2. Литейное оборудование

2.1. Общие сведения

Для литья стереотипов применяют сплавы, основными ком­понентами которых являются свинец, сурьма и олово. Свинец придает сплаву пластичность и относительно невысокую темпе­ратуру плавления, сурьма—твердость, а олово — текучесть.

Требования к сплавам очень высокие и разносторонние. В частности, сплавы должны иметь низкую температуру плав­ления, обладать достаточной жидкотекучестью, прочностью, из­носоустойчивостью, инертностью к атмосферным воздействиям и смывающим растворам, хорошей восприимчивостью к типо­графским краскам, низким сопротивлением к резанию и др. Следует отметить, что сплавы на основе свинца обладают боль­шей частью этих достоинств, но наряду с ними имеют и ряд су­щественных недостатков, к которым, в частности, следует отнести усадочную пористость и склонность к ликвации (выделению от­дельных компонентов в растворе других).

Некоторые из перечисленных физико-механических свойств сплавов влияют на конструкцию литейных машин и их эксплуа­тацию. Так, например, высокая жидкотекучесть сплава требует надежной герметизации литейных форм, крановых, клапанных и шиберных устройств. Объемная же усадка порождает порис­тость и некоторое уменьшение объема отливки. Чтобы снизить влияние усадки, в конструкции многих литейных систем предус­мотрено питание отливки жидким сплавом в период ее кристал­лизации. Высокая пластичность сплава приводит к деформа­ции отливок при температуре выше 110—120°С. Следовательно, режим работы литейной машины должен быть таким, чтобы извлечение стереотипа из отливной формы производилось при более низкой температуре.

Эти физико-механические свойства стереотипных сплавов, а также специфика их литья и кристаллизации могут приводить к различным литейным дефектам, основными из которых следу­ет считать: образование раковин усадочного и газового проис­хождения в сечениях стереотипа и на его поверхностях; неодно­родность структуры в различных зонах стереотипа вследствие ликвации и неравномерной кристаллизации; деформацию сте­реотипов, особенно в момент их съема с литейной машины при высокой температуре.

Кроме того, антимагнитные свойства стереотипного сплава, его высокая пластичность и экранирующая способность по от­ношению к излучениям радиоактивных изотопов исключают возможность применения известных в общей металлургии и ма­шиностроении способов контроля качества металлических изде­лий, т. е. контроля стереотипов. Тем более важно для полиграфи­ческой промышленности располагать регламентированными ре­жимами процесса.и современным литейным оборудованием для изготовления стереотипов с минимальными дефектами.

В соответствии с технологическими инструкциями готовые стереотипы должны удовлетворять следующим основным тре­бованиям:

18

19

рост после обработки не должен отклоняться от номиналь­ного размера более чем на ±0,05 мм;

форма должна быть геометрически правильной, с допусти­мыми отклонениями образующих от прямолинейности в соот­ветствии с техническими условиями на конкретное изделие;

печатающая поверхность не должна иметь раковин, цара­пин и других повреждений;

структура стереотипа в любом сечении должна быть плот­ной, мелкокристаллической, без усадочных и газовых раковин; допускаются раковины площадью до 8 мм² только под пробель­ными местами;

печатающая поверхность стереотипов должна быть мато­вой, без металлического блеска;

состав стереотипного сплава должен удовлетворять требо­ваниям ГОСТ 5235—74 по основным составляющим и по коли­честву примесей.

Для отливки стереотипов ГОСТ 5235—74 предусмотрены две марки сплава — СТ1 и СТ2, и, кроме того, для корректирова­ния сплавов используются специальные марки — К1 и К2.

Необходимо помнить, что любые отклонения от химическо­го состава сплава приводят, как правило, к ухудшению его ли­тейных свойств и, как следствие, к ухудшению качества отли­ваемых стереотипов.

Особо важное значение химический состав сплава приоб­ретает при литье стереотипов под избыточным давлением сни­зу вверх, где малейшие отклонения от ГОСТа сказываются на качестве отливаемых стереотипов. На станках, отливающих газетные стереотипы под давлением, необходимо применять только сплав СТ1.

Для получения стереотипов высокого качества необходимо не реже одного раза в месяц проводить химический анализ сплава в котле литейного станка и его корректировку по основ­ным компонентам. Не реже одного раза в квартал необходимо делать анализ сплава на присутствие вредных примесей и в со­ответствии с его результатами производить рафинирование сплава.

Станки для отливки стереотипов, имеющие практическое применение, можно сгруппировать по ряду признаков:

1. По геометрической форме отливаемых стерео­ типов:

плоскоотливные станки для литья плоских стереотипов (рис. 2.1,Л);

круглоотливные станки для литья ротационных стереоти­пов (рИС. 2.1,5);

2. По степени механизации:

20

станки ручного действия, в которых все операции выпол­няются вручную;

механизированные станки, в которых механизированы не­которые наиболее трудоемкие операции;

Принципы заливки металла в форму и кристаллизации £

1

1

станки-автоматы, в которых все операции, кроме укладки и съема матриц, автоматизированы.

Рис. 2.1. Схемы основных способов литья сте­реотипов

3. По расположению оси изложницы:

станки с горизонтально ориентированной осью изложницы; станки с вертикально ориентированной осью изложницы.

4. По способу заливки сплава и его уплотне­ ния во время кристаллизации и охлаждения:

21

_Яйтштт

свободно падающей струей сверху вниз с уплотнением под давлением столба сплава в прибыли отливки или в котле (рис. 2.1, 1—3,6—8);

принудительно подаваемой струей, направленной снизу вверх, с дополнительным повышенным давлением во время кри­сталлизации (рис. 2.1, 5).

Подача сплава и заливка его в форму могут осуществлять­ся разными методами, в частности свободно падающей струей (рис. 2.1, 1, 6, 8); поворотом литейной системы (рис. 2.1, 3, 8); заливкой через крановое устройство из котла, агрегатирован-ного с отливной формой (рис. 2.1, 2, 9, 10); струей, подаваемой насосом из котла, расположенного ниже отливной формы (рис. 2.1, 11); струей, нагнетаемой в форму поршнем либо сжа­тым воздухом (рис. 2.1, 4—5).

У нас в стране наиболее широко распространены два типа стереотипно-литейных станков: с заливкой сплава сверху вниз

под гидростатическим давлением и подачей сплава в форму снизу вверх насосной системой.

Рассмотрим устройство стереотипно-литейного оборудова­ния на примере автомата типа ОГА (рис. 2.2,а). Основными узлами автомата являются: котел / с электронагревательными устройствами (ЭНУ) 2 для расплавления сплава, мундштук 3 с крановым устройством 4, отливная форма, состоящая из ядра (сердечника) 5 и чаши 6, механизма привода формы 7 и собст­венно станины 8, на которой крепятся перечисленные узлы.

Отливная форма стереотипно-литейных станков

(рис. 2.2, б) — разъемная и состоит из отливной чаши, в кото­рой под зажимными полукольцами крепится матрица, и сердеч­ника. Полость сердечника охлаждается водой. Учитывая высо­кую жидкотекучесть сплава, к плотности замыкания изложни­цы предъявляются весьма жесткие требования. Полость мунд­штука котла, к которой примыкает отливная форма, должна быть всегда чистой и точно выставленной к замку отливной формы.

В зависимости от типа стереотипно-литейного станка в котле его расплавляется от 300 до 2500 кг сплава. Поэтому в стереотипно-литейных станках применяются мощные электро­нагревательные устройства, к надежности которых предъявля­ются весьма жесткие требования. В газетном производстве сте­реотипно-литейные станки и автоматы должны обеспечивать высокую производительность и одновременно высокое и ста­бильное качество стереотипов. Основные факторы, определяю­щие качество и точность получаемых стереотипов,— гидродина­мические и тепловые условия их отливки. Рассмотрим основные особенности процесса литья стереотипов для двух основных ва­риантов подачи сплава сверху вниз и снизу вверх.

2.2. Особенности процесса литья стереотипов с подачей сплава сверху вниз

Особенностью заливки сплава сверху вниз (рис. 2.3) явля­ется заполнение изложницы и кристаллизация сплава под дей­ствием гидростатического давления. При этом температурные режимы отливной формы должны быть такими, чтобы обеспе­чить направленную кристаллизацию снизу вверх — от более ох­лажденных слоев сплава к горячим. Только в этом случае мож­но заполнить усадочные полости вышележащими слоями жид­кого сплава и тем самым уменьшить количество пор и раковин в отливке. Кроме того, облегчается подъем вверх воздуха, га­зов, окислов и различных неметаллических включений с мень-

22

23

ш ей, чем у основного сплава, плотностью. Удалению газов и шлаков при заливке сверху вниз препятствует встречный поток сплава, и они могут задерживаться в массе затвердевающего сплава, не достигая прибыли либо вообще оставаясь в стерео­типе, если он отливается без прибыли. В результате воздух, за­полнявший полость формы перед заливкой, а также газы, обра-

Рис. 2.3. Схема литейной формы:

а — схема заливки сплава сверху вниз в горизонталь­ную изложницу; б — схема заливки сплава в вертикаль­ную изложницу

зовавшиеся при разложении матрицы, пары при литье на недо­статочно просушенную матрицу, окислы, шлаки и другие вклю­чения сосредоточиваются в теле стереотипа, образуя газовую пористость и засоряя отливку посторонними включениями.

Подъем газов, различных включений и удаление их из от­ливки могут быть облегчены, если уменьшить скорость кристал­лизации путем повышения температуры отливной формы. Одна­ко в этом случае существенно снижается производительность литейного оборудования.

Режим отливки стереотипов с прибылью или под действием гидростатического давления должен обеспечивать благоприят­ные условия для питания отливки во время кристаллизации и уплотнения ее, уменьшая межкристаллическую пористость и

объем воздушных и газовых раковин. Гидростатическое давле­ние столба металла над отлитым стереотипом в зависимости от типа литейного оборудования колеблется в пределах (0,15—0,5) -10⁵ Па. Однако этого давления недостаточно для уплотнения сплава и уменьшения в нем межкристаллической пористости и едва достаточно для преодоления сил поверхност­ного натяжения частиц жидкого сплава на границе сплав — матрица.

П ри заливке сплава в изложницу свободно падающей стру­ей из-за большой скорости заполнения формы происходит тур­булентное движение пото-

Матрица

Форма

Сплав

'///////<

''////AS////

Рис. 2.4. Схема кристаллизации стереотип­ного сплава

к а, при котором воздух, окислы и шлаки увлека­ются в образующуюся во­круг струи воронку, чем затрудняется выход их из стереотипа. Кроме того, при турбулентном пото­ке воздух, заполнявший форму, перемешивается со сплавом и выход его из отливки еще больше за­трудняется, а качество стереотипа резко ухуд­шается.

На характер теплооб­мена между стереотипом

и отливной формой значительное влияние оказывает матрица (рис. 2.4), поверхность которой неоднородна: она состоит из пробельных и печатающих участков. В зонах пробельных участ­ков под матрицей создается воздушная прослойка (до 2 мм). На крупных пробельных участках она искусственно устраняется проклейкой тыльной стороны матрицы полосками картона.

В разных сечениях кристаллизация протекает неравномер­но из-за различной теплопроводности сердечника, картона и воздуха. Центры кристаллизации и первичная твердая фаза сплава асинхронно зарождаются в зонах, примыкающих к сер­дечнику и матрице.

В зоне, примыкающей к матрице, кристаллизация проходит с некоторым запаздыванием, особенно на пробельных участках, и там при плохих условиях питания отливки образуются рых­лые участки, мелкие поры.

Для улучшения условий питания отливки в литейном обо­рудовании используют принудительное давление на сплав в пе­риод кристаллизации, а также совершенствуют систему охлаж-

24

25

дения литейной формы, обеспечивая требуемое направление фронта кристаллизации. Это позволяет значительно улучшить условия заполнения формы сплавом и уменьшить усадочную и газовую пористость за счет принудительного питания и уплот­нения отливки во время затвердевания.

В литейных станках с вертикальной осью изложницы (см. рис. 2.3,6) сплав продвигается по форме в направлении обра­зующей стереотипа. Достоинства таких систем заключаются в следующем.

Пузырьки воздуха, инжектированные сплавом в процессе заполнения изложницы, при подъеме не встречают на своем пу­ти преграды в виде поверхности ядра или матрицы, как при го­ризонтальном расположении формы. Расстояние, которое дол­жен пройти воздух и сплав, при вертикальном расположении изложницы заметно сокращается (приблизительно с 0,6 до 0,4 м) по сравнению с горизонтальным ее расположением.

К числу недостатков литейных систем с вертикальной осью изложницы можно отнести следующие. Газетные стереотипы, отлитые в рассматриваемых литейных системах, имеют боль­шую прибыль, что увеличивает расход сплава и требует специ­альной операции — отделения прибыли и специального ком­плекта отделочного оборудования. Кроме того, при наличии прибыли в стереотипе надо увеличивать объем котла и мощ­ность его нагревателей, т. е. возрастают дополнительные затра­ты тепловой энергии и потери сплава при переплавках. К тому же эффективность благоприятных условий заполнения прост­ранства отливной формы с вертикальной осью изложницы не­сколько снижается из-за кольцевых проточек в ядре изложни­цы, которые могут быть источником возмущений в потоке сплава.

2.3. Гидравлические особенности литейного процесса при заливке сплава сверху вниз

В современной литейной стереотипной технике в основном применяют два способа литья стереотипов: заливку сплава сво­бодно падающей струей сверху вниз и заливку под принуди­тельным давлением струей, направленной снизу вверх.

При анализе гидравлических условий поведения струи сплава и заполнения формы важно учитывать конечные техно­логические задачи: быстродействие литейных установок, осо­бенно в газетном производстве, хорошее качество отливки и от­носительную стойкость матриц при многократно повторяющих­ся отливках.

26

При заливке сплава сверху вниз скорость движения струи v приближенно может быть определена из условия течения сплава через малое отверстие в вертикальной стенке:

» = Ф 1/2^77, (2.1)

где ф — коэффициент скорости, равный ~0,95—0,97; Я — высо­та столба сплава.

Расход сплава через прямоугольное сечение литейной щели может быть определен по формуле

Q=|i.fe-fl К2^ЛГ, (2.2)

где \х — коэффициент расхода, равный ~0,62; Ъ — ширина от­верстия; а — высота отверстия.

Средняя скорость v_cp заполнения формы сплавом может быть рассчитана по формуле

VCV =

V

h' Ui,

ИЛИ

ycp

rrr

A г

= nJ/"2g-

H

"ср = » 4^{1 или у}ср = 4" = I^х V*!⁷", (2.3)

п" г

где h' — толщина струи в сжатом сечении; h" — высота сечения формы.

Действительная скорость потока значительно (на 50— 60 %) меньше вследствие противодавления воздуха, сил трения расплава при непрерывно изменяющихся вязкости и гидравли­ческих сопротивлениях в литнике и форме. При течении сплав, соприкасаясь со стенками, становится более вязким, течет мед­леннее, образуя корку, в то время как внутренние слои сплава текут с большей скоростью, частично размывают эту корку, спо­собствуя тем самым заполнению углублений в матрице. Вместе с тем такое слоистое течение непрерывно изменяет условия теплопередачи от сплава к форме, а значит, и условия кристал­лизации и охлаждения отливки.

С учетом трения и противодавления воздуха скорость по­тока сплава (по Заксу) может быть определена по формуле

^/WESL, ₍₂.4)

где Р — давление на сплав; Р_в — противодавление воздуха; у — УД. вес сплава; 2£ — сумма коэффиицентов гидравлических сопротивлений для сужений потока в литнике, его расширения и закругления в самой изложнице, а также трения в литнико­вой системе.

Так, для литейного автомата типа ОГА, принимая сечения перед краном F =35—40 см², при входе в форму F₂=20 см² и собственно в форме /**₃ = =40 см², можно принять (по Вейсбаху)

27

Јi — для сужения потока — 0,34; |₂ — для внезапного расширения

_(*-Г

£з = 0Д а сопротивление с учетом трения Ј₄=1J5 (по Заксу). Общее суммарное сопротивление составит

26 = 0,34+1+0,3+1,75^3,4.

В этом случае скорость потока v (без учета противодавления воздуха Р_в) составит

_ / 2gP , / 2g-0,6

где Р — давление столба, равное 6-10⁴ Н/м²; Y — УД. вес. сплава ~ 10 500 кг/м³. Зная скорость, определим число Рейнольдса:

Re= ⁴^^гидр , (2.5)

V

где v — средняя скорость движения потока, м/с;

v — коэффициент кинематической вязкости сплава при температуре за­ливки, м²/с;

Ягидр — гидравлический радиус (м), равный отношению площади попе­речного сечения потока к длине смоченного периметра этого сечения.

Значение Re при скорости и «1,65 м/с оказывается значительно больше его критического значения /?£?_крит = 2300, при котором движение потока из ламинарного переходит в турбулентное. При этом вихревые потоки залива­емого сплава захлестывают инжектированный и заполнявший изложницу воз­дух и затрудняют его выход.

Газы, вытесняемые сплавом, частично выходят из отливки через вентиляционные каналы в замке или донной планке и по­лукольцах, а частично застревают в отливке, особенно в ее верхней зоне. Поэтому при расчете полостей каналов нужно ис­ходить из условий, что площадь сечения вентиляционных кана­лов и их размещение должны обеспечивать свободное течение жидкого сплава из формы и свободный выход воздуха.

Вентиляционные каналы выполняются в виде широких ще­лей глубиной 0,05—0,1 мм. При расчете вентиляционных кана­лов задается их глубина, определяется площадь поперечного сечения каналов и общая ширина воздухоотводов.

Вентиляционная система изложниц стереотипных литейных машин оказывает существенное влияние на качество литейной структуры стереотипов и их тиражестойкость. Так, при глубине вентиляционных каналов 0,08—0,1 мм общая их ширина в стан­ках для отливки газетных стереотипов должна находиться в пределах 140—160 мм, а книжно-журнальных —50—70 мм.

Вентиляционные каналы на донной планке (или в замке) должны быть расположены равномерно по всей длине. В полу­кольцах вентиляционные каналы наиболее часто должны быть расположены в области, примыкающей к литнику.

Затрудненность выхода воздуха при заливке сплава струей сверху вниз в условиях интенсивного турбулентного потока по­рождает значительную газовую пористость в отливке и ухуд­шение ее механических свойств. Поэтому естественно стремле­ние советских и зарубежных исследователей к внесению усовер­шенствований в литейную систему стереотипных станков с це­лью обеспечения более благоприятных условий заполнения фор­мы сплавом.

Способ литья струей, направленной снизу вверх, имеет пре­имущество по сравнению с ранее рассмотренными, так как под­нимающийся вверх поток сплава в условиях правильно подо­бранных скоростей впуска и течения по изложнице гонит впере­ди себя воздух и выталкивает его в систему вентиляционных ка­налов. При этом скорость потока и геометрическая форма лит­ников должны быть подобраны таким образом, чтобы поток сплава не завихрял воздух, не обгонял его, а плавно вел впере­ди себя и в то же время чтобы сплав сохранял достаточную те­кучесть при заданной температуре и хорошо заполнял наиболее удаленные от литника углубленные участки матрицы.

Следовательно, гидродинамические режимы заливки спла­ва должны жестко регламентироваться и правильно сочетаться с термическими условиями литья. Кроме того, при заливке сни­зу вверх необходимо максимально снизить величину гидравли­ческого удара, неизбежно возникающего при любом виде литья в момент резкого прекращения подачи сплава после заполнения изложницы.