Техническое обоснование и практическая реализация замены газообразного аммиака аммиачной водой в установке вакуумно- аммиачной сушки форм литья по выплавляемым моделям

Статьи от автора: Конотопов В.С.

Конотопов В.С., к.т.н.
Лихолет М.А., инженер

В настоящее время и в будущем литье по выплавляемым моделям сосредотачивается в мало тонных цехах и участках с ограниченной площадью преимущественно для изготовления сложных отливок из легированных и высоколегированных сталей.

Номенклатура отливок характеризуется сравнительно небольшой серийностью, разнообразием по массе и сложности.

В условиях обостряющейся конкуренции необходимо обеспечить гибкость и стабильность производства, сокращение цикла изготовления отливок, энергопотребления и сокращение расходов материалов.

Наиболее длительной операцией в ЛВМ является изготовление форм. На этом этапе вышеизложенным требованиям наиболее полно удовлетворяет вакуумно-аммиачная сушка (ВАС) слоев форм. К ее преимуществам относятся:

- сокращение цикла сушки до 40-60 мин. на каждый слой с минимальными затратами электроэнергии;

- обеспечении максимальной прочности форм;

- возможность рациональной компоновки партии форм для сушки и оптимизации ее параметров;

- возможность полной автоматизации процесса сушки;

Достоинством ВАС по сравнению с конвейерными сушилами является то, что в связи с коротким циклом изготовления форм (не более 10 часов на 5 слойной форме при использовании 2х тележек) суспензия сохраняет свои технологические свойства.

Эти преимущества подтверждаются многолетним опытом работы установки ВАС на предприятии ДП «ПФ «БМР-сервис» г. Харькова.

Эта установка имеет вакуумируемую камеру объёмом 2,0 м3. Площадь занимаемой установки равна 1,5 м2. Установленная мощность 4,7 кВт. В состав установки входят 2 тележки, на которые устанавливаются до 120 модельных блоков в зависимости от их габаритов.

Работа организована таким образом, что одна из тележек с нанесенным на блоки покрытиями, находится в камере в процессе сушки, а на блоки другой тележки в это время наносится очередной слой формы.

Установка работает в односменном режиме. При этом в первую смену наносят и высушивают 3 слоя на всех формах, имеющихся на 2 тележках. На другой день на все блоки наносят 2 слоя, и после их сушки из форм выплавляют модельный состав. На блоки основной номенклатуры отливок наносят 5 слоев, а на блоки мелких отливок 4 слоя. Блоки особо крупных отливок собирают отдельными партиями и наносят на них дополнительные слои.

Таким образом на установке за 2 рабочих смены изготавливают до 120 5-слойных форм, обеспечивая оперативность и гибкость производства

Сам процесс ВАС выполняется в следующей последовательности:

- загрузка форм в вакуумную камеру;

- продувка форм теплым воздухом (до 40ºС) в течение 10-15 мин;

- создания вакуума в вакуумной камере до уровня 2,6..3,3 кПа (20 – 25 мм рт.ст.);

- обработка форм газообразным аммиаком до уровня концентрации аммиака в камере в пределах 6,6..13,3 кПа (50 - 100 мм рт.ст.) в течение 5-7 мин. данные ВИАМ [1];

- снятие вакуума и продувка форм теплым воздухом в течение 10-15 мин для устранения в них остатков аммиака и подготовки к следующим технологическим операциям;

- выгрузка форм из вакуумной камеры.

Подача аммиака в установки вакуумно-аммиачной сушки осуществляется двумя способами:

- из расходного баллона через понижающий редуктор непосредственно в камеру сушки;

- газ подается в камеру через систему, состоящую из расходного и дозирующего баллонов.

Однако, использование аммиака обуславливает необходимость выполнения ряда обязательных требований техники безопасности, связанных как с применением токсичных газообразных материалов, так и использованием сосудов, находящихся под высоким давлением. Эти требования относятся как к транспортировке, так и хранению баллонов с аммиаком. Особые требования относятся к условиям расположения баллонов при их использовании для подачи аммиака к местам его потребления. Большое внимание приходится уделять герметичности системы подачи аммиака в камеру и соблюдению условий взрывобезопасности.

Одним из требований техники безопасности является необходимость расположения баллонов с аммиаком в изолируемом, ветилируемом и обогреваемом зимой помещении.

В связи с невозможностью выполнить весь комплекс требований безопасности работы с баллонами аммиака было решено технически обосновать, а затем практически реализовать возможность использования аммиачной воды (аммиак водный, технический ГОСТ 9-92) при вакуумно-аммиачной сушке форм в имеющейся установке.

Аммиачная вода содержит 25% аммиака, растворенного в воде. Она широко применяется в сельском хозяйстве для удобрения полей и в других отраслях [ 2 ], в том числе при воздушно-амиачной сушке [ 3 ]. В отличие от газообразного аммиака в баллонах требования безопасности при использовании аммиачной воды легко осуществимы.

Однако, для ее применения в установке вакуумно-аммиачной сушки необходимо было решить следующие задачи:

- определить количество аммиачной воды для достижения необходимой концентрации аммиака в камере сушки;

- обеспечить максимально полное удаление аммиака из аммиачной воды в цикле сушки;

- разработать, изготовить и внедрить в производство конструкцию системы подачи аммиака из аммиачной воды в камеру сушки.

Для технического обоснования использованы следующие исходные данные, приведенные в таблице.

Таблица. Исходные данные для обоснования возможности использования аммиачной воды при вакуумно-аммиачной сушке форм АВМ

№ п/п	Наименование данных	Единица измерения	Величина	Источник информации
1	Рабочий объем камеры	м³	2
2	Давление в камере после вакуумирования	кПа	2.6..3,3	Данные ВИАМ
3	Давление в камере после подачи аммиака	кПа	6,6..13,3	Данные ВИАМ
4	Концентрация аммиака в воде, масс	%	25	ГОСТ 9-92
5	Плотность аммиака	г/см3	0,596	Справочные данные
6	Усвояемость аммиака	%	Не менее 80	Допускаемая величина
7	Пределы взрывоопасности	%	15-28	Справочные данные

В результате проведенных экспериментов было установлено, что давление в камере с 3 кПа до 10 кПа повышается при подаче в нее 300г. аммиака. Такое количество аммиака содержится в 1,2 л аммиачной воды.

Допуская, что в процессе сушке выделяется не меньше 80% аммиака, количество аммиачной воды с учетом этого необходимо увеличить до 1,5л, при этом концентрация аммиака в камере составляет 0,15 г/л. Объёмная концентрация аммиака намного ниже предела взрываемости.

Однако, в условиях вакуумирования температура аммиачной воды резко падает, что приводит к тому, что в отработанной воде концентрация аммиака остается достаточно высокой для возможности безопасного обращения с ней, а концентрация аммиака в камере может быть недостаточной для эффективного отверждения форм.

Из справочных данных известно, что температура кипения аммиака при вакууме

≈ 10 кПа равна 60 ºС. Отсюда следует необходимость нагрева дозы аммиачной воды, используемой в цикле сушки, до 50-60 ºС.

На основании вышеизложенного была разработана и реализована конструктивная схема извлечения и подачи аммиака из аммиачной воды в установку вакуумно-аммиачной сушки форм, которая выполнена из следующих основных частей:

- расходной емкости аммиачной воды, емкость которой (50 л) достаточна для 25-30 циклов сушки;

- испарителя, выполненного в виде трубы с указателем уровня налива аммиачной воды (1,5-2,0л);

- системы обогрева аммиачной воды в испарителе до 50-60 ºС с автоматическим контролем ее температуры;

- трубопровода подачи аммиака в камеру;

- кранов для набора аммиачной воды в испаритель, подачи аммиака в камеру и слива отработанной жидкости.

Данная система работает на предприятии более 5-ти лет.

Работа системы осуществляется следующим образом:

- перед началом цикла сушки аммиачная вода из расходной емкости через кран подается в испарительную камеру до требуемого уровня;

- после вакуумирования кран подачи аммиака в камеру открывается, включается нагрев аммиачной воды до 50-60 ºС и весь аммиак практически полностью переходит в камеру;

- после окончания цикла сушки остаток воды, содержащий едва ощутимый запах аммиака, сливается в специальную емкость для утилизации.

В результате внедрения этой системы отпала необходимость выполнения практически всего дорогостоящего комплекса требований по техники безопасности, в случае использования газообразного аммиака в баллонах:

- повысилась стабильность технологического процесса ВАС и прочности форм;

- сведена к минимуму концентрация аммиака в рабочем помещении при ВАС;

- гарантирована взрывобезопасность установки.

Авторы считают замену газобаллонного аммиака аммиачной водой при ВАС актуальной и надеются, что результаты этой работы заинтересуют специалистов, работающих в области литья по выплавляемым моделям.

В заключение авторы отмечают, что данная работа выполнена при активном участии к.т.н. Малиняка М.И.

Литература:

Техническая инструкция по эксплуатации установки вакуумно-аммиачной сушки, ВИАМ
ГОСТ 9-92 Аммиак водный, технический.
Литье по выплавляемым моделям Инж. Монография под ред. Я. И. Шкленника и В. А. Озерова М. машиностроение 1071 г.
Репях С. И. Технологические основы литья по выплавляемым моделям. Днепроаетровск Изд. «Лира» 2006 г.

ИТБ "Литье Украины", №8 (216) 2018 г.