eng
Выпуск #1/2018
С.Ткаченко, В.Кривицкий, Ю.Муравьев, Г.Колодий
Возрождение технологии формообразования в станкостроении на основе неорганических компонентов
Возрождение технологии формообразования в станкостроении на основе неорганических компонентов
Просмотры: 2384
Дана историческая ретроспектива развития технологии изготовления форм и стержней из жидких самотвердеющих смесей и (ЖСС) и холоднотвердеющих смесей (ХСС). Показаны преимущества и перспективы использования ЖСС в станкостроении. Подтверждена перспектива применения ранее разработанного «ФОСКОН-процесса» в целях ресурсосбережения и повышения эффективности литейного производства.
УДК 621.74
DOI: 10.22184/24999407.2018.10.01.62.67
УДК 621.74
DOI: 10.22184/24999407.2018.10.01.62.67
Теги: aluminoborphosphate molding mixture co2-process co2-процесс foskon process foundry liquid self-hardening mixtures molds and rods production алюмоборфосфатная формовочная смесь жидкие самотвердеющие смеси изготовление форм и стержней литейное производство фоскон-процесс
Согласно экспертной оценке ООН, самыми экологически неблагоприятными городами мира считаются металлургические центры СНГ. Металлургическая промышленность в целом и литейное производство в частности оказывают огромное воздействие на окружающую среду и как мощный потребитель еe ресурсов, и как мощный источник еe загрязнения.
Поскольку в странах СНГ на единицу продукции литейного производства потребляется в несколько раз больше сырья, материалов, энергоносителей, воды, чем в других развитых странах, то одним из важных факторов в решении означенной проблемы является улучшение экологической обстановки с целью сохранения качества жизни настоящих и будущих поколений, гарантирующее более полную реализацию человеческого потенциала в процессе увеличения объемов производства и повышения качества производимой продукции.
За последние годы в литейном производстве приоритеты в развитии технологических процессов изменились в сторону их совместимости с окружающей средой, что обусловлено ужесточением требований по выбросам вредных веществ в атмосферу. Это приводит к установке новых или модернизации существующих систем очистки газов и воздуха от пыли, золы, диоксида серы, окислов азота, сероводорода, окиси и двуокиси углерода и других вредных веществ, регулируемых Киотским протоколом от 16 февраля 2005 года. Такое нормирование воздействия на окружающую среду подверглось острой критике на конференции ООН по климату, проходившей в 2011 году в Дурбане (ЮАР). Необходима замена непрозрачной и коррумпированной системы, основанной на практически невыполнимых санитарно-гигиенических нормативах ПДК вредных веществ, на новую систему нормирования, основанную на показателях наилучших действующих технологий для крупных загрязнителей (США, Китай) [1].
Конференция пришла к выводу, что экология и цивилизация − два взаимоисключающих фактора, разрешение которых зависит только от нахождения временного компромисса на уровне освоенных цивилизацией знаний и навыков. Это подтверждается различием нормативов, установленных региональными органами. Например, в России нормативы по выбросам окиси углерода в четыре раза, а по бензолу в 10 раз жестче, чем в странах Евросоюза.
В связи с изложенным, в литейном производстве перспективными являются технологии производства стержней и форм на основе неорганических связующих систем, имеющих ряд серьезных преимуществ перед системами на базе органических соединений, в том числе:
Ф гарантированное наличие сырьевых материалов в промышленных объемах;
Ф разнообразие способов отверждения;
Ф улучшение санитарно-гигиенических условий труда на рабочих местах;
Ф отсутствие выделений вредных веществ, высокая термостойкость [2].
Наибольшее распространение в отечественной практике в 60−70-е годы прошлого столетия получили смеси на основе жидкого стекла и прежде всего − CO2-процесс. Смесь песка и связующего после перемешивания уплотняли в стержневом ящике, а затем продували углекислым газом. После продувки в течение нескольких секунд смесь приобретает манипуляторную прочность, достаточную для последующих операций − извлечения из стержневого ящика, окраски, транспортировки, хранения, сборки и заливки формы.
В процессе внедрения этой технологии был выявлен ряд недостатков:
Ф неудовлетворительная выбиваемость;
Ф гигроскопичность;
Ф недостаточная прочность и текучесть смесей;
Ф сложность процесса регенерации.
Хотя технология применяется несколько десятилетий, она постоянно совершенствуется. За многие годы литейщики за счет изучения механизма твердения жидкого стекла, использования различных добавок научились управлять процессом упрочнения и другими технологическими свойствами жидкостекольных смесей. Например, установлено, что наиболее твердые и прочные гели получаются при низких значениях рН, то есть для низкомодульных стекол. При высоком модуле увеличивается размер глобул и делается более рыхлой их упаковка. На прочность смеси также влияет усадка геля при высушивании или естественном обезвоживании. При высоком модуле гель является плотным и хрупким и, поэтому, может растрескиваться. Исследования, выполненные в ЦНИИТМАШ, показали, что прочность жидкостекольных смесей при нагреве имеет два максимума − в зонах 200−300 и 500−800 °C. Снижение прочности во втором температурном интервале может быть достигнуто введением неорганических экологически безопасных добавок [3]. Это позволяет устранить указанные недостатки и масштабнее вернуться к использованию жидких (ЖСС) и пластичных (ПСС) смесей для изготовления крупных форм и стержней в станкостроении и отказаться от половинчатой технологии, когда формы изготовлены из жидкостекольной смеси, а стержни из ХТС (сыпучих холодно-твердеющих смесей по alfa-set процессу).
Область применения жидкостекольных смесей постоянно расширялась: если в первый период освоения применялся в основном CO2-процесс для отливок массой до 1 т и габаритами до 1 м, то в дальнейшем, начиная со второй половины 60-х годов и до распада Советского Союза, на всех станкостроительных заводах для изготовления тяжелых отливок применялись жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) для форм и стержней (рис. 1). При этом, значительно повысилась геометрическая точность крупных отливок, а цикл формообразования сократился по времени в 3−4 раза.
Если вопросы упрочнения и структурообразования жидкостекольных смесей широко обсуждались в отечественной и зарубежной литературе, то ряд технологических приемов из заводского опыта в таких обсуждениях не присутствовал, а они могут быть полезными в сложившейся ситуации. В связи с проектированием автоматизированных линий для изготовления сравнительно мелких стержней из жидкостекольных смесей по СО2-процессу, на Ленинградском станкозаводе им. Я.М. Свердлова проводились исследования технологических свойств смесей в автоматизированном режиме. Стандартные испытания формовочных смесей на прочность, влажность и газопроницаемость не могли служить критерием для решения задачи. Проводилось комплексное исследование технологических свойств смесей: прилипаемости, живучести, текучести, выбиваемости, осыпаемости, гигроскопичности, прочности в сыром и упрочненном состоянии. Исследовались жидкостекольные смеси с добавками асбеста (7 сорта), шамота, боксита, битума и торфяной золы. Наилучшим комплексом технологических свойств в условиях автоматической линии обладали смеси с 4,5% жидкого стекла модуля 2,5 с добавками 3% торфяной золы, 5% асбестовой крошки. Они отличались хорошей выбиваемостью при повышенных температурах (по методике ЦНИИТМАШ добавки работали как надрезы в затвердевшем геле кремниевой кислоты), а смеси − повышенной текучестью (торфяная зола) и уплотняемостью (асбест). Режимы продувки CO2 для крупных стержней отрабатывались на экспериментальной установке, позволяющей изменять в определенных пределах и контролировать следующие параметры:
Ф давление углекислого газа, сжатого воздуха и газовоздушной смеси;
Ф расход углекислого газа и сжатого воздуха;
Ф время продувки стержней;
Ф способ подвода газа к стержню − сверху или снизу;
Ф концентрацию газа в газовоздушной смеси.
Исследованиями установлено, что формирование прочности стержней при продувке углекислым газом обусловлено двумя факторами: скоростью затвердевания (или перемещения границы упрочнения) и скоростью нарастания прочности. Оба этих фактора зависят от вида добавки, времени продувки и величины давления газа (увеличение двух последних параметров целесообразно лишь до определенной оптимальной величины). Изучение процесса упрочнения стержня на экспериментальной установке показало:
Ф с целью лучшей герметизации стержневого ящика и равномерного формирования фронта продувки по сечению стержня целесообразно применение перфорированной резиновой диафрагмы толщиной 3 мм с шагом между отверстиями 50 мм и диаметром отверстий 2 мм;
Ф продувка стержней смесью углекислого газа и сжатого воздуха принципиально возможна: для получения необходимой прочности стержней оптимальной концентрацией газа следует считать 60%; при поточном производстве снижается производительность установки и экономия углекислого газа незначительна;
Ф оптимальными параметрами работы установки в поточном производстве являются: давление газа над стержнем 0,3−0,4 атм. при подводе газа сверху; время продувки 20−120 с для стержней высотой 200−1 200 мм соответственно.
В результате обобщения полученных данных построены графики продувки для стержней различных весовых категорий на поточных линиях. Режим работы установки должен выбираться из условий получения заданной прочности (в нашем примере − 1,5 кг/cм2 при испытании на растяжение или 2,17 кг/см2 при испытании на изгиб). Установлено, что фронт заданной прочности продвигается при продувке углекислым газом пропорционально квадратному корню от времени: Н = 100/t, где Н − глубина заданной прочности, мм, а t − продолжительность продувки, с.
При использовании установки производительность одного рабочего увеличивается в 13 раз. Расход углекислого газа сокращается в 3,5 раза [4].
Из приведенных данных следует, что жидкостекольные процессы формообразования незаслуженно забыты, особенно если учесть, что в ряду экологически безопасных процессов им нет равных.
Рождение технологии изготовления отливок из разных сплавов со стержнями из неорганических металлофосфатных смесей явилось альтернативой интенсивно развивающимся в начале 80-х годов 20-го столетия процессам изготовления отливок с использованием синтетических смол, которые наряду с достоинствами имеют ряд недостатков − прежде всего по экологическим показателям, в связи с выделением газов и парообразных продуктов термодеструкции связующих.
При нагреве синтетических органических связующих до 400 °C в основном преобладают процессы испарения высоколетучих компонентов (водяной пар, органические растворители); при нагреве в интервале 400−800 °C выделяются продукты термического разложения органических связующих (ароматические углеводороды, фурфурол, фурфуриловый спирт, фенол, бензол, толуол, крезол, формальдегид, изоцианиты, амины, аммиак); при нагреве в интервале 800−1 200 °C имеют место процессы с образованием СО, CO2, CH4, SО2 [5].
В исследованиях С.С. Жуковского было показано, что фосфатные связующие представляют собой гетерогенную систему, состоящую из двух компонентов − порошка, обладающего основными свойствами, и кислоты [5]. Химическое взаимодействие между ними приводит к самозатвердеванию композиции на воздухе. Продукты реакции − гидраты ортофосфорной кислоты − обладают определенными связующими свойствами, то есть собственной прочностью и адгезией к наполнителю, и в затвердевшем состоянии представляют собой неорганические полимеры [5, 6]. Необходимую скорость затвердевания на воздухе (1−5 мин) обеспечивают окислы, содержащие катион с ионным потенциалом (отношением заряда иона к его радиусу), имеющим значения 2,5−4,5. Это такие окислы, как FeO, Fe2O3, NiO, MgO, CuO и Al2O3.
По технологическим и экономическим соображениям, а также в связи с нестабильностью системы окислов железа и низкой (1 150 °C) температурой плавления феррофосфатной композиции, наибольшее распространение получили ХТС на основе фосфатов магния [5].
Физико-химические исследования продуктов твердения магний-фосфатных композиций показали, что при взаимодействии ортофосфорной кислоты с магнезиальными материалами образуются соединения, представляющие собой в основном двухзамещенный трехводный фосфат магния [5]. Скорость затвердевания и прочность ХТС обусловлены свойствами исходных материалов − магнийсодержащего порошка и ортофосфорной кислоты. Реакционная способность порошка зависит от температуры обжига материала, содержания окиси магния и удельной поверхности порошка. Установлено, что уплотняемость, текучесть и формуемость фосфатных смесей связаны с внутренним трением и силами сцепления их составляющих и зависит от давления прессования и внешнего трения.
Процессы изменения прочностных и деформационных свойств фосфатных смесей при нагреве и охлаждении являются следствием фазовых превращений фосфатов при высоких температурах. При 20−330 °C происходит дегидратация фосфатов с удалением 95−98% воды, в результате чего нарушается плотность структуры и снижается прочность композиции. В зоне 330−700 °C удаляется оставшаяся химически связанная вода, образуются полифосфатные соединения и кристаллическая структура переходит в аморфное состояние [5], сопровождающееся заметным уплотнением структуры и повышением прочности. При температуре выше 700 °C протекает вторичная кристаллизация полифосфатов, которая является причиной снижения прочности. При температурах около 1 000 °С композиция, полностью потеряв прочность вследствие плавления, приобретает большую пластическую деформацию.
Увеличение прочности при температурах прогрева свыше 1 000 °C связано с цементированием зерен наполнителя при охлаждении расплавленной композиции. При этих температурах возможен также процесс химического взаимодействия жидкой фазы с наполнителем, в частности с кремнеземом, с образованием новых продуктов, упрочняющих смесь в прилегающих к отливке слоях [7].
В прошлом ОАО «ВПТИлитпром» и «ЛенАЛ» более 10 лет занимались изучением и внедрением смесей на алюмоборфосфатном связующем («ФОСКОН-процесс»). Применялся алюмоборфосфатный концентрат (АБФК) и магнийсодержащий порошковый отвердитель фосфатной композиции (ПОФК) огнеупорностью 1 900−2 000 °C. Было установлено, что ХТС на этом связующем обладают высокими физико-механическими свойствами и термостойкостью, а их компоненты и продукты твердения не содержат токсичных веществ. При нагреве и последующем охлаждении такие смеси легко разупрочняются и обеспечивают хорошую выбиваемость [7].
В ряде статей по литейному производству отмечаются некоторые проблемы при внедрении фосфатных смесей: дефицит связующих, домол магнезитового порошка до удельной поверхности 3 600−5 400 см3/г, повышенный расход ортофосфорной кислоты и др. [8]. Опыт широкого внедрения «ФОСКОН-процесса» на 40 заводах страны и ближнего зарубежья показал, что все указанные проблемы в настоящее время решены. Расширено производство АБФК на Буйском АО «ФК» (Костромская обл.) и ЗАО «Воскресенский завод химических реактивов».
Подтверждены ранее приводимые данные по эффективному применению процесса для единичного и мелкосерийного производства средних и крупных отливок из чугуна и стали. Достигнуты следующие результаты:
Ф снижение трудоемкости изготовления стержней на 10−15%;
Ф уменьшение объема выбивных и очистных работ в 2−3 раза;
Ф повышение размерной точности отливок.
Опробовано смесеприготовительное оборудование фирмы «Родонит» с дозаторами для мелкодисперсных компонентов, что позволило решить проблему нестабильности ХТС, обусловленную спецификой дозирования и равномерного распределения порошка ПОФК на зернах наполнителя. Совместные работы «Родонит» и «ЛенАл» по модернизации оборудования, улучшению свойств и стабилизации качества исходных материалов позволили в 2005 году успешно внедрить и усовершенствовать на Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ) «ФОСКОН-процесс» для изготовления стальных отливок ответственного назначения (рис. 2).
Важным этапом расширения применения «ФОСКОН-процесса» явился процесс изготовления стержней и форм в горячих ящиках, что значительно сокращает продолжительность их изготовления и число отделочных операций, повышает производительность труда и улучшает экологию цеха. Как показали эксперименты, для отверждения АБФК возможна замена чистой окиси магния отходами производства Буйского и Ижорского заводов с содержанием окиси магния в пределах 65−76% (табл. 1).
Производственное опробование стержней и форм на основе АБФК производилось на стальном литье в нагреваемой оснастке заводов «Армалит» (Санкт-Петербург), ОАО «ГАЗ» (Нижний Новгород) и др. и подтвердило высокие технологические и рабочие свойства смеси. Опытные отливки имели качественную поверхность, смесь легко высыпалась из отливки на выбивной решетке. Корректировка состава заключалась в нивелировании физико-механических свойств (прочности, живучести, скорости твердения) в зависимости от качества песка, температуры окружающей среды, параметров отливок и форм.
Важным этапом явилось изготовление форм и стержней для стальных отливок массой более 2,5 т на ПК «НЭВЗ» и судомеханическом заводе в г. Цимлянске. Главным достижением стало освоение регенерации смеси на АБФК, которая заключалась в магнитной сепарации, перетирании, классификации и охлаждении. Удалось получить качественный регенерат, который до 100% используется при изготовлении форм. В случае необходимости для облицовки форм используется свежий песок.
В 2014 году на НЭВЗ впервые была внедрена формовочная автоматическая линия по «ФОСКОН-процессу» (рис. 3) [9].
В целом, суммируя приведенные материалы, можно сделать вывод о том, что отсутствие токсичных выделений при изготовлении форм и стержней на АБФК, возможность механической регенерации огнеупорных материалов с возвратом до 90% регенерата в производство, высокое качество отливок позволяют «ФОСКОН-процессу» реализовать отличные перспективы ресурсосбережения и повышения эффективности литейного производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кальнер В.Д. Киотский протокол в тупике // Экология и производство. 2012. № 1.
2. Жуковский С.С. Изготовление стержней из жидкостекольных смесей в массовом производстве отливок // Труды 9й международной научнопрактической конференции «Литейное производство сегодня и завтра. – СПб, 2012.
3. Иванова Л.А., Чернышов Е.А., Кузнецов С.А. Влияние комплексного модификатора на остаточную прочность жидкостекольных смесей // Литейное производство. 2016. № 11.
4. Кривицкий В.С., Гуляев Б.Б., Фомченко С.И., Евстафьев И.Н. Изготовление стержней и форм на автоматизированных линиях // Технологические основы автоматизации литейных процессов. – М.: Наука, 1967.
5. Илларионов И.Е., Гамов Е.С., Васин Ю.П., Чернышевич Е.Г. Металлофосфатные связующие и смеси. – Чебоксары, 1995.
6. Жуковский С.С., Юнович Ю.М., Невская О.Е. Фосфатные ХТС для производства стальных и чугунных отливок // Литейное производство. 1987. № 4.
7. Ткаченко С.С., Кривицкий В.С. Перспективы внедрения ХТС на неорганических связующих // Труды 8го съезда литейщиков России. – Р. н/Д., 2007.
8. Королев Г.П., Куданкин Л.И., Смоляков А.Г. Проблемы применения фосфатных ХТС // Литейное производство. 1989. № 5.
9. Муравьев Ю.Н., Вэбб Ф.В., Ткаченко С.С., Сарыев С.Д., Котова Л.А. Опыт применения «ФОСКОНпроцесса» для производства стальных отливок на ПК «НЭВЗ» // Труды 10й международной научнопрактической конференции «Литейное производство сегодня и завтра». – СПб, 2014.
ТКАЧЕНКО Станислав Степанович –
доктор технических наук, профессор, президент Ассоциации литейщиков СанктПетербурга и Ленинградской области (ЛенАл)
КРИВИЦКИЙ Вилен Семенович –
кандидат технических наук, вицепрезидент ассоциации (ЛенАл)
МУРАВЬЕВ Юрий Николаевич –
кандидат технических наук, генеральный директор ООО «РОДОНИТ»
КОЛОДИЙ Георгий Арсеньевич –
ведущий специалист ООО «РОДОНИТ»
Поскольку в странах СНГ на единицу продукции литейного производства потребляется в несколько раз больше сырья, материалов, энергоносителей, воды, чем в других развитых странах, то одним из важных факторов в решении означенной проблемы является улучшение экологической обстановки с целью сохранения качества жизни настоящих и будущих поколений, гарантирующее более полную реализацию человеческого потенциала в процессе увеличения объемов производства и повышения качества производимой продукции.
За последние годы в литейном производстве приоритеты в развитии технологических процессов изменились в сторону их совместимости с окружающей средой, что обусловлено ужесточением требований по выбросам вредных веществ в атмосферу. Это приводит к установке новых или модернизации существующих систем очистки газов и воздуха от пыли, золы, диоксида серы, окислов азота, сероводорода, окиси и двуокиси углерода и других вредных веществ, регулируемых Киотским протоколом от 16 февраля 2005 года. Такое нормирование воздействия на окружающую среду подверглось острой критике на конференции ООН по климату, проходившей в 2011 году в Дурбане (ЮАР). Необходима замена непрозрачной и коррумпированной системы, основанной на практически невыполнимых санитарно-гигиенических нормативах ПДК вредных веществ, на новую систему нормирования, основанную на показателях наилучших действующих технологий для крупных загрязнителей (США, Китай) [1].
Конференция пришла к выводу, что экология и цивилизация − два взаимоисключающих фактора, разрешение которых зависит только от нахождения временного компромисса на уровне освоенных цивилизацией знаний и навыков. Это подтверждается различием нормативов, установленных региональными органами. Например, в России нормативы по выбросам окиси углерода в четыре раза, а по бензолу в 10 раз жестче, чем в странах Евросоюза.
В связи с изложенным, в литейном производстве перспективными являются технологии производства стержней и форм на основе неорганических связующих систем, имеющих ряд серьезных преимуществ перед системами на базе органических соединений, в том числе:
Ф гарантированное наличие сырьевых материалов в промышленных объемах;
Ф разнообразие способов отверждения;
Ф улучшение санитарно-гигиенических условий труда на рабочих местах;
Ф отсутствие выделений вредных веществ, высокая термостойкость [2].
Наибольшее распространение в отечественной практике в 60−70-е годы прошлого столетия получили смеси на основе жидкого стекла и прежде всего − CO2-процесс. Смесь песка и связующего после перемешивания уплотняли в стержневом ящике, а затем продували углекислым газом. После продувки в течение нескольких секунд смесь приобретает манипуляторную прочность, достаточную для последующих операций − извлечения из стержневого ящика, окраски, транспортировки, хранения, сборки и заливки формы.
В процессе внедрения этой технологии был выявлен ряд недостатков:
Ф неудовлетворительная выбиваемость;
Ф гигроскопичность;
Ф недостаточная прочность и текучесть смесей;
Ф сложность процесса регенерации.
Хотя технология применяется несколько десятилетий, она постоянно совершенствуется. За многие годы литейщики за счет изучения механизма твердения жидкого стекла, использования различных добавок научились управлять процессом упрочнения и другими технологическими свойствами жидкостекольных смесей. Например, установлено, что наиболее твердые и прочные гели получаются при низких значениях рН, то есть для низкомодульных стекол. При высоком модуле увеличивается размер глобул и делается более рыхлой их упаковка. На прочность смеси также влияет усадка геля при высушивании или естественном обезвоживании. При высоком модуле гель является плотным и хрупким и, поэтому, может растрескиваться. Исследования, выполненные в ЦНИИТМАШ, показали, что прочность жидкостекольных смесей при нагреве имеет два максимума − в зонах 200−300 и 500−800 °C. Снижение прочности во втором температурном интервале может быть достигнуто введением неорганических экологически безопасных добавок [3]. Это позволяет устранить указанные недостатки и масштабнее вернуться к использованию жидких (ЖСС) и пластичных (ПСС) смесей для изготовления крупных форм и стержней в станкостроении и отказаться от половинчатой технологии, когда формы изготовлены из жидкостекольной смеси, а стержни из ХТС (сыпучих холодно-твердеющих смесей по alfa-set процессу).
Область применения жидкостекольных смесей постоянно расширялась: если в первый период освоения применялся в основном CO2-процесс для отливок массой до 1 т и габаритами до 1 м, то в дальнейшем, начиная со второй половины 60-х годов и до распада Советского Союза, на всех станкостроительных заводах для изготовления тяжелых отливок применялись жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) для форм и стержней (рис. 1). При этом, значительно повысилась геометрическая точность крупных отливок, а цикл формообразования сократился по времени в 3−4 раза.
Если вопросы упрочнения и структурообразования жидкостекольных смесей широко обсуждались в отечественной и зарубежной литературе, то ряд технологических приемов из заводского опыта в таких обсуждениях не присутствовал, а они могут быть полезными в сложившейся ситуации. В связи с проектированием автоматизированных линий для изготовления сравнительно мелких стержней из жидкостекольных смесей по СО2-процессу, на Ленинградском станкозаводе им. Я.М. Свердлова проводились исследования технологических свойств смесей в автоматизированном режиме. Стандартные испытания формовочных смесей на прочность, влажность и газопроницаемость не могли служить критерием для решения задачи. Проводилось комплексное исследование технологических свойств смесей: прилипаемости, живучести, текучести, выбиваемости, осыпаемости, гигроскопичности, прочности в сыром и упрочненном состоянии. Исследовались жидкостекольные смеси с добавками асбеста (7 сорта), шамота, боксита, битума и торфяной золы. Наилучшим комплексом технологических свойств в условиях автоматической линии обладали смеси с 4,5% жидкого стекла модуля 2,5 с добавками 3% торфяной золы, 5% асбестовой крошки. Они отличались хорошей выбиваемостью при повышенных температурах (по методике ЦНИИТМАШ добавки работали как надрезы в затвердевшем геле кремниевой кислоты), а смеси − повышенной текучестью (торфяная зола) и уплотняемостью (асбест). Режимы продувки CO2 для крупных стержней отрабатывались на экспериментальной установке, позволяющей изменять в определенных пределах и контролировать следующие параметры:
Ф давление углекислого газа, сжатого воздуха и газовоздушной смеси;
Ф расход углекислого газа и сжатого воздуха;
Ф время продувки стержней;
Ф способ подвода газа к стержню − сверху или снизу;
Ф концентрацию газа в газовоздушной смеси.
Исследованиями установлено, что формирование прочности стержней при продувке углекислым газом обусловлено двумя факторами: скоростью затвердевания (или перемещения границы упрочнения) и скоростью нарастания прочности. Оба этих фактора зависят от вида добавки, времени продувки и величины давления газа (увеличение двух последних параметров целесообразно лишь до определенной оптимальной величины). Изучение процесса упрочнения стержня на экспериментальной установке показало:
Ф с целью лучшей герметизации стержневого ящика и равномерного формирования фронта продувки по сечению стержня целесообразно применение перфорированной резиновой диафрагмы толщиной 3 мм с шагом между отверстиями 50 мм и диаметром отверстий 2 мм;
Ф продувка стержней смесью углекислого газа и сжатого воздуха принципиально возможна: для получения необходимой прочности стержней оптимальной концентрацией газа следует считать 60%; при поточном производстве снижается производительность установки и экономия углекислого газа незначительна;
Ф оптимальными параметрами работы установки в поточном производстве являются: давление газа над стержнем 0,3−0,4 атм. при подводе газа сверху; время продувки 20−120 с для стержней высотой 200−1 200 мм соответственно.
В результате обобщения полученных данных построены графики продувки для стержней различных весовых категорий на поточных линиях. Режим работы установки должен выбираться из условий получения заданной прочности (в нашем примере − 1,5 кг/cм2 при испытании на растяжение или 2,17 кг/см2 при испытании на изгиб). Установлено, что фронт заданной прочности продвигается при продувке углекислым газом пропорционально квадратному корню от времени: Н = 100/t, где Н − глубина заданной прочности, мм, а t − продолжительность продувки, с.
При использовании установки производительность одного рабочего увеличивается в 13 раз. Расход углекислого газа сокращается в 3,5 раза [4].
Из приведенных данных следует, что жидкостекольные процессы формообразования незаслуженно забыты, особенно если учесть, что в ряду экологически безопасных процессов им нет равных.
Рождение технологии изготовления отливок из разных сплавов со стержнями из неорганических металлофосфатных смесей явилось альтернативой интенсивно развивающимся в начале 80-х годов 20-го столетия процессам изготовления отливок с использованием синтетических смол, которые наряду с достоинствами имеют ряд недостатков − прежде всего по экологическим показателям, в связи с выделением газов и парообразных продуктов термодеструкции связующих.
При нагреве синтетических органических связующих до 400 °C в основном преобладают процессы испарения высоколетучих компонентов (водяной пар, органические растворители); при нагреве в интервале 400−800 °C выделяются продукты термического разложения органических связующих (ароматические углеводороды, фурфурол, фурфуриловый спирт, фенол, бензол, толуол, крезол, формальдегид, изоцианиты, амины, аммиак); при нагреве в интервале 800−1 200 °C имеют место процессы с образованием СО, CO2, CH4, SО2 [5].
В исследованиях С.С. Жуковского было показано, что фосфатные связующие представляют собой гетерогенную систему, состоящую из двух компонентов − порошка, обладающего основными свойствами, и кислоты [5]. Химическое взаимодействие между ними приводит к самозатвердеванию композиции на воздухе. Продукты реакции − гидраты ортофосфорной кислоты − обладают определенными связующими свойствами, то есть собственной прочностью и адгезией к наполнителю, и в затвердевшем состоянии представляют собой неорганические полимеры [5, 6]. Необходимую скорость затвердевания на воздухе (1−5 мин) обеспечивают окислы, содержащие катион с ионным потенциалом (отношением заряда иона к его радиусу), имеющим значения 2,5−4,5. Это такие окислы, как FeO, Fe2O3, NiO, MgO, CuO и Al2O3.
По технологическим и экономическим соображениям, а также в связи с нестабильностью системы окислов железа и низкой (1 150 °C) температурой плавления феррофосфатной композиции, наибольшее распространение получили ХТС на основе фосфатов магния [5].
Физико-химические исследования продуктов твердения магний-фосфатных композиций показали, что при взаимодействии ортофосфорной кислоты с магнезиальными материалами образуются соединения, представляющие собой в основном двухзамещенный трехводный фосфат магния [5]. Скорость затвердевания и прочность ХТС обусловлены свойствами исходных материалов − магнийсодержащего порошка и ортофосфорной кислоты. Реакционная способность порошка зависит от температуры обжига материала, содержания окиси магния и удельной поверхности порошка. Установлено, что уплотняемость, текучесть и формуемость фосфатных смесей связаны с внутренним трением и силами сцепления их составляющих и зависит от давления прессования и внешнего трения.
Процессы изменения прочностных и деформационных свойств фосфатных смесей при нагреве и охлаждении являются следствием фазовых превращений фосфатов при высоких температурах. При 20−330 °C происходит дегидратация фосфатов с удалением 95−98% воды, в результате чего нарушается плотность структуры и снижается прочность композиции. В зоне 330−700 °C удаляется оставшаяся химически связанная вода, образуются полифосфатные соединения и кристаллическая структура переходит в аморфное состояние [5], сопровождающееся заметным уплотнением структуры и повышением прочности. При температуре выше 700 °C протекает вторичная кристаллизация полифосфатов, которая является причиной снижения прочности. При температурах около 1 000 °С композиция, полностью потеряв прочность вследствие плавления, приобретает большую пластическую деформацию.
Увеличение прочности при температурах прогрева свыше 1 000 °C связано с цементированием зерен наполнителя при охлаждении расплавленной композиции. При этих температурах возможен также процесс химического взаимодействия жидкой фазы с наполнителем, в частности с кремнеземом, с образованием новых продуктов, упрочняющих смесь в прилегающих к отливке слоях [7].
В прошлом ОАО «ВПТИлитпром» и «ЛенАЛ» более 10 лет занимались изучением и внедрением смесей на алюмоборфосфатном связующем («ФОСКОН-процесс»). Применялся алюмоборфосфатный концентрат (АБФК) и магнийсодержащий порошковый отвердитель фосфатной композиции (ПОФК) огнеупорностью 1 900−2 000 °C. Было установлено, что ХТС на этом связующем обладают высокими физико-механическими свойствами и термостойкостью, а их компоненты и продукты твердения не содержат токсичных веществ. При нагреве и последующем охлаждении такие смеси легко разупрочняются и обеспечивают хорошую выбиваемость [7].
В ряде статей по литейному производству отмечаются некоторые проблемы при внедрении фосфатных смесей: дефицит связующих, домол магнезитового порошка до удельной поверхности 3 600−5 400 см3/г, повышенный расход ортофосфорной кислоты и др. [8]. Опыт широкого внедрения «ФОСКОН-процесса» на 40 заводах страны и ближнего зарубежья показал, что все указанные проблемы в настоящее время решены. Расширено производство АБФК на Буйском АО «ФК» (Костромская обл.) и ЗАО «Воскресенский завод химических реактивов».
Подтверждены ранее приводимые данные по эффективному применению процесса для единичного и мелкосерийного производства средних и крупных отливок из чугуна и стали. Достигнуты следующие результаты:
Ф снижение трудоемкости изготовления стержней на 10−15%;
Ф уменьшение объема выбивных и очистных работ в 2−3 раза;
Ф повышение размерной точности отливок.
Опробовано смесеприготовительное оборудование фирмы «Родонит» с дозаторами для мелкодисперсных компонентов, что позволило решить проблему нестабильности ХТС, обусловленную спецификой дозирования и равномерного распределения порошка ПОФК на зернах наполнителя. Совместные работы «Родонит» и «ЛенАл» по модернизации оборудования, улучшению свойств и стабилизации качества исходных материалов позволили в 2005 году успешно внедрить и усовершенствовать на Новочеркасском электровозостроительном заводе (НЭВЗ) «ФОСКОН-процесс» для изготовления стальных отливок ответственного назначения (рис. 2).
Важным этапом расширения применения «ФОСКОН-процесса» явился процесс изготовления стержней и форм в горячих ящиках, что значительно сокращает продолжительность их изготовления и число отделочных операций, повышает производительность труда и улучшает экологию цеха. Как показали эксперименты, для отверждения АБФК возможна замена чистой окиси магния отходами производства Буйского и Ижорского заводов с содержанием окиси магния в пределах 65−76% (табл. 1).
Производственное опробование стержней и форм на основе АБФК производилось на стальном литье в нагреваемой оснастке заводов «Армалит» (Санкт-Петербург), ОАО «ГАЗ» (Нижний Новгород) и др. и подтвердило высокие технологические и рабочие свойства смеси. Опытные отливки имели качественную поверхность, смесь легко высыпалась из отливки на выбивной решетке. Корректировка состава заключалась в нивелировании физико-механических свойств (прочности, живучести, скорости твердения) в зависимости от качества песка, температуры окружающей среды, параметров отливок и форм.
Важным этапом явилось изготовление форм и стержней для стальных отливок массой более 2,5 т на ПК «НЭВЗ» и судомеханическом заводе в г. Цимлянске. Главным достижением стало освоение регенерации смеси на АБФК, которая заключалась в магнитной сепарации, перетирании, классификации и охлаждении. Удалось получить качественный регенерат, который до 100% используется при изготовлении форм. В случае необходимости для облицовки форм используется свежий песок.
В 2014 году на НЭВЗ впервые была внедрена формовочная автоматическая линия по «ФОСКОН-процессу» (рис. 3) [9].
В целом, суммируя приведенные материалы, можно сделать вывод о том, что отсутствие токсичных выделений при изготовлении форм и стержней на АБФК, возможность механической регенерации огнеупорных материалов с возвратом до 90% регенерата в производство, высокое качество отливок позволяют «ФОСКОН-процессу» реализовать отличные перспективы ресурсосбережения и повышения эффективности литейного производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кальнер В.Д. Киотский протокол в тупике // Экология и производство. 2012. № 1.
2. Жуковский С.С. Изготовление стержней из жидкостекольных смесей в массовом производстве отливок // Труды 9й международной научнопрактической конференции «Литейное производство сегодня и завтра. – СПб, 2012.
3. Иванова Л.А., Чернышов Е.А., Кузнецов С.А. Влияние комплексного модификатора на остаточную прочность жидкостекольных смесей // Литейное производство. 2016. № 11.
4. Кривицкий В.С., Гуляев Б.Б., Фомченко С.И., Евстафьев И.Н. Изготовление стержней и форм на автоматизированных линиях // Технологические основы автоматизации литейных процессов. – М.: Наука, 1967.
5. Илларионов И.Е., Гамов Е.С., Васин Ю.П., Чернышевич Е.Г. Металлофосфатные связующие и смеси. – Чебоксары, 1995.
6. Жуковский С.С., Юнович Ю.М., Невская О.Е. Фосфатные ХТС для производства стальных и чугунных отливок // Литейное производство. 1987. № 4.
7. Ткаченко С.С., Кривицкий В.С. Перспективы внедрения ХТС на неорганических связующих // Труды 8го съезда литейщиков России. – Р. н/Д., 2007.
8. Королев Г.П., Куданкин Л.И., Смоляков А.Г. Проблемы применения фосфатных ХТС // Литейное производство. 1989. № 5.
9. Муравьев Ю.Н., Вэбб Ф.В., Ткаченко С.С., Сарыев С.Д., Котова Л.А. Опыт применения «ФОСКОНпроцесса» для производства стальных отливок на ПК «НЭВЗ» // Труды 10й международной научнопрактической конференции «Литейное производство сегодня и завтра». – СПб, 2014.
ТКАЧЕНКО Станислав Степанович –
доктор технических наук, профессор, президент Ассоциации литейщиков СанктПетербурга и Ленинградской области (ЛенАл)
КРИВИЦКИЙ Вилен Семенович –
кандидат технических наук, вицепрезидент ассоциации (ЛенАл)
МУРАВЬЕВ Юрий Николаевич –
кандидат технических наук, генеральный директор ООО «РОДОНИТ»
КОЛОДИЙ Георгий Арсеньевич –
ведущий специалист ООО «РОДОНИТ»
Отзывы читателей
