Projeto de processo de fundição e prática de produção de sapata de esteira

A fundição da sapata da pista é um componente crítico da pás elétricas, representando 10% a 15% do peso total do equipamento. Como parte móvel do equipamento de mineração, ele opera em ambientes agressivos e enfrenta condições de estresse complexas e variáveis, levando rapidamente ao desgaste, deformação e até mesmo fraturas da sapata da esteira. As sapatas de equipamentos grandes são geralmente substituídas em grupos, com altos custos de substituição. Portanto, as sapatas da esteira devem ter características de desempenho abrangentes, como alta resistência, resistência ao desgaste, resistência ao impacto e resistência à fadiga. Atualmente, os materiais para fundição de sapatas de esteira incluem principalmente aço com alto teor de manganês, aço de baixa liga, etc., com muitos modelos no exterior optando por sapatas de esteira de aço de baixa liga.

O aço de baixa liga mantém a resistência ao desgaste e oferece melhor desempenho geral do que aço de alto manganês. No entanto, a adição de elementos de liga em aço de baixa liga reduz a condutividade térmica da liga. Amplia a faixa de solidificação, tornando-o mais propenso a gerar tensões significativas durante a solidificação, levando à formação de fissuras. A Qiming Casting pesquisou o processo de fundição de sapatas de esteira de aço de baixa liga e encontrou problemas como rachaduras e aderência de areia durante a produção experimental. Em resposta a esses problemas, este artigo otimiza o processo de fundição de sapatas de esteira, elimina defeitos de fundição e produz produtos qualificados para fundição de sapatas de esteira.

Análise de requisitos técnicos de sapatas de esteira e dificuldades no processo de fundição

Requerimentos técnicos

Composição química

As sapatas da esteira são fundidas em aço de alta resistência e baixa liga e apresentam boa resistência ao desgaste e ao impacto. O material específico é modificado de acordo com AS-1444-Grade4320. A composição química é mostrada na Tabela 1.

Requerimentos de qualidade

Com base nas condições de uso das diversas partes estruturais da sapata da esteira, ela é dividida em áreas críticas e não críticas. As áreas críticas são as regiões delimitadas pela polilinha na Figura 1 e as partes da orelha do pino. Durante a produção experimental, as peças fundidas devem passar por inspeções gerais visuais, dimensionais, de partículas magnéticas e ultrassônicas. Após a usinagem, os furos dos pinos precisam passar por inspeção penetrante na superfície usinada. Após o tratamento térmico, as amostras também devem ser dissecadas conforme necessário, com os locais dissecados mostrados na Figura 1. Após a dissecção, são realizadas inspeções penetrantes, de partículas magnéticas, ultrassônicas e radiográficas nas superfícies dissecadas. O acabamento superficial da peça fundida deve atender aos requisitos dos padrões de inspeção visual ASTM A802, e a superfície da peça fundida não deve ter aderência de areia ou pele de óxido. A inspeção ultrassônica é realizada de acordo com os padrões de inspeção ultrassônica AS2574-2000 – Castech, com requisitos de primeiro nível para áreas críticas e requisitos de segundo nível para áreas não críticas. A inspeção radiográfica é realizada de acordo com ASTM E94 – Standard Guide for Radiographic Examination, com defeitos nas áreas críticas A, B e C limitados a menos de 2º grau, enquanto defeitos em D, E e F não são permitidos. Em áreas não críticas, os defeitos em A e B devem ser inferiores ao 2º grau, C inferiores ao 3º grau e os defeitos D, E e F não são permitidos. Devido aos rigorosos requisitos de qualidade para peças fundidas, são impostas altas exigências ao processo de fundição.

Análise das dificuldades do processo de fundição

Características da estrutura do produto

A sapata da esteira é um componente crítico da escavadeira elétrica, conforme mostrado na Figura 2. O peso individual deste produto é de 909 kg, com dimensões totais de 1,400 mm x 760 mm x 430 mm. O produto apresenta variações significativas na espessura da parede, com espessura máxima de 190 mm e espessura mínima de 40 mm, sendo que a espessura principal varia de 70 mm a 120 mm. Existem três furos para pinos em cada lado da sapata da esteira, que requerem usinagem. A utilização dos gráficos tridimensionais do produto permite uma observação clara da estrutura interna da peça fundida. A sapata da esteira pode ser dividida em várias regiões mutuamente independentes, incluindo a saliência central da roda dentada, orelhas de seis pinos e treze grandes arcos conectando as orelhas dos pinos ao corpo, conforme mostrado na Figura 2. A seção transversal desafiadora é representada na Figura 3.

Análise de tendência de fissuras

As características das ligas, mudanças repentinas na espessura da parede e contração restrita podem aumentar a tendência das peças fundidas de desenvolverem trincas. As peças fundidas de liga de alta temperabilidade são propensas à formação de martensita durante a soldagem, dificultando o reparo de trincas e até mesmo produzindo sucata. Portanto, reduzir a ocorrência de trincas nas peças fundidas das sapatas da esteira é um aspecto crucial do projeto do processo. De acordo com a análise da estrutura da peça fundida, sabe-se que a porção do arco que conecta as orelhas do pino ao corpo é a área onde a peça fundida tem maior probabilidade de ser prejudicada pelo molde de areia durante a solidificação. Esta área sofre variações significativas na espessura da parede e é a região mais suscetível à formação de trincas na peça fundida, exigindo atenção especial no projeto do processo.

Projeto do processo de fundição de sapata de esteira

Condições básicas de produção

O processo envolve o uso de moldagem em areia de resina fenólica e a fabricação de machos e fusão da liga em um forno de média frequência de 2 toneladas. Adota-se a moldagem mecanizada, com machos confeccionados manualmente. Um revestimento em pó alcoólico de silicato de zircônio é aplicado nas superfícies de trabalho dos moldes e núcleos de areia.

Seleção de superfície de partição

A sapata da esteira é feita de aço de baixa liga, e seus processos de contração líquida e contração por solidificação exigem o consumo de uma certa quantidade de aço fundido, necessitando, portanto, ser reabastecido através de risers até a fundição. A superfície da banda de rodagem da sapata, a saliência da roda dentada e as orelhas do pino são áreas críticas e devem ser colocadas primeiro na parte inferior do molde. Ao mesmo tempo, colocar a grande superfície plana no topo do molde facilita a disposição e a limpeza dos risers. Para simplificar a estrutura do núcleo e facilitar a remoção do núcleo, a linha de partição é projetada no plano onde o centro do furo do pino está localizado. O diagrama simplificado do processo de fundição é mostrado na Figura 4.

Projeto de núcleo de areia

Com base na linha de partição determinada, é realizado o projeto do núcleo de areia para a fundição da sapata da esteira, conforme mostrado na Figura 5. Os núcleos de areia para os seis furos externos são de estrutura cilíndrica, o que é simples e fácil de produzir. O núcleo de areia da cavidade interna é geralmente em forma de L. Uma grande cabeça de núcleo é colocada na cauda para fornecer posicionamento e fixação, enquanto uma cabeça de núcleo cilíndrica é colocada na cabeça para posicionamento e fixação auxiliares, evitando assim o deslocamento e a flutuação dos núcleos de areia.

Layout de riser e ferro resfriado

Os principais pontos quentes da sapata da esteira são a saliência central da roda dentada e os pontos de conexão das orelhas do pino ao corpo, totalizando 7 em número. Ao colocar calafrios, os pontos quentes na saliência da roda dentada e em suas laterais são combinados em um ponto quente. Os resfriadores são colocados na parte inferior e nas laterais das orelhas dos pinos para permitir que dois pontos quentes externos compartilhem um riser. Portanto, são necessários apenas 3 risers para a fundição, conforme mostra a Figura 6.

Projeto do sistema de portas

O sistema de passagem de fundição é a passagem através da qual o aço fundido preenche a cavidade do molde de fundição. Um sistema de canais bem projetado pode reduzir a velocidade do aço fundido que entra na cavidade do molde, diminuir a turbulência, minimizar a oxidação do aço, melhorar a suavidade do processo de vazamento, reduzir a probabilidade de porosidade e mitigar o impacto do aço fundido no molde de areia. , reduzindo assim o risco de defeitos de fundição. O sistema de comporta para fundição da sapata da esteira é mostrado na Figura 7, com as relações de área seccional de cada componente determinadas através de cálculos como segue: A Reta: A Transversal: A Interna = 1: 1.12: 1.43, constituindo um sistema de vazamento aberto.

Projeto de areia de cromita

Comparada à areia de sílica, a areia de cromita possui maior refratariedade, o que pode reduzir a tendência de a areia de fundição aderir às áreas de colocação. Além disso, a areia de cromita pode acelerar a taxa de solidificação das áreas de colocação, permitindo que a superfície de fundição nessas áreas estabeleça resistência mais rapidamente, reduzindo assim a tendência de fissuração. A partir da estrutura da sapata da esteira, é evidente que a porção do arco que conecta as orelhas do pino ao corpo é dificultada pelo molde de areia durante a solidificação da peça fundida, resultando em tensão significativa. Combinado com a grande espessura da parede nesta área, o estabelecimento da resistência é relativamente lento, tornando-a propensa a fissuras. Portanto, areia cromita deve ser colocada nesta área para reduzir a formação de fissuras, conforme mostra a Figura 6.

As regiões onde os resfriados são colocados na superfície da peça fundida e as áreas adjacentes sofrem gradientes de temperatura significativos durante a solidificação do metal líquido, levando a tensões de contração. Particularmente, colocar calafrios em torno de seções espessas da peça fundida gera tensões significativas, que podem facilmente exceder a resistência do filme metálico líquido, causando defeitos de trincas. Colocar areia de cromita com boas propriedades de armazenamento de calor entre a peça fundida e os resfriados pode evitar a formação de rachaduras. Portanto, no projeto do processo de fundição de sapatas de esteira, areia de cromita, com 10 a 20 mm de espessura, é colocada ao redor dos calafrios em seções espessas da peça fundida.

Previsão de viabilidade do processo de fundição

Análise de simulação de processo de solidificação

A Figura 9 ilustra a distribuição da fase líquida durante o processo de solidificação da peça fundida da sapata de esteira. A figura mostra que a peça fundida começa a solidificar a partir das áreas inferiores e laterais onde são colocados os frios, solidificando gradualmente de baixo para cima, com os três degraus solidificando por último. A peça fundida atinge uma solidificação sequencial global de baixo para cima, sem formação de regiões isoladas de fase líquida dentro da peça fundida durante o processo de solidificação. A Figura 10 mostra a distribuição da retração e dos vazios de retração na peça fundida. Pode-se observar na figura que a contração e os vazios de contração estão distribuídos no sistema de comporta e nos risers, sem que nenhuma contração ou vazios de contração sejam detectados dentro da própria peça fundida. Portanto, o desenho do processo alcançou os resultados esperados.

Produção experimental de produtos e análise de defeitos

Com base no projeto do processo de fundição da sapata da esteira, foi realizado um teste do produto. O aço foi derretido em um forno de média frequência de 2 toneladas e vazado usando uma concha de fundo de 3 toneladas. A temperatura do aço fundido na saída foi de 1605°C, com uma temperatura de vazamento de aproximadamente 1580°C, e o tempo de vazamento medido foi de 55 a 70 segundos. A peça fundida após retirada do molde é mostrada na Figura 11. Após limpeza de areia e jateamento, foi realizada inspeção externa, seguida de processos como retificação, jateamento, inspeção de partículas magnéticas, inspeção ultrassônica, autópsia de densidade, inspeção de penetrante de autópsia blocos e inspeção ultrassônica de blocos de autópsia.

Durante a inspeção externa, constatou-se que havia defeitos de aderência de areia dentro dos furos dos pinos da peça fundida, e parte da areia grudada em certas áreas era difícil de manusear, conforme mostrado na Figura 12. O motivo da aderência de areia nessas áreas foi o pequeno diâmetro do núcleo de areia, que permitiu ao aço fundido aquecer o núcleo de areia a uma alta temperatura durante o enchimento e a solidificação.

Após a autópsia, constatou-se que também havia defeitos de aderência de areia nos cantos internos da peça fundida, pela mesma causa da aderência de areia nos furos dos pinos. A inspeção por partículas magnéticas dos blocos de autópsia revelou múltiplas trincas nos cantos internos, conforme mostrado na Figura 12. Essas trincas foram formadas porque esta área constitui uma cavidade fechada e, durante a solidificação, sofre tensões que excedem o limite de resistência da liga devido ao impedimento do núcleo de areia, levando à fissuração térmica.

 

Otimização de processos e verificação de produção

Areia de cromita de alta refratariedade foi usada para eliminar os defeitos de aderência de areia nos furos dos pinos, com todos os núcleos de areia nos furos dos pinos feitos inteiramente de areia de cromita. Quanto aos defeitos de trinca nos cantos internos da peça fundida, por um lado, a areia do núcleo foi substituída por areia de cromita para acelerar a taxa de solidificação da parte superficial da cavidade interna, permitindo que a superfície da cavidade interna estabeleça resistência mais rapidamente. Por outro lado, durante o processo de fabricação do núcleo de areia, foram colocados cabos de ventilação e cabos de palha para melhorar a colapsabilidade do núcleo de areia. Após a otimização do processo, foi realizada uma produção experimental e os defeitos de aderência de areia e trincas na peça fundida foram resolvidos. A peça fundida passou na inspeção externa, inspeção de partículas magnéticas, inspeção ultrassônica, autópsia de densidade, inspeção penetrante de blocos de autópsia e inspeção ultrassônica de blocos de autópsia, todos atendendo aos requisitos. Posteriormente, foi realizada inspeção radiográfica dos blocos de necropsia e os resultados atenderam aos requisitos das condições técnicas. As peças fundidas acabadas e seus blocos de autópsia são mostrados na Figura 13.

 

Resumir

1. Para peças fundidas com requisitos rígidos de densidade, é possível dividir a peça fundida em diferentes regiões. Ao coordenar a colocação de risers e resfriadores, a solidificação sequencial pode ser alcançada em regiões individuais, conseguindo assim a solidificação sequencial de toda a peça fundida. Isso garante que a densidade interna da peça fundida atenda aos requisitos.
2. Quando uma peça fundida contém cavidades fechadas e áreas de concentração de tensão, a colocação de areia de cromita nessas áreas pode reduzir os defeitos de aderência da areia. Utilizando areia de cromita para acelerar a solidificação nessas áreas, é aconselhável aumentar a colapsabilidade dos núcleos de areia para reduzir ou evitar fissuras na peça fundida.