PL247653B1 - Sposób wytwarzania kanałów układów wlewowych form odlewniczych, w szczególności piaskowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania kanałów układów wlewowych form odlewniczych, w szczególności piaskowych, polegający na tym, że układ wlewowy formy odlewniczej buduje się przy użyciu kształtek rurowych o odpowiednim przekroju i długości oraz w ilości dostosowanej do wielkości formy odlewniczej, układając je w formie odlewniczej podczas jej wykonywania w taki sposób, by tworzyły kanał wlewu głównego znamienny tym, że każdą kształtkę rurową wykonuje się z tej samej lub pokrewnej masy formierskiej, jak ta, z której wykonywana jest forma odlewnicza ze szczególnym uwzględnieniem podobieństwa chemicznego w zakresie systemów wiążących, przy czym zawartość spoiwa wynosi od 56% do 64% wagowych, a wewnętrzna powierzchnia robocza kształtki rurowej wyposażona jest w co najmniej dwuwarstwową powłokę odporną na wysoką temperaturę i działanie metalu, korzystnie zawierającą mączkę cyrkonową w ilości od 60% do 70% wagowych i mającą lepkość określaną czasem wypływu z kubka Forda o wartości od 17 do 20s, którą nanosi się na powierzchnię roboczą po całkowitym utwardzeniu masy formierskiej, a której grubość po wysuszeniu wynosi od 0,7 do 1,2 mm.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania kanałów układów wlewowych form odlewniczych, w szczególności piaskowych.

Współczesne technologie wytwarzania form odlewniczych z użyciem mas z żywicami organicznymi wykorzystują proces regeneracji osnowy dla jej wielokrotnego użycia i obniżenia kosztów. Po zalaniu formy i wybiciu z niej zakrzepniętego i wystudzonego odlewu kształtki układów wlewowych, niezależne z jakiego materiału są wykonane, ulegają destrukcji a produkty tego procesu w całości przechodzą w trakcie wybijania do masy formierskiej. Przed regeneracją takiej masy należy mechanicznie odseparować obce materiałowo resztki kształtek układu wlewowego od masy formierskiej.

Dotychczas w układach wlewowych w formach piaskowych wytwarzanych z mas ze spoiwami chemicznymi stosuje się kształtki rurowe oraz złączki o przekroju kołowym, najczęściej ceramiczne lub wykonane z mieszaniny celulozy z żywicą melaminowo-mocznikowo-formaldehydową i mikrosferami, czyli aluminosilikatami. Jeden z materiałów celulozowych używany do wykonywania kształtek układów wlewowych jest chroniony polskim patentem PL 225 852 B1. Charakteryzuje się on niższą emisyjnością szkodliwych gazów podczas zalewania formy.

Stosowanie wyrobów z ceramiki na kształtki układów wlewowych jest kłopotliwe z kilku powodów. Przede wszystkim utrudnia recykling masy z uwagi na konieczność ich odseparowania od masy przed procesem jej regeneracji. Ponadto trudna jest ich obróbka mechaniczna, co ma miejsce przy dopasowaniu kształtek do wymiarów formy - kształtki trzeba wtedy skracać, przycinać, szlifować i dopasowywać. Tego rodzaju kształtki generują również dodatkowe koszty wykonania odlewu związane z ich zakupem oraz opłatami środowiskowymi przy ich utylizacji.

Natomiast kształtki i złączki wykonywane z mieszaniny celulozy z żywicą i mikrosferami, są uciążliwe, gdyż zawierają w swoim składzie materiały wytwarzające szkodliwą dla środowiska mieszaninę gazów, powstającą podczas kontaktu z ciekłym metalem, czyli w warunkach, w jakich są używane. Wszystkie odmiany materiałów na kształtki i złączki układów wlewowych bazujące na osnowie celulozy charakteryzują się dużą higroskopijnością. Prowadzi to do wchłaniania wilgoci z powietrza podczas składowania w magazynie oraz wchłaniania wilgoci z mas formierskich po wykonaniu formy. Skutkuje to zwiększoną skłonnością do wydzielania się z nich gazów, w tym pary wodnej podczas zalewania form ciekłym metalem i prowadzi wprost do wprowadzania składników gazu, najczęściej wodoru do ciekłego metalu. Opisany proces może powodować powstawanie w odlewach wad pochodzenia gazowego.

Na europejski i amerykański rynek odlewów żeliwnych w 2011 r. został wprowadzony system kształtek HOLLOTEX EG Runner. Wyeliminował on konieczność usuwania fragmentów zużytych ogniotrwałych rurek z obiegu masy formierskiej poddawanej recyklingowi, ponieważ materiał na kształtki układów wlewowych składa się głównie z celulozy, składników mineralnych i włókien węglowych zapewniających spoiwo. W pierwszej wersji wykonania był dedykowany głównie do odlewania żeliwa, nie był stosowany do staliwa, gdyż nie wytrzymywał działania wysokich temperatur odlewania stosowanej w odlewaniu stali. Obecnie dostępne są kształtki o średnicy 50 i 70 mm, brakuje natomiast oferty do form wielkogabarytowych, w których stosuje się kształtki o średnicy 80 i 100 mm.

Reasumując, cechą charakterystyczną stosowanych kształtek stanowiących elementy układów wlewowych dla form wykonywanych ręcznie, form wytwarzanych z mas ze spoiwami chemicznymi jest duża uciążliwość z usuwaniem i utylizacją resztek kształtek ceramicznych wymieszanych z masą kierowaną do regeneracji oraz stosunkowo wysokie koszty w rachunku ciągnionym: zakup kształtek, koszty separacji z masy, wywóz i utylizacja resztek ceramicznych. Z kolei cechą charakterystyczną kształtek wykonywanych na osnowie celulozy jest ich umiarkowana odporność na działanie wysokiej temperatury metalu, skłonność do wchłaniania wilgoci z powietrza podczas ich magazynowania i wchłaniania ciekłych składników masy formierskiej wiązanej spoiwami chemicznymi, zawierającymi wodę, alkohole rozcieńczające żywice, kwasy jako utwardzacze, itp. Wilgoć z kształtek przechodzi do metalu w trakcie zalewania formy i wielu wypadkach może prowadzić do powstawania wad pochodzenia gazowego. Ponadto, kształtki celulozowe, z uwagi na konstrukcyjną wytrzymałość są oferowane jedynie do wielkości średnicy otworu 70 mm.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji kształtek stosowanych jako elementy układów wlewowych, szczególnie wlewów głównych i sposobu ich wykonywania z masy formierskiej opartej o ten sam system wiążący czyli spoiwo, utwardzacz, katalizator, który jest wykorzystywany do wytwarzania masy dla form z opisanymi kształtkami. W dotychczasowej praktyce form wielkogabarytowych dominują masy furanowe jako tworzywo na formy średnio- i wielkogabarytowe dla żeliwa. W takim przypadku korzystnym byłoby, gdyby również kształtki wynalazku były wykonane z masy furanowej.

Sposób wytwarzania kanałów układów wlewowych form odlewniczych polega na tym, że układ wlewowy formy odlewniczej buduje się przy użyciu kształtek rurowych o odpowiednim przekroju i długości oraz w ilości dostosowanej do wielkości formy odlewniczej, układając je w formie odlewniczej podczas jej wykonywania w taki sposób, by tworzyły kanał wlewu głównego. Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że każdą kształtkę rurową wykonuje się z tej samej lub pokrewnej masy formierskiej jak ta, z której wykonywana jest forma odlewnicza ze szczególnym uwzględnieniem podobieństwa chemicznego w zakresie systemów wiążących, przy czym zawartość spoiwa wynosi od 56 do 64% wagowych. Wewnętrzna powierzchnia robocza kształtki rurowej wyposażona jest w co najmniej dwuwarstwową powłokę odporną na wysoką temperaturę i działanie metalu, korzystnie zawierającą mączkę cyrkonową w ilości od 60 do 70% wagowych i mającą lepkość określaną czasem wypływu z kubka Forda o wartości od 17 do 20 s, którą nanosi się na powierzchnię roboczą po całkowitym utwardzeniu masy formierskiej, a której grubość po wysuszeniu wynosi od 0,7 do 1,2 mm.

Korzystnie masa formierska zawiera osnowę z piasku kwarcowego i regeneratu, do której dodaje się żywicę furanową oraz utwardzacz.

W korzystnym wykonaniu żywica furanowa charakteryzuje się podwyższoną zawartością alkoholu furfuryl owego, która wynosi od 90 do 96% wagowych. Korzystnie kształtki rurowe formuje się w rdzennicy wielownękowej. Korzystnym jest, że przed nasypaniem masy do rdzennicy wielownękowej powierzchnię rdzennicy odtwarzającą wewnętrzną/roboczą część kształtki rurowej umieszcza się włókninę ze szkła mineralnego o gramaturze od 45 do 55 g/m².

Korzystnie wymiary i przekrój kształtki rurowej powiązane są z wielkością układu wlewowego i odlewu.

Korzystnie otwór wewnętrzny kształtki rurowej ma przekrój kołowy.

Stosowanie kształtek układu wlewowego wykonanych z tego samego lub bardzo bliskiego składem materiału daje szereg korzyści, do których zaliczyć należy: materiał z kształtek nie wymaga oddzielania od masy wybitej z formy, miesza się z nią i przekazywany jest do regeneracji, eliminuje się z procesu technologicznego w sposób znaczący lub całkowicie stosowanie kształtek ceramicznych i konieczność ich separacji z masy wybitej, unika się stosowania kształtek celulozowych, które mogą być źródłem zagazowania metalu. Ponadto proces przygotowania kształtek przeprowadzany jest w macierzystej odlewni, a kształtki wykonuje się w tej samej technologii, którą stosuje się do wykonywania rdzeni w danej odlewni. Stosowanie kształtek wykonywanych wg wynalazku prowadzi do uproszczenia technologii, obniżki kosztów produkcji oraz upraszcza logistykę materiałową.

Rozwiązanie według wynalazku zostało zilustrowane poniższymi przykładami wykonania.

Przykład I

Odlew wlewnicy A050 o masie 5300 kg brutto wykonywany jest w formie o wymiarach A x B x (Hd + Hg) 1440 x 1440 (500 + 3200). Układ wlewowy odtwarzany był zwykle przy użyciu 10 kształtek ceramicznych i składał się z wlewu głównego o średnicy 80 mm i wysokości 3000 mm, dwóch komór filtrujących, 4 wlewów doprowadzających w postaci poziomych kanałów o średnicy 60 mm i długości 12 mm każdy. Dzięki technologii z zastosowaniem kształtek z masy furanowej wyeliminowano kształtki ceramiczne używane do wytworzenia kanału wlewu głównego. Zastosowano 9 szt. kształtek o długości 300 mm i średnicy otworu fi 80 mm. Kształtki o kształcie tulei z jednym kołnierzem i o wymiarach: otworu wewnętrznego - 80 mm, średnicy zewnętrznej - fi 120 mm i długości całkowitej roboczej 300 mm zostały wykonane w rdzennicy wielownękowej.

Do wykonania kształtki rurowej zastosowano masę furanową o następującym składzie procentowym: - osnowa - świeży piasek kwarcowy: 60%, - regenerat 40% o ziarnistości frakcji głównej 0,4, 0,32, 0,20 mm, do którego dodano 1,0% żywicy furanowej o podwyższonej zawartości alkoholu furfurylowego (AF: 90-96%) oraz utwardzacza w postaci kwasu p-toluenosulfonowego, zawierającego maksymalnie 5% H2SO4 w ilości 40% w stosunku do ilości spoiwa.

Masę wymieszano w mieszarce do wytwarzania masy rdzeniowej. Przed nasypaniem masy do rdzennicy na powierzchni rdzennicy odtwarzającej wewnętrzną/roboczą część kształtki została umieszczona włóknina ze szkła mineralnego o gramaturze 50 g/m². Po takim przygotowaniu rdzennica została napełniona masą rdzeniową i zagęszczona metodą wibracji. Rdzennicę z masą umieszczano na stole wibracyjnym o częstotliwości 45 Hz. Kształtkę rurową wstępnie utwardzono przez 1 h, a na stępnie całkowicie po 24 h. Tak przygotowaną kształtkę poddano procesowi nanoszenia powłoki ochronnej na wewnętrze powierzchni roboczej. Powłokę cyrkonową o lepkości mierzonej czasem wypływu z kubka Forda - 16 s naniesiono na stanowisku do powlekania rdzeni powłokami metodą polewania. Powłoka ochronna utworzona przez włókninę i ciekłą masę ceramiczną uzyskała budowę powłoki hybrydowej o zwiększonej odporności na działanie ciekłego metalu.

Po wyschnięciu powłoki naniesiono drugą warstwę tej samej powłoki, co pozwoliło osiągnąć jej grubość w stanie po wysuszeniu około 0,75 mm. W taki sam sposób przygotowano kolejne kształtki rurowe niezbędne do wykonania kanału wlewu głównego o długości 3000 mm. Kształtki rurowe, podobnie jak i kształtki z innych materiałów mają kształt elementów samocentrujących się podczas budowania układu wlewowego o określonej długości. Jedna końcówka kształtki ma gniazdo centrujące czyli tzw. kielich, a drugi koniec na zamek centrujący.

Tak przygotowane kształtki rurowe zostały ułożone w formie podczas jej wykonywania na stanowisku formowania pod mieszarkonasypywarką. Do wytworzenia formy wykorzystano masę furanową z tym samym systemem wiążącym tj. żywica i utwardzacz, który był zastosowany do wytwarzania kształtek rurowych. Wykorzystano 11 kształtek do zbudowania kanału wlewu głównego. Po wykonaniu formy wg stosowanej technologii, jej złożeniu i obciążeniu skierowano ją na pole zalewania. Formę zalano żeliwem szarym tzw. wlewnicowym o temperaturze zalewania 1310°C. Po wystygnięciu odlewu w okresie 42 h został on wybity z formy. Kształtki wykonane wg wynalazku, z tej samej masy co forma uległy zupełnemu rozsypaniu się podczas wybijania odlewu, a masa użyta do ich wytworzenia przeszła do masy kierowanej do regeneracji.

Przykład II

Odlew wlewnicy R23 o masie 34,3 ton wykonywany jest w skrzyni formierskiej, a układ wlewowy zawiera dwa wlewy główne o średnicach fi 100 mm każdy i całkowitej wysokości wynoszącej 4500 mm. Wlewy główne zostały zbudowane z kształtek z masy furanowej rdzeniowej wg wynalazku, które to kształtki miały wymiary: średnicy wewnętrznej - fi 100 mm, średnicy zewnętrznej fi - 140 mm i wysokości H = 400 mm. Do wykonania każdej kształtki rurowej zastosowano masę furanową o składzie procentowym:

- osnowa - świeży piasek kwarcowy: 60%,

- regenerat 40% o ziarnistości frakcja główna 0,4, 0,32, 0,20 mm, do którego dodano 1,0% żywicy furanowej o podwyższonej zawartości alkoholu furfurylowego (AF: 90-96%) oraz utwardzacza kwas p-toluenosulfonowy, zawierający maksymalnie 5% H2SO4 w ilości 40% w stosunku do ilości spoiwa.

Masę wymieszano w mieszarce do wytwarzania masy rdzeniowej. Przygotowaniu rdzennica została napełniona masą rdzeniową i zagęszczona metodą wibracji. Rdzennicę wypełnioną masą umieszczano na stole wibracyjnym o częstotliwości 45 Hz i zagęszczano wibracyjnie przez 30 s. Kształtkę rurową wstępnie utwardzono w okresie 1 h i całkowicie po 24 h. Tak przygotowaną kształtkę poddano procesowi nanoszenia powłoki ochronnej na wewnętrze powierzchni roboczej. Zastosowano powłokę alkoholową cyrkonowa Protecta PCM2-VK1 o składzie: osnowa - mączka cyrkonowa 60-70%, krzemionka koloidalna 5-8% masowych, rozcieńczalnik w postaci alkoholu izopropylowego w ilości - 20-25% nadającej lepkość określaną w Kubku Forda około 18 s i niewielkiej ilości bentonitu 1-2%. Po wyschnięciu powłoki naniesiono drugą warstwę tej samej powłoki, co pozwoliło osiągnąć jej grubość w stanie po wysuszeniu około 1,00 mm. W taki sam sposób przygotowano kilkanaście kształtek rurowych niezbędnych do wykonania kanału wlewu głównego o długości 4500 mm. Kształtki rurowe, podobnie jak i kształtki z innych materiałów mają kształt elementów samocentrujących się podczas budowania układu wlewowego o określonej długości. Jedna końcówka kształtki ma gniazdo centrujące tak zwany kielich, a drugi koniec na zamek centrujący.

Tak przygotowane kształtki rurowe, podobnie jak w przykładzie I zostały ułożone w formie podczas jej wykonywania na stanowisku formowania pod mieszarkonasypywarką. Do wytworzenia formy wykorzystano masę furanową z tym samym systemem wiążącym (żywica + utwardzacz), który był zastosowany do wytwarzania kształtek rurowych. Wykorzystano po 12 kształtek na każdy z wlewów głównych, razem 24 do zbudowania kanału podwójnego wlewu głównego. Po wykonaniu formy wg stosowanej technologii, jej złożeniu i obciążeniu skierowano ją na pole zalewania. Formę zalano żeliwem szarym tzw. wlewnikowym o temperaturze zalewania 1260°C. Po wystygnięciu odlewu w okresie 120 h został on wybity z formy. Jakość odlewu nie odbiegała od tej jakości, jaką standardowo uzyskuje się w technologii z kształtkami ceramicznymi. Kształtki wykonane wg wynalazku, z tej samej masy co forma uległy zupełnemu rozsypaniu się podczas wybijania odlewu a masa użyta do ich wytworzenia przeszła do masy kierowanej do regeneracji.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania kanałów układów wlewowych form odlewniczych, w szczególności piaskowych, polegający na tym, że układ wlewowy formy odlewniczej buduje się przy użyciu kształtek rurowych o odpowiednim przekroju i długości oraz w ilości dostosowanej do wielkości formy odlewniczej, układając je w formie odlewniczej podczas jej wykonywania w taki sposób, by tworzyły kanał wlewu głównego, znamienny tym, że każdą kształtkę rurową wykonuje się z tej samej lub pokrewnej masy formierskiej jak ta, z której wykonywana jest forma odlewnicza ze szczególnym uwzględnieniem podobieństwa chemicznego w zakresie systemów wiążących, przy czym zawartość spoiwa wynosi od 56 do 64% wagowych, a wewnętrzna powierzchnia robocza kształtki rurowej wyposażona jest w co najmniej dwuwarstwową powłokę odporną na wysoką temperaturę i działanie metalu, korzystnie zawierającą mączkę cyrkonową w ilości od 60 do 70% wagowych i mającą lepkość określaną czasem wypływu z kubka Forda o wartości od 17 do 20 s, którą nanosi się na powierzchnię roboczą po całkowitym utwardzeniu masy formierskiej, a której grubość po wysuszeniu wynosi od 0,7 do 1,2 mm.
2. 2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że masa formierska zawiera osnowę z piasku kwarcowego i regeneratu, do której dodaje się żywicę furanową oraz utwardzacz.
3. 3. Sposób według zastrz. 3 znamienny tym, że żywica furanowa charakteryzuje się podwyższoną zawartością alkoholu furfurylowego, która wynosi od 90 do 96% wagowych.
4. 4. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że kształtki rurowe formuje się w rdzennicy wielownękowej.
5. 5. Sposób według zastrz. 4 znamienny tym, że przed nasypaniem masy do rdzennicy wielownękowej powierzchnię rdzennicy odtwarzającą wewnętrzną/roboczą część kształtki rurowej umieszcza się włóknina ze szkła mineralnego o gramaturze od 45 do 55 g/m².
6. 6. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że wymiary i przekrój kształtki rurowej powiązane są z wielkością układu wlewowego i odlewu.
7. 7. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że otwór wewnętrzny kształtki rurowej ma przekrój kołowy.