной одинаковой толщины стенки кокиля к радиусу отливки равно 2,4-4 в зависимости от диаметра отливки шарового мелющего тела, в пределах 60÷100 мм, при этом отношение радиуса отливки к оптимальной толщине слоя облицовки кокиля равно 5, независимо от диаметра отливки, питатель выполнен в виде усеченного конуса большим основанием к шаровой форме, а меньшим - к стояку, два питателя размещены относительно оси стояка с двух сторон под прямым углом к стояку у его центральной части, а два других - под углом 45° к оси стояка в его торцевой части, стенка внутри формы кокиля защищена слоем краски.
Разделение рабочей части поверхности на облицованную часть и необлицованную часть создает условия ускоренного охлаждения расплава в процессе литья в кокиль в необлицованной части, приводящих к получению направленной кристаллизации структуры, получению мелкокристаллической структуры. Постоянное поступление в полость формы расплава направляет эту закристаллизованную массу вверх. И таким образом перемещает усадочный дефект отливки за пределы отливки в стояк. Такая схема литья в заявляемом устройстве создает качественную, прочную, твердую отливку и следовательно удароустойчивое мелющее шаровое тело. Размещение двух шаровых форм в торце под углом 45° к оси стояка, а к средней части стояка - под прямым углом, позволяет совместно с питателем, контактирующим с формой и стояком, выполненного в виде усеченного конуса, большим основанием к форме, реализовать поступление расплава в торцевую часть стояка и шаровым формам с охватом полости формы по периметру и центру с закручиванием его внутри полости, способствуя уплотнению охлаждающихся слоев, их перемещению вверх с гарантированным полным вытеснением газовой составляющей расплава, повышая качество получаемого изделия. Неожиданно для заявляемого устройства установлена оптимальная толщина стенки кокиля, равная 120 мм, независимо от диаметра получаемой отливки в пределах 60÷100 мм. В связи с этим оказалось, вопреки утверждениям (Вейник А.И., Термодинамика литейной формы., М., «Машиностроение», 1968 г., с. 334 или Солнцев Л.А. и др., Практика литья в кокиль чугунных изделий., Харьков, 1990 г., с. 33-34), что «эффект увеличения стойкости кокилей проявляется, когда отношение толщины стенки кокиля к половине толщины отливки равно 4 или более», в заявляемом устройстве с шаровой формой кокиля оптимальная толщина стенки кокиля, обеспечивающая эффект повышенной стойкости кокиля, должна быть одинакова. Этот эффект сказывается и на экономической эффективности производства кокилей, так как по сравнению с расчетными, проведенными по известной методике и для заявляемого устройства получаем значительную экономию металла для кокилей большего размера.
Сравнение (b/r):
-
известное:
120/30=4;
160/40=4;
200/50=4
-
заявляемое:
120/30=4;
120/40=3;
120/50=2,4
при одном уровне эффективности. А также на экономию материала облицовки в заявляемом устройстве (r/a): 30/6=5; 40/8=5; 50/10=5, где b - толщина стенки кокиля, мм, r - радиус отливки, мм, a - толщина слоя облицовки, мм. При меньших отношениях, чем 2,4 - стойкость кокиля уменьшается, а при больших, чем 4 отношениях - получаем металлоемкую конструкцию и понижение стойкости кокиля, ухудшение свойств отливок (увеличение кристаллов, уменьшение твердости, прочности, отсутствие эффекта получения направленной кристаллизации, усадочный дефект - в отливке). При меньших отношениях, чем 5 - перерасход облицовочного материала, усиленное газовыделение из слоев облицовки, а при больших, чем 5 - несвоевременное охлаждение половины формы кокиля, контактирующей с питателем и ухудшение свойств отливки (усадочный дефект - в отливке, хрупкая отливка со значительным перепадом свойств по сечению).
На фиг. 1 схематически показано устройство, разрез.
На фиг. 2, 3, 4 схематически показаны моменты реализации направленной кристаллизации при прохождении расплава через питатель в обе половины шаровой формы кокиля, разрез.
Устройство (фиг. 1) содержит: стояк 1 с воронкой в верхней части, питатели 2, 3, 4, 5 в виде усеченного конуса, соединяющие стояк с шаровыми формами 6, 7, 8, 9, соответственно (фиг. 2-4), половина шаровой формы кокиля 10, 11, 12, 13 - не облицована, а половина формы кокиля 14, 15, 16, 17, контактирующей с питателями 2, 3, 4, 5 облицована, соответственно. Внутренняя рабочая поверхность формы 6, 7, 8, 9 защищена - покрыта тонким слоем краски 18, 19, 20, 21, соответственно.
УСТРОЙСТВО РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ.
После облицовки стояка 1, питателей 2, 3, 4, 5 и в кокиле 6, 7, 8, 9, шаровой формы, половин 14, 15, 16, 17 и соединения их с необлицованными половинами формы - 10, 11, 12, 13. расплав металла (сталь, чугун) заливают через воронку в стояк 1. Расплав, в зависимости от металла, его теплопроводности и оптимального соотношения радиуса отливки к толщине покрытия и толщины стенок формы кокиля к радиусу отливки, заливают непрерывной струей со скоростью, обеспечивающей контакт вначале с необлицованной половиной форм 10, 11 и быстрое охлаждение его с образованием кристаллов, направленных по периметру полости формы в перпендикулярном направлении(направленная кристаллизация) с вытеснением воздуха из полости за пределы формы. По мере заполнения полости формы расплавом из питателей 2, 3, за счет размещения обеих форм под углом 45° происходит интенсификация направленной кристаллизации расплава при быстром охлаждении через необлицованную половину формы с получением мелкокристаллической структуры (фиг. 2) (стали, чугуна). Эта часть расплава при непрерывном поступлении следующих порций расплава служит центром кристаллизации, затравкой для последующей части потока, который движется тангенциально по периметру и центру формы, подхватывая образовавшиеся кристаллы и, тем самым, вытесняя интенсивно газы, выделяющиеся из облицовки в полости и из расплава (фиг. 3). Чему способствуют уже в начальный период кристаллизации и питатели, выполненные в виде усеченного конуса, широким основанием к форме, и, тем самым, равномерно рассредотачивая направление потока расплава в половинах форм 14, 15 по периметру полости шаровых форм кокиля. При этом облицованная часть формы способствует поддержанию оптимальной жидкотекучести расплава при заполнении формы и получению качественного, плотного, без дефектов изделия, так как создаются благоприятные условия для плавного завершения направленной кристаллизации структуры. Шаровая форма, являясь в принципе самой энергетически выгодной формой, но для аккумуляции тепла и обладая наименьшей площадью поверхности, плохо отводит тепло, создавая изначально проблемы при получении отливки без усадочного дефекта. Особенно этот эффект проявляется в чугунах, теплоотвод в которых так же затруднен. Выполнение кокиля с облицованной и необлицованной частью шарообразной формы способствует более быстрому отводу тепла из металлической - необлицованной части, чем в металлической - облицованной. Появляется разница по теплопроводности за счет особенностей конструкции устройства и частичного покрытия шаровой формы. В металлической необлицованной половине при поступлении расплава в форму происходит более быстрая кристаллизация расплава, а в облицованной половине формы кристаллизация расплава происходит с меньшей скоростью. При этом усадочный дефект не возникает, так как перемещается в стояк через прибыль, которые тоже облицованы и продолжают сохранять жидкотекучесть, способствуя ускоренному перемещению его из полости формы. Далее, расплав заполняет стояк 1 и полость 8, 9 шаровых форм кокиля через питатели 4, 5, размещенные перпендикулярно относительно оси стояка: сначала в половину формы необлицованную 12, 13, а затем в облицованную 16, 17. За счет питателей 4, 5, в виде усеченного конуса большим основанием к шаровой форме, а меньшим к стояку 1 и необлицованной части формы 12, 13, заполнение расплавом происходит по тому же принципу, как и в предыдущих двух формах в торце стояка, то есть с большей скоростью охлаждения в необлицованной и с меньшей - в облицованной частях полости формы, из-за разницы их теплопроводности, с вовлечением закристаллизованной массы расплава с охлажденной необлицованной поверхности вглубь объема полости формы жидким расплавом, поступающим непрерывно с заданной скоростью, обеспечивающей гарантированное проведение процесса направленной кристаллизации, вывод (фиг. 3) по периметру и по центру полости формы газовой составляющей вверх через питатель в стояк и не допускающая появление усадочного дефекта в отливке, который как и ранее перемещается в облицованный стояк. По завершении процесса кристаллизации плотные, качественные отливки достают из кокиля через его вертикальный разъем. Получают изделия без дефектов, обладающие повышенными качеством и, соответственно, эксплутационными свойствами по сравнению с ранее известными изделиями, получаемыми в виде шаровых мелющих тел.
Кокиль выполнен из чугуна.
В качестве облицовочного состава и термохимически стойкого слоя краски использованы составы:
- песчано-смоляная смесь, содержащая кварцевый песок 1ко16 и 1ко10 - 70% и 30% со связующим - 2,0% - смесью новолачных фенолформальдегидных полимергомологов и гексаметилентетрамин - для отливок с повышенными требованиями к шероховатости поверхности стали или чугуна;
- смесь цирконового концентрата - 100% и связующего того же состава - 1,25÷1,5 - для отливок с особыми требованиями к шероховатости поверхности (Руденко А.Б. и др., Литье в облицованный кокиль., М., «Машиностоение», 1987 г., с. 18, табл. 2).
Краска, например, второго состава защищает рабочую поверхность кокиля от воздействия расплава, а также создает восстановительную среду в полости формы, предохраняя состав отливок от окисления, как и рабочую поверхность кокиля. Цирконий действует на отливку как упрочняющий компонент.
Примеры сравнения эффекта стойкости в известных источниках и в заявляемом изобретении (b/r=k), где b - толщина стенки кокиля, мм; r - радиус отливки, мм:
- известное (Солнцев Л.А., Практика литья в кокиль чугунных деталей., Харьков, из-во «Основа», 1990 г., с. 34) - прототип:
120/30=4;
160/40=4;
200/50=4
- заявляемое:
120/30=4;
120/40=3;
120/50=2,4,
и, следовательно, в заявляемом - уменьшение металлоемкости.
При этом (r/a), где r - радиус отливки, мм; a - толщина слоя облицовки, мм:
30/6=5;
40/8=5;
50/10=5
Известны устройства для получения отливок (а.с. №1576230, МПК В22Д 15/04; а.с. №869956, а.с. №1041208, МПК С21Д 18/02) выполнены с полной или частичной облицовкой кокиля. При этом, облицовка функционально ограничена. Она предназначена для увеличения долговечности эксплуатации кокилей, а необлицованная часть - для упрощения освобождения кокиля от модели. В более поздних технических решениях (например, пат. №2221058, МПК С21Д 9/36, от 04.03.2002 г.) повышение эксплуатационных свойств отливок - мелющих тел шаровой формы достигается только за счет подбора состава металла и последующей термообработки изделия.
ПРЕИМУЩЕСТВА ЗАЯВЛЯЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ПЕРЕД ПРОТОТИПОМ.
Несмотря на то, что шаровая форма полостей кокиля, формирующая отливку шаровых мелющих тел, имеет недостаточно развитую поверхность для эффективного теплоотвода из расплава в процессе литья, необлицованная металлическая половина формы позволяет ускорить охлаждение, кристаллизацию, гарантируя образование мелкокристаллической структуры, повышенную плотность и высокую твердость по всему сечению отливки. Облицованная часть формы способствует достаточной жидкотекучести расплава при непрерывном литье формы, а облицованные питатель и стояк дополнительно способствуют выводу дефектов из отливки, за пределы полости формы. Разность теплоотвода половинок формы и подача расплава сверху - вниз в полость вначале в нижние торцевые формы, затем боковые, размещенные под разными углами к оси стояка, позволяет избежать гидроудара, оптимизировать схему непрерывного отвода от охлаждаемой поверхности жидкотекучей частью расплава закристаллизованной части, тем самым способствуя максимальному уплотнению отливки шаровых мелющих тел и образованию прочных слоев, противостоящих ударным нагрузкам, повышению качества изделий, повышению удароустойчивости мелющих тел.
Устройство позволяет минимизировать размер литниково прибыльной системы. В результате увеличивается выход годного, что в свою очередь гарантированно приводит к увеличению экономического эффекта производства качественных шаровых мелющих тел.
Разделение рабочей поверхности полости кокиля на облицованную и необлицованную части формы позволяет создать условия для реализации напряжения сжатия в необлицованной части формы, что при однократном, а, тем более, при многократном литье расплава сохраняет прочностные свойства кокиля. А при нанесении на внутреннюю рабочую поверхность термохимической стойкой краски в виде тонкого слоя, значительно
10
увеличивает долговечность кокиля в целом и не создает проблем нанесения ее после каждого завершения процесса получения отливки.
Разделение рабочей поверхности полости кокиля на облицованную и необлицованную части формы дает возможность, в случае выхода из строя необлицованной половины формы, заменить только ее, что создает благоприятные условия для непрерывного процесса литья и, следовательно, увеличивает производительность процесса получения изделий.
Заявляемое разделение в устройстве рабочей поверхности металлического кокиля уменьшает площадь нагрева кокиля, что приводит к возрастанию вероятности свободного перемещения частиц расплава вдоль поверхности, а напряжения, возникающие при этом уменьшаются, и приводит к получению качественных отливок шаровых мелющих тел, не требующих дополнительной термообработки шаровых мелющих тел.