литейная форма

Формула изобретения

1. Литейная форма для изготовления крупнотоннажных и толстостенных полых глуходонных отливок типа "стакан" из чугуна с шаровидным графитом, преимущественно корпусов контейнеров для транспортировки отработавшего ядерного топлива, содержащая металлический поддон, установленные на нем нижнюю полуформу для формирования боковой поверхности отливки, центральный стержень из формовочной смеси для формирования внутренней полости отливки со знаковой частью и полым каркасом в виде перфорированной трубы с отверстиями для выхода газов, верхнюю полуформу с элементами литниково-питающей системы и газоотводным каналом для вывода газов из полости стержня и размещенную на ней заливочную чашу с литниковыми каналами, а также систему подачи хладагента с трубопроводом, сообщенным с полостью каркаса центрального стержня, и форсункой-распылителем, установленной на конце трубопровода в полости каркаса, отличающаяся тем, что она снабжена верхним металлическим холодильником, размещенным в верхней полуформе и формирующим наружную поверхность днища отливки, стенка нижней полуформы выполнена в виде бокового металлического холодильника с наружным теплоизолирующим керамическим или песчаным слоем, газоотводный канал выполнен в виде трубопровода, всасывающая часть которого расположена в полости стержня, а выходная часть вне поддона с отсасывающим устройством для принудительного удаления из полости стержня образующихся газов, литниковая чаша выполнена в виде заливочного бассейна, вмещающего весь необходимый для заливки жидкий металл, с литниковыми каналами, перекрываемыми стопорными устройствами, при этом общая масса металлического поддона и холодильников составляет 1,0-2,0 массы отливки, толщина стенки бокового холодильника составляет 0,6-1,2 толщины стенки отливки, а толщина наружного керамического или песчаного слоя равна 0,3-1,0 толщины стенки отливки.

2. Литейная форма по п.1, отличающаяся тем, что боковой холодильник выполнен составным из двух и более частей, сочлененных по горизонтальной плоскости.

3. Литейная форма по п.1 или 2, отличающаяся тем, что верхний холодильник выполнен в виде усеченного конуса, диаметр нижнего основания которого составляет 0,8-1,0 внутреннего диаметра днища отливки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству, в частности к литейным формам для изготовления крупнотоннажных и толстостенных полых глуходонных отливок типа "стакан" из чугуна с шаровидным графитом, преимущественно корпусов контейнеров для транспортировки отработавшего ядерного топлива.

Известна литейная форма для отливки полых отливок преимущественно чугунных изложниц (см. А.С.Филипов и др. Сменные литые детали сталеразливочного оборудования. М.: Металлургия, 1965, с.100, рис.33), содержащая поддон, установленные на нем нижнюю полуформу с рабочей полостью, в которой размещен центральный стержень с полым каркасом в виде трубы с отверстиями, верхнюю полуформу с элементами литниковой системы и каналом для выхода газов из стержня.

Однако это устройство не позволяет изготовить глуходонные отливки и регулировать теплоотвод от центрального стержня для выравнивания условий охлаждения внутренних и внешних поверхностей отливки, а также провести ускоренное охлаждение отливки в литейной форме.

Известна кокильная (металлическая) форма для отливки крупных толстостенных заготовок из чугуна с шаровидным графитом (см. А.М.Попов и др. Производство крупных чугунных отливок в металлических формах. Литейное производство, 2001, №3, с.13-16, рис.4), содержащая металлический поддон, установленные на нем нижнюю и верхнюю металлические полуформы и литниковую чашу с питателями из формовочной смеси. Эта форма за счет высокой теплороводности металла боковых стенок обеспечивает ускоренное охлаждение отливки из высокопрочного чугуна в процессе ее затвердевания и охлаждения в твердом состоянии с получением более высоких механических характеристик металла за счет измельчения литого зерна, улучшения формы и уменьшения размеров включений шаровидного графита.

Недостатком известной кокильной формы является чрезмерно большая скорость охлаждения отливки в форме в уже твердом состоянии, что приводит к формированию в структуре высокопрочного чугуна перлитной металлической основы с получением низких пластических свойств чугуна. Для получения заданного уровня пластических характеристик высокопрочного чугуна требуется ферритизирующий отжиг таких отливок, что ведет к дополнительным неоправданным расходам.

Известна также комбинированная литейная форма для литья преимущественно из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом крупногабаритных заготовок, имеющих дно, содержащая верхнюю крышку и наружную секцию, состоящую из боковой части (полуформы) и нижней части (поддона) с отверстиями для заливки жидкого металла из стояка. В полости наружной секции установлен центральный стержень, прикрепленный к верхней крышке с помощью полого каркаса. На внутренней поверхности боковой части наружной секции и, как вариант, на наружной поверхности центрального стержня установлен составной холодильник из отдельных металлических блоков, набранных в стопку с прослойками из формовочной смеси между ними, а наружный слой боковой части выполнен из формовочной смеси. Форма снабжена охлаждающими трубами, соединенными нижними концами и проходящими соответственно (первая труба) через формовочную смесь и (вторая труба) через холодильники, усиливая их охлаждающее действие. Конструкция холодильника позволяет составляющим его блокам свободно расширяться при нагреве. Такая литейная форма позволяет вести ускоренное охлаждение отливки, в том числе и со стороны ее внутренней поверхности, а также обеспечивает за счет наружного песчаного слоя боковой части относительно свободное термическое расширение металлических блоков, составляющих холодильник. Ускоренное охлаждение отливки из высокопрочного чугуна, как и в металлической литейной форме, позволяет измельчить литое зерно и улучшить форму и уменьшить размеры шаровидных включений графита, см. патент США №4729419 от 8 марта 1988 г. МКИ B 22 D 15/04, 27/04, НКИ 1.64-302.

Недостатками этой известной литейной формы являются:

- сложная конструкция холодильника, требующая значительных трудозатрат при изготовлении и большой точности при монтаже отдельных металлических блоков в стопку с прослойками из формовочной смеси между ними, а также при сборке и размещении холодильных труб в металлических блоках;

- отсутствие гарантии осуществления направленной кристаллизации отливки сверху вниз и эффективного питания при поступлении наиболее горячего жидкого металла снизу через поддон, что, как правило, приводит к образованию усадочных дефектов;

- большая вероятность образования дефектов в виде скопления неметаллических и шлаковых включений на внутренней поверхности днища отливки за счет горизонтальной поверхности нижнего торца стержня.

Кроме того, наличие наружного слоя формовочной смеси у боковой части наружной секции необходимо только для создания благоприятных условий для свободного термического расширения блоков холодильника.

Наиболее близким аналогом по техническому решению и совокупности общих признаков является форма для отливки крупногабаритных изложниц (См. А.С. №1678515, B 22 D 15/00. БИ №35 от 23.09.91 г.), содержащая поддон, установленные на нем нижнюю полуформу для формирования боковой поверхности отливки, центральный стержень из формовочной смеси с полым каркасом в виде трубы с отверстиями и верхнюю полуформу с каналом для выхода газов из стержня; систему подачи воды с трубопроводом, сообщенным с полостью каркаса центрального стержня, и форсункой-распылителем, установленной на конце трубопровода в полости каркаса. Система подачи воды, включая регулирующее устройство, обеспечивает после затвердевания отливки введение заданного количества воды в единицу времени для охлаждения внутренней полости стержня и отбора избыточного тепла от затвердевшей отливки. При этом образующиеся в полости стержня газы под собственным давлением удаляются через газоотводной канал в верхней полуформе, а ускоренное и регулируемое охлаждение отливки с внутренней стороны обеспечивает получение минимальных остаточных литейных напряжений в отливке и сокращение общего цикла ее охлаждения в литейной форме.

Однако это устройство имеет следующие недостатки. Оно не обеспечивает получение полых глуходонных отливок типа "стакан". При этом песчаная форма резко снижает интенсивность теплоотвода от отливки особенно в начальный период снятия температуры перегрева залитого чугуна и кристаллизации (затвердевания) отливки, что приводит к получению в отливке крупнозернистой структуры и крупных включений графита.

Технический результат изобретения заключается в устранении дефектов структуры литья, измельчении структурных составляющих, получении преимущественно ферритной металлической основы высокопрочного чугуна в литом состоянии и повышении изотропности свойств металла по сечению отливки.

Технический результат достигается тем, что литейная форма для изготовления крупнотоннажных и толстостенных полых глуходонных отливок типа "стакан" из чугуна с шаровидным графитом, преимущественно корпусов контейнеров для транспортировки отработавшего ядерного топлива, содержащая металлический поддон, установленные на нем нижнюю полуформу для формирования боковой поверхности отливки, центральный стержень из формовочной смеси для формирования внутренней полости отливки со знаковой частью и полым каркасом в виде перфорированной трубы с отверстиями для выхода газов, верхнюю полуформу с элементами литниково-питающей системы и газоотводным каналом для вывода газов из полости стержня и размещенную на ней заливочную чашу с литниковыми каналами, а также систему подачи хладагента с трубопроводом, сообщенным с полостью каркаса центрального стержня, и форсункой-распылителем, установленной на конце трубопровода в полости каркаса, согласно изобретению снабжена верхним металлическим холодильником, размещенным в верхней полуформе и формирующим наружную поверхность днища отливки, стенка нижней полуформы выполнена в виде бокового металлического холодильника с наружным теплоизолирующим керамическим или песчаным слоем, газоотводный канал выполнен в виде трубопровода, всасывающая часть которого расположена в полости стержня, а выходная часть вне поддона с отсасывающим устройством для принудительного удаления из полости стержня образующихся газов, литниковая чаша выполнена в виде заливочного бассейна, вмещающего весь необходимый для заливки жидкий металл, с литниковыми каналами, перекрываемыми стопорными устройствами, при этом общая масса металлического поддона и холодильников составляет 1,0-2,0 от массы отливки, толщина стенки бокового холодильника составляет 0,6-1,2 толщины стенки отливки, а толщина наружного теплоизолирующего керамического или песчаного слоя равна 0,3-1,0 толщины стенки отливки. Согласно изобретению боковой холодильник может быть выполнен составным из двух и более частей, сочлененных по горизонтальной плоскости. Согласно изобретению верхний холодильник может быть выполнен в виде усеченного конуса, диаметр нижнего основания которого составляет 0,8-1,0 внутреннего диаметра днища отливки.

Система подачи хладагента (преимущественно водовоздушной смеси), включающая регулирующее устройство, трубопровод и форсунку, обеспечивает в процессе охлаждения отливки подачу в полость стержня заданного количества хладагента в единицу времени для отбора избыточного тепла, выравнивания теплоотдачи между внутренними и наружными частями отливки и постепенного разупрочнения стержневой смеси.

Газоотводный канал с отсасывающим устройством обеспечивает принудительное удаление выделяющихся из стержневой смеси после заливки жидкого чугуна газов и последующее их дожигание.

Совместная работа указанных систем обеспечивает регулируемое по интенсивности охлаждение внутренней полости отливки, выравнивание теплоотвода от ее внутренней и внешней поверхностей в период затвердевания, за счет чего соответственно повышается изотропность свойств металла по сечению литой заготовки.

Суммарная масса поддона и холодильников составляет 1,0-2,0 от массы получаемой отливки и обеспечивает за счет высокой теплопроводности и теплоаккумулирующей способности материала быстрое снятие температуры перегрева жидкого чугуна и ускоренное затвердевание отливки, способствующее устранению дефектов структуры литья, измельчению структурных составляющих и улучшению формы включений шаровидного графита.

При суммарной массе поддона и холодильников менее 1,0 от массы отливки указанный эффект не достигается, так как в этом случае поддон и холодильники быстро прогреваются до температуры кристаллизующейся отливки и дальнейший процесс затвердевания и охлаждения отливки резко замедляется за счет низкой теплоотводящей способности керамической или песчаной части формы.

При суммарной массе поддона и холодильников более 2,0 от массы отливки происходит чрезмерно быстрая кристаллизация металла отливки, приводящая, как правило, к образованию наряду с шаровидным графитом большой доли структурно-свободного цементита, являющегося существенным дефектом структуры, для разложения которого требуется впоследствии высокотемпературная термическая обработка.

Толщина стенки бокового холодильника, равная 0,6-1,0 толщины стенки отливки, выбирается из расчета получения необходимой массы бокового холодильника для быстрого снятия температуры перегрева и ускоренного затвердевания отливки. При этом толщина стенки бокового холодильника менее 0,6 толщины стенки отливки не обеспечит ускоренного затвердевания отливки, так как холодильник быстро прогревается до температуры кристаллизации чугуна и дальнейший теплоотвод будет определяться другими факторами, например толщиной наружного керамического или песчаного слоя. При толщине стенки бокового холодильника более 1,2 толщины стенки отливки в высокопрочном чугуне также образуется структурно-свободный цементит, который резко снижает пластические свойства литого металла.

Наружный теплоизолирующий керамический или песчаный слой стенки нижней полуформы, равный 0,3-1,0 толщины стенки отливки, за счет низкой теплопроводности резко снижает теплоотвод и обеспечивает последующее замедленное охлаждение отливки уже в твердом состоянии с получением в литой структуре высокопрочного чугуна преимущественно ферритной металлической основы и высоких показателей пластических свойств. При толщине наружного теплоизолирующего керамического или песчаного слоя менее 0,3 толщины стенки отливки не обеспечивается необходимая замедленная скорость охлаждения отливки и доля феррита в литой структуре чугуна заметно уменьшается. Наружный теплоизолирующий керамический или песчаный слой толщиной более 1,0 толщины стенки отливки применять нецелесообразно, так как продолжительность охлаждения отливки увеличивается совсем незначительно, а затраты на изготовление литейной формы возрастают.

На чертеже представлена схема заявляемой литейной формы.

Форма содержит металлический поддон 1, установленные, на нем нижнюю полуформу 2, формирующую боковую поверхность отливки, центральный стержень 3 из высокотеплопроводной формовочной смеси, формирующий внутреннюю полость отливки, со знаковой частью и полым каркасом в виде перфорированной трубы 4 с отверстиями для выхода газов, верхнюю песчаную полуформу 5 с элементами литниково-питающей системы и размещенный в ней верхний металлический холодильник 6, формирующий наружную поверхность днища отливки, а также установленный на верхней полуформе заливочный бассейн 7 с литниковыми каналами, перекрываемыми стопорными устройствами 8. Стенка нижней полуформы выполнена в виде бокового металлического холодильника 9 с наружным теплоизолирующим керамическим или песчаным слоем 10. Форма снабжена системой подачи хладагента, включающей трубопровод, сообщенный с полостью стержня 3, форсунку-распылитель 11, установленную на конце трубопровода, и регулирующее устройство 12. Литейная форма устанавливается на металлических опорах 13 для удобства монтажа и обслуживания газоотводного канала 14 и трубопровода системы подачи хладагента от регулирующего устройства 12. Газоотводный канал 14 выполнен в виде трубопровода, всасывающая часть которого расположена в полости стержня 3, а выходная вне поддона с отсасывающим устройством 15 для принудительного удаления из полости стержня газов и возможностью их последующего обезвреживания (дожигания) в специальном устройстве (последнее условно не показано). Для простоты изготовления боковой холодильник 9 выполнен составным из четырех частей, сочлененных методом "шип-паз" по горизонтальной плоскости. Верхний холодильник выполнен в виде усеченного конуса, нижнее основание которого составляет 0,8-1,0 от внутреннего диаметра днища отливки.

Работа предложенной формы осуществляется следующим образом.

В изготовленную, собранную и подготовленную к заливке литейную форму жидкий обработанный магнием перегретый чугун из разливочного ковша в необходимом количестве поступает в заливочный бассейн 7. После достижения заданной температуры заливки стопорные устройства 8 одновременно поднимаются и жидкий чугун через литниковые каналы сверху заполняет полость формы. При таком способе заливки обеспечивается последующая направленная кристаллизация отливки снизу вверх за счет поступления последних горячих порций металла непосредственно в прибыли и эффективное питание кристаллизующегося металла, исключающее образование усадочных дефектов. Одновременно включают отсасывающее устройство 15 и систему подачи хладагента, подающую с помощью регулирующего устройства 12 через форсунку 11 в полость центрального стержня 3 по заданной программе водовоздушную смесь, которая забирает избыточное тепло и выравнивает теплоотдачу между внутренними и наружными частями отливки. В это время за счет быстрого теплоотвода через металлический поддон, верхний и бокового холодильники, быстро поглощающие выделяемое залитым металлом тепло, а также за счет интенсивного отвода тепла через центральный стержень происходит ускоренное и равномерное по сечению стенки затвердевание отливки. Образующиеся в полости стержня пар и газы под избыточным давлением удаляются через газоотводный канал 14. Кроме того, водяной пар под небольшим избыточным давлением через отверстия в перфорированной трубе проникает в стержневую смесь, постепенно разупрочняя последнюю. В результате обеспечиваются свободная усадка отливки и минимальные остаточные литейные напряжения в ней.

После охлаждения отливки до заданной температуры подачу хладагента и отсос газов прекращают, форму разбирают, извлекают отливку и направляют ее на проведение финишных операций. Далее цикл повторяется.

В связи с большими затратами на проведение экспериментов с крупными отливками расчеты конкретных размеров и обоснование вышеуказанных параметров предлагаемой литейной формы проводили с помощью системы компьютерного моделирования литейных процессов "ПОЛИГОН" (разработчик ГУП "ЦНИИМ" г.С.-Петербург) применительно к опытной толстостенной отливке из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом марки ВЧ 40, моделирующей корпус контейнера для транспортировки отработавшего ядерного топлива и имеющей следующие размеры, мм:

наружный диаметр	1450
внутренний диаметр	740
высота (длина)	4480
толщина стенки	355

Масса отливки 40 тонн, масса требуемого жидкого чугуна для отливки 50 тонн. Результаты компьютерного моделирования приведены в таблице.

Таблица
Вариант конструкции формы	Мхол/Мотл	б.хол/ отл	кер/ отл	затв, ч	охл, ч	Кол-во феррита, %
Песчаная форма	-	-	2,20	16,0	312	>90
Металлическая форма	2,5	1,5	-	1,5	52	<10
Предлагаемая форма:
варианты I	1,75	0,9	0,65	1,7	188	>80
II	1,75	0,9	0,3	1,7	114	>70
III	1,75	0,9	1,0	1,8	218	>80
IV	1,0	0,6	1,0	1,9	244	>85
V	2,0	1,2	0,65	1,65	196	>80
Примечание: Мхол/Мотл - отношение суммы масс поддона и холодильников к массе отливки, б.хол/ отл - отношение толщины стенки бокового холодильника к толщине стенки отливки, кер/ отл - отношение толщины наружного теплоизолирующего керамического или песчаного слоя к толщине стенки отливки, затв - продолжительность затвердевания отливки, охл - продолжительность остывания отливки в твердом состоянии.

Эти данные подтверждают, что предлагаемая конструкция литейной формы позволяет резко сократить время затвердевания отливки (практически до уровня, сравнимого с кристаллизацией в обычной металлической форме) и одновременно существенно увеличить продолжительность регулируемого охлаждения закристаллизовавшейся отливки, включая период перлитного превращения, что, в свою очередь, при общем сокращении процесса охлаждения отливки в форме способствует получению в ней в литом состоянии преимущественно ферритной металлической основы.

На основании полученных данных была спроектирована и изготовлена литейная форма с параметрами, соответствующими I варианту (см. табл.) предлагаемой формы, и отлита в ней опытная толстостенная отливка массой 40 тонн. Механические свойства чугуна с шаровидным графитом в стенке отливки имеют следующие значения:

- временное сопротивление при разрыве (R_m) - 320-350 МПа,

- относительное удлинение (А₅) - 13-18%.