Гибкий переналаживаемый комплекс ЛГМ для малых и средних литейных цехов

Статьи от автора: Андерсон В.А.

Андерсон В. А., к. т. н., главный специалист НТП «КВАРЦ» г. Киев,
инженер Котович А. В., ООО «Симбирские печи» г. Ульяновск, РФ

В настоящее время около 80% литых заготовок производится в малых и средних литейных цехах. При этом качество производимых заготовок не соответствует современным стандартам.

В этой связи, наиболее приемлемыми являются оборудование и технологии специальных видов литья, которые позволяют получать точные  отливки с минимальными припусками для дальнейшей механической обработки, что позволит сделать их продукцию конкурентноспособной на литейном рынке.

Из существующих на сегодняшний день спецвидов литья наибольшее распространение получили такие процессы как холоднотвердеющие смеси (ХТС), литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) и вакуумно-пленочная формовка (ВПФ). Каждый из перечисленных процессов имеет соответственно свою область применения для определенных видов отливок.

Данная статья посвящена разработке нового оборудования и технологии ЛГМ, которые были нами разработаны для получения отливок высокого качества в условиях  многономенклатурного и мелкосерийного производства.

Процесс ЛГМ состоит из двух этапов:

  1. Этап – изготовление пеномоделей;
  2. Этап – формовка и заливка модельных кластеров.

НОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕНОМОДЕЛЕЙ

Промышленный опыт применения ЛГМ  в условиях малых объемов показал, что использование автоматического оборудования, в том числе, высокопроизводительных подвспенивателей и модельных автоматов, экономически не целесообразно. Поэтому, на таких предприятиях пеномодели производят с использованием прессформ и автоклавов.

Именно, на совершенствование данной технологии направлены наши разработки.

Качество отливок, изготовленных методом ЛГМ прежде всего зависит от качества пеномоделей. Необходимо, первоначально, правильно выбрать пеноматериал для каждого из сплавов (серого, высокопрочного чугуна, стали, алюминия и медных сплавов).

Основными требованиями к пеномоделям являются:

  • оптимальная плотность не более 22-24 г/л, что обеспечивает гладкую поверхность (отсутствие отпечатков гранул);
  • жесткость пеномодели, что исключает ее деформацию при виброуплотнении;
  • равномерность спекания гранул по всему сечению пеномодели.

Выбор пеноматериала

Для каждого из литейных сплавов обязательным является выбор специальной марки пеноматериала. В таблице 1 указаны пеноматериалы,  применяемые в настоящее время в ЛГМ .

Таблица 1. Пеноматериалы, применяемые в ЛГМ

п/п

Наименование

сплава

Наименование

пеноматериала

Марка

материала

Фирма-производитель

1

Серый чугун

Пенополистирол

(EPS)

Р105,  Р106

D733, D833

Китай

Ineos Nova г. Бреды,

(Голландия)

2

Высокопрочный чугун (ВЧ)

Сополимер

(EPS+PMMA)

Clearpor

CL500A, CL600A,

STMMA

 

JSP, Япония

Китай

3

Сталь

Сополимер

(EPS+PMMA)

Clearpor

CL500A, CL600A,

STMMA

 

JSP, Япония

Китай

4

Алюминиевые

сплавы

Пенополистирол

(EPS)

Т 185,

Т 175

«StyroChem»,

Канада

5

Медные сплавы

Пенополистирол

(EPS)

Р105,  Р106

D733, D833

Китай

Ineos Nova г. Бреды,

(Голландия)

Наиболее распространенным методом является подвспенивание исходных гранул на паровой ванне на малых участках ЛГМ. Однако, данный метод не обеспечивает необходимое качество подвспененных гранул. Исходя из этого, мы разработали два новых метода подвспенивания:

  • в автоклаве;
  • в специальном подвспенивателе небольшой производительности с автономным парогенератором.

Использование данных методов, позволяет качественно подвспенить сополимер, что практически невозможно осуществить на паровой ванне.

Паровой автоклав с компьютерным управлением

Подвспенивание производится в специальной кассете, которая устанавливается в автоклав. Для качественного подвспенивания необходим контроль за поддержанием температуры в камере, давлением, временем технологического процесса. Контроль этих параметров производится блоком управления с контроллером и монитором.

Подвспениватель автоматический

Подвспенивание осуществляется в специальном автоматическом подвспенивателе с минимальной производительностью до 80 л/час. Он работает от автономного парогенератора небольшой мощности.

Промышленное использование данного подвспенивателя доказало его явные преимущества  (минимальная производительность и стоимость, в отличие от высокопроизводительных и дорогих серийно изготавливаемых подвспенивателей для упаковки).

Оборудование для задува подвспененных гранул в прессформы

Нами было разработано специальное эжекторное задувное устройство, которое позволяет менять параметры задува и получать равномерное распределение подвспененных гранул в полости прессформы, что, в свою очередь, обеспечивает равномерную плотность спеченных пеномоделей.

Для качественного заполнения (задува) полости прессформ очень важным фактором является правильно выбранная вентиляция прессформ (установка вент).

Выбор оптимальных режимов спекания пеномоделей

Спекание пеномоделей производится в том же автоклаве, который используется для подвспенивания пенополистирола. Он позволяет выбрать и автоматически поддерживать оптимальные режимы спекания для определенного типа моделей. Необходимый режим устанавливается на дисплее компьютера.

Для качественного спекания пеномоделей в ручных прессформах очень важно разработать оптимальную их конструкцию для обеспечения равномерного спекания пеномодели по всему объему.

Оборудование для приготовления противопригарного покрытия пеномодели и их сушки

Рекомендуется применять определенные виды противопригарных покрытий для каждого из сплавов, а также, специальный метод приготовления покрытия и его нанесения на пеномодели. Качество противопригарных покрытий необходимо контролировать по двум параметрам – вязкости и газопроницаемости, Важнейшим фактором для устранения поверхностных дефектов является выбор сушильного оборудования и оптимальной технологии сушки краски.

Краскомешалка

Краскомешалка с нижним активатором и с возможностью изменения скорости перемешивания (8 -12 скоростей), что позволяет держать антипригарное покрытие в постоянной готовности, уменьшить время начального приготовления краски до 5-6 часов, и раномерно распределить наполнитель по всему объему краски. Она гарантирует поддержание оптимальной седиментационной устойчивости.

Емкость краскомешалки -160 л.

Шкаф сушильный

Шкаф сушильный предназначен для сушки окрашенных моделей литниковой системы перед их формовкой согласно технологии ЛГМ.

Качественная сушка окрашенных пеномоделей достигается за счет интенсивной циркуляции воздуха, автоматического контроля температуры и влажности внутри шкафа.

В камере может проводиться сушка одновременно 12 «кустов» размерами Ø 700 мм и h=750 мм.

Комплект оборудования для мелкосерийного изготовления моделей из сополимера

НОВАЯ МЕХАНИЗИРОВАННАЯ ЛИНИЯ ДЛЯ ФОРМОВКИ

И ЗАЛИВКИ ПЕНОМОДЕЛЬНЫХ КЛАСТЕРОВ

Качество отливок, полученных методом ЛГМ, зависит не только от качественных пеномоделей, но также от оптимальной технологии формовки (виброуплотнения) и заливки кластеров.

Для выполнения указанных операций при мелкосерийном производстве мы разработали новую линию ЛГМ (МФЗЛ-16LF) с минимальными габаритами, которые позволяют ее располагать в небольших литейных цехах и участках с ограниченными площадями. Линия была  успешно освоена на одном из заводов.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛИНИИ ЛГМ  МФЗЛ-16LF

  • Производительность линии МФЗЛ-16LF – 6 форм/час.
  • Размеры контейнера в свету – 900х850х1000 мм.
  • Количество контейнеров на линии – 16 шт.
  • Габаритные размеры линии (длина х ширина х высота) –  15000 х 6500 х 4700 мм.
  • Количество работающих на линии  – 1 чел.

Основными преимуществами данной линии являются:

  • наличие специального вибростола, обеспечивающего высококачественную формовку кластера;
  • применение специальной системы регенерации, гарантирующую необходимое  охлаждение наполнителя и его обеспыливание.

Оборудование для виброуплотнения

Для качественного виброуплотнения кластера мы рекомендуем использование на линии специального вибростола, вакуумированного контейнера и порционного дозатора для послойного заполнения кластера наполнителем (кварцевым песком или карбокерамикой).

Вибростол с управляемыми параметрами вибрации

В процессе виброуплотнения плотность песка увеличивается на 10-20 %. Вибрация должна происходить таким образом, чтобы песок равномерно заполнял полости модели.

При технологии ЛГМ нами было установлено, что оптимальное уплотнение песка происходит при коэффициенте ускорения G = 1,2 – 2,0.

Коэффициент ускорения определяется формулой:

G = (2pf)2A/g,

где      f - частота (Hz);

            A – амплитуда (м);

            g - гравитационная константа (9,81 м/с2).

Нами был разработан специальный вибростол, который позволяет постоянно сохранять заданный коэффициент ускорения при изменении массы наполнителя в процессе заполнения контейнера. Постоянство коэффициента ускорения обеспечивается системой программного управления, которая позволяет в процессе уплотнения песка независимо менять как амплитуду, так и частоту вибрации, запоминать режимы виброуплотнения форм для каждого вида пеномодели. Обязательным для данного вибростола является фиксация контейнера на вибростоле при помощи гидравлических прижимов для обеспечения оптимальной передачи вибрационных усилий. Благодаря изменяющимся параметрам вибратора (частота, амплитуда и вектор ускорения) данный вибростол позволяет получить максимальную текучесть, и, как следствие, хорошее уплотнение и соответственно высокую степень заполнения карманов полистироловых моделей.

Вакуумированный контейнер

Для качественного заполнения наполнителем пеномодели обязательным условием является жесткость конструкции контейнера. Вакуумирование контейнера производится с помощью прижимов вакуумного клапана к днищу контейнера.

Засыпное устройство с порционным дозатором

В случае раздельности процессов наполнения и вибрации необходимо учитывать то, что песок нормально уплотняется только в слое высотой до 15 см. В более толстом слое  уплотнение происходит только в верхней его части высотой 10-15 см.  Нижняя часть слоя уплотняется недостаточно, что приводит к разрушению стенки из антипригарной краски, а, как следствие, к проникновению металла в песок (пригары).

Для выполнения данных условий рекомендуем специальное дозирующее устройство, которое позволяет послойно засыпать контейнер.

Такое послойное виброуплотнение обеспечивает равномерное распределение зерен наполнителя на поверхностях пеномодели.

Выбор наполнителя

В настоящее время в технологии ЛГМ в качестве наполнителя, в основном, используется кварцевый песок. Новым направлением для резкого улучшения качества литья является использование карбокерамики (пропантов).

Мы имеем опыт применения пропантов российского производства, изготавливаемого на Копейском ГОКе. Данные пропанты применялись при изготовлении отливок из высокопрочного чугуна и низкоуглеродистой стали.

Данный продукт представляет собой синтетический муллит, выпускаемый компанией CARBO Ceramics марки CARBOACCUCAST ID 40 или CARBOACCUCAST ID 50.

Новый продукт CARBOACCUCAST имеет следующие преимущества:

  • высокую термостойкость за счет муллита;
  • повышенную текучесть за счет округлости зерен (0,9 вместо 0,7 мм);
  • большую газопроницаемость за счет низкого содержания пыли.

Содержание пыли в пропантах в несколько раз ниже, по сравнению с кварцевым песком, вследствие чего, газопроницаемость керамического наполнителя значительно выше, что является важной характеристикой для удаления газов при заливке пеномодели (420 ед. у карбокерамики вместо 220 ед. у кварцевого песка).

Сравнительные характеристики свойств керамики и песка приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2. Сравнение характеристик пылеобразования для различных материалов

Керамический материал

Форма, округлость/

сферичность

Размер сетки,

меш

Показатель пылеобразования,

%

1. Керамический материал

0,9/0,9

40

27,0

2. Кварцевый песок

0,9/0,7

50

91,0

3. Кварцевый песок

0,9/0,7

70

77,4

4. Кварцевый песок

0,9/0,7

100

68,0

5. Оливиновый песок

0,7/0,3

100

83,2

6. Цирконовый песок

0,3/0,7

100

79,7


Таблица 3.  Сравнение скоростей течения («дождевания») керамического  материала в сравнении с кварцевым и оливиновым песком

Условия эксперимента

Необходимое время наполнения опоки, сек

Скорость течения песка, см/сек

эксп.

Уровень

ускорения,

G

Раскрытие выпускного

отверстия, %

керамич. материал

кварц.

песок

оливин.

песок

керамич. материал

кварц.

песок

олив.

песок

1

0,8

30

200

360

635

0,305

0,170

0,097

2

0,8

60

28

47

61

2,177

1,298

0,998

3

1,5

30

189

370

527

0,323

0,165

0,117

4

1,5

60

26

51

62

2,344

1,196

0,983

Оборудование для регенерации наполнителя

После заливки контейнеров, их остывания и выбивки на линии горячий наполнитель поступает в систему регенерации. Данная система имеет три назначения – охладить, обеспылить наполнитель и передать его в приемный бункер для повторного использования. Первые два фактора являются особоважными для получения качественных отливок. Поэтому, необходим строгий контроль регенерата (температуры и содержания в нем пылевидной составляющей). Для выполнения данных требований в линии предусмотрена установка специального охладителя и системы транспортировки наполнителя с помощью пневмокамерных насосов.

Выводы:

  1. Разработано специальное оборудование и отработаны параметры технологии для получения качественных отливок методом ЛГМ.
  2. Данное оборудование предназначено для мелкосерийного производства с годовым выпуском 0,5 - 2 тыс. т/год.
  3. Опыт эксплуатации подтвердил высокое качество полученных отливок при минимальных затратах.
  4. Для стальных отливок, в том числе для низкоуглеродистых и легированных сталей, мы рекомендуем применение вышеуказанных сополимеров, которые позволяют получить минимальное науглероживание в стальных отливках не более +0,02-0,03%С в пределах стандартов.
Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №3 (199) 2017 г.
Стр. 12-16