Сетевое издание

Современные проблемы науки и образования

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

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

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

 

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.

 

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.