CC BY
110
ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
УДК 621.746.4:669.13
Вдовин К.Н., Феоктистов H.A., Куликов В.Д., Кондратьев И.С.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИТЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВКИ «СЕГМЕНТ ЭКОНОМАЙЗЕРА»
Аннотация. В статье представлены результаты компьютерного моделирования различных технологий получения отливки «Сегмент экономайзера». Рассмотрены возможные виды дефектов, образующихся в процессе кристаллизации её в форме.
Ключевые слова: теплообменник, отливка, литниковая система, усадочная пористость, усадочнаяраковина.
Экономайзеры (теплообменники) применяются для создания микроклимата в производственных и складских помещениях. В настоящее время широкое распространение нашли как стальные, так и чугунные экономайзеры, существенно отличающиеся друг от друга способом производства.
Стальные экономайзеры состоят из соединённых между собой труб, образующих пакеты.
Чугунные экономайзеры состоят также из отдельных блоков (секций), которые, в свою очередь, изготавливаются методом литья.
Экономайзеры чугунные блочные предназначены для работы в паровых и водогрейных стационарных котлах с рабочим давлением до 2,4 МПа. Они состоят из пакетов 2- и 3-хметровых труб с оребрением, соединенных между собой и заключенных в каркас с теплоизоляционной обшивкой. Иногда комплектуются коробом для подвода газов, чтобы использовать тепло газов, отходящих от котлов.
Применение чугуна в поверхностях нагрева и соединительных деталях значительно увеличивает срок службы по сравнению со стальными экономайзерами.
Как уже было сказано, сегмент теплообменника (рис. 1) производят методом литья в сухую песчано-глинистую форму. В качестве материала в основном используют серый чугун. При этом заводы-изготовители сталкиваются с большим количеством литейных дефектов, среди которых часто встречаются земляные засоры, разностенность, недолив, вскип.
Земляные засоры, вскипы обусловлены технологическими факторами - некачественная смесь, износ модельно-опочной оснастки, переувлажнение смеси либо некачественная сушка формы. Эти факторы легко устранить путём соблюдения теоретических аспектов и введением пооперационного контроля технологических параметров процесса производства отливки.
Недоливы обусловлены сильно развитой поверхностью отливки и некачественной сушкой формы, что усложняет формозаполняемость. Для устранения подобного рода дефектов необходимо осуществлять работу в следующих направлениях: разработка рациональной литниковой системы (ЛС), увеличение жидкотекучести расплава и стабилизация режима сушки форм.
Разнотолщинность стенок образуется при формировании центрального отверстия стержнем. Стержень изготавливают из холодно-твердеющей смеси. Внутрь стержня помещают металлическую трубу -каркас. Формирование разностенности возможно в результате действия двух факторов - высокой температуры и выталкивающей силы.
Под действием высокой температуры происходит незначительная деформация металлического каркаса. Кроме того, на стержень действует выталкивающая сила со стороны металла, что приводит к утончению стенки отливки «Сегмент экономайзера». Усугубляющим фактором является то, что замерить толщину
А А-А
А
Рис. 1. Сегмент экономайзера
стенки сегмента является технически сложной задачей. Поэтому единственным способом проверить надёжность изготовленного сегмента - это испытание под давлением. Но этот способ не даёт возможность проверить долговечность испытуемой отливки.
При существенном уменьшении толщины стенки возможно разрушение сегмента экономайзера в процессе эксплуатации из-за длительного воздействия давления теплоносителя порядка 2,4 МПа внутри детали.
Решить эту проблему возможно путём установки кольцевых жеребеек, предотвращающих смещение стержня во всех направлениях, тем самым гарантируя отсутствие разностенности в отливке «Сегмент экономайзера». Но для этого необходимо провести серию расчетов и экспериментов с целью решения тепловой задачи и определения всех необходимых технологических параметров. Этому будет посвящена дальнейшая работа.
Как уже было отмечено, для устранения дефекта «Недолив» необходимо увеличить жидкотекучесть металла, а также разработать рациональную литниковую систему (ЛС). Увеличение жидкотекучести чугуна можно добиться, подбирая его химический состав. Известно, что хорошо повышает жидкотекучесть чу-гунов кремний, в зависимости от содержания углерода в металле. Наибольшая жидкотекучесть получается при углеродном эквиваленте 8Э = С + 1/3 81 = 4,7 [1].
ЛС должна обеспечивать максимально быстрое заполнение литейной формы сплавом. В противном случае металл начнёт кристаллизоваться до того мо-
мента, как заполнится весь необходимый объём полости формы, что приведёт к образованию дефекта «Недолив».
Посредством компьютерного моделирования возможно оценить вероятность образования литейных дефектов в отливке ещё на стадии проектирования [2 - 4]. В работах [5 - 7] приводится методика, позволяющая спрогнозировать вероятность образования горячих трещин на отливке. Таким образом, компьютерное моделирование позволяет сравнивать различные варианты литейных технологий на стадии проектирования и снижать вероятность или вовсе предотвращать литейные дефекты в отливках.
Для отливки «Сегмент экономайзера» были рассмотрены и промоделированы три варианта ЛС.
Первый вариант - это классический подвод металла по плоскости разъёма вдоль главной оси сегмента.
Второй вариант - это боковой подвод металла по плоскости разъёма перпендикулярно главной си сегмента.
Третий вариант - дождевая литниковая система.
Моделирование осуществляли в программе ЬУМБ^ 4.2.
Результаты компьютерного моделирования, представленные в виде цветового кодирования (рис. 2-4).
Рис. 2. Результаты компьютерного моделирования отливки «Сегмент экономайзера» с классическим подводом металла: а - распределение температуры в отливке после кристаллизации; б - критерий Нияма; в - динамика нарастания предела прочности через 1 мин после заливки;г - то же через 1,5 мин после заливки
Проанализировав полученные данные первого варианта конструкции ЛС (см. рис. 2), можно сделать вывод, что она не является приемлемой для производственного процесса, т.к. не обеспечивает заполнение формы в полном объёме. На противоположной стороне отливки, относительно подвода металла, на фланце образовался ярко выраженный недолив. Кристаллизация чугуна идёт с противоположного торца относительно ЛС. Это может привести к существенному короблению отливки. Кроме того, в той же области сосредоточено значительное количество не-сплошностей - микропор, что может привести к разрушению сегмента в процессе эксплуатации.
На рис. 3 представлены данные компьютерного моделирования второго варианта литниковой системы.
По представленным результатам видно, что рассматриваемая боковая ЛС с подводом металла к каждой перегородке детали обеспечивает заполнение полости формы в полной мере. Распределение температур по длине отливки более равномерное. Наблюдается существенное снижение количества пор при равномерном распределении по всей длине отливки. Существует незначительная вероятность коробления отливки из-за низкой скорости затвердевания металла в её центре относительно торцов. Вероятнее всего,
затвердевшиё рёбра сегмента одновременно будут выступать в качестве своеобразных рёбер жёсткости, что приведёт к минимальному или полному отсутствию коробления.
На рис. 4 представлены результаты моделирования третьего варианта ЛС.
Из представленных результатов на рис. 3 видно, что тепловые поля, образующиеся в отливке, располагаются равномерно по всей её длине. Следует отметить, что при использовании такой конструкции ЛС в отливке образуется значительное количество микропористости, больше, чем в случае применения второго варианта ЛС. Кроме того, предложенную дождевую ЛС сложно реализовать в условиях реального производства. Для этого необходимо изготавливать специализированную оснастку, позволяющую осуществлять процесс заливки формы в плоскости, перпендикулярной плоскости формовки.
Для оценки величины предела прочности чугуна в различных частях отливки использовали модуль «Напряжения». Величину предела прочности (МПа) оценивали как среднее значение 7 точек по высоте отливки (150 мм), спустя 1 мин после заливки (см. рис. 2-4). Замеры проводили по длине отливки с шагом 0,5 м. Полученные резушагы представлены графически на рис. 5.
Рис. 3. Результаты компьютерного моделирования отливки «Сегмент экономайзера» с боковым подводом металла: а - распределение температуры в отливке после кристаллизации; б - критерий Нияма; в - динамика нарастания предела прочности через 1 мин после заливки; г - то же через 1,5 мин после заливки
а
Рис. 4. Результаты компьютерного моделирования отливки «Сегмент экономайзера» с верхним подводом металла: а - распределение температура в отливке после кристаллизации; б - критерий Нияма; в - динамика нарастания предела прочности через 1 мин после заливки; г - то же через 1,5 минуты после заливки
1 1.5 2
Длина отливки, м
Рис. 5. Величина предела прочности чугуна в различных частях отливки «Сегмент экономайзера» спустя 1 мин после заливки: - классический подвод металла; - — — — — - боковая ЛС; ■ ~~ ■ ■ ~~ - дождевая ЛС
Представленные данные хорошо отражают динамику нарастания прочностных свойств по длине отливки и дают полное представление о процессе кристаллизации. С точки зрения возникающих напряжений наиболее приемлемый вариант ЛС - первый, при котором осуществляется подвод металла вдоль отлив -ки, а также реализуется принцип направленного за-
твердевания. Но это способ не даёт возможности получить требуемую конфигурацию отливки.
Второй вариант ЛС может привести к образованию горячей трещины в середине отливке, где предел прочности меньше, чем в пограничных областях.
Третий вариант ЛС менее приемлем с точки зрения вероятности образования горячих трещин в центре отливки, т.к. она выше, чем у варианта ЛС № 1 и 2. Кроме того, образуется значительное количество микропор, по сравнении со вторым вариантом ЛС.
Подводя итоги по проделанной работе, можно отметить, что выбор конструкции ЛС для отливки «Сегмент экономайзера» является очень сложной задачей, т.к. именно ЛС формирует тепловое состоянии отливки в целом, способствует образованию не-сплошностей в её теле и короблению литой детали.
Проведя анализ, установили, что наиболее приемлемым вариантом ЛС является боковая, с подводом металла в каждую перегородку отливки.
Список литературы
1. Производство чугунных отливок: учеб. для студ. вузов / В.Д. Белов, В.М. Колокольцев, К.Н. Вдовин, Е.В. Ковалевич, Э.Б. Тен, Ри Хосен, Э.Х. Ри. Магнитогорск: МГТУ им. Г.И. Носова, 2009 . 521 с.
2. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А. Модернизация литниковой системы отливки «Шлаковая чаша» // Литейное производство сегодня и завтра: труды 9-й Всерос. науч.-практ. конф. СПб: Изд-во СПб. политехн. ин-та, 2012. С. 510-518.
3. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А. Моделирование процесса заливки и кристаллизации отливки «шлаковая чаша» // Литейщик России. 2012. № 3. С. 12-14.
4. Вдовин К.Н., Феоктистов Н.А. Моделирование процесса заливки и кристаллизации отливки «шлаковая чаша» (продолжение) // Литейщик России. 2012. № 5. С. 12-14.
5. Vdovin K.N., Feoktistov N.A. Researching of hot cracks forma-tion reasons on the casting "slag chalice" by modeling of potting and crystal-lization process // Сборник научных трудов SWorld: ма-
териалы международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте». 2012. Вып. 2. Т. 8. Одесса: Куприенко, 2012 . С.32 - 38.
6. Вдовин К.Н., Савинов A.C., Феоктистов H.A. Прогнозирование трещиноустойчивости крупных стальных отливок // Литейное производство. 2014. № 12. С. 15 - 21.
7. Вдовин К.Н., Феоктистов H.A. Анализ технологических мероприятий, направленных на предотвращение горячих трещин на стальных отливках // Теория и технология металлургического производства. 2014. № 2. С. 84 - 86.
Сведения об авторах
Вдовин Константин Николаевич - д-р техн. наук, проф., зав. каф. литейного производства и материаловедения, ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: 8(3519) 29-85-30. E-mail: [email protected]
Феоктистов Николай Александрович - аспирант каф. литейного производства и материаловедения, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: [email protected]
Кондратьев Иван Сергеевич - студент каф. литейного производства и материаловедения, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
Куликов Владислав Дмитриевич - студент каф. литейного производства и материаловедения, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
MODELING OF THE FOUNDRY TECHNOLOGY FOR THE PRODUCTION OF CASTING "SEGMENT ECONOMIZER"
Vdovin Konstantin Nikolaevich - D.Sc. (Eng.), Professor, Head of the department of Materials Science and foundry, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Phone: 8(3519)29-85-30. E-mail: Vdovin@magtu. ru
Feoktistov Nikolai Aleksandrovich - Postgraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. E-mail: [email protected]
Kondratiev Ivan Sergeyevich - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Kulikov Vladislav Dmitrievich - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University.
Abstract. The article presents the results of computer simulation of different technologies for the production of casting "Segment economizer". The possible types of defects formed during the crystallization process it in the form.
Keywords: Heat exchanger, casting, gating system, shrinkage porosity, shrinkage cavities.
♦ ♦ ♦
УДК 621.74.041:001.891.57
Вдовин К.Н., Феоктистов H.A., Овчинникова M.B.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛИТЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВКИ «АНКЕР»
Аннотация. В статье рассмотрены и промоделированы с помощью компьютерной программы LVMFlow 4.2 два варианта литниково-питающей системы для отливки «анкер». Проанализировав полученные данные моделирования, определили, что классический подвод металла по плоскости разъема формы является наиболее приемлемым вариантом литниковой системы. При таком подводе металла реализуется принцип направленного затвердевания и поэтому дефекты в отливке не образуются.
Ключевые слова: рельсовое скрепление, отливка, литниковая система, дефекты, моделирование.
