Diseño del proceso de fundición y práctica de producción de zapatas de oruga.

La fundición de la zapata es un componente crítico de palas electricas, representando del 10% al 15% del peso total del equipo. Como parte móvil del equipo de minería, opera en entornos hostiles y experimenta condiciones de tensión complejas y variables, lo que rápidamente provoca desgaste, deformación e incluso fracturas de la zapata de oruga. Las zapatas de oruga para equipos grandes generalmente se reemplazan en grupos, con altos costos de reemplazo. Por lo tanto, las zapatas deben tener características de rendimiento integrales, como alta resistencia, resistencia al desgaste, tenacidad al impacto y resistencia a la fatiga. Actualmente, los materiales para las piezas fundidas de las zapatas de oruga incluyen principalmente acero con alto contenido de manganeso, acero de baja aleación, etc., y muchos modelos en el extranjero optan por zapatas de acero de baja aleación.

El acero de baja aleación conserva la resistencia al desgaste y ofrece un mejor rendimiento general que acero con alto contenido de manganeso. Sin embargo, la adición de elementos de aleación en acero de baja aleación reduce la conductividad térmica de la aleación. Amplía el rango de solidificación, haciéndolo más propenso a generar tensiones significativas durante la solidificación, lo que lleva a la formación de grietas. Qiming Casting ha investigado el proceso de fundición de zapatas de orugas de acero de baja aleación y encontró problemas como grietas y adherencia de arena durante la producción de prueba. En respuesta a estos problemas, este artículo optimiza el proceso de fundición de zapatas de oruga, elimina los defectos de fundición y produce productos calificados de fundición de zapatas de oruga.

Análisis de requisitos técnicos de zapatas y dificultades en el proceso de fundición.

Requerimientos técnicos

composición química

Las zapatas están fabricadas con acero de baja aleación de alta resistencia y tienen buena resistencia al desgaste y al impacto. El material específico se modifica según AS-1444-Grade4320. La composición química se muestra en la Tabla 1.

Requerimientos de calidad

Según las condiciones de uso de varias partes estructurales de la zapata, se divide en áreas críticas y no críticas. Las áreas críticas son las regiones encerradas por la polilínea en la Figura 1 y las partes de las orejas del pasador. Durante la producción de prueba, las piezas fundidas deben someterse a inspecciones generales visuales, dimensionales, de partículas magnéticas y ultrasónicas. Después del mecanizado, los orificios de los pasadores deben someterse a una inspección con penetrantes en la superficie mecanizada. Después del tratamiento térmico, las muestras también deben diseccionarse según sea necesario; las ubicaciones de disección se muestran en la Figura 1. Después de la disección, se llevan a cabo inspecciones radiográficas, ultrasónicas, de partículas magnéticas y penetrantes en las superficies disecadas. El acabado de la superficie de la pieza fundida debe cumplir con los requisitos de las normas de inspección visual ASTM A802, y la superficie de la pieza fundida no debe tener arena adherida ni piel de óxido. La inspección ultrasónica se realiza según los estándares de inspección ultrasónica AS2574-2000 – Castech, con requisitos de primer nivel para áreas críticas y requisitos de segundo nivel para áreas no críticas. La inspección radiográfica se lleva a cabo de acuerdo con ASTM E94 – Guía estándar para examen radiográfico, con defectos en las áreas críticas A, B y C limitados a menos de 2.° grado, mientras que no se permiten defectos en D, E y F. En áreas no críticas, los defectos en A y B deben ser inferiores a 2.º grado, C inferiores a 3.º grado y no se permiten defectos D, E y F. Debido a los estrictos requisitos de calidad para las piezas fundidas, se imponen altas exigencias al proceso de fundición.

Análisis de las dificultades del proceso de fundición.

Características de la estructura del producto.

La zapata es un componente crítico de la pala eléctrica, como se muestra en la Figura 2. El peso individual de este producto es de 909 kg, con unas dimensiones totales de 1,400 mm x 760 mm x 430 mm. El producto presenta variaciones importantes en el espesor de pared, con un espesor máximo de 190 mm y un espesor mínimo de 40 mm, oscilando el espesor principal entre 70 mm y 120 mm. Hay tres orificios para pasadores a cada lado de la zapata de oruga, que requieren mecanizado. El uso de gráficos tridimensionales del producto permite una observación clara de la estructura interna de la pieza fundida. La zapata de oruga se puede dividir en varias regiones mutuamente independientes, incluido el saliente central de la rueda dentada, orejas de seis pasadores y trece arcos grandes que conectan las orejas del pasador con el cuerpo, como se muestra en la Figura 2. La desafiante sección transversal se muestra en la Figura 3.

Análisis de tendencia al crack

Las características de las aleaciones, los cambios repentinos en el espesor de la pared y la contracción restringida pueden aumentar la tendencia de las piezas fundidas a desarrollar grietas. Las piezas fundidas de aleaciones de alta templabilidad son propensas a la formación de martensita durante la soldadura, lo que dificulta la reparación de las grietas e incluso produce desechos del producto. Por lo tanto, reducir la aparición de grietas en las piezas fundidas de las zapatas es un aspecto crucial del diseño del proceso. Según el análisis de la estructura de fundición, se sabe que la porción de arco que conecta las orejas del pasador con el cuerpo es el área donde es más probable que la fundición se vea obstaculizada por el molde de arena durante la solidificación. Esta área sufre importantes variaciones en el espesor de la pared y es la región más susceptible a la formación de grietas en la fundición, por lo que requiere una atención especial en el diseño del proceso.

Diseño del proceso de fundición de zapata de oruga

Condiciones básicas de producción.

El proceso implica el uso de moldeo en arena con resina fenólica y la fabricación de núcleos y la fusión de la aleación en un horno de frecuencia media de 2 toneladas. Se adopta el moldeo a máquina, con núcleos fabricados manualmente. Se aplica una capa de polvo de silicato de circonio alcohólico a las superficies de trabajo de los moldes de arena y los núcleos.

Selección de superficie de partición

La zapata está hecha de acero de baja aleación, y sus procesos de contracción líquida y contracción por solidificación requieren que se consuma una cierta cantidad de acero fundido, por lo que es necesario reponerlo a través de elevadores hasta la fundición. La superficie de rodadura de la zapata, el saliente de la rueda dentada y las orejas de los pasadores son áreas críticas y deben colocarse primero en la parte inferior del molde. Al mismo tiempo, colocar la gran superficie plana en la parte superior del molde facilita la disposición y limpieza de las mazarotas. Para simplificar la estructura del núcleo y facilitar su extracción, la línea de separación se diseña en el plano donde se encuentra el centro del orificio del pasador. El diagrama del proceso de fundición simplificado se muestra en la Figura 4.

Diseño de núcleo de arena

Con base en la línea de separación determinada, se realiza el diseño del núcleo de arena para la fundición de la zapata de oruga, como se muestra en la Figura 5. Los núcleos de arena para los seis orificios exteriores para pasadores tienen una estructura cilíndrica, lo cual es simple y fácil de producir. El núcleo de arena de la cavidad interior tiene forma general de L. Se coloca un cabezal de núcleo grande en la cola para proporcionar posicionamiento y fijación, mientras que se coloca un cabezal de núcleo cilíndrico en la cabeza para posicionamiento y fijación auxiliar, evitando así el desplazamiento y la flotación de los núcleos de arena.

Distribución del elevador y de la plancha enfriada.

Los principales puntos calientes de la zapata son el saliente central de la rueda dentada y los puntos de conexión de las orejas del pasador al cuerpo, en total 7. Al colocar escalofríos, los puntos calientes en el saliente de la rueda dentada y sus lados se combinan en un solo punto caliente. Se colocan escalofríos en la parte inferior y los lados de las orejas de alfiler para permitir que dos puntos calientes externos compartan un elevador. Por lo tanto, sólo se requieren 3 elevadores para la fundición, como se muestra en la Figura 6.

Diseño de sistema de puerta

El sistema de compuerta de fundición es el paso a través del cual el acero fundido llena la cavidad del molde de fundición. Un sistema de compuertas bien diseñado puede reducir la velocidad del acero fundido que ingresa a la cavidad del molde, disminuir la turbulencia, minimizar la oxidación del acero, mejorar la suavidad del proceso de vertido, reducir la probabilidad de porosidad y mitigar el impacto del acero fundido en el molde de arena. , reduciendo así el riesgo de defectos de fundición. El sistema de compuerta para la zapata de oruga se muestra en la Figura 7, con las relaciones de área de sección de cada componente determinadas mediante cálculos de la siguiente manera: A Recta: A Transversal: A Interior = 1: 1.12: 1.43, lo que constituye un sistema de vertido abierto.

Diseño de arena de cromita

En comparación con la arena de sílice, la arena de cromita tiene una mayor refractariedad, lo que puede reducir la tendencia de que la arena de fundición se pegue a las áreas de colocación. Además, la arena de cromita puede acelerar la velocidad de solidificación de las áreas de colocación, permitiendo que la superficie de fundición en estas áreas establezca resistencia más rápidamente, reduciendo así la tendencia al agrietamiento. A partir de la estructura de la zapata, es evidente que la porción de arco que conecta las orejas del pasador con el cuerpo se ve obstaculizada por el molde de arena durante la solidificación de la fundición, lo que genera una tensión significativa. Combinado con el gran espesor de la pared en esta área, el establecimiento de resistencia es relativamente lento, lo que la hace propensa a agrietarse. Por lo tanto, se debe colocar arena de cromita en esta área para reducir la formación de grietas, como se muestra en la Figura 6.

Las regiones donde se producen enfriamientos en la superficie de la fundición y las áreas circundantes experimentan gradientes de temperatura significativos durante la solidificación del líquido metálico, lo que conduce a tensiones de contracción. En particular, colocar frío alrededor de secciones gruesas de la pieza fundida genera una tensión significativa, que puede exceder fácilmente la resistencia de la película metálica líquida, provocando defectos de agrietamiento. Colocar arena de cromita con buenas propiedades de almacenamiento de calor entre la pieza fundida y los enfriadores puede evitar la formación de grietas. Por lo tanto, en el diseño del proceso de fundición de zapatas de oruga, se coloca arena de cromita, de 10 a 20 mm de espesor, alrededor de los fríos en secciones gruesas de la fundición.

Predicción de la viabilidad del proceso de fundición.

Análisis de simulación del proceso de solidificación

La Figura 9 ilustra la distribución de la fase líquida durante el proceso de solidificación de la zapata fundida. La figura muestra que el molde comienza a solidificarse desde las áreas inferiores y laterales donde se colocan los escalofríos, solidificándose gradualmente de abajo hacia arriba, solidificándose las tres bandas al final. La pieza fundida logra una solidificación secuencial general desde abajo hacia arriba, sin que se formen regiones aisladas de fase líquida dentro de la pieza fundida durante el proceso de solidificación. La Figura 10 muestra la distribución de la contracción y los huecos de contracción en la pieza fundida. En la figura se puede ver que la contracción y los huecos de contracción se distribuyen en el sistema de compuertas y los elevadores, sin que se detecten contracción ni huecos de contracción dentro de la propia pieza fundida. Por lo tanto, el diseño del proceso ha logrado los resultados esperados.

Producción de prueba de producto y análisis de defectos.

Con base en el diseño del proceso de fundición de la zapata, se llevó a cabo una prueba del producto. El acero se fundió en un horno de frecuencia media de 2 toneladas y se vertió usando una cuchara de vertido de fondo de 3 toneladas. La temperatura del acero fundido en la salida fue de 1605°C, con una temperatura de vertido de aproximadamente 1580°C, y el tiempo de vertido medido fue de 55 a 70 segundos. La pieza fundida después de retirarla del molde se muestra en la Figura 11. Después de la limpieza con arena y el granallado, se realizó una inspección externa, seguida de procesos como rectificado, granallado, inspección con partículas magnéticas, inspección ultrasónica, autopsia de densidad, inspección de autopsia con penetrantes. bloques e inspección ultrasónica de bloques de autopsia.

Durante la inspección externa, se encontró que había defectos de arena adherida dentro de los orificios de los pasadores de la pieza fundida, y parte de la arena adherida en ciertas áreas era difícil de manejar, como se muestra en la Figura 12. La razón por la que la arena se adhirió en estas áreas fue el pequeño diámetro del núcleo de arena, lo que permitió que el acero fundido calentara el núcleo de arena a una temperatura alta durante el llenado y la solidificación.

Después de la autopsia, se encontró que también había defectos de arena pegada en las esquinas internas de la pieza fundida, con la misma causa que la arena pegada en los agujeros de los pasadores. La inspección con partículas magnéticas de los bloques de autopsia reveló múltiples grietas en las esquinas internas, como se muestra en la Figura 12. Estas grietas se formaron porque esta área constituye una cavidad cerrada y, durante la solidificación, experimenta tensiones que exceden el límite de resistencia de la aleación debido a obstáculos. del núcleo de arena, lo que provoca craqueo térmico.

 

Optimización de procesos y verificación de producción.

Se utilizó arena de cromita de alta refractariedad para eliminar los defectos de adherencia de la arena en los orificios de los pasadores, y todos los núcleos de arena en los orificios de los pasadores estaban hechos enteramente de arena de cromita. En cuanto a los defectos de grietas en las esquinas internas de la pieza fundida, por un lado, la arena del núcleo se reemplazó con arena de cromita para acelerar la velocidad de solidificación de la parte superficial de la cavidad interna, permitiendo que la superficie de la cavidad interna establezca resistencia. mas rapido. Por otro lado, durante el proceso de fabricación del núcleo de arena, se colocaron cuerdas de ventilación y cuerdas de paja para mejorar la colapsabilidad del núcleo de arena. Después de la optimización del proceso, se llevó a cabo una producción de prueba y se resolvieron los defectos de adherencia de arena y grietas en la fundición. La pieza fundida pasó la inspección externa, la inspección de partículas magnéticas, la inspección ultrasónica, la autopsia de densidad, la inspección con penetrantes de los bloques de autopsia y la inspección ultrasónica de los bloques de autopsia, y todas cumplieron con los requisitos. Posteriormente se realizó inspección radiográfica a los bloques de autopsia, cuyos resultados cumplieron con las condiciones técnicas requeridas. Los moldes terminados y sus bloques de autopsia se muestran en la Figura 13.

 

Resumir

1. Para piezas fundidas con requisitos de densidad estrictos, es posible dividir la pieza fundida en diferentes regiones. Al coordinar la colocación de mazarotas y enfriadores, se puede lograr una solidificación secuencial en regiones individuales, logrando así una solidificación secuencial de toda la pieza fundida. Esto garantiza que la densidad interna de la pieza fundida cumpla con los requisitos.
2. Cuando una pieza fundida contiene cavidades cerradas y áreas de concentración de tensiones, colocar arena de cromita en esas áreas puede reducir los defectos de adherencia de la arena. Al utilizar arena de cromita para acelerar la solidificación en esas áreas, es aconsejable aumentar la colapsabilidad de los núcleos de arena para reducir o evitar que la fundición se agriete.