Технология и оборудование для изготовления форм и стержней из холодно-твердеющих смесей

  Трещалин А.В. к.т.н.  ("Клуб литейщиков", г. Москва)

За последнее десятилетие большое распространение в литейных цехах России и Украины получила технология получения форм и стержней из холодно-твердеющих смесей на смоляных связующих (ХТС-процесс). Это объясняется большими технологическими преимуществами ХТС по сравнению с традиционными песчано-глинистыми:

• применение для изготовления форм и стержней единых компонентов (песок, смола, катализатор);

• приготовление смеси и подача ее в опоки (стержневые ящики) совмещены в одном агрегате - смесителе;

• высокая точность стержней и форм, возможность ухода от пригара;

• отсутствуют дефекты отливок, связанные с подутием форм, их размывом, обрушениями, уменьшается количество газовых раковин;

• возможность получать отливки 7 класса точности по ГОСТ 26645-85; снижается расход металла и объем механообработки;

• стержни лёгко удаляются из внутренних полостей отливки, так как смола под воздействием температуры залитого металла выгорает и стержень рассыпается;

• возможность отказа от опочной оснастки, экономия площадей и средств механизации;

• быстрая смена оснастки и, как следствие, гибкость при изготовлении многономенклатурной продукции, особенно при мелкосерийном и серийном производстве;

• снижение расхода формовочной смеси относительно тонны литья. Расход смеси при ХТС 2…4 тонны на 1 тонну годного литья. Средняя норма расхода при ПГС 8…10 тонн;

• возможность практически полной регенерации формовочной смеси и использование 90…95% регенерата.

Применение ХТС позволяет уменьшить в 3-4 раза объём формовочных смесей, уйти от организации смесеприготовительного отделения, резко снизить объём внутрицеховых транспортных операций. Сухой песок и выбитая смесь перемещаются пневмотранспортом по трубам диаметром 50…150 мм, что позволяет отказаться от громоздких ленточных транспортёров, эстакад, подземных траншей и полностью исключить пыление при транспортировке.

Оборудование, предлагаемое для производства форм и стержней по ХТС-процессу, отличается универсальностью, компактностью и надёжностью. Одним из мировых лидеров в производстве такого оборудования является английская компания "Omega Foundry Machinery Ltd".

Рис. 1: Логотип компании "Omega Foundry Machinery Ltd"

Компания существовала с 1957 года как часть компании "Baker Perkins", а с 1984 году реорганизована в самостоятельную компанию. "Omega Foundry Machinery Ltd" производит широкую номенклатуру оборудования для приготовления смеси, изготовления опочных и безопочных форм, изготовления стержней, выбивки и регенерации формовочных смесей. Оборудование этой английской фирмы работает более чем в 40 странах мира. Ниже даётся обзорная информация об оборудовании и его эксплуатации в литейных цехах.

Смесители

Для приготовления качественных формовочных и стержневых смесей разработаны высокоскоростные шнековые смесители.

Принцип работы смесителя: в рабочей полости смесителя быстровращающийся горизонтальный вал со смешивающими лопатками производит перемешивание песка, смолы и катализатора. Компоновка смешивающих лопаток позволяет достичь необходимых прочностных характеристик смеси при минимальных расходах используемых связующих. Каждая лопатка имеет вольфрамовое покрытие, обеспечивающее высокую износостойкость, и крепится на вал отдельным болтом, что обеспечивает лёгкую процедуру её замены. Эффективная система смешивания, подачи связующего и катализаторов гарантируют стабильно высокое качество смеси в начале и конце смешивания. Очистка смесителя от налипшей смеси обеспечивается за счёт горизонтального раскрытия створок рукава.

Рис. 2: Вид рабочей полости смесителя

Регулирование подачи песка в смешивающую полость осуществляется дозирующей заслонкой, которая позволяет работать по нескольким программам: только свежий песок, только регенерат, свежий песок плюс регенерат. Это позволяет подбирать оптимальную рецептуру смеси для приготовления формы/стержня. Дозирующая заслонка устанавливается между питающим бункером песка и смесителем.

Рис. 3: Пневматическая дозирующая заслонка

Для дозирования жидких связующих и катализаторов применяются шестерёнчатые насосы, обеспечивающие высокую точность подачи. Конструкция насосов обеспечивает отсутствие протечек при воздействии кислоты на уплотнения, так как вращающий момент на вал ведущей шестерни передаётся с помощью магнитной муфты (рисунок 4).

Рис. 4: Насос для дозирования жидких компонентов

Для простоты обслуживания и соблюдения чистоты электрическая панель управления и насосы для жидких химических компонентов вынесены в отдельный шкаф управления, который устанавливается в удобном месте.

Рис. 5: Шкаф управления смесителем

Географическое местоположение наших литейных заводов характеризуется большим диапазоном изменения температуры в зависимости от времени года. В связи с этим не всегда удаётся обеспечить оптимальную температуру (18-25'С) на участке смесеприготовления. Для стабильности техпроцесса и поддержания нужной температуры песка компания "Omega" предлагает электрические нагреватели различной производительности (рис.6, табл.3). Нагреватель устанавливается между бункером и дозирующей заслонкой подачи песка в смеситель. Поступление песка в нагревательное устройство контролируется пневмозаслонкой. Песок проходит через несколько блоков нагревательных элементов. Для более равномерного нагрева песка применяется эффект псевдоожиженного слоя, для чего днище установки соединяется с воздуходувкой.

Температура постоянно контролируется термодатчиками, которые дают сигнал системе управления блоком питания нагревательных элементов. В случае перегрева вся система отключается.

Во время тёплого летнего периода песок подаётся в смеситель минуя нагреватель (через обходной клапан).

Рис. 6: Электрический нагреватель песка

Отверждение смеси начинается через определённый промежуток времени после её приготовления, так называемое "время живучести". "Время живучести" определяется типом катализатора и обычно лежит в пределах 5-30 минут. За это время смесь можно транспортировать, засыпать, уплотнять, срезать её излишки. Затем начинается быстрое нарастание прочности смеси, через 15-30 минут прочность на растяжение достигает значения 0,4-0,6 Мпа ("манипуляторная прочность"), которой вполне достаточно для выполнения технологических операций протяжки, окраски, сборки. Прочность смеси продолжает увеличиваться и через 2-4 часа (в зависимости от типа смолы и катализатора) она достигает 0,6-0,8 Мпа на разрыв и далее продолжает нарастать в замедляющемся темпе.

Для выдержки технологически необходимого "времени живучести" в зависимости от температуры окружающей среды используют сочетание различных по быстродействию катализаторов: "быстрых" и "медленных". Следует отметить, что "быстрые" катализаторы значительно дороже "медленных". Однако даже в течении одной смены температура окружающей среды и поступающего песка могут значительно изменяться, что делает применение одного типа катализатора недостаточно эффективным. Для более эффективного использования различных типов катализаторов и стабилизации свойств формовочной смеси при изменениях температуры поступающего песка разработана система "Autoblend 2000". Устройство через сенсорный дисплей и интерфейс оператора способно автоматически постоянно контролировать температуру поступающего песка и сравнивать её с предустановленной температурой. По результатам сравнения автоматически изменяется соотношение слабого/сильного катализаторов. Устройство имеет четыре предустановки времени, например: 5, 10, 20 и 30 минут. В соответствии с предустановками время до протяжки будет соблюдаться автоматически (рисунок 7).

Рис. 7: Схема работы системы "Autoblend 2000"

Компания "Omega" выпускает широкий технологический ряд смесителей с производительностью от 1 до 100 тонн в час. В зависимости от стоящей задачи применяются разные конструкции смесителей: одно- и двурукавные, стационарные и мобильные. Смесители с небольшой производительностью (от 1 до 6 тонн) обычно применяются для изготовления стержней. На рисунке 8 показан смеситель Spartan 303Р, производительностью 3-6 тонны/час.

Рис. 8: Смеситель Spartan 303Р

Двурукавные позволяют охватывать большую площадь и попеременно использовать один смеситель как на формовочной линии, так и на плацу. На рисунке 9 показан смеситель Spartan 360АВ, производительностью 40-60 тонн/час, с гидравлическим подъёмным устройством и радиоуправлением.

Рис. 9: Смеситель Spartan 360АВ

В случае необходимости изготовления особо крупных отливок в формах из ХТС применяются передвижные (мобильные) смесители с производительностью до 100 тонн в час.

Рис. 10: Мобильный смеситель

Технические характеристики и габариты смесителей приведены на рисунке 11 и таблицах 1 и 2.

Рис. 11: Схема однорукавных и двурукавных смесителей

Таблица 1. Технические характеристики и габариты однорукавных смесителей

Таблица 2. Технические характеристики и габариты двурукавных смесителей

Таблица 3. Производительность нагревателей песка

Вибростолы

После заполнения опоки или стержневого ящика смесью необходимо произвести её уплотнение. ХТС-смеси обладают хорошей текучестью, заполнение формы происходит равномерно и смесь достаточно плотно располагается в форме. Для достижения оптимальной плотности формы достаточно использовать небольшое виброуплотнение. Разработанные для виброуплотнения столы имеют различные геометрические размеры и грузоподъёмность (рисунок 12,таблица 4).

Рис. 12: Схема вибростола

Таблица 4. Габаритные размеры и грузоподъёмность вибростолов

Конструктивно вибростол состоит из корпуса, двух вибромоторов и независимой вибрирующей рамы, которая перемещается вверх-вниз. В начале работы виброрама движется вверх (ход рамы 20…50 мм), поднимает установленную на корпус плиту с формой, включаются вибромоторы и в течении небольшого промежутка времени происходит виброуплотнение, после чего виброрама опускается, плита с формой остаётся на корпусе и затем удаляется для дальнейшего отверждения и кантовки. В зависимости от назначения вибростолы могут комплектоваться приводными и неприводными роликами, инверторами для изменения частоты и амплитуды виброударов. На рисунке 13 показан вибростол с неприводным рольгангом.

Рис. 13: Вибростол

Для небольших литейных участков с малой механизацией труда для получения готовой формы достаточно иметь смеситель, вибростол и средства кантовки (манипулятор или кран). Однако, когда изготавливаемая предприятием литейная продукция имеет широкую номенклатуру, разносерийность и достаточно большой годовой объём, то процесс изготовления формы необходимо максимально автоматизировать, а влияние человеческого фактора, наоборот, минимизировать. Решением этих задач является использование автоматических формовочных линий (АФЛ). Компания "Omega" предлагает два варианта АФЛ: формовочная карусель и система Fast-Loop.

Принцип работы шестипозиционной формовочной карусели (рисунок 14). На позиции смены оснастки происходит установка на формовочную карусель подмодельной плиты с закреплённой на ней деревянной модельной оснасткой, карусель делает поворот на 600 и толкатель перемещает плиту с модельной оснасткой на вибростол. На вибростоле происходит заполнение формы смесью из смесителя, включается виброуплотнение, оператор счищает излишки смеси, заполненная форма возвращается на карусельную установку и карусель делает новый поворот на 600. Через четыре поворота заполненная форма попадает на позицию перемещения в автоматический кантователь. В течении этого времени в форме происходит процесс полимеризации и она набирает "манипуляторную прочность", позволяющую производить дальнейшие операции с формой. В кантователе происходит кантовка модельной оснастки, извлечение кома смеси из оснастки, передача кома на ленточный конвейер для дальнейшей работы с ним. Плита с модельной оснасткой возвращается на карусельную установку. На позиции смены оснастки она либо заменяется на другую оснастку, либо продолжает повторно использоваться.

Рис. 14: Схема формовочной карусели

На шестипозиционной карусели можно организовать изготовление трёх комплектов разных или одинаковых форм, используя шесть модельных оснасток. Если принять, для примера, период достижения "манипуляторной прочности" 12 минут, то производительность формовочной карусели будет составлять 20 полуформ (или 10 форм) в час. Если же габариты изготавливаемых форм позволяют разместить их на подмодельную плиту попарно (форма низа и форма верха), то производительность карусельной установки вырастает в два раза.

Карусельная установка является компактным и экономичным решением для изготовления форм с размерами до 1600х1200х475 (типовые размеры карусельных установок приведены в таблице 5). Карусель можно использовать как отдельно стоящую установку, так и встраивать в полностью автоматизированную формовочную линию. Пример компоновочного решения с карусельной формовочной установкой, кантователем и ленточным конвейером приведён на рисунке 15.

Рис. 15: Автоматическая линия с карусельной установкой

Таблица 5. Технические характеристики карусельной установки

Для более крупных форм, а также при больших масштабах производства применяется система Fast-Loop.

Описание работы системы Fast-Loop (рисунок 16). Линия включает следующие основные узлы: два приводных рольганговых конвейера (поз.1,2), в один из которых встроен вибростол (поз.3); две приводные передаточные тележки (поз.4,5) с приводными рольгангами; позиция смены оснастки (поз.6); кантователь (поз.7). Оснастка с позиции смены оснастки (поз.6) перемещается на передаточную тележку (4), затем транспортируется на рольганговый конвейер (1). На позиции (3) оснастка заполняется смесью из смесителя (8), виброуплотняется и перемещается вправо на позицию удаления (срезки) излишков смеси. Затем подаётся на передаточную тележку (5) и перемещается на возвратный рольганговый конвейер (2), по которому движется в сторону кантователя (7). За время движения от вибростола до кантователя форма должна набрать "манипуляторную прочность". С возвратного конвейера (2) передаточной тележкой (4) заполненная форма передаётся в кантователь. Из кантователя извлечённая полуформа уходит влево на дальнейшие операции, а освободившаяся оснастка передаётся назад на передаточную тележку (4). В зависимости от программы она либо снова передаётся на конвейер (1) или возвращается на позицию смены оснастки, где заменяется на новую. Обычно рольганговые конвейера состоят из 6 - 12 позиций.

Рис. 16: Схема формовочной линии Fast-Loop

Кантователи и манипуляторы

После достижения формой "манипуляторной прочности" необходимо произвести разъединение отверждённой полуформы и модельной оснастки. На формовочных линиях для этого используются автоматический кантователь.

Принцип действия: отвержденная форма подаётся в кантователь, подмодельная плита жёстко зажимается, сверху по четырём вертикальным направляющим опускается каретка. Контролируемое движение каретки осуществляется гидравлическими цилиндрами. Каретка представляет собой металлический корпус с закреплённым на нем приводным ленточным конвейером. При достижении верха формы и плотном его закрытии движение каретки прекращается, форма прочно прижата. Кантователь поворачивается на 180 градусов и каретка с отверждённой полуформой начинает опускаться вниз. Закреплённая подмодельная плита с оснасткой остаётся неподвижной. При затруднениях с извлечением полуформы из модельной оснастки включаются вибраторы.

Опустившись, извлечённая полуформа выдаётся из кантователя и транспортируется далее для дальнейших операций с ней. Кантователь поворачивается в начальную позицию, подмодельная плита освобождается от зажимов и возвращается на формовочный участок. Общий вид кантователя приведён на рисунке 17. В таблице 6 представлены технические параметры стандартных кантователей.

Рис. 17: Общий вид кантователя и передаточной тележки

Таблица 6. Модели кантователей и максимальные габариты форм

Для дальнейшей работы с формами (сборка, перемещение) компания "Omega" выпускает широкий спектр манипуляторов. Манипуляторы электрические и гидравлические, с максимальной грузоподъёмностью до 15 тонн (Рис. 18, таблица 7).

Рис. 18: Манипулятор

Таблица 7. Технические характеристики манипуляторов

Манипулятор обычно подвешивается на кран-балку, которая передвигается вдоль сборочного конвейера. Применяются также гидравлические манипуляторы-балки. Управление манипулятором и подъёмно-транспортным устройством осуществляется на едином пульте управления. Для удобства и безопасности оператора пульт располагается сбоку на раме манипулятора.

Окраска форм

После извлечения модели из формы необходимо нанести на полученный отпечаток противопригарное покрытие. Применяют огнеупорные покрытия (краски) как на водной, так и на спиртовой основе. Для окрашивания форм в основном используется три метода: облив, пульверизатор и ручная окраска кистью. Наиболее качественное окрашивание достигается методом облива. Существующие установки предполагают различную автоматизацию данного процесса:

1. Встраиваемая в линию полуавтоматическая гидравлическая установка для форм с максимальным размером 2х3 метра. Форма заходит в окрасочную камеру, зажимается и происходит поворот установки вокруг своей оси. Наклон рабочей плоскости формы позволяет оператору произвести качественный облив внутренних полостей формы, лишняя краска стекает в приёмный бункер. Схема установки приведена ниже (рисунок 19).

Рис. 19: Схема установки окрашивания форм методом облива

2. Встраиваемая в линию пневматическая станция для форм с максимальным размером до 1500х1500 мм. (Рисунок 20).

Рис. 20: Облив формы

3. Установка окрашивания форм жидкой краской, максимальный размер форм 1800х2500 мм. Манипулятор устанавливает форму над ванной с краской, оператор производит облив поверхности. Может применяться как отдельно, так и встраиваться в линию (Рисунок 21).

Рис. 21: Схема окрашивания форм с помощью манипулятора

Для форм, окрашенных краской на водной основе, необходимо дальнейшее подсушивание в специальных сушилах. На рисунке 22 показано инфракрасное сушило для форм с максимальной высотой 300 мм. Также используются конвекционные печи непрямого нагрева для сложно просушиваемых форм и стержней.

Рис. 22: Инфракрасное сушило

Формы, окрашиваемые краской на спиртовой основе, зачастую просто поджигаются. Слой растворителя достаточно быстро выгорает и форма готова для дальнейшей работы.

Оборудование компании "Omega Foundry Machinery Ltd" на территорию России поставляет "Клуб литейщиков" (г. Москва), на территорию Украины - ООО "УКРЕСТ" (г. Запорожье).

Сведения об авторе:

• Трещалин Александр Викторович - зам. технического директора "Клуб литейщиков", к.т.н., т.: +7 (495) 937-16-94; 623-56-57; ф.: +7 (495) 623-48-26; E-mail: mail@foundryclub.ru; www.foundryclub.ru.

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №4 (92) 2008 г.