Исследование влияния продувки газом на охлаждение отливок в магнитной форме

Белов Е.И.,

ФГБОУ ВПО «АмГПГУ»,

г. Комсомольск-на-Амуре, Россия

Checking the impact of the purge gas to form a magnetic rate of solidification and cooling of castings using the experimental setup for casting in magnetic form by gasified models in real world conditions.

Проверку влияния процесса продувки магнитной формы газами на скорость затвердевания и охлаждения отливок проводили с помощью экспериментальной установки для получения отливок в магнитной форме по газифицируемым моделям в реальных условиях.

Изучали влияние на скорость охлаждения, структуру и свойства отливок следующих параметров искусственного охлаждения магнитной формы: момента начала и окончания процесса продувки, продолжительности последней, расхода воздуха и азота, толщины прослойки формовочного материала между отливкой и газопроницаемым дном, площади этого дна, типа и толщины огнеупорного покрытия газифицируемых моделей, нагнетания воды при продувке.

Опытная установка включает в себя намагничивающее устройство в виде U-образного электромагнита постоянного тока и вибростол инерционного типа. Электромагнит служит для упрочнения дисперсного ферромагнитного формовочного материала (дроби) в процессах заливки магнитной формы металлом и затвердевания отливки. Вибростол обеспечивает плотное прилегание формовочного материала ко всей поверхности газифицируемой модели отливки и необходимую степень уплотнения магнитной формы.

Опока для магнитной формы представляет собой металлический ящик с дном (контейнер), в который помещают газифицируемую модель с литниковой системой и засыпают формовочным материалом.

Эксперименты по искусственному охлаждению магнитной формы проводили с помощью контейнера специальной конструкции, имеющего двойное газопроницаемое дно (рис. 1), выполненное из двух пластин с отверстиями. Между пластинами находилась мелкая металлическая сетка, которая не позволяла частицам формовочного материала просыпаться вниз. В нижнюю полость контейнера подавали сжатый воздух из сети или азот из баллонов. Газ через газопроницаемое дно принудительно фильтровался сквозь поры формовочного материала, охлаждая магнитную форму. Давление в резервуаре замеряли водяным манометром, который подключали к контейнеру с помощью специального патрубка. Для измерения расхода газа применяли ротаметр. Продувку магнитной формы производили при различных расходах газов в диапазоне 0,001 - 0,05 м³/с.

Рис. 1. Контейнер с двойным газопроницаемым дном.

Теплообмен между отливкой и магнитной формой исследовали по термическим характеристикам образцов и температурным полям магнитной формы с помощью хромель-алюмелевых термопар. Для снятия термических характеристик образцов горячие спаи термопар, защищенные термостойким покрытием на основе этилсиликата, помещали перед формовкой в центры тяжести пенополистироловых моделей и на границе металл - форма. Для выявления распределения температуры в магнитной форме горячие спаи < термопар с помощью специального держателя помещали напротив центра тяжести образца таким образом, чтобы электроды термопар располагались вертикально в изотермических плоскостях на расстоянии 10 и 20 мм от большей вертикальной поверхности образца в толще магнитной формы. Термопары устанавливали перпендикулярно тепловому потоку так, чтобы на длине 50 диаметров горячего спая, они не пересекали изотермических поверхностей. Электроды термопар, находящиеся в образцах и в магнитной форме, помещали в тонкие кварцевые трубки, остальные части электродов имели изоляцию из стеклоткани.

Термопары были изготовлены из одного куска провода толщиной 0,5 мм, диаметры головок горячих спаев термопар равнялись 0,6 - 0,7 мм. Термопары тарировали в печи типа «Марс» в интервале 20 - 1000 °С, их показания записывали с помощью шлейфового осциллографа Н-700 на фотобумагу, для чего холодные спаи термопар через магазин добавочных сопротивлений соединяли с гальванометрами осциллографа.

Газифицируемые модели для образцов изготовляли механической обработкой из блочного пенополистирола марки ПСБ-А объемной массой 25 кг/м³. В экспериментах использовали образцы (пенопластовые модели с учетом усадки металла) размером 80x80 мм и толщиной 5, 10, 20, 40 и 80 мм. Перед формовкой газифицируемые модели покрывали огнеупорной краской на основе синтетической смолы ОФ-1 и вспученного перлита для предотвращения образования на отливках трудноотделимого пригара из частиц металлического формовочного материала. Для сравнения использовали другие типы огнеупорных покрытий.

В качестве формовочного материала применяли чугунную литую дробь марки ДЧЛ-08 средним диаметром 0,65 мм. Для получения нужной плотности и пористости формовочного материала магнитной формы контейнер _ч подвергали вибрации в течение 10 секунд при заданной амплитуде колебаний. Плотность дроби после вибрации была равной 3600 кг/м³. Пористость формовочного материала магнитной формы в экспериментах была постоянной и равной 0,46 для материала, содержащего 5 % посторонних примесей. При формовке газифицируемых моделей в контейнере тщательно замеряли толщину прослойки формовочного материала между газопроницаемым дном контейнера и моделью, а также местоположение термопар в образце и в объеме магнитной формы.

Заливку производили в два контейнера одновременно синтетическим чугуном одного химического состава из общего ковша при температуре 1400 °С. При этом одну форму продували газом, а в другой образцы затвердевали и охлаждались без продувки и служили контрольными для сравнения. Продувку обычно начинали после того, как на отливках образовывалась корка затвердевшего металла, достаточная для сопротивления давлению газа, поступающего в форму при продувке. После постановки каждого опыта магнитную форму осторожно разбирали и тщательно измеряли расстояния от термопар до отливок для исключения ошибки из-за возможного смещения термопар при формовке. Образцы разрезали и определяли место положения горячих спаев термопар, расположенных в центре и на границе металл - форма. После расшифровки осциллограмм строили графики в координатах температура - время, а также проводили металлографические исследования, измерения глубины отбела образцов, твердости на их поверхности и в центре.

Исследования по искусственному охлаждению дали возможность оценить степень его влияния на теплообмен между отливкой и магнитной формой. Более подробно результаты исследований будут представлены автором в последующих публикациях, а здесь из-за ограничения объема приведены только некоторые основные моменты.

При продувке магнитной формы в исследованном диапазоне расходов газов в резервуаре подводящего устройства избыточное давление составляло относительно незначительную величину 0,5 - 5 кПа. Этот факт объясняется высокой пористостью и газопроницаемостью формовочного материала магнитной формы и относительно большим ее объемом, через который фильтруется газ при продувке.

Эксперименты показывают, что продувка магнитной формы газом в значительной мере изменяет режим охлаждения образцов. В случае применения азота для продувки значительно ускоряется затвердевание и охлаждение отливок, что видно из сравнения термических характеристик контрольных и полученных с применением продувки азотом образцов (рис. 2). Так, например, скорость затвердевания образцов толщиной А = 10 мм возрастает при расходе азота 0,01 м /с примерно на 30 % по сравнению со скоростью затвердевания контрольных образцов, при этом продувку начинали через 60 с после окончания заливки формы. При уменьшении промежутка времени между окончанием заливки и началом продувки затвердевание образцов еще больше ускоряется. Аналогичная картина наблюдается при затвердевании образцов, имеющих другую толщину.

Рис. 2. Термические характеристики образцов.

На процесс последующего охлаждения образцов продувка азотом оказывает еще большее влияние, чем на затвердевание (ускорение на 40 - 50 %), причем с повышением массы и понижением температуры выбивки отливок эффект искусственного охлаждения магнитной формы возрастает.

С увеличением расхода азота пропорционально возрастает интенсивность затвердевания и охлаждения отливок. Аналогичное влияние на ускорение искусственного охлаждения оказывает уменьшение площади продувки (перекрытие части газопроницаемого дна по наружным краям формы) по причине возрастания скорости потока газа, обтекающего отливку. Уменьшение толщины прослойки формовочного материала между отливкой и газопроницаемым дном магнитной формы также инициирует процесс охлаждения, что объясняется уменьшением гидравлического сопротивления прослойки и, как следствие, ускорением потока охлаждающего газа.

Искусственное охлаждение магнитной формы воздухом показало противоположные результаты: скорость затвердевания и охлаждения отливок существенно (на 40 - 60 % в зависимости от массы) меньше, чем контрольных образцов без продувки и тем более, по сравнению со скоростью затвердевания при продувке азотом. Все параметры, которые при использовании азота повышают скорость охлаждения образцов (увеличение расхода, уменьшение площади газопроницаемого дна и толщины прослойки), при продувке воздухом, наоборот, уменьшают скорость их охлаждения. Такие результаты объясняются интенсификацией выделения тепла горения продуктов термодеструкции газифицируемых моделей (которые образовались при заливке расплавленного металла и сконденсировались в объеме магнитной формы) под воздействием дополнительного действия кислорода при продувке воздухом (эффект кузнечного горна). Это свойство магнитных форм можно использовать в случаях, когда необходимо уменьшить скорость охлаждения отливок, получить более мягкую структуру, ликвидировать отбел и т.п. Весьма интересным вариантом регулирования скорости охлаждения отливок явилась бы продувка магнитной формы азотом и воздухом в той последовательности, которая диктовалась бы технологией.

Результаты измерений твердости на поверхности и в центре образцов, а также металлографические исследования графитовых включений в них и в металлической матрице полностью подтверждают результаты термографических исследований.

Таким образом, эффективность охлаждения магнитной формы потоком фильтрующегося газа в значительной степени зависит от скорости его движения и пористости материала формы, что было подтверждено экспериментальными исследованиями.