Предисловие
Преимущества и особенности технологического процесса литья по газифицируемым моделям особенно подходят для изготовления мелющих шаров. Этот процесс в полной мере использует преимущества литья по выплавляемым моделям: отливки можно получать серийно, при этом не требуется изготовление оболочек; процесс отличается более высоким выходом годного, высокой производительностью и лучшим качеством продукции. Литьё мелющих шаров по газифицируемым моделям представляет собой относительно простой процесс литья по газифицируемым моделям.
Мелющие шары, изготовленные литьём по газифицируемым моделям, должны соответствовать национальным стандартам для мелющих шаров, а также стандартам министерств электроэнергетики, строительных материалов и других ведомств. Одновременно производители мелющих шаров, соблюдая указанные стандарты и учитывая требования пользователей, могут корректировать состав с учётом местного сырья; например, при близком расположении к месторождениям редкоземельных руд или другим минералам, содержащим редкоземельные элементы, добавление соответствующих элементов при выплавке и литье мелющих шаров позволяет улучшить их механические свойства и эксплуатационные характеристики.
Изготовление белой модели и сборка в гирлянду
Выбор пеноматериалов
Пенополистирол используется в качестве материала модели при литье по газифицируемым моделям; существует много видов пеноматериалов, однако для внешнего вида ЭПС необходимы определённые условия, поэтому лишь немногие материалы соответствуют требованиям. Поскольку пенопласты, используемые при литье по газифицируемым моделям, должны отвечать следующим условиям:
(1) Низкая плотность, высокая прочность;
(2) Лёгкая газификация, низкий остаток после высокотемпературного разложения;
(3) Лёгкое формование, возможность получения гладкой поверхности.
ПММА
EPS (полистирол) обладает высокой прочностью, небольшим газовыделением; основными продуктами разложения являются ароматические углеводороды с относительно высокой молекулярной массой, при этом выделяется больше газа и образуется больше элементарного углерода; материал дешёв и широко применяется. В Китае чаще используют EPS (полистирол), а благодаря хорошей способности полистирола к вспениванию и формованию при массовом производстве в качестве материала выбирают полистирол либо сополимер полистирола и полиметилметакрилата (ПММА). Кроме того, вспененный ПММА обладает высокой твёрдостью и хрупкостью, поэтому из него трудно получить модель низкой плотности, что также делает ПММА неподходящим для вспенивания и формования. Поэтому подходящий материал можно выбирать в соответствии с фактическими условиями предприятия.
Формование белой модели
EPS
В качестве примера рассмотрим широко применяемый в Китае EPS (полистирол):
Предварительное вспенивание
18g/L～22g/L
Перед изготовлением модели гранулы смолы (гранулы исходного материала) предварительно вспенивают до подходящей плотности около 18g/L ~ 22g/L, обычно с помощью парового или электрического нагрева.
Параметры процесса предварительного вспенивания (см. Таблицу 2-1):
2-1 SJ-KF-450
Таблица 2-1 Рабочие параметры периодической машины предварительного вспенивания SJ-KF-450 с паровым нагревом
| Материал | Температура предварительного нагрева | Давление пара | Температура вспенивания |
| EPS | |||
| PMMA |
EPS
При использовании EPS температура предварительного нагрева составляет 80℃, давление пара — 0.1mpa, температура вспенивания — 90℃, время загрузки обычно устанавливают равным 3-5s, время нагрева — 150-200s, время выдержки — 15-30s. После охлаждения выгруженные гранулы необходимо выдержать для созревания и высушить. Оптимальная температура созревания гранул составляет 23-25℃, а время — 12-24h.
Процесс формования
EPS
Материал модели даёт усадку; при использовании EPS рекомендуемый коэффициент усадки составляет 0.3%-0.4%.
E P S
Подобно точному литью по выплавляемым моделям, при литье мелющих шаров по газифицируемым моделям можно собрать гирлянду из белых моделей шаров EPS; соединительный литник (стержень EPS) может иметь четырёхугольное, пятиугольное, шестиугольное, многоугольное или круглое сечение. Размер, длина и количество шаров EPS в каждом ряду, а также количество верхних и нижних соединений определяются технологией литья мелющих шаров на каждом предприятии и мощностью плавильного оборудования; расположение нескольких групп шаров EPS в каждой опоке (размер, количество, масса и литниковая система) также определяется этими факторами. Например, в каждом слое равномерно располагают 6 шаров. Выход годного при многоярусном вертикальном способе сборки превышает 80 %. Рисунки 2.1, 2.2.
Рисунок 2.1
Рисунок 2.2
Проектирование литниковой системы
Поскольку данные изделия относятся к мелким и средним отливкам, время заливки через литниковую систему, площадь поперечного сечения внутреннего литника, размеры поперечных сечений каждого элемента литниковой системы и соотношение поперечных сечений каждого литникового стояка можно рассчитать следующим методом:
∑F прямой :∑F шлакоуловителя :∑F внутренний = 1.4:1.2:1.
Время заливки
T= G ½+G ⅓
T — время заливки
Расчёт площади поперечного сечения питателя
Согласно формуле гидравлического расчёта:
Согласно конструкции литниковой системы, показанной на приведённом выше рисунке, размеры поперечных сечений каждого элемента литниковой системы можно рассчитать по приведённой выше формуле, как показано на Рисунке 2.2. Для заливки используется верхний способ подвода металла с высоким выходом годного.
Склеивание белой модели
Модель разделена на две части и изготовлена на формовочной машине, поэтому эти две части необходимо соединить. После сборки холодным клеем соединяют литниковую чашу, питатель, шлакоуловитель и пенопластовые фасонные части.
Выбор покрытий
Жёлтая зона — это этап подготовки покрытия для литья по газифицируемым моделям. Покрытие для литья по газифицируемым моделям является одним из ключевых факторов данного процесса. В отличие от других отливок, где покрытие наносят на полость, при литье по газифицируемым моделям покрытие наносят на пенополистироловую модель, поэтому требуется специальное покрытие.
Состав покрытия
Огнеупорный материал
Огнеупорный материал определяет огнеупорность, химическую стабильность и теплоизоляционные характеристики покрытия. Он является каркасом покрытия для литья по газифицируемым моделям. Для отливок из чугуна в качестве огнеупорных материалов часто выбирают боксит, прокалённый каолин, кварцевый порошок и порошок бурого электрокорунда.
Связующее
Рациональный выбор органического и неорганического связующего обеспечивает высокую прочность и газопроницаемость покрытия. В качестве неорганических связующих обычно применяют бентонит, силикагель, жидкое стекло и фосфаты. В качестве неорганического связующего использовали кальциевый бентонит. В качестве органического связующего можно выбрать силикагель и белый латекс.
Несущая жидкость
Обычно в качестве носителя покрытия ЭПС используют воду или спирт. С учётом экологичности и стоимости в качестве носителя используют воду, поэтому получают водное покрытие.
Поверхностно-активное вещество
JFC
Для улучшения свойств покрытия необходимо добавлять поверхностно-активные вещества, обладающие одновременно гидрофильными и олеофильными свойствами. Обычно применяют ПАВ JFC, полное название — полиоксиэтиленовый эфир алкилового спирта.
Суспендирующий агент
CMC
Для полного смешивания огнеупорного материала и связующего и поддержания их во взвешенном состоянии необходимо добавлять суспендирующий агент. В качестве суспендирующего агента обычно применяют кальциевый бентонит; в водных покрытиях также можно использовать CMC. В качестве суспендирующих агентов использовали бентонит и CMC.
Проектирование процесса нанесения покрытия
Покрытие для литья по газифицируемым моделям обычно наносят четырьмя способами: кистью, окунанием, обливом и распылением. Поскольку отливки являются мелкими и средними тонкостенными изделиями сложной формы, изготавливаемыми серийно, можно использовать распыление. Покрытие для ЭПС является водным. В процессе перемешивания вязкость покрытия снижается, а после перемешивания увеличивается. Поэтому для получения равномерной толщины покрытие необходимо перемешивать во время нанесения. При этом скорость перемешивания должна быть нормальной, чтобы избежать осаждения и образования газа. Наносить покрытие следует равномерно, не допуская оголённых участков.
EPS
Водное покрытие после нанесения необходимо высушить. Сушка покрытия ограничена температурой размягчения модели EPS; обычно сушку проводят при низкой температуре или комнатной температуре. Как правило, при 40-60℃ в течение 2-10h. В процессе сушки также необходимо контролировать влажность; обычно влажность должна быть менее 40%, а вентиляция должна обеспечивать лучший эффект сушки. Обычно используют сушильную камеру, сушильный шкаф и непрерывную сушильную печь; источниками тепла могут быть электричество, нагрев, горячий воздух и т. д. При сушке следует обратить внимание на следующие моменты.
(1) При сушке модель необходимо установить на опоры, чтобы предотвратить её деформацию.
(2) Необходимо полностью высушить модель.
(3) После сушки модель следует разместить в месте с низкой влажностью, чтобы предотвратить поглощение влаги.
Процесс формовки
Проектирование формовки в опоке
Для песка выбирают керамический формовочный песок. С одной стороны, керамический формовочный песок обладает хорошей текучестью и виброуплотняемостью, легко заполняет полость и обеспечивает хороший эффект уплотнения; текучесть кварцевого песка хуже, некоторые участки невозможно заполнить, что приводит к металлическому пригару при заливке и снижению точности отливки. С другой стороны, коэффициент повреждения керамического формовочного песка низок, поэтому в долгосрочной перспективе его использование является целесообразным.
Зернистость песка составляет примерно 20 ~ 40 mesh. Слишком мелкий песок обладает плохой газопроницаемостью, что сильно влияет на качество поверхности отливки. Слишком крупный песок легко вызывает пригар и другие дефекты. Выбор выполняют в соответствии с фактическими условиями производства; используют дождевой способ засыпки песка.
Проектирование параметров вибрации
Параметры вибрации включают время вибрации, направление вибрации, частоту и амплитуду и т. д. При засыпке направление, время, частоту и амплитуду вибрации следует выбирать в соответствии с геометрией пенопластовой модели.
Обычно выбирают вибрацию высокой частоты и малой амплитуды; часто применяемая частота составляет около 50Hz, чтобы обеспечить уплотнение сухого песка без повреждения пенопластовой модели. Амплитуда обычно составляет 0.5 ~ 1.5mm, а виброускорение — 10 ~ 20m/s².
Процесс литья
Литниковая система
Выбирают верхнюю или нижнюю заливку; выход годного при верхней заливке выше, чем при нижней, а преимущество нижней заливки заключается в лучшем сборе шлака.
Отрицательное давление (степень вакуума
-0.05 MPa ,
Для низко-, средне- и высокохромистого чугуна используют -0.04—-0.05mpa, а для остальных легированных мелющих шаров выбирают значение в этом диапазоне.
Температура заливки
Для высокопрочного чугуна 1400-1450℃ или даже 1480℃; для легированного чугуна 1450-1550℃,
Для высокохромистого мелющего шара 1520-1550℃.
Скорость заливки
EPS
Перед заливкой проверьте состояние опоки; в начале скорость заливки должна быть низкой, затем её следует увеличить и в конце, при завершении заливки, снова снизить. В начале газификации EPS продукты растрескивания должны выходить через литниковую чашу; необходимо предотвращать их разбрызгивание. Позднее газификация EPS формирует канал и герметизирует литник, благодаря чему отливка находится в герметичном состоянии, сохраняет вакуум и обеспечивает плавную заливку. Наконец, чтобы остатки газификации и примеси имели достаточно времени для всплытия вверх и выхода газа, переходят к медленной заливке, однако поток металла должен изменяться от тонкого к толстому и снова к тонкому и не должен прерываться.
Стабилизация напряжения и открытие опоки
3~5 min ,
После заливки вакуумный насос продолжает создавать отрицательное давление в течение 3-5 min. Однако при литье мелющего шара из низкохромистого чугуна для достижения скорости охлаждения и твёрдого слоя, характерных для литья в металлическую форму, некоторые предприятия применяют нормализацию в аустенитной области (в раскалённом состоянии); используют обдув, обдув и распыление, обдув и распыление мелкой воды (вращающаяся гирлянда шаров), что повышает твёрдость и износостойкость.
Возможные дефекты и меры предупреждения
Разрушение песка
Причины
Слишком большая подъёмная сила заливаемого жидкого металла; слишком высокое давление газа в литейной форме; наличие отверстий в модели или недостаточная прочность; течение и удар жидкого металла; перемещение опоки и повреждение внутренней части формы.
Профилактические меры
(1) Рационально контролировать скорость заливки, обеспечивая постоянное заполнение литниковой чаши металлическим расплавом; нельзя останавливать поток в процессе заливки.
(2) Соответствующим образом увеличить отрицательное давление, чтобы уплотнить формовочный песок.
(3) Выбрать модель низкой плотности для уменьшения газовыделения.
(4) Выбрать покрытие высокой прочности и хорошей газопроницаемости.
(5) Параметры вибрационной формовки должны быть рациональными, чтобы сухой песок по всему объёму отливки был уплотнён равномерно.
Неспай, недостаточная заливка
Причины
Слишком низкая температура заполнения формы; неправильные литниковая система, конструкция и режим работы; чрезмерно высокое отрицательное давление в процессе заполнения формы.
Профилактические меры
(1) Повысить температуру заливки жидкого металла.
(2) Улучшить литниковую систему и повысить скорость заполнения формы.
(3) Использовать подходящее отрицательное давление.
Обратное разбрызгивание
Причины
Недостаток отрицательного давления является основной причиной обратного выброса. На отрицательное давление влияет множество факторов, включая слишком высокую плотность модели; плохую газопроницаемость сухого песка; плохую газопроницаемость покрытия; слишком высокую температуру заливки или слишком высокую скорость заливки.
Профилактические меры
(1) Выбрать подходящую форму сухого песка для контроля его газопроницаемости; не смешивать сухой песок с разной зернистостью.
(2) Контролировать температуру и скорость заливки, то есть температуру заполнения формы, обеспечивая газификацию модели.
(3) Рационально контролировать толщину покрытия и повысить его газопроницаемость, чтобы облегчить своевременный отвод газа после газификации модели.
(4) Рационально спроектировать литниково-питающую систему, чтобы при заливке металлический расплав плавно и быстро заполнял полость модели.
Газовые раковины
Основная причина образования одного из видов газовых раковин в отливке заключается в вовлечении воздуха при подаче высокотемпературного металлического расплава; пенопластовые остатки газифицируются под воздействием металлического расплава и образуют газ. Газ не может эффективно выйти из отливки и остаётся в ней. Для устранения этого вида газовых раковин целесообразно снизить давление в опоке.
Другой основной причиной пористости отливки является покрытие: плохая газопроницаемость покрытия и чрезмерная толщина слоя покрытия не позволяют газу, образовавшемуся при газификации модели, своевременно и эффективно выйти из отливки, поэтому он остаётся внутри отливки.
Усадочная пористость
Под воздействием высокотемпературного жидкого металла белая модель испаряется и исчезает, а металлический расплав занимает пространство белой модели. При охлаждении и затвердевании высокотемпературного жидкого металла происходит объёмная усадка. При охлаждении затвердевшего металла до комнатной температуры происходит усадка в твёрдом состоянии. Усадка металла в твёрдом состоянии вызывает изменение внешнего контура отливки. После затвердевания и усадки металлического расплава новый металлический расплав блокируется и не может поступить внутрь, поэтому возникают усадочная раковина и пористость.
Заключение
Хотя мелющий шар, изготовленный литьём по газифицируемым моделям, не обладает износостойкостью литой оболочки металлической формы, благодаря равномерной скорости охлаждения литниковая система мелющего шара, отлитого в металлической форме, не будет изнашиваться первой, что влияет на производительность шаровой мельницы. Согласно опыту многих производителей, диаметр мелющего шара, изготовленного литьём по газифицируемым моделям, составляет 30-120mm. При диаметре менее 30mm из-за тепла легированного расплава, необходимого для газификации, и недостаточной растрескиваемости белой модели легко возникают отложение углерода, складчатая корка и шлак (углеродистая сажа); при диаметре мелющего шара более 120 m m легко образуются рыхлая сердцевина и пустоты. Одним словом, технология изготовления мелющих шаров литьём по газифицируемым моделям постоянно адаптируется к потребностям развития.