Модернизация литейного цеха для производства отливок по газифицируемым моделям

В последние годы в США, Китае, европейских странах интенсивно внедряется литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) как наиболее недорогой и мало загрязняющий окружающую среду способ получения точных отливок.

Звучит впечатляюще, не правда ли?

Дженерал Моторс, Форд, БМВ, Фольксваген, Пежо-Ситроен, Рено, Фиат и ряд других фирм автостроения полностью перешли в 1980-90-х годах на изготовление отливок блоков цилиндров, головок блока, коленвалов и ряда других деталей наиболее массовых двигателей методом ЛГМ.

К сожалению, необходимо отметить: хотя США и СССР являются пионерами и основными патентодержателями по ЛГМ, в России, Украине и других странах СНГ эта технология внедряется слабо.

Мировой опыт внедрения ЛГМ технологии

Лидеры автомобильной промышленности

Почему ведущие мировые автопроизводители сделали выбор в пользу ЛГМ?

Ответ прост: технология доказала свою эффективность. Она позволяет получать сложные отливки с высокой точностью и минимальными припусками на механическую обработку.

Успешный опыт других стран

Опыт внедрения этого процесса в Польше, Румынии, Вьетнаме и на нескольких украинских предприятиях показывает: благодаря преимуществам ЛГМ инвестиции в него быстро окупаются — за 2-3 года.

Неплохой результат, согласитесь.

Препятствия для внедрения в странах СНГ

Психологические барьеры

Сдерживающими факторами освоения этого прогрессивного способа (кроме традиционных экономических трудностей внедрения новых разработок, включая отсутствие налоговых льгот при вложении денег в высокотехнологичные ноу-хау), по мнению авторов, служат устаревшие стереотипы мышления литейщиков.

Что тут скажешь — консерватизм профессии дает о себе знать.

Недостаток информации

Разрозненная техническая информация о структуре производства (участка, цеха) ЛГМ не дает достаточных оснований промышленникам на существующих технологически устаревших предприятиях переходить на новый, неизвестный им производственный процесс.

Получается замкнутый круг: нет информации — нет внедрения, нет внедрения — нет опыта.

Уникальные возможности технологии ЛГМ

Широкий диапазон масс отливок

Пределы развеса отливок при ЛГМ впечатляющи. Специалистами ФТИМС НАН Украины в отделе формообразования под руководством профессора Шинского О.И. отработаны технологии получения отливок весом от 100 граммов до 5 и более тонн из различных металлов:

• ✓ Чугуна
• ✓ Стали
• ✓ Алюминиевых сплавов
• ✓ Медных сплавов
• ✓ Специальных сплавов

От 100 граммов до 5 тонн! Это действительно впечатляет.

Коренные отличия от традиционного литья

Структурные различия

Литейный цех, работающий по ЛГМ процессу, отличается от цехов литья в песчаные формы со связующим:

1. Структурой
2. Технологическим процессом и оборудованием
3. Материальным и энергетическим обеспечением
4. Специализацией и количеством персонала

Что остается неизменным

Отличия ЛГМ от других методов литья не касаются процесса получения жидкого металла. Плавильное отделение с шихтовым хозяйством не требует изменения.

Определение необходимой массы жидкого металла производится по давно применяемой методике, с учетом того, что допуски на последующую механическую обработку элементов отливки (отверстий, пазов, наружных и внутренних размеров) составляют 0,2-0,5 мм и зависят в основном от способа получения пенополистироловой (ППС) модели.

Упрощение производства

Коренное отличие — в модельном и формовочном отделениях и отсутствии стержневого и смесеприготовительного отделения.

Из-за того, что единственным формовочным материалом является природный кварцевый песок, выбивное отделение намного проще и имеет меньше технологического оборудования.

Указанные отличия облегчают механизацию и автоматизацию всего литейного процесса. Во ФТИМС НАНУ проведен комплекс работ и имеется разработанная технологическая и конструкторская документация практически по всем операциям ЛГМ с целью их полной или частичной автоматизации.

Преимущества формовочного процесса

Многократное использование песка

Формовочный песок постоянно находится в многократном обороте, и его потери в среднем составляют 3-5% на одну заливку.

Отсутствие в нем связующего позволяет восстановить его для повторного использования без большого количества технологического оборудования и, соответственно, площадей.

Простота выбивки и очистки

Выбивка отливки также не представляет трудности, так как сухой несвязанный формовочный песок легко высыпается из контейнерной формы.

Очистка отливки не требует трудоемких операций как при литье в песчано-глинистые формы, не говоря уже о ХТС, ЖСС или по выплавляемым моделям.

Чистота производства

Формовочные, заливочные, выбивные площадки значительно чище. Пыль, образующаяся при выбивке и других операциях, легко удаляется местными вытяжными зондами с рабочих мест.

Это способствует повышению культуры производства.

Термообрубное отделение ничем не отличается, и для реконструируемых цехов можно использовать действующее оборудование. Для вновь создаваемого литейного цеха перечень и количество оборудования зависит от объема производства отливок и легко компонуется из стандартных единиц.

Особенности литья стали и науглероживание

Проблема науглероживания

При литье стали следует учитывать, что в процессе замещения жидким металлом пенопластовой модели комплекс газов деструкции с общей формулой CₙH₂ₙ₊₂ частично на глубину 0,05-0,15 мм от поверхности отливки повышает количество углерода, то есть науглероживает ее.

Методы решения

Поэтому для отливок из стали 20 и с более низким содержанием углерода подбором состава шихты учитывают возможное повышение количества углерода в стальной отливке до 0,1-0,2%.

Также применяют ряд отработанных технологических методов, которые без труда позволяют лить заготовки из нержавеющей стали типовых марок.

Контроль качества и точность отливок

Упрощение контроля и ремонта

Контроль качества отливок и их ремонт при переходе на ЛГМ намного упрощается.

Как отмечалось выше, точность размеров и качество поверхности во много раз выше, чем при литье традиционными способами в формы, полученные в парных опоках.

Экономия металла

Повышение точности размеров и чистоты отливки экономит жидкий металл.

Это достигается путем получения более точной (с учетом усадки металла) одноразовой модели в качественных металлических пресс-формах, соблюдения технологических операций при отсутствии снижающих точность отливки сборки формы и протяжки модели при формовке.

Преимущества для сложных деталей

Пенополистироловая модель дает точное воспроизведение отливки, позволяет проверить предъявляемые к детали требования по ее размерам и геометрии и без затрат средств до запуска детали в производство ввести необходимые конструкторские коррективы.

Особенно такое преимущество ЛГМ проявляется при получении деталей с криволинейными поверхностями, свойственными:

• ★ Лопаткам турбин
• ★ Деталям насосов
• ★ Коронкам зубьев
• ★ Другим сложным деталям

Поэлементное изготовление

Еще одним преимуществом является возможность изготовления сложной и/или крупной пенопластовой модели поэлементно несложной сборкой в цельную модель.

Способы получения пенополистироловых моделей

Четыре основных метода

Гибкость техпроцесса также характеризуется возможностью выбора из четырех широко применяемых способов получения пенополистироловых моделей:

1. Вырезанием горячей струной из блочного полистирола
2. Фрезерованием на 3-х координатном станке с ЧПУ по чертежу детали
3. Выпеканием в автоклавах с камерой объемом от 100 до 1000 литров
4. Изготовлением на полуавтоматах методом теплового удара

Сборка модельных блоков

Готовые модели собирают в модельные блоки с элементами литниково-питающей системы (ЛПС). Сборку осуществляют тепловым способом или склеиванием.

При малых размерах модели собирают в куст на одном стояке. Сборный блок/куст окрашивают и сушат. Высушенными их можно хранить очень долго — они не теряют своих размеров и свойств.

Организация модельного участка

Автоклавный способ

Схема технологических операций получения моделей наиболее распространенным для серийного производства автоклавным способом показана на рисунке 1, а внешний вид участка на рисунке 2.

Рис. 1. Схема технологических операций получения моделей автоклавным способом

Рис. 2. Внешний вид модельного участка

Под каждую технологическую операцию выделяют отдельную рабочую площадку, которые в сумме составляют модельный участок.

Использование полуавтоматов

При больших объемах получения отливок выгодно использование полуавтоматов.

Они требуют обеспечения:

Стоимость устанавливаемых на них пресс-форм по сложности и стоимости на порядок выше, чем пресс-формы для автоклавов.

Специалисты ФТИМС разработали весь комплекс оборудования для получения моделей таким способом, что можно наблюдать на действующем участке литейного цеха института.

Планирование цеха и расчет площадей

Индивидуальный подход

При отсутствии справочных материалов и методик проектирования отделений цехов ЛГМ процесса в технической литературе оптимальное планирование таких цехов пока не стало предметом рассмотрения в качестве конкуренции примеров удачного внедрения этой технологии в сравнении с другими литейными процессами.

Проектирование цеховой планировки и всего технологического цикла как единого целого осуществляется для каждого случая исходя из требований заказчика с учетом наработанного (часто уникального) опыта внедрения разновидностей этого способа литья в различных странах.

Универсальность планирования

Используя универсальность и гибкость процесса ЛГМ, были спроектированы участки и цеха для:

• ✔️ Единичного производства отливок
• ✔️ Серийного производства
• ✔️ Ремонтных предприятий

Количество и номенклатура оборудования которых резко отличаются как для изготовления моделей, так и для формовочно-заливочных операций.

Расчет материалов и площадей

Количество используемых материалов, среди которых преобладает кварцевый песок, их хранение, подготовка, подача на формовку зависят от объемов производства отливок. Это соответственно затребует различные площади для их размещения — от нескольких десятков квадратных метров до сотен.

Оборудование оборотного охлаждения и очистки песка часто поднимают до уровня 2-3 этажа для сокращения занимаемой площади первого этажа цеха.

Проектирование под заказчика

В процессе проектирования в соответствии с заданной программой объема производства, маркой металла, размерами отливки (чертежами деталей) производится анализ и расчет необходимого количества материалов: песка и полистирола, от которых зависят как размещение технологического оборудования, так и их количество.

Если к заявке приложены планы помещений, то конструкторами выполняется несколько проектных предложений. После обсуждения с заказчиком принимается окончательное решение.

При отсутствии помещений производится подготовка и составление технического задания для проектировщиков зданий и сооружений с указанием потребности в электроэнергии, воды, вентиляции.

Технологическая подготовка производства включает проектирование пресс-форм по конструкторской документации или образцам деталей, что также выполняется специалистами ФТИМС НАНУ.

Влияние сменности работы

Потребные производственные площади также зависят от количества смен.

При составлении номинального фонда времени по операциям изготовления моделей учитывается то, что модель представляет собой твердое тело из полистирола, которое несложно отремонтировать. Это уменьшает уровень брака и в целом требует меньше времени на изготовление моделей.

Потребность в ремонте и обслуживании всего технологического оборудования сокращается из-за отсутствия стержневого и смесеприготовительного хозяйства и меньшего количества применяемых формовочных материалов. Это также сокращает структуру подъемно-транспортных механизмов и машин.

Подготовка и оборот формовочного песка

Плавильное отделение

Расчет технологического процесса плавки при проектировании плавильного отделения и комплектация его оборудованием аналогичен другим способам литья: в песчано-глинистые формы, ХТС и ЖСС процессам, ВПФ, ЛВМ и другим.

Однако общая потребность в жидком металле снижается при ЛГМ на 8-14%.

Например, вес отливки блока цилиндров двигателя МеМЗ на автомобиле "Сэнс" с объемом 1300 см³:

Разница в 7 кг достигается из-за повышенной точности размеров отливки и меньших припусков на механическую обработку.

Для улучшения маневренности и экономичности производства обычно используют индукционные тигельные печи с "обвязкой" их замкнутой системой водоохлаждения, что экономит воду и снижает затраты на охрану труда и защиту окружающей среды.

Плавильное отделение при ЛГМ также должно быть отделено от площадки формовки.

Процесс заливки

Процесс заливки несколько отличается от заливки при других видах литья.

Различие состоит в том, что пенополистироловая модель, температура плавления которой находится в пределах 80-120°С, под действием тепла жидкого металла переходит в газообразное состояние в объеме, превышающем объем модели в сотни раз.

Образовавшиеся газы в процессе заливки высасываются из песчаной формы (контейнерной опоки) вакуумным насосом.

Приемлемыми являются водокольцевые вакуумные насосы как наиболее безопасные и производительные. Мощность насоса зависит от программы выпуска отливок.

Откачанные газы состава CₙH₂ₙ₊₂ разлагаются в процессе деструкции в стоящей за насосом установке дожигания в слое катализатора, превращаются в двуокись углерода, пары воды, свободные молекулы азота и другие газы и выпускаются в атмосферу.

Уровень вредности этих газов в рабочей зоне цеха ниже ПДК в десятки раз. Частицы песка, увлекаемые откачиваемыми газами, осаждаются в осадителях.

Формовочное оборудование

Формовочно-заливочное, выбивное отделения при ЛГМ процессе совсем не соответствуют устоявшимся представлениям для цехов традиционной формовки, так как единственным формовочным материалом является природный кварцевый обеспыленный сухой песок зернистости К02, карьерный, реже речной.

Также литейные контейнеры по конструкции не похожи на рамочные опоки.

Предельно упрощенный процесс формовки состоит в том, что собранные и покрашенные кусты моделей или блоков, один или несколько, устанавливают на песчаную "постель" в контейнере и засыпают песком.

После этого заполнение песком всех объемов модели (каналов, выемок, отверстий и других), а также его уплотнение осуществляется вибрацией в течение 1-2 минут.

Вибростолы

Разработанные во ФТИМС конструкции вибростолов могут придать движение песка в контейнере не только в вертикальной плоскости, но и в горизонтальной.

Также существует конструкция стола с роликами, которая позволяет встраивать его в замкнутую непрерывную транспортную систему формовочно-заливочного отделения.

Требования к песку

Основными критериями годности песка для формовки являются:

• ☑️ Невысокая запыленность
• ☑️ Содержание пылевидной составляющей (размер зерен ≤0,05 мм) не выше определенного процента в общем объеме
• ☑️ Температура не выше +35-40°С

Применяемые первичный и использованный песок проходят стадию очистки от включений и обеспыливаются в виброситах разработки ФТИМС. Конструкция их простая, и изготовление не представляет сложности работникам средней квалификации.

Охлаждение песка

Для охлаждения песка после высыпания из формы, температура которого может достигать 80-90°С, используют холодильники различных конструкций и принципов охлаждения:

1. В псевдоожиженном слое
2. Встречным увлажненным воздухом
3. Контактом в теплообменнике с водяной рубашкой

Транспортная система

Указанное технологическое оборудование формовочного отделения при ЛГМ процессе подтверждает его несхожесть с технологическим оборудованием для изготовления, упрочнения, заливки, остывания и выбивки форм при других видах литья.

Расчет его потребного количества для подготовки песка производится из соотношения объема заливаемой отливки к объему песка в контейнере литейной формы, которое составляют от 1:4 до 1:10 и зависят от размеров, толщины стенок, конфигурации отливки.

Существуют контейнеры стандартного ряда и специальные для единичной крупной отливки. Стандартные контейнеры имеют донную разгрузку, что позволяет монтировать разгрузочное (выбивное) оборудование в единую транспортную систему для формовки, заливки, охлаждения, выбивки.

Комплексное оборудование

Отсутствие формовочного, стержневого плаца и возможность объединения технологического оборудования в один формовочно-заливочный конвейер позволяет резко сократить необходимые площади при одинаковом объеме производства.

Конструкторами института разработаны и внедрены для транспортирования:

• ★ Конвейеры
• ★ Ковши-рольганги с приводными и неприводными роликами
• ★ Поворотные столы с ручными и механизированными приводами
• ★ Монорельсовые системы различной грузоподъемности и конфигурации
• ★ Элеваторы
• ★ Пылеосадители
• ★ Циклоны
• ★ Магнитные сепараторы
• ★ Бункера
• ★ Силосы

Это позволяет полностью укомплектовать участок ЛГМ этим отечественным оборудованием.

Общие виды формовочно-заливочного отделения (а), подготовки песка (б) и операции заливки форм металлом (в) показаны на рисунке 4.

Рис. 4. Общие виды отделений: а) формовочно-заливочное, б) подготовка песка, в) заливка

Пневмотранспорт

Пыль, возникающая в месте подачи песка на формовку и при выгрузке формы, легко удалить местными вытяжками.

Перемещение песка по технологическому циклу обычно осуществляют пневмотранспортом всасывающего или нагнетающего типа.

Преимущества и недостатки обоих типов известны. По опыту их разработки и применения для ЛГМ процесса можно сказать: всасывающий тип предпочтительнее, а при небольших объемах используемого песка выгодно использование пневмонасосов с объемом рабочей камеры до 0,5 м³.

Термообрубное отделение

Отделение от отливок элементов литниково-питающих систем в термообрубном отделении при ЛГМ процессе осуществляют так же, как при других видах литья.

Компоновка и состав применяемого оборудования проще, так как отсутствует необходимость удаления стержней из отливок, а слой краски толщиной 0,5-1,0 мм, наносимый на пенополистироловую модель, с отливки отделяется легко.

Операции по контролю, очистке, ремонту, термообработке отливок производятся известными способами.

Складские помещения

После определения расхода материалов, исходя из программы работы предприятия, рассчитываются складские помещения, их обустройство, состав оборудования и механизмов.

При расчете складов для хранения песка необходимо учитывать, что отсев после каждой заливки не превышает 5%, то есть песок находится в производственном процессе многократно.

Разработано и внедрено в производство оборудование по регенерации песка, но, учитывая стоимость энергоносителей и зарплату работников, выгодно восполнять потери свежим песком, а отсев использовать для других целей.

Пылевидную составляющую, удаленную с формовочного песка, обычно используют для приготовления краски, изготовления литейных чаш.

Размещение оборудования на улице

Существенным преимуществом рассматриваемого техпроцесса является то, что с целью экономии отапливаемых производственных площадей все оборудование по технологическому процессу подготовки формовочного песка (хранение, очистка, охлаждение, подача) в большинстве случаев обустраивается на улице у внешней стены цеха (рис. 4 б, а также IX эстакада на рис. 5).

Малое количество видов оборудования и его несложность позволяет автоматизировать или механизировать процессы формовки и оборота песка.

Экономические показатели и окупаемость

Модельное отделение — ключевое звено

Самым большим отличием цеха ЛГМ от других является модельное отделение.

Качество модели служит определяющим фактором качества отливки, точности размеров, шероховатости поверхности, выхода годного (может достичь 95-98%).

Выбор метода получения моделей

Методы получения пенополистироловых моделей приведены в начале статьи.

Основным критерием при выборе модельного оборудования является серийность отливок.

Наличие оборудования для вырезки горячей проволокой предпочтительно, так как элементы литниково-питающей системы, прибыли в большинстве случаев изготавливают из блочного полистирола.

Единичные отливки любых габаритов и конфигураций также выгоднее изготавливать поэлементно из блочного полистирола и склеивать в целую модель.

Таким методом на опытном производстве ФТИМС изготавливают:

• ✓ Корпуса крупногабаритных насосов
• ✓ Станины
• ✓ Элементы литников установок непрерывного литья
• ✓ Различные балки и корпусные детали

Разумеется, что при этом повторяемость размеров и чистота поверхности разовых отливок несравнимы с отливками, полученными из моделей, сформированных в пресс-формах и спеченных в автоклавах.

Рекомендации по выбору оборудования

Для предприятий с выпуском большой номенклатуры отливок малой серийности предпочтительнее изготавливать модели автоклавным способом.

Для предприятий с выпуском крупносерийных отливок — на пресс-автоматах, хотя пресс-формы для них стоят на порядок выше пресс-форм для автоклавного спекания и стоимость автоматов намного выше.

Технология спекания

Получение модели методом спекания требует наличия подвспененного полистирола, который затем задувается в пресс-формы задувным устройством эжекторного типа.

Подвспенивание гранул первичного полистирола диаметром 0,1-0,3 мм до диаметра 1,0-2,5 мм производят в подвспенивателях конструкции ФТИМС или на полуавтоматах.

Последующая выдержка и просушка производится в бункерах.

Оборудование для сушки, стабилизации, хранения, подачи на рабочие места подвспененного полистирола несложно в изготовлении. Его конструкторская документация, откорректированная по опыту изготовления и эксплуатации на литейных предприятиях в различных странах, имеется в институте и вместе с документацией на весь литейный участок прилагается к поставляемому заказчику оборудованию.

Размещение модельного участка

Все технологическое оборудование для производства пенополистироловых моделей можно размещать на разных производственных площадках (комнатах), разделив на отдельные технологические операции, но связав их транспортно-складскими.

Для экономии площади цеха модельные участки также можно располагать на втором этаже здания, откуда несложно подавать легковесные модели на формовку. Это упрощает использование имеющихся производственных площадей существующих литейных цехов для ЛГМ без строительства новых цехов и участков.

Пример планировки цеха

На рисунке 5 приведен план размещения технологического оборудования модельного и формовочно-заливочного участков (в таблице указаны его обозначения и характеристики) для получения 1500 тонн отливок в год как пример реконструкции части действующего литейного цеха с целью выпуска на этих участках в основном деталей центробежных насосов для химической промышленности, а также выполнения единичных заказов на литье из черных и специальных сплавов.

Рис. 5. План размещения оборудования для производства 1500 т/год

Общая площадь цеха, занятая для изготовления моделей и отливок, составляет 510-550 м², в том числе:

Расход песка

Объем сухого песка, первоначально загружаемого в силосы — 18 м³.&lt