Вакуум-процесс отливок чугунных ванн в России

Ванны — давний атрибут человеческой цивилизации. Древние египтяне, греки, римляне изготавливали их из ценных пород дерева, из мрамора, полированной меди, а нередко и из серебра. Много позже появились ванны из листовой стали, отличающиеся своей легкостью. Такие ванны сравнительно дешевы, что обеспечивает им определенный спрос. Но тонкие стенки стальной ванны плохо держат тепло, создают шумовой эффект при наполнении водой, а со временем могут деформироваться, что приводит к откалыванию эмали.

Литые чугунные ванны наиболее распространены и по сей день. Большой спрос на них объясняется и новым жилищным строительством, и ремонтом старого жилого фонда. Ванны из чугуна более привычны для россиян, обладают неоспоримыми преимуществами - прочными стенками и надежной поверхностью. Стенки чугунных ванн совершенно неподвижны и «играть» никогда не будут (как стальные) — это важный показатель стойкости ванны к износу. Прочность чугунных ванн делает их очень устойчивыми и хорошо сохраняющими тепло.

Сегодня в магазинах выбор ванн поистине огромен. Сейчас, в век массового потребления, ванна перестала быть предметом роскоши и, соответственно, произведением искусства, хотя всегда можно подобрать ванну на любой, даже самый изысканный, вкус. Ванны различны по цене, форме, материалу, цвету, размерам и стране-изготовителю.

Ванна должна быть эргономичной, прочной и устойчивой к механическим повреждениям и растворяющему действию воды, экологически безопасной, хорошо сохраняющей тепло, электробезопасной и малошумной.

Рис. 1. Первые ванны, изготавливаемые по технологии вакуумно-плёночной формовки на Кировском заводе Калужской области

Достойный и созидательный путь прошел Кировский чугунолитейный завод за 265 год своей истории, включая и последний этап грандиозной модернизации, внедрением самого современного литейного технологического процесса (вакуум-пленочной формовки). А начинался этот путь так: в 1745 г. с разрешения царского правительства калужские промышленники и купцы братья Золотарёвы и Фалеевы основали на реке Песоченке Серпейского уезда Калужской провинции железоделательный молотовый завод. Основными предпосылками было наличие значительных запасов железных руд и лесов для производства древесного угля. Однако из-за отсутствия достаточных оборотных средств купцы заложили свой завод барону А. Строганову с братьями, которые вскоре стали полновластными хозяевами завода и приписанных к нему работных людей. В феврале 1749 г. завод перешел в собственность известного калужского промышленника Афанасия Абрамовича Гончарова. Ему и его наследникам Песоченский завод принадлежал 90 лет. Архивные документы дают представления об ассортименте выпускаемой продукции - это было чугунное литье и «железные поделки»: котлы, наковальни, треноги, таганы, ухваты, петли, гвозди, полосное железо, горшки, сковороды, жаровни и др. изделия.

В 1749г-1750 г.г. на заводе выплавлено железа ок. 32 тыс. пудов. В 1764 г. продано изделий чугунных и стальных весом более 10 тыс. пудов. В 1839 г. у наследников Гончарова — Голынских Песоченские заводы приобретает брянский помещик и заводчик Иван Акимович Мальцов, от которого они переходят к его сыну Сергею Ивановичу. В 1890-1892г г. на Песоченском заводе была сооружена плотина и установлена гидротурбина мощностью 100 квт/час.

Рис. 2. Декоративное литьё — самое старинное направление деятельности Кировского завода. Использование чугуна как материала для изготовления декоративного литья позволяет удачно сочетать массивность и изящество

В годы Первой мировой и Гражданской войн завод производил продукцию для фронта — чугунные полуфабрикаты для мин, бомб, гранат, всего более полутора десятков наименований. Работало на заводе в первой четверти XX в. около 1000-1300 рабочих, несколько инженеров и мастеров. В 1947 г. завод по заданию правительства освоил производство чугунных эмалированных ванн и отправил потребителям 6.013 шт. этих изделий.

Новым шагом в расширении объемом в совершенствовании технологии производства стала семилетка (1959-1965). Всего за семилетие выпущено: ванн — 1.526.500 штук, раковин — 1.940 тыс. штук, моек — 862 тыс. штук, отопительных котлов типа ВНИИСТО — 350 тыс. укм. За неполные три последних пятилетки (1971-1984г.г.) кировские литейщики дали стране купальных ванн 4.947.590 шт. Столько новых квартир тогда было оборудовано кировскими ваннами.

1999 и 2000 годы прошли в обстановке экономической стабильности, чем предыдущие. Это позволило предприятию работать в относительно нормальных условиях, что положительно сказалось на результатах и планах модернизации. Технические службы завода постоянно успешно решают вопросы экономии энергоресурсов и улучшения экологии региона создав безотходное литейное производство. Сегодня, чтобы нормально жить и работать, заводчане должны выпускать только конкурентоспособную продукцию.

Отливки по Вакуум-процессу - самые дешевые и качественные

На ОАО «Кировский завод» в 2004-2005 годах впервые в России с начала «перестройки» успешно реализован крупный инвестиционный проект по модернизации литейного производства и достигнут бесспорный успех по запуску полностью автоматизированной линии вакуумно-плёночной формовки для отливок чугунных ванн. Практически одновременно с Кировским заводом линии вакуум-пленочной формовки решили закупить заводы «Универсал», г. Новокузнецк и Промлит, г. Чебоксары, а уже через год Сумской Центролит и Благовещенский арматурный завод, затем «Востокмашзавод» (Казахстан) и др., после чего огромное число литейных заводов СНГ проявили интерес к этой ранее закрытой японскими патентами самой современной литейной технологии (в т.ч. Казцинкмаш, Казахстан; ВКМ-Сталь, г. Саранск, Россия; Криворожский Завод Горного Оборудования, Украина; Тихвинский Вагоностроительный Завод, Россия и др). Но эти первые заводы и их руководители всегда будут первыми, кто занялся в новую экономическую эпоху созидательной деятельностью по модернизации литейного производства, тем более путем внедрения самых передовых технологий «прорыва», таких как Вакуум-процесс.

Теперь уже литейные заводы Европы проявляют интерес к визитам в Россию с одной целью – посмотреть современное литейное оборудование, а это «дорогого стоит». И в этом нет ничего странного, ведь это действительно самые современные и самые автоматизированные линии с рядом новых последних технических «ноу-хау».

Рис. 3. После модернизации Кировского завода Губернатор Калужской области А. Д. Артамонов вручает ордена и медали главным и ведущим специалистам завода

Переговоры Генерального директора ОАО «Кировский завод» О.В. Кучерова с представителями ряда западных фирм начались в январе 2003 года.

Ускорить ход работ позволило принятое руководством завода решение разместить новую линию в корпусе бывшего литейного цеха № 2, где ранее отливались ванны по традиционной технологии. В короткий срок силами заводских специалистов и рабочих помещение было подготовлено для установки и монтажа оборудования. Все надеялись, что первая современная формовочная линия будет запушена на Калужской земле и на Кировском чугунолитейном заводе, что и было реализовано, благодаря заводскому опыту и традициям.

В соответствии с заключенным контрактом поставки основного оборудования осуществлялись немецкой фирмой HWS-Sinto — ведущего мирового производителя формовочного оборудования.

Компанией «Inductotherm» из США был выполнен заказ на изготовление и поставку в Киров индукционного миксера с нагревом для жидкого чугуна ёмкостью 4 тонны. Чугун из вагранки, расположенной в соседнем цехе, по улице доставляется на электрокарах, что соответствует транспортировке жидкого металла на большинстве заводов Европы. Миксер позволил отказаться от создания для новой линии собственного плавильного участка и использовать жидкий чугун, приготовленный на ранее существующих мощностях.

На многих заводах стран СНГ проблема доставки металла к формовочной линии, как правило, представляет систему сложных подвесных транспортеров и/или кран-балок, тогда как, в Европе очень давно перешли на напольный транспорт. Часто в крупном цехе можно увидеть одновременное перемещение сразу 5-10 электрокаров с ковшами жидкого металла, как например, на заводе Fritz Winter, где работают три линии HWS-Sinto и производится около 480.000 тонн отливок в год. Кировский завод тоже выбрал этот эффективный, современный и надежный способ своевременной доставки жидкого металла. В порядке анализа ситуации можно сказать, что только у нас и существует проблема как доставить жидкий металл, это сегодня решено просто и без существенных затрат, а главное с гарантией максимальной гибкости и переналаживаемости производства.

Одновременно с этим использовались и кооперационные поставки внутри России. Значительная часть вспомогательного оборудования была изготовлена непосредственно на заводе в механическом, механосборочном № 41 и 7-м цехах, специалисты и рабочие которых принимали заметное участие в его монтаже.

В итоге общая стоимость инвестиций в проект составила около 10 миллионов Евро. С пуском в строй новой линии на Кировском заводе производится 45 форм ванн в час, практически неограниченного числа моделей. При этом одновременно можно выпускать до восьми комплектов различных моделей ванн без замены модельных комплектов.

Рис. 4. Предварительный монтаж и отладки линии для Кировского завода в сборочных цехах фирмы HWS-Sinto в Германии

На обслуживании линии, где полностью исключено применении монотонного ручного труда, задействовано ограниченное число сотрудников, в основном операторов, а также инженеров и техников. Кроме того, система управления формовочной линии по модемной связи соединена с компьютерами технических специалистов немецкой фирмы производителя HWS-Sinto, что позволяет оперативно решать редкие, но важные вопросы диагностики линии, особенно на начальных этапах внедрения.

Сокращение практически на порядок, по сравнению с существующим производством, численности занятых в нём людей обеспечивает значительный рост производительности труда и низкую себестоимость отливки.

Применение вакуумно-плёночной технологии позволяет получать отливки ванн с практически идеальной поверхностью (RZ-75), не требующей значительной очистки и механической обработки. Кроме того, качественная отливка позволит намного сократить брак при эмалировании. Большой экономический эффект при этом обеспечивается и за счет уменьшения веса каждой из отливок. И это — далеко не полный перечень преимуществ и возможностей, которые дает ввод в строй новой линии.

Осуществив в 2004 год программу реконструкции и модернизации производства, ОАО «Кировский завод» вышел на российский рынок с современной продукцией — чугунными эмалированными ваннами — не уступающей по всем характеристикам лучшим мировым аналогам и полностью соответствующей современным европейским стандартам. Но в дополнение к экономике процесса изготовления качественных отливок по Вакуум-процессу, стоит постоянно помнить, что это еще и самая экологически чистая технология – нет связующих и во время заливки формы находятся под вакуумом, поэтому в цехе отсутствуют вредные газы и пыль, которые всегда сопутствуют другим литейным технологиям.

А) Подача модели низа на поворотной карусели	Б) Наложение нагретой пленки на модель
В) Захват и съем вакуумной полуформы низа с «болваном»	Г) Транспортировка форм
Д) готовая полуформа низа перед сборкой	Е) Предварительное кантование полуформы
Рис. 5. Рабочие операции формовочной линии Кировского завода

"Кировский завод" Калужской области – идеальный пример в модернизации литейного производства заводов стран СНГ. Рост производства чугунных отливок в 2009 кризисном году у модернизированных Кировского завода и “Универсал” составил более 15%. Суммарный объем производства на двух АФЛ по Вакуум-процессу составил ок. 40.000 т/г. Рост на фоне падения объемов производства большинства не модернизированных литейных заводов.

Рис. 6. Продукция безотходного литейного производства на Кировском заводе - строительные плиты и черепица из остатков пленки, пыли и песка. Во время 260-летия Кировского завода ген. директор О.В. Кучеров презентует новую продукцию Губернатору Калужской области А. Д. Артамонову и сразу получает большой заказ (2005 г.)

Ген. директор Кировского завода, к.э.н. М.Ю. Смирнов подтвердил эффективность модернизации литейного производства на литейной конференции в Калуге 18-21 января 2010 г. в присутствии руководства РАЛ, проф. С.С. Жуковского, проф. В.М. Сойфера и многих других ведущих литейщиков России и стран СНГ.

Таблица 1. Полная модернизация литейного производства России для изготовления отливок чугунных ванн

Показатели эффективности литейного производства Кировского завода после модернизации путем внедрения АФЛ по Вакуум-процессу:

• Производительность труда выросла в 3,5 раза

• Производственная площадь уменьшилась в 2,2 раза

• Брак снизился более чем в 2 раза

• Вес отливки снизился на 10-12%

Рост показателей эффективности, а также улучшение потребительских характеристик (гладкость отливки, малое коробление) позволили предприятию успешно конкурировать на рынке сантехники. Кроме того, АФЛ по Вакуум-процессу позволила "Кировскому заводу" впервые в России начать производство высококачественных каминных топок, значительная часть которых поставляется в страны Евросоюза.

Сегодня предприятие работает в три смены, включая воскресенье. Даже при падении общего внутреннего спроса объемы продаж чугунных ванн Кировского завода существенно выросли – идет активное импортозамещение!

Также интересен тот факт, что согласно законам конкуренции с лета 2009 г. все 100% отливок чугунных ванн в России и СНГ производят только по Вакуум-процессу!

Всем известно, что в элитных строительных магазинах крупных городов чугунные ванны представлены в основном от 4 главных поставщиков: «Кировский Завод», «Универсал» (Новокузнецк), Porcher (Франция) и Delafon (Франция). Все эти четыре завода отливки ванн получают по вакуумно-плёночной технологии.

Размеры опок автоматических формовочных линий (V-процесс) фирмы HWS-Sinto для чугунных отливок ванн и их производительность, соответственно:

• «Кировский Завод»: 2000x1250x750/200 мм, 45 форм/час

• «Универсал»: 2000x1250x750/200 мм, 45 форм/час

• «Porcher»: 2000х1100х750/200 мм, 48 форм/час

• «Delafon»: 2300х1250х755/250 мм, 15 форм/час

Рис. 7. Ген. Директор завода «Универсал», г. Новокузнецк г-н А.К.Киселев на выставке во Франкфурте осматривает современные чугунные ванны (2003 год)

Следует отметить, что тонкостенная отливка ванны является, пожалуй, одной из самых сложных. Представьте ее в «развернутом» виде листа толщиной 5 мм, длиной более 2500 мм, шириной 2000 мм. Такой лист можно получить в прокатном производстве, но отлить без дефектов это крайне сложно и больше уже результат бесспорного искусства технологов литейщиков заводов, огромный накопленный опыт производства данных изделий и конечно гарантии стабильной работы формовочного оборудования для обеспечения повторяемости качества отливок. Вопрос - можно ли отлить ванну с равными параметрами толщины и качества по другим технологиям, аналогичными полученным результатам? Ответ – сегодня только по вакуум-пленочной формовке.

А) Система автоматической установки-съема моделей литниковой системы и сварки пленок	Б) Система автоматической обрубки литников на конвейере
В) Главный металлург г-н Б.Машкин на фоне первой партии готовой продукции	Г) Конвейер залитых (январь 2005 г., на улице -30°C) форм автоматической линии
Рис. 8. Производство ванн после модернизации завода «Универсал», г. Новокузнецк (2005 год) и запуска вакуумно-пленочной литейной линии.

Стремление акционеров улучшить условия работы в литейных цехах предприятий, а также экономические причины способствовали разработке и срочному внедрению этого наиболее перспективного в настоящее время формовочного процесса. V-процесс – самый новый из способов изготовления песчаных форм (открыт ок. 35 лет назад), активно развивается ок. 25 лет и внедряется на передовые заводы России, Украины, Казахстана, Японии, Китая, Европы, США. Основой данного формовочного процесса является вакуум, посредством которого термопластичная формовочная пленка натягивается на соответственно подготовленную модель, что обеспечивает стабильность формовочного процесса без использования связующего в течение процесса заливки и охлаждения вплоть до операции выбивки (возможно с временным отключением вакуума при охлаждении отливок).

Рис. 9. Проба на жидкотекучесть по Вакуум-процессу (верхний ряд), форма по ПГС (нижний ряд), разница примерно около 30 %

Дополнительно сообщаем, что по вакуум-процессу отливают ванны в Японии, Китае и других странах мира, например, еще в 1996 году линия вакуумно-пленочной формовки для купальных ванн поставлена в Китай, город Нанханг, завод Nanchang TOTO, размеры опок – 1300x2200x725/355 мм, производительность -15,7 форм/час. Эти ванны идут в основном на рынок Китая.

Конечно, фирма HWS-Sinto в первую очередь является лидером по технологиям песчано-глинистой формовки (Сейатцу-процесс, воздушный поток + прессование) с объемом производства около 500 автоматических линий с 1983 года. Например, на ОАО КАМАЗ в цехе чугунного литья в 2004 и 2005 годах запушены две линии фирмы HWS-Sinto по ПГС-процессу (Сейатцу-процесс, размеры опок 1500х1100х400 и 1100х750х300 мм). Также, следует отметить, поставку линий для арматурных заводов в г. Муром и г. Пенза (конечно, для достаточно мелких отливок с диаметром проходного сечения вентиля до 200-250 мм), для Луганского литейно-механического завода, Уралвагонзавода (г. Нижний Тагил) и др. Самый крупный потребитель отливок, полученных на линиях ПГС методом воздушный поток плюс прессование - это массовое производство, например для автомобилестроения, где требуется особо высокая производительность автоматических формовочных линий 100-300 форм в час. И при производительности более 100 форм в час у технологии ПГС нет конкурентов.

Однако для многих отливок все же предпочтительнее рекомендовать использовать V-процесс, например, для чугунных ванн, средних и крупных арматурных отливок – вентилей и задвижек, особо тонкостенных и протяженных отливок, средних и крупных стальных отливок, железнодорожных отливок «рама» и «балка», корпусов конусных дробилок из марганцовистых сталей и ряда других. В тех случаях, когда достаточна относительно низкая производительность формовочного оборудования, например, 45 форм в час, как на Кировском заводе и заводе «Универсал», то у технологии вакуум-пленочной формовки вообще нет сравнимых по параметрам конкурентов.

Главное преимущество выбранной и освоенной на заводах технологии - стоимость и качество отливок по вакуумной форме - вне конкуренции. При этом, вакуум-процесс самый экологически чистый, и можно сказать, что он отличается от старых традиционных технологий литейного производства больше чем деревянные счеты бухгалтера от современного компьютера при трудоемкости выполнении похожих функций. Литейщикам важно помнить, что все время заливки и частичного охлаждения из формы производится отсос газов через вакуум-насосы, что дополнительно гарантирует целый ряд существенных технологических преимуществ для обеспечения особо плотных отливок без наличия газовых и иных дефектов.

Литье по вакуум-пленочной формовке позволяет стабильно получать отливки высшего уровня качества с минимальными толщинами стенок, но такие высокие возможности не должны расслаблять литейщика при проектировании технологического процесса. По-прежнему, неправильно назначенные параметры процесса или температурные режимы могут привести к браку. Однако сегодня литейщик может проверить технологию еще на этапе проектирования, выполняя так называемые виртуальные [компьютерные] испытания. Одним из наиболее мощных инструментов такого анализа является пакет программ FLOW-3D (www.flow3d.ru, www.flow3d.com), разработанный компанией Flow Science Inc. (США). Фактически данный пакет представляет собой виртуальную литейную лабораторию для численного моделирования гидродинамических и тепловых процессов. Для учета специфики литейных технологий в пакете присутствуют специальные методы и модели (Течения со свободной поверхностью (включая струйные); Многофазные течения; Турбулентность; Кавитация; Диффузия; Течение через пористые материалы; Массовые частицы; Поверхностное натяжение; Замешивание воздуха; Сжимаемость потока; Теплоперенос и фазовые переходы; Затвердевание и усадка; Температурные напряжения и деформации; Подвижные элементы формы; Химические реакции в потоке; Электрические поля; Литейные дефекты и другое).

С 1984 года пакет программ FLOW-3D накопил богатый опыт решения самых разных литейных задач, а Российские участники последних выставок GIFA в Дюссельдорфе наверняка прекрасно помнят впервые представлявшиеся там пионерские разработки Flow Science Inc. по моделированию таких процессов, как пескодувное заполнение стержневых ящиков и эрозия литейной формы. Мы не случайно, остановили свой выбор на FLOW-3D, поскольку его гидродинамический решатель построен на основе полной системы уравнений гидродинамики и позволяет моделировать и течение расплава, и фильтрацию газов и взаимодействие в системах расплав-газы, расплав-форма. Конечно, на практике редко используется всесторонний анализ технологического процесса литья, и подробно анализируются только кинетика заполнения формы и затвердевания отливки с целью повышения эффективности работы литниковой, питающей и вентиляционных систем, а также прогнозирование видов брака и локализация мест их возможного расположения. FLOW-3D позволяет бороться на этапе проектирования технологического процесса с такими видами брака, как недолив, воздушные карманы, спаи, неслитины, размыв формы, замешивание воздуха, газовая и усадочная пористость, раковины, неоднородность химического состава (ликвация), окисные плены, шлаковые включения, трещины и коробление отливок и т.д. Но самое главное – он позволяет литейщику увидеть “своими глазами” и понять, что же там происходит в форме. Такое понимание литейных процессов “изнутри”, наверное, есть единственный правильный путь к совершенству в области литейных технологий.

С целью проверки спроектированной технологии изготовления отливки “ванна” было выполнено численное моделирование процесса заполнения литейной формы расплавом при разных температурах заливки. Моделирование течения расплава выполнялось одновременно с расчетом теплопереноса в системе расплав-форма-окружающая среда. Вязкость расплава менялась в соответствии с температурой и долей твердой фазы. Все расчеты произведены в трехмерной постановке с применением автоматической генерации мультиблочной сетки, что позволило промоделировать процесс заполнения даже на обычном компьютере Pentium-IV, 3.0 GHz, RAM 1GB. На рис. 10 представлена кинетика заполнения формы при начальной температуре расплава. Расплав окрашен в соответствии со шкалой температур, согласно различных вариантов проведенных исследований от 1320°C. Последовательность заполнения литейной полости подтвердила в целом правильное предварительное назначение размеров литниковой системы, места подвода расплава и установки выпора. Однако происходящее перемерзание потока в районе сливного отверстия ванны может привести к образованию дефекта типа “недолив”. Причем просмотр кинетики заполнения в цветах по шкале доли твердого (см. рис. 10), однозначно подводит нас к необходимости повышения температуры заливки. Моделирование процесса заполнения с температурой заливки 1390°C показывает правильность выбора начальной температуры расплава, поскольку обеспечивается спокойное направленное заполнение формы без опасности перемерзания потока.

Рис. 10. Моделирование процесса заливки и затвердевания ванн по программе FLOW-3D

Таким образом, несмотря на наличие литературной информации о беспроблемном изготовлении отливок “ванна” литьем по вакуум-пленочной формовке, нами была сделана жесткая рекомендация о необходимости выполнения температурного режима заливки и назначена рекомендуемая температура заливки. Таким образом, была подтверждена приемлемость спроектированной технологии для отливки “ванна” и дано соответствующее согласование на изготовление реальной пластиковой оснастки. Следует отметить, что деревянные и пластиковые модельные плиты наиболее целесообразны и эффективны для вакуум-процесса.

100% отливок чугунных ванн во Франции производят по Вакуум-процессу

Рис. 11. Фото с линии литья ванн по V-процессу во Франции на заводе «Porcher» (1985 год)

Рис. 12. Позиция осмотра полуформ верха до сборки на линии по вакуум-процессу для оценки качества.

Сведения об авторах:

• БУДАНОВ Евгений Николаевич - к.т.н., руководитель представительства в СНГ немецкой компании "HEINRICH WAGNER SINTO (HWS)", т.: +7 (499) 907-50-00, 907-52-55, 907-51-71; ф.: +7 (499) 907-21-50; e-mail: hws-moscow@nln.ru

• ГОЛЕНКОВ Ю.В. - к.т.н., компания «РПК»

• СМИРНОВ М.Ю. - генеральный директор ОАО "Кировский завод"

Опубликовано: ИТБ "Литьё Украины", №9 (121) 2010 г.