123682 (Получение биметаллических заготовок центробежным способом), страница 4

Поэтому в настоящей работе вопросу использования отверждаемого теплоизоляционного покрытия уделяется особое внимание.

Появление дефектов в отливке в зоне падения струи металла в форму способствует также распространенный способ заливки металла в направлении оси вращения изложницы.

Исследования гидродинамического состояния жидкого потока во вращающейся форме свидетельствуют о том, что при заливке жидкости в осевом направлении во вращающуюся форму происходит гидравлический удар («прыжок»).

Поэтому участок формы в месте падения струи металла является наиболее опасным с точки зрения разбрызгивания струи и захвата пузырьков воздуха в поток металла.

В работе [35] показано, что при осевом истечении струи металла из заливочного устройства размывание сыпучей теплоизоляции во вращающейся форме можно избежать при соответствующем угле наклона струи по отношению к форме и величине гравитационного коэффициента К > 20.

Однако с увеличением массы заготовок, когда используется более толстый слой сыпучего покрытия 0,004...0,006 м и повышенная скорость заливки металла энергия удара струи металла возрастает и частицы песчаного слоя вымываются более интенсивно, образуя кольцевой слой пригара.

Поэтому изменение способа заливки металла во вращающуюся форму для смягчения воздействия струи на теплоизоляцию является одним из этапов исследования настоящей работы.

Наряду с этим возникает проблема использования тонкостенных водоохлаждаемых изложниц с толщиной стенки 35...40 мм, которые используются при изготовлении биметаллических валков способом центробежного литья.

Такая изложница, интенсивно охлаждаемая водой, работает в режиме передатчика тепла от отливки в окружающую среду и испытывает значительные термоциклические нагрузки в различные периоды технологического процесса, что приводит к снижению ее эксплуатационной стойкости. Кроме этого, в процессе формирования биметаллических заготовок, близких по размерам и составу металла к мельничным валкам, возникают значительные напряжения в отливках из-за высокого перепада температур (400...500°С) между водоохлаждаемой тонкостенной изложницей и отливкой [34], что приводит к появлению трещин в рабочем и внутреннем слоях валка.

В связи с этим возникает задача, связанная с применением толстостенных изложниц, толщина стенки которых (0,12...0,15 м) сопоставима с толщиной стенки отливки. Такая изложница выполняет уже роль аккумулятора тепла, выделяемого отливкой и может не охлаждаться водой.

Одним из распространенных дефектов при литье биметаллических чугунных валков является несваривание металла на границе двух сплавов [34, 36] и, как правило, причиной появления такого дефекта служит отсутствие четких представлений о кинетике затвердевания металла рабочего слоя валка, и невозможность расчета и назначения оптимального температурно-временного режима процесса заливки двух металлов.

При чрезмерно большом интервале между окончанием затвердевания рабочего слоя и началом заливки второго металла, когда рабочий слой полностью затвердел и успел охладиться ниже определенной температуры, наблюдается несваривание слоев.

А при коротком интервале, когда рабочий слой еще не затвердел, при заливке второго металла происходит смешивание двух слоев с проникновением карбидообразующих элементов в сердцевину валка, в связи с чем появляются трудности при расточке отверстия бочки при запрессовке полуосей.

В приведенных работах [34, 36] на основе результатов определения продолжительности затвердевания металла рабочего слоя валка даются рекомендации по улучшению свариваемости рабочего слоя и сердцевины прокатных валков, полученных в тонкостенной водоохлаждаемой изложнице, покрытой изнутри сыпучим теплоизоляционным материалом.

Для обеспечения сваривания двух слоев металла (рабочего слоя из хромоникелевого чугуна и сердцевины из серого) необходимо обеспечить температуру в зоне сваривания равную 1050...1100°С, т.е. на 100...150°С ниже температуры затвердевания легированного чугуна.

При этом необходимо использование флюса для предотвращения образования на внутренней поверхности рабочего слоя пленки окислов, затрудняющей сваривание двух слоев металла.

С этой целью предлагается флюс следующего состава /34/:

силикат натрия (mNa₂0 • nSiCb) 25%

окись кальция (СаО) 35%

фтористый кальций (CaF₂) 25%

бура (Na₂B₄0₇) 15%

Температура плавления флюса составляет 820°С.

Способы ввода флюса в изложницу, как правило, состоят в его засыпке на струю заливаемого металла при подаче в заливочную чашу [34] или в конце процесса заливки после выхода струи металла из заливочного желоба .

Указанные способы отличаются необходимостью дополнительного использования конструктивных элементов для ввода флюса и отсутствием их надежности, что способствует загрязнению металла неметаллическими включениями.

Особенностью производства двухслойных мельничных валков является значительная (в 1,8...2,1) разница в диаметрах внешнего и внутреннего поверхностного рабочего и внутреннего слоев, поэтому очень важна рекомендация по определению частоты вращения формы.

В большинстве случаев авторы для определения частоты вращения формы, имеют ввиду тонкостенные отливки (трубы, втулки, гильзы) с отношением внешнего и внутреннего диаметров в пределах 1,10... 1,15, как, например, в формуле Константинова Л.С [34]:

(1.1)

где n - частота вращения формы, мин^-1;

р - плотность сплава, г/см³;

r - внутренний радиус отливки, см;

5520 – опытный числовой коэффициент.

Формула (1.1) выведена из предположения, что на свободной поверхности отливки коэффициент гравитации для чугунных заготовок составляет 47.

При изготовлении тонкостенных отливок эта формула дает положительные результаты, но при литье толстостенных заготовок какими являются мелющие валки, ее использование приводит к заниженным значениям гравитационного коэффициента на внутренней поверхности отливки и, как следствие, появлению структурной неоднородности.

Применительно к литью толстостенных заготовок в большей мере подходит расчетная формула Цветненко К.У. для определения частоты вращения стальных заготовок [45].

Однако при изготовлении биметаллических заготовок и эти рекомендации для определения скорости вращения формы не подходят, т.к. не учитывают условий заполнения двух металлов, их вовлечения в круговое движение и продольное перемещение в форме, т.е. особенностей гидродинамического состояния потока, а также тепловых условий, которые, в конечном счете, определяют свойства отливки.

Анализ технологического процесса изготовления двухслойных биметаллических заготовок центробежным способом показывает, что для получения мелющих валков с однородной плотной структурой рабочего слоя, высоким по качеству свариванием двух разнородных металлов рабочего слоя и сердцевины с высокой отбеливаемостью рабочего слоя необходимо решение ряда задач, позволяющих обеспечить:

• равномерный теплоотвод от отливки в окружающую среду;

• прочное сваривание двух металлов;

• плавный и быстрый ввод металла во вращающуюся форму;

• замена сыпучего покрытия на отверждаемое;

- усовершенствование ряда элементов конструкции центробежной машины, способствующих эффективному использованию процесса отливки валков.

1.4 Влияние химического состава чугуна на качество рабочего слоя валков

Основным требованием к качеству мукомольных валков, как показали условия их эксплуатации, является высокая износостойкость рабочего слоя, которая во многом обусловлена высокими показателями твердости.

Однако в связи с тем, что на рабочей поверхности мукомольных валков нарезают рифли, к металлу предъявляются требования достаточной вязкости для предотвращения выкрашивания рифлей при эксплуатации валков.

Вместе с тем, как показывают результаты изучения эксплуатации мелющих валков, рифленая поверхность, применяемая на первичных драных системах помола, испытывает повышенные на 20...30% нагрузки по сравнению с валками, имеющими микрошероховатую поверхность, которые используются на конечных стадиях размола.

Поэтому физико-механические свойства рабочего слоя и структура металла, определяемые во многом его химическим составом, должны быть различны, в соответствии с разными служебными требованиями.

Несмотря на это обстоятельство практика производства мелющих валков показывает, что валки, изготавливаемые по одному, устоявшемуся химическому составу, эксплуатируются как на первичном помоле, на драных системах, так и на конечной стадии помола - на размольных системах.

Существующие нормативные документы по изготовлению мукомольных валков регламентируют один состав материала вне зависимости от использования валков в той или иной системе помола, что намного снижает их эксплуатационную стойкость.

Так, например, ГОСТ 2789-59 регламентирует химический состав рабочего слоя валков для нелегированного (белого) и легированного чугунов вне зависимости от особенностей их эксплуатации (таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Химический состав рабочего слоя валков

Нелегированный чугун в качестве рабочего слоя валка используется преимущественно при стационарном литье валков.

Образование белого чугуна связано с высокой скоростью затвердевания его поверхностных слоев, соприкасающихся (через слой краски) с массивной металлической изложницей и образованием перлитно-цементитной структуры.

По мере снижения скорости затвердевания металла в центральных зонах отливки углерод выделяется в виде графита, при этом, чем дальше от наружной поверхности, тем его больше.

Использование белого чугуна в качестве отбеленного слоя на поверхности бочки валка оказалось малоэффективным при их эксплуатации.

Так мукомольные валки, отливаемые в стационарные формы /30/ с глубиной отбеленного слоя до 0,01 м, после одной-двух переточек настолько теряли износостойкость из-за нарастания количества графитовых включений по глубине слоя, что дальнейшее их использование становилось нецелесообразным.

При этом износостойкость валков оказалось весьма низкой и составляла около 50 суток до первой переточки рифлей на драной линии[30].

Поэтому дальнейшие работы были сосредоточены на использовании валков с рабочим слоем из легированного чугуна, что позволило повысить их стойкость до 4 месяцев, хотя и этот срок считается неудовлетворительным, так как не вписывается в годичный период межремонтных работ, установленный на крупных мелькомбинатах.

Дальнейшее совершенствование конструкции мукомольного оборудования и ввод в эксплуатацию в конце прошлого столетия новых конструкций валков, работающих с повышенными удельными нагрузками, потребовал значительного увеличения их износостойкости, а, следовательно, и совершенствования состава материала рабочего слоя валков.

Химический состав легированного чугуна для рабочего слоя валков был несколько скорректирован по сравнению с действующими нормативами по ГОСТ 2789-59/87/(табл. 1.3).

Таблица 1.3 — Химический состав легированного чугуна для рабочего слоя валков

Твердость металла такого рабочего слоя из легированного чугуна, имеющего состав, приведенный в таблице 1.3, должна соответствовать 62...72 HSD на расстоянии 0,01 м от поверхности бочки валка, однако это условие на практике часто нарушается.

Наличие хрома и никеля в легированном чугуне обусловлено, наряду с получением заданной твердости, необходимостью повышения прочности и вязкости металла рабочего слоя валков, на поверхности которых нарезаются рифли.

Хром, являясь карбидообразующим элементом, увеличивает глубину отбеленного слоя и повышает его твердость.

В работах [21, 24] показано, что хром способствует увеличению переходной зоны валков, что может сказаться на появлении карбидов в сердцевине бочки валков и затруднении процесса расточки отверстий с торцевых ее поверхностей для запрессовки полуосей.

Никель способствует измельчению перлита, созданию более равномерной структуры чугуна и устранению микропористости отливок в отбеленном слое, легируя феррит и измельчая включения графита, и таким образом способствует повышению их прочности и вязкости [36].