Техническое перевооружение смесеприготовительных отделений: выбор типа смесителя и поэтапная комплектация

Имеется ряд причин, которые в настоящее время вынуждают отечественных производителей литья проводить техническое перевооружение производства:

• потеря выгодных заказов, нестабильная загрузка производства - из-за невозможности производить качественное литье на имеющемся оборудовании;

• высокие затраты на ремонт изношенного оборудования, частые простои;

• высокие потери от брака, большой процент скрапа, большие затраты на доводку отливок, низкий выход годных отливок;

• невозможность снизить производственные затраты при имеющемся оборудовании;

• другие.

Одно из наиболее физически изношенных и технологически устаревших звеньев в отечественных литейных производствах - это смесеприготовительные отделения, которые являются одним из важнейших компонентов производства наиболее распространенного метода литья - в одноразовую песчано-глинистую форму.

При этом методе литья, по разным данным, 45-55% неустранимых дефектов литья возникают из-за низкого качества формовочной смеси, 30-40% - по вине металла, остальные причины - в процессах формовки, извлечения модели и других (рис.1). Повышенный возврат металла увеличивает расход энергии, огнеупоров, модификаторов, затраты на доводку отливок, снижает производительность и значительно увеличивает производственные затраты.

Рис. 1. Удельный вес причин неустранимых дефектов литья, возврата, брака и других

Поскольку финансовые возможности большинства отечественных литейных предприятий ограничены, в связи с чем закупка современного комплектного оборудования недоступна, - важны правильные ответы на вопросы:

• с какого участка начать перевооружение?

• в какой последовательности?

• восстанавливать имеющееся или заменять другим?

• каким именно?

Приготовление качественной песчано-глинистой смеси (ПГС) включает два комплекса технологических операций, которые должны выполняться соответствующим оборудованием:

1. Кондиционирование (восстановление свойств) горелой смеси включает:

1.1. Охлаждение, с предварительным усреднением по влажности и температуре.

1.2. Точное весовое дозирование и ввод в смесь освежающих добавок.

1.3. Точное измерение влажности и точное предварительное увлажнение.

1.4. Вылеживание смеси; может быть заменено интенсивной обработкой смеси.

2. Приготовление освеженной смеси для формовки включает:

2.1. Смешивание с покрытием зерен песка равномерным слоем освеженного связующего.

2.2. Разрыхление и аэрация для подачи на формовку.

Рис.2. Варианты современного типового процесса качественного приготовления ПГС, если для смешивания применяется традиционный смеситель. (W%, T' - рекомендуемые точки измерения влажности и температуры смеси)

Рассмотрим эти операции по их значимости для обеспечения высокого качества смеси.

Смешивание. В настоящее время в смесеприготовительных отделениях отечественных литейных производств в качестве основного смесителя практически везде используются смесители каткового типа - бегуны. Они обрабатывают массу путем раздавливания слоя массы при накатывании на нее катков и путем растирания раздавленной массы при проворачивании катков по поверхности днища чаши. Этих операций недостаточно для получения качественной формовочной смеси. После бегунов и других смесителей, работающих на том же принципе, в линии смесеприготовления должен быть установлен разрыхлитель/аэратор, который на ряде отечественных предприятиях отсутствует. Функциональные возможности бегунов для работы с ПГС ограничены.

Оборудование, реализующее принцип раздавливания и растирания, использовалось с ХIХ века для получения смесей из комовых глин при влажности 15-30% и в этой области до сих пор применяется. В начале ХХ века, когда зачастую в смесь вводили комовую бентонитовую глину, Симпсон усовершенствовал конструкцию и создал смесительные бегуны для формовочных смесей в производстве литья. До 1950-60-х годов бегуны были основным агрегатом для приготовления формовочных смесей. В 1950-х годах были созданы первые интенсивные смесители бескаткового типа, что позволило значительно улучшить свойства формовочной смеси и снизить потребление энергии на смесеприготовление и расход материалов. С тех пор, по мере износа бегунов, все больше литейных производств оснащаются такими интенсивными смесителями. К примеру, практически все производители литья в бывших странах СЭВ при проведении технического перевооружения заменяют катковые смесители (бегуны) на интенсивные смесители бескаткового типа.

Дальнейшая ориентация на бегуны как смеситель ПГС не может быть рекомендована.

Охлаждение горелой смеси. В условиях поточного производства горелая смесь поступает с выбивки со средней температурой 80-120'С, в зависимости от формы отливки и соотношения металл/форма, а местами достигает более 200-300'С.

Поэтому после выбивки горелая песчано-глинистая смесь (ПГС) должна быть охлаждена до температуры не выше 45'С или до температуры, превышающей температуру в цехе не более чем на 15'С.

Если смесь не охладить до указанных температур и из неохлажденной смеси приготовить смесь на формовку, то еще до заливки металла влага испарится с поверхностей формы, контактирующих с металлом, и форма потеряет прочность в самых ответственных ее участках и осыпется, что приведет к браку отливки.

При введении воды в неохлажденную горелую смесь в бегунах, вода испаряется и конденсируется на катках и стенках чаши, в результате значительная часть массы налипает на поверхности катков и чаши и не участвует в процессе смешивания.

Поэтому, при отсутствии охладителя на первых этапах перевооружения, использование бегунов не может быть рекомендовано также с точки зрения работы с неохлажденной или недостаточно охлажденной смесью.

Аэрация необходима для разрыхления смеси, исключения мелких комков, обеспечения формовочных свойств. При использовании бегунов в качестве основного смесителя необходим отдельный агрегат для разрыхления и аэрации смеси.

Вылеживание или бункерование в отстойниках необходимо, поскольку для проявления бентонитом связующих свойств требуется время для усвоения им воды. В созданных ранее традицион-ных линиях установка дополнительных бункеров была дешевле, чем использование дополнительных бегунов или замена дорогостоящими в то время интенсивными бескатковыми смесителями.

На рис.3 представлены различные технологические схемы приготовления качественной формовочной смеси в зависимости от используемого типа смесителя.

1. Традиционная схема

2. Прогрессивная схема

3. Высокотехнологичная современная схема

После выбора технологической схемы в пользу современного смесителя следует выбор типа интенсивного смесителя.

Интенсивные смесители отличаются от смесителей других типов наличием сравнительно быстро вращающегося ротора с лопатками, благодаря которому процесс смешивания происходит быстро (в разы и десятки раз быстрее по сравнению с традиционными - неинтенсивными смесителями), более качественно, с меньшим энергопотреблением, с большей стабильностью свойств смеси от замеса к замесу.

При вращении ротора, его лопатки разбрасывают набегающую на ротор смесь по емкости смесителя, равномерно и многократно распределяют малые порции смеси в основной массе смеси, находящейся в смесительной емкости [6].

Признанным лидером по качеству смесеприготовления и другим технологическим характеристикам является интенсивный смеситель с вращающейся емкостью, который отличается от роторных смесителей с неподвижной чашей: большей технологичностью, экономичностью, универсальностью, качеством смешивания, меньшим износом и другими преимуществами. Детальное сравнение основ-ных типов интенсивных роторных смесителей - с вращающейся емкостью и с неподвижной чашей - тема отдельного рассмотрения.

Всего в мире интенсивные смесители с вращающейся емкостью разрабатывают и поставляют менее 10 фирм. Есть такой поставщик и в Украине.

Интенсивные смесители с вращающейся емкостью отличаются гибкостью и легко могут быть приспособлены к конкретным технологическим потребностям путем изменения количества, конфигурации и скорости вращения рабочих смесительных органов в широких пределах, путем изменения мощности приводов и другими приемами.

На рис.4 показаны некоторые варианты типового исполнения предлагаемых смесителей. Каждый из них является высокоэфффективным смесителем, разрыхлителем и аэратором, может быть выполнен: для работы в непрерывном режиме, для охлаждения горелой смеси, для интенсивной обработки смеси вместо вылеживания, для других операций.

а)	б)	в)
Рис.4. Некоторые варианты типового исполнения предлагаемых интенсивных смесителей с вращающейся емкостью одного и того же типоразмера: а) с ротором и мешалкой, которая обеспечивает макроперемешивание и быструю выгрузку; б) с одним ротором; в) повышенной производительности с двумя роторами.

В [6] приведены освоенные типоразмеры интенсивных смесителей с диаметром вращающейся емкости от 700 мм до 2100 мм.

Типоразмеры 700 и 900 недостаточно эффективны в качестве основного смесительного оборудования в приготовлении ПГС. Малые смесители с успехом могут быть использованы, например, для предварительного смешивания в нужных пропорциях освежающих добавок (песка, бентонита, угольной пыли, других) и увлажнения. Эта освежительная смесь подается в основной смеситель, где смешивается с горелой смесью. При этом упрощается система транспортирования освежающих добавок к взвешивающим бункерам основного смесителя.

Рис.5. Стоимости типоразмеров предлагаемых интенсивных смесителей с вращающейся емкостью в сравнении с импортным

На рис.5 приведены уровни стоимости предлагаемых интенсивных смесителей с вращающейся емкостью типового исполнения (ТИ) с заложенными возможностями дооснащения до нового поколения (НП) в сравнении со стоимостью типового импортного смесителя такого же принципа действия.

Поскольку уровни стоимости базовых комплектов предлагаемых смесителей типоразмеров 1200/1500 и 1800 почти одинаковы, для большинства литейных производств малой и средней мощности целесообразно устанав-ливать типоразмер 1800 ввиду возможности его дооснащения и намного большей функциональности.

Учитывая необходимость получить ощутимый результат в повышении качества ПГС и соответственно качества отливок, при этом уложившись в приемлемый уровень затрат, можно рекомендовать следующие этапы перевооружения смесеприготовительного отделения.

1 этап:

Оптимальная комплектность первого этапа перевооружения:

а) интенсивный смеситель с запасом производительности,

б) автоматические весовые дозаторы горелой смеси и добавок с тензодатчиками,

в) система автоматического измерения температры и влажности и поддержания уровня влажности смеси с высокой точностью (± 0,05-0,1%), дозирования и ввода воды (АСВ),

г) система автоматического управления (САУ) с программируемым контроллером для управления работой смесителя, дозаторов, АСВ и других узлов.

При использовании рекомендуемого типоразмера смесителя, первоклассной АСВ западноевропейской поставки, узлов взвешивания и контроллера отечественной комплектации, - стоимость комплекта может быть выдержана на уровне затрат на аналогичный импортный интенсивный смеситель (рис.5). Такой комплект сразу позволяет значительно повысить качество формовочной смеси и стабильность работы производства, расширить возможности получения выгодных заказов.

При ограниченном финансировании, в качестве первого шага, возможен запуск комплекта ограниченной функциональности - с интенсивным смесителем и простым контроллером автоматического управления циклом работы смесителя, при максимальном использовании имеющегося на производстве оборудования, в зависимости от его состояния.

2 этап:

Обеспечение охлаждения оборотной смеси путем а) расширения состава комплекта первого этапа или б) его дооснащения или в) расширения его функциональности.

3 этап:

а) доукомплектация системы измерения и поддержания влажности (АСВ) системой контроля и оперативной корректировки свойств формовочной смеси в режиме реального времени.

б) расширение САУ системой визуализации производственного процесса и протоколирования.

С точки зрения минимизации затрат на перевооружение следует планировать изготовление своими силами металлоконструкций, вспомогательных узлов, выполнение монтажных и других работ.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М., "Машиностроение".1977.

2. Снисарь В.П. Современные технологии смесеприготовления для литья в песчано-бентонитовую форму. //Литье Украины, 2004. №10.

3. Снисарь В.П. Бентонит в литейном производстве и продукция ОАО "Завод утяжелителей". //Литье Украины, 2004.

4. Шинский О.И. Что необходимо сделать для наращивания экспортного потенциала украинских литейных предприятий. //Металл, 2004. №12.

5. Яновский А.М. Реновация оборудования: восстановление плюс модернизация. //Литье Украины, 2005. №4.

6. Долгополов В.Н. Отечественные высокоэффективные смесители для приготовления формовочных и стержневых смесей в литейном производстве. //Литье Украины, 2005. №6.

© В.Долгополов…1991-2005

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины" №8, 2005 г.