Вспомним забытые технологии: технологии производства литых тюбингов
Статьи от автора: Белобров Е.А.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Мы назвали настоящую публикацию «Технологии производства литых тюбингов». Однако мы не располагаем информацией о нелитых тюбингах, хотя, если их нет в настоящее время, то они вполне могут появиться в будущем с появлением новых материалов и технологий.
Слово «тюбинг» происходит от английского «tube», что означает «труба».
Тюбинг – это сегмент большого кольца. Несколько сегментов соединенных вместе, образуют большое кольцо диаметром в несколько метров и шириной 1,0 – 1,5 м.
Множество таких колец, соединенных своими торцами, образуют огромную трубу, располагаемую под землей на определенной глубине.
Внутри этой трубы располагаются рельсовые пути для движения вагонов метрополитена, кабели, аппаратура для контроля движения и прочая амуниция.
Известно, в частности, что в настоящее время для строительства новейших очередй Московского метрополитена используются кольца и соответственно тоннели, обраруемые этими кольцами, внутренними диаметрами 6 м для прокладки внутри тоннеля одного пути и 10 м для прокладки внутри тоннеля двух путей.
Обычно тюбинги отливают из чугуна, который более стоек против коррозии, чем сталь, так как под землей с наружной стороны тюбинговая труба может контактировать с подземными водами, что ускоряет коррозию металла.
Впервые тюбинги для стволов шахт начали применять в Англии, затем в США и в Германии, когда глубины шахты увеличивались настолько, что кирпичная кладка стенок шахтных стволов перестала быть эффективной от просачивания грунтовых вод внутрь шахтных стволов.
В СССР производство тюбингов стало развиваться начиная с 1932 г в связи с началом строительства метрополитена в Москве. В этот период было начато изготовление тюбингов на Балтийском заводе в г. Ленинграде, на Уралмашзаводе в г. Свердловске, на заводе «Русский дизель» в г. Ленинграде, на «Станколите» в г. Москве, на НКМЗ в г. Краматорске.
В статье [1] анализировался американский опыт производства тюбингов, из которого стало известно, что тюбинги более высокого качества получались в сухих ПГС-формах. Однако это значительно удорожало тюбинги и снижало производительность, поэтому в США было отдано предпочтение сырой форме, хотя при этом увеличивался брак литья. Экономические плюсы и минусы сухой и сырой формы поставили все на свое место: победила сырая форма.
В настоящей публикации мы описываем известные реальные технологии производства тюбинговых сегментов в бывшем СССР.
В настоящей статье мы останавливаемся лишь на технологии формообразования, давая себе отчет, что литейная технология лишь формообразованием не ограничивается.
Причин нашего подхода к этому вопросу – две:
первая – технология формообразования - главный компонент литейной технологии, наиболее существенно влияющий на качество отливки и ее экономичность;
вторая – следующие компоненты литейной технологии (выплавка металла, заливка, выбивка, финишные операции) ничем существенно не отличаются от общепринятых в литейном производстве.
В бытность СССР литые тюбинги производились примерно двадцатью заводами, в их числе 7 украинских предприятий (в нижеследующем перечне приводятся тогдашние названия заводов-производителей): НКМЗ, металлургический завод им. Ильича (г. Мариуполь), «Запорожсталь», КЦРЗ (г. Кривой Рог), «Криворожсталь», металлургический завод им. Петровского Г.И. (г. Днепропетровск), Днепропетровский завод металлургического оборудования (ДЗМО).
Наиболее полно и всесторонне технология производства тюбингов была отработана на ДЗМО (нынешнее название «ДНЕПРОТЯЖМАШ», г.Днепр).
Эта технология существует в ПАО «ДНЕПРОТЯЖМАШ» (г. Днепр) и в настоящее время, а тюбинговый цех является на 100% специализированным.
Для формовки низов используется песчано-глинистая смесь (далее ПГС), состоящая из гусаровского песка, отработанной смеси, водо-глинистой суспензии при общем содержании в ней глинистого вещества 13-15%, σсж 0,60-0,75 кгс/см2 и влажности 6,0-6,8%. Плотность набивки выдерживается 80-85 ед., что обеспечивается 80-90 ударами встряхивающей формовочной машины.
Нижняя полуформа окрашивается водной графитовой краской и подсушивается теплом в течение 33 мин при температуре (далее t) 100-120°С в первые 10 мин и 230-280°С в последние 10 мин. Такая технология сушки обеспечивает глубину просушенного слоя 20 мин.
Стержни для образования отверстий («сапожки») изготавливаются из ПГС, окрашиваются, высушиваются теплом и устанавливаются в нижнюю полуформу.
Верхняя полуформа изготавливается из той же ПГС, что и нижняя, окрашивается графитовой краской.
Формы для тюбингов изготавливаются поточно на конвейере.
Заливка форм производится также на конвейере чугуном марки CЧ-20 по ГОСТ 1412-79 при t 1270-1310°С.
На «ДНЕПРОТЯЖМАШЕ» в настоящее время применяется также фурановая технология формообразования, которая более дорогая (фурановая смесь в 13 раз дороже ПГС) и менее производительная.
Это производство располагается в неспециализированном цехе, где возможности механизации ограничены.
Тюбинги, изготовленные по ПГС-технологии, по товарному виду и качеству, вне всякого сомнения, уступают тюбингам, изготовленным по фурановой технологии формообразования.
2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА ЗАВОДЕ «ДОНЕЦГОРМАШ» (г. Донецк)
Формы изготавливались из ПГС тепловой сушки и окрашивались графитовой краской ГП-1. Сушка форм производилась в камерных сушилах при 350-390°С.
Стержни изготавливались из ОЖСС (ЖСС на лигносульфонате техническом жидком в качестве связующего). Стержни окрашивались ГП-1 и высушивались в камерных сушилах в течение 5 ч.
Для изготовления форм использовались встряхивающие формовочные машины соответствующих типоразмеров.
Отливки получались очень чистыми и гладкими.
3. ПРОИЗВОДСТВО ТЮБИНГОВ НА МОСКОВСКОМ МЕХАНИЧЕСКОМ ЗАВОДЕ ГЛАВТОННЕЛЬМЕТРОСТРОЯ МИНИСТЕРСТВА ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА БЫВШЕГО СССР
Завод в лице и.о.главного инженера Кузнецова С.И. признался, что процесс изготовления тюбингов, применяемый на заводе, не отвечал требованиям тогдашнего литейного производства. Формы изготавливались на встряхивающих формовочных машинах моделей 235, 236. Номенклатура тюбингов (около 50 наименований) состояла из сборных колец диаметром 7500, 8500 и 9500 мм. Материал тюбингов – СЧ-20, плавильный агрегат – вагранка производительностью 15 т/ч, скорость заливки металла – 10-20 кг/с. Материал форм и стержней – типовая ПГС. Сушке подвергались только стержни. Брак за 1986 г. в виде вскипов, ухода металла в трещины форм и стержней, обвалов, ужимин и др. – 9%. Масса тюбингов (отдельных фрагментов колец) от 350 до 1950 кг.
4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА КРИВОРОЖСКОМ ЦЕНТРАЛЬНОМ РУДОРЕМОНТНОМ ЗАВОДЕ (КЦРЗ) МИНЧЕРМЕТА УКРАИНЫ
В 80-е годы прошлого века КЦРЗ производил одну разновидность тюбингов массой 700 кг из СЧ-20. Чугун выплавляли в электродуговой печи ДС-6Н1. Температура заливки – 1320-1340°С, продолжительность заливки одного тюбинга 60-80 с.
Формы изготавливали на автоматизированной формовочной линии на базе 10-тонного встряхивающего стола конструкции КЦРЗ с применением опок единых размеров (1800х1200)х500:500.
Использовали жидкостекольную смесь общеизвестного состава с отверждением углекислым газом (СО2-процесс). Тепловая сушка отсутствовала.
Удельный вес брака отливок составлял 8,2%. Виды брака – заливы по разъему, подутости, засоры, трещины, неслитины.
5. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА ВОЛГОГРАДСКОМКОМ ЗАВОДЕ «БАРРИКАДЫ»
На этом заводе производились тюбинги одной разновидности для волгограского скоростного трамвая.
Масса отливки – 526 кг/с преобладающей толщиной стенки 22 мин. Материал – СЧ-21-40 по ГОСТ 1420-70. Чугун выплавлялся в коксовой вагранке с холодным дутьем, температура заливки – 1270-1300°С. Формы изготавливались вручную из ПГС и с последующей сушкой в камерном сушиле. Глубина просушки – 60 мм.
Формы окрашивались до сушки водной графитовой краской при помощи кисти.
Брак – 1,5-2,0%, в основном по засорам.
6. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА ЧЕРЕПОВЕЦКОМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ КОМБИНАТЕ
На этом заводе производились тюбинги одной разновидности единичной массой 612 кг.
Формы изготавливались из жидкостекольной смеси по СО2-процессу.
Брак литья, в основном по газовым раковинам, в разные периоды составлял от 2-3 до 4,7%.
7. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА ЖДАНОВСКОМ (бывший Жданов – ныне Мариуполь) МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ КОМБИНАТЕ ИМЕНИ ИЛЬИЧА
На этом заводе в конце 80-х годов прошлого века производились тюбинги одной разновидности массой 930 кг при преобладающих толщинах стенок 35-40 мм из СЧ-20, выплавлявшейся в электросталеплавильной печи ДСП-2. Температура заливки была 1250-1270°С время заливки одного тюбинга – 50-55 с.
Формы изготавливались на встряхивающих формовочных машинах модели 235 из ПГС и заливались в сыром состоянии.
Брак, в основном в виде засоров и обвалов, составлял 7%.
8.ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА МАГНИТОГОРСКОМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ КОМБИНАТЕ
На этом заводе производились тюбинги одной разновидности массой 612 кг с преобладающими толщинах стенок от 22 до 30 мм из СЧ-20.
Чугун выплавлялся в индукционной тигельной печи ИЧТ-10М2 и заливался в формы при 1290-1320°С со скоростью 15-17 кг/с.
Формы изготавливались на встряхивающей формовочной машине из ПГС, окрашивались цирконовой краской и высушивались в камерном сушиле в течение 8 ч до глубины просушки 70 мм.
Брак, в основном по засорам, составлял 8-12%.
9. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА ЗАПОРОЖСКОМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ КОМБИНАТЕ «ЗАПОРОЖСТАЛЬ»
На этом заводе производились тюбинги одной разновидности единичной массой 880 кг. Преобладающие толщины стенок – 20-40 мм. Марка чугуна СЧ-20, температура заливки – 1250-1270°С, скорость заливки – 20 кг/с.
Формы изготавливались на встряхивающих формовочных машинах моделей 234 и 236 из ПГС и высушивались в камерных сушилах в течение 12 ч при 300-350°С.
Формы перед сушкой окрашивались графитовой краской.
Брак литья составлял 10-12%. Основные виды брака – засоры и ужимины.
10. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА КАРАГАНДИНСКОМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ КОМБИНАТЕ
Комбинат производил тюбинги одной разновидности единичной массой 762 кг при преобладающей толщине стенки 22 мм. Чугун марки СЧ-20 выплавлялся в 10-тонной вагранке холодного дутья, температура заливки – 1280-1300°С, скорость заливки – 17 кг/с.
Формы изготавливались на встряхивающих формовочных машинах модели 234 из ПГС, окрашивались графитовой краской и высушивались в камерном сушиле.
Среднемесячный брак по ужиминам, газовым и шлаковым раковинам составлял 6-7%.
11. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА КРИВОРОЖСКОМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ КОМБИНАТЕ «КРИВОРОЖСТАЛЬ»
Комбинат производил тюбинги двух разновидностей единичной массой 736 и 878кг из СЧ-20 при толщинах стенок 50-70 мм.
Плавильный агрегат – электродуговая печь ДСН-5, температура заливки – 1320-1350°С, продолжительность заливки 40-50 с.
Формообразующий агрегат – встряхивающая формовочная машина модели 234. Материал формы – ПГС, заливка чугуна производилась в сырую форму.
Среднегодовой брак (засоры, ужимины) составлял 12,3%.
12. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА ЛЕНИНГРАДСКОМ ЗАВОДЕ «ЛЕНТРУБЛИТ» МИТЧЕРМЕТА БЫВШЕГО СССР
Номенклатура – кольца тюбинговые двух разновидностей для метрополитена:
первая разновидность – кольцо из 10 фрагментов (тюбингов) массой от 196 до 529 кг, общая масса кольца – 5371 кг, марка чугуна – СЧ-20;
вторая разновидность – кольцо из 17 фрагментов массой от 280 до 795 кг, масса кольца 11880 кг, материал – СЧ-20.
Чугун выплавляли в водоохлаждаемой вагранке с непрерывным выпуском металла в поворотный копильник. Плавильная кампания – неделя. Температура заливки 1220-1260°С, время заливки одного тюбинга – от 25 до 40 с в зависимости от массы тюбинга.
Формы изготавливали на встряхивающей машине модели 235С1.
Материал формы – ПГС.
Использовалась технология заливки чугуна в сырую форму (без тепловой сушки).
Брак тюбингов составлял 5%.
В конце 70-х годов прошлого века на «ЛЕНТРУБЛИТЕ» было создано аналогичное «ДНЕПРОТЯЖМАШУ» специализированное производство тюбингов. При этом предпринимались попытки производства в специализированных цехах тюбинови из ВПЧ.
По сравнению с СЧ ВПЧ обеспечивает значительное снижение расхода металла за счет снижения массы тюбингов в 1,5-2,0 раза. Использование ВПЧ требовало полного отверждения форм в отличие от сырых или частично сырых (как на «ДНЕПРОТЯЖМАШЕ») форм при использовании традиционной технологии производства тюбингов из СЧ.
В те годы предполагалось использовать для производства тюбингов из ВПЧ следующие технологии формообразования:
12.1. Изготовление в сырых ПГ-формах с уплотнением:
- встряхиванием с допрессовкой многоплунжерными головками;
- пескометом;
- импульсным методом.
12.2. Изготовление в отвержденных формах из сыпучих смесей с их виброуплотнением.
12.3. Использование вакуумно-пленочной формовки (V-процесса).
Выбор того или иного техпроцесса должен был быть произведен в соответствии с конкретной и производственно-технической ситуацией, определяемой, в частности, характером промышленного объекта, для которого предполагались тюбинги (новое строительство, расширение или обновление основных фондов, производственные площади), вид сплава (СЧ, ВПЧ), объемы выпуска, сроки освоения производственных мощностей, возможности обеспечения материалами, оборудованием, финансированием и др.
13. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА НОВОЛИПЕЦКОМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ КОМБИНАТЕ
Этот завод изготавливал тюбинги одной разновидности для Московского метрополитена. Единичная масса тюбингов - 700 кг, преобладающие толщины стенок - 22 мм, чугун марки СЧ-20. Плавильный агрегат – ДСП 25Н01, температура заливки –1330°С, продолжительность заливки формы 35 с.
Формы изготавливались на формовочной машине модели 234М. Заливка чугуна производилась в сырые формы.
Разнообразный брак – 7-10%.
14. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА КУЗНЕЦКОМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ КОМБИНАТЕ
Комбинат производил тюбинги одной разновидности единичной массой 612 кг из СЧ-20. Преобладающие толщины стенок - 40 мм. Чугун выплавлялся в вагранке и заливался при 1220-1260°С в сырую песчано-глинистую форму. Особенность ПГС было содержание в ней каменноугольного порошка в количестве 6-7%.
Брак литья (в основном засоры, ужимины, пригар) составлял 13-14%.
15. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ НА НОВОКУЗНЕЦКОМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ КОМБИНАТЕ
Комбинат производил тюбинги одной разновидности единичной массой 1100 кг при преобладающих толщинах стенок 30-50 мм из чугуна марки СЧ-20. При помощи тюбингов этого типа выполнялось шахтное кольцо большого диаметра. Чугун выплавлялся в индукционной печи ИЧТ-10, температура заливки –1260-1280°С, расход металла 20-22 кг/с..
Формовочный агрегат — пескомет ПН-40 производства завода «Сиблитмаш».Материал формы - ПГС. Заливка чугуна производилась в сырую форму.
Форма не окрашивалась, производилась напыление ее поверхности цементом марки 400.
Среднегодовой брак составлял 6,14%. Основные виды брака — ужимины, трещины, засоры.
16.ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ТЮБИНГОВ, РАЗРАБОТАННАЯ ЦНИИТМашем ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА НОВОГО ЦЕХА ТЮБИНГОВ НА ДЗМО
В 70-х годах прошлого века предполагалось строительство нового цеха тюбингов облегченной конструкции с использованием технологии формообразования на основе сыпучей жидкостекольной смеси (далее ЖС). Предполагалось использовать для литья тюбингов не серый, а высокопрочный чугун, модифицированный магнием. В качестве отвердителя должен был использоваться феррохромовый шлак. Дополнительным отвердителем предполагался СО2. Формы подлежали окрашиванию водной цирконовой краской и кратковременной подсушке теплом. Предполагалось, что стержни также будут изготавливаться из жидкостекольной смеси.
Первый автор настоящей публикации многократно присутствовал при испытании этой технологии на ДЗМО. Краматорский НИИПТмаш, в составе которого мы в то время работали, выступал со здравой критикой неприемлемости такой технологии формообразования прежде всего по причине трехкратного отверждения (феррохромовй шлак, С02-процесс и тепловая подсушка), делавшего эту технологию громоздкой, непроизводительной и неэкономичной.
Кроме того, в сочетании С02-процесса и тепловой подсушки была заложена мина замедленного действия в виде резкого падения прочности жидкостекольной формы при подсушке теплом после С02-процесса. Эта ситуация хорошо исследована и описана ранее Ляссом А.М. [2]. Однако руководство тогдашнего Минтяжмаша бывшего СССР слепо верило в непогрешимость головного технологического института ЦНИИТМаша, и никакие здравые доводы касательно несостоятельности заложенной в проект технологии с трехкратным отверждением во внимание не принималось.
По вышеупомянутой причине технология с трехкратным отверждением оказалась мертворожденной. О ней на «ДНЕПРОТЯЖМАШЕ» никто не помнит.
Из предыдущего описания видно, что традиционным материалом для тюбингов был серый чугун марки СЧ-20. Благодаря научно-техническим наработкам установлено, что для тюбингов предпочтительно было использовать высокопрочный чугун с шаровидным графитом (далее ЧШГ) благодаря чему:
- значительно повышается прочность тюбинговой конструкции, когда при соблюдении традиционных толщин стенок можно обеспечить безопасную эксплуатацию тюбингов в более сложных условиях нагрузки на них;
- либо значительно (в 1,5-2,0 раза) снизить массу тюбингов при прежних нагрузках.
Это получается благодаря ферритной, перлитной или чаще всего ферритно-перлитной структуре ЧШГ. При этом получается более высокая экономичность тюбинговых конструкций.
При использовании ЧШГ проявляется еще один положительный фактор: детали из ЧШГ в меньшей мере подвержены отбелу, чем аналогичные детали из СЧ, благодаря чему улучшается их механическая обрабатываемость, так как ЧШГ обладает лучшими по сравнению с СЧ пластическими свойствами.
Благодаря лучшей жидкотекучести ЧШГ легко выполняются детали сложной формы.
Благодаря более высокой пластичности ЧШГ в отливке отсутствуют места высокой концентрации напряжений, которые возникают на соединениях фланцев как в пределах отдельного тюбингового кольца, так и в направлении трубы, образуемой набором отдельных колец (вдоль перемещения транспортного средства внутри трубы).
ВПЧ для тюбингов впервые был применен в ХIХ веке великобританской фирмой Head wrightson Foundrses ltd [3].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- На абсолютном большинстве заводов бывшего СССР тюбинги изготавливались в сырой ПГС-форме. При этом брак литья составлял от 1,5 до 12%. В настоящее время в Украине известен один производитель тюбингов – завод «ДНЕПРОТЯЖМАШ» в г. Днепр.
- Явного преимущества по склонности технологии формообразования в сырой и сухой форме к браку не выявлено, хотя американский опыт все же отдавал предпочтение на сей счет сухой форме. Можно предположить, что какие-то другие изъяны производства тюбингов в сухой форме сводили на нет ее несомненные преимущества.
- Из всего перечня заводов-производителей тюбингов лишь на нескольких из них использовалась технология на жидкостекольной основе. Что же касается смоляной ХТС на смоляной основе, то она использовалась в прошлом и используется в настоящее время лишь на одном известном нам заводе «ДНЕПРОТЯЖМАШ». Тюбинги по этой технологии получаются более дорогими, но качество отливок более высокое. Производительность производства по смоляной технологии низкая. Основные причины этого – дороговизна смоляной смеси ( в 13 раз дороже, чем ПГС) и отсутствие поточного производства.
- Считаем, что как с точки зрения качества, так и по экономическим соображениям оптимальное место должно принадлежать жидкостекольному СО2-процессу, как наиболее рациональному способу формообразования при производстве тюбингов.
- Литейная технология производства тюбингов несложная. При нужде в тюбингах как в Украине, так и при необходимости поставок тюбингов на экспорт эта технология может быть внедрена на нескольких десятках машиностроительных и металлургических заводов Украины.
- Авторы настоящей публикации во всей полноте располагают разнообразными технологиями производства тюбингов и выражают готовность поделиться ими с потенциальными производителями, если таковые проявят интерес и волю к освоению этой технологии.
Литература:
- Toundry Trade journal, 1975, 138, № 3041; 371, 375-384.
- Лясс А.М. Быстротвердеющие формовочные смеси. «МАШГИЗ», М.,1965, с.106
- Modern Cast-iron Tunneland Shaft Linings By A.C. Lyons, A.J. Reed.