Литейное производство металлопродукции для машиностроения остро нуждается в технологическом использовании науки для модернизации отрасли. Производство машин находится в пропорциональной зависимости от объема литья, который в мире растет из года в год.
Однако литейные цеха загрязняют экосистему отходами. В воздушной среде литейных цехов кроме пыли в больших количествах находятся оксиды углерода, углекислый и сернистый газы, азот и его окислы, водород, аэрозоли, насыщенные оксидами металлов, пары углеводородов и др. Применение органических связующих при изготовлении литейных форм приводит к выделению токсичных газов в процессе их сушки и при заливке металла. В зависимости от класса связующего в атмосферу цеха могут выделяться такие вредные вещества, как аммиак, ацетон, акролеин, фенол, формальдегид, фурфурол и т. д.
Твердые отходы литейного производства содержат до 90% отработанных формовочных смесей. Количество фенолов в отвальных смесях превышает содержание других токсичных веществ.
Фенолы и формальдегиды образуются в процессе деструкции формовочных смесей, в которых связующим являются синтетические смолы. Эти вещества хорошо растворимы в воде, что создает опасность попадания их в водоемы при вымывании дождевыми или грунтовыми водами. С появлением в литейных цехах технологии литья металла в вакуумируемые формы из сухого кварцевого песка без связующего, обладающей бесспорными экологическими преимуществами, началось строительство таких участков и цехов. Для поддержания в песке вакуума песчаные литейные формы в рамочных или контейнерных опоках герметизируют покрыванием поверхности песка синтетической пленкой, в толще песка помещают газопроницаемый фильтр, не пропускающий песок и сообщенный трубопроводом с вакуум-насосом. Раньше склеивали песчинки связующим, при вакууме в песке и атмосферном давлении снаружи формы вместо химической связи между песчинками резко усилилось трение частиц песка и создало упругие сжимающие напряжения, удерживающие песок формы в монолитном неподвижном состоянии, достаточном для стойкости от давления заливаемого металла в полость формы.
Включение вакуума в литейный процесс без связующего в форме дало следующие положительные результаты:
- резко сократилось загрязнение окружающей среды — на порядок и более уменьшились выбросы вредных газов в атмосферу цеха, и значительно повысилась культура производства;
- оптимизировалось ресурсосбережение за счет многократного рециклинга не менее 95% песка без экологически вредных отходов;
- повысилась точность отливок за счет исключения прилипания к моделям смеси (снижены или устранены уклоны и припуски на моделях);
- упростилось уплотнение смеси без значительных силовых нагрузок, а только вибрацией сухого песка.
Но, с другой стороны, вакуумирование потребовало от литейщиков понимания сущности баланса газовых давлений на поверхности полости формы и способов поддержания песка в неподвижном состоянии, что часто связано с регулированием газопроницаемости стенок формы, а также степенью и способом вакуумирования, особенно важных в момент заливки и затвердевания отливки.
Слабое внедрение вакуумных песчаных форм в отечественное производство объясняется низкой осведомленностью литейщиков о достаточно простых принципах регулирования газового давления на границе «металл – вакуумная форма» на весьма несложном, преимущественно отечественном оборудовании для обеспечения форм вакуумом, которое часто комплектуют с системой очистки газового потока по законам газодинамики и гидравлики. Отсутствие у отечественных литейщиков таких знаний склоняет их к знакомой формовке со связующим при выборе технологий для своего цеха. Тем более, что имеется обильная реклама «химизации» формовки импортерами оборудования и реагентов для изготовления песчаных смесей, называемых холоднотвердеющими смесями или ХТС, со связующим, замешанным в песок. Расширение применения ХТС сопровождается усугублением неблагоприятной экологии литейного цеха, что когда-то привело, например, к тенденции вытеснения литейного производства из Западной в Восточную Европу, если его не перевели на новый экологический уровень.
Применение вакуума в форме при литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) позволило отработать режим вакуума в песке, позволяющего откачать из формы все газы-продукты газификации пенопластовой модели при замещении ее металлом отливки стабильно высокого качества.
Рассмотрим условия для конструирования вакуумных систем песчаных форм и основы методики расчета параметров такого оборудования на примере ЛГМ-процесса. Степень разрежения (вакуума) в литейной форме зависит от вида заливаемого металла и обычно колеблется от 200 до 460 мм рт. ст. (0,25...0,6 атм или 25...60 кПа). При расчете вакуумной системы цеха ЛГМ прежде всего определяют ее функциональное назначение: будет ли она использоваться для формовки и заливки металлом, пневмотранспорта отработанного песка, обеспечения работы модельных полуавтоматов, т. е. будет раздельной для всех технологических площадок или общей. Порядок и правила расчета пневмотранспорта всасывающего типа (вакуумно-транспортная система) определяют по справочникам грузоподъемных и транспортирующих машин [1], а для оценочных расчетов вакуумных систем формовочно-заливочного участка ЛГМ можно использовать эту статью, основанную на учебниках и обзорах по расчету вакуумных систем [2-4].
При многократном обороте песка песчинки покрываются углеводородными и сажистыми пленками, очистку от которых выполняют в установках терморегенерации песка, а в вакуумных системах обычно применяют жидкостные песко- и пылеотделители для очистки газов, что увеличивает срок службы насосов. Основными критериями выбора вакуумного насоса являются требуемая производительность и величина вакуума на выходе из литейной формы с учетом одновременного вакуумирования нескольких форм.
Для расчета объема отсасываемых газов исходят из законов сохранения массы и энергии, термо- и гидрогазовой динамики, тепломассопереноса. Взаимосвязь объема газа V, давления Р и температуры Т выражается формулой [2]:
Исходя из этого, можно использовать формулу:
Зная температуру заливаемого металла, массу пенополистирольной (ППС) модели и используя вышеприведенные температуры при ЛГМ, определяют объем газов V на выходе из литейной формы с последующим расчетом всей вакуумной системы по формулам из справочников по вакуумной технике [1, 2, 5].
ВЫБОР ВАКУУМНОГО НАСОСА И ЭЛЕМЕНТОВ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ
Исходя из предназначения вакуумной системы — раздельной по технологическим площадкам или общей на весь производственный цех ЛГМ — производится расчет показателей необходимого насоса или насосов. Наиболее оптимальным по экономическим, пожарно-санитарным и эксплуатационным характеристикам является применение сухих кольцевых или водокольцевых вакуумных отечественных насосов серии ВВН или НRВ (Корея, Hwanghae Electric). Применение сухих вакуум-насосов требует меньше площадей без наличия системы водоподготовки и водооборота, но плохо стыкуется с системой утилизации откачиваемых газов с продуктами деструкции пенопласта. Содержание частиц формовочного материала (песка) во входящем в насос газе должно быть минимальным, что требует усложнения элементов пылеулавливания вакуумной системы, однако в целом применение сухих насосов как при монтаже, так и при эксплуатации менее затратно.
Водокольцевые вакуумные насосы (ВВН) для своей работы используют системы водоснабжения. Наибольшая эффективность у них достигается при использовании воды с температурой ниже +30°С. С целью экономии создаются закрытые замкнутые системы водоснабжения, заполненные водой. Обязательным элементом вакуумной системы формовочнозаливочного участка (ФЗУ) является вакуумный аккумулятор (ВА). Конструкции аккумуляторов, разработанные во ФТИМС, емкостью 1-3 м3 имеют защитные элементы в виде предохранительных пластин и обратных клапанов, что позволяет легко производить работы по их очистке. Определение толщины стенки ВА производится по формуле [2]:
Основное назначение ВА — обеспечение плавности работы вакуумного насоса и стабилизация величины вакуума на выходе из формы. Конструкции водного пылеосадителя известны [6], как и примеры расположения оборудования на планировке цеха [7]. Трубопроводы по диаметру согласуют с диаметром всасывающего отверстия насоса и изготавливают максимально короткими. Но для заливочных участков соблюдение этого принципа не всегда оправдано, т. к. отсасываемые газы имеют большую температуру и нагревают как элементы вакуумной системы, так и воду, тем самым снижая производительность ВВН. Пропускную способность трубопровода определяют по формуле [2]:
Необходимо стремиться, чтобы трубопровод соответствовал производительности насоса и имел меньше изгибов. Опыт эксплуатации запорно-регулирующей арматуры показал, что наиболее надежны и дешевы шаровые краны. Они массово выпускаются с проходными диаметрами от ¼" до 4", и их легко монтировать. Как упоминалось выше, откачиваемые газы с продуктами деструкции пенопласта или синтетической пленки должны перед выбросом в атмосферу очищаться в специальных установках. Для предварительного осаждения частиц формовочного материала рекомендуются серийно выпускаемые циклоны разработки ЦАГИ и «Союзэлеватор». С целью снижения производственных расходов и повышения надежности работы вакуумной системы целесообразно вместо одного водного насоса требуемой производительности установить два насоса меньшей производительности и подключить их параллельно.
В качестве примера приведены две схемы вакуумной системы участков ЛГМ: на рис. 1 — система предназначена только для формовки и заливки контейнеров — литейных форм, на рис. 2 — для формовки, заливки таких контейнеров, а также обеспечения работы системы подготовки и пневмотранспорта песка.
Производительность вакуумных систем обеспечивается указанными на рисунках насосами. Также на рис. 3 показаны типичные примеры отливок, полученные в вакуумных песчаных формах способом ЛГМ.
Таким образом, в статье отмечены значительные экологические преимущества формовочных процессов с применением вакуума в литейном производстве, рассмотрены основы конструирования и расчета вакуумных систем формовочных участков с учетом факторов, принятых во внимание при определении производительности насосов, пропускной способности очистных и трубопроводных элементов. Такая информация будет полезна при организации современных литейных участков, которые обладают возможностями обеспечить выпуск высокоточных отливок из различных сплавов и поднять экологическую культуру производства.
Литература:
1. Иванченко Ф. К. и др. Расчеты грузоподъемных и транспортирующих машин. К.: Вища школа, 1978. — 576 с.
2. Овсянников К. М. Основы расчета вакуумных систем, применяемых в литейном производстве. - М.: Машиностроение, 1971. — 80 с.
3. Минаев А. А. и др. Вакуумная формовка. М.: Машиностроение, 1984 . — 216 с.
4. Васильев В. А. Физико-химические основы литейного производства. М.: Интермет Инжиниринг, 2001. — 336 с.
5. Фролов Е. С. и др. Вакуумная техника. Справочник. М.: Машиностроение, 1992. — 471 с.
6. Дорошенко В. С., Бердыев К. Х. Оборудование непрерывного действия для переработки сыпучих материалов в литейном производстве // Станочный парк. — 2009. — №7-8. — С. 27-29.
7. Дорошенко В. С., Бердыев К. Х. Структура цеха литья по газифицируемым моделям и особенности его
проектирования // Металл и литье Украины. — 2010. — №4. — С. 8-16.
