24/13 Archives of Foundry, Year 2004, Volume 4, 13 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2004, Rocznik 4, Nr 13 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 ODLEWANIE W KOKILACH JAKO ENERGOOSZCZĘDNA METODA WYTWARZANIA GRUBOŚCIENNYCH ODLEWÓW M. MAJ 1, J. PIEKŁO 2, W. STACHURSKI 3, S. PYSZ 4 AGH, Wydział Odlewnictwa, Kraków, ul. Reymonta 23 4 Instytut Odlewnictwa, Kraków, ul. Zakopiańska 73 STRESZCZENIE Ograniczenie zużycia mas formierskich przez zastąpienie ich fragmentami metalowymi lub kokilami niesie za sobą szereg korzyści związanych z ochroną środowiska. Wynika to między innymi ze zmniejszenia ilości wydzielania trujących substancji w trakcie regeneracji mas formierskich, ze zmniejszenia zużycia energii koniecznej do wykonania tony odlewu i ze zwiększenia wydajności odlewni. Tego typu kombinowane formy piaskowo kokilowe, ułatwiają realizowanie kierunkowego krzepnięcia i uzyskanie odlewu bez wad. W niniejszym artykule wykorzystując metody symulacji komputerowej, przeanalizowano korzyści wynikające z zamiany formy piaskowej na kokilę dla grubościennego żeliwnego odlewu. Key words: die-casting, ingot mould, computer simulation of solidification and self-cooling. 1. WSTĘP Każda tradycyjna forma piaskowa, a także inne niekonwencjonalne formy (formy skorupowe, formy uzyskiwane metodą wytapianych modeli, metodą Shawa, czy formy gipsowe itp.) służą do jednorazowego napełniania ciekłym metalem. Kokile umożliwiają wielokrotne otrzymywanie odlewów, przy czym liczba napełnień zależy od wielu czynników :przede wszystkim od tworzywa, z którego wykonana jest forma oraz metalu z jakiego wytwarza się odlewy. 1 dr inż., adiunkt, mmaj@agh.edu.pl 2 dr inż., adiunkt, zapieklo@cyf-kr.edu.pl 3 dr hab. inż., prof. AGH, wstachur@agh.edu.pl 4 mgr inż., pysz@iod.krakow.pl
160 Udane próby, a nawet wdrożenie przemysłowe odlewania w kokili odnotowano w zakresie płyt podwlewnicowych, stosowanych przy odlewaniu stali do wlewnic. [1] Krzepnięcie masywnego odlewu nie przebiega równomiernie we wszystkich powierzchniach kontaktu z kokilą. Miejscowo krzepnące warstwy odlewu przylegające do ścian kokili są narażone na działanie gorącej strugi ciekłego metalu, która omywa i wypłukuje kryształy, a przy równocześnie występujących zjawiskach skurczowych mogą pojawiać się pęknięcia naderwania zakrzepłej skorupy, w które z kolei może ponownie wnikać ciekły metal. W początkowym okresie tworzenia się skorupy odlewu ważną rolę pełni ciśnienie metalostatyczne, kształt i inne parametry konstrukcyjne kokili sprzyjające lub przeciwdziałające ruchom konwekcyjnym i kierunkowemu krzepnięciu [2]. 2. ZALETY I WADY ODLEWANIA KOKILOWEGO Odlewanie kokilowe w porównaniu z odlewaniem do form piaskowych posiada szereg zalet, z których za najważniejsze należy uznać: drobnoziarnistą strukturę, lepsze własności mechaniczne, odporność na erozję i zużycie, znaczny wzrost wskaźników wydajności z 1 m 2 powierzchni produkcyjnej, zwiększenie uzysku przez ograniczenie wielkości układu wlewowego i naddatków na obróbkę, małe nakłady inwestycyjne w stosunku do odlewania w formach piaskowych, wyeliminowanie skrzynek formierskich i miejsca ich składowania, znaczne skrócenie czasu tworzenia się fazy stałej przeciwdziałającej wypływaniu grafitu w żeliwie, ograniczona segregacja składników, łatwość mechanizacji i automatyzacji procesu odlewania [3]. Lepsze własności mechaniczne odlewów uzyskiwanych w trakcie odlewania kokilowego wynikają z drobnoziarnistej struktury tych odlewów, a także z dużej zdolności odprowadzenia ciepła przez kokilę (większa ilość zarodków krystalizacji ma zasadniczy wpływ na czas krzepnięcia odlewu). Wyeliminowanie masy formierskiej z procesu produkcyjnego oraz znaczne ograniczenie stosowania rdzeni piaskowych zdecydowanie poprawiają warunki pracy w odlewni. Poprawa ta jest wynikiem likwidacji dwóch dużych źródeł zapylania pyłami kwarcowymi, istniejących w każdej tradycyjnej odlewni: stacji przygotowującej masę formierską oraz stanowiska wybijania odlewów ze skrzynek formierskich. Odlewanie kokilowe cechuje ponadto cicha praca, wynikającą z braku maszyn formierskich, które w zdecydowanej większości są źródłem hałasu o znacznym natężeniu. Najistotniejszymi wadami odlewania kokilowego są: trudności z uzyskaniem cienkościennych odlewów, znaczne naprężenia własne odlewów, skłonność do zabieleń odlewów z żeliwa szarego, pracochłonność wykonywania kokil. Główną, wadą odlewania kokilowego jest jedynie silne hamowanie skurczu metalu w formie. Można zapobiegać temu, konstruując bardziej podatne kokile dzieląc je na fragmenty, względnie stosując podatne wkładki z elastycznych materiałów ogniotrwałych, jednak takie rozwiązania podwyższają i tak znaczne koszty wytwarzania kokil.
161 3. WLEWNICA JAKO PRZYKŁAD ODLEWU KOKILOWEGO W wielu krajach uprzemysłowionych, pomimo szerokiego stosowania COS, nadal wykorzystuje się tradycyjny sposób polegający na zastosowaniu krystalizatorów, jakimi są wlewnice. W szczególności niezbędne okazały się one w przypadku odlewania stali przeznaczonej do kucia, stali stopowej oraz nadal spełniają swoje zadanie w razie awarii urządzeń do ciągłego odlewania [4]. Najczęściej wlewnice wykonuje się z żeliwa hematytowego o minimalnej zawartości P i S oraz C, Si i Mn zapewniającej uzyskanie powtarzalnej struktury perlityczno-ferrytycznej z równomiernie rozłożonym grafitem płatkowym. Żeliwo wlewnicowe charakteryzuje się stosunkowo małą wytrzymałością R m, twardością HB i modułem sprężystości E. Mały jest również współczynnik rozszerzalności, ale takie żeliwo ma również najkorzystniejszy współczynnik przewodzenia ciepła, zatem nie tworzy znacznych gradientów temperatury. Ważne jest też, aby żeliwo wlewnicowe wykazywało niewielką zdolność do odkształceń plastycznych. Badania mające na celu ocenę jakości wlewnicy uzyskanej w formie metalowej i w formie piaskowej przeprowadzono na wlewnicy o kształcie kwadratopodobnym, z której uzyskiwano wlewki o masie 15 t. Średnia grubość ścian odlewu wynosiła 200 mm, a wysokość 2400 mm. Na rys.1. pokazano jedynie czwartą część odlewu, gdyż jest on symetryczny względem pionowej osi. Dwie ściany posiadały zgrubienia w górnej części, które spełniały rolę uch transportowych. Obliczenia wykonano przy zastosowaniu programu MAGMA z modułem IRON, a ich fragmenty reprezentują rys. 2. i 3 dla formy metalowej i piaskowej. W punktach pokazanych na rys. 1. oznaczonych kolejno od 1 do 12 odczytywano temperaturę odlewu. Przykładowy przebieg temperatury w różnych odstępach czasu pokazano na rysunkach 2 i 3. Rozważane są dwa przypadki wykonywania tego samego odlewu: pierwszy w tradycyjnej masie formierskiej na osnowie piaskowej wiązanej chemicznie (masa Floster, rys. 3.) drugi zewnętrzną część formy stanowi forma metalowa (kokila)o porównywalnej grubości ścian z odlewem (rys. 2.). W obydwu przypadkach zastosowano jednakowe rdzenie, odtwarzające roboczą powierzchnię wlewnicy. Kokilę ustawiano na płycie podkokilowej z rdzeniem, w której przez kształtki ceramiczne doprowadzany był metal do wnęki formy. Zestaw kokilowy podgrzewany był do temperatury 120 150 0 C. Technologiczne uwarunkowania wymusiły zastosowanie dwóch luźnych wkładek umieszczanych w kokili pod uchami, co umożliwiało ściągnięcie kokili z odlewu. Rdzenie te (wkładki) wyjmowano po usunięciu kokili, natomiast środkowy rdzeń wyciągano z odlewu po uprzednim usunięciu metalowego trzpienia, stanowiącego konstrukcję nośną. Następnie powstałą pustkę zasypywano suchym gruzem i piaskiem. W takim stanie kokilowy odlew wlewnicy stygł do temperatury ok. 150 0 C, po czym zdejmowano kokilę z odlewu. Przygotowanie roboczej powierzchni kokili polegało na pokryciu jej wnętrza papierem ogniotrwałym CERAPAPER 1260 0 C o grubości 5 mm. Papier przylepiano klejem JM2600/BM. Zastosowanie papieru pozwoliło opóźnić chłodzące oddziaływanie kokili na ciekły metal, a także zapewniało wysokiej jakości powierzchnię odlewu kokilowego
162 o minimalnej chropowatości. Dalszym celem osiągniętym dzięki papierowej powłoce było otrzymanie szczeliny pomiędzy odlewem i kokilą (dzięki wypaleniu papieru), która zapewniała łatwe ich oddzielanie. Z porównania czasów krzepnięcia i stygnięcia odlewów wlewnic z form piaskowych i kokil wynikają następujące wnioski (rys. 2. i 3). Technologiczne czasy (ściągania kokil) i wybijania formy piaskowej znacznie się różnią. Odlew kokilowy osiąga temperaturę ok.200 250 0 C po 36 godzinach, czyli w praktyce już w przedziale od 8 do 24 godzin odlewy można przekazywać do termosu w celu wyrównania temperatury i dalszego wolnego stygnięcia do temperatury otoczenia. W ten właśnie sposób można w znacznym stopniu zredukować naprężenia własne. Rys. 1. Odlew wlewnicy z zaznaczonymi punktami do określenia temperatur. Fig. 1. Mould cast with the marked points for temperature determination. Przykładowe wykresy stygnięcia w zakresie temperatury krytycznej dotyczą punktów pomiarowych zlokalizowanych 20 mm od strony rdzenia piaskowego. Krzywa 6 reprezentuje zmiany z dala od brzegów odlewu i wskazuje, że koniec krzepnięcia następuje w 70 minut od początku zalewania po odprowadzeniu ciepła przegrzania ciekłego żeliwa. Skrajne części odlewu 3 i 9 krzepną w czasie dwukrotnie krótszym, dlatego już od temperatury eutektycznej rozpoczyna się znaczna różnica temperatur pomiędzy centrum ciepła (p. 6) a skrajnymi częściami odlewu, która wynosi 298 o C. Różnica ta utrzymuje się aż do temperatury przemiany, przy czym ilość wydzielonego ciepła (długość przystanku) jest największa dla punktu 6, od którego ciepło najtrudniej jest rozpraszane. Z chwilą zakończenia przemiany temperatury pomiędzy punktami 6 i skrajnymi 3 i 9 wyrównują się.krzepnięcie i stygnięcie odlewu wlewnicy w formie piaskowej w tych samych punktach 3-6-9 obrazują wykres na rys. 3. Proces krzepnięcia i stygnięcia w formie piaskowej przebiega znacznie wolniej i odlew osiąga temperaturę otoczenia dopiero w czwartej dobie od momentu zalewania. Krzepnięcie odlewu trwa
163 od 1 do 5 godzin, po czym stygniecie austenitu przebiega przy mniejszym gradiencie temperatury (ok. 210 0 C). Przemiana austenityczna trwa dłużej w centralnych częściach odlewu, podobnie jak w odlewie kokilowym i następnie temperatura zmniejsza się a w czwartej dobie osiąga temperaturę otoczenia. Wprawdzie wykresy nie uwzględniają niezbędnego przechłodzenia w procesie krystalizacji, ale nie wskazują także na krzepnięcie objętościowe w jednakowym czasie ponieważ przemiany występują w niejednakowym momencie. Wynika więc z tego fakt, że grubościenne odlewy żeliwne mogą krzepnąć kierunkowo, tak jak przebiega i pozwala na to proces transmisji ciepła. Kierowanie tym procesem przez odpowiedni dobór materiałów na formy, w tym przyspieszenie odprowadzenia ciepła, pozwoli zrealizować cele jakościowe odlewu, jak też cele związane z ochrona środowiska. 4. WNIOSKI Rys. 2. Krzepnięcie i stygnięcie odlewu kokilowego w początkowej fazie krzepnięcia i stygnięcia w p.3-6-9. Fig. 2. Solidification and self cooling of the die casting in the initial phase of the solidification and self-cooling in the 3-6-9 points. 1. Rozważany przykład odlewania wlewnicy według dwóch odmiennych techno - logii wskazuje na znaczne obniżenie zużycia mas y formierskiej np zamiast 15000 kg na jedną kompletną formę tylko 2000 kg w przypadku kokili. 2. Konsekwencją zastosowania odlewania kokilowego jest kilkakrotne skrócenie procesu wytwarzania odlewów, co prowadzi do znacznych oszczędności. 3. Możliwość sterowania procesem krzepnięcia i stygnięcia grubościennych odlewów pozwala na uzyskanie korzystniejszych właściwości mechanicznych i użytkowych. 4. Symulacja komputerowa, pozwala przewidzieć wiele ważnych parametrów produkcyjnych.
164 LITERATURA Rys. 3. Krzepnięcie i stygnięcie odlewu w formie piaskowej (punkty 3-6 i 9). Fig. 3. Solidification and self cooling of the thick-walled iron casting in the 3-6 and 9 points [1] Płyta podwlewnicowa. Patent P 259 482. [2] W.A. Jefimow: Stalnoj slitok. Moskwa, 1961. [3] Z. Górny i in.: Odlewanie kokilowe stopów żelaza. Warszawa, WNT 1978. [4] W. Stachurski: Zastosowanie kokil w produkcji odlewów hutniczych. Acta Metallurgica Slovaca, Rocznik 7.2001, s. 327 331. ABSTRACT DIE-CAS TING AS AN ENERGY-SAVING PRODUCING METHOD OF THE THICK-WALLED CASTINGS The limitation of the mould mass consumption by metal fragment or permanent moulds substituting results in many advantages connected with the environment protection. It follows, between other, from: the decrease of the toxic substances emission during regeneration, decrease of the energy consumption necessary to produce 1 ton of cast and from increase of foundry capacity. The combined die-sand-moulds, of this type, facilitate the realizing directional solidification and obtaining the sound casting (without defects). In this research work, by means of the computer simulation method, the advantages resulting from the change the sand-mould to the mould for thick-walled iron casting have been analyzed. Recenzent: prof. dr inż. Tadeusz Olszowski.