Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

DEVELOPMENT SYSTEM FOR MANUFACTURING SPRUE GRINDING BODIES

Labutin V.N. 1 Pustovalov D.O. 1 Belova S.A. 1 Kaygorodov A.K. 1
1 Perm National Research Polytechnic University
В статье представлены: результаты анализа существующей литниковой системы для изготовления мелющих тел в неокрашенном кокиле; результаты расчетов новой разработанной литниковой системы в облицованном кокиле; расчет плотности стали; моделирование процесса программным комплексом ProCAST на предмет получения бездефектных отливок с высоким технологическим выходом годного (ТВГ). Для получения бездефектных отливок мелющих тел с высоким ТВГ была разработана литниковая система, где интенсивность теплового взаимодействия между кокилем и отливкой регулируется созданием определенного термического сопротивления на поверхности раздела отливки (расплав) и рабочей поверхности кокиля в виде слоя огнеупорной облицовки. При этом для создания направленного затвердевания и регулирования скорости охлаждения облицовку наносят не на всю поверхность кокиля. При расчете ЛПС (литниково-питающей системы) в программном продукте ProCAST вероятность получения бездефектных отливок высока, и предложенный способ получения мелющих тел оправдан.
The article presents: the results of the analysis of existing gating system for the manufacture of grinding media in the unpainted metal mold; results of calculations of the new gating system developed in a lined metal mold; calculation of the density of steel; process modeling software package ProCAST for producing defect-free castings with high technological yield.For defect-free castings grinding media with high EGT was designed gating system, where the intensity of the interaction between heat and chill mold casting is governed by the creation of certain thermal resistance at the interface between the cast (melt) and the working surface of the mold in the form of a layer of the refractory lining. At the same time to create a directional solidification and cooling rate regulation trim is applied not to the entire surface of the mold.When calculating the LPS (gating) in the software product ProCAST probable that the defect-free castings is high and the proposed method of preparing grinding media justified
metal mold
lining
grinding media
gating system
steel castings
ProCast
shrinkage casting
crystallization
density
Мелющие тела для дробления сырья и материалов широко применяются в самых различных отраслях промышленности, в том числе горнорудной, цементной, энергетической и др. Ежегодно в мире с их помощью размалывают около 2 млрд т минерального сырья в год.

Разработка литниковой системы для изготовления мелющих тел с определенным технологическим выходом годного (ТВГ) и минимальным использованием ручного труда является актуальной проблемой, так как процесс охлаждения и затвердевания сплава в отливке сферической формы приводит к образованию усадочной раковины и пористости, исходящей из центра шара.

К материалу для изготовления мелющих тел предъявляют ряд требований, обусловленных спецификой их эксплуатации. Мелющие тела должны иметь высокую твердость и абразивную износостойкость и, кроме того, сопротивление ударам.

Целью данной работы является разработка литниковой системы для изготовления мелющих тел с ТВГ 75±2 %.

Материалы и методы исследования

Химический состав исходного исследуемого сплава приведен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав исследуемого сплава, % (масс.)

Элемент

С

Mn

Si

Ni

Mo

Cu

P

S

Содержание, %

0,77

0,65

0,4

0,2

0,06

0,2

0,05

0,05

Производились теоретические расчеты плотности сплава с учетом добавления по 1% каждой примеси с целью получения сплава заданного химического состава.

Теоретический расчет плотности сплава был произведен по формуле

, г/см3,                                                        (1)

где r – плотность определенного сплава, г/см3; rж – плотность железа, г/см3; х – содержание примесей в % по весу; Dr – изменение плотности на 1% добавки.

Параллельно было проведено моделирование процессов кристаллизации сплава с использованием программного комплекса ProCAST. После этого был проведен анализ на предмет соответствия расчетных данных и результатов компьютерного моделирования.

Результаты и их обсуждение

В настоящее время мелющие тела изготавливают в металлическом неокрашиваемом кокиле по литниковой системе, представленной на рисунке 1.

Изменение плотности сплава на 1% каждой примеси представлено в
таблице  2.

Таблица 2

Изменение плотности сплава на 1% каждой примеси

Элементы

С

Mn

Si

Cr

Ni

Mo

Cu

P

S

Изменение плотности сплава на 1 % добавки, Dr

–0,04

–0,016

–0,073

+0,001

+0,004

+1

+0,011

–0,117

–0,164

Рис. 1. Существующая литниковая система

 

Используя формулу (1), рассчитали плотность исследуемого сплава.

r = 7,88 – 0,77х0,04 – 0,65х0,016 – 0,4х0,073 + 0,2х0,004 + 0,06х1 + 0,2х0,011 –

– 0,05х0,117 – 0,05х0,164 = 7,85896 г/см3 » 7,86 г/см3

В системе ProCAST плотность сплава при различных температурах составила: при 20°С – 7,85 г/см3; при 1580°С – 6,83 г/см3.

При расчете данной литниковой системы за тепловой узел принята половина шара, диаметр теплового узла – 50 мм, диаметр шейки увеличен на 20% и равен 60 мм с предложением о возможности вывода раковины Æ 50 мм. Диаметр стояка рассчитан исходя из длины шейки Æ 60 мм, равной 30 мм, и объема полушара V = 262 см3. Отсюда диаметр стояка составляет

 см » 100 мм,

где Dст – диаметр стояка, см; V – объем полушара, см3; Н – длина шейки, см.

Особенности технологии литья стали в кокиль обусловлены ее плохими литейными свойствами и высокой скоростью охлаждения расплава и отливки, что не учтено при расчете существующей литниковой системы.

Для работы прибылей при получении бездефектной отливки должно соблюдаться условие:

tзатв. стали > tзатв. шейки > tзатв. отливки                                (2)

где t – время затвердевания, с.

Для определения времени кристаллизации сплава, протекающей в интервале температур, использовали формулу А.И. Вейника

, ч,

где G1 – вес отливки, кг;

 С1пр – приведенная теплоемкость отливки с учетом скрытой теплоты кристаллизации r1, Дж/кг:

где С1ж и С1т – теплоемкости сплава отливки в жидком и твердом состояниях;

 Т2нач – температура формы.

Исходные данные для расчета:

Gотл = 3,96 кг;

С1пр = 3478,6 Дж/кг×К;

Тликв = 1733 К

Тсол = 1638 К

Т2нач = 423 К

С1ж = 920 Дж/кг×К;

С1т = 753 Дж/кг×К;

r1 = 251000 Дж/кг;

b = 720000 Дж/м2×К

F1 = 0,0283 м2;

Fшейки = 0,0085 м2;

Fст = 0,14 м2;

Gшейки = 1,082 кг;

Gст = 27,765 кг.

       

 

 0,05 ч = 3 мин.

Боковая поверхность шейки, которая соприкасается с формой Fшейки = 0,0085 м2:

 0,046 ч = 2,78 мин.

 

 0,06 ч = 3,6 мин.

Условие прибыли (2) не соблюдается, так как 3,6 > 2,78 < 3.

Это подтверждается моделированием при использовании программного продукта ProCAST (рис. 2).

а

б

в

Рис. 2. Визуализация этапов моделирования: а – направленность кристаллизации;

б – усадочные дефекты в сечении; в – усадочные дефекты в объеме

 

В мелющих шарах остаются дефекты – раковины усадочного характера размером » 25 ´ 25 ´ 20 мм. Кроме этого, отливки шаров требуют трудоемкой механической обработки, а ТВГрасчет = 41%.

Для получения бездефектных отливок мелющих тел с высоким ТВГ была разработана литниковая система, где интенсивность теплового взаимодействия между кокилем и отливкой регулируется созданием определенного термического сопротивления на поверхности раздела отливки (расплав) и рабочей поверхности кокиля. Для этого на рабочую поверхность кокиля наносят слой огнеупорной облицовки. Для создания направленного затвердевания и регулирования скорости охлаждения облицовку наносят не на всю поверхность кокиля.

Разработка чертежа литниковой системы

Для разработки чертежа литниковой системы необходимо рассчитать следующие ее параметры:

– металлоемкость формы для данной конфигурации литниково-питающей системы:

                                      (3)

где GB – масса воронки       , где VB – объем воронки

Масса воронки составила 

Масса шара составила

Объем и масса полушара – ;

Объем и масса цилиндра –  ;

Объем и масса питателя – ;

Объем и масса прибыли –

– технологический выход годного составил

Разработанная литниковая система представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Чертеж разработанной литниковой системы

 

а

б

в

Рис. 4. 3D-модели, используемые при моделировании: а – 3D-модель блока отливок; б – 3D-модель блока отливок с нанесенной облицовкой; в – 3D-модель кокиля

 

Расчет прибыли

Минимальная высота от  верхней кромки шара до верха кокиля при массе отливки 11–25 кг составляла 60 мм.

Расчет объема прибыл произведен по методу Пржибыла.

,                                               (4)

где  – суммарная относительная объемная усадка затвердевания = 0,05;

 – коэффициент прибыли = 9;  – объем теплового узла отливки.

 

Объем прибыли:  

Из конструктивных соображений при проектировании литниковой системы для получения ТВГ согласно заданию, объем прибыли был увеличен:

Визуализированные отливки с литниково-питающей системой при моделировании в программном продукте ProCAST представлены на рисунке 5.

а

б

Рис. 5. Усадочные дефекты в отливке: а – в сечении; б – в объеме

 

Выводы

По результатам расчетов и компьютерного моделирования можно сделать следующие выводы.

1. В объеме пористость видна только в зоне стояка, что никак не сказывается на качестве получаемых отливок шаров.

2. Технологический выход годного (ТВГ) для разработанной системы составил 74,36%.

3. Время заполнения кокиля составило: рассчитанное в программном продукте ProCAST – 7,83 с.

4. Время выдержки в кокиле до выбивки: рассчитанное в программном продукте ProCAST – 30,86 мин.

Таким образом, при расчете ЛПС (литниково-питающей системы) в программном продукте ProCAST вероятность получения бездефектных отливок высока, и предложенный способ получения мелющих тел оправдан.

Рецензенты:

Беленький В.Я., д.т.н., профессор, декан МТФ ПНИПУ, г. Пермь;

Сиротенко Л.Д., д.т.н.,  профессор кафедры МТиКМ ПНИПУ, г. Пермь.