Получение биметаллических заготовок центробежным способом

Орловский Государственный Технический Университет

Ерошенко Александр Викторович

Получение биметаллических заготовок центробежным способом

Специальность 05.16.04 Литейное производство

Диссертация на соискание магистра технических наук

Научный руководитель

доцент, кандидат технических наук

Маркова Н.Н

Орел, 2009г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Современные требования, предъявляемые к качеству мелющих валков

1.1.1 Общие требования к валкам различного назначения пищевой отрасли

1.1.2 Условия эксплуатации и технические характеристики мелющих валков

1.2 Анализ и тенденции развития перспективных процессов производства биметаллических мелющих валков

1.3. Основные направления дальнейшего совершенствования технологических процессов производства биметаллических мелющих валков

1.4 Влияние химического состава чугуна на качество рабочего слоя валков

Выводы, цель и задачи настоящей работы

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Объект исследования и общие методические положения работы

2.2. Методы исследования структуры и физико-механических свойств металла отливок

Выводы

ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕОСОБЕННОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗАГОТОВОК ВАЛКОВ В ПОЛЕ ДЕЙСТВИЯ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ СИЛ

3.1 Исследование особенностей процесса затвердевания отливки в массивной изложнице

3.2 Определение кинетики затвердевания рабочего слоя валков

3.3 Влияние скорости затвердевания на свойства металла рабочего слоя валков

Выводы

ГЛАВА IV. ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МЕЛЮЩИХ ВАЛКОВ

4.1. Исследование и выбор оптимальных параметров формы для отливки мелющих валков

4.2 Оптимизация состава и способа нанесения теплоизоляционного покрытия на внутреннюю поверхность изложницы

4.3 Совершенствование конструкции заливочного устройства для отливки валков

4.4 Технологический регламент вращения формы

4.5 Термовременные параметры режима заливки двух разнородных металлов в форму

4.6 Исследование и выбор состава чугуна мелющих валков рабочего слоя

4.7 Экспериментально-производственная отработка технологии отливки биметаллических валков методом центробежного литья

Выводы

ГЛАВА V. ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МЕЛЮЩИХ ВАЛКОВ

5.1 Внедрение разработанного технологического процесса производства мелющих валков в промышленных условиях

Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Список использованных источников

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Задачей современного машиностроения является повышение надежности и долговечности оборудования, в том числе работающего в условиях повышенных удельных нагрузок и интенсивного износа рабочих элементов.

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.

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 заготовок 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.

Традиционная технология изготовления заготовок мелющих 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, в то время как валки зарубежного производства в аналогичных условиях работают в 2,0.. .2,5 раза дольше.

Наиболее эффективным способом изготовления мелющих 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 их изготовления.

Однако, несмотря на ряд выполненных работ с участием специалистов ряда организаций, эксплуатационная стойкость мелющих валков, изготовленных способом центробежного литья, все еще не соответствует растущим требованиям пищевого машиностроения.

В основном это связано с отсутствием стабильной технологии применяемого способа центробежного литья, что ведет к повышенному браку по расслоению, трещинам, спаям, появлению бугристости на поверхности отливок, и связанной с этим «пятнистости», т.е. неравномерной твердости на поверхности отливки, что во многом объясняется недостаточной изученностью процесса формирования разнородных составов чугуна в поле действия центробежных сил.

В связи с этим проблема изготовления надежных и долговечных в эксплуатации, то есть конкурентоспособных мелющих валков для пищевого машиностроения, является актуальной.

Цель и задачи работы.

Целью работы является исследование особенностей технологического процесса получения заготовок 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 свойствами 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.

Научная новизна работы:

- 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 ООО «Орловский литейный завод имени Медведева» технологический регламент производства высококачественных биметаллических валков для пищевого машиностроения методом центробежного литья

Личный вклад

Автор принимал непосредственное участие в качестве технолога-литейщика ООО «Орловский литейный завод имени Медведева» под руководством специалистов ОрелГТУ и профессора д.т.н. Мирзояна на литейно-металлургической базе ФГУП «ЦНИИТМАШ» в постановке задачи работы, 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 отлиты биметаллические заготовки мельничных валков на ООО «Орловский литейный завод имени Медведева»

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Современные требования, предъявляемые к качеству мелющих валков

1.1.1 Общие требования к заготовкам валков различного назначения пищевой промышленности

Широкое распространение в пищевой промышленности получило оборудование для переработки различных продуктов и, в частности, их размола в валковых мельницах [1, 2, 3].

Размолу подвергаются такие широко применяемые продукты как пшеница, рожь, какао-бобы, солод, кофе, сахар, соль и др.

Процесс измельчения продуктов на предприятиях пищевой отрасли является одним из основных, так как в значительной мере влияет на выход и качество готовой продукции.

Главным рабочим инструментом мельниц, в которых происходит размол, являются мелющие валки, от качества которых зависит стабильная работа и производительность всего комплекса перерабатывающего оборудования, а также качество выпускаемой продукции.

Мелющие валки работают в сложных условиях, испытывая большие динамические нагрузки и воздействие механических факторов изнашивания.

Преждевременный выход из строя мелющих валков связан не только с остановкой группы мельниц, но и всего производственного цикла, что приводит к значительным временным и экономическим потерям [5, 6].

В связи с этим вопросу эксплуатационной стойкости мелющих валков придается первостепенное значение.

Исходя из специфических условий эксплуатации мелющих валков их стойкость во многом обусловлена дифференцированным характером структуры и свойств металла по сечению отливки, то есть наличием поверхностного отбеленного слоя толщиной 0,020...0,025 м с достаточно высокими значениями твердости (62...72 HSD), равномерно распределенными по длине и сечению бочки валка, и «мягкой» сердцевины с твердостью 180...230 НВ [11, 30].

Применение легированных хромом и никелем чугунов для формирования рабочего слоя мелющих валков /30/ приводит к необходимости в четкой дифференциации макроструктурных зон в сечении бочки валка, так как при достаточной протяженности отбеленного (рабочего) слоя, но наличии хрупкого структурно-свободного цементита в сердцевине валка запрессовка стальных полуосей с торцев бочки сопровождается появлением трещин. Наряду с наличием дифференцированной структуры бочка валка должна обладать 100% сплошностью, то есть прочным свариванием металла рабочего слоя и сердцевины, а также отсутствием дефектов в теле отливки.

Традиционная технология изготовления мелющих валков методом «промывки» в стационарный кокиль, отличающаяся низкой эффективностью процесса, не обеспечивает оптимального соотношения структурных зон по сечению бочки валка, а также равномерного распределения значений твердости и глубины отбеленного слоя по длине и окружности валков, что является одной из основных причин их низкой эксплуатационной стойкости, которая оценивается на уровне 40... 50% от стойкости валков современного производства.

Поэтому существующая практика использования мельничных валков предусматривает их закупку за рубежом.

Использование прогрессивного способа центробежного литья с современной технологией изготовления мелющих валков позволяет решить проблему повышения их стойкости, а также отказаться от закупки дорогостоящей (в 2,0...2,5 раза по отношению к отечественной) импортной продукции.



1 - чугунная бочка, 2 - стальные полуоси, 3 - рабочий слой из легированного чугуна

Рисунок 1.1 - Схема конструкции мелющего валка для пищевой промышленности

Общие признаки, характеризующие мелющие валки, используемые в мукомольной, шоколадной, кофейной, пивоваренной и других отраслях пищевого машиностроения (рис. 1.1), сводятся к следующему:

рабочим органом мелющих валков является биметаллическая чугунная бочка (1), а в качестве опорных элементов применяются стальные полуоси (2) запрессованные с двух торцев бочки;

наружный (рабочий) слой бочки валков (3) изготавливают из отбеленного легированного чугуна, а внутренний слой - из серого чугуна;

толщина наружного слоя валков составляет 0,02...0,025 м, а внутреннего слоя 0,06...0,08 м;

твердость наружного слоя металла составляет 62...72 HSD;

твердость внутреннего слоя металла составляет 180.. .230 НВ;

наружный слой бочки большинства валков подвергается нарезке рифлей для эффективного измельчения пищевых продуктов;

размеры бочек наиболее распространенных мелющих валков составляют по диаметру 0,25...0,30 м, а по длине 0,6... 1,25 м.

Учитывая общность основных технических характеристик, используемых для большинства применяемых пищевых валков, целесообразно объединить их с точки зрения технологического исполнения в единую группу сменных изделий, используемых в пищевом машиностроении.

Годовая потребность мелющих валков для пищевой промышленности Российской Федерации составляет около 20900 шт. [2, 5, 8] (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Годовая потребность в мелющих валках для пищевой промышленности РФ

Тип валков	Диаметр и длина бочки, м	Годовая потребность
		масса	количество
		T	%	шт.	%
Мукомольные (для крупных предприятий)	0,25x1,0	5000	70,0	15000	72,0
Мукомольные (для мини-производств)	0,25x0,30	1000	13,7	4000	19,0
Шоколадные (размол какао-бобов)	0,4x1,2	300	4,0	400	1,8
Пивоваренные (размол солода)	0,4x1,0	800	11,0	1000	4,8
Кофейные (размол зерен кофе)	0,25x0,30	100	1,3	500	2,4
Всего:		7200	100	20900	100

Анализ табличных данных свидетельствует о том, что около 84% по массе и 90,0% по количеству мелющих валков в пищевой промышленности составляют мукомольные валки для крупных и мелких предприятий.

Учитывая однотипность технических характеристик мелющих валков, применяемых в пищевом машиностроении, целесообразно в дальнейшем рассматривать особенности их использования и технологические приемы изготовления на примере наиболее распространенных валков, применяемых в мукомольной отрасли.

1.1.2 Условия эксплуатации и технические характеристики

мелющих валков

Размол зерна пшеницы и ржи осуществляются на мельницах отечественного производства: А1-БЗН, ЗМ2 и БВ2 [9, 10, 11]. На мельницах типа А1-БЗН используются валки с внутренней полостью в бочке.

В количественном отношении такие мельницы составляют 60...65%, остальная доля 35...40% приходится на мельницы типа ЗМ2 и БВ2, в которых применяются валки с бочкой сплошного сечения массой в 1,5 раза превышающей массу валков мельниц типа А1-БЗН.

Наряду с этим используются мельницы зарубежного производства.

Принципиальной разницы в процессе размола зерна между ними нет. В мельницах зарубежного производства применяются в основном валки с полой бочкой[12, 14, 17].

Размольное отделение современного мукомольного завода производительностью 500 т/сутки обычно разделено на две секции, в каждой из которых установлено по 16 валковых мельниц вместе с другим специальным оборудованием [3,19].

На рисунке 1.2 представлена конструктивная схема мельницы для размола зерна типа А1-БЗН [1]. Мельница разделена сплошной перегородкой на две половины (секции), каждая из которых работает самостоятельно.

1 - станина, 2 - бункер, 3 - щетки, 4 - механизм питания, 5 - приемная труба, 6 - питающие валики, 7 - быстро вращающийся валок, 8 - ножи для очистки, 9 - медленно вращающийся валок

Рисунок 1.2 - Мельница типа А1-БЗН для размола зерна

Как видно из приведенной схемы, мельница состоит из следующих основных узлов: 1 - станина, 2 - бункер, 3 - щетки, 4 -- механизм питания, 5 - приемная труба, 6 - питающий валик, 7 - быстро вращающийся валок, 8 -- ножи для очистки, 9 - медленно вращающийся валок.

Мукомольные валки в количестве 4 штук установлены парами в двух секциях мельницы и работают автономно. При этом линия, соединяющая их оси вращения, образует угол 30° с горизонталью.

Уменьшение этого угла способствует улучшению питания валков зерном, а также повышению коэффициента заполнения площади измельчения.

Зерно пшеницы или ржи по приемной трубе - 5 поступает на питающие валики -- 6, посредством которых равномерно распределяется по всей длине расположенных ниже мелющих валков 7 и 9. Регулировка величины рабочего зазора между мелющими валками осуществляется путем перемещения нижнего валка, закрепленного в подвижных буксах.

Верхний валок вращается с более высокой скоростью, чем нижний, что обеспечивает интенсивное измельчение продуктов.

Отличительной особенностью мельниц подобного типа является использование полых по конструкции бочек валков. При этом внутренняя полость бочки быстро вращающегося валка охлаждается водой, что оказывает положительное влияние на свойства измельчаемой продукции.

Мельницы типа ЗМ2 и БВ2 по своей технологической схеме мало отличаются от соответствующих характеристик мельниц типа А1-БЗН.

Мелющий валок для мельниц А1-БЗН имеет следующие характеристики: внешний диаметр бочки валка - 1 составляет 0,25 м, длина бочки составляет 1 м, масса 2646 Н, диаметр внутренней полости бочки - 0,158 м /3/ (рис. 1.4).

По торцам бочки запрессованы цапфы - 2, диаметр запрессованной части 0,16 м, шейка цапфы имеет три части: переходную цилиндрическую диаметром 0,1 м, опорную, состоящую из цилиндрической и конической частей (0,075...0,080 м), и концевую цилиндрическую 0,065 м. На конусной части - 3 цапфы установлены подшипники - 4, а концевая цилиндрическая служит для насадки приводного шкива или шестерни - 5 межвалыдовой передачи (13 -малая шестерня).

Мелющий валок охлаждается водой, которая поступает через трубку - 6 и заполняет внутреннюю полость.

При нормальной работе системы охлаждения температура быстро вращающегося валка не должна превышать 60°С. По данным испытаний температура поверхности валка не превышает 36°С, а самого продукта после измельчения не более 25°С /3/.

Мелющие валки со сплошным сечением бочки, предназначенные для мельниц ЗМ2 и БВ2, имеют размеры по внешнему диаметру 0,25 м и по длине 1, 0,8 и 0,6 м, соответственно массой 3822, 3116и2411Н.

1 - корпус, 2 - цапфа, 3 - конус цапфы, 4 - подшипник, 5 - шестерня, 6 - труба, 7 - полость для балансировки, 8 - корпус подшипника, 9 - втулка, 10 - камера, 11, 12 - крышки подшипника, 13 - малая шестерня

Рисунок 1.3 - Мелющий валок А1-БЗН с системой охлаждения

Анализ технических характеристик мелющих валков с полой и сплошной бочками позволяет сделать вывод о предпочтительном использовании валков с полой бочкой по следующим причинам:

уменьшается на 50% расход металла на изготовление заготовок валков и снижается масса готовых валков на 33% по сравнению с массой полого валка;

снижается тепловое расширение при нагревании валков в результате охлаждения водой внутренней полости бочки и стабилизируется размер зазора, т.е. повышается качество размола;

уменьшается расход электроэнергии при эксплуатации;

увеличивается контактная поверхность полости бочки с запрессованной частью цапфы и в связи с этим снижаются радиальные внутренние напряжения примерно на 40%, а также усилия при запрессовке цапф примерно в 3 раза [1];

улучшаются качественные показатели измельченной продукции в результате охлаждения внутренней полости бочки. Представленные преимущества использования мелющих валков с полой бочкой позволяют ставить вопрос о необходимости изменения конструкции валков для мельниц типа ЗМ2 и БВ2 со сплошной на полую бочку.

Однако традиционный способ их изготовления методом стационарного литья сдерживает такой прогрессивный путь наиболее эффективного изготовления валков, т.к. сопряжен со значительными трудностями технологического исполнения.

В то же время, несмотря на открывающиеся возможности при использовании центробежного метода для получения валков с полой бочкой, в настоящее время отсутствуют разработанные рекомендации по его использованию для реализации этой важной для мукомольной отрасли задачи.

1.2 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. 1.4) 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.

На рис. 1.5 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.

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].

Рисунок 1.4 - Стационарная кокильно-песчаная форма для отливки валков методом «промывки» 1 -- отверстие в прибыльной части валка, 2 - приемное устройство для слива чугуна

Рисунок 1.5 - Схема стационарной заливки полого мельничного валка

1 - стопор, 2 - заливочная чаша, 3 - кокиль, 4 - стержень, 5 -- литниковый канал

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:

Заливка рабочего слоя и сердцевины металла валка на машинах с вертикальной осью вращения [32, ].

Отливка двухслойных валков на машинах с наклонной осью вращения [30,32,41].

Заливка рабочего слоя в форму с горизонтальной осью вращения с последующим заполнением сердцевины в вертикальном положении [47].

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.

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.

Этот способ не нашел широкого применения.

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, ].

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. 1.6).

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.

1 - ролик, 2 - станина, 3 - ролик приводной, 4 - траверса, 5 - заливочное устройство, б - крышка изложницы, 7 - теплоизоляционное покрытие, 8 - изложница, 9 - ролик нажимной, 10 - стакан, 11 - кожух, 12 - крышка задняя, 13 - система охлаждения

Рисунок 1.6 - Центробежная машина для отливки прокатных валков

Однако сведения о технологических особенностях изготовления мелющих валков центробежным способом являются недостаточно полными [30] и чаще всего носят рекламный характер .

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].

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.

Существенную роль в формировании служебных свойств играет литейная форма, ее теплоизоляционное покрытие, обеспечивающие определенный теплоотвод, скорость затвердевания металла и, как следствие, характер его структуры и физико-механические свойства.

Теплоизоляционные покрытия, используемые на внутренней поверхности изложницы, влияют также на чистоту поверхности бочки валка, предопределяя трудоемкость дальнейших операций при механической обработке заготовок.

Сокращение трудозатрат на указанные операции приобретает особую актуальность в связи со сложностью механической обработки высокотвердых материалов, к которым относится рабочий слой мелющих валков, с уровнем твердости 65...72 HSD и с требованием высокого качества поверхности бочки валка.

Решение указанной проблемы в значительной степени зависит от качества применяемых теплоизоляционных покрытий.

При изготовлении заготовок из различных сплавов способом центробежного литья широкое распространение получили сыпучие теплоизоляционные покрытия на основе кварцевого песка [30...36].

В работе [30] в качестве литейной формы для получения мукомольных валков рассматривается тонкостенная стальная изложница, толщиной стенки 0,035...0,040 м, покрытая изнутри сыпучим теплоизоляционным слоем и интенсивно охлаждаемая водой спрейерным способом.

В качестве сыпучего теплоизоляционного покрытия используется сухой кварцевый песок, марок 1К0315, 1К02С, толщиной слоя 0,003...0,005 м и слой противопригарного материала (цирконовая мука или маршалит зернистостью 0,020...0,005 мм) толщиной 0,001...0,0015 м [32]. Такое покрытие вводят во вращающуюся изложницу с помощью пескосыпа, представляющего собой трубу с продольным пазом, равным длине бочки валка.

Пескосып, заполненный песком, медленно поворачивают против направления вращения изложницы, высыпая песок, который, под действием центробежных сил, распределяется по внутренней поверхности изложницы. Затем на поверхность песка таким же способом наносят слой цирконовой муки.

Несмотря на наличие слоя противопригарного покрытия из цирконовой муки на поверхности отливки иногда наблюдается пригар (рис. 1.7), а также волнистость, из-за появления неровностей на поверхности теплоизоляционного покрытия (рис. 1.8).

Наряду с этим при использовании сыпучего покрытия на внутренней поверхности изложницы в зоне падения струи металла часто происходит вымывание песчинок и проникновение металла внутрь покрытия, что вызывает появление дополнительного пригара кольцевой формы.

Такая поверхность валка с трудом поддается механической обработке твердосплавным инструментом и это приводит к необходимости увеличения припуска на механическую обработку.

При этом имеют место случаи попадания сдвинутых песчинок и частиц цирконовой муки на границу раздела двух слоев металла [30].

В работе [34] проведено исследование температурного поля заготовки валка диаметром 0,25 м и длиной 1,5 м с рабочим слоем из хромоникелевого чугуна, полученной в тонкостенной изложнице с сыпучим покрытием.

На рис. 1.9 представлено изменение температуры металла рабочего слоя на глубине 0,01 м [34].

Как видно из представленного рисунка в зоне падения струи металла на расстоянии 0,5 м от заливочного края изложницы наблюдается повышение температуры металла по сравнению с температурой соседнего участка отливки.

Эта разница температур в отливке не исчезает в течение всего периода затвердевания рабочего слоя валка.

При этом указывается, что при заливке второго металла эта зона падения струи металла с повышенной температурой дополнительно нагревается, что приводит к нежелательному изменению структуры и твердости металла рабочего слоя, а также размыву струей металла рабочего слоя [34].

При этом высказывается предложение производить заливку второго металла с противоположной стороны по отношению к первой, что намного усложняет технологический процесс изготовления валков.

Сыпучее теплоизоляционное покрытие, наряду с приведенными недостатками, имеет ряд преимуществ, которые выражаются в доступности и дешевизне покрытия в виде кварцевого песка, а также простоту ввода в изложницу и его распределения на внутренней поверхности под действием центробежных сил.

В течение ряда десятилетий метод использования сыпучего теплоизоляционного покрытия на внутренней поверхности изложницы при центробежном литье был широко распространен на ряде предприятий и сыграл свою положительную роль [31].

Рисунок 1.7 - Пригар на поверхности мелющих валков с использованием сыпучей футеровки

Рисунок 1.8 -Неровности и бугристость на поверхности мельничных валков с использованием сыпучей футеровки

Рисунок 1.9 -Повышение температуры рабочего слоя в месте падения струи металла в форму

Однако, в связи с развитием машиностроения и широкого применения ряда изделий со специальными свойствами, например прокатных валков, валков для пищевой промышленности, труб для машиностроения и др., где необходима строгая равномерность структурных составляющих и физико-механических свойств по длине и сечению изделия, а также чистота их поверхности с низкими припусками на механообработку, сыпучие покрытия должны были уступить свое место отверждаемым покрытиям, удовлетворяющим всем вышеперечисленным требованиям.

Поэтому в настоящей работе вопросу использования отверждаемого теплоизоляционного покрытия уделяется особое внимание.

Появление дефектов в отливке в зоне падения струи металла в форму способствует также распространенный способ заливки металла в направлении оси вращения изложницы.

Исследования гидродинамического состояния жидкого потока во вращающейся форме свидетельствуют о том, что при заливке жидкости в осевом направлении во вращающуюся форму происходит гидравлический удар («прыжок»).

Поэтому участок формы в месте падения струи металла является наиболее опасным с точки зрения разбрызгивания струи и захвата пузырьков воздуха в поток металла.

В работе [35] показано, что при осевом истечении струи металла из заливочного устройства размывание сыпучей теплоизоляции во вращающейся форме можно избежать при соответствующем угле наклона струи по отношению к форме и величине гравитационного коэффициента К > 20.

Однако с увеличением массы заготовок, когда используется более толстый слой сыпучего покрытия 0,004...0,006 м и повышенная скорость заливки металла энергия удара струи металла возрастает и частицы песчаного слоя вымываются более интенсивно, образуя кольцевой слой пригара.

Поэтому изменение способа заливки металла во вращающуюся форму для смягчения воздействия струи на теплоизоляцию является одним из этапов исследования настоящей работы.

Наряду с этим возникает проблема использования тонкостенных водоохлаждаемых изложниц с толщиной стенки 35...40 мм, которые используются при изготовлении биметаллических валков способом центробежного литья.

Такая изложница, интенсивно охлаждаемая водой, работает в режиме передатчика тепла от отливки в окружающую среду и испытывает значительные термоциклические нагрузки в различные периоды технологического процесса, что приводит к снижению ее эксплуатационной стойкости. Кроме этого, в процессе формирования биметаллических заготовок, близких по размерам и составу металла к мельничным валкам, возникают значительные напряжения в отливках из-за высокого перепада температур (400...500°С) между водоохлаждаемой тонкостенной изложницей и отливкой [34], что приводит к появлению трещин в рабочем и внутреннем слоях валка.

В связи с этим возникает задача, связанная с применением толстостенных изложниц, толщина стенки которых (0,12...0,15 м) сопоставима с толщиной стенки отливки. Такая изложница выполняет уже роль аккумулятора тепла, выделяемого отливкой и может не охлаждаться водой.

Одним из распространенных дефектов при литье биметаллических чугунных валков является несваривание металла на границе двух сплавов [34, 36] и, как правило, причиной появления такого дефекта служит отсутствие четких представлений о кинетике затвердевания металла рабочего слоя валка, и невозможность расчета и назначения оптимального температурно-временного режима процесса заливки двух металлов.

При чрезмерно большом интервале между окончанием затвердевания рабочего слоя и началом заливки второго металла, когда рабочий слой полностью затвердел и успел охладиться ниже определенной температуры, наблюдается несваривание слоев.

А при коротком интервале, когда рабочий слой еще не затвердел, при заливке второго металла происходит смешивание двух слоев с проникновением карбидообразующих элементов в сердцевину валка, в связи с чем появляются трудности при расточке отверстия бочки при запрессовке полуосей.

В приведенных работах [34, 36] на основе результатов определения продолжительности затвердевания металла рабочего слоя валка даются рекомендации по улучшению свариваемости рабочего слоя и сердцевины прокатных валков, полученных в тонкостенной водоохлаждаемой изложнице, покрытой изнутри сыпучим теплоизоляционным материалом.

Для обеспечения сваривания двух слоев металла (рабочего слоя из хромоникелевого чугуна и сердцевины из серого) необходимо обеспечить температуру в зоне сваривания равную 1050...1100°С, т.е. на 100...150°С ниже температуры затвердевания легированного чугуна.

При этом необходимо использование флюса для предотвращения образования на внутренней поверхности рабочего слоя пленки окислов, затрудняющей сваривание двух слоев металла.

С этой целью предлагается флюс следующего состава /34/:

силикат натрия (mNa₂0 * nSiCb) 25%

окись кальция (СаО) 35%

фтористый кальций (CaF₂) 25%

бура (Na₂B₄0₇) 15%

Температура плавления флюса составляет 820°С.

Способы ввода флюса в изложницу, как правило, состоят в его засыпке на струю заливаемого металла при подаче в заливочную чашу [34] или в конце процесса заливки после выхода струи металла из заливочного желоба .

Указанные способы отличаются необходимостью дополнительного использования конструктивных элементов для ввода флюса и отсутствием их надежности, что способствует загрязнению металла неметаллическими включениями.

Особенностью производства двухслойных мельничных валков является значительная (в 1,8...2,1) разница в диаметрах внешнего и внутреннего поверхностного рабочего и внутреннего слоев, поэтому очень важна рекомендация по определению частоты вращения формы.

В большинстве случаев авторы для определения частоты вращения формы, имеют ввиду тонкостенные отливки (трубы, втулки, гильзы) с отношением внешнего и внутреннего диаметров в пределах 1,10... 1,15, как, например, в формуле Константинова Л.С [34]:

(1.1)

где n - частота вращения формы, мин^-1;

р - плотность сплава, г/см³;

r - внутренний радиус отливки, см;

5520 - опытный числовой коэффициент.

Формула (1.1) выведена из предположения, что на свободной поверхности отливки коэффициент гравитации для чугунных заготовок составляет 47.

При изготовлении тонкостенных отливок эта формула дает положительные результаты, но при литье толстостенных заготовок какими являются мелющие валки, ее использование приводит к заниженным значениям гравитационного коэффициента на внутренней поверхности отливки и, как следствие, появлению структурной неоднородности.

Применительно к литью толстостенных заготовок в большей мере подходит расчетная формула Цветненко К.У. для определения частоты вращения стальных заготовок [45].

Однако при изготовлении биметаллических заготовок и эти рекомендации для определения скорости вращения формы не подходят, т.к. не учитывают условий заполнения двух металлов, их вовлечения в круговое движение и продольное перемещение в форме, т.е. особенностей гидродинамического состояния потока, а также тепловых условий, которые, в конечном счете, определяют свойства отливки.

Анализ технологического процесса изготовления двухслойных биметаллических заготовок центробежным способом показывает, что для получения мелющих валков с однородной плотной структурой рабочего слоя, высоким по качеству свариванием двух разнородных металлов рабочего слоя и сердцевины с высокой отбеливаемостью рабочего слоя необходимо решение ряда задач, позволяющих обеспечить:

равномерный теплоотвод от отливки в окружающую среду;

прочное сваривание двух металлов;

плавный и быстрый ввод металла во вращающуюся форму;

замена сыпучего покрытия на отверждаемое;

- усовершенствование ряда элементов конструкции центробежной машины, способствующих эффективному использованию процесса отливки валков.

1.4 Влияние химического состава чугуна на качество рабочего слоя валков

Основным требованием к качеству мукомольных валков, как показали условия их эксплуатации, является высокая износостойкость рабочего слоя, которая во многом обусловлена высокими показателями твердости.

Однако в связи с тем, что на рабочей поверхности мукомольных валков нарезают рифли, к металлу предъявляются требования достаточной вязкости для предотвращения выкрашивания рифлей при эксплуатации валков.

Вместе с тем, как показывают результаты изучения эксплуатации мелющих валков, рифленая поверхность, применяемая на первичных драных системах помола, испытывает повышенные на 20...30% нагрузки по сравнению с валками, имеющими микрошероховатую поверхность, которые используются на конечных стадиях размола.

Поэтому физико-механические свойства рабочего слоя и структура металла, определяемые во многом его химическим составом, должны быть различны, в соответствии с разными служебными требованиями.

Несмотря на это обстоятельство практика производства мелющих валков показывает, что валки, изготавливаемые по одному, устоявшемуся химическому составу, эксплуатируются как на первичном помоле, на драных системах, так и на конечной стадии помола - на размольных системах.

Существующие нормативные документы по изготовлению мукомольных валков регламентируют один состав материала вне зависимости от использования валков в той или иной системе помола, что намного снижает их эксплуатационную стойкость.

Так, например, ГОСТ 2789-59 регламентирует химический состав рабочего слоя валков для нелегированного (белого) и легированного чугунов вне зависимости от особенностей их эксплуатации (таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Химический состав рабочего слоя валков

Тип рабочего слоя	Содержание элементов, мае. %
	углерод	кремний	марганец	фосфор	сера	хром	никель
Нелегированный	3,2-3,7	0,4-0,7	0,2-0,8	<0,5	<0,14	<0,25	<0,25
Легированный	3,4-3,7	0,4-0,8	0,2-0,8	<0,5	<0,14	<0,35	0,5-0,8

Нелегированный чугун в качестве рабочего слоя валка используется преимущественно при стационарном литье валков.

Образование белого чугуна связано с высокой скоростью затвердевания его поверхностных слоев, соприкасающихся (через слой краски) с массивной металлической изложницей и образованием перлитно-цементитной структуры.

По мере снижения скорости затвердевания металла в центральных зонах отливки углерод выделяется в виде графита, при этом, чем дальше от наружной поверхности, тем его больше.

Использование белого чугуна в качестве отбеленного слоя на поверхности бочки валка оказалось малоэффективным при их эксплуатации.

Так мукомольные валки, отливаемые в стационарные формы /30/ с глубиной отбеленного слоя до 0,01 м, после одной-двух переточек настолько теряли износостойкость из-за нарастания количества графитовых включений по глубине слоя, что дальнейшее их использование становилось нецелесообразным.

При этом износостойкость валков оказалось весьма низкой и составляла около 50 суток до первой переточки рифлей на драной линии[30].

Поэтому дальнейшие работы были сосредоточены на использовании валков с рабочим слоем из легированного чугуна, что позволило повысить их стойкость до 4 месяцев, хотя и этот срок считается неудовлетворительным, так как не вписывается в годичный период межремонтных работ, установленный на крупных мелькомбинатах.

Дальнейшее совершенствование конструкции мукомольного оборудования и ввод в эксплуатацию в конце прошлого столетия новых конструкций валков, работающих с повышенными удельными нагрузками, потребовал значительного увеличения их износостойкости, а, следовательно, и совершенствования состава материала рабочего слоя валков.

Химический состав легированного чугуна для рабочего слоя валков был несколько скорректирован по сравнению с действующими нормативами по ГОСТ 2789-59/87/(табл. 1.3).

Таблица 1.3 -- Химический состав легированного чугуна для рабочего слоя валков

Номер технических условий	Содержание элементов,. %
	С	Si	Мп	Р	S	Сг	Ni
ТУ 14-2-241-79 МЧМ СССР	3,4-3,7	0,4-1,0	0,3-0,8	<0,5	<0,16	<0,4	0,5-1,0

Твердость металла такого рабочего слоя из легированного чугуна, имеющего состав, приведенный в таблице 1.3, должна соответствовать 62...72 HSD на расстоянии 0,01 м от поверхности бочки валка, однако это условие на практике часто нарушается.

Наличие хрома и никеля в легированном чугуне обусловлено, наряду с получением заданной твердости, необходимостью повышения прочности и вязкости металла рабочего слоя валков, на поверхности которых нарезаются рифли.

Хром, являясь карбидообразующим элементом, увеличивает глубину отбеленного слоя и повышает его твердость.

В работах [21, 24] показано, что хром способствует увеличению переходной зоны валков, что может сказаться на появлении карбидов в сердцевине бочки валков и затруднении процесса расточки отверстий с торцевых ее поверхностей для запрессовки полуосей.

Никель способствует измельчению перлита, созданию более равномерной структуры чугуна и устранению микропористости отливок в отбеленном слое, легируя феррит и измельчая включения графита, и таким образом способствует повышению их прочности и вязкости [36].

Вместе с тем никель является графитизирующим элементом, поэтому повышение его содержания, по данным работы [21], способствует уменьшению чистоты металла в рабочем слое валка.

Таким образом, легирование чугуна рабочего слоя мелющих валков хромом и никелем обеспечивает получение необходимой твердости, снижает преждевременный выход из строя по причине выкрашивания рифлей, а с другой стороны обеспечивает получение чистого по графиту отбеленного слоя и короткой переходной зоны.

В связи с вышеизложенным совершенствование химического состава материалов валков является актуальной задачей и повышение качества материала рабочего слоя должно осуществляться с учетом особенностей их эксплуатации.

Выводы, цель и задачи настоящей работы

Проанализированы возросшие за последние годы требования, предъявляемые к качеству мелющих валков для пищевой промышленности в области материалов, их физико-механических свойств и конструктивных параметров в зависимости от условий их эксплуатации на современном оборудовании, работающем с высокими удельными нагрузками.

Установлено, что использование традиционного метода изготовления мелющих валков «промывкой» в условиях стационарного литья не удовлетворяет возросшим требованиям пищевого машиностроения по качественным и экономическим характеристикам.

Определено перспективное направление в производстве биметаллических мелющих валков способом центробежного литья с горизонтальной осью вращения путем последовательной заливки металла рабочего слоя и сердцевины, позволяющее гарантировать их эксплуатационные свойства на уровне лучших мировых показателей.

- Выявлены проблемные вопросы по унификации конструктивных элементов центробежнолитых мелющих валков, в частности возможности перехода на серийное изготовление валков с полой бочкой для мельниц отечественного производства.

Из представленных выводов вытекают цель и задачи настоящей работы.

Глава П. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Объект исследования и общие методические положения работы

В соответствии с поставленной в работе целью объектом исследования являлись наиболее распространенные в пищевом машиностроении мукомольные валки с диаметром бочки 0,26 м и длиной 1 м.

Учитывая, что технические требования к мелющим валкам, используемым в пищевой промышленности, по основным параметрам -- твердости металла рабочего слоя, его структуре, толщине рабочего слоя, составу металла рабочего слоя и сердцевины, а также размерам практически совпадают, допустимо распространить полученные результаты, касающиеся технологии изготовления бочек мукомольных валков.

Изготовление мукомольного валка, также как и всех других мелющих валков, состоит из ряда последовательных операций, которые заключаются в следующем [3, 39]:

отливка двухслойной бочки валка;

первичная механическая обработка бочки с внешней и внутренней поверхности и вырезка кольцевого темплета для определения качества металла у противоположного от начала заливки торца;

механическая обработка бочки с расточкой торцевой поверхности под запрессовку полуосей;

запрессовка полуосей;

механическая обработка полуосей и шлифовка бочки;

балансировка валка;

нанесение микрошероховатости на поверхности бочки валка.

Отливку бочки валков осуществляли в условиях литейного цеха ООО «Орловский литейный завод имени Медведева». Чугун для отливки валков получали соответственно из индукционных тигельных печей емкостью ИCT-0.4.