Технология, которая ломает стереотипы литейного производства и открывает новые возможности

Лучшие технологии конца XX-го века, совершенствуясь, прочно встают напромышленнуюоснову, дают прибыль ипривлекают инвестициив новое производство, определяя егоконкурентоспособность.

Лучшие технологии конца XX-го века, совершенствуясь, прочно встают напромышленнуюоснову, дают прибыль ипривлекают инвестиции

Металлургическая переработка металлов и литейное производство напостсоветском пространстве имеют давнюю традицию и солидный инженерный опыт.

Россия и Украина в конце второго тысячелетия занимали лидирующие позиции попроизводству металлаи отливок на душу населения. Сейчас выпуск литьяуменьшился в несколько раз. Немного осталось инаучно-технических институтов, которые сохранили инженерные наработки, опыт внедрения конкурентоспособных технологий отпроектирования и изготовлениялитейного оборудования до поставки его заказчику подключ с выполнением пуско-наладки и отработки технологии в производственныхусловиях.

Среди технологий, созданных за последниедесятилетия, в литейном делепопулярно производствомодели отливки изпенополистирола. Этот материал относится ктвердым пенам, которые в физическойхимииопределяются какдисперсия газа в твердом веществе, или, точнее, ячеисто-пленочная дисперсная система. Внашем случае матрицей служит полистирол, а диспергируется («дробится» и «рассеивается») газ.

Для серии отливок модели производят задуваниемпорошка полистирола в легкие алюминиевые пресс-формы (весьма простые в изготовлении и часто многоместные). Затем происходит вспенивание и склеиваниегранул при нагреве пресс-форм до 12000С. Для разовыхи крупных отливок, иногда весом донескольких тонн, модели вырезают из плитпенопласта нагретой нихромовой проволокой, которая, например, по шаблонам изкартона, как масло режет блочныйпенопласт. Модельи полученная затем поней отливка имеют высокую точность и, соответственно, низкую металлоемкость, конкурентный товарный вид.

Свободно можно увидеть, «пощупать» отливку ещев модели, измерить ее стенки, чего при обычной формовке в опоках в землю для сложных, с несколькимистержнями отливок просто не сделать. Отсутствуетсмещение стержней и форм при сборке (так как нетсамих стержней), что способствует повышению размерной точности отливокдо уровня 7 - 9 класса ГОСТ26645-85, а шероховатости их поверхности до 12,5 - 25,0 мкм. Модели красятбыстросохнущей краской согнеупорным противопригарным порошком (обычнополучают покрытие толщиной 0,4 -0,8 мм), собираютс литником, засыпают сухим песком в ящике (контейнере) и заливают металлом.

При заливке металл испаряет модель и собой еезамещает. В этой операции заменыодного на другоеи есть весь фокус илиноу-хау технологии литья погазифицируемым моделям (ЛГМ), который определяет ееназвание по принятойтерминологии в литейном производстве и делает уникальной. Во всех других способахформовки по модели присутствует предварительнаяоперация удаления моделиперед заливкой, а в такомотсутствии удалениямодели из формы кроется секретточности получаемых отливок. Что заформовали, то иотлили в неподвижном окружающем песке. Снятие копии с модели происходит одновременно с превращением модели вотливку. Такой подход к литьючастомалопонятенотечественным машиностроителям. Нашилитейщики к такому непривыкли, стереотипы, сложившиеся еще в институтах, не дают увидеть новых возможностей литья, что тормозит распространение ЛГМ.

Чтобы модель не дымила в цехе при заливке, изконтейнера обычно отсасывают насосом газы - разрежение поддерживают небольшое, примерно полатмосферы в течение до 15 мин. После отключенияотсоса газов из формыпроизводят охлаждение отливокв форме обычно еще в течении 10 -30 мин., а затем отливки с песком высыпают из контейнера иподают длявыполнения финишныхопераций. Можно также лить ибез отсоса газов. Например, для разовых отливок (крупногабаритных штампов для кузовов автомобильногопроизводства и т. п.) при формовке u1074 вжидкостекольныесмеси используюттрубчатые газовыводные каналы споджиганием выходящего из них газа от термодеструкции моделей, чем практически полностью переводятэтот газ путем горения вдвуокись углерода и пары воды без выделения дыма.

Участки модельного производства обеспечиваются модернизированным автоклавным оборудованием собъемом камеры 100 - 400 л. Аналогичные автоклавы чаще всего применяют в фармацевтической и медицинской промышленности. Разработанные усовершенствования по сравнению ссерийно выпускаемыми моделями позволяютсократить время спекания моделей до 1,5 -2 мин. при температуре 115 - 13500С и толщине стенки, получаемой по моделям впоследующемотливки, 5 - 10 мм и выше. Таким оборудованием сейчас оснащен ряд цехов в Украине.

Для серийного производства отливок поставляются полуавтоматы, цикл производства пенопластовых моделей на которых составляетоколо 2 - 3 мин. и которые «взяты» из упаковочной отрасли, где их задействуют для производства фасонной упаковки, легкой тары, а также шумо- и теплоизолирующих панелей, декоративных элементов фасада.

Практика показывает, что указанное модельноеоборудование в действующих литейных цехах Украины является наиболее загруженнымичасто эксплуатируется втри смены. Производственные участки: модельный, формовочный, плавильный, очистной имеют примерно одинаковые площади иоснащаются простымоборудованием (наиболее сложным является упомянутое модельное). Вся формовка состоит из засыпки сухого песка с вибрацией контейнера до однойминуты без массивных высокоточных машин прессования, встряхивания, устройств сборки форм, свойственныхтрадиционнымвидам формовки. Акцент перенесен на производство моделей, так каккачество их в основном определяет качество отливки. Оборотное охлаждение сухого песка ведут в пневмопотоке, псевдокипящем слое или в более простых проходныхохладителях u1089 с повторнымиспользованием песка ~97, а также применяюттермическую регенерацию песка путем нагревания его в пределах 300 - 40000С, при которомпроисходят дожигание ииспарение остатков деструкции пенопласта, осевших на поверхности песчинок. Потери оборота пескасоставляютпросыпи и отсев мелкойфракции для предотвращения его избыточногозапыления. Кроме того, применяют осаждение в циклонах пыли при прохожденииотсасываемых газов из формы и дожигание этих отходящихгазов в термокаталитических установках. Степень обезвреживания 98 при выделении в атмосферу газовой смеси из 85 N2, 5 O2, 10 CO2, в которой следыуглеводородной составляющей не превышают 0,001.Это в 10 - 15 раз меньше предельнодопустимых норм выбросов и, какследствие, существенно улучшаетэкологию производства.

Для черных и цветных сплавов используется одинаковое модельноформовочноеоборудование, которое, благодаря своей несложности, без затруднений производят в Украине (для других видов формовки качественное оборудованиеобычно импортируют). Таким способом можнополучать отливки из чугуна и стали всех видов, бронзы, латуни иалюминия всех марок. В ящике на «елке» можно сразу лить десяткиотливок, как в ювелирномпроизводстве, что служитеще одним плюсом длялитья по пеномоделям. Создание технологиилитья по газифицируемой модели стало научно-технической революцией во второйполовине прошлого века наряду с вакуумной формовкой, непрерывным литьем, литьем под низким давлением, импульсной формовкой и др. Все эти технологиисейчас на подъеме, а цехи и участки с гибкой технологией литья попеномоделям множатся по всему миру. На заводах GeneralMotors, FordMotors, Fiatи другихуспешно эксплуатируются полуавтоматические и автоматические линии.

Авторское свидетельство СССР №136014на изобретениеодного из вариантов этого способа в 1961 году получил одессит А.Р. Чудновский. С тех пор болееполусотни отечественных изобретений «защищаютновизну» технологии. В наше время в мире по пенополистироловым моделямпроизводят ~1,4% от всегоколичества литья - свыше 1,5 млн. тонн в год, прогнозына ближайшее будущеедают этой технологии 10 - 20% мирового литья. Значительным резервом выглядит рынок стран СНГ, где выпуск литья этим способом не превышает 100 тыс. тонн, а также рынок России.

Физико-технологический институтметаллов и сплавов (ФТИМС НАН Украины) под руководством профессора О.И. Шинского десятки летсовершенствует этутехнологию как фирменнуюспециализацию и одно изнаправлений научно-технических наработок. Сейчасздесь проектируется оснастка для литья стальных надрессорных балок весом дотонны и габаритами до трехметров в цехе серийного литья деталей вагоностроениядля железнодорожного транспорта. Потенциал технологии настолько значителен, что она позволяет лить нетолько металлы и сплавы, но и композиты, которые обладают повышенными в несколько раз (по сравнениюс простыми сплавами) служебными свойствами, например, триботехническими. Эти новые литые материалыи технологии дают существенное снижение металлоемкостии себестоимости продукции, на что ориентируетсясовременное машиностроение.

Практика эксплуатации организованных институтом производств показывает, что затраты на материалы весьма низкие и экономиясоставляет не менее100 долларов на тонну литья (требуется всего четыремодельно-формовочных материала: кварцевый песок- 50 кг, противопригарные покрытия - 25 кг, пенополистирол - 6 кг и пленка полиэтиленовая - 10 кв.м.). Аразмещение отливок по всему объему контейнера сокращает расход шихтыметалла на 150 - 250 кг, электроэнергии - на 100 - 150 кВт.ч. Технология литья попеномоделям имеетследующие технико-экономическиепоказатели, отличающиеся в лучшую сторону от традиционного литья впесчаную опочную форму:

коэффициент использования металла 80-98%

выход годного 65-80%

повышение механических характеристик материала отливок на 10-15%

снижение массы отливок на 15-25%

снижение расхода шихтовых материалов и ферросплавов на 15-25%

снижение расхода формовочных и стержневых материалов на 80 -90%

снижение капитальных затрат, раз 2-2,5

уменьшение производственных площадей, раз 3-4

уменьшение трудозатрат на 30-50%

Трудоемкость финишных операций сокращается на10 -20% при единичном и на 40 - 60% при серийномпроизводстве. Особенно крупная экономия при литьесложных отливок изизносостойких сталей (шнеки длямашин по производствукирпича, била, молотков и деталей дробилок), так как резко снижаются затраты наих механообработку. Также льют без ограничений колеса, звездочки, корпусы, сантехнику, головки и блокицилиндров бензиновых идизельных двигателей, художественные, парковые и другие отливки.

По данным General Motors, при производстве блокацилиндров масса егоуменьшилась на 15%, трудоемкостьмеханической обработки - на 50% по сравнениюс традиционным литьем в стержнях, количество головок и блоков цилиндров дляавтодвигателей, отлитыхописываемым способом, достигло 8 миллионов штук.

Промышленное освоение серийного литья чугунныхблоков автомобильных двигателей стоит на повестке дняотечественного двигателестроения. Технологи ФТИМС сейчасотрабатывают технологию литья поспроектированной оснастке на два вида головок и блоков цилиндров двигателейиз алюминиевых сплавов ичугунов.

Для проектирования иизготовления пресс-формвсе шире применяюткомпьютеры, когда по чертежу литойдетали с экрана, благодаря программномуобеспечению, в которомзаложены нормы и типовые решения проектирования, сразу вырезают изблока на обрабатывающем центре пенопластовую модельпресс-формы. Продолжительность операции занимает буквально часы. Затем по этой модели отливают алюминиевую пресс-форму, частоне требующуюмеханической обработки. То есть, способом точноголитья получают пресс-форму, а затем по нейпроизводят модели, идалее отливки.

В Киеве специалисты института льют черные и цветные металлы весом от 0,1 до 2000 кг. Литейный цех опытного производствапроизводит отливки изчугуна, стали, алюминия, медных сплавов(латунь, бронза). Изготовление пресс-форм для моделей (особеннохудожественных) часто выполняют точным литьем.

Опыт запуска подобных цехов показал, что срок их окупаемости9 - 12 месяцев. Легко разместить такие участки при кузнях, термических, ремонтных и других цехах. Для предпринимателей, желающихсоздавать или реконструировать литейный цех, подчеркнем, что технология ЛГМ можетстать тем бизнесом, в котором металл своимоборудованием и рабочей силой переводится в высокотехнологичныйнаукоемкий товар. ЛГМ ломает стереотип, что высокие технологии- это обязательно сложныемалодоступные производства, которыепозволяют опередить нашаг конкурентов в направлении укреплениясобственного машиностроения. Отливки часто называют«хлебом машиностроения», изних производят детали и машины (50 -60% массы машин).

К сожалению, крупныеметаллургические державыРоссия и Украинапродолжают продавать за рубеж многометалла в чушках, слябах имассивных заготовках, а также лом. Тогда как Германия в2004 году экспортировала 31% отливок, полностью импортируяруду и металл. Однакостатистика последних летпоказывает опережающий рост (на уровнедо 25% в год по Украине) обрабатывающей промышленности, чтообъективно стимулирует переход от продажи металла каксырья куглубленной егопереработке, когда без высокоточныхметаллозаготовок не обойтись. Тем более это выгоднодля немногочисленныхстран с замкнутымметаллургическим циклом, к которым относитсяУкраина. Возрождение отечественного машиностроения базируетсяна понимании того, что, чем раньше мы станемпереводить свой металл в детали и машины, тем быстрее достигнем благосостоянияевропейского уровня.