Размещено на http://www.allbest.ru/

Технико-экономический анализ в литейном производстве

1. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ

отливка смесители модель

Выбор технологии и оборудования литейного цеха обусловлен выпускаемой номенклатурой литья. Заказчику (потребителю) необходимо, чтобы отливка соответствовала определенным требованиям, связанным с условиями эксплуатации готового изделия. Эксплуатационные свойства отливки можно разделить на группы:

Геометрические - точность размеров, габаритные размеры, толщина стенки отливки, шероховатость поверхности. Геометрические характеристики определяются способом изготовления отливки.

Физические - механические, термические, электрические. Определяются материалом отливки и условиями изготовления. Наличие дефектов в теле отливки существенно снижает механические свойства.

Химические - коррозионная стойкость. Коррозионная стойкость определяется исключительно материалом поверхности отливки.

Требования, предъявляемые к различным отливкам, существенно отличаются друг от друга:

Чушка баббита изготавливается для дальнейшего использования для заливки подшипников. К чушке не предъявляются требования по размерной точности, механическим свойствам. Единственным параметром чушки, определяемым заказчиком, является ее химический состав. Серийность чушек баббита невысока.

Отливка "Дон-Кихот" является конечным продуктом и производится на продажу. "Дон-Кихот" должен иметь высокую точность размеров и низкую шероховатость поверхности. Механические свойства материала отливки не регламентируются. Серийность отливки небольшая.

Отливка "трак" производится для эксплуатации в условиях высоких статических и динамических нагрузок в агрессивной среде. Отливке не требуется большой точности размеров. Серийность траков очень высокая.

Требования заказчика определяют выбор технологии и оборудования для изготовления отливок. Насколько велики различия между отливками, настолько отличается и требуемое для их изготовления оборудование.

МЕТОДЫ ЛИТЬЯ

Применяемые методы литья различаются по материалу и конфигурации формы, а также условиям ее заполнения (табл.2.1).

Таблица 2.1. Методы литья [20].

Тип формы	Способ заполнения формы
	Гравитационный	Под давлением	Под вакуумом
Песчаная:
объемная разъемная	Песчаная формовка		Вакуум-плено-чная формовка
объемная цельная	Литье по газифици-руемым моделям		ГОМОДАР-процесс [22]
оболочковая	Кронинг-процесс "С" и "D" [21]
Керамическая:
разъемная	Шоу-процесс, Юникаст-процесс
цельная	Литье по выплав-ляемым моделям	Литье по выплав-ляемым моделям под давлением [23]	Литье по вып-ляемым моделям вакуумным всасыванием [24]
Гипсовая
разъемная	Антиох-процесс, Зульцер-процесс
цельная	Капако-процесс	Центробежное литье гипсовых форм по выплав-ляемым моделям
Металличес- кая	Литье в кокиль	Литье под давлением Центробежное литье	Литье вакуумным всасыванием

Заливка под давлением позволяет заполнять более тонкие стенки в полости формы и лучше воспроизводить ее конфигурацию. Заливка под вакуумом действует аналогично, но ее возможности существенно меньше - давление не может превысить 1 атм. Предложенная классификация методов литья не учитывает срока эксплуатации формы. По этому признаку различают разовые, полупостоянные, и постоянные формы. Однако следует отметить, что в термине «полупостоянные формы» есть некоторая неопределенность. Так называют как многоразовые формы (например, керамические разъемные), так и частично разрушаемые формы (например, облицованные кокили). Термин «постоянные формы» также достаточно условен, поскольку их срок службы велик, но не бесконечен.

Песчаные формы имеют низкую теплопроводность, поэтому кристаллическая структура отливок крупнозернистая. При возникновении усадочных напряжений отливки редко трещат, т.к. формовочная смесь податлива. Высокая газопроницаемость песчаных форм способствует удалению газов из полости формы. С другой стороны сама форма, а точнее, вода или синтетические смолы, может стать источником газов. Литье в песчаные формы позволяет получать отливки любых размеров и достаточно сложной конфигурации, но, поскольку формы одноразовые, стоимость литья в песчаные формы весьма велика, в основном за счет расходов на формовочную смесь и операцию формовки. Литье в песчаные формы включает множество способов уплотнения и связывания формовочной смеси.

Гипсовые формы отличаются очень низкой теплопроводностью, высокой прочностью и точностью воспроизведения модели. Но стоимость формовочной гипсовой смеси значительно выше стоимости смеси на других связующих, поэтому гипсовые формы применяются для особо точного литья с тонкими стенками, например ювелирного, в стоматологии. Технология изготовления гипсовых форм аналогична технологии , применяемой для жидкоподвижных смесей. Гипсовые формы применяют только для литья сплавов с температурой заливки до 1150 ^оС.

Литье по выплавляемым моделям - способ литья, позволяющей получать отливки любой, самой сложной конфигурации. Получаемые цельные керамические формы имеют низкую газопроницаемость и теплопроводность. Стоимость отливок, изготовленных литьем по выплавляемым моделям, весьма высока, а технологический процесс плохо поддается автоматизации. В Шоу-процессе используется самотвердеющая смесь, состоящая из мелкодисперсного наполнителя (кварц, циркон, и т.д.) и продуктов гидролиза кремнийорганических связующих. Особенность Шоу-процесса в образовании в теле формы сквозной пористости в виде сетки микротрещин после обжига газовой горелкой. После обжига формы прокаливаются в печи. Изготавливают как цельнолитые (для крупных отливок), так и оболочковые формы. В отличие от гипсовых форм, формы, изготовленные Шоу-процессом, обладают высокой газопроницаемостью и податливостью. Из-за низкой теплопроводности форм структура отливок крупнозернистая. Одной из модификаций Шоу-процесса является процесс Юникаст [25], при котором формы перед обжигом помещаются на 1 час в раствор, содержащий этиловый спирт. Такая обработка повышает размерную стабильность и прочность форм.

Кокиль - металлическая форма, заполняемая металлом под действием силы тяжести. При литье в кокиль могут быть использованы песчаные стержни. Литье в кокиль имеет экономические преимущества и технологические недостатки. Преимущества литья в кокиль в существенном сокращении затрат на смесеприготовление, формовку и дальнейшую механообработку. К недостаткам кокильного литья относятся:

Отсутствие газопроницаемости. Для частичного удаления газов применяют пробки и венты. Тем не менее кокильное литье более подвержено газовым дефектам по вине металла, чем песчаное. Поэтому металл для кокильного литья необходимо тщательно рафинировать.

Высокая скорость охлаждения, поэтому кристаллическая структура кокильного литья столбчатая, полностью или частично, что негативно отражается на механических свойствах. В чугунных отливках практически всегда возникает отбеленный слой. Избежать нежелательной структуры можно, используя суспензионную разливку [26] или термообработку.

Высокая прочность кокиля. При его сложной конфигурации, наличии металлических стержней возникающие при затвердевании и охлаждении расплава усадочные напряжения могут привести к трещинам в отливке. Для предотвращения таких дефектов практикуется подогрев кокилей, из-за чего увеличивается время охлаждения отливки в форме, сокращается срок службы кокилей.

Перечисленные недостатки говорят о том, что в кокилях без применения специальных мер предотвращения дефектов можно получить качественные отливки только цветных сплавов, в особенности легких. Кокильное литье не требует специального оборудования, однако если для раскрытия кокиля и подрыва стержня требуются большие усилия, то применяют кокильные станки.

Литье под давлением основано на выдавливании жидкого металла, находящегося в камере прессования машины литья под давлением в полость стальной пресс-формы. Преимущества литья под давлением перед кокильным литьем в высокой воспроизводимости контуров модели, что сокращает или вообще исключает последующую механическую обработку. Другое преимущество в мелкозернистой структуре отливки (из-за очень высокой скорости охлаждения), что повышает ее механические свойства. Недостатки литья под давлением в невозможности покраски стальной пресс-формы (используют только защитные покрытия, наносимые тонким слоем), что накладывает ограничения на применяемые сплавы ( только цветные ). Специально разработанные материалы пресс-форм (молибденовые сплавы, композиционные материалы) для черных сплавов выдерживают до 10000 запрессовок [27]. К разновидностям этого способа литья относятся литье с допрессовкой для массивных отливок (используются универсальные гидравлические прессы) и литье с кристаллизацией под давлением для повышения плотности отливки.

Литье вакуумным всасыванием сочетает преимущества кокильного литья и литья под давлением. Точное воспроизведение контуров кокиля достигается за счет разности атмосферного давления и давления вакуумирования. В то же время не требуется дорогостоящей пресс-формы и машины литья под давлением. Вакуумным всасыванием получают отливки только из легких сплавов.

Технологические возможности рассмотренных способов литья приведены в табл.2.2-2.3.

Таблица 2.2.Характеристика способов литья [28,29,30]

Метод литья	Коэффициент использования металла, %	Минимальная шероховатость поверхности, Rz	Предельное отклонение размеров, мм/м	Максимальная масса отливок, кг
Песчаные формы:
Опочные	84	25	4	-
Безопочные, стержневые	90	10	2	-
Оболочковые	92	10	4	120
Гипсовые формы	99	1,5	0,5	10
По выплавляемым моделям	98	2,5	1	200
Шоу-процесс:
Объемные формы	90	3	3	-
Оболочковые формы	92	3	2	10
Кокиль	92	15	3	-
Под давлением	98	2,5	1	60

Центробежное литье применяются для получения тел вращения (труб, рубашек прокатных валков) и для создания дополнительного давления в сочетании с другими способами литья.

Таблица 2.3.Минимальная толщина стенки отливки [28,29].

Метод литья	Минимальная толщина стенок отливки, мм
	Al	Mg	Cu	Zn	Sn	Pb	Чугун	Сталь
Песчаные формы	3	3	3	-	-	-	2	3
Гипсовые формы	1,5	1	1				-	-
По выплавляемым моделям	1,2	1	1	0,3	0,6	0,6	1	1,2
Шоу-процесс	0,8						1,6	1,6
Оболочковые формы							1,75	2,5
Кокиль	1	3	2	-	-	-	3	8
Под давлением	0,8	0,8	1,5	0,6	0,6	0,6	-	-

ПРИГОТОВЛЕНИЕ СМЕСИ

Выбор оборудования смесеприготовительного отделения определя-ется прежде всего используемой стержневой и формовочной смесью. Формовочная смесь - пористый материал, состоящий из наполнителя, связующего и различных добавок. Выбор компонентов смеси определяется сравнением цен на них и качества получаемых отливок (через потери от брака) в условиях конкретного производства.

Наполнитель в формовочной смеси является основным компонентом, создающим устойчивый каркас, скрепляемый связующим. Выбор материала наполнителя определяется следующими условиями:

Температура плавления (размягчения) наполнителя должна быть выше температуры заливки расплава.

Наполнитель не должен химически взаимодействовать и смачиваться расплавом.

Наполнитель не должен претерпевать аллотропических превращений до температуры заливки.

Наполнитель, его возможные соединения не должны быть ядовиты.

Наполнитель должен быть широко распространен в природе и, соответственно, дешев.

Всем этим условиям (для любых литейных сплавов) не отвечает ни один минерал. Например, широко распространенный в природе и тугоплавкий кварц вызывает заболевание силикоз, взаимодействует с закисью железа, образуя соединение с температурой плавления 1178 ^оС и претерпевает аллотропическое превращение (увеличение объема) при температуре 575 ^оС. Практически применяемые в качестве наполнителей материалы подбираются исходя из температуры заливки расплава (табл.2.4). Из-за высокой стоимости все материалы, кроме кварцевого песка, используются только для облицовки полости формы.

Таблица 2.4.Выбор материала наполнителя [28,30,31].

Материал наполнителя	Температура плавления, оС	Расширение при 900 оС, %	Условная термостойкость при 1000 оС, с
Кварцевый песок	1560 (1178-FeO*SiO2)	1,56	74
Дистен-силлиманит	1545	1,05	240
Хромитовый порошок	1770	0,5	290
Цирконовый концентрат	1800	0,25	310

Выбор фракции наполнителя определяется требованиями заказчика к шероховатости поверхности отливок и сравнительной опасностью различных видов брака. С одной стороны, чем крупнее фракция наполнителя, тем выше будет газопроницаемость и термостойкость смеси, а с другой стороны, возрастает опасность механического пригара.

Газопроницаемость формы или стержня зависит также от пористости смеси, т.е. от содержания связующего. Например, газопроницаемость песчано-глинистой смеси (6% глины) примерно в два раза ниже газопроницаемости смеси с масляным (2%) связующим. Таким образом, чем меньше количество связующего, тем выше газопроницаемость.

Механические свойства смеси определяются используемым связующим (табл.2.5).

Таблица 2.5. Механические свойства смесей [31-34].

Связующее	Прочность смеси на сжатие после сушки, атм
Каолиновая и полиминеральная глина	1-2
Бентонитовая глина	2-3
Портландцемент	2-3
Лигносульфаты	2-5
Жидкое стекло	8-100
Масла естественные и синтетические	5-15
Металлофосфаты	20-40
Синтетические смолы	15-50

Стержень и безопочная форма не имеют защитного покрытия, предохраняющего их от разрушения (опоки), поэтому они должны обладать более высокой прочностью, чем опочная форма.

Исторически в качестве основного связующего материала в литейном производстве используется глина. Это наиболее дешевое связующее, кроме того, глина не выделяет при нагреве вредных веществ, и позволяет за счет усадки частично компенсировать тепловое расширение наполнителя.

Органические связующие при высокотемпературном нагреве смеси во время заливки и кристаллизации разлагаются на газы ( оксид и диоксид углерода, углеводороды, аммиак и т.д. ) и коксовый остаток. Чем выше выход коксового остатка (табл.2.6.), тем, соответственно, выше термостойкость смеси и ниже ее газотворность и тем меньше вероятность дефектов отливки, связанных с этими факторами. Следует отметить, что масса коксового остатка, как и стоимость смол в основном зависит от содержания в них дорогостоящего фурилового спирта.

Неорганические связующие в процессе заливки и кристаллизации не выгорают, но частично оплавляются, что приводит к существенному ухудшению выбиваемости. Эта проблема не касается только металлофосфатных связующих, выбивка которых осуществляется растворением в воде.

Таблица 2.6.Основные характеристики синтетических смол [35].

Смола	Коксовый	Прочность на разрыв, атм,через
	остаток, %	1ч	4ч	24ч
Карбамидная	7-12	1,5-2,5	3-7	4-8
Карбамидофурановая	20-40	2-2,5	6-8	8-10
Фенольная	50	1,7-2,2	5-7	7-10
Фенолофурановая	50-55	2-2,5	5-6	7-8

В формовочной смеси используются различные специальные добавки [36]:

Поверхностно-активные вещества, повышающие подвижность смеси (контакт Петрова, ДС-РАС и др.). При содержании поверхностно-активных веществ 0,2-0,5% и не более 5% воды смесь переходит в жидкоподвижное состояние. Жидкоподвижные смеси заливают в оснастку без дополнительного уплотнения, что позволяет эффективно применять их для изготовления крупных отливок сложной конфигурации.

Отвердители для самотвердеющих и химически твердеющих смесей (нифелиновый шлам, феррохромовый шлак, ортофосфорная кислота, бензолсульфокислота и др.).

Добавки для повышения живучести готовой смеси ( едкий натр, аминоспирты и др.).

Упрочняющие добавки ( каменная соль, фосфат натрия, сода, силаны).

Противопригарные материалы (каменный и древесный уголь, кокс, мазут и др.). Противопригарные добавки, сгорая, обеспечивают восстановительную атмосферу в форме.

Добавки, повышающие теплопроводность смеси ( окислы железа и марганца, металлические порошки, дробь). Благодаря действию этих добавок быстрее формируется твердая корка металла.

Добавки, повышающие податливость смеси (древесные опилки, торфяная крошка, коксовая мелочь, вспученный перлит).

Экологические добавки (мочевина, перманганат калия и т.п.) реагируют с вредными выделениями смеси.

Также для предотвращения пригара поверхность полости формы может быть окрашена литейной краской, состоящей из мелкодисперсного наполнителя и связующих добавок.

Те свежие материалы, которые поставляются в литейные цеха без предварительной обработки, нуждаются в подготовке. Технологическая схема подготовки кварцевого песка состоит из следующих операций:

1. Просев.

2. Сушка.

3. Охлаждение.

Песок просеивают с целью отделения от него гальки, случайно попавших при транспортировке предметов и т.д. . Процесс просеивания имеет контрольный характер (ячейки сита 3-5 мм)

Сушка свежих формовочных материалов (песка и глины) производится на сушильных плитах, в тарельчатых сушильных печах, в барабанных сушилах, в печах кипящего слоя. В установках кипящего слоя возможно совмещение операций сушки и охлаждения свежих формовочных материалов. Возможно использование и термических печей других типов.

Размельчение глины и угля производится в два этапа: сначала грубое (дробление), затем тонкое (размол). Для дробления свежих формовочных материалов используют вальцовые, щековые, молотковые и крестовые дробилки. Для размола применяют шаровые и вибрационные мельницы.

Выбор оборудования для подготовки свежих формовочных материалов определяется исключительно его производительностью, поскольку удельные энергозатраты примерно равны.

Процесс приготовления формовочной смеси из предварительно подготовленных компонентов (формовочного песка, связующего, добавок, воды) состоит из операций смешивания, гомогенизации и разрыхления. Предварительно подготовленные составляющие формовочной смеси перемешиваются в смесителе.

При перемешивании смеси происходит обволакивание зерен наполнителя связующим. Рабочие органы смесителя инициируют движение наполнителя относительно связующего, формируя тонкую пленку связующего на поверхности зерен. Можно сказать, что качество смешивания (равномерное распределение связующего вокруг зерен наполнителя) напрямую зависит от вязкости связующего и мощности смесителя при одинаковом времени смешивания и объеме замеса (табл.2.7.). Существуют следующие основные типы смесителей (рис. 2.1-2.6): катковые (нормальные бегуны, бегуны-восьмерка, маятниковые, катковые скоростные, катковые с пальцевым рыхлителем), бескатковые (вихревые, "Контрамикс" , роторные), лопастные, вибрационные.

Таблица 2.7.Основные типы смесителей [36,37].

Тип смесителя	Мощность привода/ производительность, кВт/м3/ч	Рекомендуемый тип связующего
Катковый, бескатковые роторный и "Контрамикс"	2-4	Твердое
Вихревой	1-2	Твердое или жидкое
Лопастный	0,8-1,5	Жидкое
Вибрационный	0,4-0,8	Жидкое

Катковые, бескатковые и вибрационные смесители - периодического действия, лопастные могут быть как периодического, так и непрерывного действия. Катковые и бескатковые смесители наиболее дорогостоящи, требуют больших эксплуатационных затрат, но и обеспечивают лучшее качество смеси. Вибрационные смесители, несмотря на широкое применение в строительстве, в литейном производстве используются редко из-за идущего в них процесса седиментации ( распределения зерен наполнителя по фракциям). Основное преимущество вибрационного смесителя перед лопастным в отсутствии вращающихся частей, что снижает эксплуатационные издержки.

Гомогенизация готовой формовочной смеси происходит при вылеживаний ее в бункере-отстойнике. Разрыхление осуществляется на аэраторах.

Под действием высокой температуры заливаемого металла формовочная смесь претерпевает глубокие изменения. Песок, в особенности зерна отличных от кварца минералов, растрескивается из-за термических напряжений. Частицы глины спекаются, образуя конгломераты зерен наполнителя. Уголь и органические связующие выгорают, оставляя золу. Зола вместе с мелочью от растрескавшихся зерен и пленками спекшейся глины увеличивает содержание пыли в смеси, что снижает ее газопроницаемость. Смесь становится непригодной к повторному использованию.

Регенерация - процесс восстановления фракционного состава наполнителя путем отделения зерен песка от связующего и пыли. Известно, что для песчаной формовки коэффициент использования формы составляет 5-10 %, т.е. необходимый для функционирования цеха объем формовочной смеси в 10-20 раз превосходит объем заливаемого металла. Если не проводить регенерацию, то расходы на закупку свежего формовочного песка, транспортировку свежего формовочного песка и отходов, плата за использование отвалов могут превысить расходы на установку и эксплуатацию регенерационного оборудования.

Технологическая схема процесса регенерации формовочной смеси состоит из следующих операций:

1. Предварительное дробление.

2. Отделение металла.

3. Грохочение.

4. Регенерация ( механическая, мокрая, термическая).

5. Контрольное грохочение.

Предварительное дробление применяется при формовке по-сухому. Выбитая из форм смесь при формовке по-сырому рассыпается при прохождении через прутья выбивной решетки. Отделение металла осуществляется для черных металлов - магнитной сепарацией, для цветных - инерционным способом (за счет более высокой инерции частиц металла ) на лопастном барабане. Грохочение отработанной смеси после отделения металла имеет целью отделение кусков стержней, литников и т.д. и производится через крупное сито с ячейками 6-12 мм.

Среди испытанных способов регенерации основными оказались три - механический, термический и мокрый [39].

Процесс механической регенерации должен состоять из отделения инертных пленок от зерен наполнителя и восстановления фракционного состава путем сепарации. Отделение пленок осуществляется посредством перетирания смеси в ударно-отражательных шаровых мельницах и вибрационно-фракционных дробилках. Пыль из смеси удаляется каскадным воздушным сепаратором или на вибросите.

Пневматическая регенерация является частным случаем механической. В пневморегенераторах пленки связующего отделяются при трении зерен наполнителя о стенки и друг о друга в воздушном потоке. Образующаяся пыль уносится потоком в фильтры, а наполнитель осаждается. При пневматической регенерации зерна наполнителя не подвергаются разрушению в дробилках, что выгодно отличает этот процесс от собственно механической регенерации.

Для регенерации смесей на органическом связующем применяют термическую регенерацию, заключающуюся в выжигании при температуре 700-800 ^оС всех органических веществ, в т.ч. пленок связующего. Поскольку объем перерабатываемой смеси очень велик, требуются печи с очень высокой производительностью и небольшими потерями, что наилучшим образом производится в противотоке. Для термической регенерации можно использовать любые термические печи, но наиболее предпочтительны вращающиеся барабанные сушила, тарельчатые многоярусные печи, печи сжигания в кипящем слое.

При регенерации мокрым способом смесь поступает в гидроциклоны с проточной водой, которая уносит мелкую пыль и пленки связующего, отделенные при предварительном размельчении, растворяет водорастворимые связующие. Затем промытая смесь поступает в многокамерные гидравлические оттирочные машины, снабженные мешалками. Благодаря трению, создаваемому мешалками, и расклинивающему давлению воды, поступающей в капиллярные зазоры между пленками связующего, они отделяются от зерен наполнителя. Оседающий в бассейне песок выгребают и обезвоживают центрифугированием или вакуумированием и сушат в печи. Часто мокрый способ регенерации является звеном системы гидравлической выбивки стержней.

Таблица 2.9. Рекомендуемые способы регенерации [39].

Связующее	Способ регенерации
Глина, в т.ч. бентонитовая	Пневматическая
Портландцемент	Механическая
Лигносульфаты	Пневматическая
Масла естественные и синтетические	Термическая
Синтетические смолы	Термическая
Металлофосфаты	Гидравлическая
Жидкое стекло	Гидравлическая

Для отработанных смесей сложного состава используют комбинированные методы регенерации. Например, для регенерации песчано-глинистой смеси со стержневой смесью на синтетических смолах используют термомеханическую или термопневматическую регенерацию.

Просев регенерата производится на барабанных, полигональных, вибрационных ситах. Барабанные сита (рис.2.7) представляют собой сетчатый цилиндр или усеченный конус, а полигональные (рис.2.8) многоугольную призму, вращающиеся вокруг своей оси, наклоненной под углом к горизонту для обеспечения движения просеиваемого материала под действием силы тяжести. Просеиваемый материал движется вдоль полотна сита, поэтому к.п.д. просеивания (соотношение между массой частиц, прошедших через сито, и имевших размеры меньше ячеек сита) низкий, и производительность также низкая, особенно это касается барабанных сит. В полигональных ситах вектор движения частиц смеси имеет больший угол относительно полотна сита. В вибрационных ситах частицы смеси движутся почти перпендикулярно полотну, поэтому к.п.д. и скорость просеивания очень высокие, но из этого достоинства вытекают и недостатки: шум и вибрация (особенно для ударных вибрационных сит) и высокая стоимость обслуживания. Эксплуатационные характеристики сит приведены в табл.2.10.

Таблица 2.10. Эксплуатационные характеристики сит [40].

Тип сита	К.п.д. просеивания	Удельная скорость просева, т/м2*ч
Барабанное	0,6-0,65	3-5
Полигональное	0,65-0,75	3-5
Вибрационное	0,8-0,95	10-30

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ

Процесс изготовления песчаных форм и стержней состоит из уплотнения и отверждения формовочной (стержневой) смеси. Существуют технологии, позволяющие применять уплотнение без отверждения ( литье по газифицируемым моделям, вакуум-пленочная формовка) и отверждение без уплотнения ( изготовление химически твердеющих форм и форм на термореактивном связующем).

Формовочная смесь обыкновенно уплотняется. Это необходимо делать для предотвращения дефектов отливок. Во-первых, при недостаточном уплотнении формовочной смеси возможен дефект "подутость", вызванный изменением конфигурации полости формы под действием гидростатического давления металла. Во-вторых, при большем расстоянии между зернами формовочной смеси велика вероятность механического пригара. В-третьих, недостаточное уплотнение формовочной смеси снижает координационное число (количество контактов между зернами), что сказывается на прочности смеси, а, следовательно, приводит к дефектам, связанным с разрушением формы. С другой стороны, уплотнение формовочной смеси снижает ее газопроницаемость, т.е. способствует развитию газовых дефектов в отливках. Конечно, при достаточной прочности формовочной смеси можно отказаться от уплотнения. Если смесь не уплотняется, то для предотвращения механического пригара форму необходимо красить.

Особенное значение имеет равномерность уплотнения для стержней, отверждаемых сушкой, из-за возможного разрушения или растрескивания в результате возникающих термических напряжений.

Наиболее часто применяемым способом уплотнения смеси является прессование плоской прессовой колодкой. Его основные преимущества - высокая скорость, отсутствие пыли, вибрации. Но использовать этот способ можно только для небольших моделей без отъемных частей с незначительными перепадами высот, иначе возникает разноплотность формы (рис.2.9). Этот существенный недостаток может быть устранен применением профильной прессовой колодки, что вдвое увеличивает стоимость модельной оснастки и время простоя при ее смене. Другие методы прессования - прессование многоплунжерной головкой, гибкой диафрагмой, давлением газов [41] - разработаны именно для предотвращения разноплотности формы без применения профильной прессовой колодки (рис.2.10). Применение перечисленных способов сохраняет преимущества прессования за счет высокой стоимости формовочного оборудования. Для прессования необходимы дорогостоящие литые опоки с наполнительной рамкой.

При встряхивании реализуется механизм давления слоев смеси друг на друга при периодически возникающих ускорениях. Встряхиванием можно получать формы любой конфигурации. Недостатки этого метода - большая длительность процесса уплотнения, пыль, шум, вибрация. Плотность набивки с увеличением высоты падает (рис.2.11), поэтому необходимо дополнительное уплотнение со стороны контрлада. Встряхивающие формовочные машины обычно комплектуются с прессовыми в единую установку (встряхивающие формовочные машины с допрессовкой). Применяется также уплотнение пневматическими и ручными трамбовками. Из-за больших динамических нагрузок применяются литые опоки.

Уплотнение пескометом происходит за счет ударов пакетов формовочной смеси, сходящих с метательной головки, о формовочную смесь в опоке и уплотнения самих пакетов на метательной головке под действием центробежных сил. Таким образом, механизм уплотнения аналогичен прессованию небольших порций смеси. Поскольку пакеты формовочной смеси уплотняются уже на метательной головке, то усилие прессования достаточно большое - степень уплотнения пескометом соответствует уплотнению под высоким давлением. Так как каждый следующий слой смеси подпрессовывает предыдущий, то уплотнение по высоте формы практически одинаковое (рис.2.12). Степень уплотнения снижается вблизи высоких выступов модели и под крестовинами опоки. Основное преимущество пескомета - в отсутствии жесткой связи с заполняемой формой и совмещении операций заполнения формы и уплотнения. Поэтому пескометом можно уплотнять формы неограниченных размеров. Для этих целей используются стационарные и передвижные пескометы. Также весьма эффективно применение ширококовшевых и качающихся пескометов на формовочных линиях, т.к. скорость формовки очень высока. Недостаток пескометного уплотнения в значительном перерасходе формовочной смеси. Давление смеси на стенки опоки при уплотнении пескометом невелико, что позволяет использовать легкие и недорогие сварные опоки.

Пескодувным способом формовки реализуется механизм уплотнения, аналогичный пескометному (рис.2.12).

Отличие состоит в большей дискретности процесса: формовочная смесь движется не пакетами, а практически сплошным потоком, поэтому скорость формовки весьма высокая. Но поскольку импульс, передаваемый пакетом формовочной смеси, больше импульса дискретных зерен, степень уплотнения при пескодувном способе небольшая. Поэтому он применяется либо для формовочных смесей с высокопрочным связующим, либо совместно с другим способом уплотнения, например пескодувно-прессовый. Именно пескодувно-прессовый способ уплотнения форм является базовым для автоматических линий ведущих мировых производителей литейного оборудования. Вариантом пескодувного механизма является пескострельный. При уплотнении пескострельным механизмом смесь в опоку или стержневой ящик подается дискретными порциями, которые уплотняются в конической насадке магазина. Скорость движения пакетов формовочной смеси весьма высока, т.к. при отсечке сжатого воздуха не успевает развиться процесс фильтрации и перепад давления между ресивером и формой очень велик.

Литье по выжигаемым моделям применяется в основном для изготовления отливок сложной конфигурации. Выжигаемые модели перед употреблением окрашивают. Этот процесс не предусматривает использования связующего. Вместо опок применяются контейнеры. Песок в контейнерах уплотняется на вибростолах [42].

Сущность вакуум-пленочной формовки состоит в удержании конфигурации формы за счет разности атмосферного давления и давления (вакуума) во внутреннем объеме формы. Герметизация полуформ обеспечивается отсутствием в опоке отверстий и применением термоусадочной пленки, накладываемой на лад перед заполнением опоки формовочной смесью и контрлад после. Для предотвращения механического пригара внутренняя поверхность формы окрашивается. Вакуум-пленочная формовка позволяет обходиться вообще без связующего, что сокращает расходы на формовочную смесь, но требует дорогостоящего оборудования и высококачественную термоусадочную пленку. Отсутствие связующего снижает теплопроводность формы, что позволяет получать тонкостенные отливки. Современные термоусадочные пленки могут увеличивать площадь поверхности при нагреве в 6-9 раз, что позволяет получать вакуум-пленочным методом формы практически любой конфигурации, в т.ч. с поднутрениями [43]. Производители изготавливают стандартные наборы оборудования, в т.ч. специальных опок для вакуум-пленочной формовки, что существенно ограничивает возможности ее применения. Масса получаемых отливок - в пределах 200 кг. Способ особенно эффективен для производства тонкостенных изделий с развитой поверхностью, например бытовых ванн.

Формовочная смесь упрочняется при удалении или химическом связывании растворителя (пластификатора) из связующего. Естественное испарение - процесс длительный, поэтому практически всегда его интенсифицируют печной сушкой. Для сушки форм и стержней используют проходные и камерные сушильные печи, печи СВЧ-излучения.

Химическое упрочнение смеси из-за высокой стоимости связующего используется в основном для изготовления стержней, а также оболочковых форм и в качестве облицовочного слоя в форме.

Современные процессы изготовления стержней (табл.2.11-2.12) универсальны. Они поддаются комплексной автоматизации, но их можно применять и для мелкосерийного и индивидуального производства, что особенно важно в условиях изменчивой рыночной конъюнктуры. В таком случае, например, продувка газом может осуществляться под зонтом. Причем при продувке время отверждения стержневой смеси слабо зависит от размера стержня. Только отверждение по нагреваемой оснастке требует специального оборудования для подготовки плакированного песка. Из-за этого недостатка, а также высокой стоимости энергоносителей доминирующими в промышленно развитых странах являются различные варианты cold-box процесса [44]. С другой стороны, горячее отверждение позволяет получать оболочковые формы и стержни, т.е. существенно сократить расход связующего и формовочного песка.

Таблица 2.11.Современные процессы изготовления стержней.

Название процесса	Связующее	Отвердитель	Содержание связующего, %	Время твердения в оснастке, мин
По холодной оснастке без продувки
ХТС No-bake [29, 31]	Фенолофурановая смола	Сульфокислоты	1,5-2	20-30
	Карбамидофурановая смола	Ортофосфорная кислота	1,2-2	3-5
	Фурановая смола	Сульфокислоты	1,4-2	5-7
ХТС [31]	Жидкие фосфаты	Окислы железа или магния	3-5	3-5
Нишияма [20]	Жидкое стекло	Ферросилиций	5-7	5-20
Fluoride [33]	Жидкое стекло	Кремнефтори-стый натрий	4-6	5-20
ХТС [47]	Жидкое стекло	Сложные эфиры	3,5-4	5-10
ХТС [29]	Жидкое стекло	Феррохромовый шлак	5-7	20-40
По нагреваемой оснастке
Оболочковые [29]	Различные синтетические смолы	Уротропин	6-7	1-3 мин
Ноt-box [29]	Различные синтетические смолы	Сульфокислоты, ортофосфорная кислота	2-3	1-3 мин

Таблица 2.12.Современные процессы изготовления стержней.

Название процесса	Связующее	Отвердитель	Катализатор полимеризации
По холодной оснастке с продувкой (содержание связующего до 2%, время твердения до 2 мин)
Амин [29,49,50]	Фенолформ-альдегидная смола	Изоцианат	Триэтанамин (продувка парами)
Фуран- SO2 [48]	Фенолформ-альдегидная смола	Органическая гидроперекись	SO2 (продувка)
Эпокси-SO2 [50]	Эпоксидная смола	Органическая гидроперекись	SO2 (продувка)
Свободных радикалов (FRC) [50]	Эпоксидная смола	Органическая гидроперекись, органические эфиры	SO2 (продувка)
Метил-формиат (MF) [50]	Фенольная смола		Метилформиат (продувка парами)
Alphaset, betaset [50]	Фенольная смола		Органический эфир (продувка парами)
Redset [50]	Фенольная смола	Ортофосфорная кислота, сульфокислоты	Органический эфир (продувка парами)
СО2 [29]	Жидкое стекло		СО2 (продувка)

Одним из наиболее существенных факторов при выборе процесса изготовления стержней является точность их размеров [45]. Для стержней, изготовленных cold-box процессом точность размеров составляет 0,8-1 мм/м. Точность стержней, отверждаемых в горячей оснастке hot-box процессом из-за коробления при нагреве ниже - 1- 4 мм/м. Оболочковые стержни для придания им окончательной прочности дополнительно спекаются в печи, поэтому их точность значительно ниже - 2-8 мм/м. Оболочковые стержни и формы изготавливают из плакированного песка по нагреваемой оснастке (Croning-процесс "С") в основном на бункерных формовочных машинах. Недостаток бункерных машин связан с динамикой высыпания формовочной смеси из бункера на модель [46]. При очень быстром перевороте бункера смесь остается в нем до окончания опрокидывания, затем падает всей массой, причем из наиболее глубоких впадин модели воздух не успевает удалиться и смесь зависает, образуя пустоты в оболочке. При медленном повороте бункера смесь наползает на модель, поэтому оболочка будет иметь разную плотность, изменяющуюся от максимума к минимуму в направлении движения смеси. Для моделей сложной конфигурации следует предпочесть медленный поворот бункера, или использование специальных бункеров с дроссельными заслонками. Однако для моделей с глубокими и узкими впадинами даже эти меры не позволят получать качественные оболочки. Только применение пескодувных машин решает проблему [46]. Системы нагрева используют электрические или газовые. Выбор систем нагрева определяется исключительно экономическими соображениями. Готовые оболочки склеивают. Перед заливкой готовые формы устанавливают в контейнеры с наполнителем (керамзит, окатыши и т.п.).

Оболочковые формы из холоднотвердеющих смесей получают вдуванием смеси в зазор между моделью и ограничительной рамкой. Таким способом можно изготовить только небольшие оболочки простой конфигурации.

Существенным фактором при выборе процесса изготовления стержней является качество наполнителя. Известно, что высокое содержание глины и пыли в наполнителе приводит к увеличению расхода жидкого связующего в 1,5-2 раза. Например, в Европе, где имеются хорошие пески, потребляют в большом количестве синтетические смолы, а в Японии, где пески сильно загрязнены - смеси на основе жидкого стекла, поскольку оно значительно дешевле [31].

ЛИТЬЁ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ И ВЫЖИГАЕМЫМ МОДЕЛЯМ

Литье по выплавляемым моделям - древнейший способ литья, изобретенный практически одновременно различными цивилизациями. Известны отливки, изготовленные 6000 лет назад в Междуречье, несколько позднее в Китае, Мексике, Испании, странах Средиземноморья. Модель изготавливалась из пчелиного воска, на нее вручную наносилась глина. В XIX веке из-за технологических недостатков глины как формовочного состава, воска как модельного состава и трудностей механизации этот способ был практически вытеснен с рынка литьем в разъемные песчаные формы. В настоящее время эти проблемы полностью разрешены.

Современные модельные составы изготавливают из комбинаций восков (парафино-стеариновая смесь, природные твердые воски) с добавками пластмасс (полиэтилен, поливинилбутилацетат, бутадиенстирол, этилцеллюлоза). В России дополнительно в модельную массу замешивают воздух. За рубежом модельные составы изготавливаются в специализированных цехах химических заводов (BASF,Hoechst) и поставляются в литейные цеха как сырье [28].

Рис.2.13.Технологический процесс изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям.

Регенерация модельного состава необходима как условие рентабельности цехов литья по выплавляемым моделям. Модельный состав для повторного использования необходимо очистить от песка, золы, избыточной влаги, а также восполнить потери. Регенерация производится отстаиванием в герметичных вакуумируемых емкостях при температуре выше температуры плавления модельного состава. При пониженном давлении вода испаряется, а загрязняющие компоненты оседают и удаляются через вентиль.

Выплавляемые модели изготавливают запрессовкой или заливкой в пресс-формы. Свободную заливку применяют только для изготовления элементов литниковой системы. Конструктивно современные универсальные запрессовочные станки отличаются расположением впрыскивающих сопл и закреплением пресс-форм на столе пресса и позволяют регулировать температуру резервуара с модельным составом. Выбор типа запрессовочного станка определяется исключительно экономическими соображениями.

Сборка моделей производится прикреплением моделей к литниковой системе пайкой или приклеиванием. Приклеивание применяется для мелких моделей из-за трудности пайки. Припаивание моделей безусловно эффективней, поскольку прочность соединения выше, не требуется специального модельного клея, а трудоемкость пайки и приклеивания одинаковая. Суспензию для обмазки блока моделей приготавливают перемешиванием пылевидного огнеупорного материала с жидким связующим. В качестве связующего при литье по выплавляемым моделям применяется гидролизованный этилсиликат, полученный постепенным смешиванием предварительно рассчитанных объемов составляющих в гидролизерах. Суспензию изготавливают в любых механических мешалках или вручную. Для предотвращения оседания твердых частиц суспензию после приготовления необходимо постоянно перемешивать. На модельные блоки суспензия наносится окунанием. Ванны с суспензией состоят из двух конструктивных блоков - собственно ванны для окунания и мешалки; между ними циркулирует суспензия.

Обсыпка модельных блоков песком производится способами, представленными в табл.2.13.

Таблица 2.13.Характеристика методов обсыпки модельных блоков.

Способ обсыпки	Производительность	Фракционный состав песка
Кипящий слой	Не зависит от слож-ности конфигурации отливок	Изменяется. Первоначально расходуются мелкая фракция из-за процесса седиментации в кипящем слое.
Падающий поток	Прямо зависит от сложности конфигура-ции отливок	Не изменяется.

Каждый слой формы отверждается сушкой или химически. Время сушки в естественных условиях составляет 3-4 часа, что приводит при большой производительности цеха к необходимости отведения значительных площадей под сушку блоков. На скорость сушки влияют следующие факторы:

Температура кипения органического растворителя, используемого для гидролиза (табл.2.14). Чем она ниже, тем быстрее идет процесс сушки.

Таблица 2.14.Температура кипения органических растворителей

Растворитель	Ацетон	Метиловый спирт	Этиловый спирт	Изопропило-вый спирт
Температура кипения, С	56	65	78	82-85

Температура сушки. При повышении температуры испарение идет более интенсивно. Однако, используя повышенные температуры (более 25 ^оС), необходимо учитывать возможность растрескивания формы из-за температурного расширения после полного высыхания оболочки.

Четкий контроль высыхания блоков предусматривает стабильность содержания всех компонентов в слое и фиксированное время сушки в установленном температурном режиме.

Концентрация выделяющихся паров у поверхности формы. Низкая концентрация повышает скорость сушки. Удаление выделяющихся паров от поверхности формы осуществляется либо организацией конвективных потоков воздуха в сушильном туннеле, либо вакуумированием в сушильной камере.

Наболее распространенный метод химического отверждения слоев формы - сушка в парах аммиака предварительно подсушенной на воздухе формы. После химического отверждения форму проветривают (обдувают потоком воздуха или помещают в вакуумную камеру). Основной недостаток химического твердения - токсичность паров аммиака.

Удаление из форм модельного состава производят различными способами, рассмотренными в табл.2.15.

Таблица 2.15.Способы выплавления модельного состава

Способ	Оборудование	Температур-ный режим,оС	Потери, %	Примечание
Высокотем-пературный нагрев	Термические печи	900-1100	10-15	Снимается не-обходимость в прокалке.
Низкотем-пературный нагрев	Ванны с кипятком	90-100	2-5
Нагрев при высоком давлении	Автоклавы	135-165 при давлении 3-6 атм	2-5

Прокаливание готовых форм производится в целях удаления остатков воды, модельного состава, повышения заполняемости форм, предотвращения растрескивания оболочек из-за кристаллографических превращений при заливке. Процесс ведется в термических печах при температуре 900-1100 ^оС.

Газифицируемые модели применяются в массовом и крупносерийном производстве. Для их изготовления применяется гранулированный полистирол. Технология вспенивания полистирола [36] состоит их двух этапов. На первом этапе порообразователь (пентан с температурой кипения 36,7 ^оС или изопентан с температурой кипения 27,9 ^оС) при нагреве газифицируется, увеличивая объем гранул в 10-40 раз. На втором этапе пресс-форма охлаждается, полистирольная оболочка твердеет, порообразователь конденсируется, свободный объем занимает атмосферный воздух.

Технология изготовления газифицируемых моделей предусматривает раздельное вспенивание гранул в специальной камере и их спекание в пресс-форме. Такой метод позволяет сократить цикл изготовления моделей и потребность в пресс-формах. Спекание вспененных полистирольных гранул может производиться в ваннах, автоклавах, индукторе. В ваннах с кипящей водой пресс-форма выдерживается до полного спекания гранул, затем модель извлекается, промывается, охлаждается и сушится. Автоклавный способ спекания заключается в обработке перфорированной пресс-формы паром под высоким давлением. Технология спекания вспененного полистирола в индукторе предусматривает его предварительное смачивание солевыми растворами. Отливки, изготовленные по газифицированным моделям, имеют высокую чистоту поверхности, отсутствие формовочных уклонов, т.е. практически не нуждаются в механической обработке.

Для индивидуальных крупных отливок (например, штампов) газифицируемые модели изготавливаются из блочного полистирола. должен иметь не менее 10000 пор на 1 см³. Для резки плит используется нагретая до 350 ^оС проволока. При обработке на режущих станках частота вращения режущего инструмента должна быть не менее 6000 оборотов в минуту.

ЛИТЬЁ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ

Для литья в металлические формы применяют машины литья под давлением, а также однопозиционные кокильные станки и кокильно-карусельные машины.

Машины литья под давлением подразделяются на машины с горячей и холодной камерой прессования. Выбор типа камеры прессования определяется взаимодействием заливаемого металла с поверхностью камеры прессования (табл.2.16). Для сплавов с высокой температурой плавления или химически активных к материалу камеры прессования (обычно чугун) выбирают машины с холодной камерой прессования во избежание частого ремонта. С другой стороны, машины с горячей камерой прессования имеют примерно в два раза большую производительность.

Таблица 2.16.Выбор типа машин литья под давлением

Сплав	Рекомендуемый тип камеры прессования
Cu	Только холодная камера прессования
Al и Mg	Холодная камера прессования, для мелких тонкостенных отливок - горячая камера прессования
Zn	Горячая камера прессования

Машины литья под давлением характеризуются:

Максимальными размерами прямоугольных форм и расстояния между плитами. Эта характеристика определяет наибольшие габаритные размеры выпускаемых отливок

Максимальной порцией заливаемого металла (для машин с холодной камерой прессования).

Усилием прессования. Повышение давления прессования - наиболее эффективный способ устранения дефектов и получения плотных отливок.

Усилием запирания. Усилие запирания должно обеспечить противодействие раскрытию формы из-за гидростатического давления металла и гидравлического удара при остановке поршня.

Минимальное усилие запирания определяется конфигурацией отливок по формуле [51]:

,

где Fпр- площадь проекции отливки на площадь разъема формы;

Рф - фактическое конечное гидростатическое давление в полости формы, равное 0,8 от расчетного удельного давления для машин с горизонтальной камерой прессования и 0,88 для машин с вертикальной камерой прессования;

v - скорость прессования, принимаемая в пределах 0,25-1,1 м/с;

k - коэффициент, учитывающий понижение динамического давления в результате поворотов металла и составляющий 0,6-0,7 для машин с горизонтальной камерой и 0,4-0,5 для машин с вертикальной камерой прессования;

с - скорость распространения звуковой волны в жидкости (примерно 1000 м/с);

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с²);

ж - удельный вес рабочей жидкости гидравлической системы машины;

м - удельный вес заливаемого сплава;

Е - модуль упругости жидкого сплава.

Для массового малономенклатурного производства целесообразно выбирать высокопроизводительные машины с самым современным механизмом прессования, что позволит сохранять конкурентоспособность продукции в течение длительного времени. В случае изготовления на машине только одной отливки (подошвы утюгов и т.п.) наиболее выгодно использовать специально разработанные машины.

Производство отливок широкой номенклатуры (в условиях нестабильного заказа) требует применения машин с повышенной степенью универсальности: большее число пазов для крепления форм, дополнительные узлы для стержнеизвлекателей, несколько механизмов для выталкивания [52].

Для выбора кокильных станков существует гораздо меньше ограничений, чем для машин литья под давлением. Определяющее значение имеют размеры подкокильных плит и усилия запирания и раскрытия кокиля. Усилие запирания должно предотвратить раскрытие кокиля под действием только гидростатического давления расплава. Усилие раскрытия кокиля зависит от усадки заливаемого сплава и сложности конфигурации отливки и обычно несколько меньше усилия запирания.

Кокильно-карусельные машины представляют собой роторный конвейер, на который установлены кокили. Применение кокильно-карусельных машин не определяется характеристиками изготавливаемых отливок.

ПЛАВКА МЕТАЛЛА

Рис.3.14. Коксовая вагранка диоксида углерода. Регулирование температуры

Печи для переплава подразделяются на топливные и электрические. Все электрические печи позволяют осуществлять регулировку температуры перегреваемого металла и имеют ступенчатую выдачу металла. К топливным печам относятся вагранки и пламенные печи. Электрические печи подразделяются на дуговые, индукционные (тигельные и канальные) и печи электросопротивления. Получение металла высокого качества требует применения вакуумных электропечей. Процесс плавки в коксовой вагранке (рис.3.14) идет за счет выделения тепла при горении углерода и догорании ратуры жидкого металла в вагранке практически невозможно. Вагранки имеют температуру чугуна на желобе до 1400 ^оС, в них практически невозможно проводить металлургическую обработку, что требует применения в шихте дорогих передельных и литейных чугунов (табл.2.17).

Существенным недостатком ваграночной плавки является высокое содержание серы в выплавляемом чугуне, из-за чего невозможно получать высокопрочный чугун.

Таблица 2.17 Состав шихты ваграночной плавки и электроплавки [53]

Составляющие шихты	В вагранке, %	В электропечи, %
Литейный доменный чугун	25,1	8,5
Передельный доменный чугун	25,5	12,4
Стальной лом	9,6	40,4
Чугунный лом	39,0	37,8
Чугунная стружка	0,7	0,7
Стальная стружка	0,1	0,2

В настоящее время большинство технических и экологических проблем, приведших к сокращению ваграночной плавки, успешно решены [54]. Для повышения температуры выпускаемого чугуна используется подогрев дутья, обогащение дутья кислородом, двух- и трехрядные фурменные пояса, что позволяет поднять температуру выплавляемого чугуна до 1600 ^оС. Разработаны эффективные технологические процессы непрерывной или периодической десульфурации. Современные системы очистки ваграночных газов превосходят по достигаемым параметрам очистки требования экологического законодательства. В результате реализации всех перечисленных мероприятий стоимость современного ваграночного комплекса приближается к стоимости электропечей соответствующей производительности.