Вакуумные системы литейных участков..

В структуре себестоимости отливок, полученных с использованием метода вакуумно-пленочной формовки (ВПФ), одной из ее главных составляющих, являются затраты на создание и поддержание необходимого разряжения на каждой из операций в течение всего технологического цикла. Практика эксплуатации конструктивно разных комплексов (ВПФ), особенно автоматических линий, остро реагирующих на любые отклонения от заданных параметров работы оборудования, показала, не возможность достижения их паспортной производительности по причине, в первую очередь, не полного соответствия вакуумной системы фактическим условиям производства.

Существующие способы расчета объемов откачиваемых газо в на каждом из технологических переделов и определение максимального «расхода вакуума» на участке ВПФ для систем имеющих сложную разветвленную сеть трубопроводов с его многочисленными циклическими потребителями в своем индивидуальном временном отрезке:

- при использовании широкого размерного и химического состава расходных материалов (формовочный песок, облицовочная и герметизирующая пленки, антипригарная краска, стержневой состав), существенно влияющих на герметичность и газопроницаемость элементов оборудования и оснастки вакуумной системы;

- при применяемых схемах расположения некоторых узлов вакуумной системы, таких как вакуумный ресивер (аккумулятор), сечений трубопроводов и его конфигурации;

- при необходимости использования высокого либо низкого разряжений на разных не последовательных операциях, а так же, не возможности поддержания расчетных величин вакуума в течение всего цикла производства;

- при операционных сбоях требующих повторное их выполнение,

- при не возможности одинаковой аккуратной заливки форм без разлива расплава по ее поверхности, приводящего к значительному разрушению герметизирующих пленок и неконтролируемому подсосу воздуха, - не полностью соответствуют существующим фактическим данным его потребления. В таких случаях, даже вынужденное подключение резервного, дополнительного вакуумного насоса, используемого только во время ремонтов или замены вышедшего из строя любого из основных насосов, не позволит в полной мере восполнить не достающую потребность в объемах откачиваемых газов. На практике использование резервного насоса приводит к эпизодическим простоям работы литейного комплекса, либо снижению его производительности. При этом вакуумная система (сечение вакуумных трубопроводов), рассчитанная на определенный (меньший) объем прохождения газов, в этот период, будет работать не эффективно.

Еще на стадии технологического проектирования, исходя из заявленных требований к разрабатываемому комплексу оборудования, объем откачиваемых газов может определяться с использованием разных методов расчета.

 - Углубленный метод расчета, позволяющий определять скорости истечения газов на каждой из операций с учетом использования их эффективной величины разряжения. Такой способ расчета предполагает использование двух вакуумных систем с высоким и низким вакуумом, что конструктивно усложняет проектирование вакуумной системы, снижая общие энергозатраты работы литейного производства.

 - Упрощенная методика расчета производительности насоса при нормальном давлении (разряжении), позволяет укрупненно определять необходимые объемы откачиваемых газов. 

Данный расчет предполагает использование одной системы высокого вакуума с возможным использованием клапанов высокого и низкого давления, либо без клапанов, используя на всех операциях одинаковое разряжение, что снижает эффективность работы вакуумной системы.

Любые используемые методики расчета не могут полностью учесть многогранность меняющихся исходных данных и ситуаций такого производства, поэтому при расчете используют коэффициенты запаса, учитывающие возможные отклонения от расчетных условий.  

Любая методика основывается на первичных исходных данных, таких как;

размер опок в свету, расчетная производительность, тип планируемого литья, технические характеристики плавильных печей, конструктивных решений технологического оборудования, виды расходных  материалов и т.д., в той или иной мере влияющих на расчет «потребления вакуума» конкретным производством.

Вариант (упрощенный) расчета объемов откачки газов.  

Способы сокращения объемов откачки газа для каждой технологической операции.

Условные данные для расчета: К примеру, для опок размером: 2.0м*2.0м, в свету:

1.                V1 = к1*П (м3/мин), где;

V1 – объем откачки газов для удержания пленки в вакуумной рамке,

П - (периметр опоки) = 2 (А + В) (м),  А – длина опоки в свету, В – ширина опоки в свету,

                                                          П = 2 (2+2) = 8м

К1 – коэффициент объема воздуха-для этой операции (0.5-0.6).

                                                          V1 = 0.55 * 8 = 4.4 м3/мин.

Т1 – ориентировочное время выполнения операции = 1.0 – 3.0мин. (уточняется исходя из особенностей технологического оборудования).

Существующие конструктивные решения вакуумной рамки для удержания пленки в виде канавок разных сечений с отверстиями, не позволяют создать герметичную укупорку отверстий пленкой за счет волнистой деформации ее краев, что приводит к постоянному подсосу большого объема газов. Использование отдельных вакуумных присосок, расположенных на мягкой упругой основе (к примеру;  мягкой резины, силикона, т.п.) по периметру рамки, вместо канавок, в 2-3 раза повышает герметичность соединения, не нарушая его прочности, соответственно снижая объемы подсоса воздуха;

                                                 V1 = 4.4м3/мин : 2.5 = 1.8м3/мин.

При использовании механического крепления пленки, либо других способов ее удержания без вакуума (скотч, магниты и т.п.) на рамке, применяемых, чаще всего, на малопроизводительных участках, откачка воздуха не требуется. 

          2.                                  V2 = к2*П (м3/мин), где;

V2 – объем откачки газов при укладке пленки на модель,

К2 – коэффициент объема воздуха (0.8 – 1.2).

                                                        V2 = 1.0 * 8м = 8м3/мин.

Т2 – ориентировочное время откачки газов при укладке пленки на модель, не более 0.1-0.3мин.

На механизированных линиях время, затрачиваемое на облицовку модели, в большей степени зависит от опыта формовщика. На автоматических линиях время выполнения операции фиксированное. В случае не полной облицовки модели, связанной с не качественной облицовкой, либо любым дефектом пленки, цикл производства прерывается. В этом случае требуется повторное выполнение данной операции, при остановке работы всех остальных операций.

Сократить объем откачиваемого воздуха на этой операции можно путем:

- Начала отсоса  воздуха с подмодельной плиты только после прижатия к ней вакуумной рамки с пленкой, предотвращая подсос холодного воздуха по ее периметру.

- Применения более тонких (до 0.08мм), качественных облицовочных пленок с высоким содержанием винилацетата (до 19%) формирующих, в первый момент облицовки, «купол» пленки над моделью за счет ее естественной предварительной вытяжки.   

3.                                            V3 = 0.3*к3*к4*П*(м3/мин), где;

V3 – объем откачки газов для не залитой полуформы;

К3 – коэффициент эластичности, равный отношению потока воздуха, натекающего в щель по периметру между пленкой и опокой. Зависит от материала и толщины используемых облицовочной и герметизирующей пленок; - в пределах от 0.6 до 1.25;

 К4 – коэффициент, зависящий от модуля мелкости применяемого формовочного песка (от 0.75 до 1.25);

Как видно, использование различных расходных материалов оказывает существенное влияние на объем откачиваемых газов с полуформы.

                        V3 = 0.3 * 0.6 * 0.75 * 8м3/мин = 1.08м3/мин (минимум), 

                        V3 = 0.3 * 1.25 * 1.25 * 8м3/мин = 3.75м3/мин (максимум),

При не контролируемом использовании расходных материалов, «потребление вакуума» на не залитую  форму может отличаться друг от друга, почти, в 3.5 раза. Количество готовых форм, одновременно устанавливаемых под заливку расплавом, соответственно увеличивает объем отсасываемых газов.

Использование; тонких облицовочных (до 0.08мм) и герметизирующих пленок (от 0.03мм), а так же мелких фракций формовочного песка (от 0.065мм до 0.1мм), позволяют значительно снизить энергозатраты вакуумной системы. В единичном производстве, практически полная герметизация форм достигается, за счет склейки пленок с опокой, к примеру, силиконом, либо соединения пленки скотчем по периметру опоки. Такой подход позволяет осуществлять длительное время хранение форм до заливки без существенных затрат.    

4. V4 = 0.3*к3*к4*к5*П, где;

V4 – объем откачки газов для залитой и заливаемой полуформы;

к5 – коэффициент, зависящий от температуры заливки расплава (от 1.5 до 2.5);

для чугуна,                    V4 = 0.3 * 0.6 * 0.75 * 2.0 * 8м3/мин = 2.16м3/мин (минимум),

                                     V4 = 0.3 * 1.25 * 1.25 * 2.0 * 8м3/мин = 7.5м3/мин (максимум).

К сожалению, данный расчет, в полной мере, не учитывает, конструкцию производимой отливки, толщину и материал покрытия полости формы антипригарным составом, длину и форму литниковых ходов с прибылями и выпорами, способ заливки формы, количество и материал используемых стержней, величину прожига герметизирующей пленки, и на практике существенно отличается от полученных показателей. Кроме этого, объем отсасываемых газов, для поддержания необходимого разряжения (низкий вакуум) в залитой форме, как правило, меньше, чем для формы в процессе ее заливке.

Предварительное покрытие поверхности формы сухим огнеупорным составом, аккуратность заливки без разбрызгивания и потеков жидкого металла, выполнение рекомендаций, описанных для не залитых форм, существенно снизят энергозатраты на поддержание в ней необходимого разряжения.

     5.                   V5 = к6*П, где;

V5 – объем откачки газов при транспортировании залитой формы на выбивку;

к6 – коэффициент установленный практическим путем = 2-3. Величина  применяемого коэффициента зависит от степени термического разрушения пленок формы и плотности их прилегания к поверхностям опок.

                                              V5 = 2 * 8м3/мин = 16м3/мин (минимум),

                                              V5 = 3 * 8м3/мин = 24м3/мин (максимум).

Операция с самым высоким «потреблением вакуума».  Время выполнения такой операции должно быть минимальной.

Герметизация верхней части формы жестким листом перед ее транспортировкой на выбивку, многократно сократит «потери вакуума». Использование поддонов, либо применение способа перегрузки форм, позволят осуществлять их транспортировку без вакуума.

Построение пооперационной циклограммы работы технологического оборудования ВПФ на основании исходных данных и последующая разработка графика объемов откачки газов по времени с использованием проведенных расчетов, с выявлением их пиковых значений, возникающих при выполнении ряда совмещенных по времени операций, позволяет определить предполагаемую максимальную производительность вакуумных насосов. При не цикличности выполнения операций, что характерно для непроизводительных участков без продуманной временной очередности их выполнения, производительность вакуумной станции может достигать суммарному пооперационному объему откачиваемого газа. Для вычисления объемов откачки газов при планируемых объемах производства (идеальные условия), по графику определяют усредненный объем откачки газов в единицу времени (Vср.) с операционными поправками на высокий и низкий вакуум. Такой расчет проводиться для систем с использованием вакуумных аккумуляторов (ресиверов), компенсирующих периодические скачки объемов откачки газа (Vпик.) и одновременно поддерживающих требуемую величину разряжения. В последующем, учитывая возможные временные погрешности производства на каждой из операций, а так же тип используемых вакуумных насосов, определяют их количество и производительность (П).

Для подбора экономически обоснованной производительности вакуумных насосов, в условиях непостоянных, периодически меняющихся объемов отсоса газов, необходимо, что бы насосы работали непрерывно, создавая максимально возможное разряжение в ресивере с полезным объемом, позволяющим компенсировать временные скачки повышенного отсоса газов. Сечения трубопроводов вакуумной системы, соединяющих ресивер с «потребителями вакуума» посредством клапанов и датчиков давления, должны пропускать максимальные объемы газов без сопротивления, постоянно поддерживая требуемое разряжение (высокое или низкое) на каждой из операций. Особое внимание при проектировании должно быть уделено расчету объема ресивера (либо ресиверов) и типу вакуумных насосов. Только за счет замены вакуумных водокольцевых насосов на «сухие» типы насосов высокого вакуума (поршневые, ротационные, пластинчатые, винтовые…) с использованием систем очистки откачиваемых газов (циклонов, установок мокрой очистки), а так же установок накопления  и регулирования объемов откачки газов (ресивера) при заданном разряжении, сокращение энергозатрат работы вакуумной станции при ВПФ, может достигать 10-25%.

Рис.1 Принципиальная схема вакуумной системы для одного потребителя.

Поз.1 – Вакуумный насос.

Поз.2 – Трубопровод высокого разряжения (Р1).

Поз.3 – Установка очистки газов.

Поз.4 – Ресивер высокого разряжения (Р1).

Поз.5 - Трубопровод низкого разряжения (Р2).

Поз.6 – «Потребитель» низкого вакуума (Р2).

Вакуум-система включает в себя; вакуум-насос, ресивер, установку очистки газов, обратный и регулирующий клапаны, датчик давления, вакуумметр и трубопроводы.

Принцип расчета вакуумной системы для одного потребителя (Рис.1):

Vср. – средний объем откачки газов.

Vпик. – пиковый объем отсоса газов.

Тпик. – время действия пикового отсоса газов.

Р1 – разряжение создаваемое вакуумным насосом в ресивере.

Р2 - требуемая операционная величина разряжения.

К – поправочный коэффициент, зависящий от не плотностей вакуумной системы. 

1. Производительность вакуумного насоса:    П= (Р1+Р2)/Р2 ×Vср ×К;                                    

2. Дополнительный объем откачки воздуха:   Vдоп.=(Vпик.- Vср.)×Тпик.;                     

3. Расчет объема ресивера:   V=(Р1+Р2)/Р2 × Vдоп.×К;                                                                                  

 К сожалению, на практике, для некоторых выполняемых операций (сборка, заливка, транспортирование, кантовка), в случае возникновения непредвиденных ситуаций,  требуется более длительное поддержание необходимого разряжения. В противном случае возможны негативные последствия. Оптимальный объем ресивера должен позволять поддерживать нужное разряжения в период экстренных ситуаций, для этого в расчете используют операционные данные максимального расхода с учетом требуемого времени на их завершение (выполнение).

В форме, при постоянном использовании большого объема стержней, изготавливаемых из крупных фракций стержневых песков, по мере их циклического оборота, происходит его накопление. Такое накопление ведет к увеличению размера пор между частицами песка и, соответственно, к значительному увеличению объемов прохождения (отсоса) газов. (К примеру: на предприятии «Новые Литейные Технологии» в Набережных Челнах, использующих технологию ВПФ, при отсутствии полноценной системы регенерации песка, накопление крупных фракций в общем составе формовочного песка, привела к необходимости подключения резервного вакуумного насоса уже при 50% загрузке линии.)

Используемая литература:

1. Дорошенко В.С., Бердыев К.Х. // Вакуумные системы литейных участков. // УДК 621.744.072.2. – 2013.
2. Захлыпа Ю.М., Прокопенко А.А., Макеев Н.П., Близнюк-Квитко А.Л. // Проектно-технологический институт машиностроения имени xxvl съезда кпсс (министерство тяжелого и транспортного машиностроения), // Технологические рекомендации по изготовлению отливок методом вакуумно-пленочной формовки. - 1981.
3. Кузнецов В.П. // SINTOKOGIO, LTD, // Вакуум-процесс. Книга «НОУ-ХАУ». – 1982.
4. Феклин Н.Д., Воронин Ю.Ф. // Дефекты литья при вакуумно-пленочной формовке и факторы, влияющие на их образование. // ИТБ «Литье Украины», - №7 (191), -2016.

                  Литье Украины, №1, 2021, с. 15-20