Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Современные требования, предъявляемые к качеству мелющих валков 10
1.1.1. Общие требования к валкам различного назначения пищевой отрасли 10
1.1.2. Условия эксплуатации и технические характеристики мелющих валков 14
1.1.3. Нарезка рифлей и нанесение микрошероховатости на внешней поверхности бочки валка 20
1.2. Анализ и тенденции развития перспективных процессов производства биметаллических мелющих валков 23
1.3. Основные направления дальнейшего совершенствования технологических процессов производства биметаллических мелющих валков 30
1.4. Влияние химического состава чугуна на качество рабочего слоя валков 41
2. Методика исследования 46
2.1. Объект исследования и общие методические положения работы. 46
2.2. Методы исследования технологических параметров отливки двухслойных валков 50
2.3. Методы исследования структуры и физико-механических свойств металла отливок 55
3. Исследование особенностей формирования биметаллических заготовок валков в поле действия центробежных сил 64
3.1. Исследование гидродинамического состояния жидкости во вращающейся форме 64
3.2. Исследование особенностей процесса затвердевания отливки в массивной изложнице 76
3.3. Определение кинетики затвердевания рабочего слоя валков 82
3.4. Влияние скорости затвердевания на свойства металла рабочего слоя валков 91
4. Исследование и разработка технологии изготовления биметаллических мелющих валков 96
4.1. Исследование и выбор оптимальных параметров формы для отливки мелющих валков 96
4.2. Выбор состава и способа нанесения теплоизоляционного покрытия на внутреннюю поверхность изложницы 97
4.3. Совершенствование конструкции заливочного устройства для отливки валков 104
4.4. Технологический регламент вращения формы 107
4.5. Термовременные параметры режима заливки двух разнородных металлов в форму 110
4.6. Исследование и выбор состава чугуна мелющих валков рабочего слоя 112
4.7. Экспериментально-производственная отработка технологии отливки биметаллических валков методом центробежного литья. 115
5. Промышленное внедрение технологии изготовления биметаллических мелющих валков 135
5.1. Внедрение разработанного технологического процесса производства мелющих валков в промышленных условиях 135
5.2. Разработка технических условий и отливка промышленной партии валков 142
5.3. Эксплуатационная стойкость мелющих валков 152
5.4. Технико-экономическая эффективность результатов внедрения в промышленности предложенных рекомендаций 155
Выводы 157
Общие выводы 158
- Анализ и тенденции развития перспективных процессов производства биметаллических мелющих валков
- Методы исследования технологических параметров отливки двухслойных валков
- Выбор состава и способа нанесения теплоизоляционного покрытия на внутреннюю поверхность изложницы
- Разработка технических условий и отливка промышленной партии валков
Введение к работе
6A &f
Актуальность темы. Важнейшей задачей современного машиностроения является повышение надежности и долговечности оборудования, в том числе работающего в условиях повышенных удельных нагрузок и интенсивного износа рабочих элеменгои.
Подавляющее количество оборудования для пищевого машиностроения связано с переработкой продуктов аграрно-продовольственного комплекса страны, таких как пшеница, рожь, солод, кофе, какао-бобы, сахар, соль и др.
Основная нагрузка по их переработке ложится на рабочие органы размольных агрегатов - мелющие валки, от качества которых зависит производительность, энергоемкость и стабильность работы всего технологического оборудования, а также сортность выпускаемой продукции.
В связи с повышением интенсивности производственных мощностей современного оборудования по переработке пищевых продуктов значительно возросли требования к качеству мелющих валков и, прежде всего к продолжительности их эксплуатации.
Преждевременный выход из строя мелющих валков приводит к остановке всего перерабатывающего оборудования, работающего в синхронном режиме, и отнимает до 25% полезного времени в связи с перевалкой валков.
Общие потери от преждевременного износа мелющих валков в пищевой отрасли страны, включающей 350 крупных мукомольных комбинатов, около 300 крупных кондитерских предприятий и несколько сотен более мелких, составляют сотни миллионов рублей в год.
Сложность технологии изготовления биметаллических мелющих валков состоит в необходимости достижения высокой твердости поверхностного рабочего слоя при наличии «мягкой» сердцевины с достаточно высокой пластичностью металла, что приводит к затруднениям при изготовлении цельной заготовки, которая должна обладать дифференцированными свойствами по сечению.
Объектом исследования являлись мукомольные валки с диаметром бочки 0 250 мм и длиной 1000 мм, на долю которых приходится около 90% производимых валков для пищевой отрасли.
Традиционная технология изготовления мукомольных валков методом «промывки» в стационарный кокиль, отличающаяся низкой эффективностью процесса, хотя и позволяет получать дифференцированную структуру по сечению отливки, однако не обеспечивает равномерной твердости и одинаковой глубины отбеленного слоя по длине и окружности валков, что является одной из основных причин их низкой эксплуатационной стойкости.
Продолжительность работы мукомольных валков отечественного производства, полученных стационарным способом, крайне низка и оценивается в 3,5-4,0 месяца до первой переточки рифлей при работе на драных системах грубого помола.
Наиболее эффективным способом изготовления мукомольных валков с дифференцированной структурой является центробежное литье с последовательной заливкой во вращающуюся форму металлов рабочего и внутреннего слоев, что позволяет не только обеспечить их высокие эксплуатационные характеристики, но и в максимальной степени механизировать процесс изготовления, а также улучшить санитарно-гигиенические условия труда Р"Э^Щ'У ІУ-УА^ лшищей среды.
Однако, несмотря на ряд выполненных работ с участием специалистов ряда организаций, эксплуатационная стойкость валков, изготовленных способом центробежного литья все еще не соответствует растущим требованиям мукомольного производства.
В основном это связано с отсутствием стабильной технологии применяемого способа центробежного литья, что ведет к повышенному браку по расслоению, трещинам, спаям, появленшо бугристости на поверхности отливок, и связанной с этим «пятнистости», те. неравномерной твердости на поверхности отливки, что во многом объясняется недостаточной изученностью процесса формирования разнородных составов чугуна в иоле действия центробежных сил.
В связи с этим проблема изготовления надежных и долговечных в эксплуатации мелющих валков для пищевого машиностроения, является актуальной.
Цель и задачи работы. Целью работы является исследование особенностей технологического процесса получения мелющих валков для пищевого машиностроения методом центробежного литья с последующим внедрением полученных результатов в промышленности.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
исследование особенностей процессов заполнения и распределения жидкого металла в форме с учетом действия центробежных сил и определение их влияния на качество отливок;
изучение кинетики и скорости затвердевания рабочего слоя валков и их влияния на структуру и свойства металла, а также взаимосвязь их температурно-временными условиями заливки двух разнородных составов чугуна;
разработка технологического регламента центробежного литья бочек мелющих валков по основным его параметрам: скорость и температура заливки металла, способ и режим ввода металла во вращающуюся форму; частота вращения формы, состав и способ нанесения теплоизоляционного покрытия в изложницу; интервал времени между заливками двух металлов и др.);
проведение эксплуатационных испытаний мелющих валков в промышленных условиях;
внедрение в производство полученных рекомендаций по изготовлению мелющих валков.
Научная новизна:
научно обосновано использование массивной изложницы с рабочей поверхностью, облицованной самотвердеющим покрытием, толщина стенки которой соизмерима с толщиной стенки отливки, что позволило существенно повысить ее теплоаккумулирующую способность, снизить температурный перепад по отношению к отливке и повысить изотропность свойств рабочего слоя валка;
разработан технологический регламент заливки рабочего и внутреннего слоев металла валков, обеспечивающий прочное сваривание двух разнородных металлов;
экспериментально обосновано, что частота вращения формы должна определяться с учетом толщины заливаемого слоя металла, а не наружного диаметра отливки;
выявлена определяющая роль термического сопротивления облицованного покрытия, которая при толщине слоя 2,0 мм позволяет обеспечить требуемую твердость и глубину отбела рабочего слоя валка;
показано, что использование заливочного устройства с боковой подачей жидкого чугуна по ходу вращения формы сокращает на 20...25% период его вовлечения во вращение до частоты вращения формы, что позволяет обеспечивать получение плотной и однородной структуры рабочего слоя.
Практическая ценность и реализация работы:
разработан и внедрен на ОАО «Кушвинский завод прокатных валков» технологический регламент производства высококачественных биметаллических валков для пищевого машиностроения методом центробежного литья с использованием новых решений их изготовления (патенты № 2117548 от 20.08.1998 г, № 2124066 от 27.12.1998 г., № 2146182 от 10.03.2000 г., № 224982 от 01.12.2003 г.);
эксплуатационные испытания промышленной партии мелющих валков, изготовленных по разработанной технологии на ряде крупнейших пищевых комбинатов России, показали, что стойкость их повысилась в 3,0...3,5 раза по сравнению со стойкостью стационарнолитых валков;
предложена новая конкурентоспособная модель валков с полой бочкой, позволяющая повысить эксплуатационную стойкость мелющих валков;
основные разработки, полученные в диссертационной работе, приняты при проектировании конструкции центробежной машины для получения двухслойных валков.
Достоверность результатов работы:
Научные положения и теоретические разработки обоснованы большим объемом экспериментальных исследований с применением современных методов и средств оценки качества изделий.
Результаты работы получили промышленное применение для изготовления мельничных валков и приняты для эксплуатации на крупнейших пищевых комбинатах России.
Личный вклад
Автор принимал непосредственное участие в постановке задачи работы, разработке методик, проведении лабораторных экспериментов и опробовании полученных результатов в промышленных условиях.
Автор непосредственно участвовал при анализе и обобщении результатов теоретических, экспериментальных и расчетных данных.
При его участии проведены промышленные отливки биметаллических мельничных валков на ОАО «Кушвинский завод прокатных валков».
Он является соавтором ряда патентов и печатных публикаций по диссертационной работе.
Апробация работы
Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:
- Всероссийском пятом съезде литейщиков (г. Москва, 2001 г.);
Всероссийской научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (г. Санкт-Петербург, 2002 г.);
Семинаре «Состояние и перспективы развития литейно-металлургического производства» Общество «Знание» (г. Москва, 2003 г.);
Всероссийском шестом съезде литейщиков (г. Москва, 2003 г.).
Публикации
По результатам выполненных исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе получены 4 патента РФ.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 158 страницах и включает введение, пять глав, общие выводы, библиографический список из 121 наименования, приложение, содержит 50 рисунков и 23 таблицы.
Анализ и тенденции развития перспективных процессов производства биметаллических мелющих валков
Противоречивость требований к служебным свойствам биметаллических чугунных валков состоит в необходимости образования твердого поверхностного слоя для противодействия абразивному износу и сравнительно «мягкого» внутреннего слоя для возможности расточки и запрессовки стальных полуосей, что в значительной степени усложняет технологическую задачу получения биметаллических литых изделий. Для реализации этой задачи были разработаны способы стационарной заливки валков «промывкой» /21 ...24/ и «полупромывкой» /25...29/. По методу «промывки» в форму (рис. 1.6) заливается металл до уровня отверстия в прибыльной части валка. После образования на бочке слоя твердого металла необходимой толщины осуществляется заливка другого металла в форму. Незатвердевший легированный металл вытесняется из формы серым чугуном для образования сердцевины валка. Промывное отверстие закрывается и форма заполняется серым чугуном до верхней кромки прибыли /21, 22/. Метод «полупромывки» применяется для получения валков из высокопрочного чугуна. При этом способе после затвердевания рабочего слоя валка (из чугуна, имеющего 0,4...0,5% кремния и обработанного магнием) в форму заливается чугун с повышенным содержанием кремния (7... 10%), что препятствует образованию отбела /21, 23, 25/, с тем, чтобы после смешения двух металлов получить состав чугуна с содержанием кремния 2,0...2,3%. Указанные способы получения биметаллических валков имеют существенные недостатки: большой расход жидкого металла, особенно легированного, нестабильность процесса, трудность получения равномерного отбела по длине и сечению бочки валка, значительная длительность технологического цикла. Несмотря на сложность и трудоемкость изготовления мелющих валков стационарными способами и низкое качество получаемых валков они продолжают находить применение в современной практике. Так, все мукомольные валки типа ЗМ со сплошной конструкцией бочки, составляющие 35-40% объема всего производства, изготавливают только стационарным способом. Многие валки с пустотелой бочкой для мельниц типа А1-БЗН изготавливают также стационарным способом с использованием центрального стержня в форме. Так, например, металлургическое предприятие фирмы "TMS" (Чехия г. Пардубицы) широко использует способ «промывки» для изготовления мелющих валков с полостью /17/. На рис. 1.7 представлена схема заливки полого мелющего валка в кокиль с центральным стержнем.
Стержни для формирования внутренней полости валка изготавливаются из смеси кварцевого песка с метилакриловой смолой, отверждаемой углекислым газом. Материалом отливок является нелегированный серый чугун, отбеленный рабочий слой составляет по глубине 0,010. ..0,015 м. Внутренний слой валка, примыкающий к стержню, характеризуется перлитно-ферритной структурой чугуна, переходный слой - ледебуритный. Использование стационарного способа изготовления бочек мукомольных валков связано как с большими издержками в процессе их производства (низкий выход годного 40-50%, большой расход формовочных материалов, высокая трудоемкость процесса), так и низкими качественными характеристиками: неравномерность твердости по длине и сечению бочки валка, а также неравномерность толщины рабочего слоя, что в значительной степени снижает их эксплуатационную стойкость (3,5...4,0 месяца до первой переточки рифлей) /30/. Практика производства биметаллических валков показывает, что перечисленные недостатки, характерные для стационарного литья, устраняются при использовании центробежного способа изготовления валков /26, 31.. .35/. О преимуществах способа центробежного литья, по сравнению со стационарным, упоминалось в ряде отечественных и зарубежных публикаций, в которых подчеркивалось удачное решение проблемы качества отливок и экономии металла /3 6... 3 8/. Анализ литературных данных показывает, что в мировой практике разработаны и применяются различные способы центробежного литья биметаллических валков: 1. Заливка рабочего слоя и сердцевины металла валка на машинах с вертикальной осью вращения /32, 39,40/. 2. Отливка двухслойных валков на машинах с наклонной осью вращения /30,32,41...44/. 3. Заливка рабочего слоя в форму с горизонтальной осью вращения с последующим заполнением сердцевины в вертикальном положении /47...51/. 4. Заливка рабочего слоя на машинах с горизонтальной осью вращения /45, 46/. Каждый из указанных способов имеет свои преимущества и недостатки. Так, например, первый из них характеризуется сложностью конструкции, а также неравномерной толщиной рабочего слоя по длине бочки валка. При этом способе необходимо значительное заглубление машины, что не всегда возможно на практике, из-за наличия грунтовых вод. Этим способом изготавливают биметаллические валки такие западноевропейские фирмы как «Гонтерман Пайперс», «Мидланд Роллмайкерс», «Юзинор» /39,40, 52/. Второй способ (с наклонной осью вращения формы) также отличается определенной сложностью конструкции машин, требует ее заглубления и также не обеспечивает равномерной толщины рабочего слоя бочки валка. Третий способ получения биметаллических валков имеет две разновидности. Одна из них заключается в наличии поворотного устройства изложницы, с помощью которого форма после заливки металла рабочего слоя при горизонтальной оси вращения и его кристаллизации устанавливается в вертикальное положение, а затем производится заливка металла сердцевины. Этот способ приемлем для небольших по массе валков, у которых интервал между заливкой рабочего слоя и сердцевины ограничен по времени, однако его применение из-за сложности конструкции машины тоже ограничено. Второй разновидностью этого способа является заливка металла сердцевины валка в форму, расположенную в вертикальном положении вне зоны расположения машины (кессон), после кристаллизации рабочего слоя при горизонтальной оси вращения. Указанный способ нашел применение в ряде стран для производства преимущественно крупных валков, при изготовлении которых интервал между окончанием кристаллизации рабочего слоя и заливкой металла сердцевины достаточно велик /47, 53, 56, 58/.
Четвертый способ отличается простотой конструкции центробежной машины, не требует заглубления и обеспечивает равномерную толщину рабочего слоя бочки валка. Учитывая, что при изготовлении валков для пищевой промышленности полуоси не отливаются, а запрессовываются, то изготовление полой бочки наиболее целесообразно производить на центробежных машинах с горизонтальной осью вращения путем последовательной заливки поверхностного рабочего слоя, а затем и внутреннего. Использование этого способа для получения биметаллических валков отмечается в работах /30, 32, 34/ (рис. 1.8). Он нашел применение в металлургическом производстве ряда зарубежных стран (США, Япония, Германия, Франция) для изготовления двухслойных валков применительно к мелкосортным, проволочным и трубопрокатным станам. Отмечается ряд преимуществ центробежного литья двухслойных валков по сравнению со стационарным способом их изготовления, например: - структурная однородность рабочего слоя по глубине и длине бочки; - равномерная твердость металла рабочего слоя по сечению и длине бочки; - более плотная структура; - экономичное и гибкое производство. Однако сведения о технологических особенностях изготовления мелющих валков центробежным способом являются недостаточно полными /30/ и чаще всего носят рекламный характер /12... 18/. Поэтому исходной ступенью настоящей работы являлась та база научных и практических разработок в области производства центробежнолитых биметаллических чугунных изделий, которая была близка по техническим характеристикам (геометрии, материалам, физико-механическим свойствам) к мелющим валкам пищевой промышленности. Ближе всего к такого рода разработкам относятся исследования в области изготовления центробежнолитых биметаллических сортопрокатных валков диаметром бочки 0,25...0,46 м и длиной 1,0... 1,5 м /32, 34, 43, 46/. 1.3. Основные направления дальнейшего совершенствования технологических процессов производства биметаллических мелющих валков Технологический процесс получения заготовок разрабатывается с учетом особенностей процесса их формирования в литейной форме и должен обеспечивать необходимые служебные свойства изделия.
Методы исследования технологических параметров отливки двухслойных валков
Для определения технологических параметров процесса литья двухслойных бочек мелющих валков изучали особенности гидродинамического состояния металла и его затвердевания во вращающейся форме. При исследовании гидродинамического состояния расплавленного металла использовали моделирующие вещества (вода, стеарин). При этом реальные условия литья оценивали с помощью критериальных уравнений подобия. Для оценки режима движения жидкости во вращающейся форме определяли величину критерия Рейнольдса /67/: D V D Re=— (2.1) где V - скорость течения, м/сек; D - диаметр, м; v - коэффициент кинематической вязкости, м /сек. Известно, что при движении жидких металлов в цилиндрических трубах /68/ при значении критерия Рейнольдса: Re 2100 устанавливается ламинарный режим, при значениях Re 4000 - турбулентный, а при значениях 2100 Re 4000 - переходный. Величина диаметра кольцевого потока жидкости определялась с помощью «гидродинамического эквивалента» /69/: D = (2.2) где F - площадь поперечного сечения потока, м2; Р - смоченный периметр кольцевого потока, м. В расчетах принимали следующие значения физических величин /68, 71, 72, 78/: для жидкого чугуна при температуре 1350С v = 3,2-10"4 м2/сек; для воды при температуре 20С v = 1,0-10 4 м2/сек; для воды при температуре 90С v = 3,3-1 О 4 м2/сек. Моделирование устанавливает требования, которым должна удовлетворять модель, чтобы происходящие в ней процессы были подобны процессам в натурных условиях. Для подобия двух течений, как это вытекает из законов гидродинамики /67,68/, необходимо и достаточно выполнение следующих условий: 1) равенство чисел Рейнольдса; 2) геометрическое подобие; 3) тождественность граничных условий. Для обеспечения подобия двух жидкостей, движущихся под напором в цилиндрическом канале, необходимо по первому условию теории подобия обеспечить равенство критериев Рейнольдса натуры и модели /68/: V -D V -D м м ум (2.3) где V - скорость течения жидкости, м/с (н - натуры, м - модели); D — диаметр канала, м (н - натуры, м - модели); v - коэффициент кинематической вязкости, м /сек (н - натуры, м - модели). Для осуществления второго условия подобия, связанного с геометрическим подобием, определим масштаб модели, обозначив константу геометрического подобия. Скорость течения потока в цилиндрическом канале равна: для натуры V„ = рИ Щнн , м/сек для модели VM = рм J2gHM , м/сек. Подставляя значения скоростей в уравнение (2.3), имеем: pHJlgH H-DH pMj2gtTM-DM (2.5) V V н м D Учитывая, что рм=ФИ и DM =—-, получим: г— EL 2jL fi -D, І С С v„ (2.6) Решая уравнение (2.6) относительно С, имеем: ґ \2П у \V»J С = (2.7) При моделировании процесса течения жидкого чугуна, например, водой определим константу геометрического подобия для указанного случая: С = 0,004] 0,54 0,01 Таким образом моделирование водой процесса течения чугуна обеспечивается геометрически подобной моделью с размерами приблизительно в два раза больше натуры, а при использовании горячей воды (« 90С) с кинематической вязкостью 0,0033 м /с, близкой к значению вязкости жидкого чугуна, размеры модели и натуры становятся примерно одинаковыми.
Выполнение третьего условия теории подобия, связанного с тождественностью граничных условий, осуществлялось с учетом следующих требований /68/: а) свойства поверхности формы, соприкасающейся с расплавленным металлом, неизменны, проходное сечение цилиндрического канала постоянно; б) число Рейнольдса по длине и сечению канала изменяется по времени незначительно (вследствие уменьшения температуры). Процесс продольного движения металла изучали во вращающейся форме со значительным превышением ее длины (L = 1,2 м) к диаметру (D = 0,26 м): -»1 (2.8) Вовлечение жидкости в круговое движение изучали на «коротких» изложницах с размерами, удовлетворяющими соотношению: - = 1 (2.9) D v J При этом учитывали, что именно на коротком участке формы поток медленнее всего вовлекается в круговое движение из-за инерции, вызываемой падающей струей металла. С этой целью использовали изложницу диаметром 0,26 м и длиной 0,3 м. Подобранные размеры изложниц позволили провести исследование особенностей поведения потока жидкости во вращающихся формах на опытных установках центробежного литья для изложниц, близких по размерам к изложницам для отливок бочек мукомольных валков. Для оценки динамических характеристик течения жидкости использовали красящие вещества (чернила в воде), фото и скоростную киносъемку с помощью аппарата СКС-1М-16, который устанавливается с противоположной от заливочного конца стороны формы. Методом скоростной киносъемки определяли характер и скорость течения потока во вращающейся форме. Для определения характера течения кругового потока использовали эффект стробоскопирования /31/, который создавался с помощью строботахометра типа СТ-4, принцип работы которого заключался в следующем.
При включении осветительной лампы, дающей кратковременные вспышки с регулируемой частотой, вращающаяся изложница становится «неподвижной» при равенстве частоты вращения и частоты вспышек лампы, что позволяет наряду с определением частоты вращения формы наблюдать поведение находящихся в ней предметов. Прибор состоит из осветителя с импульсной лампой, корпуса с блоком питания и генератором, управляющим частотой вспышек лампы. Погрешность при измерении числа оборотов составляет ±1%. При изучении затвердевания металла во вращающейся форме были использованы экспериментальные и расчетные методы исследования. В качестве экспериментальных методов применяли метод погружения свинца при формировании отливок во вращающейся форме, позволяющий фиксировать границу затвердевания отливки. При определении кинетики нарастания фронта затвердевания использовали мелко раздробленный свинец с последующим его вводом во вращающуюся форму с затвердевающей отливкой. Свинец, обладая большим удельным весом (11,0...11,1) 104 н/м3, чем жидкий чугун (7,0...7,1) 104 н/м3, проникает сквозь слой жидкого металла к фронту затвердевания отливки и фиксирует его расположение. Навеска свинца составляла 9,8 н и ее ввод осуществляли специальным устройством вращающегося типа (аналог пескосыпа) через закрепленную на дверцы машины соосно с вращающейся формой втулку. Свинец вводили на определенном расстоянии ( 0,3 м) от заливочного конца изложницы через различные промежутки времени от начала заливки металла: 1 мин, 3 мин и 5 мин. После затвердевания и извлечения отливки ее разбивали на копре и на изломе фиксировали расположение полосок свинца по сечению отливки (рис. 2.3). Сравнение результатов, полученных по этому методу с замерами температуры металла во вращающейся форме /34/, свидетельствует о фиксации свинцом границы продвигающегося фронта кристаллизации в зоне между температурами ликвидус-солидус. Разница результатов оценки процесса нарастания твердой корки металла с помощью указанных методов составляет 5...7% и вполне удовлетворяет практическим нуждам при назначении временных параметров заливки металла. Расчетный метод определения процесса затвердевания базировался на общей теории процесса формирования отливки в массивной металлической форме, когда аккумулирующая способность формы соизмерима с аккумулирующей способностью отливки /73/.
Выбор состава и способа нанесения теплоизоляционного покрытия на внутреннюю поверхность изложницы
Использование широко применяемого на практике метода покрытия внутренней поверхности изложницы сыпучими теплоизоляционными покрытиями в виде кварцевого песка /17, 18, 45/, наряду с преимуществами -простота ввода во вращающуюся форму и его распределения в ней, имеет ряд существенных недостатков, основным из которых является наличие пригара на поверхности отливки, засорение песком материала отливок и появление неровностей на их поверхности, что отрицательно сказывается на качестве заготовок. Поэтому в работе рассмотрена возможность использования в качестве теплоизоляционного покрытия тех же сыпучих материалов (кварцевый песок), но со связующими добавками, например пульвербакелита, представляющего собой смесь размолотой новолачной смолы с уротропином, которая при нагреве превращается в резольную быстротвердеющую смолу. Необходимая для спекания пульвербакелита температура изложницы составляет 200...220С и обеспечивается за счет тепла ранее отлитой заготовки валка, а для начальной плавки за счет подогрева изложницы в термопечи. Для определения необходимой толщины отвердевающего покрытия на внутренней поверхности изложницы исходили из условий, обеспечивающих получение отливок необходимой твердости и структуры, а также без литейных дефектов типа трещин, спаев и неслитин. Для выполнения указанных условий одним из основных требований к покрытию является обеспечение возможности распределения во время заливки металла во вращающейся форме без существенных тепловых потерь, т.е. покрытие должно обладать таким термическим сопротивлением, при котором продолжительность отвода теплоты перегрева была бы больше, чем продолжительность заливки металла рабочего слоя валка.
Продолжительность заливки металла рабочего слоя валка диаметром бочки 0,25x1,0 м массой 2391 н составляет 15 сек, что соответствует скорости заливки 160н/сек. Продолжительность отвода теплоты перегрева в зависимости от термического сопротивления покрытия, а, следовательно, и толщины ее слоя определяли по формуле (3.21), представленной в главе 3. Исходные данные для расчета составляли: d = 2391 н, Сі = 837,4 дж/(кг-С), U = 1350С, tmK = 1270С, F, = 1,1 м2, tK = 407C. Л Величину коэффициента теплоотдачи а=——, где ( пок = 0,7234 Вт/м-С) пок определяли применительно к различным толщинам покрытия: X, = 0,001 м, Х2 = 0,002 м, Х3 = 0,003 м и Х4 = 0,004 м. Соответственно коэффициент теплоотдачи для разных покрытий составляет: а = 0/7234 =7234 дж/(м2.оС) 1 0,001 v J а =017234=36 дж/(м2.оС) 2 0,002 v J а = Z234 =241,1 дж/(м2-С), 3 0,003 v ; = 0/7234 дж/(м2.С). 4 0,004 v 7 После подстановки полученных данных в формулу (3.21) расчетное время отвода теплоты перегрева металла составит: Ті = 22 сек, Т2 = 44 сек, т3 = 66 сек, Т4 = 88 сек. Представленные на графике данные (рис. 4.1) свидетельствуют о том, что толщина теплоизоляционного слоя должна находиться в пределах 0,0015...0,0025 м для гарантированного предотвращения от дефектов на поверхности отливки. При меньших значениях толщины покрытия менее 0,0015 м продолжительность теплоотвода невелика и металл в процессе течения может затвердеть, образуя спаи. Наряду с этим повышается твердость металла свыше значений 72 HSD, что приводит к скалыванию рифлей при их нарезке. При значении толщины покрытия свыше 0,0025 м продолжительность отвода теплоты перегрева существенно возрастает и ухудшаются качественные характеристики металла бочек валка, при этом твердость рабочего слоя снижается ниже уровня технических требований ( 62 HSD). Поэтому выбор толщины слоя покрытия 0,002 м (среднее из крайних значений) представляется оптимальным. Способ нанесения теплоизоляционного слоя на внутреннюю поверхность вращающейся формы, наряду с составом и толщиной теплоизоляционного покрытия, также предопределяет качество литья. От способа ввода покрытия в изложницу зависит наличие неровностей на поверхности покрытия, а, следовательно, и на поверхности отливки, что ведет к неравномерному теплоотводу от отливки в окружающую среду, появлению неравномерной твердости, а также к повышению припуска на механическую обработку поверхности отливки. Исследования, проведенные в настоящей работе, по определению качества поверхности теплоизоляционного материала на внутренней поверхности изложницы, заключались в изучении следующих параметров засыпки: - частота вращения изложницы; - направление засыпки по отношению к направлению вращения формы; - длительность вращения формы с покрытием; - длительность проворачивания пескосыпа с покрытием. Опыты проводились с использованием вращающейся изложницы с горизонтальной осью вращения диаметром 0,28 м.
Нанесение теплоизоляционного покрытия на внутреннюю поверхность вращающейся изложницы осуществляли с помощью цилиндрического пескосыпа с прорезью по образующей для высыпания смеси. Оценку состояния поверхности покрытия осуществляли с помощью стробоскопа С-1, фото- и скоростной киносъемки. Оценка состояния поверхности покрытия при различной частоте вращения изложницы приведена в табл. 4.1. Анализ экспериментальных данных, представленных в табл. 4.1, показывает, что с повышением частоты вращения изложницы волнистость на поверхности покрытия уменьшается вследствие того, что длительность сдвига частиц при взаимодействии с поверхностью изложницы сокращается и при частоте вращения 700 об/мин и выше поверхность покрытия становится ровной. Таблица 4.1 — Состояние поверхности покрытия при различной частоте Направление засыпки по отношению к вращению формы (по ходу или против) также влияет на волнистость поверхности покрытия. При засыпке песчаного покрытия против хода вращения изложницы, как показали опыты, волнистость увеличивается. Длительность вращения изложницы с песчаным покрытием толщиной 0,002 м в течение 10, 20 и 30 мин не оказала влияния на состояние поверхности покрытия. С увеличением длительности проворачивания пескосыпа с покрытием в течение 2, 5, 8 и 10 сек поверхность покрытия становится ровной при времени засыпки 8 сек и более. Таким образом поверхность теплоизоляционного покрытия становится ровной при соблюдении следующих параметров засыпки: - частота вращения формы 700 об/мин; - направление вращения пескосыпа - по ходу вращения изложницы; - длительность проворачивания пескосыпа - 8 сек. Количество засыпок теплоизоляционного покрытия (к), производимого из пескосыпа на внутреннюю поверхность вращаемой изложницы, рассчитывали исходя из равенства объема покрытия необходимой толщины слоя (8) в изложнице и объема покрытия, подаваемого из пескосыпа с заданным диаметром (рис. 4.2):
Разработка технических условий и отливка промышленной партии валков
Отливка промышленной партии мелющих валков для пищевой промышленности осуществлялась по разработанной технологии для мукомольной, кондитерской (размол шоколадной массы, кофе) и пивоваренной промышленности /114,116,117/. Изготовление мукомольных валков производилось в соответствии с техническими условиями, разработанными в ходе выполнения настоящей работы «Валки мукомольные», ТУ 14-120-33-02 от 01.07.2002 г. (Приложение №1). Эти технические условия разработаны с учетом выявленных в ходе исследования особенностей центробежной отливки двухслойных бочек валков, а также условий их эксплуатации. На промышленное производство мукомольных валков по разработанной технологии получено санитарно-эпидемиологическое заключение о ее соответствии государственным санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам (Приложение № 2). В течение 2001...2004 гг. по разработанной технологии было изготовлено несколько сот мелющих валков различного типа для пищевых комбинатов Российской Федерации: - 0 0,25x1,0 м для мукомольных мельниц типа А1БЗН - 94 штуки на ОАО «Московский комбинат хлебопродуктов» (г.Москва); - 0 0,25x1,0 м для мукомольных мельниц типа ЗМ2 - 16 штук на ОАО «Мелькомбинат в Сокольниках» (г.Москва); - 0 0,25x1,0 м для мельниц типа А1БЗН - 28 штук на «Подольский экспериментальный мукомольный завод» (Московская обл.); - 0 0,25x1,0 м для мельниц типа ЗМ2 - 56 штук на ОАО «Зернопродукт» (г.Великие Луки); - 0 0,25x1,0 м для мельниц типа «Харьковчанка» - 4 штуки на ОАО «Дмитровхлебопродукт» (Московская обл.); - 0 0,25x0,33 м и 0 0,25x0,50 м для мельниц производства ЗАО «Совокрим» -170 штук (г.Ивантеевка, Московская обл.) и др. На рис. 5.4 представлена одна из партий готовых к отправке мукомольных валков 0 0,25x0,10 м. Для пусковых объектов ОАО «Московский комбинат хлебопродуктов» по разработанной технологии были изготовлены специальные калиброванные валки 0 0,275x1,0 м (рис. 5.5) с рабочим слоем 0,04 м и твердостью 68...70 HSD, которые эксплуатируются в настоящее время на третьей мельнице комбината во вновь встроенной системе сплющивания зерна непосредственно перед драным помолом (рис. 5.6). На ОАО «Мелькомбинат в Сокольниках» на работающих у них мельницах фирмы «Бюлер» были заменены мукомольные валки 0 0,25x0,10 м отечественными валками по разработанной технологии в количестве 4 штук.
Наряду с этим были изготовлены и поставлены взамен импортных двухслойные валки для шоколадной промышленности 0 0,40x1,25 м в количестве 5 штук и поставлены на пяти-валковую мельницу булочно-кондитерского комбината ОАО «Коломенское» (г.Москва) (рис. 5.7), а также для кофейной промышленности 0 0,16x0,30 м в количестве 8 штук, на мельницу фирмы «Гольфетто» кофейной фабрики ООО «Норман ЛГ» (г.Москва). Результаты настоящей работы позволили усовершенствовать конструкцию валков, используемых в мукомольной отрасли на мельничных станках ЗМ2 и БВ2 с размерами бочки 0 0,25x0,60 м, 0 0,25x0,80 м и 0 0,25x1,0 м /111,118/. Изготавливаемые по традиционной технологии в стационарные формы указанного типа валки имели сплошную в сечении литую бочку с общей массой изделия 3822 н. Рекомендованная технология центробежного литья позволяет получать полые валки облегченного типа массой 2646 н с соотношением внешнего диаметра к внутреннему, равным 2, без ущерба, связанного с прочностными характеристиками конструкции изделия (рис. 5.8). Получение центробежнолитых полых валков взамен сплошных позволило, наряду с повышением качественных характеристик, связанных с увеличением глубины отбеленного слоя, снизить расходы на металл и расточку отверстий у торцев бочки для запрессовки цапф /117/. Полые валки для станков ЗМ2 и БВ2, изготовленные по новой технологии на 40% легче валков, полученных способом стационарного литья и положительно зарекомендовали себя в эксплуатации (уменьшенная нагрузка на подшипники, меньше расход электроэнергии и т.д.) на ОАО «Мелькомбинат в Сокольниках», ОАО «Московский комбинат хлебопродуктов № 3» и др. На основании результатов, полученных в работе, спроектирована и изготовлена новая конструкция центробежной машины для получения биметаллических валков, которая эксплуатируется в настоящее время на ОАО «КЗПВ»/113/. 5.3. Эксплуатационная стойкость мелющих валков Эксплуатация мелющих валков, полученных по разработанной технологии, производилась на мелькомбинатах России в соответствии с рекомендациями настоящей работы, которые сводились к следующему: - установка валков в мельницах, работающих на секциях драного помола, производится только с уровнем твердости рабочего слоя 66...72 HSD; - установка валков на мельницах размольного помола производится с уровнем твердости рабочего слоя 62...65 HSD. За эксплуатационными характеристиками мелющих валков, поставленных на мукомольные комбинаты, производили постоянный контроль в процессе их работы, в том числе с участием «Испытательного центра технологического оборудования для переработки зерна» ИС НМИС (г. Нижний Новгород). Контроль за износом поверхности мелющих валков в процессе их эксплуатации производили путем визуального осмотра профиля рифлей, снятием слепка их отпечатков с помощью свинцовых пластин в различные периоды эксплуатации, замеров высоты изношенных рифлей.
Эксплуатационная стойкость мелющих валков, полученных по разработанной технологии и установленных на различных комбинатах РФ, представлена в табл. 5.1. Таблица 5.1 - Эксплуатационная стойкость мукомольных валков, Анализ полученных данных показывает, что: - стойкость центробежнолитых мелющих валков до первой переточки рифлей в системах драного помола составила в среднем 13 месяцев, что в 3,25 раза выше стойкости стационарнолитых валков отечественного производства, которая составляет 4,0 месяца /30/; - общая стойкость рифленых валков с учетом ряда переточек превышает 4 года, что в 3,0...4,0 раза превышает общую стойкость стационарнолитых валков, которая составляет 1,0... 1,3 года/30/; - эксплуатационная стойкость микрошероховатовых валков, установленных в системе размольного помола, также составляет к настоящему времени 4 года и валки продолжают работать, что в 3,0...4,0 раза выше показателей стационарнолитых валков с аналогичной поверхностью; - в процессе работы микрошероховатых валков наблюдается самовосстановление микрошероховатой поверхности, что является показателем их высокого качества, т.к. необходимость в механообработке (переточке) поверхности валков исключается из-за отсутствия «полированной» поверхности валка. Испытания зарубежных валков фирмы «Бюлер», проведенные на ОАО «Московский комбинат хлебопродуктов», показали, что в аналогичных условиях их стойкость составила около 8 месяцев /11/, что на 40%) ниже стойкости валков, полученных по рекомендованной технологии (табл. 5.1). Превышение стойкости мелющих валков, полученных по рекомендованной технологии, на 40...45% по сравнению с зарубежными валками, было зафиксировано при их испытании на комбинатах ОАО «Мелькомбинат в Сокольниках» (мукомольные валки), ОАО «Коломенское» (размол шоколадной массы), а также ОАО «Норман ЛГ» (размол кофе) (см. приложение № 6). Экономический эффект от внедрения результатов предложенных рекомендаций в промышленности определяли в сфере производства на ОАО «Кушвинский завод прокатных валков» с объемом производства 2500 штук в год. Экономическую эффективность оценивали по снижению себестоимости изготовления мелющих валков, полученных по рекомендованной технологии центробежного литья по сравнению с себестоимостью валков, полученных стационарным методом. Расчет годового экономического эффекта (Эг) оценивали по формуле: Эг=(31-32)хА2 (5.1) где Зі и 32 - приведенные затраты на 1 т валков, производимых по старой и новой технологии, руб.; Аг - годовой объем производства валков. Приведенные затраты производства одной т валков (3) представляют собой сумму себестоимости и нормативной прибыли: 3 = (С + ЕН-К) (5.2) где С - себестоимость 1 т валков, руб.; К - удельные капитальные вложения в производственные фонды, руб.; Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (0,15). Технологический процесс производства валков методом центробежного литья обеспечивает экономию в процессе производства валков.
