РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА ОСНОВ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛО-ГАЗОВОГО РЕЖИМА ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ
2.1. Постановка задачи
Протекающие в литейной форме тепловые и газовые процессы тесно связаны между собой, в совокупности они представляют собой систему, в которой отклонение параметров от номинального значения приводит к образованию в отливке литейных дефектов, в т.ч. газового происхождения.
Необходимым условием получения качественных отливок является разработка методов и средств эффективного управления системой тепло-газовых процессов, протекающих в литейной форме. Методической основой для решения этой задачи является системный анализ, представляющий собой современную концептуальную и инструментальную базу для решения сложных научных, инженерных и практических задач [121-124].
До появления системного анализа решение сложных задач базировалось на выделении из всей совокупности изучаемых процессов основного, интенсивность и направление которого определяло конечный результат изучаемой системы. В дальнейшем выделенный процесс подробно изучался экспериментально и теоретически, и на основе этого определялись его параметры оптимизации. Вариантом этого подхода является одновременное изучение нескольких процессов, однако, в этом случае необходимо решать трудную задачу их количественной взаимоувязки, что представляет значительные сложности при изучении реальных процессов.
Необходимость всестороннего, комплексного или, по современной терминологии, системного подхода к изучению и совершенствованию тепло-газового режима литья в сырую форму, подтверждается и обобщением опыта литейщиков ХТЗ по предупреждению образования в отливках дефектов газового происхождения. Так, например, в условиях СЛЦ ХТЗ рациональным подбором состава формовочной смеси и условий её приготовления был значительно уменьшен брак отливок по газовым дефектам. Однако, через некоторое время количество этого вида брака вновь возросло несмотря на то, что строгий контроль не выявил нарушений оптимального состава и технологии приготовления формовочной смеси.
Исследование причин этого явления, проведенное силами технологических служб и научно-исследовательского отдела ХТЗ, показали, что причиной вспышки брака отливок по газовым раковинам является повышение газонасыщенности жидкой стали из-за изменения состава шихты и технологии ее раскисления, произошедшего в силу производственно-снабженческих причин. Известны также подобные случаи на других предприятиях. Распространенной и периодически повторяющейся на разных предприятиях является ситуация, когда вдруг без видимых причин появляется и уходит вспышка количества литейных дефектов.
Общим недостатком существующих исследований ТГР литья в сырую форму является недостаточная увязка параметров газового режима литейной формы и стержня с температурными полями в них.
Отсюда следует, что кроме системности подхода необходимым условием эффективности решения задачи повышения качества отливок путем совершенствования ТГР литейной формы является необходимость использования математических моделей, в которых на первый план выходит требование их высокой адекватности.
Таким образом, для повышения эффективности решения задачи совершенствования ТГР литейной формы необходимо ее поставить и решить на качественно новом уровне с использованием концепций и математического аппарата системного анализа и инструментальных средств кибернетики.
Реализация системного подхода к изучению ТГР литейной формы сводится к разработке методики проведения исследований и к анализу процессов, происходящих в песчаной форме при формирвоании литейных дефектов в процессе ее заливки и установлению их взаимной связи (рис. 2.1), а также выявлению факторов и параметров, определяющих направление и интенсивность взаимодействия изучаемых процессов (рис. 2.2).
Конечной целью исследования является решение задачи выбора структуры, условий и параметров изучаемого процесса для предотвращения образования дефектов газового происхождения в отливках.
На основе этого подхода создана схема взаимодействия процессов при формировании тепло-газового режима литейной формы. Из анализа взаимодействия этих процессов следует, что для решения поставленной задачи необходимо количественно изучить следующие ключевые процессы:
- изменение температурного состояния системы "стержень - металл - сырая литейная форма", учитывающее изменение технологических параметров литья, а также выделение теплоты кристаллизации при затвердевании стальных отливок;
- влияние состава и свойств приготовляемых формовочных смесей на ТГР литейной формы и, как следствие, на качество отливок;
- изменение влажности и газового давления в песчаной форме, с учетом образования и фильтрации газов в литейной форме, а также процесс раскисления жидкого металла.
2.2. Методики исследований
Экспериментальное исследование проведено с целью измерения полей температуры и газового давления с помощью датчиков, расположенных в опытной литейной форме и подсоединенных к прибору автоматической записи температуры и давления во времени (Рис. 2.3).
Формовочную и стержневую смеси приготовляли в лабораторных смесителях из материалов, применяемых при производстве стальных отливок (Приложения А, Б):
1. Песок формовочный 2К2О102 ГОСТ 2138-91.
2. Глина огнеупорная ДН-2 ГОСТ 3226-92, ТУ 14-8-183-75.
Рис. 2.3. Снимок установки измерения температурных полей и полей давления газа в литейной форме
Определение свойств и параметров качества формовочных и стержневых смесей осуществляли на лабораторном оборудовании научно-исследовательского отдела ХТЗ, основными из которых являются: содержание глинистой составляющей по ГОСТ 29234.1-91; влажность смеси нормальным и ускоренным методом на приборе "Сигма-В" с расхождением показателей не более 0,15%; газопроницаемость смеси на стандартом образце на приборе модели ХТЗ; предел прочности смеси при сжатии во влажном состоянии на рычажном приборе модели ФА-2; газотворная спо