Н.Д. Феклин, директор ООО «ДИНУС-Сталь», г. Луганск. Литье по газифицируемым моделям. Метод «встречных потоков»

Во втором номере журнала «Вестник арматуростроителя» Николай Феклин, директор ООО «ДИНУС-Сталь», опубликовал материал «Литье по газифицируемым моделям. Метод «встречных потоков».

Способ литья по газифицированным моделям (ЛГМ) благодаря сравнительно низким затратам и видимой простоте производства стал востребованным и экономически привлекательным для широкого круга предприятий.

Главной особенностью способа ЛГМ является использование разовой газифицируемой модели, в точности повторяющей контуры получаемой отливки. При заливке формы под действием тепловой энергии заливаемого металла модель плавится, переходит в газообразное состояние и удаляется из нее, а металл занимает освободившееся место, повторяя в мельчайших деталях форму и структуру поверхности модели.

Процесс заливки таких форм, как правило, приводит к непосредственному контакту жидкого металла с газифицируемыми моделью и литниковой системой, к практически не контролируемому образованию и движению продуктов разложения пенополистирола (основного материала для изготовления модели и литниковых каналов) внутри формы, в совокупности влияющим на качество поверхности и неоднородность химического состава отливок.

Считается, что наиболее приемлемым вариантом заливки форм для среднего и крупного литья является плавное поступление металла в форму снизу с оптимальной скоростью и последовательная газификация модели снизу вверх. Эти условия можно выполнить при сифонном подводе металла в полость формы, особенно при использовании пустотелого, не заполненного стояка с расчетным минимальным сечением отверстия в заливочной воронке.

Полость формы при сифонной литниковой системе можно представить как два сообщающих сосуда: открытый с торца стояк и закрытая полость формы с моделью. При заливке формы металлом происходит перетекание металла из открытой его части по литниковым каналам в закрытую, где и протекают основные процессы замещения модели расплавом. На процессы замещения модели расплавом влияет целый ряд факторов: давление и температура поступающего металла, место подвода питателей и их сечение, величина вакуума в теле формы по мере заполнения ее металлом и газопроницаемость огнеупорного покрытия, качество вибрационного уплотнения сыпучего наполнителя и размер его фракций, плотность материала модели и состав используемого клея, а также человеческий фактор, связанный как с качественным изготовлением формы, так и с правильной ее заливкой расплавом.

Все эти факторы в совокупности с закрытой полостью формы создают сложно контролируемые условия образования, движения и воздействия газов на полость формы и поступающий внутрь жидкий расплав – от разряжения до высокого давления, приводят к негативному взаимодействию продуктов термического разложения модели с металлом.

Считается, что перепад давлений внутри формы, возникающий над зеркалом металла при его повышении, создает прессующее песок давление, удерживающее полость формы от разрушения, что, в свою очередь, может привести к прямому контакту расплава с продуктами разложения модели, а при появлении разряжения форма может разрушиться.

В таких условиях сложно изготовить литейную форму, отвечающую всем требованиям производства, и спроектировать литниковую систему так, чтобы поддерживать необходимое давление газов и постоянство зазора между металлом и моделью во время заливки.

В публикациях описывается идеальный процесс заполнения формы: это когда скорость подъема металла соответствует скорости плавления модели, то есть в постоянном зазоре между металлом и моделью возникает определенное давление газа, достаточное для его интенсивной фильтрации в форму и предупреждения ее возможного обрушения. При этом вакуумирование формы создает дополнительное упрочнение полости формы и позволяет уменьшить вероятность ее обрушения.

Анализ и практика производства вакуумируемых форм с сухим сыпучим наполнителем (песком) при вакуумно-пленочной формовке ВПФ, где прочность формы поддерживается только за счет вакуумирования тела формы, а не за счет создания дополнительного внутреннего давления газов, говорит о возможности создания условий заливки газифицируемых моделей, как при ВПФ с устранением большинства существующих причин дефектности отливок. Имеется практика использования пенополистирольных частей моделей при вакуумно-пленочной формовке, позволившая отказаться от использования традиционных стержней и получать качественные отливки без дефектов, присущих технологии ЛГМ.

Для решения этой задачи предлагается рассмотреть новый вид литниковой системы на основе метода «встречных потоков», позволяющей полностью стабилизировать газодинамическое давление внутри формы и устранить контакт горячего расплава с любой частью модельного блока из пенополистирола.

Суть метода «встречных потоков» (МВП) заключается в создании системы питателей, позволяющих осуществлять свободное поступление жидкого металла в форму и вывод излишек образующихся газов из нее по одним и тем же каналам без какого-либо перемешивания с расплавом. При этом прочность полости формы будет осуществляться только за счет вакуумирования тела формы (как при ВПФ), а горячий расплав металла постоянно перераспределяться на верхний уровень в форме, создавая условия его направленной кристаллизации (рис. 1).

Одно из различий процессов, происходящих в формах, изготовленных методами вакуумно-пленочной формовки и литьем по газифицируемым моделям, заключается в объемах содержания в них синтетических материалов – полиэтилена и полистирола, существенно влияющих на образование газов при их деструкции и роли их жидкой фазы на качество отливок.

При вакуумно-пленочной формовке (ВПФ) облицовочная пленка покрывает полость формы ровным слоем и при бесконтактном нагреве, под действием разряжения через антипригарное покрытие всасывается в поверхностный слой полости формы и, застывая на холодных зернах песка, образует тонкую (3–5 мм) плотную корку, дополнительно укрепляющую и герметизирующую полость формы. При дальнейшем натекании металла на стенки полости песок нагревается, полиэтилен газифицируется и удаляется вакуумной системой формы без какого-либо негативного воздействия на расплав и стенки полости формы. 

При ЛГМ объем жидкой фазы от разложения пенополистирола может составлять до 2,5 % объема полости формы, при этом распределение жидкой фазы полистирола по ее стенкам происходит неравномерно. Такой объем жидкого синтетического материала приводит к засасыванию его части через антипригарное покрытие в стенки полости формы, который так же, как и при ВПФ, конденсируется на холодных зернах песка, создавая застывший слой корки разной толщины. Этому способствует применение при ЛГМ более крупных фракций песка, чем при ВПФ. Оставшаяся часть жидкой фазы внутри полости формы газифицируется, создавая избыточное давление. Давление газов при герметизации стенок полости формы жидкой составляющей приводит к замедлению движения металла и замедлению процесса разложения пенополистирола. При дальнейшем заполнении формы горячий металл прогревает стенки полости формы и полистирол, находящийся между зерен песка, газифицируется. В тонких местах корки образовавшиеся газы удаляются вакуумной системой формы. В толстых слоях конденсата полистирола в процессе нагрева образовывающиеся газы в первоначальный момент газификации воздействуют на антипригарный слой покрытия, проникая через него в полость формы с жидким расплавом либо разрушая его, что приводит к формированию поверхностных дефектов.

При использовании способа литья по газифицируемым моделям необходимо создавать особые условия для беспрепятственного удаления газов из формы. Существующие способы отвода газов из вакуумируемой формы при ЛГМ не позволяют получать гарантируемые результаты формирования качественных отливок.

При заливке литейных форм периодически наблюдаются выбросы жидкого металла через стояк, что является следствием создания избыточного давления газов внутри полости формы. Газы через литниковые ходы и стояк, заполненные жидким расплавом, вырываются из формы. Чаще всего это происходит через литниковые каналы, расположенные в верхней части формы, где давление жидкого металла меньше и литниковые каналы, как правило, заполнены расплавом не полностью. Этот процесс является квазидемонстрацией метода «встречных потоков» (по одному и тому же каналу жидкий металл течет в одну сторону, а газы в противоположную).

Главными отличиями этого процесса от предлагаемого метода являются:
• активное перемешивание продуктов разложения полистирола с металлом в литниковых каналах и стояке при возвратном движении газов;
• возникновение резких гидравлических и газовых перепадов давления внутри формы во время выбросов;
• прочие проблемы, присущие литью по газифицированным моделям.

В качестве примера рассмотрим модельный блок (рис. 2) на стальные отливки средней массы и проанализируем процессы, возникающие при заливке формы с таким модельным блоком. К слову, предприятие, выпускающее данное литье, снизило уровень окончательного брака до 5 %, что считается вполне приемлемым для такого производства, но трудоемкость процесса последующей доработки «исправимого» брака не позволяет назвать такое производство успешным.

Исходные данные для анализа:
• количество отливок в модельном блоке – 3 шт.;
• вес одной отливки (без литниковой системы) – 69,4 кг;
• сечение стояка – 50 ∙ 50 (площадь сечения – 2500 кв. мм);
• сечение нижних питателей – 50 ∙ 15 (площадь сечения – 750 кв. мм);
• сечение верхних питателей (прибылей) – 110 ∙ 15 (площадь сечения – 1650 кв. мм);
• высота стояка с воронкой – 800 мм;
• заливка из стопорного ковша (Д 50 мм стакана).

Суммарное сечений нижних питателей (750 ∙ 3 = 2250) меньше сечения стояка (2500), при этом узкое сечение питателей (15) создает дополнительное сопротивление движению расплава (ориентировочно 10–15 %), то есть реальное сечение питателей составит 2250 – 10 (15) % = 2025 (1913).

Кроме этого, скорость вытекания расплава при заливке из стопорного ковша зависит от уровня металла в ковше и диаметра стакана (50) в нем. Разность скоростей наполнения стояка и истечения жидкого расплава из нижних питателей в полость моделей в первоначальный момент заливки с учетом температурных потерь горячего металла от его взаимодействия с пенополистирольным наполнителем стояка и его прогревом приводит к снижению жидкотекучести расплава.

Поступление расплава через нижние питатели в модель замедляется. В модельной части формы под действием тепла пенополистирол в зоне потока металла из питателей газифицируется. В нижней части закрытого объема полости модели создается избыточное давление. Дальнейшее продвижение металла и процесс деструкции модели замедляются. Вокруг потока поступившего расплава образуются зоны жидкой фазы полистирола (рис. 3), не успевшие газифицироваться. Под действием разряжения в нижней части полости через антипригарное покрытие жидкая фаза засасывается в стенки формы и тут же застывает в их поверхностном слое, заполняя пустоты между зернами песка. Значительный объем образовавшейся жидкой фазы полистирола (в сравнении с технологией ВПФ объем синтетического материала при ЛГМ в десятки раз больше), заполняя пустоты в формовочном песке и застывая в нем, создает толстый газонепроницаемый слой. Последующее же продвижение (растекание) охлажденного расплава металла в нижней части моделей приводит к образованию в удаленных от основного потока (поступающего из питателей) корки затвердевающего металла. При этом застывший полистирол в поверхностном слое полости формы под затвердевшей коркой металла и антипригарным покрытием нагревается и начинает газифицировать. При достижении определенного давления образующиеся газы воздействуют на антипригарное покрытие и застывшую корку металла, выдавливая их вверх, образуя такие дефекты, как «бугристость поверхности» и газовые раковины (рис. 4).

Кроме этого, снижение жидкотекучести металла в начальный период заливки и замедление процесса деструкции модели внутри закрытой полости формы приводят к быстрому наполнению стояка и верхних литниковых каналов жидким металлом. Через прибыли и питатели (сечением 1650 ∙ 3 = 4950) сверху на пенополистирольную модель поступает расплав. Сечения питателей и литниковых каналов, расположенных в верхней части модельного блока, в несколько раз превышают сечение стояка, что позволяет беспрепятственно пропустить через них поступающий расплав. Жидкий металл, поступающий сверху, мгновенно газифицирует модель и образовавшиеся газы, многократно превышающие объем пенополистирола, создают избыточное давление в полости формы. Через не полностью заполненные расплавом верхние питатели, прибыли, литниковые ходы и стояк газ может вырываться наружу вместе с брызгами жидкого металла, при этом избыточное давление газов приводит к более быстрому разрушению гранул пенополистирола и продвижению расплава вниз.

Даже при такой литниковой системе полость формы чаще всего заполняется металлом. Образование множества других дефектов, требующих трудоемких доработок, на предприятиях, использующих литье по газифицируемым моделям, в большинстве случаев считается приемлемым.

Идеальными условиями для ЛГМ являются:
• плавное фронтальное заполнение литейной формы металлом без разбрызгивания и турбулентности;
• недопущения прямого контакта жидкого расплава с пенополистиролом и продуктами его деструкции;
• поддержание атмосферного давления внутри полости формы в процессе заливки.

Такие условия можно создать для производства большинства отливок, используя метод «встречных потоков» (МВП) (рис. 5).

Краткое описание литниковой системы МВП

Модельный блок при МВП состоит из пустотелого стояка с гасителем потока (расположен внизу стояка), специальной литейной чаши (воронки) с преобразователем потока, литниковой системы (литниковые каналы, щелевые каналы и питатели) и моделей.

Жидкий металл, поступая из ковша в литейную чашу и проходя через преобразователь, формирует струю ламинарного потока, которая под действием гравитации падает вниз пустотелого стояка. Гаситель потока предотвращает разбрызгивание металла в первоначальный момент заливки. Диаметр падающей струи металла меньше диаметра стояка. Накапливаясь в нижней части стояка, металл подымается вверх и растекается по литниковым каналам. Сечение нижних литниковых каналов больше сечения пропускного отверстия в литейной чаше. Для плавного заполнения полости формы и недопущения прямого контакта жидкого расплава с пенополистиролом литниковые каналы и модели наклонены вверх от стояка, что создает фронт движения расплава. Равномерный подъем уровня металла в стояке и полостях модели позволяет производить плавное заполнение всей формы. Высокая температура расплава приводит к «испарению» пенополистирола еще до подхода фронта металла к нему. Создается постоянный зазор между зеркалом металла и низом пенополистирола в форме, при этом газы, образовывающиеся в полости формы, через зазор и незаполненную часть стояка с литниковой воронкой выходят из формы. Кроме этого, щелевой литник позволяет плавно перераспределять поступающий горячий расплав из стояка в верхний слой металла в форме, создавая условия последовательной кристаллизации отливки.

Такая форма создает все необходимые условия для бездефектного производства отливок при ЛГМ.

В описании процесса нет информации о конструкциях:
• специальной литниковой чаши (воронки);
• пустотелого стояка с гасителем потока;
• создания струи ламинарного потока и сохранении такого потока при его падении (гравитационной заливке) с большой высоты без расслоения и разбрызгивания;
• метода построения и расчета литниковой системы.

Вся эта информация имеет существенную новизну и пока описанию не подлежит.

К сожалению, на большинстве литейных предприятий, использующих технологию ЛГМ, не производится комплексный анализ используемого оборудования и разработанных технологий.

Без понимания внутренних процессов, происходящих в литейной форме, и настройки параметров работы всего литейного комплекса усилия специалистов по устранению негативных причин производства чаще всего приводят к устранению одних проблем и появлению других.

Список литературы
1. Рыбаков С. А. Инновационные возможности литья по газифицируемым моделям, состояние и перспективы этого метода в России // Литейщик России, № 4. – С. 44–45, 2009.
2. Соколов А. П. Технология изготовления литейных форм для получения газифицируемых моделей // Молодой ученый, № 1(60). – С. 120–122.
3. Феклин Н. Д. Производство пустотелых отливок без стержней, ИТБ «Литье Украины», № 1(173). – 2015.
4. Дорошенко В. С., Бердыев К. Х. Газодинамический баланс в песчаной форме при литье по газифицируемым моделям // ИТБ «Литье Украины» № 4. – 2016.
5. Феклин Н. Д. Способ пленочной формовки по растворяемым пенополистироловым моделям // Вестник арматуростроителя, № 1. – 2022.
6. Шуляк В. С. Литье по газифицируемым моделям // НПО «Профессионал». – С. 200, 2007.
7. Дорошенко В. С. Газодинамическое уплотнение формовочных материалов в контейнерных опоках при ЛГМ // Металл и литье Украины. – 2010.