Pratica di progettazione e produzione del processo di fusione delle scarpe da pista

La fusione della scarpa da pista è una componente fondamentale del pale elettriche, che rappresentano dal 10% al 15% del peso totale dell'attrezzatura. Essendo la parte mobile delle attrezzature minerarie, opera in ambienti difficili e sperimenta condizioni di stress complesse e variabili, portando rapidamente all'usura, alla deformazione e persino alla frattura della scarpa. Le scarpe da cingoli per attrezzature di grandi dimensioni vengono generalmente sostituite in gruppi, con costi di sostituzione elevati. Pertanto, le scarpe da pista devono avere caratteristiche prestazionali complete come elevata robustezza, resistenza all'usura, tenacità agli urti e resistenza alla fatica. Attualmente, i materiali per le fusioni dei pattini includono principalmente acciaio ad alto contenuto di manganese, acciaio a bassa lega, ecc., con molti modelli all'estero che optano per pattini in acciaio a bassa lega.

L'acciaio bassolegato mantiene la resistenza all'usura offrendo prestazioni complessive migliori rispetto all'acciaio acciaio ad alto contenuto di manganese. Tuttavia, l'aggiunta di elementi di lega nell'acciaio debolmente legato riduce la conduttività termica della lega. Espande l'intervallo di solidificazione, rendendolo più incline a generare stress significativi durante la solidificazione, portando alla formazione di crepe. Qiming Casting ha effettuato ricerche sul processo di fusione dei pattini dei cingoli in acciaio a bassa lega e ha riscontrato problemi come crepe e incollaggi di sabbia durante la produzione di prova. In risposta a questi problemi, questo articolo ottimizza il processo di fusione delle scarpe da cingoli, elimina i difetti di fusione e produce prodotti qualificati per la fusione delle scarpe da cingoli.

Analisi dei requisiti tecnici delle scarpe da pista e delle difficoltà nel processo di fusione

Requisiti tecnici

Composizione chimica

I pattini sono realizzati in acciaio bassolegato ad alta resistenza e hanno una buona resistenza all'usura e agli urti. Il materiale specifico viene modificato secondo AS-1444-Grade4320. La composizione chimica è mostrata nella Tabella 1.

Requisiti di qualità

In base alle condizioni di utilizzo delle varie parti strutturali della scarpa da pista, questa è divisa in aree critiche e non critiche. Le aree critiche sono le regioni racchiuse dalla polilinea nella Figura 1 e le parti dell'orecchio dello spillo. Durante la produzione di prova, i getti devono essere sottoposti a controlli visivi, dimensionali, magnetoscopici e ultrasonici complessivi. Dopo la lavorazione, i fori dei perni devono essere sottoposti a ispezione penetrante sulla superficie lavorata. Dopo il trattamento termico, anche i campioni devono essere sezionati come richiesto, con le posizioni sezionate mostrate nella Figura 1. Dopo la dissezione, sulle superfici sezionate vengono eseguite ispezioni con penetranti, particelle magnetiche, ultrasuoni e radiografiche. La finitura superficiale della fusione deve soddisfare i requisiti degli standard di ispezione visiva ASTM A802 e la superficie della fusione non deve presentare attaccamenti di sabbia o pelle di ossido. L’ispezione ad ultrasuoni viene eseguita secondo gli standard di ispezione ad ultrasuoni AS2574-2000 – Castech, con requisiti di primo livello per le aree critiche e requisiti di secondo livello per le aree non critiche. L'ispezione radiografica viene eseguita secondo ASTM E94 – Guida standard per l'esame radiografico, con difetti nelle aree critiche A, B e C limitati a meno del 2° grado, mentre i difetti in D, E ed F non sono ammessi. Nelle aree non critiche, i difetti in A e B dovrebbero essere inferiori al 2° grado, C inferiori al 3° grado e i difetti D, E e F non sono ammessi. A causa dei severi requisiti di qualità per le fusioni, vengono posti requisiti elevati al processo di fusione.

Analisi delle difficoltà del processo di fusione

Caratteristiche della struttura del prodotto

Il pattino è un componente critico della pala elettrica, come mostrato nella Figura 2. Il peso individuale di questo prodotto è di 909 kg, con dimensioni complessive di 1,400 mm x 760 mm x 430 mm. Il prodotto presenta notevoli variazioni di spessore delle pareti, con uno spessore massimo di 190 mm e uno spessore minimo di 40 mm, con lo spessore principale che varia da 70 mm a 120 mm. Su ciascun lato del pattino del cingolo sono presenti tre fori che richiedono una lavorazione meccanica. L'utilizzo della grafica tridimensionale del prodotto permette una chiara osservazione della struttura interna della fusione. Il pattino del cingolo può essere diviso in diverse regioni reciprocamente indipendenti, tra cui la sporgenza centrale del pignone, le orecchie a sei perni e tredici grandi archi che collegano le orecchie dei perni al corpo, come mostrato nella Figura 2. La sezione trasversale impegnativa è illustrata nella Figura 3.

Analisi della tendenza alla fessurazione

Le caratteristiche delle leghe, i cambiamenti improvvisi nello spessore delle pareti e il ritiro limitato possono aumentare la tendenza dei getti a sviluppare cricche. I getti in leghe ad alta temprabilità sono soggetti alla formazione di martensite durante la saldatura, rendendo le crepe difficili da riparare e persino producendo scarti di prodotto. Pertanto, ridurre la comparsa di cricche nelle fusioni dei pattini dei cingoli è un aspetto cruciale della progettazione del processo. Dall'analisi della struttura del getto, è noto che la porzione di arco che collega le orecchie del perno al corpo è l'area in cui è più probabile che il getto venga ostacolato dalla forma della sabbia durante la solidificazione. Quest'area subisce significative variazioni di spessore delle pareti ed è la regione più suscettibile alla formazione di crepe nel getto, richiedendo quindi un'attenzione particolare nella progettazione del processo.

Progettazione del processo di fusione della scarpa da pista

Condizioni di produzione fondamentali

Il processo prevede l’utilizzo dello stampaggio della sabbia di resina fenolica, la realizzazione di anime e la fusione della lega in un forno a media frequenza da 2 tonnellate. Viene adottato lo stampaggio a macchina, con anime realizzate manualmente. Sulle superfici di lavoro degli stampi e delle anime in sabbia viene applicato un rivestimento in polvere di silicato di zirconio alcolico.

Selezione della superficie di divisione

Il pattino del cingolo è realizzato in acciaio bassolegato e i suoi processi di ritiro liquido e ritiro da solidificazione richiedono il consumo di una certa quantità di acciaio fuso, che deve quindi essere reintegrato attraverso le colonne montanti della fusione. La superficie del battistrada, la sporgenza del pignone e le orecchie dei perni sono aree critiche e devono essere posizionate per prime sul fondo dello stampo. Allo stesso tempo, posizionando l'ampia superficie piana nella parte superiore dello stampo, si facilita la sistemazione e la pulizia delle alzate. Per semplificare la struttura del nucleo e facilitare la rimozione del nucleo, la linea di giunzione è progettata sul piano in cui si trova il centro del foro del perno. Il diagramma semplificato del processo di fusione è mostrato nella Figura 4.

Design con nucleo in sabbia

Sulla base della linea di divisione determinata, viene condotta la progettazione dell'anima in sabbia per la fusione del pattino dei cingoli, come mostrato nella Figura 5. Le anime in sabbia per i sei fori dei perni esterni hanno una struttura cilindrica, semplice e facile da produrre. L'anima in sabbia della cavità interna è complessivamente a forma di L. Una grande testa del carotaggio è posizionata sulla coda per garantire il posizionamento e il fissaggio, mentre una testa del carotaggio cilindrica è posizionata sulla testa per il posizionamento e il fissaggio ausiliario, impedendo così lo spostamento e il galleggiamento delle carote di sabbia.

Disposizione alzata e ferro freddo

I principali punti caldi della scarpa da pista sono il mozzo del pignone centrale e i punti di connessione delle orecchie dei perni al corpo, per un totale di 7. Posizionando i dispositivi di raffreddamento, i punti caldi sul mozzo del pignone e sui suoi lati vengono combinati in un unico punto caldo. I brividi sono posizionati nella parte inferiore e sui lati delle orecchie degli spilli per consentire a due punti caldi esterni di condividere un montante. Pertanto, per il getto sono necessarie solo 3 bretelle, come mostrato nella Figura 6.

Progettazione del sistema di gate

Il sistema di colata è il passaggio attraverso il quale l'acciaio fuso riempie la cavità dello stampo di colata. Un sistema di colata ben progettato può ridurre la velocità dell'acciaio fuso che entra nella cavità dello stampo, diminuire la turbolenza, minimizzare l'ossidazione dell'acciaio, migliorare la scorrevolezza del processo di colata, ridurre la probabilità di porosità e mitigare l'impatto dell'acciaio fuso sullo stampo in sabbia , riducendo così il rischio di difetti di fusione. Il sistema di colata per il getto del pattino del cingolo è mostrato nella Figura 7, con i rapporti dell'area della sezione di ciascun componente determinati attraverso i calcoli come segue: A Dritto: A Trasversale: A Interno = 1: 1.12: 1.43, costituendo un sistema di colata aperto.

Design con sabbia di cromite

Rispetto alla sabbia silicea, la sabbia di cromite ha una maggiore refrattarietà, che può ridurre la tendenza della sabbia di colata ad aderire alle aree di posizionamento. Inoltre, la sabbia di cromite può accelerare il tasso di solidificazione delle aree di posizionamento, consentendo alla superficie della fusione in queste aree di stabilire una resistenza più rapidamente, riducendo così la tendenza alla fessurazione. Dalla struttura del pattino, è evidente che la porzione di arco che collega le orecchie del perno al corpo viene ostacolata dallo stampo in sabbia durante la solidificazione della fusione, con conseguente notevole stress. In combinazione con l'ampio spessore della parete in quest'area, la formazione della resistenza è relativamente lenta, rendendola soggetta a fessurazioni. Pertanto, la sabbia di cromite dovrebbe essere posizionata in quest'area per ridurre la formazione di crepe, come mostrato nella Figura 6.

Le regioni in cui sono posizionati i refrigeratori sulla superficie della colata e le aree circostanti subiscono notevoli gradienti di temperatura durante la solidificazione del liquido metallico, portando a stress da contrazione. In particolare, l'applicazione di elementi di raffreddamento attorno a sezioni spesse del getto genera uno stress significativo, che può facilmente superare la resistenza del film liquido metallico, causando crepe. Il posizionamento di sabbia di cromite con buone proprietà di accumulo del calore tra la colata e i refrigeratori può prevenire la formazione di crepe. Pertanto, nella progettazione del processo di fusione dei pattini dei cingoli, la sabbia di cromite, di 10~20 mm di spessore, viene posizionata attorno ai raffreddatori in sezioni spesse del getto.

Previsione di fattibilità del processo di fusione

Analisi della simulazione del processo di solidificazione

La Figura 9 illustra la distribuzione della fase liquida durante il processo di solidificazione del getto del pattino. La figura mostra che il getto inizia a solidificarsi dalle zone inferiori e laterali dove sono posizionate le conchiglie, solidificandosi gradualmente dal basso verso l'alto, con le tre alzate che si solidificano per ultime. La fusione raggiunge una solidificazione sequenziale complessiva dal basso verso l'alto, senza che si formino regioni isolate di fase liquida all'interno della fusione durante il processo di solidificazione. La Figura 10 mostra la distribuzione del ritiro e dei vuoti di ritiro nel getto. Dalla figura si può vedere che il ritiro e i vuoti di ritiro sono distribuiti nel sistema di colata e nelle alzate, senza alcun ritiro o vuoti di ritiro rilevati all'interno del getto stesso. Pertanto, il disegno del processo ha raggiunto i risultati attesi.

Produzione di prova del prodotto e analisi dei difetti

Sulla base della progettazione del processo di fusione della scarpa da pista, è stata condotta una prova del prodotto. L'acciaio è stato fuso in un forno a media frequenza da 2 tonnellate e colato utilizzando una siviera di colata dal fondo da 3 tonnellate. La temperatura dell'acciaio fuso all'uscita era di 1605°C, con una temperatura di colata di circa 1580°C, e il tempo di colata misurato era compreso tra 55 e 70 secondi. Il getto dopo la rimozione dallo stampo è mostrato nella Figura 11. Dopo la pulizia con sabbia e la sabbiatura, è stata condotta un'ispezione esterna, seguita da processi quali molatura, pallinatura, ispezione con particelle magnetiche, ispezione ad ultrasuoni, autopsia della densità, ispezione penetrante dell'autopsia. blocchi e ispezione ultrasonica dei blocchi autoptici.

Durante l'ispezione esterna, si è riscontrato che c'erano difetti di adesione della sabbia all'interno dei fori dei perni della fusione, e parte della sabbia che si attaccava in alcune aree era difficile da gestire, come mostrato nella Figura 12. Il motivo per cui la sabbia si attaccava in queste aree era il piccolo diametro del nucleo di sabbia, che consentiva all'acciaio fuso di riscaldare il nucleo di sabbia ad alta temperatura durante il riempimento e la solidificazione.

Dopo l'autopsia si è constatato che erano presenti difetti di attaccamento della sabbia anche negli angoli interni della fusione, con la stessa causa dell'attaccamento della sabbia nei fori dei perni. L'ispezione con particelle magnetiche dei blocchi autoptici ha rivelato crepe multiple negli angoli interni, come mostrato nella Figura 12. Queste crepe si sono formate perché quest'area costituisce una cavità chiusa e, durante la solidificazione, subisce sollecitazioni superiori al limite di resistenza della lega a causa di ostacoli. dal nucleo di sabbia, provocando fessurazioni termiche.

 

Ottimizzazione dei processi e verifica della produzione

Per eliminare i difetti di attaccamento della sabbia in corrispondenza dei fori dei perni è stata utilizzata sabbia di cromite ad elevata refrattarietà, con tutte le anime di sabbia in corrispondenza dei fori dei perni realizzate interamente in sabbia di cromite. Per quanto riguarda i difetti legati alle crepe negli angoli interni del getto, da un lato, la sabbia del nucleo è stata sostituita con sabbia di cromite per accelerare il tasso di solidificazione della parte superficiale della cavità interna, consentendo alla superficie della cavità interna di stabilire resistenza più velocemente. D'altra parte, durante il processo di produzione dell'anima di sabbia, sono state posizionate corde di sfiato e corde di paglia per migliorare la collassabilità dell'anima di sabbia. Dopo l'ottimizzazione del processo, è stata effettuata una produzione di prova e sono stati risolti i difetti di adesione della sabbia e di crepe nella fusione. La fusione ha superato l'ispezione esterna, l'ispezione con particelle magnetiche, l'ispezione a ultrasuoni, l'autopsia della densità, l'ispezione con penetrazione dei blocchi autoptici e l'ispezione a ultrasuoni dei blocchi autoptici, tutti conformi ai requisiti. Successivamente è stata eseguita un'ispezione radiografica sui blocchi autoptici e i risultati soddisfacevano i requisiti tecnici. I getti finiti e i relativi blocchi autoptici sono mostrati nella Figura 13.

 

Riassumere

1. Per getti con severi requisiti di densità, è possibile dividere il getto in diverse regioni. Coordinando il posizionamento di montanti e raffreddatori, è possibile ottenere la solidificazione sequenziale in singole regioni, ottenendo così la solidificazione sequenziale dell'intera fusione. Ciò garantisce che la densità interna del getto soddisfi i requisiti.
2. Quando una fusione contiene cavità chiuse e aree di concentrazione di sollecitazioni, posizionare sabbia di cromite in tali aree può ridurre i difetti di adesione della sabbia. Utilizzando la sabbia di cromite per accelerare la solidificazione in quelle aree, è consigliabile aumentare la collassabilità delle anime di sabbia per ridurre o prevenire la rottura della fusione.