Изолирующие чугунные колпачки, используемые на высоковольтных линиях электропередачи, первоначально изготавливались литьём в плакированный песок. Благодаря преимуществам ЛГМ в отношении трудозатрат, энергопотребления и экологичности начали предприниматься попытки производить такие отливки по технологии ЛГМ. В статье описывается практика технологического процесса изготовления чугунных колпачков различными способами литья по газифицируемым моделям с целью поиска наиболее подходящего процесса.
Применение чугунных колпачков
Чугунные колпачки являются принадлежностями цепей электропередачи, разрядников и подстанций. Они изолируют и фиксируют (подвешивают) провода на воздушных линиях высокого напряжения и распределительных линиях. См. рисунок 1.
РИС. 1 Дисковый подвесной изолятор для линии высокого напряжения
Исходный способ производства литьём в плакированный песок
Особенности исходного процесса
РИС. 2 Технология литья колпачка 120 в плакированный песок
РИС. 3 Технология литья колпачка Q70 в плакированный песок
Способ литья в плакированный песок показан на рисунках 2 и 3. В один литниковый стояк заливают две или четыре детали. Литниковая чаша располагается горизонтально относительно положения отливки при заливке, а расплав чугуна вводится с обратной стороны головки отливки; в этом месте расположена прибыль для сбора шлака и питания. Неспай возникает при температуре заливки ниже 1350 ℃. Выход процесса литья в плакированный песок составляет около 40%, а выход готовых изделий — более 90%.
Преимущества: процесс более зрелый и стабильный, обеспечивается производство годных отливок. При использовании плакированного песка не требуется наносить покрытие, поверхность отливки получается гладкой, что больше подходит для производства таких небольших отливок.
Недостатки: одноразовое использование плакированного песка приводит к высокой себестоимости. Условия формовки, изготовления стержней и сборки формы неудовлетворительны, за один раз отливаются только две детали. Последующие шлифовка и очистка также требуют много времени, поэтому выход процесса низкий.
2.2 Плавка и заливка по исходному процессу
Состав шихты
Чугун в чушках: лом: возвратная шихта =40% : 10% : 50%
Модифицирование и инокулирование
Используется сфероидизирующий модификатор типа 8-3 производства Pucheng Yili Metal Casting Material Co., LTD. Количество сфероидизирующего модификатора составляет 1.3% от состава расплава чугуна.
75SiFe
В качестве инокулянта используется стандартный 75SiFe в количестве 1.1%.
Способ сфероидизации и инокулирования: обработка на дне ковша.
Параметры печи и заливки
Таблица 1 Параметры нагрева и заливки
| Температура расплава | Температура заливки | Скорость заливки | Масса заливки |
| 5kg |
Требования к составу и структуре для QT450-10
Таблица 2 Состав QT450-10
| Si | Mn | Mg |
Требования к структуре: около 20% перлита в литом состоянии. Цементит не допускается; в противном случае требуется термическая обработка для его устранения.
Требования к качеству изделия
В отливке не допускаются неспаи, шлаковые включения, песчаные включения и другие литейные дефекты; прочность и удлинение образца для испытаний должны соответствовать требованиям QT450-10; цементит в структуре не допускается; требования испытания отливки на растяжение должны быть выполнены в 100% случаев.
3. Для производства чугунных колпачков использовался метод ЛГМ
3.1 Краткое описание двух отливок, использованных в испытании
В данном технологическом эксперименте отдельно изготавливались два типа чугунных колпачков — 120 и Q70. Поскольку эти два типа имеют наибольший рыночный спрос и наименьшую толщину стенки среди всех чугунных колпачков заказчика, для испытания были выбраны именно они.
Чугунный колпачок модели 120: материал QT450-10, масса одной детали 0.84kg, минимальная толщина стенки 3mm, требование к испытанию отливки на растяжение — 120KN; общая конструкция отливки более компактная, толщина стенки выпуклой части составляет 3mm, часть у отверстия толще.
Чугунный колпачок модели Q70: материал QT450-10, масса одной детали 0.95kg, минимальная толщина стенки 4mm, требование к испытанию отливки на растяжение — более 85KN. Из-за жёсткой конкуренции и повышения требований заказчика на поверхности отливки не допускаются заметные ямы и выступы, а большое круглое отверстие должно иметь закруглённую кромку. По сравнению с чугунным колпачком модели 120 общая конструкция менее компактна. Толщина стенки выпуклой части составляет 4mm, а толщина стенки губки отверстия меньше.
3.2 Трудности производства при использовании технологии литья по газифицируемым моделям
Толщина стенки отливки составляет всего около 3-4mm, поэтому легко образуется неспай.
Температуру трудно контролировать. Тонкая стенка требует повышения температуры заливки, однако это влияет на сфероидизирующий эффект, а в толстой части шаровой головки могут возникнуть усадочные раковины.
При принятии схемы литья по газифицируемым моделям необходимо учитывать, чтобы каждая отливка в гирлянде имела достаточную скорость заполнения при заполнении формы, предотвращая явление течения расплава по поверхности модели; если соответствующая скорость заполнения не обеспечена, в отливке обязательно возникнет неспай, что приведёт к браку.
Применяется технология литья по газифицируемым моделям с последовательной заливкой. Большое количество соединённых в гирлянду пеномоделей легко падает и вызывает растрескивание покрытия в процессе сушки, нанесения покрытия и вибрации при формовке с засыпкой, что может привести к шлаковым, песчаным и другим литейным дефектам. Кроме того, при отсутствии более совершенной технологической схемы или фиксированного приспособления для последовательной заливки возможен переход к сборке моделей в опоке, что снизит производительность.
5. Круглость отверстия и губки пеномодели должна строго контролироваться, поскольку они легко деформируются.
Требования производителя. Ранее отливки изготавливались литьём в плакированный песок; при обеспечении качества отливок выход процесса превышал 40%, а выход готовых изделий — 90%. Кроме того, по сравнению с предыдущим производством таких отливок литьём по газифицируемым моделям необходимо значительно повысить показатели энергосбережения, сокращения времени и снижения трудозатрат.
Испытание технологии литья по газифицируемым моделям
Белая зона
Пенополистироловая модель чугунного колпачка модели 120 состоит из верхней и нижней пеномоделей, как показано на РИС. 4. Следует отметить, что брак отливки может быть вызван плохим соединением по поверхности разъёма. На рисунке 5 показана поверхность пеномодели Q70 без разъёма.
РИС. 4 Пенополистироловая модель колпачка модели 120
РИС. 5 Пенополистироловая модель чугунного колпачка Q70
4.2 Нанесение покрытия и окраска
Покрытие наносят два раза, толщина покрытия составляет около 1mm, время сушки каждого из двух слоёв превышает 12h.
4.3 Литейный процесс, плавка и заливка
Основная идея: сначала определить оптимальное положение заливки и положение раскрытия питателя отливки, затем расположить прямой литниковый стояк и горизонтальный литниковый канал в опоке с учётом особенностей процесса последовательной заливки, чтобы получить схему, соответствующую технологии литья по газифицируемым моделям и требованиям заказчика.
Схема литейного процесса
Сначала учитывается опыт исходного литейного процесса, затем он объединяется с технологией литья по газифицируемым моделям. Для этого производственного испытания было разработано в общей сложности 5 положений отливки.
С точки зрения поиска оптимального положения заливки и положения раскрытия питателя сначала применяется вертикальный способ заливки кластера моделей, являющийся распространённым способом последовательной заливки большого количества малых отливок. Причина заключается в том, что при заполнении каждая отливка в слое может заполняться снизу вверх, что обеспечивает скорость заливки каждого слоя и предотвращает турбулентность.
Кластер моделей состоит из 4 слоёв, на каждом кластере моделей подвешены отливки. Конкретная схема показана на РИС. 6. Всего заливается 5 кластеров моделей; в каждом кластере отливки каждого слоя размещаются одинаково, но порядок верхних и нижних отливок различается, чтобы избежать ошибки, вызванной разным положением верхних и нижних отливок.
РИС. 6 Схема положения отливки
4.3.2 Схема плавки и заливки
Состав шихты остаётся неизменным: чугун в чушках: лом: возвратная шихта =40% : 10% : 50%;
Количество сфероидизирующего модификатора увеличено с 1.3% до 1.4%;
Количество инокулянта увеличено с 1.1% до 1.2%;
Способ сфероидизации и инокулирования — обработка на дне ковша;
Параметры нагрева и заливки показаны в таблице 3;
Таблица 3 Температура нагрева и заливки при ЛГМ
| Температура расплава | Температура заливки | Скорость заливки | Масса заливки | Степень вакуума |
| 30kg | -0.06MP |
Кластеры моделей заливали по очереди, проблем с контролем процесса заливки не возникло. Литейных дефектов, таких как шлаковые и песчаные включения, не обнаружено. По результатам эксперимента установлено, что в отливках по схеме 5# дефекты отсутствуют, тогда как в остальных трёх схемах наблюдались неспаи, как показано на рисунке 7.
РИС. 7 Схема дефекта неспая в отливке
Анализ преимуществ и недостатков различных литейных схем.
Литейная схема 1#
Четыре из пяти кластеров литых моделей были забракованы. Для подачи расплава чугуна использовались два питателя. Питатель располагался перед шаровой головкой, а положение отливки было наклонено вверх.
Причина: расплав вводился через два питателя, образуя два потока; температура расплава в последней заполняемой части не соответствовала требованиям сплавления, что привело к плохому сплавлению и возникновению неспая.
Литейная схема 2#
Все пять кластеров литых моделей были забракованы; расплав чугуна вводился через два питателя с задней стороны шаровой головки, а отверстие отливки было наклонено вверх. Неспай в основном располагался в верхней части тонкостенной выпуклой зоны в положении заливки, то есть именно в месте окончательного заполнения и сплавления расплава. Форма и причина дефекта аналогичны схеме заливки 1#.
Литейная схема 3#
Отверстие отливки располагалось горизонтально, а расплав чугуна поступал с задней стороны шаровой головки. В последней заполняемой части отливки и в верхней части положения заливки возникали дефекты неспая. Когда расплав в конце заполнял форму и соединялся, его температура не соответствовала требованиям сплавления.
Литейная схема 4#
В четырёх из пяти кластеров литых моделей наблюдались дефекты неспая. Расплав чугуна вводился через один питатель из выпуклой части чугунного колпачка, а положение отливки при заливке было отверстием вверх.
Дефекты проявлялись в виде неспая и проблемы с литниковым стояком. Положение неспая было противоположно питателю и также являлось последней заполняемой частью.
Литейная схема 5#
Все пять кластеров моделей были успешно отлиты. Применялось нижнее литьё через один питатель; расплав вводился с задней стороны шаровой головки, а отверстие отливки направлялось вверх. Дефектов не обнаружено, готовая отливка успешно получена.
По сравнению с другими схемами причины были проанализированы следующим образом: один питатель обеспечивает более концентрированное тепло, чем несколько питателей, а при направленном вверх отверстии нижнего литья в процессе заполнения не происходит слияния потоков расплава. Поэтому схема нижнего литья через один питатель с отверстием вверх лучше соответствует требованиям к литью данной конструкции. Кроме того, в последующих экспериментах дефекты в отливках не появлялись даже при более низкой температуре, составлявшей всего 1370℃, что свидетельствует о стабильности этой технологической схемы. При температуре заливки 1350-1450℃ можно получать готовые отливки; с этой точки зрения фактическое производство имеет значительную свободу в выборе температуры заливки.
После обобщения результатов пяти приведённых выше испытаний установлено, что оптимальными положением заливки и положением питателя является схема 5#. Кроме того, практика доказала, что чугунный колпачок типа 120 можно успешно отливать независимо от применяемого литейного процесса благодаря его компактной конструкции, толстой губке отверстия и небольшой площади тонких стенок. Следовательно, литейный процесс тесно связан с конструкцией отливки. Готовая отливка показана на рисунке 8.
РИС. 8 Чертёж готовой отливки
Для 4 готовых отливок без дефектов выполнены химический, металлографический анализ и испытания на растяжение. Полученные состав, металлографическая структура и напряжение соответствуют требованиям.
Процесс последовательной заливки
Следующий этап — соединение литникового стояка и шлакоуловителя отливки для реализации последовательной заливки и повышения производительности. Ключом процесса последовательной заливки является последовательное направление расплава чугуна в полость отливки, чтобы при заполнении формы для каждой отливки обеспечивалась необходимая скорость заполнения и не возникала турбулентность при поочерёдном открытии питателей, предотвращая дефект неспая.
В связи с этим было разработано в общей сложности пять схем для выбора, как показано ниже на рисунках 9-13.
РИС. 9 Схема последовательной заливки 1
РИС. 10 Схема последовательной заливки 2
РИС.11 Схема последовательной заливки 3
РИС.12 Схема последовательной заливки 4
РИС. 13 Схема последовательной заливки 5
С учётом характеристик литейного процесса анализируются преимущества и недостатки приведённых выше схем. Схемы 1# и 2# не обеспечивают последовательное заполнение. Когда расплав достигает конца ответвления, он проходит длинный путь, а температура значительно снижается. В процессе заполнения нижний слой ещё не заполнен, а верхний слой уже начинает заполняться, что влияет на скорость подъёма нижнего потока расплава и приводит к неспаю. В фактических экспериментах дефекты неспая в отливках по этим двум схемам были более выраженными. Поэтому с технологической точки зрения эти две схемы не соответствуют требованиям производства и имеют высокий уровень брака.
В схеме 3# используется принцип одновременного заполнения для проектирования литникового стояка. По результатам заливки уровень брака отливок превышает 90%, однако выход процесса низкий и составляет около 45%, поэтому схема неудовлетворительна.
В схеме 4# используется принцип последовательного заполнения для проектирования литникового стояка, а процесс заливки разрабатывается с подъёмом по наклонной траектории. Результат заливки аналогичен результату схемы 4#, выход высокий, но из-за неиспользования большого пространства опоки и применения главного литникового стояка выход процесса значительно снижается и составляет менее 35%.
В схеме 5# применяется последовательная заливка отдельных отливок, при этом расположенный выше шлакоуловитель исключается, что повышает выход процесса и обеспечивает выход готовых изделий; выход процесса увеличен до более чем 65%, что соответствует потребностям заказчика.
6 Заключение
В статье исследована возможность перехода от производства чугунных колпачков литьём в плакированный песок к производству способом ЛГМ: от первоначального поиска оптимального положения питателя и положения заливки до поиска оптимального способа последовательной заливки, с одновременным совершенствованием процесса плавки и заливки; в результате успешно исследована возможность производства чугунных колпачков по технологии литья по газифицируемым моделям.