Модернизация литейного производства по технологии ВПФ и пример американского завода NorthVernonIndustryCorp.

  Буданов Е.Н.

Первая линия по технологии ВПФ (вакуумно-пленочных форм) на территории Украины была поставлена г.Луганск (тогда еще г.Ворошиловград в СССР). Были закуплены соответствующие патенты, и уже в 1980 году пущена в эксплуатацию автоматическая формовочная линия (АФЛ) концерна Sinto производительностью 20 форм/час с размером опок в свету 1500х1500мм (практически сразу после изобретения и первого освоения ВПФ). Однако затем последовали тяжелые финансово-экономические периоды времени, и никто более не интересовался модернизацией литейного производства в странах бывшего СССР. И только после 2005 года в Украине вновь были поставлены современные АФЛ по технологии ВПФ производства концерна Sinto на Криворожский завод горного оборудования (КЗГО) с 2009 года (опока 2000х1800 мм, производительность 5 форм в час), завод «Днепропромлит» (опока 1600х1250 мм, 10 форм в час), Сумской Центролит (опока 3000х1800 мм, 20 форм в час). Однако мировой кризис 2008 года вновь отбросил на неопределенный срок начало массовой и широкомасштабной модернизации заводов литейного производства на основе использования инновационной, высокоэффективной технологии ВПФ.

Но еще тогда в 80-х годах прошлого века на территории Луганского станкозавода была создана специальная лаборатория по изучению технологического опыта производства отливок как филиал петербургского ЦНИИМ. В середине 80-х годов мне посчастливилось ознакомиться с эффективной работой АФЛ по ВПФ в г.Луганск благодаря проводимым тогда совместным исследованиям технологии ВПФ по НИР между ЦНИИМ с литейной кафедрой МГТУ им. Н.Э.Баумана. Обучаясь тогда на этой кафедре в очной аспирантуре (1984-1989гг) я смог впервые узнать все преимущества ВПФ в реальных условиях производства. Научно-технические исследования на базе линии ВПФ касались не только мелкосерийного, но и массового производства самых различных типов отливок из чугуна, углеродистых и высоколегированных сталей, медных и алюминиевых сплавов, жаропрочных и специальных сплавов. Первым значимым результатом работ нескольких министерств СССР стало внедрение в 1983 году АФЛ по ВПФ с производительностью 45 форм в час в литейном цехе флагмана машиностроения Курганмашзавод. Данная АФЛ по ВПФ работоспособна по настоящее время.

После вынужденного длительного перерыва и последующего кризиса 1998 года в относительно благополучные 2000-е годы до очередного кризиса 2008 года концерном Sinto (фирма HWS-Sinto, Германия) были поставлены АФЛ по ВПФ с размером опок 1500х1500мм (как в 1980 году в г.Луганск) на Благовещенский Арматурный завод и фирму НЛТ, г.Набережные Челны. АФЛ по ВПФ с еще большим размером опок 3000х1800мм были поставлены и запушены на многих заводах для производства стальных Ж.Д. отливок, напр. на ВКМ-Сталь, г.Саранск; ТВСЗ (Тихвинский вагоностроительный завод); Промлит, г.Чебоксары; Востокмашзавод, г.Усть-Каменогорск и др. Заводы «Универсал», г.Новокузнецк и «Кировский завод» Калужской области вместе производят 100% всех отливок чугунных ванн СНГ по единой и бесспорно самой эффективной для данных отливок технологии ВПФ – две АФЛ по ВПФ концерна Sintoработают с полной нагрузкой и производительностью 45 форм/час (при размере опок 2000х1250мм). Завод Казцинкмаш, г.Риддер изготавливает особо крупные стальные марганцовистые отливки по ВПФ в опоках 2700х2700мм, производительность АФЛ 4 формы в час. Очевидно, что перечисленных АФЛ очень мало, особенно на фоне около 200 заводов Японии, освоивших и использующих ВПФ.

АФЛ концерна Sinto (практически единственного поставщика в мире АФЛ по ВПФ) пользуются заслуженной репутацией высшего качества литейного оборудования. Конечно, после концерна Sinto (с запозданием в десятилетия) были попытки - скорее неудачные - копировать производство АФЛ по ВПФ, однако ни одна из них так и не увенчалась серьезным успехом. Основой этого успеха концерна Sinto первоначально было лицензионное право, согласно которому в течение 20 лет все литейные заводы платили роялти с каждой отливки за использование инновационной технологией ВПФ. Затем уже гораздо более значительный опыт внедрения сотен АФЛ по ВПФ обеспечил концерну Sinto бесспорное лидерство в продолжение огромного первоначального вклада в развитие и продвижение технологии ВПФ на заводы мира.

Литье по ВПФ (V-процессу) зародилось в Японии около 40 лет назад в конце 70-х годов прошлого века (концерн Sinto был у истоков). Далее технология постепенно стала распространяться по другим странам мира. Метод имеет ряд преимуществ благодаря упрощенной формовке без связующего, в числе которых высокая размерная точность отливок, легкая очистка, высокий процент возврата песка – 98 % и т.д. Спустя пару десятилетий развития технология достигла зрелости. Уже в 1995 г. журнал «The Modern Casting» сообщил, что число освоивших технологию ВПФ, составило около 180 заводов в Японии, 85 заводов в Европе и 10 заводов в США. Хотя в последние годы экономически развитые страны мира сократили свое литейное производство, превосходство в экологичности, высоком качестве отливок при низкой себестоимости и малом объеме отходов, по-прежнему делает ВПФ весьма востребованной и наиболее эффективной технологией. Следует отметить, что в последние годы, модернизация литейного производства путем внедрения АФЛ по ВПФ наконец-то активно стала проводиться и на заводах Китая - сегодня мирового лидера по объемам производства отливок. Например, завод DingzhouDongfangFoundry (DDF) – один из мировых лидеров в производстве промышленных противовесов для вилочных и других погрузчиков, землеройных машин –ежегодно производит 180.000 тн отливок. DDF (рис.1) является самым крупным экспортером противовесов для изготовителей оборудования Северной Америки, Европы и Японии. В группе DDF несколько литейных заводов, оснащенных самым современным оборудованием. На одном из заводов установлена линия вакуумно-пленочной формовки (ВПФ). Цех ориентирован только на производство отливок противовесов и сегодня годовая производительность составляет 40.000 тн литья. На другом заводе по производству противовесов компании DDF работают три линии вакуумно-пленочной формовки.

Рис.1. Отливки противовесов различной конфигурации и веса по Вакуум-процессу. Завод DDF, Китай

Главные плюсы качества отливок по технологии ВПФ основаны на понимании простых законов физики - например, активном отводе газов из формы за счет вакуумирования, что в сравнении с такими процессами как ПГС, ХТС, ЖСС дает бесспорное преимущество в пользу ВПФ. Сухой песок ВПФ без какого-либо связующего и добавок также гарантирует минимальный объем газовых выделений из самой формы в заливаемый металл (тем более в вакуумируемой форме) и т.п.

Есть много современных примеров эффективного эффективно действующих АФЛ по ВПФ даже в США, где многие годы литейное производство переводилось в другие страны мира. Однако, например:

Завод North Vernon Industry Corp., США в 2011 году на АФЛ по технологии ВПФ произвел 98.000 тн. чугунных отливок. Завод построен и запушен не так давно - в 1996 году.

Завод Frog Switch, США, производит стальные марганцовистые отливки конусов дробилок для горно-перерабатывающей промышленности на линиях ВПФ. Размеры опок трех АФЛ по ВПФ следующие: 2440х1370 мм (5 форм в час), 1800x1800 мм (15 форм в час), 3400x1700 мм (1 форма в час).

Завод МE Global, США является мировым лидером по поставкам брони для мельниц, шаровых и конусных дробилок. Производительность одной АФЛ по ВПФ 25.400 тонн стальных марганцовистых отливок в год, вес отливок от 135 до 7250 кг, серии от 1…100 шт. и более. Опока 2440х1370 мм.

Более подробно можно остановиться на примере всего одного литейного производства США. Компания NorthVernonIndustryCorp. (NVIC), США (рис.2) демонстрирует всем литейным производствам мира, как реально оптимизировать и организовать производство исходя из двух важнейших параметров технико-экономической эффективности предприятия - это объемы производства отливок в год на одного сотрудника и на один квадратный метр занимаемых площадей. На данные параметры уровня развития литейного производства, как правило, в Украине и странах СНГ пока мало обращают внимание, возможно из-за наличия старых избыточных литейных площадей и традиционного использования большой доли ручного труда низкооплачиваемых сотрудников.

Компания North Vernon Industry Corp. (г. Норт-Вернон, штат Индиана,США) была основана в 1996 г. как независимое чугунолитейное предприятие. В марте 1998 г. компания NVIC отправила первую партию противовесов для погрузчиков, а к 2004 г. NVIC стала ведущим производителем противовесов для различных вилочных погрузчиков в Северной Америке (рис.3).

В 2005 г. компания достигла объема производства 82000 тонн отливок в год при штате всего в 230 сотрудников.

Показатель эффективности литейного производства - объем производства тонн отливок в год на одного сотрудника. На данном заводе получают до 350 тонн отливок в год на одного сотрудника, включая администрацию, вспомогательный персонал, специалистов по окончательной обработке, покраске, упаковке, отгрузке, продажам изделий и т.п.

Второй параметр для экономического сравнения – производство продукции на 1 м² занимаемых площадей. В компании North Vernon Industry Corp. этот показатель составляет около 8 тонн отливок в год с полной механообработкой на 1 м² занимаемых площадей, включая вспомогательные.

Такие показатели стали реальными только в условиях работы на автоматизированном оборудовании изготовления форм по ВПФ и высокоэффективной организации производства и сбыта качественных отливок. Эти комплексные показатели эффективности организации производства на уровне тестов позволяют быстро и достаточно корректно оценить суммарные экономические возможности любого современного литейного производства.

Литейные формы для противовесов изготовляют по технологии ВПФ на АФЛ концерна Sinto (размеры опок 1500х1500 мм), плавку металла ведут в индукционных печах, что позволило компании NorthVernonIndustryCorp. стать одним из самых экологически безопасных и технологически современных литейных предприятий.

Рис.2. Заводская проходная завода NorthVernonIndustrycorp.,расположенного в зеленой зоне США, благодаря экологически чистому литейному производству по ВПФ

Благодаря международному характеру производства North Vernon Industry Corp. обладает необходимой гибкостью для планирования производства и поддержания конкурентоспособности, выполняя, при этом, все требования стандартов по контролю качества, что позволяет удовлетворить самым взыскательным требованиям клиентов.

Компания постоянно увеличивает объемы производства. Так, в 1998 г. было произведено 10 тыс. тонн отливок при 46 служащих, в 2001 – 22 тыс. тонн отливок (66 служащих), в 2004 – 49 тыс. тонн отливок (164 служащих), в 2005 – 82 тыс. тонн отливок (230 служащих). В 2011 году объем производства достиг 98 тыс. тонн отливок при 400 сотрудниках. В настоящее время есть перспектива дальнейшего роста производства.

Рис.3. Внешний вид окрашенных и установленных литых противовесов

Формы на заводе NVIC изготовляют по V-процессу, который обеспечивает:

• экологическую безопасность, так как не производит токсичных отходов;
• 100% использование формовочного песка, так как нет необходимости в связующих;
• отличную воспроизводимость и повторяемость изделий;
• улучшенную поверхность отливок, что сокращает время работы на обработку изделия;
• практическое отсутствие износа моделей.

Внимание к деталям и внутренний 100%-ный контроль качества производства отличает компанию NVIC от других предприятий, выпускающих противовесы для погрузчиков. Компания NVIC использует новейшие технические решения и стремится к достижению «нулевого дефекта» при производстве изделий. Компания имеет сертификаты соответствия ISO 9001 и ISO 14001.

Специфика отливок противовесов заключается в том, что они должны обладать идеальной поверхностью, готовой к покраске, для обеспечения дизайна на уровне поверхности крыла легкового автомобиля. При этом высокое качество внешней поверхности отливок без газовых дефектов можно получить по ВПФ (около RZ75). Следует отметить, что данные отливки должны быть максимально конкурентоспособны по цене и, как правило, их необходимо изготовлять из самого низкокачественного и дешевого чугуна. Поэтому, например, на аналогичном по ассортименту выпускаемой продукции заводе MetalBG в Болгарии по ВПФ (размер опок 1250x1250 мм) изготовляют противовесы весом от 750кг до 4 тонн из самого низкосортного лома, а присоединительные стальные втулки с резьбой располагаются в форме до заливки путем установки на модельной оснастке. Таким образом, данные отливки или, правильнее, уже готовые к покраске детали имеют себестоимость, сравнимую (по их массе) со стоимостью ниже первичного чугуна «Тулачермет», что и обеспечивает максимальные конкурентные преимущества.

Таких параметров практически нельзя достичь другими способами изготовления отливок в разовых песчаных формах (ПГС, ХТС, ЖСС), поэтому производство большинства отливок противовесов в экономически развитых странах мира уже переведено на технологию ВПФ.

Внедрение АФЛ позволяет не только повысить производительность, но, главное, устранить негативное влияние «человеческого» фактора на качество отливок. При этом сокращение персонала гарантирует снижение себестоимости отливок на фоне постоянного повышения заработной платы литейщиков в Украине и СНГ, а, главное, позволяет решить проблему катастрофической нехватки не только квалифицированных технических кадров, но даже простых рабочих для литейного цеха.

Предложенные по результатам длительных исследований и анализа опыта на многих современных литейных производствах мира два параметра оценки эффективности предлагаем применять во всех технических и экономических показателях завода, с целью постоянной оптимизации и модернизации производства до современного мирового уровня. А конкретно - объемы производства в год (тонн и $US) на одного сотрудника и тонн отливок на один кв. метр производственных и вспомогательных площадей. Использование такого простого подхода позволит комплексно не только оценить существующий уровень производства, но и, что более важно, задать правильный вектор тенденциям развития. Всем нравится справедливый расчет на душу населения страны по росту, например, ВВП, поэтому также честно и корректно нужно считать производство отливок на одного сотрудника и сравнивать с западными конкурентами, особенно на новом этапе повышения целесообразности экспорта отливок в Европу.

Модернизация литейного производства – процесс постоянный с необходимостью систематического обновления литейных технологий и оборудования, а также адаптации к быстро ускоряющемуся развитию современного мирового технического прогресса, градиенты разнонаправленных изменений которого в последние десятилетия существенно увеличились. Поэтому очередная отсрочка модернизации литейного производства завода после длительного несоблюдения закона обновления базового технологического оборудования как основы экономической безопасности приводят к стадии банкротства предприятия. Сегодня большинство заводов продолжает существовать за счет неприлично низкой зарплаты литейщиков (далекой от европейской), постоянно вынужденных находиться в жестких условиях повышенной запыленности и задымленности литейного цеха, а также «льгот» по ценам на энергоресурсы. То есть заводы находятся на «искусственном» дыхании.

Заводы с морально и физически устаревшим оборудованием уже давно не конкурентоспособны ни по ценам отливок, ни по их качеству - они и их сотрудники просто тихо и уныло доживают в окружении «монстров ржавой экзотики» времен СССР, которые иногда встряхивают колонны цеха по технологиям формовки из глубин прошлых веков. Литье в разовые песчаные формы по ПГС было известно и 2000 лет назад. Однако даже традиционная технология ПГС требует обновления на самый современный способ уплотнения форм Сейатцу-процесс (воздушный поток и последующее многоплунжерное прессование). Сегодня в 21 веке прибыль, достойную тяжелого труда литейщиков, зарабатывают только на базе современных и наиболее широко распространенных в мире технологий, таких как Вакуум-процесс и Сейатцу-процесс для производства разовых песчаных форм или Cold-Box-амин-процесс для производства песчаных литейных стержней и стержневых форм.

Квинтэссенция представленной технологии ВПФ заключается в более высоком качестве отливок при минимальной себестоимости их изготовления - например, в сравнении с литьем в формы по ПГС, ЖСС или ХТС. Мы читаем литературу об искусстве литейного производства в категориях прошлого, а не настоящего или будущего, и главные уроки студенческих лет в том и заключаются, что при производстве отливок литейные формы должны создавать идеальные условия для формирования качественных отливок при минимизации производственных затрат. Третье и, пожалуй, самое перспективное в настоящих условиях преимущество для литейного производства состоит в том, ВПФ обеспечивает лучшую экологичность при использовании разовых песчаных литейных форм - нет связующих как по ПГС (бентонит с водой), ХТС (смола и катализатор) или ЛГМ (пеномодели из полистирола со значительным газовыделением).

Вывод. Отливки по технологии ВПФ на сегодняшнем этапе развития литейного производства являются самыми качественными и одновременно самыми дешевыми по производственным затратам. Другие преимущества касаются целого спектра решенных литейных вопросов, таких как: Уменьшение припуска на механообработку (иногда в 2,5 раза по сравнению с отливками по ПГС); Заполняемость формы по опытам на спиральных пробах выше на 30% по сравнению с ПГС; Превосходная поверхность и особо точные размеры отливок; Отсутствие традиционной выбивки – после отключения вакуума сухой песок «вытекает» естественным образом; Отсутствие связующих и иных добавок в литейной форме кроме песка как наполнителя; Длительный срок службы моделей за счет отсутствия контакта модели с песком благодаря пленке и противопригарной краске, а также многие другие.