Из истории создания выдающихся литейных технологий. Фурановые технологии

Белобров Е. А. канд. тех. наук  (КНПП "Формовочные материалы")

 Фурановые ХТС используются в мировом литейном производстве более 60 лет. Формообразование на основе фурановых ХТС заменяет собой старые традиционные технологии, прежде всего песчано-глинистые и жидкостекольные.

О фурановых технологиях я впервые услышал в конце 50-х годов прошлого века. Сведения о них напоминали сказку, в реальность которой не верилось. На эту мысль наводил тот факт, что в использовавшихся в то время традиционных стержневых смесях содержание связующего доходило до 6-7 % от массы песка. В фурановых же смесях содержание связующего составляло 1,5-2,0 %, а их прочность на разрыв достигала 20 кгс/см2 и более.
Но прошло еще много лет, прежде чем концепция высокого технологического уровня, которые несут с собой фурановые технологии, овладела умами литейщиков СССР.

Комплекс преимуществ фурановых технологий подробно описан и обоснован во множестве публикаций зарубежных и отечественных авторов, в частности в нашей статье [1]:
• Отсутствую специальные отделения для приготовления смеси;
• Исходные материалы подаются на участок формообразования непосредственно в емкости смесителей периодического или непрерывного действия необходимой производительности;
• Формы из ХТС уплотняются на вибростолах при очень экономных энергостатах;
• В составах ХТС расход свежего песка составляет 10-20 %, остальное (90-80%) – регенерат;
• Формы не подвергаются тепловой сушке, благодаря чему экономятся энергоносители;
• Отливки, изготовленные в формах из ХТС, характеризируются высокой размерной и весовой точностью и чистыми, гладкими поверхностями, благодаря чему снижается трудоемкость очистки и обрубки листья, улучшается его товарный вид;
• При исполнении фурановых технологии можно использовать упрощенную технологическую оснастку, в частности универсально-сборные опоки, которые позволяют выполнять минимально необходимую толщину формы между телом отливки и стенками опок. Это сокращает расход смеси и положительно сказывается на экономике.
• Сочетание форм из фурановых ХТС с их окрашиванием быстросохнущими красками делает эту технологию высоко-оперативной и динамичной;
• Благодаря компактному расположению всего комплекса оборудования значительно сокращаются производственные площади.

Важнейшим компонентом нашей деятельности по фурановым технология была разработка и организация производства новой карбамидо-фурановой смеси Фуритол-107.
Ко времени создания смолы Фуритол-107 в бывшем СССР уже существовала гамма синтетических смол для литейного производства: феноло-формальдегидные ФФ-1Ф, ФФ-1С, ОФ-1, карбамидо-фурановые БС-40, КФ-35, КФ-90, КФ-40, КФ-90, КФ-65С и др. Это были в основном разработки головного Научно-исследовательского института пластических масс (НИИПМ, г. Москва). Эти смолы производились различными заводами химического профиля бывшего СССР, Одним из недостатков этих смол был коротких срок их хранения.

Ни одна из этих смол в полной мере не отвечала потребностям весьма разнообразного литейного производства отрасли тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения (Минтяжмаша), в систему которого входил и Краматорский НИИИПТмаш.

Осознав и осмыслив этот факт, мы пришли к выводу о необходимости создания новой фурановой смолы, которая была бы далее приемлемой для литейного производства.
Толчок этому дал Марченко Иван Константинович, который ранее был главным инженером Южноуральского машиностроительного завода (г. Орск), а в1971 г. был назначен директором Краматорского НИИИПТмаша. Он был молод, энергичен, талантлив и блестящий организатор науки. Впоследствии он провел фундаментальные исследования по непрерывной разливке, защитил докторскую диссертация и был избран член-корреспондентом Инженерной академии СССР.

Выслушав мою аргументацию в пользу необходимости ускоренной разработки и внедрения фурановых технологий на заводах Минтяжмаша, он оперативно обеспечил мое подразделение централизованными финансированием для развития фуранового направления литейной технологии формообразования. Это дало мне возможность заключить с Ферганским отделением НИИПМ (далее ФО НИИПМ) большой договор на разработку новой смолы.
Выжнейшие базовые исследования по синтезу новой смолы ферганцам были выполнены в очень короткий срок. Через 6 месяцев мы уже получили первый образец смолы, провели его лабораторные и технологические исследования и дали ферганцам свои соображения по доработке смолы.

От начала разработки до ее окончания было около 10 этапов, когда мы получали от ФО НИИПМ новые образцы смолы, проводили их технологические испытания и выдавали ферганцам дополнительные рекомендации до доводке новой смолы до требуемой кондиции.

В каждой отрасли машиностроения были головные и отраслевие НИИ. В отрасли Минтяжмаша головным технологическим институтом был ЦНИИТмаш (г. Москва).
Функция головного НИИ состояла в разработке глобальных, фундаментальных вопросов технологии машиностроения. Воплощать в реальность эти разработки должны были отраслевые НИИ. Их в системе Минтяжмаша было несколько десятков. И отношения между головным и отраслевым НИИ очень часто складывись негладко.

Головной НИИ всегда и в больших объёмах финансировался Минтяжмашем. Доля договорного финансирования ЦНИИТмаша от внедрения своих разработок на конкретных заводах была невысокой. В его финансировании преобладали госбюджетные средства и средства из фонда развития Минтяжмаша.

Весьма распространённым негативом в взаимоотношениях ЦНИИПТмаша с отраслевыми институтами был синдром старшего брата, заключавшихся в высокомерном, чванливом отношении к отраслевым НИИ. И это несмотря на то, что флагманы машиностроения и соответственно их литейное производство располагались не в Москве, а в Краматорске (НКМЗ, Энергомашспецсталь), Свердловске (Уралмаш-завод), Колпине (Ижорский завод) и в других крупных индустриальных центрах.

Проявлением этого негатива по отношению к Краматорскому НИИПТмашу была фраза начальника управления металлургии Минтяжмаша Долбенко Е. Т.: «Хоч гірше,та інше». Это касалось начального периода создания карбамидо-фурановой смолы Фуритол-107, инициированного Краматорским НИИПТмашем. НИИПТмаш не только инициировал создание этой смолы. Он также профинарсировал ее разработку от начала и до конца. Разработка смолы Фуритон-107 защищена авторским свидетельством СССР № 668296, МКИ С 08G 12/40. Способ получения карбамидо-фуранового связующего. Из пяти авторов этого изобретения Маматов Ю. М., Тюмина А. В., Абдуманонов А. А. – сотрудники ФО НИИПМ; Любимов В. В. – сотрудник НИИтракторсельхозмаша (г. Москва), Белобров Е. А. – заведующий лабораторией формовочных материалов Краматорского НИИПТмаша.

Главными компонентами любой карбамидо-фурановой смолы являются фуриловый спирт, карбамид (мочевина) и формальдегид. Фуриловый спирт обеспечивает прежде всего высокую термостойкость смолы и ее сшивающую функцию при формировании прочности. Карбамид и формальдегид обеспечивают хорошую реакционную способность смолы при ее взаимодействии с отвердителями (катализаторами), в качестве которых выступают минеральные кислоты и органические сульфокислоты.

Обычно синтез смолы осуществляется в два этапа. Существенной особенностью технологии синтеза смолы Фуратол-107 был ее одноэтапный синтез из фурилового спирта и карбамидо-формальдегидной смолыКС-11 в присутствии некоторых модифицирующих добавок.

Смола Фуритол-107 универсальна по своим технологическим возможностям. Она применялася для изготовления стержней как по холодным (cold-box process), так и по (hot-box process) горячим ящикам.

Уникальным свойством смолы Фуритон-107 является ее очень длительный срок хранения (1 год) в отличии от производившихся в то время карбамидо-фурановых смол КФ-35, КФ-35М, КФ-40, КФ-40М, КФ-90, срок хранения которых составлял 3-4 месяца.

Один образец смолы Фуритол-107 хранился у нас в течении 10 лет. И хотя вязкость этого образца смолы несколько повысилась, смола все еще было пригодна для практического использования.

Истоком этого свойства смолы Фуритол-107 стало рациональное регулирование ее водородного показателя (pH). Результаты исследований [2] показали, что физико-механические свойства стержневых смесей на основе Фуритол-107 соответствуют требованиям ТУ 64-11-07-87 в кислой среде в течении 6 месяцев, в нейтральной среде – в течении 9 месяцев, в щелочной среде – в течении 12 месяцев. Соответственно вязкость смолы Фуритол-107 при хранении интенсивнее всего увеличивалась в кислой среде, медленнее всего – в щелочной и промежуточно – в нейтральной среде.

Первый этап создания новой фурановой смолы был успешно завершен. Он закончился обработкой технологии и производственными испытаниями опытной партии Фуранол-107, изготовленной на опытном участке ФО НИИПМ. На очереди стал вопрос широкомасштабного промышленного производства новой смолы. Это была задача другого этапа нашей деятельности на это поприще.

Другим важным этапом деятельности Краматорского НИИПТмаша в области фурановых технологий формообразования явилась организация производства разработанной смолы.

В качестве завода-производителя Фуритола-107 нами совместно с ФО НИИПМ был выбран Ферганский химзавод фурановых соединений (далее ФХЗФС). Для этого было несколько предрасполагающих обстоятельств:
1. Наличие подходящего сырья в виде шелухи хлопковых семечек (далее ШХС); Завод по переработке хлопковых семечек примыкал к ФХЗФС. Для транспортирования ШХС достаточно было перебросить ленточный транспортер через забор разделявший территории завода по переработке хлопковых семечек и ФХЗФС;
2. Присутствие ФО НИИПМ, разработчика смолы в части ее синтеза. При освоении производства смолы требовалось технологическое сопровождение разработчиков смолы;
3. Наличие главного компонента фурановой смолы-фурилового спирта, который производился ФХЗФС.
4. Опыт работы ФХЗФС с фурановыми материалами.

Первыми потребителя смолы Фуритол-107 должны были стать и стали краматорские заводы тяжелого машиностроения – прежде всего Новокраматорский (НКМЗ), Старокраматорский (СКМЗ) машиностроительные заводы и Краматорский завод литья и поковок (далее КЗ ЛиП). Его нынешнее название – ПАО «Энергомашспецсталь».

Для транспортирования смолы КЗ ЛиП (тогдашний директор Велигура И. Л.) выделил и отправил в Фергану специальную 60-тонную железнодорожную цистерну, в которой в Краматорск была доставлена первая партия смолыФуритол-107. Эта партия смолы была распределена на паях между вышеупомянутыми заводами.

Краматорским НИИПТмашем был разработан оригинальный смеситель непрерывного действия для ХТС, элементы новизны, которого (вал и лопатки из нержавеющей стали, чтобы не было налипания ХТС, повернутые вперед и частично назад лопатки для лучшего перемешивания компонентов смеси, шестереночные насосы и др.) были впоследствии заимствованы другими разработчиками смесителей для ХТС бывшего СССР, производство смесителей было организовано на Опытном заводе НИИПТмаша.

В 1972 г. использованием смолы Фуритол-107 и опытного образца смесителя в фасоннолитейном цехе НКМЗ под техническим руководством автора настоящей статьи было изготовлено 200 тонн стальных отливок единичной массой до 5 т и с толщиной стенок до 100 мм.

Таким образом, фурановая технология с нашим участием впервые в Украине была внедрена на НКМЗ (ныне ПАО «НКМЗ»).

После этого с учетом приобретенного опыта при участии Краматорского НИИПТмаша началось быстрое распространение этой технологии в Украине и Росии.

В 70-80 годах прошлого века эта технология при участии Краматорского НИИПТмаша была внедрена на 40 заводах Украины, России и Республики Молдова. В те годы фурановые технологии использовались главным образом при изготовлении стержней. Формы же изготавливались по традиционным технологиям формообразования: из песчано-глинистых смесей в сочетании с их тепловой сушкой, из обычных жидкостекольных смесей, жидких (ЖСС) и пластичных (ПСС) самотвердеющих смесей.

Смола Фуритол-107 была исследована Свердловским научно-исследовательским институтом санитарии и гигиены труда ВЦСПС на предмет токсичных газовыделений при ее использовании в качестве стержневого связующего в литейном производстве.

Сравнение расчетных данных с результатами ранее исследованных ХТС со смолами различных классов (феноло-формальдегидной ОФ-1, карбамидо-фурановых КФ-90, БС-40) показало что ХТС со смолой Фуритол-107 характеризуется в 1,3-3,0 раза меньшим выделением токсичных газов, что явилось одной из предпосылок для широкого внедрения Фуритола-107 в литейном производстве [3].

Высокая оценка достоинств смолы Фуритол-107 состояла в том, что она была внедрена:
• В часности в варианте холодного твердения – на нынешнем ЗАО «НКМЗ», ПАО «Энергомашспецсталь» (г. Краматорск), ОАО «Донецкгормаш» и др;
• В частности в варианте горячего твердения – на Купянском и Липецком централитах, на Минском транспортном заводе и др.
Смола Фуритол-107 была внедрена на заводах 20 министерств бывшего СССР.

Очень хорошо о ней отзывался выдающийся специалист в области литейного производства д. т. Н. Велисовский И. В. (ЦНИИПТмаш). Эта смола экспортировалась за рубеж.

Реальное применение фурановых технологий для изготовления не только стержней, но и форм в сочетании с импортным высокотехнологичным оборудованием началось 5-7 лет тому назад. В числе пионеров в этом деле стали ЗАО «Луганский литейно-механический завод», ПАО «НКМЗ», ОАО «Энергомашспецсталь» (г. Краматорск), ОАО «Славтяжмаш» (г. Славянск), ОАО «Турбоатом» (г. Харьков), ООО «Ремкоммунэлекронтранс» (г. Донецк), ОАО «Украинская литейная компания» (г. Харьков).

Этими фактами было посрамлено незадачливое пророчество Долбенко Е. Т. И его концепция, что выдающиеся умы могут быть только в Москве.

Литература:

1. Е. А. Белобров, Р. И. Бульштейн, А Ф. Подуздников, О. С. Коврыгин. Изготовление отливок в формах из ХТС в массовом и серийном производстве. «Литейное производство», 2011, № 8.
2. И. Рахимов, А. Р. Ахмаджанов. Влияние показателя pH связующего Фуритол-107 на стабильность его свойств при хранении. «Литейное производство», 1991, № 11, сс. 12-13.
3. Р. И. Оглобина, Е. Л. Плакшина, Е. А. Белобров: Оценка токсичных газовыделений при использовании синтетического связующего Фуритол-107. Информационный листок № 506-82. Свердловский межотраслевый центр научно-технической информации и пропаганды, 1982.