EA006696B1

EA006696B1 - Способ отливки объектов с использованием усовершенствованного узла литейного стержня ступицы

Info

Publication number: EA006696B1
Application number: EA200500394A
Authority: EA
Inventors: Майкл А. Блэнд
Original assignee: Амстед Индастриз Инкорпорейтид
Priority date: 2004-04-29
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-02-24
Also published as: CN1693015A; US7017647B2; CA2497230A1; CN1301171C; EA200500394A1; BRPI0500855B1; BRPI0500855A; BRPI0500855B8; ZA200500857B; US20050241794A1; CA2497230C

Abstract

В изобретении предложен способ отливки объекта, которым преимущественно является вагонное колесо. Графитовая изложница имеет секцию нижней опоки и секцию верхней опоки с отверстием в секции нижней опоки, позволяющим подавать расплавленный металл в направлении вверх под давлением в полость для отливки объекта. Узел стопорной трубы проходит через расположенные по центру отверстия в секции верхней опоки и в секции нижней опоки. Литейный стержень ступицы герметизирует отверстие в секции нижней опоки после прекращения заливки, чтобы удерживать расплавленный металл в полости изложницы. Узел литейного стержня ступицы изготовлен из огнеупорного материала, с которым контактирует расплавленный металл, что позволяет повторно использовать узел литейного стержня ступицы.

Description

Настоящее изобретение, в общем, имеет отношение к созданию способа отливки объектов, а более конкретно, к способу отливки вагонных (железнодорожных) колес с использованием усовершенствованного узла литейного стержня ступицы.

Предпочтительным способом изготовления литых стальных вагонных колес является способ литья с приложением давления снизу, в котором поток расплавленной стали под давлением принудительно направляется вверх в подвергнутую механической обработке (обработанную на станке) графитовую изложницу (литейную форму). За счет этого изложница заполняется расплавленной сталью снизу вверх. Эта операция литья с приложением давления снизу устраняет многие недостатки, связанные с традиционной верхней заливкой расплавленной стали в литейные формы при проведении указанных литейных операций, такие как выплеск металла и недостаточное заполнение.

При проведении литья вагонных колес с приложением давления снизу, верхняя полуформа или верхняя опока изложницы обычно представляет собой графитовый блок, в котором отливают верхнюю часть или лицевую сторону объекта. Нижняя полуформа или нижняя опока изложницы также обычно представляет собой графитовый блок, в котором отливают нижнюю часть или тыльную сторону объекта. В секции верхней опоки изложницы имеется радиальное центральное отверстие, причем дополняющее радиально центральное отверстие имеется также в нижней опоке изложницы. Секцию верхней опоки и секцию нижней опоки объединяют для образования завершенной изложницы, после чего такую укомплектованную изложницу устанавливают на участке заливки, где расплавленную сталь принудительно направляют вверх в полость изложницы, чтобы образовать вагонное колесо. Как это детально показано в заявке на патент США № 5919392, ковш расплавленной стали помещают внутри резервуара для хранения, и резервуар закрывают, чтобы герметизировать литейный ковш в резервуаре для хранения. Используют заливочную трубу, которую вводят вниз в расплавленную сталь в ковше и которая проходит в направлении верхней части конструкции на участке заливки. Такую заливочную трубу обычно изготавливают из керамического материала, так как она должна выдерживать температуру расплавленной стали.

В центральном отверстии в секциях верхней и нижней опок каждой графитовой изложницы устанавливают стопорную трубу. Такая стопорная труба содержит металлическую, а обычно стальную, трубную секцию и концевую стопорную пробку, которая обычно изготовлена из огнеупорного материала, такого как песок с отверждаемым полимером. После повышения давления в резервуаре для хранения, расплавленная сталь принудительно направляется вверх через заливочную трубу и далее в полость изложницы, чтобы образовать вагонное колесо. Множество стояков обычно предусматривают в секции верхней опоки изложницы для удержания дополнительного расплавленного металла, который полагают необходимым иметь для заполнения изложницы в направлении вниз во время охлаждения и застывания металла колеса непосредственно после заливки. После заполнения полости изложницы и стояков давление снижается, что приводит к останову заливки металла, при этом одновременно опускают стопорную трубу вниз, так чтобы концевая стопорная пробка герметизировала отверстие на дне полости изложницы в секции нижней опоки. Затем графитовую изложницу удаляют с участка заливки и дают достаточное время для застывания стали, после чего секции верхней и нижней опок разделяют.

Следует иметь в виду, что требуется отдельная стопорная труба для каждой графитовой изложницы, так как расплавленный металл отливаемого объекта, а обычно вагонного колеса, входит в контакт с металлической секцией стопорной трубы, в результате чего она расплавляется. Эту область отливаемого объекта, а обычно вагонного колеса, затем удаляют для того, чтобы образовать секцию ступицы вагонного колеса.

Желательно исключить использование отдельной стопорной трубы для каждого объекта, отливаемого в графитовой изложнице.

Краткое изложение изобретения

В связи с изложенным, первой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного узла литейного стержня ступицы для использования в операции литья с приложением давления снизу.

Другой задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного способа отливки вагонных колес с использованием операции литья с приложением давления снизу при помощи обработанной на станке графитовой изложницы, причем в способе повторно используют узел литейного стержня ступицы.

Графитовая изложница, которую используют при отливке с приложением давления снизу такого объекта, как стальное вагонное колесо, содержит верхнюю секцию, или верхнюю опоку, и нижнюю секцию, или нижнюю опоку. Полость для образования отливаемого объекта обычно выполняют при помощи механической обработки в секции верхней опоки и в секции нижней опоки. После сборки секция верхней опоки и секция нижней опоки образуют изложницу, готовую для приема расплавленной стали через литник, расположенный в нижнем центре отверстия в секции нижней опоки. Верхняя часть секции верхней опоки обычно содержит множество стояков, предназначенных для удержания расплавленного металла в течение длительного периода времени, чтобы обеспечить достаточное заполнение изложницы во время охлаждения и застывания металла вагонного колеса непосредственно после заливки.

- 1 006696

Узел литейного стержня ступицы имеет осевое, расположенное по центру отверстие в секции верхней опоки и в секции нижней опоки изложницы. Такой узел литейного стержня ступицы содержит металлическую, а обычно стальную секцию штока стопорной трубы. Такая секция штока стопорной трубы обычно представляет собой цилиндрическую стальную трубу. Литейный стержень ступицы прикрепляют на нижнем конце трубного штока. Трубный шток пропускают через отверстие в секции верхней опоки и далее вниз к дну полости объекта в секции нижней опоки изложницы. Такой литейный стержень ступицы имеет диаметр больше, чем диаметр шибера, проходящего вверх через секцию нижней опоки изложницы. Обычно литейный стержень ступицы является цилиндрическим по форме, так как он образует основное отверстие ступицы в осевом центре вагонного колеса. Такой литейный стержень ступицы обычно изготавливают из улучшенного или специального огнеупорного материала, такого как улучшенный песок или другой огнеупорный материал, покрытый выбранным полимером.

Дно литейного стержня ступицы обычно имеет цилиндрическую конфигурацию и диаметр больше, чем диаметр шибера, проходящего вверх через секцию нижней опоки изложницы. Дно литейного стержня ступицы имеет такую форму, которая позволяет ему плотно входить в полость (отверстие) в шибере в секции нижней опоки изложницы, так что уплотнение может быть создано при перемещении вниз узла литейного стержня ступицы, когда литейный стержень ступицы установлен в заданном положении в шибере у дна полости в секции нижней опоки изложницы. Такое перемещение вниз литейного стержня ступицы для уплотнения шибера обычно производят одновременно с прекращением повышения давления расплавленной стали, которая принудительно подается вверх через шибер и далее в полость изложницы.

Использование литейного стержня ступицы с трубным штоком позволяет повторно использовать узел литейного стержня ступицы при проведении множества операций заливки. При этом расплавленная сталь не будет входить в контакт с металлической секцией трубного штока, а скорее будет контактировать только с литейным стержнем ступицы, который изготовлен из огнеупорного материала. Такое повторное использование узла литейного стержня ступицы приводит к снижению себестоимости по сравнению с известным узлом стопорной трубы одноразового использования.

Дополнительное преимущество от использования усовершенствованного узла литейного стержня ступицы заключается в том, что литейный стержень ступицы сам по себе имеет радиус больше, чем радиус стопорной трубы. Следовательно, меньше расплавленной стали необходимо для заполнения полости в графитовой изложнице. Так как эту центральную часть отливки вагонного колеса впоследствии удаляют для образования ступицы для приема оси колеса, то выгодно использовать меньше стали для первоначального образования области ступицы вагонного колеса, так как все равно эту сталь удаляют при последующих операциях окончательной обработки.

Другое преимущество заключается в том, что сам по себе литейный стержень ступицы обычно имеет полый центральный участок. Поэтому расплавленная сталь может поступать в этот центральный участок через отверстия в стенке литейного стержня ступицы для образования в литейном стержне ступицы стояка из расплавленной стали.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан вид в перспективе, с частичным разрезом, резервуара для заливки и известного комплекта изложницы для литья с приложением давления снизу вагонного колеса;

на фиг. 2 показан вид в перспективе известного комплекта изложницы с узлом стопорной трубы для литья с приложением давления снизу вагонного колеса;

на фиг. 3 показан вид сбоку, с частичным разрезом, известной стопорной трубы со стопорной пробкой;

на фиг. 4 показан вид сбоку, с частичным разрезом, узла стопорной трубы в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 5 показан вид сбоку, с частичным разрезом, комплекта изложницы и узла литейного стержня ступицы для литья с приложением давления снизу вагонного колеса, ранее вхождения металла в комплект изложницы в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 6 показан вид сбоку, с частичным разрезом, комплекта изложницы и узла литейного стержня ступицы для литья с приложением давления снизу вагонного колеса после поступления металла в комплект изложницы в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительного варианта изобретения

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1 и 2, на которых показана известная система 10 для литья с приложением давления снизу, содержащая ковш, резервуар и комплект изложницы. Ковш 12 помещен в резервуар для хранения 14. Крышка 16 резервуара и узел 18 трубы для заливки установлены на верхней части резервуара 20 таким образом, чтобы герметизировать камеру 22. Труба для заливки 24 проходит от крышки 16 резервуара в ковш 12 и доходит почти до дна 26 ковша. Следует иметь в виду, что расплавленный металл, а обычно сталь, хранится в ковше 12 и поэтому ковш 12 облицован огнеупорным кирпичом 13. Труба для заливки 24 обычно изготовлена из керамического материала.

При проведении реальной операции заливки, сжатый воздух или инертный газ вдувают под давлением в камеру 22, за счет чего расплавленный металл принудительно направляют вверх через заливочную трубу 24 в секцию 50 нижней опоки изложницы. Секция 52 верхней опоки установлена на верхней

- 2 006696 части секции 50 нижней опоки, что позволяет получить законченный комплект изложницы. При литье с приложением давления снизу стальных вагонных колес, используют секцию 50 нижней опоки и секцию 52 верхней опоки, которые обычно изготовлены из графитового материала, с полостью, полученной в них за счет механической обработки.

После заполнения полости колеса (изложницы) расплавленной сталью давление в камере 22 снижают и стопорную пробку 58 на конце штока 54 стопорной трубы опускают вниз для входа в зацепление с дополняющим отверстием 59 в верхней части секции 50 нижней опоки. Такое перемещение в направлении вниз стопорной пробки 58 приводит к герметизации расплавленной стали в обработанной на станке полости.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 3, на которой показан известный шток 54 стопорной трубы со стопорной пробкой 58, прикрепленной к его концу. Обычно шток 54 стопорной трубы представляет собой стальную цилиндрическую трубу с прессовой посадкой ее конца в отверстии стопорной пробки 58. Сама по себе стопорная пробка 58 изготовлена из огнеупорного песка, отвержденного за счет использования связующего полимера (смолы). Отдельная стопорная труба требуется для каждого колеса, отливаемого с использованием известной стопорной трубы 54, так как расплавленный металл контактирует со стопорной трубой над стопорной пробкой 58. Такой контакт с расплавленным металлом приводит к плавлению стальной стопорной трубы 54 в расплавленном металле. Такой расплавленный металл после его застывания и последующей чистовой обработки вагонного колеса вырезают, чтобы образовать отверстие осевой ступицы в колесе. Более того, можно видеть, что количество расплавленного металла, потребного для заполнения центральной полости ранее перемещения стопорной пробки 58 в положение контакта с верхним отверстием, чтобы герметизировать верхнее отверстие секции нижней опоки изложницы, будет значительным, принимая во внимание относительно малый диаметр стопорной трубы 54.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 4, на которой показан усовершенствованный узел литейного стержня ступицы в соответствии с настоящим изобретением. Можно видеть, что шток 154 стопорной трубы, который представляет собой главным образом цилиндрическую стальную трубу, имеет конец 72, приспособленный для плотной посадки в отверстие 70 литейного стержня 56 ступицы. Само собой разумеется, что шток 154 стопорной трубы может иметь и другое поперечное сечение, например, может иметь квадратное сечение. Литейный стержень 56 ступицы представляет собой главным образом цилиндрическую конфигурацию, имеющую основную секцию 57 и секцию основания 66. Секция основания 66 приспособлена для взаимодействия с верхней дополняющей поверхностью секции 50 нижней опоки. Секция основания 66 обычно изготовлена из графитового композиционного материала. Основная секция 57 обычно изготовлена из огнеупорного песка с использованием полимерного связующего. Литейный стержень 56 ступицы главным образом имеет цилиндрическую конфигурацию с центральным отверстием 80. Центральное отверстие 80 связано с наружной стороной литейного стержня 56 ступицы по меньшей мере через одно отверстие 82. Кроме того, верхний участок 76 литейного стержня 56 ступицы имеет множество отверстий 78.

Основная секция 57 литейного стержня ступицы также может быть изготовлена из улучшенного огнеупорного материала, отверждаемого с использованием полимера (смолы) или другого отвердителя (ускорителя схватывания) и катализатора.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 5 и 6, на которых показана изложница в сборе, предназначенная для литья с приложением давления снизу вагонного колеса. Секция 150 нижней опоки изложницы удерживается в опоре 158, в то время как секция 152 верхней опоки изложницы удерживается в опоре 159. Секция 150 нижней опоки изложницы и секция 152 верхней опоки изложницы обычно изготовлены из графита.

Тыльная поверхность полости изложницы для отливки тыльной лопасти 160 вагонного колеса обработана на станке для образования полости в секции 150 нижней опоки изложницы. Лицевая поверхность полости изложницы для отливки лицевой стороны 162 вагонного колеса обработана на станке для образования полости в секции 152 верхней опоки изложницы. Расплавленная сталь 170 поступает в полость через отверстие 166 в секции 150 нижней опоки изложницы.

Множество стояков 164 образованы за счет механической обработки в секции 152 верхней опоки изложницы и служат для удержания жидкой стали в течение периода времени, необходимого для подачи расплавленной стали 170 вниз в полость, после заливки. Такая подача расплавленной стали 170 обеспечивает полное заполнение полости и надлежащую пористость стали в вагонном колесе после застывания. Такие стояки облицованы огнеупорным материалом, таким как песок, чтобы сталь в стояках оставалась жидкой в течение длительного периода времени, достаточного для снабжения полости расплавленной сталью во время охлаждения и застывания вагонного колеса.

Область 172 ступицы также требует подачи жидкой стали для обеспечения полного заполнения ступицы вагонного колеса. Литейный стержень 56 ступицы, который был здесь ранее описан, присутствует в области 172 ступицы изложницы по нескольким причинам. Литейный стержень 56 ступицы имеет такие диаметр и объем, что меньше расплавленной стали требуется для заполнения области 172 ступицы, чем при использовании известных стопорных труб. Экономия стали может составлять до 70 фунтов стали для вагонного колеса, которое весит около 1180 фунтов.

- 3 006696

На фиг. 6 показано, что расплавленная сталь 170 входит в центральное отверстие 80 в литейном стержне 56 ступицы через отверстие 82 и образует стояк ступицы. Литейный стержень 56 ступицы обычно имеет форсирующие отверстия 82. В стояке ступицы сталь остается расплавленной несколько дольше, чем остается расплавленной сталь в контакте с графитом секции 152 верхней опоки и секции 150 нижней опоки, за счет огнеупорного материала, из которого образован литейный стержень 56 ступицы, который имеет лучшие изоляционные свойства, чем графит изложницы.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Узел литейного стержня ступицы для использования в операции литья с приложением давления снизу, содержащий удлиненную секцию трубного штока, литейный стержень ступицы, прикрепленный к одному концу секции трубного штока, причем литейный стержень ступицы имеет главным образом цилиндрическую конфигурацию и диаметр больше, чем диаметр секции трубного штока, при этом литейный стержень ступицы выполнен с возможностью установки в расположенном по центру отверстии в изложнице.
2. Узел литейного стержня ступицы по п.1, в котором литейный стержень ступицы содержит основную секцию, изготовленную из огнеупорного материала, и нижнюю секцию, изготовленную из графитового композиционного материала.
3. Узел литейного стержня ступицы по п.1, в котором литейный стержень ступицы содержит основную секцию, изготовленную из огнеупорного материала, и нижнюю секцию, изготовленную из графитового композиционного материала, причем изложница содержит секцию верхней опоки и секцию нижней опоки и имеет расположенное по центру отверстие, проходящее через секцию верхней опоки и секцию нижней опоки, при этом на нижней поверхности секции верхней опоки образовано отверстие, соответствующее верхней поверхности отливаемого объекта, а на верхней поверхности секции нижней опоки образовано отверстие, соответствующее нижней поверхности отливаемого объекта, причем нижняя секция ступицы может быть введена в уплотнение с верхней поверхностью нижней опоки.
4. Узел литейного стержня ступицы по п.3, в котором отливаемым объектом является вагонное колесо, при этом литейный стержень ступицы образует цилиндрическое отверстие в осевом центре вагонного колеса.
5. Узел литейного стержня ступицы по п.3, в котором заливочная труба предусмотрена в расположенном по центру отверстии в секции нижней опоки для подачи расплавленной стали для отливки вагонного колеса.
6. Узел литейного стержня ступицы по п.1, в котором литейный стержень ступицы содержит основную секцию, изготовленную из огнеупорного материала, причем основная секция имеет верхний участок и участок стенки, при этом имеется отверстие на верхнем участке и по меньшей мере одно отверстие на участке стенки.
7. Литейный стержень ступицы по п.6, в котором после поступления расплавленного металла в расположенное по центру отверстие в изложнице металл дополнительно поступает в отверстие на участке стенки литейного стержня ступицы для образования стояка ступицы из расплавленного металла.
8. Способ сборки узла литейного стержня ступицы для использования при операции литья с приложением давления снизу, который включает в себя следующие операции:

использование удлиненной стопорной трубы, имеющей первый конец, использование литейного стержня ступицы и крепление литейного стержня ступицы к первому концу стопорной трубы, причем литейный стержень ступицы имеет главным образом цилиндрическую конфигурацию и диаметр больше, чем диаметр стопорной трубы, использование изложницы, имеющей секцию верхней опоки и секцию нижней опоки, а также имеющей осевое, расположенное по центру отверстие, проходящее через секцию верхней опоки и секцию нижней опоки, установку стопорной трубы и литейного стержня ступицы в вертикальном отверстии секции верхней опоки.
9. Способ по п.8, который дополнительно включает в себя следующие операции:

введение расплавленной стали под давлением через заливочную трубу, идущую в направлении вверх через вертикальное отверстие в секции нижней опоки и далее в полость, образованную в секции верхней опоки и в секции нижней опоки, снижение давления и прекращение подачи расплавленной стали, и перемещение литейного стержня ступицы в направлении вниз, для образования уплотнения с нижней поверхностью полости в секции нижней опоки.
10. Способ по п.8, в котором литейный стержень ступицы имеет полую внутреннюю секцию по меньшей мере с одним отверстием, выходящим на внешнюю сторону литейного стержня ступицы, так что, когда расплавленная сталь поступает в полость, некоторая порция расплавленной стали поступает в литейный стержень ступицы через отверстия, чтобы образовать стояк расплавленной стали внутри литейного стержня ступицы.

- 4 006696
11. Способ по п.8, в котором за счет операции литья с приложением давления снизу образуют вагонное колесо, причем литейный стержень ступицы образует цилиндрическое отверстие в осевом центре вагонного колеса.
12. Способ отливки объекта, который включает в себя следующие операции:

использование изложницы, которая имеет секцию верхней опоки и секцию нижней опоки, причем секция верхней опоки представляет собой графитовый блок и секция нижней опоки также представляет собой графитовый блок, причем секция верхней опоки имеет форму одной стороны отливаемого в ней объекта, при этом секция нижней опоки имеет форму другой стороны отливаемого в ней объекта, причем секция верхней опоки имеет расположенное радиально по центру отверстие, проходящее по всей высоте указанной секции, при этом секция нижней опоки также имеет расположенное радиально по центру отверстие, проходящее по всей высоте указанной секции, использование узла литейного стержня ступицы, который содержит удлиненную стопорную трубу, литейный стержень ступицы, плотно закрепленный на одном конце стопорной трубы, причем литейный стержень ступицы имеет главным образом цилиндрическую конфигурацию и диаметр больше, чем диаметр стопорной трубы, установка в заданное положение узла литейного стержня ступицы в отверстии в секции верхней опоки и в секции нижней опоки изложницы, заливка под давлением расплавленного металла вверх через отверстие в секции нижней опоки и в секции верхней опоки, так что расплавленный металл поступает в форму отливаемого объекта как в секции верхней опоки, так и в секции нижней опоки, перемещение узла литейного стержня ступицы после прекращения заливки таким образом, что литейный стержень ступицы образует уплотнение с секцией нижней опоки, причем расплавленный металл контактирует с литейным стержнем ступицы, что позволяет повторно использовать узел литейного стержня ступицы.
13. Способ по п.12, в котором литейный стержень ступицы изготавливают из огнеупорного материала.
14. Способ по п.12, в котором литейный стержень ступицы содержит основную секцию из огнеупорного материала и нижнюю секцию из графитового композиционного материала.
15. Способ по п.12, в котором литейный стержень ступицы содержит основную секцию из огнеупорного материала, причем основная секция имеет верхний участок и участок стенки, при этом имеется отверстие на верхнем участке и по меньшей мере одно отверстие на участке стенки.
16. Способ по п.12, в котором после поступления расплавленного металла в расположенное по центру отверстие в изложнице металл дополнительно поступает в отверстие на участке стенки литейного стержня ступицы, чтобы образовать стояк ступицы из расплавленного металла.
17. Способ по п.12, в котором литейный стержень ступицы имеет такую длину, что после поступления расплавленного металла и заполнения формы объекта, отливаемого в изложнице, и герметизации литейным стержнем ступицы отверстия в секции нижней опоки в форме отливаемого объекта, расплавленный металл не имеет прямого контакта с удлиненной стопорной трубой.
18. Способ по п.12, в котором полный диаметр литейного стержня ступицы больше, чем полный диаметр удлиненной стопорной трубы, за счет чего требуется меньше расплавленного металла для заполнения формы объекта, отливаемого в изложнице с использованием литейного стержня ступицы.
19. Способ по п.12, в котором удлиненная стопорная труба представляет собой главным образом цилиндрическую стальную трубу, а литейный стержень ступицы является главным образом цилиндрическим и изготовлен из огнеупорного материала.
20. Способ по п.12, который дополнительно включает в себя операцию удаления узла литейного стержня ступицы из изложницы после застывания объекта.