Литье металла по газифицируемым моделям

Инвестиции в новое производство дают прибыль, когда оно основано на новых технологиях, новаторских конструкторских и маркетинговых решениях.

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 – пенополистироловая, такая, как упаковка от телевизора, или разовая пищевая тарелка, которых 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 гранул при нагреве пресс-форм. Для разовых и крупных отливок (иногда весом до нескольких тонн) подходит вырезание моделей из плит пенополистирола нагретой нихромовой проволокой, которая, например, по шаблонам «как по маслу» режет блочный пенополистирол. Модель, затем полученная по ней отливка, имеют высокую точность (соответственно, низкую металлоемкость) и конкурентный товарный вид.

Свободно можно видеть, «пощупать» отливку в модели, промерять ее стенки, чего при обычной формовке для сложных с несколькими стержнями отливок просто не сделать. Отсутствует смещение стержней и форм при сборке (так как отсутствуют сами стержни).

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, 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 цех при заливке, из контейнера обычно отсасывают насосом газы – разрежение поддерживают примерно пол-атмосферы. Для уникальных отливок (крупногабаритных штампов для кузовов автомобильного производства и т. п.) 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.

Участки модельного производства обеспечиваются модернизированными автоклавным оборудованием с объемом камеры 100…400 л. 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 оснащается модельный участок Свесского насосного завода, Сумская обл. Для серийного производства поставляются полуавтоматы, цикл производства моделей на которых составляет около 2…3 мин. и которые пригодны также для производства фасонной упаковки, легкой тары, декоративных, шумо- и теплоизолирующих панелей с торцевым замком. 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 песка ведут в пневмопотоке с повторным использованием песка ~97%, потери этого оборота составляют просыпи и отсев мелкой фракции, который выполняют во избежание его запыления. Кроме того, применят осаждение в циклонах пыли при прохождении отсасываемых газов из формы и дожигание отходящих газов. Для черных и цветных сплавов используется одинаковое оборудование, которое, благодаря своей несложности, без затруднений производят в Украине (для других видов формовки качественное оборудование надо везти с Запада). 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 на подъеме. А цеха и участки с гибкой технологией литья по пеномоделям сегодня множатся по всему миру - от Америки до Китая, на заводах General Motors, Ford Motors, Fiat. Успешно эксплуатируются полуавтоматические и автоматические линии. В наше время в мире по пенополистироловым моделям производят ~1,4% от всего количества литья - свыше 1 млн. т/год, прогнозы на ближайшее будущее дают этой технологии 10…20% мирового литья. В России в 2005 г. произведено этим способом 0,1 % литья.

Институт ФТИМС, г. Киев, десятки лет совершенствуя в этом деле «фирменную» специализацию, как одну из граней своего инженерного бренда, спроектировал и запустил ряд участков в России, поставил и внедрил такое оборудование в Польше, Румынии и Вьетнаме, из последних объектов – цех на 5000 т/год на ДЗТЛ в Днепропетровске. Потенциал технологии таков, что она позволяет лить не только металлы и сплавы, но и композиты, которые обладают повышенными в несколько раз, например, триботехническими свойствами по сравнению с простыми сплавами.

Низкие затраты на материалы (всего 4 вида, не применяется в форме связующие) экономит не менее 100 дол./т литья, а размещение отливок по всему объему контейнера дает выход годного 70…85%, экономию по шихте металла на 250…300 кг, электроэнергии 100…150 кВт.ч., массы отливок на 10…20% по сравнению с традиционной опочной формовкой. 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. Освоение серийного литья чугунных блоков автомобильных двигателей объемом 1,2 и 1,3 л для компании «ДЭУ-Украина» технологи ФТИМС считают своим серьезным достижением, блок легче аналога на 5 кг. Сейчас на стадии проектирования оснастки в этом институте находятся еще два вида блоков цилиндров двигателей.

В Киеве 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 проектирует цеха и участки, разрабатывает технологию, поставляет оборудование и оснастку. Передает заказы цеху-партнеру на 400 т в месяц – точное литье деталей массы (0,2…2000 кг) с минимальной механообработкой без ограничений на форму отливки. Выполняется пуско-наладка всего комплекса поставленного оборудования и внедрение технологии, обучается персонал.

Капитальные затраты на организацию производства сокращаются в 2…2,5 раза, также как и сроки ввода производства в эксплуатацию. Опыт запуска цехов до 50…150 т/месяц показал срок окупаемости 9…12 месяцев, притом, что набор оборудования для цехов 10…80 т/месяц отличается мало. Легко разместить такие участки при кузнях, термичках, ремонтных и других цехах. Если создавать или реконструировать литейную, то технология литья по газифицируемым моделям – тот бизнес, в котором металл своим оборудованием и рабочей силой переводится в высокотехнологичный наукоемкий товар.

К сожалению, крупные металлургические державы Россия и Украина продают за рубеж металл преимущественно в чушках, слябах и массивных заготовках, а также лом. Тогда как Германия в отдельные годы экспортирует 27% отливок, импортируя руду и металл. Не вечно же нам металлолом и чушки продавать за рубеж, имея здесь только сборку и торговлю, не только Китай может поднимать свое машиностроение. Чем быстрее мы станем до деталей и машин перерабатывать свой металл, тем раньше достигнем европейского уровня благосостояния.