Разработка модели технологического процесса получения ребристых труб и ее апробация

1, то V = Vў.

Отсюда пространство, занятое потоком жидкости, можно назвать областью просачивания.

Очевидно, что линией движения потока жидкости будет называться такая линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором скорости просачивания в этой точке.

Известно, что скорость потока жидкости V зависит от избыточного давления Р [24], действующего на стенки чугуна, от его внутреннего сопротивления движению жидкости G и от вязкости самой жидкости h, т.е.

(6-)

Внутреннее сопротивление материала G движению через него жидкости или газов по существу является герметичностью этого материала.

Приравнивая правые части (6-) и (6-) и решая их относительно G, получим математическое выражение для герметичности чугуна и для других материалов:

(6-)

Из приведенного уравнения (6-) следует, что герметичность есть такое сопротивление материала проникновению через него жидкости, имеющей вязкость h и находящейся под давлением Р, при котором за время t через площадку w проникает W миллилитров этой жидкости. Другими словами, движение жидкости, находящейся под давлением Р, столбика материала с толщиной стенки, равной толщине отливки и поперечным сечением 1 см² (Рис.6-2).

Если измерять количество просочившейся жидкости в см³, давление в кг/см², площадь образца в см², время в минутах и вязкость в °Е, тогда размерность герметичности будет выражаться в [24].

Эта единица герметичности в дальнейшем нами будет обозначаться ЕГ.

Рис.6-2. Схема к расчету единицы герметичности

ЕГ есть такая герметичность материала, при которой через площадку в 1 см² просачивается 1 см³ воды при вязкости 1°Е, находящейся под избыточным давлением, равном 1 кг/см² за 1 минуту.

В виду того, что единица ЕГ является весьма малой величиной, то в дальнейшем ее значение приводится в кЕГ и МЕГ:

1 кЕГ = 1000 ЕГ = 10³ ЕГ;

1 МЕГ = 1000000 ЕГ = 10⁶ ЕГ.

Герметичность чугуна зависит от его природных свойств, а именно: пористости, сопротивления разрушению расклинивающего действия жидкости, деформации, а также от толщины стенки отливки.

Для оценки качества материала, имея в виду его герметические свойства, целесообразно ввести понятие удельной герметичности. Удельной герметичностью называется герметичность, отнесенная к единице толщины стенки отливки, изготовленной из данной марки чугуна или данного материала. Зависимость герметичности чугуна от толщины стенки d точно еще не установлена. Поэтому удельную герметичность можно представить в такой функциональной зависимости:

G₀ =GЧf(d).

(6-)

Как будет указано ниже (рис.8.2 и 8.3), эта функциональная зависимость приближается к квадратичной и представляется в виде следующего уравнения:

(6-)

Подставляя в (6-) значения герметичности G, получим окончательную формулу для выражения удельной герметичности:

(6-)

Величины, вычисленные по (6-) достаточно хорошо совпадают с нашими опытными данными. Поэтому эту формулу в первом приближении можно рекомендовать для определения удельной герметичности стандартных марок чугунов и других материалов.

При проектировании литых деталей, работающих под повышенным давлением жидкости, желательно заранее знать, какой герметичностью должна обладать данная деталь, работающая в заданных конкретных условиях, каким образом установить и определить герметичность чугуна для этой детали.

Для выполнения поставленной задачи необходимо ввести понятие о предельной допустимой герметичности. Предельно-допустимой герметичностью материала будем называть такое его внутреннее сопротивление, при котором скорость просачивания данной жидкости, находящейся под давлением Р, будет меньше или равна допустимой скорости просачивания.

В качестве допустимой скорости просачивания целесообразно принять скорость во много раз меньшую скорости испарения жидкости с поверхности отливки. Можно задаваться допустимой скоростью просачивания и из других соображений, например, прочности отливки и т.д.

Разработка методики исследования герметичности чугуна велась в направлении выбора типа проб, установлении целесообразной формы и размеров темплета, определения метода испытаний, разработке оптимальных режимов испытаний, а также выявления зависимости герметичности от химического состава структуры и физического строения чугуна [24].

Известно, что подавляющее количество всех гидравлических устройств работают при одностороннем давлении до 100-150 и более атмосфер. Это условие явилось основанием для выбора метода испытания герметичности серых чугунов, при котором образец испытывается под воздействием одностороннего давления до 400 атмосфер.

При разработке методики испытания образцов на герметичность, кроме того, были приняты во внимание следующие положения:

Испытания герметичности чугунов должны вестись на темплетах, изготовленных как из стандартных образцов диаметром 30 мм и длиной 340 мм, так и непосредственно из готовых отливок.

Форма и размеры образца должны обеспечивать наиболее верные показатели герметичности чугуна.

Оптимальное давление при испытании герметичности чугунов должно составлять 150 - 350 атм., т.к. при более высоких давлениях имеют место неточности в определении герметичности в связи с деформацией образца.

Испытания герметичности чугунов должно производиться в течение минимального промежутка времени, но это положение не должно ограничивать время специальных целевых испытаний (например, определение количества просочившейся жидкости в зависимости от давления и времени).

В качестве жидкости для испытания принят керосин.

Контроль просачивания жидкости - визуальный.

Образцы или темплеты для испытания на герметичность вырезались из средней части различных проб. На стандартных пробах предварительно определяли твердость, предел прочности на изгиб и стрелу прогиба. Затем из мест, указанных на Рис.7-1, вырезались темплеты для определения удельного веса чугуна и образцы для испытания их на герметичность.

Рис.7-1. Места отбора проб из стандартного образца:

а - темплет для определения веса;

б - образцы для испытания на герметичность;

в - место определения твердости

Образец для испытаний чугуна на герметичность представляет собой (Рис.7-2) диск диаметром 29.5 мм и толщиной 3.5 мм. В нижней части образца прорезается 3 - 4 кольцевые канавки на расстоянии 1 - 1.2 мм друг от друга, служащих для лабиринтного уплотнения. В верхней части образца предусматривается кольцевая фаска Б, предохраняющая контрольную поверхность А от затекания жидкости. С целью лучшего обеспечения контроля за просачиваемостью керосина поверхность А притирается до матового состояния. Толщина рабочей части образца определяется глубиной канавки диаметром 14 мм.

Для сохранения постоянных условий испытания все образцы обрабатывали одним и тем же режущим инструментом при одних и тех же режимах резания, а именно:

число оборотов при обработке - 540 об/мин;

число оборотов при отрезании - 280 об/мин;

подача - 0.15 мм на 1 оборот.

Рис.7-2. Образец для испытаний на герметичность

Схема установки образца для его испытания на герметичность показана на Рис.7-3.

Рис.7-3. Схема для установки образца для испытаний его на герметичность:

1- образец; 2- гайка; 3- прокладка; 4- корпус

Важным условием при проведении испытаний является предупреждение просачивания жидкости между образцом и алюминиевой прокладкой, Для этой цели при каждом испытании устанавливается новая прокладка и образец зажимается гайкой посредством ключа с моментом 40-50 кгм.

Для испытания герметичности чугунов использовался специальный прибор - герметометр.

Герметометр (Рис.7-4) предназначен для определения плотности (герметичности) серого чугуна различных марок, а также любых других материалов при одностороннем давлением до 1000 атмосфер.

Рис.7-4. Внешний вид герметометра

На приборе можно подвергать испытанию на герметичность как образцы, вырезанные из стандартных проб, так и образцы, взятые непосредственно из отливок. Толщина образца, в зависимости от рода материала, может колебаться от 3.5 до 5 мм.

Конструктивная схема герметометра приведена на Рис.7-5.

Герметометр состоит из клапанной системы: всасывающих 3 и нагнетающих 7 клапанов; плунжерного насоса 4; аккумулятора 9. Все части прибора смонтированы на основании.

Рис.7-5. Схема герметометра

Образец для испытания 11 устанавливается вместе с алюминиевой прокладкой в корпус аккумулятора 9 и плотно зажимается гайкой 10. Жидкость для испытания находится в резервуаре 1. Давление жидкости измеряется манометром 12. Повышение давления в герметометре осуществляется плунжерным насосом 4, который приводится в действие рукояткой 6, при этом жидкость из резервуара 1 по трубке 2 подается к плунжерному насосу. Сброс давления осуществляется винтом 13.

При испытании на герметичность возможны разрывы образцов, поэтому наблюдаемая поверхность образца должна быть ограждена прозрачным защитным устройством.

Испытание образцов на герметичность должно производиться при выполнении следующих условий:

образец должен быть промыт в бензине;

перед закреплением образца, с целью удаления воздуха, необходимо произвести подкачку жидкости до появления ее под прокладкой;

зажатие гайки производится ключом до отказа;

контрольная поверхность образца снова промывается бензином и высушивается;

повышение давления должно осуществляться ступенями 10, 20, 30, 50, 75, 100, 125, 150 и затем через каждые 50 атмосфер. Для образцов с высокой герметичностью допускается начинать испытания при более высоких давлениях, но не менее, чем за две ступени до появления течи. Время выдержки на каждой ступени - 15 мин;

образец снимается после сброса давления, при испытании прибор должен быть огражден защитным приспособлением.

Под твердостью (Т) понимают сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела - индентора [31]. Твердость можно измерять вдавливанием наконечника (индентора) - способ вдавливания, царапаньем поверхности - способ царапанья, ударом или по отскоку наконечника - шарика. Наибольшее распространение получил метод вдавливания. В результате вдавливания под достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящиеся под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остается отпечаток. Таким образом, твердость характеризует сопротивление пластической деформации и представляет собой механическое свойство металла.

Определение твердости металла методом Бринелля осуществляется по ГОСТ 9012-59. Метод основан на том, что в плоскую поверхность металла (или другого материала) вдавливается под постоянной нагрузкой (Р) твердый стальной шарик; по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком, определяют значение Т. Диаметр отпечатка (в двух взаимно перпендикулярных направлениях) измеряют с помощью лупы, на окуляре которой нанесена шкала с делениями, соответствующими 0.05 мм. Для определения Т следует принимать среднюю из полученных величин.

Число твердости по Бринеллю (НВ) определяется отношением нагрузки, действующей на шарик к поверхности отпечатка:

(7-1)

где Р - нагрузка на шарик, Н;

F - поверхность отпечатка, м²;

D - диаметр вдавливаемого шарика, м;

d - диаметр отпечатка, м.

Записывается твердость по Бринеллю в единицах НВ, например 300 НВ (3000 МПа). Получаемое число Т при прочих равных условиях определяется диаметром отпечатка d. Последний тем меньше, чем выше твердость испытуемого металла. Однако получение постоянной и одинаковой зависимостей между величиной нагрузки и диаметром отпечатка, необходимы для точного определения твердости, сравнительно надежно достигается только при соблюдении определенных условий. При вдавливании шарика на разную глубину, т.е. разной нагрузкой для одного и того же материала, не соблюдается закон подобия между полученными диаметрами отпечатка.

Наибольшие отклонения наблюдаются, если шарик вдавливается с малой нагрузкой и составляет отпечаток небольшого диаметра, или вдавливается с очень большой нагрузкой и оставляет отпечаток большого диаметра, приближающегося по величине к диаметру шарика. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки Р и квадратом диаметра шарика D².

Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости. Методом Бринелля измеряют твердость металлов до 450 НВ. Государственным стандартом установлены нормы для испытаний по Бринеллю (Таблица 7-1).

Измерения твердости по методу Бринелля производится на прессах - гидравлических или механических.

Подготовку прибора к работе по определению твердости металлов проводится в такой последовательности:

в зависимости от условий испытаний устанавливается соответствующий наконечник в шпиндель, предварительно сняв упор;

Таблица 7-1

Условия испытания металлов на Т по Бринеллю

по Таблица 7-1 выбирается нагрузка и соответствующий диаметр шарика, устанавливается на подвеску набор грузов, учитывая, что рычажная система с подвесками создает нагрузку 1.839 кН;

на предметный стол устанавливается контролируемое по твердости изделие так, чтобы оно лежало устойчиво и не имело возможности сместиться или прогнуться во время испытаний;

переключатель режима работ устанавливается в положение РУЧН. или АВТ. Переключатель режима работы устанавливается в положение РАБОТА;

реле времени устанавливается на заданное время;

стол с изделием перемещается в верхнее положение маховиком до соприкосновения с индентором и далее до запирания его механизмом останова (щелчка электромагнита);

если переключатель режима работ стоит в положении РУЧН., нажимается кнопка ПУСК, а если в положении АВТ., нагрузка прикладывается автоматически. Происходит внедрение индентора в испытуемое изделие;

измеряется диаметр отпечатка с помощью микроскопа МПБ-2 и по стандартным таблицам определяется значение твердости.

Макроскопический анализ заключается в определении строения металла невооруженным глазом или при небольшом увеличении (до 30 раз) [32]. Это наиболее простой метод. Он позволяет сделать предварительную оценку качества металла, а именно, определить плотность металла по наличию пор, раковин и других дефектов, прочность по величине зерна, химическую неоднородность по ликвации отдельных элементов и т.д.

Макроанализ особенно важен для литейщиков, поскольку по виду излома в местах отделения от отливок питателей и других элементов литниковой системы можно сделать первые выводы о качестве металла.

Методом макроанализа определяют:

вид излома - вязкий, хрупкий, нафталинистый, камневидный (в стали) и т.д.;

плотность металла - наличие усадочной пористости, рыхлости, газовых раковин, свищей, межкристаллитных трещин;

дендритное строение, зону транскристаллизации в отливках;

химическую неоднородность (ликвацию) металла;

волокнистую структуру деформированного металла;

структурную и химическую неоднородность металла после термической или химико-термической обработки, наличие отбела в чугунных отливках;

величину зерна.

Излом, в зависимости от характера разрушения (хрупкого или вязкого) металла, может быть разным по форме, виду и способности и отражению света. Анализ излома позволяет установить многие особенности строения металлов, а в ряде случаев и причины хрупкого или вязкого разрушения.

По внешнему виду излома различают:

кристаллический (светлый) излом, поверхность разрушения которого характеризуется наличием блестящих плоских участков. Такой излом свойственен хрупкому разрушению;

волокнистый (матовый) излом, поверхность разрушения которого содержит весьма мелкие уступы - волокна, образующиеся при пластической деформации зерен в процессе разрушения. Этот излом свидетельствует о вязком разрушении. Излом может иметь и смешанный характер.

Сплав железа с углеродом при содержании последнего больше 2.14 % называется чугуном. Наличие эвтектики в структуре чугуна обуславливает его малую способность к пластической деформации. Поэтому чугун используют исключительно в качестве литейного сплава. Чугун, используемый для изготовления отливок, содержит также Si и в качестве неизбежных примесей Mn, Р и S. Чугун дешевле стали [32].

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. В виду высокой твердости и хрупкости, практического значения для получения отливок не имеет;

серый чугун (СЧ), в котором углерод в значительной или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита. Разновидностью СЧ является чугун с вермикулярной формой графита.

Химический состав, и, в частности, содержание углерода не в полной мере характеризуют свойства чугуна: его структура и основные свойства зависят также от процесса выплавки, скорости охлаждения отливки и режима термической обработки. Свойства чугуна определяются его структурой. Эта зависимость у чугуна значительно сложнее, чем у стали, так как его структура состоит из металлической основы и включений графита, вкрапленных в эту основу. Для характеристики структуры СЧ необходимо определять размеры, форму, распределение графита, а также структуру металлической основы.

ГОСТ 3443-77 классифицирует структуру чугуна как по форме графита, так и по матрице [32]. При оценке графита определяют форму, распределение, количество и размеры включений; при оценке матрицы - тип структуры, количество перлита и феррита, дисперсность перлита; строение, распределение, размер ячеек сетки и отдельных включений фосфидной эвтектики, количество и размер включений цементита или ледебурита.

Графитные включения лучше изучать на нетравленых шлифах (при увеличении 100...200), а структуру металлической основы - на травленых (при увеличении 350...500).

Серый чугун маркируется буквами СЧ и цифрами, указывающими предел прочности при растяжении (ГОСТ 1412-79). Излом СЧ имеет серый цвет из-за присутствия в его структуре графита. Включения графита в СЧ имеют форму лепестков, которые в плоскости шлифа имеют вид прямолинейных или завихренных пластинок.

Чем меньше графитовых включений, тем они мельче и больше степень их изолированности друг от друга и тем выше прочность чугуна. СЧ с большим количеством прямолинейных крупных графитовых включений, разделяющих его металлическую основу, имеет грубозернистый излом и низкие механические свойства. Величина, форма и характер распределения графитовых включений зависят от скорости охлаждения отливки и определяются по типовой шкале (ГОСТ 3443-77).

Количество графита в чугуне можно определить методом количественной металлографии. Для этого, используя линейный метод, определяют объемную долю, занятую графитом и металлической матрицей. Затем с учетом плотности графита и матрицы определяют количество графита:

СЧ разделяют по строению металлической основы.

Ферритный чугун. В этом случае металлической основой является феррит (Ф), и весь углерод, имеющийся в сплаве, находится в виде графита. Чугун имеет низкую прочность (100...150 МПа) и используется для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки в работе, с толщиной стенки отливки 10...30 мм.

Ферритно-перлитный чугун. Структура этого чугуна состоит из Ф+П и включений графита. Феррит располагается вокруг графитных включений. Количество связанного углерода в нем меньше, чем в перлитном чугуне. Следовательно, твердость и прочность также ниже.

Перлитный чугун. Структура его состоит из перлита с включениями графита. Так как перлит содержит 0.8 % С, то такое количество углерода в перлитном чугуне находится в связанном состоянии, а остальное количество - в свободном состоянии (т.е. в виде графита). Перлитную структуру имеют чугуны марок СЧ25-СЧ45. Они применяются для изготовления отливок, испытывающих динамические нагрузки, например, станины станков, шестерни, блоки цилиндров, поршневые кольца и др.

Микроскопический анализ заключается в исследовании структуры металлов при больших увеличениях с помощью микроскопа.

Наиболее простым и распространенным методом микроанализа является оптическая (световая) микроскопия. Этим методом изучают размеры, форму, взаимное расположение кристаллов (зерен), достаточно крупные включения в них, некоторые дефекты кристаллического строения (двойники, дислокации).

Исследование микроструктуры получаемых серых чугунов производим на металлографическом микроскопе МИМ-7.

Изучение микроструктуры металлов производится в отраженном свете, поэтому поверхность образца должна быть специально подготовлена. Такой образец называется микрошлифом. Для изготовления шлифа вырезают образец из исследуемого металла и получают на нем плоскую и блестящую поверхность.

Очень важно (особенно для литых материалов) правильно выбрать место, из которого надо вырезать образец. Если отливка имеет различную толщину стенки, то вырезать образцы нужно из тонко- и толстостенной ее частей. Метод вырезания значения не имеет. Важно только, чтобы в процессе вырезания не изменять структуру металла.

Вырезанные образцы собирают в струбцине по несколько штук в зависимости от их размера, при этом между образцами помещают прокладки из латуни, что предотвращает перенос одного материала на другой. Иногда образцы заливают в обечайке пластмассой или легкоплавким сплавом. Это обеспечивает получение плоской поверхности шлифа при его обработке.

Шлифование поверхности образца проводят на бумажной шкурке, последовательно переходя от одной шкурки к другой с непрерывно уменьшающимися размерами абразивных частиц. Переход к обработке на следующей шкурке производят только после исчезновения рисок от предыдущей шкурки.

Полированием получают окончательную зеркальную поверхность шлифа. Чаще всего используют механическое полирование, когда на сукно наносят мелкие частицы абразивных материалов - оксиды алюминия, железа или хрома в виде водной суспензии. После полирования микрошлиф промывают водой, затем спиртом и просушивают фильтровальной бумагой.

Вначале обычно изучают структуру нетравленного микрошлифа, т.е. непосредственно после полирования. Под микроскопом такой шлиф имеет вид светлого круга, на котором часто можно заметить темные участки (серые или черные). Это неметаллические включения - оксиды, сульфиды, нитриды, силикаты, графит. Вследствие хрупкости неметаллические включения могут выкрашиваться при шлифовании, и тогда на поверхности шлифа остаются углубления, которые могут быть заполнены абразивными частицами. В любом случае эти углубления имеют темный цвет.

В серых чугунах на нетравленых шлифах наблюдают включения (серые или темные) графита. Оценку количества графитовых включений и характера их распределения производят также по типовой шкале, установленной ГОСТ 3443-77.

При изучении нетравленного микрошлифа литого материала часто обнаруживается микропористость.

После просмотра нетравленого шлифа для более полного изучения структуры сплава шлиф травят. Травление осуществляют несколькими способами, но чаще всего методом избирательного растворения фаз. Этот метод основан на различии физико-химических свойств отдельных фаз и пограничных участков зерен. В результате различной интенсивности растворения создается рельеф поверхности шлифа.

Если освещать шлиф падающим светом, то из-за присутствия косых лучей образуются теневые картины, по которым можно судить о структуре сплава. Этот метод позволяет установить структуру многофазных сплавов, а также границы зерен в однофазных сплавах.

Для травления микрошлиф полированной стороной погружают в раствор на некоторое время (до появления матовой поверхности), затем промывают водой и спиртом и высушивают. Составы растворов для травления микрошлифов весьма разнообразны и зависят от материала и цели исследования. Чаще всего для исследования микроструктуры железоуглеродистых сплавов используют 2...4 %-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте.

Методы количественной металлографии необходимы для определения характеристики многих важных особенностей структуры: величины неметаллических включений или отдельных фаз, присутствующих в сплаве, количества включений разных фаз сплава, величины зерна. Величина зерна выявляется чаще всего после травления микрошлифов. Для определения размера зерна сравнивают микроструктуру при увеличении в 100 раз со стандартными шкалами [32].

Основной недостаток методики стандартных шкал - оценка условными баллами и обусловленный этим ступенчатый, скачкообразный характер шкал. Для получения более точных и надежных результатов те же параметры могут быть оценены не визуально, а непосредственно измерены или подсчитаны под микроскопом или на микрофотографии.

С этой целью используют методы стереометрической металлографии. В частности, для определения фазового и структурного объемного состава сплава используется линейный метод Розиваля. Этот метод основывается на принципе Кавельери-Ноера, согласно которому измерение объемов тел можно заменить не только измерением площадей, но и длин отрезков. Сущность линейного метода заключается в том, что видимая в микроскоп структура, состоящая из любого количества фаз или структурных составляющих, пересекается прямой линией. Контуры сечений отдельных фаз или структурных составляющих рассекут эти линии на отдельные отрезки.

Если раздельно просуммировать длины отрезков, попавших на каждую из фаз или структурных составляющих сплава, и разделить суммы на общую длину секущих линий, то полученные частные, согласно принципу Кавальери-Акера, будут равны долям объема сплава, которые занимает каждая из этих фаз или структурных составляющих.

Для испытания образцов на герметичность необходимо стремиться к сокращению времени, затрачиваемого на проведение опытов. Для этого испытания целесообразно проводить при условиях, которые позволяют обеспечить быстрое просачивание (10-15 минут) жидкости через образец.

Рис.8-1. Стандартная проба

Очевидно, чем меньше будет толщина стенки образца, тем быстрее через него будет проникать жидкость. Следовательно, образец должен иметь минимальную толщину. Но, с другой стороны, чем больше будет толщина стенки образца, тем вернее будут показания герметичности. Таким образом, необходимо провести ряд опытов с целью определения оптимальной толщины стенки образца и установить зависимость ее от давления, при котором должно происходить просачивание жидкости в сравнительно небольшой промежуток времени. Для этой цели отлиты три стандартные пробы с размерами: диаметр - 30 мм, длина - 340 мм (Рис.8-1) из чугунного лома следующего химического состава:

С - 3.47 %;

Si - 1.18 %;

Mn - 0.54 %;

S - 0.083 %;

Р - 0.185 %.

Механические свойства: НВ = 220,

s_изг = 33.5 кг/мм²,

f_пр = 3.8 мм.

Из каждой пробы были выточены образцы с толщиной рабочей части соответственно 0.5 ; 1.0; 1.5; 2.0; 2.5; 3.0 мм. Эти образцы подвергались испытанию на герметичность по описанной методике.

С целью исключения случайных ошибок испытания образцов на герметичность проводились дважды. При всех испытаниях проводился замер и фиксировалось время, при которых происходило просачивание керосина (h = 1,18 °Е) по всей контрольной поверхности образца. Опытами было установлено, что самое минимальное количество просочившейся жидкости, которая наблюдается на поверхности образца, составляет W » 0.002 мл. Это количество жидкости в дальнейшем использовалось для расчета герметичности чугуна.

Результаты испытаний герметичности чугунных образцов сведены в Таблица 8-1. Время просачивания керосина на контрольной поверхности образца определялось с момента воздействия на него критического давления.

Таблица 8-1

Рис.8-2

На Рис.8-2 представлена кривая герметичности чугунных образцов в зависимости от их толщины, построенная по данным Таблица 8-1.

В Таблица 8-2 приведены результаты повторных испытаний чугунных образцов на герметичность в зависимости от их толщины.

Таблица 8-2

Рис.8-3

На Рис.8-3 представлена кривая герметичности чугуна в зависимости от толщины стенки образца, построенная по данным Таблица 8-2.

Анализ экспериментальных данных, приведенных в таблицах Таблица 8-1 и Таблица 8-2, показывает, что герметичность чугунных образцов очень быстро возрастает с увеличением их величины.

Кривые на рисунках Рис.8-2 и Рис.8-3 построены по данным таблиц Таблица 8-1 и Таблица 8-2, имеют вид квадратичной параболы. Это дает основание полагать, что герметичность чугуна G является функцией от толщины стенки испытуемых образцов в квадрате, т.е.

G = f(d²).

(8-1)

Достоверность этого предположения также подтверждается удельной герметичностью, которая была определена для исследуемых чугунов.

Расчетные данные удельной герметичности являются величиной почти одного порядка. Это обстоятельство показывает, что удельная герметичность для одной и той же марки чугуна должна, повидимому, являться величиной постоянной, независящей от толщины стенки отливки.

В результате эксперимента установлено что, оптимальные размеры рабочей части образца при испытании его на герметичность следует считать: толщина стенки d = 2 мм; диаметр рабочей части d = 1.4 см; площадь рабочей части w = 1.5 см².

Экспериментальные исследования с целью изучения химического состава и структуры чугуна на его герметические свойства состояли из опытных плавок, проведенных на лабораторной индукционной печи с емкостью тигля 50 кг. Опытные плавки отличались собой по химическому составу чугуна. Из каждой опытной плавки отливались образцы и технологические пробы для определения структуры, механических и герметических свойств чугуна. Состав шихты для опытных плавок приведен в Таблица 8-3:

Таблица 8-3

Получение сурьмянистого чугуна осуществляется путем введения небольшого количества металлической сурьмы на дно ковша с жидким металлом. Сурьма применяется как присадка при производстве антифрикционных чугунов [25] и способствует образованию в чугунах более плотной перлитной структуры, что должно способствовать повышению герметичности отливок.

Введение сурьмы в жидкий чугун протекает совершенно спокойно, без выброса металла, выделения газов, а так же не сопровождается световым и пиротехническим эффектом.

Температура плавления сурьмы 630 °С, температура кипения 1635 °С [6]. Т.к. температура кипения превышает температуру выпуска чугуна из индукционной печи, то испарение ее при введении в жидкий чугун не имеет места. Сурьма очень хрупкий металл и легко истирается в порошок. При обычной температуре сурьма на воздухе не окисляется, а при нагревании ее выше точки кипения сгорает с выделением белого дыма, состоящего из окислов сурьмы. Сурьма является очень хорошим антикоррозионным материалом.

Сурьма образует сплавы с большинством металлов, в том числе и с железом, образуя хрупкие соединения легко истирающиеся в порошок. Диаграмма состояния системы Fe - Sb приведена на Рис.8-4 [25].

Из приведенной диаграммы состояния системы видно, что сурьма и железо в жидком состоянии полностью растворяются друг в друге образуя 2 химических соединения FeSb₂ и Fe₃Sb₂. Температура плавления первого химического соединения равна 732 °С, а второго 1014. Железо в твердой сурьме не растворяется, а сурьма в твердом железе имеет ограниченную растворимость, до 5 % по весу. Сурьма сильно увеличивает интервал затвердевания твердого раствора. Один процент сурьмы понижает температуру начала затвердевания железа на 10.5 °С, а конец затвердевания на 105 °С [25].

Рис.8-4. Структурная диаграмма состояния системы Fe-Sb

Известно, что при введении сурьмы в чугун температура выделения первичного аустенита и затвердевания эвтектики понижается.

Присадка сурьмы способствует стабилизации перлита и повышению твердости, сдвигает критическую точку S на диаграмме Fe - Sb влево [25].

Таблица 8-4

Простота получения сурьмянистого чугуна дает возможность производить его в любом литейном цехе без установки какого-либо дополнительного оборудования и без усложнения технологии литых деталей.

Для исследования структуры и свойств сурьмянистого чугуна, установления его оптимального химического состава, в литейной лаборатории были проведены опытные плавки, во время которых отливались образцы для механических испытаний, технологические пробы и опытные детали для производственных испытаний.

Химический состав исследуемых чугунов опытных плавок приведен в Таблица 8-4.

Присадка сурьмы существенно изменяет характер излома чугуна. На фотографии (Error: Reference source not found) представлен внешний вид изломов исходного чугуна. Данные образцы получены в результате опытных плавок.

Рис.8-5. Внешний вид изломов серого и сурьмянистого чугунов

Рис.8-6. Излом исходного серого чугуна

Рис.8-7. Излом чугуна с содержанием сурьмы 0.05 %

Рис.8-8. Излом чугуна с содержанием сурьмы 0.1 %

Рис.8-9. Излом чугуна с содержанием сурьмы 0.2 %

Рис.8-10. Излом чугуна с содержанием сурьмы 0.4 %

Рис.8-11. Излом чугуна с содержанием сурьмы 0.6 %

Рис.8-12. Излом чугуна с содержанием сурьмы 0.8 %

Рис.8-13. Излом чугуна с содержанием сурьмы 1.0 %

Плавка велась в индукционной печи с машинным генератором.

Состав исходной шихты:

Практически 100 % машинного чугунного лома (тормозные колодки ж.д. вагонов). Модифицирование производилось в ковше емкостью 50 кг измельченным 75 % ферросилицием, который вводился на дно ковша, совместно с металлической сурьмой. Массы модификаторов соответственно: 75 % FeSi - 250 г, Sb - 0ё1 % (от массы металла).

Температура выпуска 1410ё1420 °С. Заливались стандартные образцы диаметром 30 мм из ковша емкостью 50 кг.

Были отлиты образцы следующего химического состава (по 3 на каждый состав) приведенного в таблице 8.4.

Описание макроструктуры исследуемых образцов (Error: Reference source not found).

Образец 1 (рис.8-6).

Исходный чугун.

Излом темно-серый, рыхлый, рваный. В центре наблюдается увеличенная рыхлота к периферии образца макроструктура измельчается литейной корочки практически не видно, видимые раковины отсутствуют.

Образец 2 (рис.8-7).

При присадке сурьмы 0.05 % излом светлее чем у образца 1, зерно крупное но мельче чем у исходного металла, раковины отсутствуют, на периметре излом мелкозернистый прослеживается литейная корочка толщиной 0.5мм.

Образец 3 (рис.8-8).

На образце с присадкой Sb 0.1 % явных видимых изменений в макроструктуре нет. Излом более светлый и мелкозернистый по всему сечению, раковины отсутствуют. Поверхность излома менее рваная.

Образец 4 (рис.8-9).

При присадке Sb 0.2 % цвет излома более светлый и мелкозернистый. Макроструктура излома равномерная, рыхлоты отсутствуют.

Образец 5 (рис.8-10).

Содержание сурьмы 0.4 %.

Излом более светлый по сравнению с предыдущими образцами и более мелкозернистый, просматриваются более светлые блестящие включения в центре, на периферии имеется песочная раковина.

Образец 6 (рис.8-11).

Содержание сурьмы 0.6 %.

Излом по прежнему светло-серый и мелкозернистый по сравнению с предыдущими образцами. Рваностей на поверхности нет.

Образец 7 (рис.8-12).

Содержание сурьмы 0.8 %.

Излом более мелкозернистый и светлее - мышиный цвет. На периферии имеется засор.

Образец 8 (рис.8-13).

Содержание сурьмы 1.0 %.

Излом светло-серый очень мелкозернистый, зерно равномерно распределено по всему полю излома, на периферии находится тонкая отбеленная корка 0.1ё0.2 мм.

Одновременно с резким изменением макроструктуры чугуна, присадка сурьмы оказывает значительное влияние и на его микроструктуру. введение незначительного количества сурьмы в чугун способствует измельчению перлита и образованию гнездообразного и точечного графита (рис. 8-14 ё 8-21).

С увеличением сурьмы в чугуне уменьшается количество и размеры пластинчатого графита, а так же количество феррита.

В чугунах с содержанием сурьмы 0.2 - 0.4 % уже полностью отсутствует свободный феррит и наряду с образовавшимся гнездообразным и точечным графитом присутствует и мелкий пластинчатый графит.

При содержании сурьмы в чугуне 0.6 - 1.0 % доля пластинчатого графита еще более уменьшается, а гнездобразного увеличивается.

Цементитные включения в сурьмянистых чугунах обнаруживаются обычно при содержании сурьмы более 1.0 %. Появление отдельных зерен цементита в структуре чугуна повышает его твердость.

Описанные изменения структуры чугуна приводят к повышению его герметичности. Это происходит из-за появления перлитной структуры измельчения пластинчатого графита и образования точечного и гнездообразного графита, что исключает расклинивающее действие жидкости (из-за уменьшения количества концентраторов напряжения между кристаллами металлической матрицы).

до травления (х120)

после травления (х270)

Рис.8-14. Исходный серый чугун

до травления (х120)

после травления (х270)

Рис.8-15. Чугун с содержанием сурьмы 0.05 %

до травления (х120)

после травления (х270)

Рис.8-16. Чугун с содержанием сурьмы 0.1 %

до травления (х120)

после травления (х270)

Рис.8-17. Чугун с содержанием сурьмы 0.2 %

до травления (х120)

после травления (х270)

Рис.8-18. Чугун с содержанием сурьмы 0.4 %

до травления (х120)

после травления (х270)

Рис.8-19. Чугун с содержанием сурьмы 0.6 %

до травления (х120)

после травления (х270)

Рис.8-20. Чугун с содержанием сурьмы 0.8 %

до травления (х120)

после травления (х270)

Рис.8-21. Чугун с содержанием сурьмы 1.0 %

Опытами установлено, что при присадке сурьмы 0.1 % и более на образце толщиной d = 2 мм при давлении 150 атм просачивание жидкости не наблюдается. На образцах без сурьмы просачивание жидкости при таком давлении имеет место.

Испытания механических свойств сурьмянистого чугуна производилось по стандартным методикам (ГОСТ 24812-81). В таблице 8.5 приведены механические свойства чугуна с присадкой сурьмы от 0.0 до 1.0 %. Образцы для испытаний имеют химический состав представленный в таблице 8.4.

Таблица 8.5

По данным таблицы 8.5 были построены кривые изменения механических свойств серого чугуна в зависимости от содержания сурьмы (рис.8-22 - 8-26).

Из приведенных кривых видно, что с повышением присадки сурьмы прочность при изгибе, прочность при растяжении и стрела прогиба понижаются, а прочность при сжатии практически не изменяется.

Твердость равномерно повышается и достигает 316 HB для чугунов с содержанием сурьмы 1.0 %.

Присадка сурьмы резко измельчает структуру чугуна и переводит свободный графит из пластинчатого состояния в гнездообразную и точечную форму. Отсюда, казалось бы, что механические свойства сурьмянистого чугуна в соответствии с существующими теоретическими положениями должны были бы повышаться.

Рис.8-22

Рис.8-23

Рис.8-24

Рис.8-25

Рис.8-26

Однако, сурьмянистых чугунах это не наблюдается. Несмотря на мелкозернистое строение и равномерное распределение свободного графита в виде гнезд или точек, механические показатели имеют ярко выраженную тенденцию с увеличением присадки сурьмы к снижению. Исключением являются прочность на сжатие и твердость. Понижение механических свойств сурьмянистых чугунов объясняется, повидимому тем, что феррит в этих чугунах получается твердым и хрупким в сравнении с ферритом в обычных серых чугунах.

ОТКЛОНЕНИЯ ОТ НОРМАТИВНОГО МИКРОКЛИМАТА

Основными вредными факторами, связанными с загрязнением воздушной среды в литейной лаборатории являются пыль и аэрозоли конденсации металлов, выделения вредных паров и газов, тепловыделения от технологического оборудования.

ОСВЕЩЕННОСТЬ

В литейной лаборатории недостаточное освещение, а как следствие повышены утомляемость и производственный травматизм.

ПОВЫШЕННЫЙ УРОВЕНЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

В литейной лаборатории единственными источниками ЭМП являются индукционная печь (2560 Гц) и машинный генератор к этой печи.

ПОВЫШЕННЫЙ УРОВЕНЬ ШУМА И ВИБРАЦИИ

Источниками шума и вибрации в литейной лаборатории является все лабораторное оборудо­вание, так например: машинный генератор; смешивающие бегуны; обдирочный станок; сверлильный станок; шаровая мельница.

ОПАСНОСТЬ ТРАВМИРОВАНИЯ

Источником такой опасности является, все вышеперечисленное лабораторное оборудование.

ОПАСНОСТЬ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТОКОМ

Источником такой опасности является, все технологическое оборудование. Но основным источ­ником опасности является индукционная печь.

ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ

Источники пожарной опасности:

индукционная печь и жидкий металл;

сушильные шкафы;

электросварка.

ОТКЛОНЕНИЯ ОТ НОРМАТИВНОГО МИКРОКЛИМАТА, ЗАПЫЛЕННОСТЬ И ЗАГАЗОВАННОСТЬ

Значительное количество пыли выделяется при изготовлении различных формовочных смесей, выбивке отливок и очистке литья. Особая опасность в ней обуславливается высоким содержанием оксида кремния (94%-99%). При плавке возможно загрязнение воздушной среды аэрозолями конденсации металлов, которые оказывают неблагоприятное действие при поступлении в организм работающего.

ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования.

Нормируемые параметры:

оптимальные:

Температура 20 - 22 °С;

Относительная влажность воздуха не более 40 - 60%;

Скорость движения воздуха 0.3 м/с.

допускаемые:

Температура 15 - 21 °С;

Относительная влажность воздуха не более 75%;

Скорость движения воздуха (не более) 0.4 м/с.

По вредным выбросам:

Цинка окись (не более) 5 мг/м³;

Кремния окись (не более) 1 мг/м³;

Сурьмы окись (не более) 5 мг/м³.

Поэтому рекомендуется во время формовки и выбивки пользоваться респиратором, а также использовать общеобменную и местную вентиляции.

ОСВЕЩЕННОСТЬ

При искусственном освещении нормируемое значение освещенности по СНиП II-4-79 составляет 200 лк.

Для улучшения освещения помещений литейной лаборатории надо установить лампы дневного света на место и для оборудования, требующего этого, поставить местное освещение.

ПОВЫШЕННЫЙ УРОВЕНЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Для электромагнитных полей радиочастот напряженность ЭМП по электрической составляющей не должна превышать 50 В/м, по магнитной составляющей 5 А/м (ГОСТ 12.1.006-76).

Во время ведения плавки рекомендуется пользоваться защитными экранами, оператор плавки не должен находится длительное время рядом с работающим индуктором.

ПОВЫШЕННЫЙ УРОВЕНЬ ШУМА И ВИБРАЦИИ

По ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ норма дБ по октавам составляет:

Таблица 9-1

Допустимые значения вибрации при интегральной оценке по частоте нормируемого параметра для длительности воздействия 480 мин :

по виброускорению - Z,X,Y = 4 м/c²;

по виброскорости - 4 м/сЧ10^-2;

для частот 16 - 1000 Гц - дБ 118 (ГОСТ 12.1.012-91)

Во время работы на лабораторном оборудовании надо использовать для: электро-индукционной печи ботинки на толстой подошве; смешивающих бегунов, сверлильного станка и шаровой мельницы звукоизолирующие наушники.

ОПАСНОСТЬ ТРАВМИРОВАНИЯ

Опасность травмирования на рабочем месте определяют по ГОСТ 12.0.004-79.

Опасность травмирования в текущее время в основном обусловлена большим износом оборудования. Поэтому для уменьшения опасности травмирования надо при работе соблюдать меры техники безопасности. При работе на технологическом оборудовании установить ограждающие экраны на силовом оборудовании а также провести реконструкцию и ремонт существующего оборудования.

ОПАСНОСТЬ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОТОКОМ

По ГОСТ 12.1.038-82 Напряжение прикосновения и уровни токов составляют:

для тока частотой 50 Гц (не более) - U=2В, I=0.3 мA.

Из за большого износа индукционной печи возникает отпотевание витков индуктора и, как следствие, опасность межвиткового замыкания. С этой опасностью борется оператор плавки. Поэтому возможно поражение электротоком. Для устранения этой опасности предусматривается:

установка защитных заземлений;

при эксплуатации индукционной печи работать в асбестовых перчатках на войлочной основе;

догрузку шихты в печь производить только при отключенном электропитании.

ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ

Пожарная опасность нормируется по ГОСТ 12.1.033-81.

Для обеспечения пожарной безопасности надо поддерживать порядок в лаборатории, не допускать нагромождения пожароопасных веществ. Иметь действующие огнетушители (желательно порошковые или на CO₂).

РАСЧЕТ МЕСТНОЙ ВЫТЯЖНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ ОТ ЭЛЕКТРО-ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ

Расчет местной вентиляции на плавильном участке ведем базируясь на [7].

ВЫБОР КОНСТРУКЦИИ МЕСТНОГО ОТСОСА

Т.к. индукционная печь является интенсивным источником тепла, то над ней присутствует устойчивое струйное течение, а значит, основываясь на [7], мы выбираем зонт с неравномерным всасыванием по площади.

Радиус источника вредных веществ r = 0.15 м.

Для отсоса улавливающего приточную струю в пределах разгонного участка высота зонта выбирается из соотношения (h і 4r), также необходимо удалять вредные выбросы в виде окисла сурьмы.

h = 4Ч0.15 = 1.1 м.

Основные параметры зонта:

R_зонта = r+0.24Чh = 0.414 м,

R₁ = 0.8ЧR = 0.8Ч0.414 = 0.3312 м,

R₂ = 0.6ЧR_зонта = 0.6Ч0.414 = 0.248 м,

R₄ = 0.7ЧR₃ = 0.7Ч0.15 = 0.105 м.

Рис.9-1. Схема Зонта:

корпус зонта;

всасывающий конус.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА

r = 0.15 (м),

Q = 50000Ч0.55 = 27500 (Вт); по [12] тепловыделение в воздух рабочей зоны для печи мощностью 50 кВт составляет 55%,

Рис.9-2. Схема местной вентиляции

w_b = 0.05 (м/с),

h = 1.1 (м),

R = 0.414 (м),

G_sb = 31.25 (мг/с) (время плавки / суммарный угар Sb).

h₂ = 10 см; h₄ = 20 см; h₆ = 7 м; h₈ = 50 см;

h₁₀ = 20 см; 1 - местный отсос; 2 - шиберная задвижка;

7 - скруббер Вентури; 9 - вентилятор; 11 - факельный выброс.

ВЫЧИСЛЯЕМ ОСЕВУЮ СКОРОСТЬ U_M И РАСХОД ВОЗДУХА В СТРУЕ НА УРОВНЕ ВСАСЫВАНИЯ L_СТР:

(9-1)

(9-2)

ОПРЕДЕЛЯЕМ ЗНАЧЕНИЕ ПОПРАВОЧНОГО КОЭФФИЦИЕНТА, УЧИТЫВАЮЩЕГО ПОДВИЖНОСТЬ ВОЗДУХА В ПОМЕЩЕНИИ:

(9-3)

где F - площадь всасывающего отверстия, м²;

F_стр - площадь сечения затопленной струи, м², на разгонном участке F_стр = F_{источника};

w_b - скорость движения воздуха в помещении, м/с.

(9-4)

ПО ГРАФИКУ 1.4 [7] ОПРЕДЕЛЯЕМ ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ ПРЕДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ОТСОСА:

ВЫЧИСЛЯЕМ ПРЕДЕЛЬНЫЙ РАСХОД ОТСОСА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ ПОЛНОЕ УЛАВЛИВАНИЕ СТРУИ ПРИ МИНИМАЛЬНОЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ОТСОСА:

(9-5)

НАХОДИМ МАКСИМАЛЬНУЮ И ОТНОСИТЕЛЬНУЮ ИЗБЫТОЧНУЮ КОНЦЕНТРАЦИИ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В УДАЛЯЕМОМ ВОЗДУХЕ, СООТВЕТСТВУЮЩИЕ РЕЖИМУ ПРЕДЕЛЬНОГО УЛАВЛИВАНИЯ:

(9-6)

где G ^- производительность источника по газовым выбросам, мг/с;

C^пр - концентрация вредных примесей в приточном воздухе общеобменной вентиляции, мг/м3;

С_пред = 0, т.к. других источников выделения вредных веществ нет.

(9-7)

ПДК рабочей зоны по содержанию сурьмы не должно превышать 5 мг/м³.

ВЫЧИСЛЯЕМ ЗНАЧЕНИЕ БЕЗРАЗМЕРНОГО КОМПЛЕКСА М:

(9-8)

где Gр - приходящееся на 1 отсос количество газовой примеси, выделяющейся в единицу времени от рассредоточенных источников не снабженных местными отсосами, мг/с;

G - производительность источника по газовым выбросам, мг/с;

НАХОДИМ КОЭФФИЦИЕНТ ЭФФЕКТИВНОСТИ УЛАВЛИВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ h = G_У/G И КОЭФФИЦИЕНТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТСАСЫВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ K_h= L_ОТ/L_ПР.ОТ.:

(9-9)

Методом подбора решаем систему уравнений, откуда находим k_h.

k_h= 1.12.

ОПРЕДЕЛЯЕМ ТРЕБУЕМУЮ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ОТСОСА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩУЮ ОПТИМАЛЬНУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ УЛАВЛИВАНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ:

(9-10)

Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроения. Около 40% всех заготовок, используемых в машиностроении, получают литьем. Однако, литейное производство является одним из наиболее экологически неблагоприятных.

В литейном производстве применяется более 100 технологических процессов, более 40 видов связующих , более 200 противопригарных покрытий.

Это привело к тому, что в воздухе рабочей зоны встречается до 50 вредных веществ, регламентированных санитарными нормами. При производстве 1т чугунных отливок выделяется:

10..30 кг - пыли;

200..300 кг - оксида углерода;

1..2 кг - оксида азота и серы;

0.5..1.5 г - фенола, формальдегида, цианидов и др.;

3 м³ - загрязненных сточных вод может поступить в водный бассейн;

0.7..1.2 т - отработанных смесей в отвал [10].

Основную массу отходов литейного производства составляют отработанные формовочные и стержневые смеси и шлак. Утилизация этих отходов литейного производства наиболее актуальна, т.к. несколько сот гектаров поверхности земли занимают вывозимые ежегодно в отвал смеси [10], в Одесской области.

В целях снижения загрязнения почв различными промышленными отходами в практике охраны земельных ресурсов предусматриваются следующие мероприятия:

утилизация;

обезвреживание методом сжигания;

захоронение на специальных полигонах;

организация усовершенствованных свалок [11].

Выбор метода обезвреживания и утилизации отходов зависит от их химического состава и степени влияния на окружающую среду.

Так, отходы металлообрабатывающей, металлургической, угольной промышленности, содержат частицы песка, породы и механические примеси. Поэтому отвалы изменяют структуру, физико-химические свойства и механический состав почв.

Указанные отходы используют при строительстве дорог, засыпке котлованов и отработанных карьеров после обезвоживания. В тоже время отходы машиностроительных заводов и химических предприятий, содержащие соли тяжелых металлов, цианиды, токсичные органические и неорганические соединения, утилизации не подлежат. Эти виды отходов собирают в шламонакопители, после чего их засыпают, утрамбовывают и озеленяют место захоронения [12].

Фенол - наиболее опасное токсичное соединение, находящееся в формовочных и стержневых смесях. В тоже время исследования показывают, что основная часть фенолсодержащих смесей, прошедших заливку, практически не содержит фенола и не представляет собой опасности для окружающей среды. Кроме того, фенол, несмотря на его высокую токсичность, быстро разлагается в почве [13]. Спектральный анализ отработанных смесей на других видах связующего показал отсутствие особоопасных элементов: Hg, Pb, As, F и тяжелых металлов [13]. Т.е., как показывают расчеты данных исследований, отработанные формовочные смеси не представляют собой опасности для окружающей среды и не требуют каких-либо специальных мероприятий по их захоро­нению [13]. Негативным фактором является само существование отвалов, которые создают неприглядный пейзаж, нарушают ландшафт. Кроме того, пыль, уносимая с отвалов ветром, загрязняет окружающую среду [14]. Однако, нельзя сказать, что проблема отвалов не решается. В литейном производстве существует целый ряд технологического оборудования, позволяющего проводить регенерацию формовочных песков и использовать их в производственном цикле неоднократно. Существующие методы регенерации традиционно делятся на механические, пневматические, термические, гидравлические и комбинированные.

По данным Международной комиссии по регенерации песков, в 1980 г. из 70 опрошенных литейных предприятий Западной Европы и Японии 45 использовали установки механической регенерации [15].

В тоже время, литейные отработанные смеси - хорошее сырье для стройматериалов: кирпича, силикатного бетона, и изделий из него, строительных растворов, асфальтобетона для дорожных покрытий, для отсыпки полотна железных дорог [10].

Исследования Свердловских ученых (Россия) показали, что отходы литейного производства обладают уникальными свойствами: ими можно обрабатывать осадки сточных вод (для этого пригодны существующие отвалы литейного производства); защищать стальные конструкции от почвенной коррозии [16]. Специалисты Чебоксарского завода промышленных тракторов (Россия) использовали пылевидные отходы регенерации в качестве добавки (до 10%) при производстве силикатного кирпича [10].

Многие литейные отвалы используются как вторичное сырье в самом литейном производстве. Так, например, кислый шлак сталелитейного производства и феррохромовый шлак применяются в технологии шликерного формообразования при литье по выплавляемым моделям [17].

В ряде случаев отходы машиностроительных и металлургических производств содержат значительное количество химических соединений, которые могут представлять ценность как сырье и использоваться в виде дополнения к шихте [18].

Рассмотренные вопросы улучшения экологической обстановки при производстве литых деталей позволяет сделать вывод о том, что в литейном производстве можно комплексно решать весьма сложные экологические проблемы.

Результатом данной работы явилась разработанная технология получения тонкостенных ребристых радиаторов в песчано-глинистые сырые формы, которая имеет ряд особенностей:

выбор разъема модели и формы по диагонали;

применение при формовке пенополистироловых вкладышей, выжигаемых при заливке;

вентилирование полости формы через систему выпоров и газоотводные наколы для каждого ребра;

применение протяжного шаблона при извлечении модели из формы;

совмещение функций выпора и прибыли.

Эти технологические особенности обеспечивают улучшение газового режима формы, предотвращают засоры, а также полную проливаемость отливки. Применение разработанной технологии практически полностью исключило брак отливок по недоливам, газовым, усадочным и песчаным раковинам.

Разработанная математическая модель скорости затвердевания отливки позволяет уже на стадии проектирования по химическому составу, механическим свойствам, конфигурации, судить о возможной структуре будущей отливки. Что позволяет конструктору-технологу своевременно вносить изменения и коррективы в разрабатываемую технологию.

Так в результате просчета математической модели получено, что структурой отливки теплообменник является феррит+графит с незначительными включениями перлита. Это в последствии и подтвердилось на практике.

Для создания более плотной перлитной структуры необходимо изменить скорость кристаллизации или химический состав металла. Изменение химического состава металла по технологическим причинам в данном случае более приемлемо. При изменении химического состава для создания более плотной структуры применялась сурьма, т.к. присадка данного компонента в металл (на дно ковша) не представляет собой никаких трудностей и возможна в любом литейном цехе.

В результате проведенных экспериментов выявлено, что незначительная присадка сурьмы изменяет его структуру. Преобладающей структурой становится перлит+графит, причем графитовые включения измельчаются, более равномерно распределяются по сечению отливки и стремятся к шаровидной форме. Все это повышает герметичность получаемого чугуна, а следовательно и отливки.

По результатам экспериментов выявлена оптимальная в процентном соотношении присадка сурьмы обеспечивающая герметичность данной отливки и не ухудшающая ее механических свойств.

При получении отливок работающих при повышенном давлении для обеспечения их герметичности необходимо произвести присадку сурьмы на дно ковша 0.1 %-0.4 % от массы жидкого металла.

Рис.10-1. Годная отливка

По разработанной технологии отлита опытная партия радиаторов (рис.10-1) с присадкой сурьмы 0.16 %. Полученные радиаторы успешно выдержали заводские испытания давлением 11 кгс/см², в отличии от отливок полученных без присадок сурьмы, которые давали “течь” при 4-5 кгс/см².

Исходя из результатов экспериментов и производственных испытаний можно сделать вывод, что при литье тонкостенных чугунных отливок, работающих при повышенных давлениях, можно использовать серый чугун с присадкой сурьмы взамен высокопрочных чугунов, что значительно облегчает процесс производства.

ЛИТЕРАТУРА

Волков В.И., Устинов М.А. Отливка чугунных радиаторов. -М.: Гос.Издательство строительной литературы, 1946. -131 с.

Безмаслянный крепитель "БК" в радиаторном и котельном производстве. -М.: Промстройиздат, 1954, -10 с.

Новый безмаслянный крепитель КО. -Таганрог, 1965. -7 с.

Методические указания по выполнению раздела "Охрана труда" в дипломных проектах, Одесса 1986, А.К.Машков.

Методические указания и задания к самостоятельной работе студентов по курсу "Охрана труда" для студентов специальности 12.03 А.К.Машков, ОПИ 1989.

В.Н.Иванов. Словарь справочник по литейному производству

Справочник Средства защиты в машиностроении, С.В.Белов, А.Ф.Козьяков, О.Ф.Партолин и др., 1989, -М: Машиностроение -368 с.

Получение герметичных чугунных отливок гидроаппаратуры с литыми каналами. Обзор. -М., 1973. -51 с.

Исследование герметичности чугунных отливок для компрессоров холодильных машин. Отчет ОПИ. -Одесса, 1968.

Грачев В.А., Сосновский Е.Д. Улучшение условий труда и экологии в литейном производстве // Литейное производство, 3, 1990. -с. 29

Охрана окружающей среды / С.В.Белов, Ф.А.Козьяков и др. -М: Всшая школа, 1983. -264с.

Справочная книга по охране труда в машиностроении / Г.В.Бектобеков и др. -Л: Машиностроение, 1989. -541с.

Токсичные вещества в твердых отходах Литейного производства А.А.Ляпкин, Н.С.Чуракова, Т.В.Баталова // Литейное производство, 10, 1984. -с. 35-36.

О принципах захоронения отходов литейного производства. А.А.Ляпкин, М.В.Пасынкова // Литейное производство, 5, 1987. -с. 9-11.

Регенерация песка из отработанных смесей. А.А.Шпектор, В.С.Палестин, В.Н.Скорняков // Литейное производство, 5, 1987. -с. 26-30.

Проблемы экологии и пути их решения в литейном производстве. А.И.Корзон, А.А.Ляпкин, Р.И.Оглоблина // Литейное производство, 3, 1988. -с. 2-3.

Об экологичности шликерной технологии Л.А.Иванова, Л.В.Прокопович, И.В.Прокопович /Сб. "Пути повышения качества и экономичности литейных процессов". -Одесса: Совпин, 1994. -с. 37-38.

Техника защиты окружающей среды: Учебное пособие для вузов / Н.С.Торочешников, А.И.Родионов и др. -М.: Химия, 1981. -368 с.

Исследования герметичности литейных сплавов. /Сб. "Труды первого совещания по литейным свойствам сплавов". -Киев: Наукова думка, 1968.

Maschine Design, США, 1970, Т -29.

Влияние углерода и кремния на пористость чугунных цилиндровых втулок для дизелей. // Вестник машиностроения, 1969, 10.

Свойства элементов. Справочник /Под редакцией М.Е.Дрица- М.: Металлургия, 1985. -672 с.

Колесниченко А.Г., Дубинин А.В. О герметичности серых чугунов // Литейное производство, 1979, 12 -с. 18-20.

Исследование процесса получения здоровых корпусных станочных отливок и отливок гидравлических систем. -Очет ОПИ, 1962. -150 с.

Доценко П.В. Исследование некоторых свойств серых чугунов, легированных сурьмой. - Диссертация ктн. -Одесса; ОПИ, 1967. -160 с.

ГОСТ 24812-81. Ипытание изделий на воздействие механических факторов.

В.А.Рыбкин Ручное изготовление литейныХ форм. - М.: Высшая школа, 1986. -199 с.

Справочник молодого литейщика. - М.: Высшая школа, 1991. -319 с. Абрамов Г.Г., Панченко Б.С.

Могилев В.К., Лев О.И. Справочник литейщика. - М.: Машиностроение, 1988. -272 с.

Куманин И.Б. Вопросы теории литейных процессов. - М.: Машиностроение, 1976. -216с.

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Литейное материаловедение". Раздел "Определение твердости металлов и сплавов" для студентов специальности 12.03. /Сост. В.Г.Борщ, В.И.Саитов. - Одесса: ОПИ, 1991. -20 с.

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Литейное материаловедение". Раздел "Изучение макро- и микроструктуры металлов и сплавов". для студентов специальности 12.03. /Сост. В.Г.Борщ, П.В.Доценко. - Одесса: ОПИ, 1990. -32 с.

Методические указания к выполнению лабораторным работам по дисциплине "Теория формирования отливок". для студентовспециальности 12.03. /Сост. Л.А.Иванова, Ю.Г.Баринов. - Одесса: ОПИ, 1991. -28 с.

Баландин Г.Ф. Основы формирования отливки. Ч.1. Тепловые основы теории. Затвердевание и охлаждение отливки. -М.: Машиностроение, 1976 -328 с.

Комаров О.С. Термокинетические основы кристаллизации чугуна. - Мн.: Наука и техника, 1982. -262 с.

Сычев В.В. Дифференциальные уравнения термодинамики. -М.: Высшая школа, 1991. -224 с.

Серебро В.С. Основы теории газовых процессов в литейной форме. -М.: Машиностроение, 1991. -208 с.

Фельдман О.А. Microsoft Word для Windows 6.0. -М.: Евроиндекс ЛТД, 1994. - 176 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Программа для расчета припусков на механическую обработку (язык программирования GI):

Главная программа:

CALL pri }c

FR "M" mane$ }

EX k% "GR.EXE" "SLD.KX" 1 1 33 78 "a" }

rmax=309

rmin=19

PR "~c14m1" }

PR "~c15" }

MV 23 40 "" i%=3

"Наибольший размер детали " rmax

"Наименьший размер детали " rmin

"Продолжить работу " }

PR "~c15" }

MV 26 45 "Тип сплава" i%=1

"Черный нетермообрабатываемый" m1

"Черный термообрабатываемый" m2

"Цветной нетермообрабатываемый" m3

"Цветной термообрабатываемый" } GO m4

m1:

ts=1

GO m5

m2:

ts=2

GO m5

m3:

ts=3

GO m5

m4:

ts=4

m5:

CALL pri }c

DE 1 1 2 0 15

"Диапазон класса размерной"

"точности отливки выбирается"

"из таблицы 9 ГОСТ 26645-85" }

k%=0

GBD p% "t9_"+mane$ k% "ngab>=" rmax }

IF p% GO en }i

CALL case }c

PRINT "~x20y5X59Y9f1w" "~v_Класс размерной точности отливки:_bl7p34",krt$ }

DE 1 1 3 0 15

"Допуск смещения формы отливки"

"по плоскости разъема устанавливается"

"по таблице 1 ГОСТ 26645-85 на уровне"

"класса размерной точности отливки"

"Допуск смещения, вызваный перекосом"

"стержня устанавливается в диаметральном"

"выражении по таблице 1 ГОСТ 26645-85 на"

"1-2 класса точнее" }

DE 9 40 2 0 15

"Класс размерной точности"

"отливки выбирается из диапазона"

"в зависимости от группы сложности"

"(для данной отливки - 2 группа)" }

krto%=9

MV 14 18 "Тип сплава" i%=2

"Класс размерной точности отливки: " krto%

"Продолжить работу " }

DE 31 29 4 0 14

"Нажмите любую клавишу..." }

KEY s$

k%=0

GBD p% "t1" "nomr=" nomr2 }

CALL kkrtt }c

DE "Припуск на размер"

nomr1

"состовляет"

prips }

k%=0

GBD p% "t1" "nr>=" nomr2 }

CALL kkrtt }c

DE "Припуск на размер"

nomr1

"состовляет"

prips }

IF p% 0 GO en }i

ktnr$=krto%

nomr=19

MV 19 20 "" i%=3

"Номинальный размер " nomr

"Класс точности данного размера " ktnr$

"Продолжить работу " }

CALL rr }c

nomr1=nomr

dop1=dop

nomr=60

ktnr$=8

MV 19 20 "" i%=3

"Номинальный размер " nomr

"Класс точности данного размера " ktnr$

"Продолжить работу " }

CALL rr }c

nomr2=nomr

dop2=dop

nomr=266

ktnr$=11т

MV 19 20 "" i%=3

"Номинальный размер " nomr

"Класс точности данного размера " ktnr$

"Продолжить работу " }

CALL rr }c

nomr3=nomr

dop3=dop

DE 31 29 4 0 14

"Нажмите любую клавишу..." }

KEY s$

; Пункт 2.2;

d=rmin/rmax

PRINT "~i" }

DE 1 1 1 0 15

"Отношение максимального"

"и минимального размера"

"отливки"

""

d

"" }

DE 6 20 2 0 15

"Диапазон степени коробления"

"отливки определяется по"

"таблице 10 ГОСТ 26645-85" }

n%=0

GBD p% "t10" n% "div=" rmax }

IF p% GO en }i

FR "M" q1$ q2$ q3$ q4$ }

IF ts=1 THEN krt$=q2$ }i

ELSE IF ts=2 THEN krt$=q4$ }i

ELSE IF ts=3 THEN krt$=q1$ }i

ELSE IF ts=4 THEN krt$=q3$ }i

}e

}e

}e

DE 9 25 2 0 15

"Диапазон cтепени точности поверхности"

""

krt$

"" }

stp=14

MV 14 37 "" i%=2

"Cтепени точности поверхности " stp

"Продолжить работу " }

DE 17 5 2 0 15

"Определяем вид"

"окончательной "

"обработки" }

PR "~c10m14" }

PR "~c11C13" }

MV 20 26 "Квалитет Rz обработка " i%=1

" 16-17 Rz 320 обдирка " v10

" 14 Rz 100 черновая " v14

" 12 Rz 50 получистовая" v14

" 10-11 Rz 25 чистовая " v14

" 7-9 Rz 5 тонкая " }

v10:

v14:

PR "~i" }

DE 1 1 1 0 15

"Ряд припусков на механическую"

"обработку определяют по "

"таблице 14 ГОСТ26645-85" }

GBD p% "t14" k% "stt>="stp }

;IF k% GO en }i;

FR "M" rpr$ }

DE 5 28 1 0 15

"Ряд припусков"

""

rpr$

"" }

prt%=5

PR "~c15m1" }

MV 14 29 "" i%=2

"Ряд припуска " prt%

"Продолжить работу " }

GBD p% "t5" k% "rrr>="prt% }

FR "M" minpr }

DE 7 52 2 0 15

"Минимальный припуск"

"определяем по таблице 5"

"ГОСТ 26645-85" }

DE 15 52 1 0 15

"Минимальный припуск"

"равен ", minpr }

DE 31 29 4 0 14

"Нажмите любую клавишу..." }

KEY s$

CALL pri }

us=1.0

MV 19 20 "" i%=3

"Номинальный размер " nomr

"Процент усадки сплава " us

"Продолжить работу " }

usn=(nomr*us)/100

DE 13 29 1 0 15

"Допуск на усадку:"

""

usn

"" }

DE "Общий допуск на сторону складывается"

"из значений найденных в таблицы 16"

"и вида окончательной механической обработки"

"и ряда припуска отливки" }

nomrr=nomr+dop+usn

KEY q$

MV 1 1 "" i%=1

"Класс точности массы" klm

"Продолжить " }

en:

}p

Подпрограмма выбора типа литья:

CALL pri }c

mans1:

PR "~i" }

DE 1 1 8 0 14

">>>>>>>>>>>>>>>>> 1 2 3