Управление Ростехнадзора по Калужской области

Современная технология производства металлических отливок в песчаных формах с минимальным с одержанием полимерных компонентов в песке формы


В.С. ДОРОШЕНКО, канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник ( Физико - технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, г. Киев )

Промышленники и предприниматели недостаточно знают об одной из современных технологий получения металлических отливок — литье по газифицируемым моделям ( ЛГМ ). Англоязычное название ЛГМ — Lost Foam Casting Process — дословно означает процесс литья при потере пены, подразумевая использование пенопластовой модели. На этой технологии литья специализируется Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины ( ФТИМС НАН Украины ), в частности научная школа под руководством проф. О.И. Шинского. Институт поставляет оборудование и занимается организацией и реконструкцией литейных цехов.

Литейные цеха обычно относят к наиболее загрязняющим экологию машиностроительным производствам. Свыше 75% отливок металлических деталей получают в песчаных формах, которые при заливке в них металла выделяют газы, в основном состоящие из продуктов испарения и горения свя­зующих материалов формовочных песчаных смесей. По технологии ЛГМ-модели изготовляют из пенополистирола (реже из других пенопластов и помещают в формы из сухого песка без связующего. За 50 лет со времени своего возникновения годовой объем выпуска отливок в мире этим способом достиг 1,5 млн.т. Сегодня рыночные отношения жесткой конкуренции в машиностроении с быстрым обновлением продукции вместо массового производства вызывают спрос на мелкие и средние серии отливок с повышенной размерно-весовой точностью. Развитие литейного производства часто сопровождается созданием самостоятельных некрупных цехов с гибкими технологиями получе ния отливок высокой точности и сложности. Метод ЛГМ оказался наиболее подходящим вместо литья в песчано-глинистые, металлические формы, по выплавляемым моделям или других способов. При этом способе литья получить модель отливки означает уже наполовину получить саму отливку из металла. Пенопластовая модель отливки похожа на упаковку от телевизора или разовую пищевую тарелку, которые штампуют миллионами на автоматах, также плитами полистирола утепляют наружные стены высотных домов. По схожей технологии для серии отливок модели производят из гранул полистирола в легких алюминиевых пресс-формах при их нагреве до 130°C. Для разовых и крупных отливок (иногда весом до нескольких тонн) подходит вырезание моделей из плит пенопласта, а также вырезание на гравировально-фрезерных станках с числовым программным управлением (ЧПУ), множество модификаций которых появилось на рынке по доступной цене. Модель и полученная по ней отливка имеют высокую точность и конкурент­ный товарный вид, чему способствует окраска модели быстросохнущей краской с порошком-огнеупором. На рис.1 представлены модели и отливки деталей двигателей внутреннего сгорания. Модель склеивают с пенопластовым литником, помещают в контейнер, где засыпают сухим песком и заливают через литник расплавленным металлом. При заливке полистирол испаряется («теряется» пена), и модель замещается металлом. При этом металл затвердевает в виде отливки в неподвижном песке, который, облегая модель при засыпке песка (формовке), принимает форму зеркального отображения этой отливки.

Держа в руках легкую модель, можно увидеть и проме­рить по всей конфигурации будущую отливку и скорректировать ее возможные дефекты, что при обычной формовке для сложных с несколькими стержнями отливок не сделать. Модель из пенопласта легче отливки из чугуна в 280 раз, возьмешь ее в руки — будто держишь пустоту, которая затем превращается в металл. Наши литейщики не привыкли к таким технологическим возможностям и такому качеству отливок, так как стереотипы, заложенные еще в институтах, тормозят понимание потенциала этой технологии. При ее использовании отсутствует запах от горелых связующих полимеров, нет заливов по разъему формы (разъемов нет) и смещения стержней и форм при сборке, так как отсутствуют сами стержни со всеми проблемами их производства и выбивки. Производственные участки (модельный, формовочный, плавильный, очистной) имеют примерно одинаковые площади и оснащаются несложным оборудованием, доступным для изготовления практически любым отечественным машиностроительным предприятием.

Экологическая безопасность процесса ЛГМ обеспечивается исключением из технологии применения токсичных связующих в формовочных и стержневых песчаных смесях (против традиционных ли­тейных цехов, где на 1 т. отливок идет в отвал 2 – 4 т. смеси со связующим), их транспортирования и выбивки отливок. Например, 1 м3 пенополистирола модели весит 25 кг, если его замещают 7 т. жидкого чугуна, то при этом на 1 т. литья расходуется 3,6 кг полимера. В песчаных формах из смоляных холоднотвердеющих смесей при потреблении на 1 т. литья в среднем 3% связующего в 3 т. смеси расход составляет 90 кг полимерного связующего (в 25 раз больше).

При ЛГМ образующиеся при заливке металла газы из контейнера отсасывают насосом, разрежение поддерживают примерно на уровне 0,05 МПа, одновременно это разрежение уплотняет и удерживает в неподвижном состоянии песок в процессе замещения модели металлом. Затем газы через трубу вакуумной системы подают для утилизации и обезвреживания в систему термокаталитического дожигания. Там они окисляются примерно на 98%, и в виде водяного пара и углекислого газа выбрасываются в атмосферу за пределами помещения цеха. Традиционные формы со связующим после заливки металлом дымят в помещении, несмотря на вентиляцию рабочей зоны цеха, а удаление газов из сухого песка насосом в 10 – 12 раз снижает показатели загрязнений воздуха рабочей зоны по сравнению с литьем в традиционные песчаные формы согласно проведенным измерениям концентраций примесей в воздухе цеха.

Формовочный кварцевый песок после извлечения из формы отливок благодаря его высокой текучести транспортируют по закрытой системе трубопроводов пневмотранспорта (обычно всасывающего типа), исключающей пыление его в воздухе цеха. На рис.2 представлена схема движения материалов в цехе ЛГМ. Примерно треть песка поступает в установку терморегенерации, где он освобождается от остатков конденсированных продуктов деструкции пенополистирола, а затем, смешиваясь с остальной частью, после охлаждения в проходных закрытых охладителях опять подается на формовку. В результате потери оборотного песка не превышают нескольких процентов — это просыпи, унос с отсасываемыми газами и т.п.

Значительную часть бункеров, трубопроводов и оборудования комплекса по охлаждению и складированию оборотного песка монтируют за пределами цеха у его внешней стены, при этом сухой песок, который не боится мороза, быстрее охлаждается на открытом воздухе. На рис.3 показана линия очистки и охлаждения песка у внешней стены цеха. Это проходное оборудование включает виброси­то, магнитный сепаратор, проходной охладитель песка и т. д., оно пропускает 3 – 4 т. песка на 1 т. полученных отливок, шум от его работы не проникает в цех, тогда как смесеприготовительные участки, склады формовочных материалов и стержневые участки традиционных цехов занимают до 20% площади помещения цеха. Изолирование в закрытых трубопроводах потока песка, отсасывание из формы и последующее дожигание газов в сочетании с весьма чистым модельным производством дают возможность создать экологически чистые цеха с высокими безопасностью труда и культурой производства. На рис.4 показан внешний вид соответственно модельного и формовочного участков, а на рис.5 — процесс заливки крупной формы расплавленной сталью из ковша вместимостью свыше 1 т. Таким образом, условия труда, приближающиеся к условиям упаковочного производства с вакуумированием форм из сухого песка, вытесняют образ старой задымленной «литейки».

Технологические потоки и пространственное размещение моделей в контейнерной форме удобно имитировать на компьютере, а при изготовлении модельной оснастки все чаще применяют 3D-графику для программирования станков с ЧПУ (3D-фрезеры ). Возрастающий поток патентной и технической информации свидетельствует о серьезном интересе к этой технологии практически всех ведущих машиностроительных компаний, о проектировании и внедрении в производство десятков видов конвейерных, оснащенных манипуляторами, линий непрерывного действия, которые хорошо зарекомендовали себя в автотракторном моторостроении, литье трубоарматуры, деталей насосов и коммунального машиностроения, корпусов электродвигателей и др. Однако чаще создаются небольшие производственные цеха, состоящие из модельного, формовочного, плавильного и очистного участков. Они оснащаются простым оборудованием, одина­ковым для черных и цветных сплавов.

Если изготовление форм состоит в засыпании моделей сухим песком с вибрацией в течение полутора-двух минут, то отпадает потребность в высокоточных формовочных машинах прессования, встряхивания, в устройствах сборки форм. Акцент перенесен на производство моделей — «легчайших игрушек» с плотностью материала 25 – 26 кг / м 3, которое обычно доверяют женским рукам (подобное производство в зданиях часто располагается на втором этаже и выше). Для серийного производства отливок применяются полуавтоматы, цикл производства пенопластовых моделей на которых составляет около трех минут. Они позаимствованы из упаковочной отрасли, где их используют для производства фасонной упаковки, легкой тары, а также декоративных панелей и элементов фасада зданий.

Способом ЛГМ получают отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, латуни и алюминия всех литейных марок. В ящике на «елке или кусте» могут сразу лить десятки отливок, как в ювелирном производстве, с почти «ювелирной» точностью. До 90 % отливок можно применять без механической обработки. Описанная технология весьма эконо­мична в сравнении с традиционной. На 1 т литья расходуют 50 кг кварцевого песка, 25 кг противопригарных покрытий, 6 кг пенополистирола и 10 м2 полиэтиленовой пленки. Низкие затраты на мо-дельно-формовочные материалы позволяют экономить не менее 100 долл. США на 1 т. литья, размещение отливок по всему контейнеру позволяет получать 70 – 80 % годного литья, экономия шихты металла составляет 250 – 300 кг, электроэнергии — 100 – 150 кВт•ч, масса отливок снижается на 10 – 20% по сравнению с традиционной опочной формовкой.

Цеха и участки с этой гибкой технологией стремительно множатся по всему миру. В одной только КНР в 2006 г. работало около 200 таких цехов производительностью 300 тыс. т/год. Большинство крупнейших автопроизводителей Европы и США еже­годно используют для изготовления автомобилей несколько сотен тысяч тонн точных отливок, полученных способом ЛГМ. General Motors, Ford Motors, BMW, Fiat, VW, Penualt и ряд других фирм полностью перешли в 80 – 90- х г.XX в. на изготовление отливок блоков цилиндров, головок блока, впускных и выпускных коллекторов, коленвалов для наиболее массовых типов двигателей методом ЛГМ [1]. Перечень предприятий, использующих ЛГМ в России, приведен в [1], а сочетание способа ЛГМ в цехе с другими технологиями представлено в [2]. На рис.6 показаны различные модели и отливки.

ФТИМС НАН Украины, свыше трех десятилетий совершенствуя «фирменную» специализацию, спроектировал оборудование и запустил ряд участков на Украине, в России, поставил и вне­дрил такое оборудование во Вьетнаме, в Польше и других странах. Сейчас институт поставляет заводам базовое оборудование для литья 100 – 5000 т / год с различной степенью механизации. На опытном производстве ФТИМС НАН Украины в Киеве льют черные и цветные металлы развесом 0,1 – 1500 кг до 50 т / мес, отрабатывают технологию и оснастку для новых цехов, проектируют и поставляют оборудование и линии под программу и площади цеха-заказчика с последующей пуско-наладкой всего комплекса поставленного оборудования и внедрением технологии. Изготовление пресс-форм для моделей часто выполняют точным литьем.

Крупная экономия получается при литье сложных отливок из износостойких сталей : трака и деталей гусениц ( см. рис. 6, д ), корпусных деталей ( см. рис. 1, в ), так как резко снижаются затраты на их механическую обработку. Льют без ограничений по конструкции колеса, звездочки, головки и блоки цилиндров, патрубки бензиновых и дизельных двигателей, коленвалы и пр. Капитальные затраты на организацию производства сокращаются в 2 – 2,5 раза, так же как и сроки ввода его в эксплуатацию. Для ремонтного литья легко разместить такие участки при кузнях, термических, ремонтных и других цехах.

Производственный потенциал технологии ЛГМ далеко не исчерпан, данный способ позволяет получать ранее нетехнологичные литые крупнопористые, ячеистые и каркасные отливки, а также ком­позиты и армированные конструкции, которые обладают улучшенными служебными свойствами. При этом в модель предварительно вставляют различные детали или материалы, которые обливаются металлом и формируют композит или армированную конструкцию, а наложение газового давления или вакуума на жидкий металл увеличивает стабильность пропитки таких изделий со вставками на длину до 1 м.

Данный процесс относят к технологиям будущего, учитывая его экологичность, высокие точность получаемых отливок и степень оборотного использования формовочного песка. ЛГМ ломает стереотип, что высокие технологии — это обязательно сложные малодоступные производства. Такие производства дают выход к устойчивому развитию из технологического отставания, когда в отечественной экономике нарастает сырьевая составляющая, доминирует продукция с низкой добавленной стоимостью и снижается конкурентоспособность производства. Для предпринимателей, планирующих создать или реконструировать литейный цех, технология ЛГМ послужит тем бизнесом, в котором металл своими оборудованием и рабочей силой переводится в высокотехнологичный товар.

Страны, где металл производят из собственных руд путем его углубленной переработки, получают шанс опередить конкурентов. Если в 80- е г г. XX в. в структуре отечественной промышленности и товарного экспорта вес машиностроения составлял около 30 – 40%, а черной металлургии был в два-три раза меньше, то сегодня наоборот — килограмм черного металла ( в рядовом прокате, чушках, ломе ) стоит в среднем 0,5 долл. США, килограмм металла в автомобиле или танке — уже 50 – 100, а в самолете — 1500 – 2000 долл. США. Развитие литейного производства — это шаг к восстановлению и росту отечественного машиностроения, превращению страны из продавца полуфабрикатов в экспортера технологической продукции с высокой добавленной стоимостью. Замена экспорта продукции металлургии на экспорт машин и механизмов — это один из шагов перевода сырьевой экономики на высокотехнологичную и усиление роли в глобальном разделении труда, когда экономическая конкуренция в большей степени определяется конкуренцией научно-технической, а разработка и внедрение технологических инно­ваций — решающие факторы социального и экономического развития, залог экономической безопасности. Снижение зависимости национальной промышленности от импорта знаний, технологий и товаров, реализация собственной программы инновационного развития позволяет стать равноправным участником глобальных инновационных процессов.