Экологичные криотехнологии получения отливок из металла по ледяным моделям
Дорошенко В. С., Физико-технологический институт металлов и сплавов
Национальной академии наук Украины, Киев, Украина
Литейное производство металлических заготовок — важная база машиностроительного комплекса. Доля литых деталей в автомобилях, тракторах, комбайнах, танках, самолетах и других машинах составляет 40–50 %, а в металлорежущих станках и кузнечнопрессовом оборудовании доходит до 80 % массы и 20 % стоимости изделия.
По степени ущерба, наносимого окружающей среде, литейно-металлургическая отрасль уступает лишь топливно-энергетическому комплексу. В действующих литейных цехах России и Украины при производстве 1 т отливок из чугуна и стали образуется около 50 кг пыли, 250 кг окиси углерода, 1,5–2,0 кг окиси серы, 1 кг окиси углеводородов и до 5 т песчаных отходов. Особенно экологически опасны процессы с использованием синтетических смол и других органических связующих, которые создают до 70 % загрязняющих веществ от литейных цехов. По оценкам экспертов будущее за связующими неорганического происхождения.
Инновационное направление в литейном производстве — криотехнология получения отливок в песчаных формах. Она минимизирует применение органических материалов для изготовления литейных форм, образование отходов и отрицательное воздействие на окружающую среду. Ресурсосбережение достигается благодаря многократному использованию формовочных материалов. С каждым годом в мире возрастает производство отливок литьем по разовым моделям, поскольку этот точный способ позволяет уменьшить металлоемкость изделий и повысить их качество.
Целесообразность использования криотехнологии в формовочных процессах, в частности для изготовления песчаных форм по разовым ледяным моделям, связана с возможностью минимизировать применение органических материалов (в том числе, связующих) путем получения оболочковых форм. При этом происходят изменения агрегатного состояния воды: переход в твердую фазу при замораживании модели; превращение в жидкость при таянии модели и освобождении полости формы; испарение при сушке увлажненной формы. Около 30–90 % воды для ледяных моделей и 80–90 % сухого песка (за вычетом участвующего в образовании оболочки путем пропитки — увлажнения) можно использовать многократно.
Разработан способ вакуумной формовки по ледяным моделям, упакованным в пенку, при котором вода не попадает в песок формы. Сухой песок без связующего уплотняется под воздействием вакуума, а литейные формы подключаются трубопроводами к вакуум-насосу. При этом литье по ледяным моделям совмещается с вакуумно-пленочной формовкой (ВПФ) — наиболее экологически безопасным способом песчаной формовки. В последние годы за рубежом ВПФ стала основным способом производства отливок в разовые песчаные формы. Газы, возникающие при заливке расплавленного металла в литейную форму, практически полностью откачивают из нее вакуум-насосом, а отсутствие связующего в сухом кварцевом песке минимизирует газообразование.
Экологические преимущества литья по ледяным моделям очевидны по сравнению с традиционно применяемыми выплавляемыми парафино-стеариновыми моделями (способ ЛВМ) или газифицируемыми (выжигаемыми) расплавом металла моделями из пенополистирола при заливке литейной формы (способ ЛГМ).
При применении способа ЛВМ расход модельного состава на 1 т годных отливок составляет 40–90 кг при 10 % потерь, большая часть которых происходит при высокотемпературном прокаливании в термических печах оболочковых форм и выгорании не удаленного из них модельного материала. Это приводит к выделениям дыма в литейном цеху, требует установки вытяжной вентиляции и очистки газов, выбрасываемых в атмосферу.
При использовании способа ЛГМ расход пенополистирола составляет 6,0–6,5 кг на 1 т отливок, но он полностью теряется в результате сгорания или испарения. При горении без образования твердого остатка из 1 м³ материала плотностью 25 кг/м³ выделяется около 267 м³ дыма с высоким содержанием токсичных продуктов, главным образом СО (OCT 301-05-202-92E). Показано, что сгорание пенополистирола толщиной 3 см и площадью 1,7 м2 (объемом 0,051 м³) создает смертельно опасную для человека концентрацию летучих продуктов. В том числе, возможно образование фосгена, что подтверждают исследования, проведенные под руководством профессора А. Т. Лебедева на химическом факультете МГУ. Таким образом, отходы пенополистирола нельзя сжигать подобно углю, дровам и т. п., поскольку при его термодеструкции выделяются токсичные газы.
Применение способа ЛГМ требует вакуумирования формы, откачивания продуктов деструкции пенополистирола и обезвреживания их путем каталитического дожигания (до полного разложения углеводородов до СО2 и паров Н2О) перед выбросом в атмосферу. Однако установки дожигания весьма дороги и не всегда используются. Для экономии электроэнергии литейные формы вакуумируют короткий период времени, и часть сконденсированного в песке полистирола может разлагаться в цехе под действием тепла отливки. В результате, как и при применении способа ЛВМ, возникает потребность в достаточно энергоемкой вытяжной вентиляции и очистке газов. Однако и это часто не освобождает литейный цех от запаха и дыма.
Учитывая необходимость модернизации литейного производства в плане создания комфортных условий для работы людей, ФТИМС НАН Украины патентует три разновидности способа изготовления по разовым ледяным моделям песчаных оболочковых форм из сыпучего формовочного материала. Предлагаемые варианты предусматривают образование оболочки путем затвердевания в ней самотвердеющей композиции при контакте отвердителя со связующим:
1) ледяная модель служит носителем отвердителя, а облицовочный слой песка — связующего;
2) ледяная модель служит носителем связующего, а сухая песчаная облицовочная смесь содержит отвердитель;
3) модель замораживается из чистой воды, которая не вступает в реакции отверждения формовочной смеси с добавками реагентов отвердителя и связующего, но без воды эти реакции не идут (наиболее экологически благоприятный вариант).
Для всех вариантов подбирали рецептуры композиций с максимальной скоростью твердения, находя в технической литературе составы холоднотвердеющих песчаных смесей (ХТС), отвергнутые по причине их малой живучести.
При изготовлении оболочковой формы в процессах засыпки песка в контейнер с ледяной моделью, виброуплотнения, таяния модели и пропитки песка получали песчаную корку толщиной 4–8 мм и более. Содержание связующего в оболочке не превышало 0,3–0,4 % от массы песка в контейнере, что на порядок меньше, чем в традиционных формах из ХТС. В исследованиях упор делали на применение неорганических связующих.
Составы ледяных моделей, в которых один реагент связующей композиции находится в модели, а другой в окружающей ее песчаной смеси, показали достаточно хорошую технологичность получения оболочковых форм путем пропитки водным составом от тающей модели. Например, для ледяных моделей из водного раствора жидкого стекла плотностью 1,08 г/см3 использовали песчаную смесь с добавлением быстротвердеющего цемента, в процессе пропитки которой твердение получаемой оболочки (толщиной на глубину пропитки) от начала таяния модели (модельного блока) массой 0,2–0,5 кг составляло 6–10 минут. После расплавления остаток модельной композиции, не пропитавший окружающий песок, выливали из затвердевшей оболочки, а оболочковую форму направляли на подсушку либо отрабатывали заливку металлом в сухом наполнителе с вакуумированием формы.
Способы получения оболочковых форм с противопригарной и мелкозернистой облицовкой (покрытием) вокруг разовой ледяной модели создают основу новой технологии литья мелких и средних металлических заготовок, которая исключает или минимизирует использование органических связующих для песка оболочковой литейной формы, заменяет пенополистирольные или выплавляемые парафино-стеариновые модели на ледяные, позволяет организовать экологически чистое, безотходное производство по принципу «просто добавь воды».
Технология не предусматривает использования дорогостоящих материалов и оборудования. Замораживание модели происходит при температуре не ниже −15…−18 ºС (для ускорения последующего таяния в форме).
Криотехнология литья из черных и цветных металлов по ледяным моделям защищена институтом ФТИМС НАН Украины (г. Киев) десятками патентов на изобретения. Недостаточное финансирование науки тормозит использование этой перспективной разработки в промышленности. Поэтому мы ведем поиск партнеров для совместных исследований и внедрения предложенного способа литья в производство.
На рисунке показаны ледяные модели, песчаные оболочки, отливки из черных и цветных металлов.
Ледяные модели, песчаные оболочки, отливки из черных и цветных металлов по ледяным моделям
Environmentally Friendly Cryogenic Technologies of Metal Castings Production Using the Icy Models
Doroshenko V. S., Physico-Technological Institute of Metals and Alloys,
National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine
The method of vacuum molding by using the ice models packed in the film is developed. Meanwhile, the water does not enter in the sand of the form. Water and sand can be used iteratively.
Дорошенко
Владимир Степанович, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.,
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, б-р Академика
Вернадского, 34/1, Киев, 03680, Украина. Тел./факс +38 (044) 424-84-88, моб. +38
(066) 145-78-32. E-mail