Автоматизация заливки форм

Для комплексной механизации и автоматизации высокопроизводительных литейных поточных линий необходима автоматизация заливки.

Заливка металла в форму связана с точным дозированием металла, выполняется в условиях повышенных тепло- и газовыделений. Рабочие-заливщики подвергаются воздействию интенсивного теплового излучения, вредных паров и газов, выделяющихся из форм при заливке. Существует опасность выброса металла из форм. При механизации и автоматизации процесса заливки металла основное внимание должно быть уделено выводу человека из опасной зоны, освобождению его от тяжелого физического труда и тепловой нагрузки.

Главный вопрос при автоматизации заливки – обеспечение подачи точно отмеренной дозы металла в форму специальным заливочным устройством.

Заливка металла формы – ответственная операция, от которой в большой мере зависит результат работы всех отделений литейного цеха.

Организация процесса заливки форм и оборудование, используемое для этой цели, должны соответствовать требованиям высокопроизводительных формовочных линий, обеспечивать четкую, ритмичную и надежную работу всего комплекса машин и устройств, а также взаимосвязь с плавильными агрегатами при бесперебойной работе транспортных систем.

Автоматизированные заливочные установки можно классифицировать по следующим признакам: роду заливаемого металла (черные металлы, алюминий, легкоплавкие цветные металлы); характеру, перемещения объекта заливки (непрерывное перемещение, пульсирующее перемещение, стационарная заливка); по способу подачи жидкого металла в форму и способу дозирования заливаемого металла.

На рис. 2.2.2.1 приведена классификационная схема автоматизированных заливочных устройств.

Рис. 2.2.2.1. Классификационная схема автоматизированных заливочных устройств

Так, в устройствах с поворотным и стопорным ковшом подача металла в дозатор или в форму происходит под действием силы тяжести жидкого металла.

Мощность струи регулируется в первом случае изменением угла поворота ковша, во втором – высотой подъема стопора относительно отверстия в разливочном стакане.

В заливочных устройствах, работающих под действием сжатого воздуха, происходит выжимание жидкого металла из ванны в дозатор или в форму в количестве, регулируемом давлением воздуха.

Перспективны устройства, в которых подача жидкого металла осуществляется магнитодинамическим способом. Для сообщения жидкому металлу тяговых усилий в этих устройствах используется действие бегущего магнитного поля.

Изменяя величину и направление движения поля, можно управлять перемещением жидкого металла в металлопроводе, сообщая ему определенную скорость или препятствуя его истечению. Возможность прекращать истечение металла из металлопровода позволяет использовать последний не только для бесковшового транспортирования жидкого металла, но и для дозирования его при заливке форм.

Индукционные токи, наводимые в жидком металле, помимо основной функции перемещения, осуществляют также и подогрев металла, обеспечивая более благоприятные условия для получения «здорового» литья.

Независимо от способа подачи и дозирования металла, заливка должна выполняться с обязательным соблюдением технологического режима, который неодинаков для различного вида отливок. Форма обычно заливается с определенной скоростью, зависящей от конфигурации отливки, литниковая система должна быть заполненной, чтобы в форму вместе с заливаемым металлом не попадал воздух. Очень важно, чтобы оптимальные литейные свойства сплава (жидкотекучесть и др.) сохранялись в течение всего времени заливки. С этой целью целесообразно производить выплавку в индукционных печах или дуплекс-процессом (вагранка – электромиксер). Наличие электромиксера как обогреваемой емкости позволяет не только стабилизировать оптимальную температуру расплава, но и накапливать его для расхода в процессе заливки.

Способы дозирования жидкого металла перечислены на классификационной схеме (рис. 2.2.2.1). Они имеют достоинства и недостатки, которые в различных условиях заливки проявляются в большей или меньшей мере. Так, при дозировании по объему точность зависит от степени разрушения (разгара) футеровки заливочных ковшей и образования настылей на их внутренних поверхностях.

Точность дозирования по углу поворота ковша или по времени открытия стопора, а также по времени работы электромагнитного насоса, нагнетающего металл в форму, зависит от сечения выпускного отверстия, которое постоянно размывается или, наоборот, является местом интенсивного образования настылей. Создание надежно действующего дозатора для жидких железоуглеродистых сплавов – актуальная проблема сегодняшнего дня.

Многообразие схем заливочных устройств связано с особенностями производства, типом автоматизированных формовочных линий, металлоемкостью форм и видов литья.

По степени автоматизации процесса все заливочные устройства целесообразно разделить на установки с дистанционным управлением и автоматизированные.

Рассмотрим схемы некоторых устройств для автоматизированной заливки форм.

Схема установки с поворотным ковшом для автоматического дозирования по уровню металла в форме 4 изображена на рис. 2.2.2.2. Сигнал на прекращение заливки (на поворот ковша 1 в обратном направлении) дается при появлении металла в чаше выпора 3 и воздействии излучения от него на фотодатчик 2.

К недостаткам таких устройств следует отнести: а) необходимость установки выпора в форме, что снижает процент выхода годного литья; б) сложность получения сигнала об окончании заливки формы на движущемся конвейере; в) недостаточную надежность действия фотодатчиков в условиях заливки форм металлом.

Аналогичная система дозирования, но с применением стопорной выдачи металла из электрообогреваемой разливочной емкости, показана на рис. 2.2.2.3.

Достоинствами этой системы являются точное дозирование жидкого металла, постоянная температура металла при разливе, отсутствие шлаковых включений.

Рис. 2.2.2.2. Схема заливочной установки с поворотным ковшом и фотодатчиком	Рис. 2.2.2.3. Схема заливочной установки со стопорным устройством: 1 – индуктор; 2 – стопор; 3 – фотодатчик; 4 – чаша выпора; 5 – литейная форма

На рис. 2.2.2.4 показана собранная форма и схема каналов приемного бассейна или чаши, формуемой на ее верхней стороне. Расположение каналов варьируется в зависимости от расположения и характера формуемых деталей. Автоматическая литейная линия, на которой работает эта заливочная установка, отливает разнообразные мелкие отливки из ковкого чугуна в формах, допускающих три варианта по металлоемкости: 15 – 20, 20 – 25 и 30 – 35 кг. Соответственно изменяется и количество металла, отвешиваемое из стендового ковша в заливочный.

Рис. 2.2.2.4. Собранная форма (а) и схема каналов приемного бассейна (б)

На рис. 2.2.2.5 приведена схема заливочной установки фирмы «Кюнкель Вагнер» (ФРГ), в которой используется первый способ задания скорости заливки.

Установка представляет раму, на которой установлены два сменных ковша 4, имеющие возможность поворачиваться при помощи опрокида 3 и поочередно питать ковш-дозатор 2 жидким металлом. Ковши имеют вместимость 1000 – 2500 кг. В ковше-дозаторе смонтированы разливочные стаканы, через которые металл вытекает в форму 1 с заданной скоростью. Количество выдаваемого металла регулируется реле времени. Для обеспечения равномерной температуры металла в дозаторе предусмотрен индукционный подогрев.

Такая установка может с успехом работать только для заливки форм с постоянной металлоемкостью. При заливке форм различной емкости потребуется замена разливочных стаканчиков в ковше-дозаторе, что неудобно в процессе работы.

Заливочные устройства, в которых выдача металла в формы производится непосредственно из заливочной печи путем выжимания его сжатым воздухом (газом), а дозирование осуществляется при помощи реле времени, выключающего подачу сжатого воздуха, являются наиболее совершенными.

Рис. 2.2.2.5. Заливочная установка фирмы «Кюнкель Вагнер»

Примером такого устройства может служить установка шведской фирмы «ASEA» (рис. 2.2.2.6, а). В этой установке заливочный 1 и сливной 3 каналы выведены на дно ванны печи 2, что обеспечивает бесшлаковую заливку форм металлом. При подаче сжатого воздуха в объем ванны металл будет выжиматься в сливной и заливочный каналы.

Выдача металла из печи начнется тогда, когда уровень металла в заливочном канале достигает уровня желоба 4, в котором есть заливочное отверстие 5. Прекратится заливка, когда давление в печи будет снято (рис. 2.2.2.6, б).

Когда форма 6 остановится под желобом 4, в ванну печи подаётся сжатый воздух, металл по каналу 3 направляется в желоб и через калиброванное отверстие 5 выдается в форму. Объем дозы регулируется временем подачи давления на зеркало металла. Установка периодически наполняется металлом через заливочный канал 1.

Рис. 2.2.2.6. Заливочная установка фирмы «ASEA»

Рис. 2.2.2.7. Автоматический дозатор алюминиевых сплавов

(механизм наклона дозатора не показан)

На рис. 2.2.2.7 показан дозатор алюминиевых сплавов, предназначенный для работы при точно фиксируемом положении приемника металла, например с машиной для литья под давлением или кокильной машиной в автоматическом режиме. Основные узлы дозатора: корпус 1 печи, крышка 3 печи с уровнемерами, труба сливная 6, механизм наклона, пневмо- и электрооборудование.

Корпус печи представляет собой сварной кожух, внутри которого находится футерованная ванна с электрическими обогревателями 4 для жидкого металла. Обогреватели поддерживают в печи температуру 850 °С. Для заполнения печи металлом, слива его и очистки ванны служит боковой люк 2, закрываемый герметично крышкой.

Крышка печи представляет собой сварной короб. Сквозь крышку проходят уровнемеры и термопары. Сверху на крышке расположены манометр, ручной кран и предохранительный клапан. Чугунная сливная труба 6, закрепленная к кожуху печи, состоит из трех частей, на которые надеты низковольтные подогреватели 5, закрытые теплоизоляцией. Наружная часть сливной трубы защищена металлическим кожухом. Перед сливным отверстием расположен измерительный преобразователь, связанный автоматически с системой создания напора и системой задания времени.

Механизм, служащий для наклона печи при сливе металла, представляет собой гидравлический домкрат.

Принцип работы дозатора следующий. При включении дозатора через трубопровод в печь поступает сжатый воздух, и давление на зеркало металла повышается. Под давлением металл поднимается по сливной трубе. По достижении металлом сливного отверстия игла-уровнемер подает команду для дополнительной подачи воздуха (создание напора) и для включения реле времени, регламентирующего заливаемую дозу металла. По истечении заданного времени открывается выхлопной клапан, давление воздуха снижается и подача металла прекращается.

Дозатор может быть подключен к системе управления машины для литья под давлением и работать с ней в едином цикле. Для слива остатков металла служит механизм наклона дозатора, соединяемый с корпусом с помощью серьги 7.

Выпускаемые отечественной промышленностью пневматические дозаторы позволяют заливать дозы металла от 0,2 до 50 кг.

Электромеханические заливочные устройства сравнительно просты по конструкции. В качестве подающих систем они содержат поворотные или стопорные ковши или заливочные желоба различных типов. Расход жидкого металла регулируют поворотом ковша или подъемом стопора. Наиболее простая по конструкции – двух- или трехпозиционная заливочная машина. Двухпозиционная заливочная машина (рис. 2.2.2.8) имеет основание 1, на котором установлена тумба 4 с колонной 5, защищенной кожухом 6, и гидроцилиндром поворота кассеты 19. На колонне монтируется поворотная рама 7, к ней крепятся консоли 8. На осях консолей поворачиваются кассеты 12 с установленными на них ковшами 11. К кассетам прикреплены секторы 13. В петле сектора зачален трос 9, который огибает сектор и блок 10 и крепится к раме. Блоки установлены на подъемных штангах 14. Рама вращается на вертикальной оси 15, опирающейся на опорный подшипник 17 тумбы 4. При ходе вверх гидроцилиндра заливки его шток поднимает штангу с блоком. Последний вытягивает трос, и вследствие этого кассета с ковшом поворачивается.

Рис 2.2.2.8. Схема двухпозиционной заливочной машины

В то время как на одной позиции машины металл заливают в формы, на противоположной меняют ковши – снимают опорожненный и устанавливают полный. Поворот машины для смены ковшей происходит во время передвижения формы на позицию заливки. Точность установки машины относительно формы регулируется болтами 2, 3, 16, 18.

Точность дозирования металла при заливке определяется соответствующим углом поворота ковша. В случае применения секторного ковша (рис. 2.2.2.9) этот угол постоянен при постоянной дозе заливаемого металла и поворота ковша вокруг оси, проходящей через точку . Объем металла , заливаемого за время поворота ковша на угол , с достаточной степенью точности можно определить по формуле

,

где – радиус футеровки ковша;

– длина ковша.

Рис. 2.2.2.9. Схема расчета объема металла,

заливаемого из секторного ковша

На рис. 2.2.2.10 показана автоматическая заливочная установка для высокопроизводительной линии. Установка состоит из промежуточных раздаточных барабанных ковшей и заливочных автоматов с барабанными ковшами и весоизмерительными автоматами.

Жидкий металл электроталью подвозится к установке в ковшах вместимостью 1 т и заливается в раздаточные барабанные ковши вместимостью 1,5 т. Верхний и нижний уровни металла в промежуточном барабанном ковше контролируются электроконтактными преобразователями.

Рис. 2.2.2.10. Автоматическая заливочная установка:

1 – промежуточный ковш; 2 – стопорный механизм;

3 – металлоконструкция стенда для установки промежуточного ковша;

4 – литейный тележечный конвейер; 5 – литниковая чаша форм;

6 – рычаги поворота ковша; 7 – рычажные весы; 8 – ось поворота;

9 – барабанный ковш; 10 – консольная траверса; 11 – пневмогидроцилиндр поворота заливочного ковша; 12 – каретка; 13 – тяга; 14 – рейка; 15 – цепь;

16 – рельсовые пути верхней тележки; 17 – тележка; 18 – ось подвески реек; 19 – механизм подъема каретки; 20 – механизм горизонтального перемещения

Заливочное устройство (рис. 2.2.2.11) имеет следующую конструкцию. Промежуточный барабанный ковш 7 представляет собой горизонтальный цилиндр со съемными основаниями. В этом цилиндре имеется пять отверстий: одно внизу (для установки стопорного гнезда, закрепляемого кольцом 5), два вверху (для прохода стопора с пробкой 6), открытое овальное размерами 300×200 мм (для дополнения промежуточного ковша жидким металлам); одно диаметром около 100 мм (для установки измерительного преобразователя максимального уровня металла) на боковой стенке со стороны заливного отверстия в верхней части ковша.

Стопор соединен со штоком пневмоцилиндра, в поршневой полости которого имеется пружина 8 в момент закрытия подачи металла на стопор кроме сжатого воздуха действует усилие пружины. Это необходимо для предотвращения самопроизвольного выливания металла в случае прекращения подачи сжатого воздуха. Ковш футеруется шамотным кирпичом. Толщина футеровки 145 – 150 мм. Стопорное отверстие промежуточного ковша находится вне литейного конвейера на случай прорыва металла. Под стопорное отверстие подводится разливочный ковш 2. Разливочный ковш цапфами 4 свободно опирается на крючки 3 выносных консолей заливочного автомата. К нижней части ковша с двух сторон прикреплены тяги 17, поддерживаемые серьгами. Консоль Г-образной формы подвешена к главной раме 16 на двух рычагах одинаковой длины. Она образует систему рычажного параллелограмма. Пневмогидравлический цилиндр 15 штоком связан с рамой, а поршневой крышкой – с консолью. Рама 16 осями 10 опирается на подшипники 11 тележки 12. Для поворота рамы относительно осей 10 служит цилиндр 14. Тележка колесами 13 опирается на рельсовый путь. Движение тележки осуществляется приводом, состоящим из электродвигателя и редуктора с пневмомуфтой сцепления. Скорость движения тележки при включенном собственном приводе в 3 – 5 раз больше скорости движения литейного конвейера. По центру тележки проходит цепь 9 привода механизма установки грузов литейного конвейера. Движение этой цепи строго синхронно движению литейного конвейера. Цепь 9 снабжена кулачками, расположенными строго по оси литейных форм. При выключенном приводе включается муфта, соединяющая тележку 12 с кулачком цепи 9, и тележка начинает двигаться синхронно с конвейером; носок ковша 2 при этом устанавливается по оси формы 1.

При наборе металла в разливочный ковш из барабанного ковша цилиндр 14 оттягивает раму 16 и устанавливает носок ковша 2 под стопорное отверстие. Цилиндр 18 весового устройства поднимает весы, платформа которых поднимает ковш 2, освобождая его цапфы от крючков 3. Происходит автоматическое взвешивание, и подается команда на подъем стопорного устройства. Металл из раздаточного ковша сливается на носок заливочного, смывая при этом оставшийся от предыдущей заливки металл. Команда на прекращение заливки подается весовым преобразователем при достижении заранее установленного оператором веса. Далее весовое устройство опускается, включается собственный привод заливочного автомата, и он, обгоняя конвейер, подает ковш к незалитой форме. Носок раздаточного ковша совмещается с литниковой чашей, механизм опрокидывает ковш, и происходит заливка формы.

Рис. 2.2.2.11. Конструкции заливочного, устройства

Схема магнитодинамической заливочной установки, показанная на рис. 2.2.2.12, позволяет полностью автоматизировать процесс регулируемого закрытого транспортирования металла из плавильной печи к литейной форме. Работа установки основана на взаимодействии тока, протекающего в жидком металле, с внешним магнитным полем. На жидкий металл, по которому протекает ток, действуют электромагнитные силы, вызывающие движение металла по соответствующим каналам.

Установка устроена следующим образом. С тиглем 1 сообщаются каналы 3, 5 и 8, часть из которых охвачена индукторами, представляющими собой замкнутые магнитопроводы 4 с обмотками питания 2 и 6. Активная зона насоса находится в зазоре электромагнита, имеющего форму разомкнутого С-образного магнитопровода 7 с обмотками питания. Тигель снабжен съемной крышкой 9. Металл подается в сливной металлопровод 10.

При включении обмоток индуктора в сеть промышленной частоты в боковых каналах 5, как во вторичных обмотках трансформатора, индуктируется электрический ток, а при включении обмоток электромагнита в активной зоне возникает магнитное поле, направленное под прямым углом к току, протекающему в металле.

Электромагнитные силы, действующие на металл в активной зоне, вызывают движение металла из тигля по боковым каналам, через центральный канал и сливной металлопровод в форму. Металл движется только при одновременном включении обеих электромагнитных систем. Электромагнит выключается, когда необходимо повысить температуру очередной дозы заливаемого металла при неизменной температуре металла, находящегося в тигле.

Рис. 2.2.2.12. Схема магнитодинамической заливочной установки

Пример использования магнитодинамической заливочной установки при работе с кокильной установкой приведен на рис. 2.2.2.13. На участке, кроме кокильной машины 1 и заливочной установки 3, соединенной с кокильной машиной металлопроводом 2, имеется плавильная печь 4 с вытеснителем металла 5. Установка может работать в полуавтоматическом и в автоматическом режимах.

Рис. 2.2.2.13. Схема компоновки магнитодинамической установки

с кокильным станком

Вопросы для самоконтроля

1. Этапы подготовки шихты?

2. Чушколомы, копры и их устройство?

3. Способы загрузки шихты в вагранки?

4. Способы загрузки шихты в электрические и мартеновские печи?

5. Классификация литейных ковшей?

6. Классификация автоматических заливочных устройств?

7. Что определяет «безопасное положение оси поворота ковша»?

8. Методика расчёта ковша?