Разработка модели технологического процесса получения ребристых труб

Рациональное использование природных ресурсов и энергии является важнейшей задачей производства, экономики и экологии. Поэтому создание оборудования, позволяющего экономить тепловую энергию, является наиболее актуальным.

В решении этой проблемы важная роль принадлежит литейному производству, т.к. литьем получают большинство гидравлического и энергетического оборудования. Среди подобного оборудования особое место занимают литые теплообменники, конструкция которых постоянно усовершенствуется, позволяя более рационально использовать тепловую энергию. Другим направлением в производстве теплообменников, является их удешевление за счет используемого при их отливке сплава. т.к. к подобным отливкам предъявляются повышенные требования по герметичности, то их обычно изготавливают из стали, цветных сплавов или высокопрочного чугуна, что значительно увеличивает стоимость этих отливок. Выход видится в использовании серого чугуна, для чего необходимо найти способы улучшить его свойства.

В производстве подобных отливок также важная роль отводится математическому моделированию, которое в значительной степени упрощает прогнозирование процесса формирования отливки, структуры металла и, в конечном итоге, качества получаемой отливки.

Производство теплоэнергетического оборудования является важной экономической и экологической задачей.  Это определяет актуальность  задачи повышения надежности и долговечности работы и коэффициента полезного действия энергетического оборудования, в том числе и теплообменников. Надежность и экономичность работы этих агрегатов определяется работоспособностью радиаторов — узлов, работающих в условиях повышенных давлений и в агрессивной среде.

Теплообменники подразделяются на промышленные и бытовые.  Выпуск бытовых радиаторов впервые был налажен еще в 40-х годах на Московском чугунолитейном заводе им.Войкова (Россия). [1]. Были созданы различные типы радиаторов, разработаны технологии их производства.

На заводе им.Войкова проводились исследования по разработке связующих материалов для стержневых смесей, применяемых в производстве радиаторов. В результате исследований был разработан безмасляный крепитель БК. [2]. Для стержневых смесей был предложен также безмасляный крепитель КО, для изготовления которого использовались остатки производства синтетических жирных кислот, растворенных в уайт-спирите. [3].

Особые требования при литье радиаторов предъявляются к металлу отливки. Сплав должен обладать:

—   прочностью,

—   износостойкостью,

—   коррозионной стойкостью,

—   герметичностью.

Такими материалами обычно служат сталь, чугун и некоторые цветные сплавы. Однако, высокая стоимость стали и цветных сплавов, а также низкие литейные свойства этих сплавов ограничивают широкое их применение в качестве материала для отливок гидросистем и теплоэнергетического оборудования. Наиболее широкое применение при изготовлении теплообменников получил чугун, как более дешевый, доступный и хороший литейный материал. [24]. Одним из основных требований, предъявляемых к чугуну, является его герметичность.

Требования по герметичности предъявляются к большинству отливок, работающих с жидкостями и газами под давлением. При наблюдении за работой гидравлических устройств, работающих под давлением, часто приходится наблюдать явления, противоречащие друг другу. Так, в ряде случаев одни и те же материалы иногда ведут себя по-разному.  То появляется просачивание жидкости при небольшом давлении, то при значительных давлениях тот же материал ведет себя совершенно по-другому и показывает хорошую герметичность. [24].

Герметичность отливок зависит от неплотного строения.  Неплотное строение отливок вызывают макро- и микродефекты. Макродефекты — усадочные, песчаные, шлаковые раковины, различного рода трещины, спаи и другие нарушения сплошности металла; микродефекты — газовая и рассредоточенная усадочная пористость, крупные выделения графита, дефекты, связанные с фазовыми превращениями материала отливки и другие. [8]. Эти дефекты приводят к браку отливок.

С целью изучения герметичности чугунов многими  исследователями были проведены ряд опытов, которые проливают свет на природу герметичности чугунов.  Герметичность определяют различными способами: минимальной толщиной стенки, выдерживающей заданное давление, максимальным давлением до появления течи, расходом жидкости и газа через стенку определенной толщины при постоянном давлении, поэтому невозможно сопоставить результаты отдельных исследователей.

Так, например, Г.Тамман и Г.Брейдемейер предложили метод определения пористости чугуна красящими веществами. Чугунные кубические образцы с длиной ребер 30 и 60 мм помещали в свободное пространство стального цилиндра с плотно пригнанным поршнем, заливались водным раствором фуксина или зозина и с помощью пресса в течение 10-30 минут подвергали гидростатическому давлению. По количеству красителя, проникающего в образец, определялась пористость чугуна. [24].

В США применяется электропневматический метод испытания на герметичность. [8]. Скорость утечки сжатого воздуха из полости отливки контролируется электрическими датчиками. Метод пригоден для проверки различных по объему образцов при различных давлениях и позволяет качественно оценить герметичность, автоматизировать процесс испытания и автоматически сортировать отливки по герметичности.

Герметомер, созданный в Санкт-Петербургском политехническом институте (Россия), основан на определении количества газа, просочившегося через стенку образца за определенное время. [8]. Герметичность определяют с достаточно высокой точностью. Недостаток — низкая производительность и необходимость изготовления специальных образцов.

На предприятиях, выпускающих гидравлическую аппаратуру и оборудование, испытания на герметичность проводят на специальных стендах. К рабочей полости изделия в течение определенного времени под давлением (1.5-2.5 номинального) подводится рабочая жидкость. По величине потери давления определяется герметичность рабочей полости. [8].

В Одесском политехническом университете проводились исследования герметичности серых чугунов, подвергая образец, вырезанный из отливки, одностороннему давлению жидкости (газа). [9].

Результаты испытания серых чугунов разного состава иллюстрируют влияние графитовой и усадочной пористости на характер фильтрации жидкости. Анализ показывает, что количество просочившейся жидкости и, следовательно, определившаяся при этом величина герметичности зависят от пористости в сплаве, а также от свойств металлической основы (фазовый состав, прочность и пластичность материала). [8,9].

Известно, что величина и тип пористости, являющийся одним из основных критериев герметичности, в значительной степени зависят от величины интервала кристаллизации. [19]. Поэтому большое  значение приобретает химический состав применяемого чугуна, определяющий интервал кристаллизации. Исследованы зависимости пористости от содержания в чугуне углерода и кремния. [19, 20, 21]. Установлено, что при увеличении содержания углерода и кремния возрастают число пор и их размер.

Установлено, что герметичность чугунных отливок с пластинчатым графитом зависит от количества и размеров включений графита в структуре чугуна. [22]. Графитовые включения, сообщаясь между собой, приводят к образованию «транзитной” микропористости из-за сообщаемости между собой зазоров на границах графит-матрица по сечению стенки отливки, что приводит к браку отливки по «течи”. По этим зазорам проникают жидкости и газы в стенках сосудов, работающих под давлением. [23].

Учитывая все вышеизложенное, основными мероприятиями, направленными на совершенствование технологии радиаторного литья, должны быть;

—  создание технологичных конструкций;

—  повышение плотности серого чугуна и использование его взамен высокопрочного чугуна и стали;

—  дальнейшие исследования по изучению герметичности различных сплавов;

совершенствование системы заливки и питания отливки.

Внимание!