Глава 2. Технология и оборудование 1 страница

ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ

 

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:

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

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

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

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

1. 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.

2. 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.

3. 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.

2.1. 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:

1. 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.

2. 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.

3. 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	Коэффици-ент использования металла, %	Минимальная шероховатость поверхности, Rz	Предельное отклонение размеров, мм/м	Максималь-ная масса отливок, кг
Песчаные формы:
Опочные				-
Безопочные, стержневые				-
Оболочковые
Гипсовые формы		1,5	0,5
По выплавляемым моделям		2,5
Шоу-процесс:
Объемные формы				-
Оболочковые формы
Кокиль				-
Под давлением		2,5

 

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				-	-	-
Гипсовые формы	1,5						-	-
По выплавляемым моделям	1,2			0,3	0,6	0,6		1,2
Шоу-процесс	0,8						1,6	1,6
Оболочковые формы							1,75	2,5
Кокиль				-	-	-
Под давлением	0,8	0,8	1,5	0,6	0,6	0,6	-	-

 

2.2.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:

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

2. Наполнитель не должен химически взаимодействовать и смачиваться расплавом.

3. Наполнитель не должен претерпевать аллотропических превращений до температуры заливки.

4. Наполнитель, его возможные соединения не должны быть ядовиты.

5. 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	(1178-FeO*SiO2)	1,56
Дистен-силлиманит		1,05
Хромитовый порошок		0,5
Цирконовый концентрат		0,25

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		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]:

1. 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.

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

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

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

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

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

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

8. 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

Рис.2.1. Нормальные бегуны. Рис.2.2. Маятниковые бегуны.

1 - катки; 2 - плужки. 1- катки; 2- плужки.

Рис.2.3. Вихревой смеситель. Рис.2.4. Смеситель "Контрамикс".

1 - наклонная пластина. 1 - плужки.

Рис.2.5. Смеситель "Stots" Рис.2.6. Роторный смеситель.

1 - каток; 2 - рыхлитель. 1 - лопасти; 2 - скребок;

3 - мешалка.

 

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.