27.11.2010 11:04
УДК 621.744.49-52
В. С. Дорошенко (dorosh@inbox.ru)
Физико-технический институт металлов и сплавов НАН Украины, г. Киев
Способы дозированного высыпания сухого песка из литейных форм со скоростью ниже скорости витания его мелких частиц или со скоростью не более 2,3 м/мин. опускания песка через просыпную решетку позволяют предотвратить попадание пыли в атмосферу цеха. Они улучшают условия труда в литейных цехах ЛГМ и ВПФ, где используют формы из сухого песка. Приведены примеры реализации способов дозированной просыпки, которые целесообразно использовать при работе с любыми пылящими материалами.
Литейное производство является основной заготовительной базой машиностроительного комплекса, и от его развития зависят темпы развития машиностроения в целом. Литье в песчаные формы является основным процессом производства металлических отливок, который охватывает свыше 75% их выпуска (в России свыше 77% при общем производстве ~7 млн. т отливок в год). Являясь одним из источников загрязнения окружающей среды, литейное производство в составе твёрдых отходов имеет ~90% отработанных формовочных и стержневых смесей (до 6 т на 1 т отливок), относящихся к 4-й категории опасности, а продукты термодеструкции связующего песчаной смеси служат основным источником загрязнения атмосферы (свыше 50% от газовыделений литейного цеха). Альтернативой такому экологически неблагоприятному результату химизации формовки с применением широкого ассортимента синтетических связующих, число которых достигает 100, среди известных способов литья (количество которых также приближается к 100) экологически обоснованной перспективой обладают способы литья, при которых формы из песка без связующего (с многократным оборотным использованием песка) упрочняют физическим способом под воздействием вакуума [1]. К ним относятся литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) и с применением вакуумно-пленочной формовки (ВПФ).
В то же время перед литейщиками стоит задача максимального приближения по точности размеров и чистоте поверхности отливок к готовым деталям. Для обеспечения надежной работы деталей во время эксплуатации современных машин в особых условиях и агрессивных средах детали изготовляют точными методами, практически исключающими обработку резанием, которая снижает прочность и надежность этих деталей, а в некоторых случаях вообще недопустима или невозможна [1]. Поэтому повышается спрос промышленности на точные виды литья (в частности, по одноразовым моделям), к которым относится ЛГМ. В одном Китае в 2006 г. около 200 цехов выпустило примерно 300 тыс. т отливок способом ЛГМ [2].
При ЛГМ в песчаной форме одноразовая модель из пенопласта замещается заливаемым расплавленным металлом, что дает отливку любой самой сложной геометрии из черных и цветных сплавов, даже нетехнологичной для традиционных способов литья. При формовке мелкие модели собирают в блоки или кусты (рис. 1) и размещают в объеме формы, а не в плоскости как в обычной форме.
а) б) в)
Рис.1. Кусты стальных отливок (а, б), а также отливок медных сплавов, после разрезания кустов.
Отсутствие
традиционных форм и стержней исключает применение формовочных и стержневых смесей, формовка состоит из засыпки модели песком. На 1 тонну литья расходуют всего 4 вида модельно-формовочных материалов: кварцевого песка -50 кг, пенополистирола - 6 кг, противопригарного покрытия - 25 кг, пленки полиэтиленовой – 10 кв. м.
Предприятия, использующие ЛГМ в России, приведены в статье [3]. В Украине
ведущим институтом, который поставляет оборудование для ЛГМ и занимается организацией и реконструкцией литейных цехов, является ФТИМС НАН Украины (научно-техническая школа под рук. проф. Шинского О.И.).
Поскольку применение сухого песка связано с пылеобразованием при его высыпании из форм и транспортировке, на линиях охлаждения и оборота песка участков ЛГМ и ВПФ применяют специальные проходные установки для охлаждения песка в "кипящем слое" производительностью 10...20 т/ч., а также пневмотранспорт. Так создается закрытый транспортный поток при подаче песка в бункер над формовочным столом. Однако вначале этого потока после затвердевания, охлаждения отливки и ее удалении из формы, операция высыпания песка из формы при отключении вакуума часто сопровождается пылением. Использование местной вытяжной вентиляции лишь частично предотвращает попадание песчаной пыли в атмосферу цеха.
В поисках решения задачи предотвращения пылеобразования проанализировали течение песка в песочных часах, отвечая на вопрос: «почему песок в них не пылит?». А если взять много часов и просыпать много песка? Такой анализ позволил разработать способы дозированной просыпки песка из форм с заданной скоростью, которая позволяет избежать пыления [4, 5]. Просыпку через решетку при перемещении песка в опоках следует выполнять со скоростью V, не превышающей скорости витания Vв его мелкой фракции.
Параметры просыпной решетки рассчитали с учетом Vв наиболее мелкой фракции (частицы < 0,022 мм), которой в кварцевых формовочных песках содержится до 2 %. С помощью известных методик [6] расчетным (или графическим) методом определили Vв = 0,039 м/с для кварцевой частицы размером 0,022 мм. Для расчета пропускающей способности решетки определили экспериментально продолжительность Т просыпания мерного количества наполнителя массой М (1...3 кг) через отверстия различного диаметра. Для отверстия в пластине диаметром 30 мм T/M = 6,0 с/кг, для диаметра 40 мм - 2,8 с/кг (песок 1К016А). Решетку удобно выполнить в виде стального листа с отверстиями диаметром 30...40 мм.
Условие, что скорость движения песка в форме должна быть менее Vв , а скорость просыпания через решетку определяется размером и числом в ней отверстий, выразили в виде неравенства: Vв > (NM)/(Tρ), где Vв - скорость движения 1 м3 наполнителя, численно равная скорости витания мелкой фракции наполнителя, м3/с (учитывая необходимость соответствия размерности); ρ - объемная масса наполнителя, для неуплотненного песка 1400 кг/м3; N - количество отверстий на 1 м2 решетки, через одно отверстие из которых определена продолжительность Т просыпания песка массой М. Из указанного неравенства N < Vв ρT/М. После подстановки в него значений определи N, по величине которого на 1 м2 решетки выполняют, равномерно размещая, не более 153 отверстий диаметром 40 мм, или 328 отверстий диаметром 30 мм. При V = 0,038 м/с (2,28 м/мин.) из формы высотой 1 м высыпание песка через нижнее отверстие или просвет опок происходит за 26 с, т. е. можно высыпать до 120 таких форм/ч. Через решетку площадью 1 м2 можно без пылеобразования просыпать за 1 минуту до 3220 кг песка насыпной плотностью 1400 кг/м3.
Дозирующую решетку устанавливают на приемный бункер для высыпания песка и используют с сохранением традиционного порядка высыпания песка для технологии ЛГМ или ВПФ, выполняют удаление синтетической пленки с контрлада формы, установку формы на решетку и при отсутствии вакуума высыпание песка. Отливка плавно опускается на решетку. При этом отпадает необходимость закрывания формы накатными колпаками или камерами. Подобную дозирующую решетку удобно использовать при пересыпании любых других сыпучих материалов, в том числе сухих наполнителей при литье по выплавляемым моделям, а также при пересыпке песка из ящиков или конвейеров в приемную емкость через решетку. Описанный способ дозированной просыпки целесообразно использовать при работе с любыми пылящими материалами.
Однако при использовании ВПФ этот способ имеет тот недостаток, что при высыпке крупных форм после удаления пленки с нижнего контрлада возможна преждевременная просыпка песка или обвал вакуумируемой формы, вакуумная система которой не сможет обеспечить минимально необходимый перепад давления при большой площади разгерметизированной формы. Для этого случая разработан другой способ дозированной просыпки без удаления этой пленки, а лишь при ее надрезании (рис. 2) [5].
Рис. 2. Расположение отливки перед (а) и после (б) высыпания песка из формы
При этом форму 1 с отливкой 2 устанавливают на бункер 3, предварительно заполненный формовочным песком (или оставшимся от предыдущей формы) и имеющий в нижней части отверстие 4, размеры которого регулируются шиберным затвором с помощью рукоятки 5. При дозированном высыпании песка из бункера отливка опускается на решетку, состоящую из нескольких реек 6. Пленку 7 контрлада формы перед установкой формы на заполненный песком бункер 3 надрезают таким образом, чтобы она повисала на рейках 6, не препятствуя просыпанию песка в бункер 3. Такого же эффекта достигают при наложении пленки 7 из отдельных полос на контрлад при формовке. Через отверстие 4 песок высыпают в бункер-накопитель больших размеров или на ленту конвейера. Регулирование расхода песка через отверстие 4 также можно выполнять другими дозаторами, например тарельчатым или ленточным.
Особенность способа состоит в том, что дозированную просыпку можно выполнять достаточно медленно (частично или полностью) за время, необходимое для охлаждения отливки в форме, что покажем на примере получения способом ЛГМ отливки чугунного корпуса массой 145 кг в форме, изготовленной в контейнере размерами 0,8×0,8×0,75 м с донной разгрузкой. Масса песка марки 2К016А в форме составляет 810 кг, технологическое время охлаждения отливки - около 5 часов. При условии просыпки 1 кг песка через отверстие 4 (рис.1) в шибере диаметром 15 мм за 24 с песок из формы высыпается за 5,4 часа (810×24/3600).
После заливки формы 1 вакуум поддерживают в течение 4...5 мин., а затем, отключив от вакуума, форму устанавливают на бункер 3, заполненный песком, открывают затвор нижней разгрузки, а также с помощью рукоятки 5 открывают шибер с отверстием диаметром 15 мм встык к отверстию 4. Происходит медленная просыпка песка, который сначала проседает под отливкой, а затем практически полностью высыпается через отверстие в шибере. Движение песка в форме ускоряет охлаждение отливки, а его высыпание совмещается с охлаждением отливки. Это удобно использовать во время нерабочих смен, когда в отсутствие персонала на участке высыпание песка из формы в бункеры-накопители происходит самопроизвольно, затем отливки охлаждаются на воздухе.
О теплопереносе при ускорении охлаждения отливки способом самопроизвольного высыпания песка подробнее описано в работе [7], а одно из новых технических решений в этом направлении – в работе [8]. При высыпании контейнерной формы с нижней разгрузкой для ускорения охлаждения песка рекомендуется увлажнение верхнего уровня песка на глубину несколько миллиметров пульверизацией воды, а при опрокидывании контейнерной формы, изготовленной в ящике с приваренным дном, для уменьшения пыления наряду с увлажнением к ней подключать вакуумирование.
Возможно дозированное просыпание стопки мелких форм в один бункер, а также заливка формы, установленной на невысокий бункер, с последующей просыпкой. Для крупных форм параллельное размещение снизу двух и более бункеров с дозирующими отверстиями уменьшит количество предварительно засыпаемого в них песка. Во всех случаях описанные способы дозированной просыпки предотвращают попадание пыли в атмосферу цеха, чем позволяют улучшить условия труда, а также снижают трудо- и капитальные затраты на литейных участках с использованием форм из сухого песка.
На рис. 3 показаны типовые отливки серийно изготавливаемые в литейном цехе
Рис. 3. Отливки, подготовленные к отправке заказчику (три фото слева), а также отливки и куст моделей (фото справа).
института ФТИМС. ЛГМ заслуженно относят к высокотехнологичным производствам, которые дают основу для устойчивого развития из технологического отставания, когда в отечественной экономике нарастает сырьевая составляющая, доминирует продукция с низкой добавленной стоимостью, снижается конкурентоспособность производства и его экологическая культура. Если в 80-е годы в структуре отечественной промышленности и товарного экспорта вес машиностроения составлял порядка 30…40%, а черной металлургии был в два-три раза меньше, то сегодня наоборот. Здесь справедливо замечание экспертов: «Килограмм металла стоит в среднем {body},5. Килограмм металла в автомобиле или танке стоит уже …100, а в самолете —00…2000». Надеемся, что информация статьи способствует развитию литейного производства как основной заготовительной базы машиностроения.
Литература
1. Минаев А. А. О закономерностях развития современного литейного производства // РИТМ. М. - 2010. - N3 - С. 26-30.
2. Sun D. Une vue d’ensemble du development de la fonderie a modele perdu en Chine // Hommes et fonderie N397, 2009 – p. 10-23.
3. Рыбаков С. А. Инновационные возможности литья по газифицируемым моделям, состояние и перспективы этого метода в России//Литейщик России N4, 2009,с.44-45.
4. Способ опустошения вакуумно-пленочных форм: Патент 2026127 России: МКИ В22С 9/02/ Дорошенко В. С., Шейко Н. И. - Опубл. 1995, Бюл. N1.
5. Способ опустошения вакуумно-пленочных форм: Авт. свидетельство 1785770 СССР, МКИ В22С 9/02/ Дорошенко В. С., Шейко Н. И. - Опубл. 1993, Бюл.N1.
6. Справочник проектировщика: Внутренние санитарно-технич. устройства, ч. 2. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Под ред. Староверова И. Г. М.: Стройиздат.- 1978.- С. 76-77.
7. Шинский О. И., Дорошенко В. С., Кравченко В. П. Интенсификация теплообмена отливки с дисперсным наполнителем литейной формы при применении хладагента и вынужденной конвекции // Процессы литья – 2009.- N 5 – С. 74-82.
8. Способ изготовления отливки в песчаной форме с регулируемым охлаждением: Патент 82963 Украины: МПК В22D27/04, В22D27/15/ Шинский О. И., Дорошенко В. С., Клименко С. И. Опубл. 2008, Бюл.N 6.
а) б) в)
Фантастика ячеистых литых металлоконструкций.
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.