Информация о технологии литья по газифицируемым моделям

В литейном деле наиболее точные отливки можно получать по одноразовым моделям. Если при литье в песчаные формы применяют одноразовые формы, то теперь пришло время одноразовых моделей из пенопласта. Они похожи на упаковку от телевизора, или разовую пищевую тарелку, которых массово штампуют на автоматах, а плитами пенополистирола утепляют наружные стены домов.
По такой же технологии (как для упаковки) для серии отливок производят модели задуванием гранул пенополистирола в алюминиевые пресс-формы (включая многоместные) с последующим вспениванием гранул нагревом пресс-форм в течение 2-3 минут. Для разовых и крупных отливок (весом до нескольких тонн) модели вырезают из плит пенопласта нагретой нихромовой проволокой по шаблонам или на макетно-фрезерных станках с ЧПУ. Модель и полученная по ней отливка, имеют высокую точность и конкурентный товарный вид.
Свободно можно видеть, «пощупать» отливку в модели, промерять ее стенки, чего при обычной формовке для сложных с несколькими стержнями отливок не сделать. Модель из пенопласта легче отливки из чугуна в 300 раз, возьмешь в руки модель - как будто держишь пустоту, которая превращается в металл. Наши литейщики к такому не привыкли, стереотипы заложенные еще в институте, не дают увидеть новых возможностей литья.

Модели покрывают краской с порошком-огнеупором, склеивают с литником, засыпают сухим песком в ящике (контейнере) и заливают металлом. При заливке металл испаряет модель и собой ее замещает. Чтобы модель не дымила в цех при заливке, из контейнера отсасывают насосом газы - разрежение поддерживают примерно полатмосферы (бытовой пылесос дает до 0, 3 атм). Нет вони горелых связующих, нет заливов по разъему форм (нет разъема) и смещения стержней и форм при сборке, т. к. отсутствуют сами стержни со всеми проблемами их производства и выбивки.

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.
На формовочном участке в цехе стоит две единицы несложного оборудования: вибростол для формовки с трубопроводом засыпки песка в форму и приемное устройство с решеткой для высыпки из контейных опок отработанного песка, подключенное трубопроводом к вакуумному насосу.

Участки модельного производства обеспечиваются модернизированными автоклавным оборудованием с объемом камеры 100…400 л, 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 1115…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» 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 сейчас на 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.

Сегодня в мире по этой технологии производят отливок ~1, 5 млн. т/год, прогнозы на ближайшее будущее дают этой технологии 10-20% мирового литья.
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 тыс.т, а также рынок России, где в 2005 г. произведено этим способом всего 0, 1 % отливок.

Низкие затраты на модельно-формовочные материалы (на 1 т годного литья расходуют четыре вида: кварцевый песок - 50 кг, противопригарные покрытия - 25 кг, пенополистирол - 6 кг и пленка полиэтиленовая - 10 кв.м., нет в песке связующего) экономят не менее 100 дол./т литья, а размещение отливок по всему объему контейнера дает выход годного 70-80%, экономию по шихте металла на 250-300 кг, электроэнергии 100-150 кВт.ч., массы отливок на 10-20% по сравнению с традиционной опочной формовкой. Крупную экономию дает литье сложных отливок из износостойких сталей (шнеки для машин производства кирпича, била, молотки и детали дробилок), т. к. резко снижаются затраты на их механообработку. Нет ограничений на конфигурацию отливок. Капзатраты на организацию цеха сокращаются в 2-2, 5 раза, как и сроки ввода его в эксплуатацию.

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:
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 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.
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 передает в цех заказчика, где внедрил такое точное литье деталей массой 0, 1…2000 кг с минимальной механообработкой без ограничений на форму отливки. Выполняется пуско-наладка поставленного литейного оборудования и шеф-монтаж. Изготовление пресс-форм для моделей (особенно художественных) часто выполняют точным литьем.

Совершенствуя оборудование, особенно для механизированных линий, и «обкатывая» его в цехе института за последние 1, 5 года разработана конструкторская документация и изготовлено (или в стадии изготовления) следующее оборудование: осушитель подвспененного пенополистирола в бункере вылеживания, эжекторный транспортер пенополистирола для питания пресс-автоматов, регенератор песка без псевдожижения, осушитель газов от водокольцевого насоса, установка каталитического дожигания газов без контакта с пламенем горелки, поворотный стол 1200х1200 с механической загрузкой-выгрузкой, приводной секционный рольганг 1200х4000, водяной осадитель пыли для предохранения водокольцевых насосов от абразивного износа, силос с осадителем пыли/песка для пневмотранспорта всасывающего типа, объемный дозатор 0, 5 куб. м. песка для засыпки в контейнерные опоки, вибростолы 600х900 с подъемником (h=25 мм) для линий формовки и 1200х1200 с виброколебаниями в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
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.

Линия ЛГМ мощностью 500т/год