CC BY
115
/чГГТТгП гг ГСЩГЛ/ГТТТГГС /IRK
-3(47).2008/ IUU
JÊ ИТЕиЯШ^В^
ПРОИЗВОДСТВО
Процессы изготовления литейных песчаных стержней, занимающие важное место (около 25% от всей трудоемкости) в процессе получения отливки, постоянно совершенствуются. Это объясняется как растущими требованиями к качеству самих стержней, так и общими тенденциями повышения сложности, тонкостенности и точности литых деталей наряду с требованиями минимизации трудовых затрат и защиты окружающей среды.
При изготовлении внутренних стержней крупносерийных и массовых отливок приоритетными являются высокопроизводительные машинные способы стержневого производства. Па стержневых пескодувных и пескострельных автоматах изготавливают более 90% всех стержней, задействованных в производстве серийных отливок. Для производства стержней машинными методами используется порядка десяти основных технологических процессов, каждый из которых имеет многочисленные разновидности, подвиды и модификации. Каждая технология имеет свои достоинства и недостатки, определяющие объемы ее применения и область рационального использования.
На предприятиях Республики Беларусь с серийным характером производства наиболее широко распространены технологические процессы получения литейных песчаных стержней с отверждением их в нагреваемой оснастке [1], так называемые Hot-box- и Cmning-процессы. В литейной промышленности республики было задействовано 143 стержневые машины различных моделей для производства стержней по технологии Hot-box (58% от общего объема производства (ООП)); 10 стержневых машин мод. 29111 и 29113 для производства стержней по технологии Croning (3% от ООП); 60 пескодувных машин мод. 2Б83, 310, ДС-ЗС и другие для изготовления стержней по сы-
f \
Prospects of technology Cold-box-amin for mass production of cores by computer approach in all spheres of machine-building are shown.
_ 1
УДК 621.74
рому (технология «тепловая сушка», 18% от ООП). 21% стержней от ООП изготавливался по технологиям ЖСС и маложивучих ХТС [2]. Используемые по технологиям «горячего» отверждения стержней в оснастке стержневые машины задействованы на крупных предприятиях республики: на РУП «МАЗ» было установлено 36 стержневых машин, РУП «МТЗ» - 45, ПРУП «ММЗ» - 9, ОАО «МЗОО» -12, РУП «Завод литья и нормалей» - 8, РУП ГЛЗ «Центролит» - 1, РУП «Гомельский завод сельскохозяйственного машиностроения «Гомсельмаш» -6, УРП «Могилевский автозавод им. Кирова» - 6, ОЗАА - 9, на других заводах республики - около 10 машин.
Аналогичная картина распределения структуры применяемых технологий наблюдалась вплоть до конца XX в. и на заводах Украины и Российской Федерации с той лишь разницей, что суммарное количество эксплуатируемых в этих странах стержневых машин было на порядок большим, чем в Республике Беларусь.
Применяемая в промышленности с 1960 г. технология изготовления стержней в нагреваемой оснастке в свое время позволила заменить тяжелый ручной труд стержневщиков, работающих по технологии «тепловая сушка», на высокопроизводительный машинный способ получения стержней [3]. Действительно, по сравнению с методами изготовления сырых стержней с последующей тепловой сушкой технология Hot-box обладает целым рядом важных преимуществ, основными из которых являются:
• высокая производительность (определяется возможностью полной автоматизации процесса и достаточно коротким временем отверждения стержней);
• более высокая размерная точность стержней, отверждаемых непосредственно в оснастке;
А. П. МЕЛЬНИКОВ, НП РУП «Институт БелНИИлит»
ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ В МАССОВОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ОТЛИВОК
IU U / 3 (47), 2008-
• отличные рабочие свойства стержневых смесей и готовых стержней (достаточная живучесть смеси, высокая прочность стержней, низкая газот-ворность и хорошая газопроницаемость, длительный срок хранения готовых стержней и др.).
Однако методы изготовления стержней в нагреваемой оснастке имеют и существенные недостатки:
• экологические - в результате нагрева стержневой смеси на стадии изготовления стержней в воздух рабочей зоны выделяется значительное количество вредных газовыделений, в том числе формальдегид и фенол;
• технологические - в результате разогрева оснастки нарушается точность геометрических размеров стержня, происходит коробление оснастки; при изготовлении стержней с большим перепадом сечений необходимо учитывать их неравномерный прогрев и отверждение;
• экономические - высокие энергозатраты на нагрев стержневого ящика (на 1 т произведенных стержней расходуется 75-100 кВт-ч электроэнергии или 25-30 м3 природного газа [4]).
В индустриально развитых странах к концу XX в. «горячие» процессы отверждения стержней окончательно были признаны устаревшими. Первостепенное внимание зарубежных специалистов было уделено процессам и оборудованию для изготовления стержней из холоднотвердеющих смесей с продувкой газообразными катализаторами. Промышленная эксплуатация таких процессов была начата в странах Запада в конце 60-х годов. Как свидетельствуют данные экспертных оценок уровня технологий производства стержней, в про-мышленно развитых странах на сегодняшний день 75-80% (а в автомобильной и моторной промышленности - порядка 90%) от общего объема производства стержней машинного изготовления производится вне нагреваемой оснастке по способам Cold-box. Выбор технологий Cold-box объясняется неоспоримыми технологическими, экономическими и экологическими преимуществами этих методов получения литейных песчаных стержней.
При анализе состояния стержневого производства в Республике Беларусь особо следует отметить факт крайне сильного износа парка основного стержневого оборудования. Так, более 80% от всего количества стержневых машин эксплуатируется более 30 лет. Подобная ситуация (износ стержневого оборудования 75-97%, средний срок эксплуатации - более 30 лет) характерна и для российской промышленности. Для сравнения следует отметить, что при среднеевропейском сроке обновления оборудования, равном 7 годам, сте-
пень износа стержневого оборудования в Западной Европе составляет менее 25% (при экспертной оценке порога экономической безопасности 50%)
[5].
Таким образом, необходимость модернизации стержневого производства литейных цехов очевидна. Неразрывный узел проблем «качество отливки - качество продукции - прибыль от продажи продукции - инвестиции в производство - качество отливки» привел к значительному (в 2 раза и более) снижению общего объема производства большинства литейных цехов. Даже имея значительную часть незагруженных мощностей, многие предприятия на существующем технологическом уровне по причине низкой точности и качества отливок не могут сертифицировать свою продукцию по международным стандартам и в итоге вынуждены отказываться от выгодных зарубежных контрактов. Цифры говорят сами за себя - даже на фоне общих тенденций перемещения производства из стран Западной Европы в Восточную (в период 1990-2000 гг. за счет импорта из Восточной Европы производство отливок в Германии, Швеции, Франции снизилось на 30%) доля от всех импортируемых в Европу отливок из стран СНГ, по данным 1995-2000 гг., составила всего около 1% [2].
Был сделан сравнительный анализ технологий горячего и холодного отверждения стержней. Основными критериями технологических требований, учитываемыми при выборе процесса изготовления песчаных стержней, является комплекс рабочих свойств стержней и стержневых смесей: прочность, текучесть, живучесть, выбиваемость, кинетика газовыделений и газотворность, вероятность образования дефектов отливок с учетом требований, предъявляемых технологией производства конкретных литых заготовок.
При анализе экономических аспектов основными критериями являются: требуемая производительность процесса с учетом программы выпуска отливок, показатели себестоимости отливок -стоимость стержневой смеси и изготавливаемых стержней, брак стержней и отливок, стоимость капитальных вложений в оборудование и стержневую оснастку, стойкость оснастки, возможность регенерации песка и др. Кроме того, необходимо учитывать возможность экономии металла за счет повышения точности отливок (снижение припусков на механическую обработку). В настоящее время важным экономическим показателем является возможность сертифицирования продукции и производства согласно требованиям ISO, так как это ведет к повышению экспортных возможностей
__г, ГГТТгП гг ГС Ш;П /; 7ГГТГП /1 ст
-3 (47), 2008 / 1и#
Таблица 1. Сравнительная характеристика основных технологических параметров смесей горячего и холодного отверждения1
Процесс Живучесть смеси, ч Прочность на изгиб, МПа Газотворная способность, см3/г
30 с 24 ч
Hot-box >4 1,8 5,4 7,0
Croning практически не ограничена 2,0 6,0 12,0
Cold-box-amin 3-4 3,2 5,8 3,4
Эпокси-SO? >24 2,8 5,2 6,0
Betaset 3-4, отдельные материалы - до 24 1,6 2,5 3,0
Carbophen 3-6 0,6 1,8 8,2
1 Приведены средние значения параметров стержней, предназначенных для изготовления чугунных отливок.
и конкурентоспособности изделия на внешнем рынке.
Основными экологическими факторами, учитываемыми при выборе технологического процесса, являются данные по объемам газовыделений в «холодной» стадии (смесеприготовление, операции по изготовлению стержней) и при заливке, охлаждении и выбивке отливок («горячая» стадия). Также необходимо учитывать возможность нейтрализации и утилизации образуемых отходов; возможные штрафные санкции служб экологического контроля; общие показатели условий труда рабочих.
Все рассматриваемые технологии горячего (Hot-box-, Cmning-процессы) и холодного отверждения (Cold-box-amin, 3noKCH-S02, Betaset- и Car-ЬорЬеп-процессы) обладают общим важным достоинством, а именно, возможностью полной автоматизации процессов изготовления стержней.
Данные по живучести смеси, ее газотворной способности и прочности приведены в табл. 1.
По прочностным показателям сопоставимы процессы Hot-box, Croning, Cold-box-amin и 3noKCH-S02, причем процесс Cold-box-amin имеет более высокую начальную прочность, что повышает возможности по транспортированию и обработке этих стержней сразу после их изготовления, а также уменьшает брак стержней в момент их протяжки и извлечения из оснастки.
При оценке термостойкости стержней (а следовательно, оценке диапазона применимости процессам относительно материала отливок) и выбиваемо-сти из залитых заготовок следует учитывать, что:
1. Технологии Hot-box и Cold-box-amin могут включать десятки различных комбинаций связующих материалов, обеспечивающих требуемые в каждом конкретном случае показатели термостойкости и выбиваемости.
2. Для процессов Croning, Betaset и Carbophen характерны высокие показатели термостойкости стержней. Однако выбиваемость таких смесей из
низкотемпературных отливок, особенно из цветных сплавов, как правило, затруднена.
Основные технологические преимущества всех холодных способов отверждения (технологии Cold-box) относительно горячих методов отверждения связаны с отличиями в температурном режиме затвердевания стержня. Для всех методов Cold-box характерно:
• отсутствие деформации стержней в ящике и при последующих технологических и транспортных операциях вследствие их отверждения по всему объему;
• высокая размерная точность стержней и отливок, обусловленная полным отсутствием вызываемого термическими напряжениями коробления стержней при их изготовлении, извлечении из оснастки и хранении;
• равномерное распределение прочности стержня по его сечению, вытекающее из объемного отверждения стержня при его продувке;
• возможность получения более сложных стержней, что исключает дополнительные технологические операции их сборки и склейки из отдельных частей;
• возможность изготовления стержней, сочетающих ажурные и массивные элементы;
• возможность изготовления моноблоков стержней и стержневых пакетов с точностью сборки 0-0,3 мм;
• возможность получения за счет проведения нескольких последовательных надувов крупных стержней, превышающих по объему емкость пе-скострельной головки.
В отличие от технологических возможностей методов Cold-box горячие способы отверждения стержней характеризуются пониженной точностью стержней и отливок. Это связано с температурной деформацией стержней и оснастки, что, как правило, является непреодолимым препятствием в сертификации качества литых заготовок по международным стандартам.
158
I£ГГТТгГ: ГГ ПЮТ/IЛ 7ГПТЯ
I 3 (47). 2808-
Таблица 2. Сравнительная характеристика оценки влияния технологий Cold-box на качество получаемых отливок
Показатель качества отливки Технология получения песчаного стержня
Cold-box-amin Эпокси-802 Betaset
Эрозия 2 1 1
Просечки 3 3 2
Чистота поверхности 2 3 3
Газовые дефекты 1 1 1
Пенетрация металла 2 2 4
Образование блестящего углерода 3 1 1
Выбиваемо сть 3 1 4
Помимо приведенного выше сравнительного анализа точности получаемых стержней и основных рабочих свойств стержневых смесей (их прочность, газотворная способность и термостойкость), при выборе оптимальной технологии Cold-box учитываются полученные практическим путем данные по ожидаемому влиянию изготовленных по различным процессам стержней на качество производимых с их применением отливок. Ориентировочные данные по возможным дефектам литья представлены в табл. 2. Сравнение процессов проведено по пятибалльной системе (1 - отлично, 5 - плохо).
Из данных табл. 1, 2 следует, что по суммарной оценке технологических свойств лучшие показатели имеют технологии Cold-box-amin, Эпокси-802.
При оценке экономической эффективности от внедрения той или иной технологии необходимо учитывать некоторое усложнение комплекса технологического оборудования, задействованного в «холодных» продувочных способах. Во всех способах Cold-box стержневые машины нужно оснащать специальным продувочным устройством, газогенератором, укрытием и установкой нейтрализации выбросов.
Кроме того, при оценке экономической эффективности вариантов модернизации производства с «горячих» на «холодные» технологии следует учитывать возможность использования уже имеющегося оборудования и стержневой оснастки, что существенно снижает величину капитальных затрат.
Экологические аспекты. При оценке экологической чистоты процессов производства литейных стержней необходимо учитывать, что в качестве катализаторов холодного отверждения связующего в технологиях Cold-box используются токсичные вещества: третичные амины, S02, метилформиат. Процесс Carbophen выгодно отличается от других процессов экологической чистотой используемого катализатора - С02. Процесс Betaset при использовании его для получения стержней массой до 30 кг специальных мер защиты не требует.
Исходя из степени опасности, оборудование, работающее по технологиям Cold-box-amin и Эпок-ch-S02, должно обязательно оборудоваться вентилируемым укрытием. Наряду со специальной технологической схемой этих процессов, предусматривающей повышенную вентилируемость рабочего пространства, локализацию и отсос вредных газовыделений, их обязательную последующую нейтрализацию, этим достигается высокая экологическая чистота «холодной» стадии изготовления стержней (смесеприготовление, надув и отверждение стержней). Требования ПДК на этих переделах полностью выполняются.
В то же время при производстве стержней «горячими» методами Hot-Box и Croning в процессе их теплового отверждения в воздух выделяется значительное количество вредных веществ [6]. Причем, помимо исходных мономеров связующего (фенола, формальдегида и др.), в составе образуемых газовыделений присутствуют и высокотоксичные продукты их термоокислительной деструкции. Как правило, при переходе от горячих к холодным методам отверждения стержней следует отметить улучшение экологических показателей и принципиальное улучшение условий труда рабочих в стержневых отделениях литейных цехов.
Подводя итог сравнительному анализу технологических, экономических и экологических параметров технологий горячего и холодного отверждения стержней, необходимо еще раз подчеркнуть безусловные преимущества холодных способов. В связи с этим при разработке проектов новых производств или модернизации действующих предприятий выбор способов горячего отверждения может быть оправдан лишь в случае применения минимального количества (1-2 шт.) малолитражных стержневых машин с небольшой номенклатурой оснастки и невысокими объемами производства. В остальных случаях применение холодных способов отверждения не вызывает сомнения. Именно эти факторы привели к тому, что в настоящее время во всех промышленно разви-
лггттгГ: г: ггшпг^гггм/irq
-3(47), 2008/ IlliP
Таблица 3. Динамика изменения использования процессов Hot-box, Croning и Cold-box для изготовления стержней в литейных цехах США и Германии
Процесс США, % Германия, %
1980 г. 2000 г. 1980 г. 2000 г.
Croning около 30 15 около 20 10
Hot-box около 20 10 около 30 10
Cold-box около 15 65 около 15 70
тых странах практически нет альтернативы холодным процессам изготовления стержней (табл. 3).
Обобщая технологические, экономические и экологические показатели различных способов Cold-box, следует отметить особую перспективность технологии Cold-box-amin в отношении массового производства стержней машинным способом во всех отраслях машиностроения. Предпочтительность метода Cold-box-amin заключается в следующем:
• технология проверена многолетней практикой и хорошо изучена теоретически;
• по всему комплексу технологических параметров процесс не уступает другим стержневым технологиям и может быть использован при производстве отливок из стали, чугуна и цветных сплавов;
• высокое качество получаемых отливок соответствует всем требованиям международной сертификации продукции и производства;
• высокие объемы применения метода Cold-box-amin за рубежом сопутствуют постоянному поиску новых, более качественных связующих материалов и добавок. Промышленностью разработаны десятки модификаций связующего, позволяющие решать любые технологические задачи. Последние разработки химиков позволили, например, за счет сочетания растительных и кремнийоргани-ческих растворителей и малотоксичной основы смолы наряду со значительным улучшением технологических параметров (низкая прилипаемость
смеси к оснастке, уменьшение дефектов отливок из-за эрозии или просечек, более высокая термостойкость) добиться значительного снижения газовыделений на «горячей» стадии процесса;
• метод Cold-box-amin наиболее экономичен в применении;
• при соблюдении правил эксплуатации и вентиляции производственных помещений процесс по экологическим показателям соответствует всем экологическим нормам и правилам;
• в отличие от других процессов Cold-box метод Cold-box-amin на сегодняшний день не имеет ни одного фактора, препятствующего его дальнейшему развитию (3noKCH-S02 - самая плохая эко-логичность и технологическая сложность применения вызывающего коррозию S02; Betaset - низкая прочность стержней и плохая регенерируе-мость песка; Carbophen - очень низкая прочность и ограниченная производительность процесса).
В настоящее время соотношение объемов применения методов Cold-box в промышленно развитых странах выглядит следующим образом:
Cold-box-amin - 75-80% (в автомобиле- и моторостроении - до 90%);
Эпокси-802 - 4-5%;
Betaset-2-3%;
Carbophen - 6-10%;
прочие (Red-set и др.) - 2-7%.
Как свидетельствуют многочисленные примеры производственной практики [7], абсолютное большинство статей калькуляции себестоимости
Таблица 4. Сравнительная характеристика основных показателей экономической эффективности горячих и холодных способов отверждения стержней (сопоставимые %)
Показатель экономической эффективности Способ отверждения
«холодный» «горячий»
Производительность стержневой машины 120-200 100
Затраты на связующие и вспомогательные материалы 110 100
Затраты на изготовление нового комплекта стержневой оснастки (в зависимости от материала оснастки) 10-80 100
Затраты на эксплуатацию и ремонт стержневой оснастки 20-30 100
Транспортно-складские расходы, связанные с изготовлением стержней 60 100
Расходы на топливо-энергетические ресурсы 10-20 100
Затраты на захоронение отходов стержней 10-20 100
Потери от брака стержней при изготовлении и сборке 10-20 100
Потери от брака отливок 10-50 100
Таблица 6. Потребность предприятий Республики Беларусь в современном оборудовании в 2009-2010 гг.
160/i
ггггг^г гсшмлтггта
(47), 2008-
Таблица 5. Технологическое оборудование, поставленное в 2000-2008 гг. предприятиям-заказчикам для производства стержней по Cold-box-amin- процессу
Предприятия-заказчики
Наименование оборудования ОАО «Автодизель», г. Мариуполь, ед. РУП «мтз», г. Минск, ед. ЗАО «Азовэлек-тросталь». г. Мариуполь, ед. ОАО «Тутаевский моторный завод», ед. РУП «МАЗ», г. Минск, ед. ОАО «кмпо», г. Казань, ед.
Стержневая машина мод. 4747Б2К1 5 6 3 2 1 -
Стержневая машина мод. 4752К1 - - 1 - - 1
Стержневая машина мод. 4760Б2К1 - 2 - - - -
Стержневая машина мод. 4709Б2 - 1 - - - -
Установка смесеприготовления П1863 - 1 2 - - -
Установка смесеприготовления П1739/С1С-150 1 - - - - -
Стержневая машина мод. 4751Б1К2 - - - - 1
Установка смесеприготовления мод. П1739/800 - - - - - 1
Всего 6 10 6 2 2 2
Оборудование, ед.
Предприятие стержневое смесеприготови-
тельное
РУП «мтз» 9 4
РУП «МАЗ» 5 5
УП «МоАЗ» 2 -
РУП «ГЗЛиН» 3 1
РУП «ммз» 3 -
ОАО «ОЗАА» 4 -
Таблица 7. Прогноз экспортных поставок современного оборудования из Республики Беларусь в 2009-2010 гг.
Страна Оборудование, ед.
стержневое смесеприготовительное
Россия 12-15 2
Украина 8-10
Всего 20-25 2
литья для процессов Cold-box выглядят значительно привлекательнее по сравнению с методами «горячего» отверждения (табл. 4).
Таким образом, сравнительный анализ технологий изготовления стержней в массовом производстве отливок позволил разработать концепцию создания комплекса технологического оборудования. Она базируется на основе использования «холодных» процессов при изготовлении форм и стержней.
Только в 2005 г. экономический эффект от освоения технологического комплекса по производству стержней из ХТС с продувкой аминами составил более 1,2 млн. долл. США при общих
объемах капитальных затрат на создание комплекса 1,57 млн. долл. США. Экономия природного газа составила порядка 5 млн. м3/год, электроэнергии - 1 млн кВт ч/год. Брак стержней снизился в 38 раз, отливок - в 10 раз. Масса отливок уменьшена в среднем на 0,8%. В результате окупаемость комплекса составила 1,2 года [5, 7-9].
Итоги внедрений и использования новых технологий в стержневом производстве приведены в табл. 5.
В настоящее время наблюдается некоторое ускорение процессов перехода на новые технологии в изготовлении стержней. Перспектива этого направления приведена в табл. 6, 7.
Литература
1. Куракевич Б. В., Мельников А. П. и др. Универсальная гамма стержневых машин для производства песчаных стержней с отверждением в нагреваемой оснастке // Литье и металлургия. 2001. № 4. С. 18-21.
2. Кукуй Д. М., Марукович Е. И., Мельников А. П. Основные тенденции развития литейного производства Республики Беларусь // Литье и металлургия. 2000. № 3. С. 12-17.
3.Куракевич Б. В., Мельников А. П., Пасюк Г. И. и др. Стержневые машины для производства песчаных стержней в нагреваемой оснастке // Литейное производство. 2002. № 1. С. 16-17.
4. Кудин Д. А., Куракевич Б. В., Мельников А. П., Пасюк Г. *И. Технологии и машины для изготовления стержней из песчано-смоляных смесей, отверждаемых продувкой газообразными отвердителями // Литье и металлургия. 2000. № 4. С. 88-90.
5. К у д и н Д. А., Кукуй Д. М., Куракевич Б. В., Мельников А. П. Технология и оборудование для производства стержней методом Cold-box-amin. Мн.: ООО «Новое знание». 2007.
fj^fzi: ггшг^лтп^ /ни
-3(47),2008 / IUI
6. К у p а к e в и ч Б. В., Мельников А. П. и др. Ресурсосберегающие и малотоксичные технологии производства литейных песчаных стержней // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. г. Минск, 25-27 ноября 1998 г.
7. М е л ь н и к о в А. П., Пасюк Г. И., К у д и н Д. А., Сысоева Л. Р., Ч е р а п о в и ч А. В. Оборудование для изготовления стержней, повышающее качество литых заготовок и снижающее их себестоимость // Тр. восьмого съезда литейщиков России. Т. 2. г. Ростов-на-Дону, 23-24 апреля 2007 г. С. 17-27.
8. Ш в а р ц Е. Г., Пасюк Г. И., К у р а к е в и ч Б. В., Мельников А. П. и др. Техническое переоснащение стержневого производства литейного цеха ПО «МТЗ» // Литейное производство. 2002. № 1. С. 35-38.
9. Мельников А. П. Энерго- и ресурсосберегающие технологии в литейном производстве // Литье и металлургия. 2007. №2. С. 115-119.
