Малотоннажное многономенклатурное производство высококачественных отливок из легированных сталей ЛВМ. Оптимальные решения по изготовлению керамических форм

В настоящее время производство отливок по выплавляемым моделям сосредоточено в основном в малотоннажных цехах или участках, которые зачастую расположены на непредназначенных для этой цели производственных площадях.

При организации и работе этих участков сталкиваются с рядом проблем, связанных с наличием небольших производственных площадей, выбором технологии и оборудования, обеспечивающей конкурентную способность производства.

Известно, что литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) отличается длительностью и многооперационностью цикла производства отливок, использованием дорогостоящих технологических материалов и высоким уровнем потребления энергоресурсов. В тоже время ЛВМ отличается уникальной возможностью изготовление весьма сложных отливок с высокой размерной точностью и чистотой поверхности  практически из любых марок сталей, чугуна, цветных металлов, что является  одним из главных его конкурентных преимуществ [1]. 

В ЛВМ имеется большое разнообразие применяемых технологических процессов, особенно в области технологии изготовления керамических форм. Эта стадия процесса является многооперационной, связанной с использованием дорогих связующих и огнеупорных материалов, энергоресурсов, что во многом определяет экономичность, а следовательно, конкурентно способность производства [1].

В то же время отмеченное разнообразие применяемых технологий позволяет обоснованно выбрать решения по изготовлению форм для конкретных условий производства. При выборе вариантов технологии изготовления форм на предприятии  ДППФ «БМР-сервис» (г. Харьков) исходили из следующих требований, направленных на экономичность и конкурентную способность производства, а именно:

- возможность гарантированного обеспечения размерной точности и качества поверхности сложных отливок из легированных сталей;

- минимальное возможное время выполнения технологических операций при изготовлении оболочковых форм;

- минимально возможную потребность в производственных площадях и электроэнергии;

- обеспечение гибкости производства, заключающейся в возможности изготовления оболочковых форм для широкой номенклатуры отливок по одному и тому же технологическому процессу.

Исходя из перечисленных требований и ориентируясь на производство сложных отливок из легированных сталей  и доступности исходных материалов, были приняты следующие технологические решения:

- применять в качестве огнеупорного связующего этилсиликат - 40, а вернее его гидролизованный раствор типа Орг-1;

- использовать для суспензии и обсыпки слоев форм материалы, обеспечивающие высокую термостойкость форм, а именно пылевидный и зернистый дистен-силлиманит;

- использовать ускоренную вакуумно-аммиачную сушку слоев форм;

- выплавлять модели в горячей воде;

- обжигать формы без опорного наполнителя.

Выбор в качестве связующего ГРЭТС – типа ОРГ -1 и вакуумно-амиачную сушку позволит сократить время сушки каждого слоя (независимо от его порядкового номера) до 45-50 минут и выплавлять модели в воде непосредственно после сушки последнего слоя.

Благодаря этим решениям на производственном участке площадью 35 м² удалось разместить все оборудование для приготовления ГРЭТС и суспензии, нанесению и сушки слоев форм и выплавки моделей, а именно

- установку мод.661;

- пескосып (собственной конструкции) ;

- установку вакуумно-аммиачной сушке с двумя тележками (собственной конструкции)

- установку для выплавки моделей в воде (собственной конструкции).

            Организация работ по изготовлению форм

1. Применяемые материалы для приготовления гидролизованного этилсиликата (ГрЭТС).

Исходным материалом для приготовления ГрЭТС является этилсиликат-40 производства ФРГ. Это обусловлено тем, что производство собственного этилсиликата в Украине прекращено.

Необходимые для приготовления ГрЭТС материалы, а именно: этиловый спирт и соляная кислота относятся к прекурсорам, их применение в чистом виде не разрешается. Поэтому на предприятии для этой цели применяют растворитель на основе этилового спирта, изготавливаемый по ТУ У 24.6 – 30219014 -009:2067 и водный раствор соляной кислоты с концентрацией 13%.

2. Контроль материалов для приготовления ГрЭТС

На предприятии осуществляется обязательный контроль каждой из вновь поступающей партии исходных материалов, а именно:

- этилсиликата на содержание SiO₂ и HCl;

- спиртосодержащие растворители на плотность и показатель pH;

- раствор соляной кислоты (по его плотности).

При получении новых партий каких-либо из этих материалов проверяется и корректируется при необходимости рецептура ГрЭТС до величины pH в пределах 1,2 – 1,5 ед. (по рекомендациям, изложенным в работах [2,3].

Строгий контроль и соблюдение величины pH в указанных пределах позволяет устранить образование трещин при сушке первых слоев форм и обеспечить достаточно высокую стабильность их прочностных характеристик.

3. Приготовление ГрЭТС и этилсиликатной суспензии на установке модели 661.

Как правило, ГрЭТС готовится за день до начала работ по изготовлению форм. Его количество рассчитывается таким образом, чтобы хватило на приготовление суспензий для изготовления партии форм в количестве 100-120 шт.

Суспензия готовится в той же установке путем замешивания пылевидного материала до необходимой вязкости.

В условиях предприятия нет возможности кондиционировать помещение для изготовления форм, особенно в летнее время. Поэтому на предприятии для обеспечения живучести ГрЭТС после приготовления и суспензию, оставшуюся в конце смены, помещают в холодильный шкаф и выдерживают в нем при температуре 5-7 °C. Это позволило практически исключить потери ГрЭТС и суспензии, вследствие повышения их живучести.

4. Нанесение и сушка слоев форм

Операции по нанесению и сушке слоев форм выполняются при использовании установки модели 661, пескосыпа, установки вакуумно-аммиачной сушки и 2-х тележек для транспортировки блоков в камеру сушки и из нее.

Непосредственно перед нанесением 1-го слоя модельный блок окунается на 2-3 с в ГрЭТС, затем он погружается в суспензию, после извлечения из которой обсыпается зернистым материалом в пескосыпе «кипящего» слоя.

Блоки с нанесенным слоем помещаются на 1-ю тележку и закатываются в сушки.

За время сушки (45-50 мин) блоков на 1 тележке на модельные блоки, расположенные на 2-й тележке наносится очередной слой. После сушки слоев форм, находящейся на 1-й тележке, она выкатывается из сушило, а в нее закатывается вторая тележка.

Таким образом изготавливаются все формы. Параметры сушки для всех слоев одинаковы: а именно - предварительный обдув теплым воздухом (38-40°C) в течении 15 минут, вакуумирование 7-10 мин аммиаком обработка аммиаком  7-10 мин, повторная продувка теплым воздухом  - 10-15 мин и выгрузка из камеры.

Особенностью применяемой технологии сушки является использование водного раствора аммиака вместо газообразного, что позволило избежать транспортировку и использования баллонов с аммиаком, повысить взрывобезопасность производства. Опыт работы с водным раствором аммиака описан в работе [4].

Второй особенностью вакуумно-аммиачной сушилки, от использованных аналогов, является применение ресивера в системе вакуумирование камеры, что позволило использовать для создания вакуума насос небольшой мощности, сократить расход электроэнергии и улучшить условия труда из-за резкого снижения уровня шума.

Длительное время для отливоек массой до 100 г изгогтавливали 4-х слойной формы, а для более крупных отливок – 5-слойные, причем в 4 и 5 слое в суспензию вводили измельченную стружку для обеспечения необходимой толщины форм, а, следовательно, и их прочности.

С лета 2019 г. после выполнения исследований, изложенных в работах [2,3], и внедрение их рекомендаций перешли на 4-х слойные формы, сохранив введение стружки в суспензию для 3 и 4 слоев форм. Это позволило существенно сократить расход этилсиликата.

5. Нанесение последнего слоя и выплавки модельного состава

Участок изготовления форм, работает в одну смену.

В первый день работы приготовливается суспензия и наносятся 3 слоя форм.

На другой день наносят и сушат последний слой и выплавляют модели в воде. Таким образом за 2 смены изготавливается до 120 форм.

После выплавки модельного состава формы досушиваются в специальной сушилке при температуре  70-80 °C в течении 2-3 часов. Это обеспечило сохранность форм при обжиге.

6. Обжиг форм и заливка форм.

Обжиг форм осуществляется в камерной электропечи, для чего их нагревают до 900°C и выдерживают при этой температуре 1,5 часа. Формы выгружают из печи, охладив их до температуры не выше 600°C.

Перед заливкой формы помещают в опоки, засыпают их песком и нагревают до 900°C.

Такой порядок нанесения и сушки слоев форм полностью оправдал себя при производстве отливок, требующих заливки металла не выше 1620°C.

Однако, при заливке форм на дистен-силлиманите при температуре металле выше 1620°C отливки в отдельных местах имели трудноудаляемый пригар. Попытки исправить ситуацию за счет ввода в суспензию пылевидного кварца и окиси хрома не дали положительных результатов. Поэтому для этой номенклатуры отливок пришлось заменить для 1-2 слоев дистен-силлиманит пылевидным и зернистым цирконом.

7. Особенности изготовления форм на цирконе

Автором неизвестен опыт применения циркона в ЛВМ Украины и бывшего СССР. При простой замене дистен-силиманита цирконом наблюдалась нестабильность качества поверхности отливок.

В связи с этим понадобилась определенная доработка технологии, в результате чего в нее были внесены следующие изменения:

- отказались от предварительного окунания модельных блоков в ГрЭТС непосредственно перед нанесением 1-го слоя.

- вместо этой операции была введена операция окунания с последующей кратковременной сушке модельных блоков в спиртосодержащем растворе с пеногасящим ПАВ, что, во-первых, устраняло с поверхности моделей остатки масляных пленок, попавших на их поверхность от смазки пресс-форм, а во-вторых, значительно улучшает контакт суспензии с цирконом с поверхностью моделей.

- кроме того, была определена оптимальная вязкость суспензии с учетом высокой плотности циркона.

Остальные операции по сушке форм не изменялись. Суспензия с цирконом, оставшаяся после нанесения 2-го слоя, добавлялась в суспензию на дистен- силлиманите, при нанесении остальных слоев.

Параметры вакуумно-аммиачной сушки слоев форм на цирконе по сравнению с сушкой слоев на ДНС не изменились. Также не изменяются остальные операции по изготовлению и заливке форм.

8. Дальнейшие операции и характеристика изготовляемых отливок

Дальнейшие операции: формовка в наполнитель, подогрев форм перед заливкой, плавка и заливка металла, очистка и отрезка отливок от литников и при необходимости – их термообработка выполняются по общепринятым технологиям.

На участке изготавливаются отливки массой от 0,03 кг до 5 кг из сталей марок 35Л, 35ХМЛ, 35ХМНЛ, 50Х13, 12Х18Н9Т, 31Х18Н9МВБТЛ.

По отзывам специалистов, знакомых с ЛВМ за рубежом, качество отливок, изготавливаемых на предприятии, не уступает зарубежным.

Заключение и выводы

По описанной технологии участок работает более 7 лет. В содружестве специалистов-литейщиков, химиков и производственников продолжаются работы по совершенствованию технологии.

В частности, на стадии внедрения находится универсальное, пригодное для любых типов ЭТС-форм, техническое решение по повышению газопроницаемости форм ЛВМ и резкому снижению брака по недоливу отливок из-за низкой газопроницаемости форм.

Семилетний опыт работы участка ЛВМ подтвердил правильность и эффективность технических решений, принятых при его организации.

1. Используемая технология изготовления форм позволяет одновременно изготавливать их для всей номенклатуры отливок, что обеспечивает высокую гибкость производства.
2. Ускорение цикла изготовления форм достигнуто за счет применения ГрЭТС типа Орг-1, использования вакуумно-аммиачной сушке и обжига без наполнителя.
3. Энергоемкость производства достигнута на низком уровне за счет применения установки вакуумно-аммиачной сушки форм, выплавке моделей в воде и обжига форм без наполнителя.
4. Высокое качество отливок обеспечено за счет контроля pH ГрЭТС, применения термостойких огнеупорных материалов дистен-силлиманита для основной номенклатуры отливок и циркона для отливок, требующих высокую температуру заливки форм металлов.

Авторы надеются, что данная статья будет полезна специалистам и производственникам, занятых как организацией производства ЛВМ, так и совершенствованием технологии.

Литература:

1. Репях С.И. Технологические основы литья по выплавляемым моделям «Лира ЛТД».. Днепропетровск, 2008 г.
2. Конотопов В.С. и др. Влияние показателя рН на свойства этилсиликатных суспензий и качество форм для лиття по выплавляемым моделям: «Литье Украины» №7, 2018 г.
3. Конотопов В.С. и др. Экспериментальное обоснование и разработка універсального метода оптимизации показателя рН в этилсиликатных суспензиях для ЛВМ: «Литье Украины» №8, 2019 г.
4. Конотопов В.С., Лихолет М.А. Техническое обоснование и практическая реализация замены газообразного аммиака аммиачной водой в установке вакуумно-аммиачной сушке форм лиття по выплавляемым моделям: «Литье Украины» №8, 2018 г.

Авторы: к.т.н. Конотопов В.С. , к.т.н. Малиняк М. И., к.т.н. Утешев В.М.,
магистр Лихолет М.А., к.х.н. Калкаманова О.С.

"Литье Украины" № 2-2020, с.2-5