Основным способом производства отливок долгое время являлось литьё в песчано-глинистые формы. В течение около пятидесяти последних лет наблюдалось внедрение и непрерывный рост использования песчано-смоляных смесей (ПСС) - за это время такой способ изготовления литейных форм стал преобладать в некоторых сегментах литейного рынка, особенно в мелкосерийном производстве. Крупносерийные производства, в основном, отливок из чёрных сплавов, продолжают в качестве доминирующей технологии применять литьё в песчано-глинистые формы.
Целью настоящей статьи ставится поиск ответов на вопросы о том, может ли на текущий момент быть актуальной работа с песчано-глинистыми смесями (ПГС) и будет ли находить широкое применение этот тип формовки в будущем. Указанная проблематика требует рассмотрения различных аспектов процесса производства отливок - требований к предприятию и оборудованию, экономических и экологических вопросов применения ПГС и ПСС.
При освещении экономических вопросов учитывали ситуации на современных предприятиях, работающих с большими объёмами формовочных смесей, одни из которых предпочитают ПГС, другие - ПСС.
Растущие требования к экологичности производств затрагивают как случай применения ПСС, так и ПГС. Основной акцент и в том, и в другом случае следует сделать на необходимости максимизации числа циклов повторного использования компонентов смеси для избежания повышенной потребности в утилизации отработавших материалов.
На основании различных фактов, цифр и предположений попытаемся спрогнозировать перспективы применения ПГС в будущем.
ВВЕДЕНИЕ
Статья с рассуждениями о перспективах применения ПГС от автора, работающего в компании, производящей синтетические смоляные связующие, может быть воспринята с некоторым недоверием. Вряд ли следует ожидать, что автор будет превозносить достоинства ПГС и предрекать этому типу смесей безоблачное существование в будущем. Конечно, статья эта, как и большинство других, содержит субъективное мнение, однако автор ни в коей мере не пытается исказить реальные факты и ввести в заблуждение.
Материалы, содержащие аргументы "за" и "против" работы с ПГС и ПСС публиковались и ранее, одним из ранних исследований является [1]. На нынешнем этапе важно вновь дать сравнительную характеристику этих типов формовочных смесей в связи со сменой приоритетов, к примеру, возросшими требованиями к защите окружающей среды. Экономические аспекты в настоящей статье освещены отнюдь не так подробно как в [1], зато проще и доступнее.
ОБШИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТОЙ ФОРМОВКЕ
Способ производства отливок в песчаных формах со связующей системой из глины и воды используют с давних времён. Первоначально для литья в песчано-глинистые формы требовались опыт и мастерство, в наши дни этот способ производства превратился в хорошо изученный и высокопроизводительный. Работа с ПГС позволяет достичь высокой производительности при относительной дешевизне процесса, поскольку стоимость исходных материалов сравнительно низкая, а отработавшая смесь поддаётся регенерации. В случае, когда засорение оборотной смеси (ОС), например, отработавшей стержневой смесью, исключено, типично освежение в районе 10% от массы стальной отливки [2]. С учётом среднего соотношения между массой смеси и отливки 10:1 это означает добавку, примерно, 1% от массы самой смеси (без учёта восполнения естественной убыли смеси при её обороте в цикле изготовления отливки).
Высокая производительность современных линий песчано-глинистой формовки достигается за счёт применения эффективных техник уплотнения и отсутствия необходимости в дополнительной обработке форм. Процесс производства форм воспринимается как простая, легкодоступная для понимания операция. При этом нет необходимости принимать во внимание некие сложные процессы отверждения, протекающие при изготовлении песчано-смоляных форм. Самая общая характеристика процесса песчано-глинистой формовки - быстро и просто.
На первый взгляд, работа с ПГС не представляет опасности для окружающей среды, поскольку основу связующей системы составляют "натуральные" неорганические вещества, а не сильно пахнущие и токсичные синтетические органические соединения. Органические добавки присутствуют и в ПГС, но их содержание кажется пренебрежимо малым, в сравнении со случаем использования смоляных связующих.
Обобщим основные достоинства изготовления форм из ПГС:
-
метод имеет долгую историю история - традиционный, хорошо изученный способ производства;
-
дешевизна - относительно низкая стоимость формовочных материалов;
-
высокая производительность - простой способ производства форм, большой выбор формовочного оборудования;
-
экологичность - отсутствие агрессивных органических связующих, смесь может быть приготовлена с использованием веществ исключительно природного происхождения.
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ СМЕСЕЙ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ
В настоящее время изготовление форм из ПГС чаще всего встречается на предприятиях крупносерийного производства отливок, а небольшие партии отливок изготавливают в формах из холодно-твердеющих смесей (no-bake), равно как и крупные отливки, которые ранее получали заливкой в сухие песчано-глинистые формы. Очевидно, что отливки, изготовленные в формах из ПСС, занимают значительную долю от выпускаемых во всём мире. Производство отливок в формах из ПСС часто связано с относительно небольшим объёмом заказа, когда стоимость производства всех компонентов модельной оснастки для песчано-глинистой формовки необоснованно высока. В ряде случаев сложная конфигурация отливки "несовместима" с песчано-глинистой формовкой. Последняя категория, в первую очередь, включает сложные чугунные и алюминиевые отливки. При производстве алюминиевых отливок технологией, конкурирующей с литьём в песчано-смоляные формы, является скорее литьё под давлением, нежели в песчано-глинистые формы.
ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫЕ СМЕСИ - РЕАЛЬНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ДЕЛ
Выше было указано на четыре основных достоинства ПГС. Выделение этих признаков в качестве достоинств имеет свои обоснования, но можно задать вопросы о том, насколько справедливы эти обоснования и справедливы ли вообще на сегодняшний день. Подвергнем высказанные выше достоинства пересмотру в свете современной практики.
1. История
Имеющиеся данные о давнем использовании ПГС сомнению, конечно же, не подвергаются. Работа с ПГС традиционна для литейного производства. Тем не менее, современные методы и материалы, применяющиеся при работе с ПГС сильно отличаются от того, с чем имели дело 100 или 200 лет назад.
Очевидно, что крупносерийное производство отливок из чёрных сплавов в песчано-глинистых формах имеет свою нишу, причём такие предприятия вполне успешны, и переход к химически связанным формам будет являться для этого направления производства существенным изменением. Однако переход на другой способ производства форм не будет шагом в неизвестность, ведь ПСС имеют некоторую историю, которая хоть и короче, чем ПГС, но демонстрирует значительные успехи при изготовлении отливок высокого качества.
2. Дешевизна
Общая стоимость исходных материалов, идущих на приготовление 1 т ПГС составляет от 0,9 до 1,7 стоимости материалов для приготовления ПСС. Достоинство ПГС в том, что требуется небольшое освежение смеси и с учётом этого реальная стоимость смеси снижается в десятки раз. При работе с ПСС большая часть смеси подлежит регенерации и полученная зерновая основа направляется на повторное использование, но требуется полноценная добавка новых порций связующего. Приведённые доводы, однако, не показывают реальных финансовых затрат. Расчёт истинной стоимости работы с теми или иными смесями требует включения в рассмотрение многих аспектов, один из которых - потребное количество смеси. Литейные производства, использующие ПГС, вынуждены работать в условиях высокого соотношения массы смеси к массе заливаемого в формы металла - порядка 10:1. После затвердевания отливок смесь охлаждают, устраняют комья, освежают, собирают в бункеры-накопители и используют повторно. При работе же с ПСС в условиях крупносерийного производства отливок удаётся достигнуть указанного соотношений порядка 2:1 или даже 1:1. Очевидна значительная выгода в связи со снижением требований к пространству для размещения производства, экономией на энергозатратах и оборудовании.
Современные способы производства стержней часто активно используются на предприятиях, изготавливающих формы из ПГС. При этом применяют как cold-box (отверждение газообразными катализаторами), так и no-bake (отверждение жидкими катализаторами) процессы для производства сложных стержней, причём объёмы производства часто велики. Особенности современных способов изготовления стержней ведут за собой существенные изменения в технологиях производства отливок, которые подразумевают использование всё большего и большего числа стержней для увеличения производительности, повышения сложности и качества отливок. Усложнение геометрии литой заготовки может включать установку стержней в тех частях, где до этого вовсе не предполагалась получение литых поверхностей. В результате этого возрастает засорение ОС отработавшей стержневой смесью [3]. Иногда в песчано-глинистые формы устанавливают песчано-смоляные стержни не только для получения внутренних полостей, но и внешних сложных поверхностей. Такие формы похожи скорее на своеобразные опоки.
Случай установки в песчано-глинистую форму значительного объёма песчано-смоляных стержней является обстоятельством, при котором существенно изменяются затраты, связанные с ПГС. Проблема состоит в том, что большая часть отработавшей ПСС попадает в ОС. Такое засорение можно сравнить с вводом в ПГС избыточного количества свежего песка [3]. Для компенсации засорения требуется пропорциональное увеличение утилизируемой части смеси, возрастает потребное количество вводимых на каждом цикле глины и технологических добавок (угольная пыль и т.п.). Растущая год от года стоимость утилизации отработавшей смеси лишь усиливает отрицательный экономический эффект.
Другая значительная составляющая экономики работы с ПГС - капиталовложения, необходимые при модернизации производства. Если обстоятельства требуют расширения производства в условиях работы с ПСС, то сделать это дешевле.
3. Производительность
Несомненно, современные машины песчано-глинистой формовки способны обеспечить очень высокую производительность. Они позволяют производить от 50 до 500 форм в час, в зависимости от размеров форм, их сложности и ориентации в пространстве. Потребность в трудозатратах при использовании таких машин невелика, что приводит к снижению стоимости привлечения операторов к управлению машинами.
Современные машины для производства песчано-смоляных форм способны обеспечить производительность, не уступающую линиям песчано-глинистой формовки. Один из примеров, подтверждающих данное высказывание, будет показан ниже.
4. Экологичность
Термин "экологичность" - не самый подходящий для применения к литейным производствам, работающим с ПГС. Такие предприятия не являются в достаточной степени "чистыми", поскольку присутствуют утечки, происходит образование значительного количества пыли, связанное с циклическим использованием большого количества смеси, содержащей пылевидные органические добавки (угольная пыль и заменители).
Иногда приходится слышать, что работа с ПГС меньше вредит окружающей среде, чем работа с ПСС. Это распространённое убеждение не вполне корректно. Основные заботы литейных производств, связанные с охраной окружающей среды:
а. утилизация отработанной смеси;
б. выбросы в атмосферу.
Утилизация смеси осложняется тем, что сокращается возможность использования соответствующих зон для захоронения и растут требования к экологичности мусороперерабатывающих предприятий. Это связано со стремлением правительств развитых стран, подчас, даже искусственно завышать стоимости утилизации для стимулирования разработки альтернативных методов обработки отходов производств [4].
Хоть ПГС и подвергается повторному использованию при лишь 10% освежающей добавки от массы отливки (в идеальном случае), в каждом цикле оборота смеси участвует большой её объём, поэтому утилизации подлежит довольно значительное количество смеси. Использование стержней приводит к необходимости вывода из оборота на каждом цикле большой части ОС. В то время как отработавшие песчано-смоляные смеси хорошо поддаются регенерации, позволяя с весьма небольшими потерями получить зерновую основу для повторного использования.
Принято считать, что при работе с ПГС выделяется меньшее количество выбрасываемых в атмосферу органических веществ, чем при работе с ПСС. Это не всегда верное утверждение. Присутствие значительных пропорций угольной пыли или заменителей способно привести к близким по объёмам количествам выделений [5]. Содержание способной к улетучиванию органики в ПГС составляет около 2-3%. Это выше, чем 1-2%-е содержание органики в ПСС. Очевидно, большой объём смеси, окружающей отливку при литье в песчано-глинистую форму, снизит выделения в атмосферу. Объём выделений снижается за счёт конденсации летучих веществ. При определённых обстоятельствах объём выбросов в атмосферу из ПГС весьма существенен.
Литейные производства, работающие с ПГС, генерируют большее количество пыли, чем те, что работают с ПСС. Это связано с присутствием глины и пылевидных добавок в формовочную смесь. В этих условиях вероятны вредные выбросы в атмосферу, возникает проблема утилизации уловленных частиц, как сухих, так и мокрых.
В общем, справедливо будет сказать, что работа как с ПГС, так и с ПСС приводит к появлению проблем, связанных с охраной окружающей среды. Специфика этих проблем различна у этих типов смесей, но, определённо, не следует считать приверженность песчано-глинистой формовке более экологичным вариантом. По мнению автора, работа с ПГС приносит больше вреда окружающей среде уже только по причине значительного объёма отходов производства.
РЕГЕНЕРАЦИЯ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ И ПЕСЧАНО-СМОЛЯНЫХ СМЕСЕЙ
В настоящее время немногие предприятия практикуют регенерацию ПГС для восстановления материалов, которые могут выступать в качестве освежающей добавки, или для получения зерновой основы при производстве стержней. Наиболее активно такую регенерацию применяют в тех странах, где стоимость утилизации отработавшей смеси высока. Так, есть данные об использовании ряда соответствующих систем регенерации в Германии [6].
Процедура регенерации для последующего использования песка в качестве зерновой основы при производстве стержней является сложной и должна включать как термообработку, так и интенсивное сухое перетирание частиц смеси. Необходимо предусмотреть также предварительную обработку, состоящую в сушке и, возможно, первичную механическую обработку. Всё это делает регенерацию ПГС сложной и дорогостоящей, как в части капиталовложений, так и энергозатрат. В конкретном примере [6] установка ежегодно перерабатывает 50 тыс. т. смеси. Выход материала для повторного использования составляет около 70% от исходной массы. Согласно расчётам для отдельно взятых литейных производств регенерация не позволит снизить затраты при работе с ПГС, разве что перспективы роста стоимости утилизации позволят показать обратное.
В сравнении с регенерацией ПГС, регенерация ПСС выглядит гораздо более выигрышно. Интенсивность сухого трения играет не столь важную роль, и лишь небольшая часть (около 15%) требует дорогостоящей термообработки. Потери при такой регенерации невелики, удаётся восстановить до 95% зерновой основы. Такая минимизация количества потребного к утилизации материала становится всё более ценной с непрерывным ростом стоимости утилизации.
Запуск установки регенерации ПГС будет требовать утилизации пыли, глины и углеродсодержащего материала. Как показали наши расчёты для конкретного предприятия, в случае производства той же номенклатуры отливок уже с применением технологии cold-box при регенерации отработавшей смеси в отвалы придётся отправлять в 2,5 раза меньшую массу одной лишь пыли, полученной при механической обработке смеси перед направлением на термообработку.
Низкая стоимость регенерации ПСС делает её весьма востребованной в настоящее время. При работе с большими объёмами смеси проводят термообработку лишь её части, когда, например, около 80% регенерата является полученным путём одной только механической обработки.
Если на каких-либо предприятиях и планируется запуск регенерации ПГС, то это будет лишь просчётом в сравнении с тем, что даёт регенерация ПСС.
АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВКИ - ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫЕ ФОРМЫ ПРОТИВ ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПО COLD-BOX-АМИН ПРОЦЕССУ
Выше упоминались отрицательные последствия засорения ОС отработавшей стержневой смесью. Рассмотрим вариант, когда производство не отличается значительным засорением ОС.
Примером может явиться случай изготовления отливки вентилируемого тормозного диска. Обычно такие отливки производят в песчано-глинистых формах, изготавливаемых на машинах, позволяющих получить элементы литейной формы с вертикальной линией разъёма. В формы устанавливаются cold-box стержни. При этом засорение ОС отработавшей стержневой смесью довольно незначительное.
При работе по cold-box процессу для достижения соответствующей производительности предложено использовать стопочную формовку, что потребует два крупных cold-box автомата. Анализ показал более высокую отдачу на инвестиции (в 1,4 раза) для случая работы по cold-box процессу.
В случае загрузки мощностей производства наполовину стоимость обслуживания производства, работающего с ПСС несколько ниже, чем при работе с ПГС. Таким образом, для взятого примера была показана большая жизнеспособность производства, целиком основанного на cold-box.
Рассмотрения требовали ряд выходных характеристик отливок и вопрос об энергозатратах при производстве. Вариант с вертикальным разъёмом формы ведёт к коэффициенту выхода годного около 65%. Высокое металлостатическое давление и относительно низкая прочность песчано-глинистой формы приведут к пониженной размерной точности отливок, в отличие от случая литья в форму из ПСС [7]. Коэффициент выхода годного в варианте со стопочной формовкой составляет 75%. Отсюда следует, что энергозатраты при плавке металла ниже.
С учётом большего потребного объёма ПГС энергозатраты на уплотнение, выбивку, транспортировку, охлаждение смеси и т.п. сравнительно высоки. В условиях относительно невысокой стоимости электроэнергии преимущество ПСС над ПГС здесь невелико, но в долгосрочной перспективе это очевидная экономия.
СТОПОЧНАЯ ФОРМОВКА С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ COLD-BOX
Выше в качестве альтернативы литью тормозных дисков в песчано-глинистые формы приводили вариант их изготовление в стопочных формах. Изготовление элементов стопочной формы предполагалось по cold-box процессу. Этот метод в особенности хорош для производства небольших отливок до 50 кг. Данный способ формовки весьма экономичен с точки зрения эффективности использования материала литейной формы и позволяет ПСС успешно конкурировать с ПГС в случае крупносерийного производства отливок.
Стопочная формовка с применением cold-box достаточно широко используется, однако, возможно, не столь широко, как она того заслуживает. Возможно, это связано с тем, что такой способ производства форм выглядит некоторым компромиссом между песчано-глинистой формовкой и технологией no-bake. Но это не совсем справедливо. Высокая производительность при небольших капиталовложениях - одна из основных положительных сторон применения такого способа изготовления формы. Производительность при этом может уступать разве что самым современным и дорогостоящим линиям песчано-глинистой формовки.
Современные линии песчано-глинистой формовки, обслуживание которых производится минимальным количеством персонала, стоят весьма дорого. При условии обеспечения той же производительности работа с cold-box выглядит экономически более выгодной, даже в случае, когда для работы на соответствующем оборудовании требуется привлечь больше людей.
Ограничением работы со стопочной формовкой по cold-box является необходимость установки оборудования, подходящего для изготовления именно форм, а не стержней. При работе со стопочной формовкой cold-box автоматы должны предоставлять возможность производства элементов формы необходимого размера и обеспечивать комфортные условия дальнейшего обращения с этими элементами. На настоящий момент времени существуют автоматы, которые достаточно велики и способны работать с высокой скоростью. Так, доступны машины для производства элементов стопочной формы с горизонтальным разъёмом различного размера и конфигурации. На рис. 1 показана машина, позволяющая изготавливать элементы стопочной формы для изготовления тормозных дисков.
 |
 |
|
Рис. 1. Cold-box автомат для производства элементов
стопочной формы с горизонтальной линией разъёма |
Рис. 2. Cold-box автомат для производства элементов
стопочной формы, пригодный к интеграции в систему для автоматизированной сборки формы |
Представленная на рис. 1 машина предполагает ручной съём элементов формы. На рис. 2 показан альтернативный вариант машины с устройством автоматического съёма. Наличие такого устройства, работающего с высокой степенью точности, позволяет организовать автоматизированную сборку стопочной формы. В этом случае необходимо автоматизировать и простановку стержней. Это позволит одному оператору производить полностью собранную готовую к заливке форму при помощи одной машины, производящей формы и второй, производящей стержни. Производительность при таком варианте производства форм хорошо согласуется с обеспечиваемой линиями песчано-глинистой формовки.
Такая автоматизация, однако, обойдётся в 3 раза дороже, чем вариант с ручной работой, к тому же, видимо, потребуется некоторая модернизация имеющегося стержневого автомата. Зато окажется возможным исключить привлечение 4-х операторов (двое - на сборке форм и двое - на cold-box автомате). В любом случае, проект станет дороже и хоть всё ещё дешевле, чем песчано-глинистая формовка, но отдача на инвестиции упадёт.
До недавнего времени автоматы, позволяющие производить элементы формы с вертикальным разъёмом по cold-box процессу, не пользовались популярностью, поскольку не могли конкурировать в скорости производства с высокопроизводительными машинами песчано-глинистой формовки. Однако, в настоящее время доступны автоматы, позволяющие изготавливать по cold-box процессу элементы формы размером, например, до 1500х800 мм (рис. 3). Такие машины работают быстро, они надёжны, позволяют изготовить элементы формы в условиях вертикального расположения соответствующих полостей в многогнёздной оснастке. Хоть такие машины и не дёшевы по меркам стержневых автоматов, но гораздо дешевле, чем оборудование для песчано-глинистой формовки сходного назначения.
 |
|
Рис. 3. Cold-box автомат для производства элементов формы |
Очевидное достоинство использования технологии cold-box - в гибкости основанного на ней производства. Производство поддаётся автоматизации уже после запуска в той мере, насколько это необходимо в текущей ситуации. При необходимости, установка дополнительных машин позволяет увеличить объёмы производства. Следует полагать, что ни одна линия песчано-глинистой формовки не обладает подобной гибкостью и не отличается столь высокой эффективностью вложения средств. Отметим и другие особенности работы по технологии cold-box в нашем примере со стопочной формовкой:
-
низкое соотношение массы формы и массы металла;
-
возможность полноценной регенерации смеси по низкой стоимости;
-
относительно небольшое пространство, потребное под производство;
-
повышение качества отливок;
-
снижение энергозатрат;
-
снижение стоимости обслуживания.
Стопочная формовка при изготовлении элементов формы по технологии cold-box выглядит весьма привлекательной альтернативой распространённому способу песчано-глинистой формовки.
 |
|
Рис. 4. Технология получения отливок вентилируемого тормозного диска
в стопочной форме, изготовленной по технологии cold-box |
На рис. 4 представлена технология производства вентилируемых тормозных дисков в стопочной форме. На рис. 5 показано типичное технологическое решение для получения этих отливок в песчано-глинистой форме. Некоторые преимущества изготовления в стопочной форме, такие как повышение качества отливок, эффективность использования песчаной смеси (соотношение массы смеси и отливки почти 1:1), становятся очевидными, исходя из этих схем.
 |
|
Рис. 5. Типичное технологическое решение для получения отливок
вентилируемого тормозного диска в песчано-глинистой форме |