Литье металла по пеномоделям – конкурентоспособное производство металлозаготовок.

Литье металла по пеномоделям – конкурентоспособное производство металлозаготовок.

Лучшие технологии конца 20-го века, совершенствуясь, прочно стают на промышленную основу, дают прибыль и привлекают инвестиции в новое производство, определяя его конкурентоспособность.

Металлургическая переработка металлов и литейное производство на постсоветском пространстве имеют давнюю традицию и солидный инженерный опыт. Россия и Украина в конце второго тысячелетия занимали лидирующие позиции в производстве металла и отливок на душу населения. Сейчас выпуск литья уменьшился в несколько раз. Однако оставшиеся научно-технические центры, в частности, в НАН Украины, сохранили инженерные наработки, опыт внедрения конкурентоспособных технологий и смогли организовать цикл от проектирования и изготовления литейного оборудования до поставки этого отечественного оборудования заказчику «под ключ» с выполнением пуско-наладки, обучения персонала и отработки технологии в производственных условиях.

Среди созданных в последние десятилетия технологий в литейном деле набирает популярность удобная технология, когда получить модель отливки означает уже наполовину получить саму отливку. Модель отливки производят из пенополистирола, в обиходе чаще называемого пенопластом. Она получается такая, как упаковка от телевизора, или разовая пищевая тарелка, которые прочно вошли в наш быт, их штампуют миллионами на автоматах, а плитами полистирола утепляют наружные стены высотных домов. Пенополистирол относится к твердым пенам (как хлеб, например), которые в физической химии определяются как дисперсия газа в твердом веществе, или точнее, ячеисто-пленочная дисперсная система. В нашем случае матрицей служит полистирол, а диспергируется («дробится» и «рассеивается») газ.

По схожей технологии (как при производстве упаковки) для серии отливок модели производят задуванием порошка полистирола в легкие алюминиевые пресс-формы (весьма простые в изготовлении и часто многоместные) с последующим вспениванием и склеиванием гранул при нагреве пресс-форм до 120⁰ С. Для разовых и крупных отливок (иногда весом до нескольких тонн) подходит вырезание моделей из плит пенопласта нагретой нихромовой проволокой, которая, например, по шаблонам из картона «как по маслу» режет блочный пенопласт. Модель, затем полученная по ней отливка, имеют высокую точность (соответственно, низкую металлоемкость) и конкурентный товарный вид.

Свободно можно видеть, «пощупать» отливку еще в модели, промерять ее стенки, чего при обычной формовке «в опоках в землю» для сложных с несколькими стержнями отливок просто не сделать. Отсутствует смещение стержней и форм при сборке (так как отсутствуют сами стержни), что способствует повышению размерной точности отливок до уровня 7 – 9 класса ГОСТ 26645-85, а шероховатости их поверхности до 12,5…25,0 мкм. Модели красят быстросохнущей краской с огнеупорным противопригарным порошком (обычно получают покрытие толщиной 0,4 - 0,8 мм), собирают с литником, засыпают сухим песком в ящике (контейнере) и заливают металлом.

При заливке металл испаряет модель и собой ее замещает. В этой операции замены одного на другое - весь «фокус» или ноу-хау технологии литья по газифицируемым моделям (ЛГМ), который определяет ее название по принятой терминологии в литейном производстве и делает ее уникальной. Во всех других способах формовки по модели присутствует предварительная операция ее удаления перед заливкой, а в таком отсутствии удаления модели из формы кроется и «секрет» точности получаемых отливок. Что заформовали, то и отлили в неподвижном окружающем песке. Снятие «копии» с модели происходит одновременно с «превращением» модели в отливку, что шутя можно сравнить с выполнением «фотографии» путем «убиения» оригинала, или как в шахматной партии с жертвой пешки (модели) для выигрыша туры (отливки).

Чтобы модель не дымила в цехе при заливке, из контейнера обычно отсасывают насосом газы – разрежение поддерживают небольшое, примерно пол-атмосферы в течение до 15 мин. После отключения отсоса газов из формы производят охлаждение отливок в форме обычно еще в течении 10 - 30 мин., а затем отливки с песком высыпают их контейнера и подают для выполнения финишных операций. Можно также лить и без отсоса газов, например, для разовых отливок (крупногабаритных штампов для кузовов автомобильного производства и т. п.) при формовке в жидкостекольные смеси используют трубчатые газовыводные каналы с поджиганием выходящего их них газа от термодеструкции моделей, чем практически полностью переводят этот газ путем горения в двуокись углерода и пары воды без выделения дыма в цех.

Участки модельного производства обеспечиваются модернизированными автоклавным оборудованием с объемом камеры 100…400 л (рис. 1), аналогичные автоклавы чаще всего применяют в фармацевтической и медицинской промышленности. Разработанные усовершенствования по сравнению с серийно выпускаемыми моделями позволяют сократить время спекания моделей до 1,5…2 мин. при температуре 115…135⁰ С и толщине стенки получаемой по моделям в последующем отливки 5..10 мм и выше. Таким оборудованием сейчас оснащено ряд цехов в Украине.

Для серийного производства отливок поставляются полуавтоматы, цикл производства пенопластовых моделей на которых составляет около 2…3 мин. и которые «взяты» из упаковочной отрасли, где их задействуют для производства фасонной упаковки, легкой тары, а также декоративных, шумо- и теплоизолирующих панелей, декоративных элементов фасада. Практика показывает, что указанное модельное оборудование в действующих литейных цехах нашей страны является наиболее загруженным и часто эксплуатируется в три смены.

Производственные участки: модельный, формовочный, плавильный, очистной имеют примерно одинаковые площади и оснащаются простым оборудованием (наиболее сложным является упомянутое модельное). Вся формовка состоит из засыпки сухого песка с вибрацией контейнера до одной минуты без массивных высокоточных машин прессования, встряхивания, устройств сборки форм, свойственных традиционным видам формовки. Акцент внимания перенесен на производство моделей – этих «легчайших игрушек» с плотностью материала 25…27 кг/куб. м, которое обычно «доверяют» женским рукам, часто располагая на втором и выше этажах зданий. Качество выполнения модели в основном определяет качество отливки.

Оборотное охлаждение сухого песка ведут в пневмопотоке, псевдокипящем слое или в более простых проходных охладителях с повторным использованием песка ~97%, а также применяют термическую регенерации песка путем нагревания его в пределах 300…400⁰ С, при котором происходит дожигание и испарение остатков деструкции пенопласта, осевших на поверхности песчинок. Потери оборота песка составляют просыпи и отсев мелкой фракции для предотвращения его избыточного запыления. Кроме того, применят осаждение в циклонах пыли при прохождении отсасываемых газов из формы и дожигание этих отходящих газов в термокаталитических установках со степенью обезвреживания 98% при выделении в атмосферу газовой смеси из 85% N₂, 5% O₂, 10% CO₂, в которой следы углеводородной составляющей не превышают 0,001%, что в 10 - 15 раз меньше предельно допустимых норм выбросов и, как следствие, существенно улучшает экологию производства.

Для черных и цветных сплавов используется одинаковое модельно-формовочное оборудование, которое, благодаря своей несложности, без затруднений производят в Украине (для других видов формовки качественное оборудование обычно импортируют). Таким способом можно получать отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, латуни и алюминия всех марок. В ящике на «елке» (рис. 2) можно сразу лить десятки отливок, как в ювелирном производстве, что служит еще одним «козырем» для литья по пеномоделям.

Создание технологии литья по газифицируемой модели связано с научно-техническая революцией второй половины прошлого века наряду с такими процессами, как вакуумная формовка, непрерывное литье, литье под низким давлением, импульсная формовка и др. Все эти технологии на сейчас подъеме, а цеха и участки с гибкой технологией литья по пеномоделям (Lost Foam Casting – такое ее название на английском) сегодня множатся по всему миру - от Америки до Китая. На заводах General Motors, Ford Motors, Fiat и др. успешно эксплуатируются полуавтоматические и автоматические линии.

В начале истории создания этого способа литья у нас в стране лежит авторское свидетельство СССР №136014 на изобретение одного из вариантов этого способа, которое в 1961 г. получил наш соотечественник одессит А.Р.Чудновский. С тех пор более полусотни отечественных изобретений «защищают новизну» технологии. В наше время в мире по пенополистироловым моделям производят ~1,4% от всего количества литья - свыше 1,5 млн. т/год, прогнозы на ближайшее будущее дают этой технологии 10…20% мирового литья. Значительным резервом выглядит рынок стран СНГ, где выпуск литья этим способом не превышает 100 тис.т, а также рынок России, где в 2005 г. произведено этим способом всего 0,1 % отливок.

Институт ФТИМС НАН Украины ( г. Киев), под руководством проф. О.И. Шинского десятки лет совершенствуя эту технологию, как «фирменную» специализацию и одно из направлений научно-технических наработок института, поставляет для литейных цехов типовые комплекты оборудования производительностью 150…5000 т отливок в год.

Расчеты показывают, что созданные литейные комплексы оборудования для литья по газифицируемым моделям только на заводах Министерства Промполитики Украины позволят при монтаже их на реконструируемых литейных предприятиях создать производственные мощности с суммарным выпуском литья свыше 150 тыс. тонн/год, в частности, отливок для авто – тракторной техники, техники для АПК, нефтегазовой промышленности, арматуро- насосостроения и военной техники.

Это оборудование показало стабильную производительность при эксплуатации в цехах Украины, России, поставлено и внедрено такое оборудование в Польше, Румынии и Вьетнаме, из последних объектов – цех на 5000 т/год в Днепропетровске. Технология постоянно совершенствуется, сейчас проектируется оснастка для литья стальных надрессорных балок весом до тонны и габаритами до трех метров в цехе серийного литья деталей вагоностроения для железно-дорожного транспорта. Потенциал технологии настолько значителен, что она позволяет лить не только металлы и сплавы, но и композиты, которые обладают повышенными в несколько раз (по сравнению с простыми сплавами) служебными свойствами, например, триботехническими. Эти новые литые материалы и технологии дают существенное снижение металлоемкости и себестоимости продукции, на что ориентируется современное машиностроение.

Практика эксплуатации организованных институтом производств показывает, что низкие затраты на материалы (всего 4 вида, не применяется в форме связующие) экономят не менее 100 дол. на тонну литья, а размещение отливок по всему объему контейнера сокращает расход шихты металла на 150…250 кг, электроэнергии на 100…150 кВт.ч. Технология литья по пеномоделям имеет следующие технико-экономические показатели, отличающиеся в лучшую сторону от традиционного литья в песчаную опочную форму:

Трудоемкость финишных операций сокращается на 10…20% при единичном и на 40…60% при серийном производстве. Особенно крупная экономия при литье сложных отливок из износостойких сталей (шнеки для машин производства кирпича, била, молотки и детали дробилок), т. к. резко снижаются затраты на их механообработку. Также льют без ограничений колеса, звездочки, корпуса, сантехнику, головки и блоки цилиндров бензиновых и дизельных двигателей, художественные, парковые и другие отливки.

По данным General Motors при производстве блока цилиндров масса его уменьшилась на 15% и трудоемкость механической обработки на 50% по сравнению с традиционным литьем в стержнях, количество головок и блоков цилиндров для автодвигателей, отлитых описываемым способом, достигло 8 миллионов штук. Промышленное освоение серийного литья чугунных блоков автомобильных двигателей стоит на повестке дня отечественного двигателестроения. Технологи ФТИМС сейчас отрабатывают технологию литья по спроектированной оснастке на два вида головок и блоков цилиндров двигателей из алюминиевых сплавов и чугунов (рис. 3).

Для проектирования и изготовления пресс-форм все шире применяют компьютеры, когда по чертежу литой детали с экрана компьютера, благодаря программному обеспечению, в котором заложены нормы и типовые решения проектирования, сразу вырезают из блока на обрабатывающим центре пенопластовую модель пресс-формы, продолжительность операции занимает буквально часы. Затем по этой модели отливают алюминиевую пресс-форму, часто не требующую механической обработки. То есть, таким же способом точного литья получают пресс-форму, каким затем по ней производят модели, и далее отливки.

В Киеве специалисты института льют черные и цветные металлы развесом до 500 кг. Литейный цех опытного производства производит отливки из чугуна, стали, алюминия, медных сплавов (латунь, бронза) до 40 т в месяц и выполняет заказы на серийные и разовые детали. Институт ФТИМС комплектует и поставляет оборудование и оснастку для литейных цехов и участков в технологические «цепочки» различной конфигурации, отрабатывает технологию у себя и в цехе заказчика, координирует загрузку цехов, где внедрил такое точное литье деталей массой (0,1…2000 кг) с минимальной механообработкой без ограничений на форму отливки. Выполняется пуско-наладка поставленного и другого различного литейного оборудования, внедрение технологии, обучается персонал.

Опыт запуска цехов до 50…150 т/месяц показал срок окупаемости 9…12 месяцев, притом, что набор оборудования для мелких цехов 10…80 т/месяц отличается мало. Легко разместить такие участки при кузнях, термических, ремонтных и других цехах. Для предпринимателей, желающих создавать или реконструировать литейный цех, подчеркнем, что технология ЛГМ может стать тем бизнесом, в котором металл своим оборудованием и рабочей силой переводится в высокотехнологичный наукоемкий товар. ЛГМ относится к высоким литейным технологииям, которые ломают стереотип, что высокие технологии - это обязательно сложные малодоступные производства, и которые позволяют опередить на шаг конкурентов в направлении укрепления собственного машиностроения.

К сожалению, крупные металлургические державы Россия и Украина продолжают продавать за рубеж много металла в чушках, слябах и массивных заготовках, а также лом. Тогда как Германия в 2004 г. экспортировала 31% отливок, полностью импортируя руду и металл. Однако статистика последних лет показывает опережающий рост (на уровне до 25% в год по Украине) обрабатывающей промышленности, что объективно стимулирует переход от продажи металла как сырья к углубленной его переработке, когда без высокоточных металлозаготовок не обойтись. Тем более это выгодно для немногочисленных стран с замкнутым металлургическим циклом, к которым относится Украина. Возрождение отечественного машиностроения базируется на понимании того, что, чем раньше мы станем в детали и машины переводить свой металл, тем быстрее достигнем европейского уровня благосостояния.

Обзор составил Дорошенко Владимир, dorosh@inbox.ru, тел. 38-066-1457832, ф. 38(044) 4248488.

Схема технологии, фото цеха, отливок и моделей: www.opoka.ru/content/index_22.php.