ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО
1.1 Основные понятия и определения
Литейное производство, или литье – это способ изготовления заготовки или готового изделия путем заливки расплавленного металла в полость заданной конфигурации с последующим его затвердеванием.
Заготовки или изделия, получаемые методом литья, называют отливками.
Полость, заполняемая жидким металлом при литье, называется литейной формой.
Назначение литейной формы состоит в следующем.
1.Обеспечение необходимой конфигурации и размеров отливки.
2.Обеспечение заданной точности размеров и качества поверхности отливки.
3.Обеспечение определенной скорости охлаждения залитого металла, способствующей формированию требуемой структуры сплава и качества отливок.
По степени использования формы делят на разовые, полупостоянные и постоянные.
Разовые формы служат для получения только одной отливки, изготавливают их из кварцевого песка, зерна которого соединены каким-либо связующим веществом.
Полупостоянные формы – это формы, в которых получают несколько отливок (до 10-20), такие формы изготавливают из керамики.
Постоянные формы – формы, в которых получают от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч отливок. Такие формы изготавливают обычно из чугуна или стали.
Основной задачей литейного производства является получение отливок с максимальным приближением формы и размеров поверхности к аналогичным параметрам готовой детали с целью уменьшения трудоемкости последующей механической обработки. Основное достоинство формообразования заготовок литьем - возможность получения разнообразных по массе заготовок практически любой сложности непосредственно из жидкого металла.
Стоимость литых изделий нередко намного меньше, чем изделий, изготовленных другими способами, однако для литья применимы не любые сплавы, а только те, которые обладают хорошими литейными свойствами. Основными литейными свойствами являются.
1. Жидкотекучесть – способность жидкого металла заполнять литейную форму, точно повторяя ее конфигурацию.
Чем выше жидкотекучесть, тем литейный сплав лучше. У стали и чугуна это свойство уменьшается с увеличением содержания серы и повышается с увеличением содержания фосфора и кремния. Перегрев сплава выше температуры плавления повышает его жидкотекучесть.
Жидкотекучесть оценивают по длине пути, пройденному жидким металлом до затвердевания. Высокую жидкотекучесть (>700 мм) имеют силумины, серый чугун, кремнистая латунь, среднюю жидкотекучесть (350-340 мм) имеют углеродистые стали, белый чугун, алюминиево-медные и алюминиево-магниевые сплавы, низкую жидкотекучесть имеют магниевые сплавы.
2. Усадка – уменьшение размеров отливки при переходе металла из жидкого состояния в твердое. Чем меньше усадка, тем литейный сплав лучше. Различают усадку объемную (уменьшение объема) и линейную (уменьшение линейных размеров). Это свойство зависит главным образом от химического состава сплава. Ориентировочно линейная усадка составляет 1% для чугунного литья и 2% – для стального и цветного. Разумеется, каждая конкретная марка литейного сплава имеет свое значение усадки.
3. Склонность к ликвации. Ликвацией называют химическую неоднородность по объему отливки. Чем меньше склонность к ликвации у литейного сплава, тем он лучше.
В литейном производстве применяют много самых различных сплавов. Наиболее распространенным является серый чугун, из которого в отечественном машиностроении делают около 75% отливок (по массе), из стали – около 20%, из ковкого чугуна – 3% и около 2% литых деталей изготавливают из сплавов цветных металлов.
Существует два способа заливки металла в формы.
1.Обычная заливка, при которой металл заполняет литейную форму свободно под действием силы тяжести. К этому способу относится литье в песчано-глинистые формы.
2.Специальные способы литья, их существует около 15, основными из которых являются:
· литье под давлением;
· центробежное литье;
· литье в кокиль (в металлические формы);
· литье в оболочковые формы;
· литье по выплавляемым, выжигаемым или растворяемым моделям.
Литье в песчано-глинистые формы – основной метод производства отливок. Этим методом получают литые детали как простой, так и сложной формы, наиболее крупные отливки, которые нельзя получить другими способами.
Применение специальных способов литья позволяет уменьшить брак в литейном производстве. При литье в металлические формы, центробежным литьем обеспечивается получение отливок высокой точности. Наряду с этим специальные способы литья применимы лишь для изделий сравнительно небольших размеров (масса до 300 кг).
Для изготовления литейной формы необходимо иметь модельный комплект. В общем случае модельный комплект состоит из модели, стержневого ящика и моделей элементов литниковой системы.
Модель – это прообраз будущей отливки, с помощью модели формообразуется, в основном, ее наружная конфигурация. От отливки модель отличается материалом, наличием стержневых знаков (если отливка полая и для формирования полости необходим стержень), наличием разъема (если формовка производится по разъемной модели), размерами, превышающими соответствующие размеры отливки на величину линейной усадки сплава.
Стержневой ящик – это часть модельного комплекта, предназначенная для изготовления стержня. Стержень, в свою очередь, необходим для формирования внутренней конфигурации отливки (для получения отверстий).
Литниковая система – это совокупность каналов в литейной форме, подводящих расплавленный металл, улавливающих шлак и неметаллические включения, отводящих из формы газы, а также питающих отливку жидким металлом в процессе ее кристаллизации.
1.2 Технология получения отливок
Технологический процесс производства отливок в песчано-глинистых формах включают формовку, т. е. приготовление полуформы и стержней; сборку литейных форм; заливку расплава, выбивку и очистку отливок.
Для изготовления литейных форм из формовочных смесей применяют модельно-опочную оснастку. В нее входят модели, модельные плитки, стержневые ящики и т. д.
Для облегчения изучения процесса изготовления отливки рассмотрим схему технологического процесса (рис. 1).
По чертежу детали (рис. 1, а) технолог-литейщик разрабатывает чертеж модели и стержневого ящика. В модельном цехе по этим чертежам изготовляют модель (рис. 1, б) и стержневой ящик (рис. 1, в), при этом учитываются припуски на механическую обработку и усадку сплава при остывании. С целью получения опорных поверхностей для установки стержней на моделях выполнены стержневые знаки. По стержневому ящику формуют стержень (рис. 1, г), который предназначен для образования в отливке внутренней полости.
Для заливки формы металлом имеется литниковая система, состоящая из чаши, стояка, шлакоуловителя, питателей и выпоров (рис. 1, e). При сборке в нижнюю полуформу устанавливают стержень, затем соединяют обе полуформы и нагружают балластом. Литейная форма в сборе показана на рис. 1, д.
В плавильном отделении расплавляют металл и заливают в формы. Остывшую отливку выбивают из формы и передают в отделение очистки и обрубки, где ее очищают от формовочной стержневой смеси и обрубают остатки литника, заливы и др.
Модели – приспособления, при помощи которых в формовочной смеси получают отпечатки – полости, соответствующие наружной конфигурации отливок. Отверстия и полости внутри отливок образуют при помощи стержней, установленных в форме при их сборке.
Размеры модели делают больше, чем соответствующие размеры отливки, на величину линейной усадки сплава, которая составляет для углеродистой стали 1,5-2%, чугуна 0,8-1,2%, бронз и латуней 1-1,5% и т. д. Для облегчения изготовления моделей из формовочной смеси при формовке стенки моделей должны иметь формовочные уклоны (для деревянных моделей 1-3 0 , для металлических 1-2 0) В местах сопряжения, делают плавные сопряжения радиусом R = (1/5 - 1/3) средней толщины соприкосновения стенок.
Преимущество деревянных моделей – дешевизна и простота изготовления, недостаток – недолговечность. Модели окрашивают для чугунных отливок в красный цвет, для стальных в синий. Стержневые знаки окрашивают в черный цвет.
Металлические модели чаще всего делают из алюминиевых сплавов. Эти сплавы легки, не окисляются, хорошо обрабатываются резанием.
При машинной формовке обычно применяют металлическую модельную оснастку с установкой модели с установкой модели и литниковой системы на металлической модельной плите.
Стержни формуют в деревянных или металлических стержневых ящиках.
Формовка, как правило, производится в опоках – прочных и жестких металлических ящиках различной формы, предназначенных для изготовления в них литейных полуформ из формовочной смеси путем ее уплотнения.
Для изготовления литейных форм и стержней применяют смеси из природных песков и глин с добавкой необходимого количества воды. Качество, состав и свойства материалов и смесей зависит от условий службы их в литниковой форме.
Формовочные и стержневые смеси должны иметь следующие свойства:
– прочность (для сохранения целостности при сборке, транспортировании, механическом воздействии);
– газопроницаемость;
– огнеупорность (при соприкосновении с металлом не должны плавиться, спекаться, пригорать к отливке, размягчаться);
– пластичность (сохраняют форму после снятия нагрузки);
– неприлипаемость смеси к модели, стержневому ящику и в плоскости разъема формы;
– негигроскопичность;
– теплопроводность;
– легкость удаления смеси при очистке отливок;
– долговечность, т.е. способность смесей сохранять свойства после многократного использования;
– дешевизна.
Свежих формовочных материалов, т. е. песка и глины требуется в среднем 0,5 - 1 т на 1 т литья, в то время как расход смесей для изготовления форм и стержней составляет 4 - 7 т. Главной частью в смесях являются отработанные формовочные материалы, свежие материалы служат только для замены песчаных зерен, превращающихся в пыль, и для выполнения связующих способностей глин.
Зерновая часть песков должна состоять преимущественно из зерен кварца (SiO 2) в лучших сортах песка содержание SiO 2 ³ 97%, в худших содержание SiO 2 ³ 90%.
К глинистой части песка условно относят все содержащиеся в нем частицы размером менее 0,022 мм.
Формовочные глины - это пески, содержащие более 50% глинистых веществ. Глины делятся на формовочные обыкновенные и бектонитовые. К бектонитовым относятся глины состоящие в основном из кристаллов монтмориглионита . Этот материал сильно набухает в воде, что увеличивает связующие свойства глин. Бектонит применяется для изготовления форм и стержней, не подвергающихся высушиванию.
Обыкновенные формовочные глины состоят в основном из кристаллов каолина Al 2 O 3 ·2SiO 2 ·2H 2 , не обладающих внутрикристаллическим набуханием.
Для стального литья берут самую огнеупорную глину с высокой термохимической устойчивостью - не менее 1580 О С, для чугуна – со средней устойчивостью не менее 1350 О С, для цветного литья термохимическая устойчивость глин не ограничивается.
Для изготовления формовочных и стержневых смесей, кроме песка и глины, применяют органические и неорганические связующие материалы. Органические связующие материалы сгорают и разлагаются при высоких температурах. К этим материалам относят льняное масло, олифу, крепетель (растительное масло, канифоль, уайт-спирт), пек торфяной и древесный, канифоль, пектиновый клей, патоку и ряд других. В качестве неорганических связующих используют цемент и жидкое стекло.
В литейных цехах, имеющих механизированные землеприготовительные заготовки, пользуются единой формовочной смесью. В цехах с меньшей степенью механизации употребляют облицовочные и наполнительные смеси, первые более качественные и служат для образования внутреннего, соприкасающегося с отливкой слоя.
Материалы для стержней – стержневые смеси – выбирают в зависимости от конфигурации стержней, их расположения в форме. Они должны иметь высокую прочность, обладать достаточной податливостью, чтобы не препятствовать усадке металла, хорошей газопроницаемостью. В производстве отливок из сталей и чугуна для приготовления таких стержней применяют качественные песчано-масляно-смоляные смеси (чистый кварцевый песок и полимерный связующий материал - смола или жидкое стекло). Стержни менее ответственные с более толстым сечением изготавливают из смесей, состоящих из 91-97% SiO 2 и 3-4% глины с добавлением жидкого стекла или других связующих. Для массивных стержней используют менее качественные смеси, изготовленные из 30-70% SiO 2, 20-60% оборотной земли и 7-10% глины, являющейся основным связующим.
Для предотвращения пригара и улучшения чистоты поверхности отливок формы и стержни покрывают тонким слоем противопригарных материалов. Для сырых форм противопригарными материалами служат припылы, в качестве которых используют порошкообразный графит (для чугунных отливок) и пылевидный кварц (для стальных отливок). Для сухих форм приготавливают противопригарные краски. Краски представляют собой водные суспензии из тех же материалов графит (для чугуна), кварц (для стали) со связующими. Краски наносят на горячие формы и стержни, не успевшие остыть после сушки.
1.3 Литниковые системы
Назначение литниковой системы – обеспечить плавный безударный подвод металла в форму, регулировать термофизические явления в форме для получения качественной отливки и предохранить форму от попадания в нее шлаковых включений. Элементами нормальной литниковой системы являются литниковая чаша 1, стояк 2, шлакоуловитель 3, питатели 4, подводящие металл непосредственно к отливке. Вся литниковая система при заливке должна быть заполнена жидким металлом во избежание засасывания в форму шлаков и атмосферного воздуха.
При получении отливок из стали, ковкого чугуна и некоторых сплавов цветных металлов с относительно большой усадкой литниковая система питает их жидким металлом в процессе затвердевания.
, м 2 ,
где Q – масса отливки и прибыли, кг,
r - плотность материала отливки, кг/м 3 ,
m = 0,4-0,6 – коэффициент истечения,
t = 4-9 с – время заливки формы,
g = 9,81 м/с 2 – ускорение свободного падения,
Н – средний напор, м (высота столба жидкого металла в литейной форме, измеряется от верхнего края воронки до центра масс отливки).
Иными словами, литниковая система является запертой и создает условия, при которых через воронку не проходит шлак и не засасывается воздух потому, что она постоянно заполнена металлом и сужающийся к низу стояк сдерживает напор. В то же время литники (питатели) не в состоянии пропустить через себя весь металл, идущий из стояка, пленка шлака на поверхности металла поднимается к верху шлакоуловителя, и в отливку через литники идет только чистый металл.
Для вывода из формы воздуха, а также для наблюдения за заполнением формы металлом на верхних частях отливок устанавливают вертикальные каналы (выпоры). При литье из стали, алюминиевых сплавов, и некоторых сортов бронз, отличающихся большой усадкой, выпоры заменяют прибылями. Основным их назначением является питание отливки жидким металлом в процессе ее кристаллизации для предотвращения образования усадочных раковин в местах отливок, затвердевающих последними. Обычная закрытая или открытая прибыль может действовать только в том случае, если она расположена выше отливки. Объем металла в прибыли должен обеспечивать необходимое ферростатическое давление на металл отливки.
Способы формовки
Ручную формовку в основном применяют для получения отдельных как малых, так и крупных сложных по конфигурации отливок.
Открытую почвенную формовку осуществляют для неответственных отливок с плоской поверхностью, например, плит, к которым не предъявляют высокие требования по внешнему виду и по качеству поверхности.
Такую формовку можно осуществить по мягкой постели и по твердой постели.
При формовке по мягкой постели (рис. 2) в земляном полу цеха роется яма глубиной 150-200 мм и в ней готовится мягкая постель из рыхлой наполнительной смеси и поверх нее кладется слой облицовочной смеси толщиной 10-15 мм. После выравнивания гладилкой и проверки по ватерпасу 3 горизонтальности поверхности постели в нее руками вдавливают модель 4. Для этого на поверхность смеси кладут модель и осаживают ударами молота через дощечку, затем смесь вокруг модели уплотняют трамбовкой, срезают излишки смеси, вырезают слева литниковую чашу 1 и канал 2 для заполнения формы металлом, а справа - сливной канал 5 для спуска излишка металла. Для отвода газов из формы производят проколку душниками каналов 6. После этого осторожно примачивают края формы у модели и ее извлекают. Если обнаруживаются дефекты, их исправляют, поверхность формы покрывают припылом и заливают металлом.
При тяжелом весе отливки делают под нее твердую постель (рис. 3), выкапывают яму глубиной на 300–500 мм больше высоты модели, на дно кладут слой горелого кокса толщиной 100 мм, с боков наклонно ставят две трубы для вывода газов и производят набивку смеси.
Первые несколько слоев по 50–70 мм
плотно набивают трамбовками, следующие слои набивают слабее, а последние 100–120 мм
оставляют без уплотнения, слегка выровняв поверхность гладилкой. В подготовленной постели делают частые наколы душником до коксового слоя и покрывают поверхность слоем облицовочной смеси толщиной 15–20 мм.
На эту смесь осаждают модель в зависимости от конструкции – половину, если она разъемная, или всю, если она неразъемная. После этого проверяют плотность набивки смеси вокруг модели и подбивают в случае обнаружения слабых мест, а затем всю поверхность вокруг полумодели заглаживают и посыпают сухим мелким песком, чтобы устранить слипание с верхней полуформой.
При изготовлении верхней полуформы сначала на нижнюю половину модели точно по шипам ставят верхнюю половину, затем размещают модели стояка и выпоров. После этого модель обкладывают облицовочной смесью и набивают весь объем наполнительной смесью, а потом делают наколы душником для вывода газа. Положение опоки по отношению к нижней части формы фиксируют забивкой по всем четырем углам колышков.
Теперь снимают опоку, ставят ее на пол, предварительно повернув на 180°. Осторожно вынимают обе половины модели, заглаживают поврежденные места, покрывают полости полуформ припылом, в нижнюю полуформу устанавливают стержень, опочную полуформу накладывают на почвенную точно по границам забитых колышков, ставят на место литниковую чашу и загружают на верхнюю поверхность формы грузы, чтобы предотвратить опасность поднятия ее заливаемым металлом, во избежание ожогов около места заливки формы.
Формовка в опоках
Формовка в опоках наиболее широко применяется в литейных цехах. В зависимости от конструкций моделей, условий и характера производства она имеет много разновидностей. Рассмотрим наиболее типичные из них.
На рис. 4 показана формовка по разъемной модели. Отливаемая деталь (рис. 4, а)
формуется по модели со знаками для стержня, образующего полость в отливке (рис.4, б). На щиток 1 (рис.4, в)
сначала устанавливают половину модели 2,
а затем опоку 4,
модель припыливают тонким слоем припыла и обкладывают облицовочной смесью, а затем всю опоку набивают наполнительной смесью. После этого с верхней стороны снимают излишек смеси и производят наколы газоотводных каналов 3. Затем полуформу поворачивают на 180° и ставят на 
щиток (рис.4, г). После этого поверхность разъема присыпают разделительным песком. На нижнюю половину модели накладывают верхнюю 5, строго центрируя ее по шипам, затем старят опоку 6, модели стояка 7 и выпоров 8 и набивают их в том же порядке, как и нижнюю полуформу. Затем заглаживают верхнюю поверхность, накалывают каналы, оформляют очертания литниковой чаши и извлекают модели стояка 7 и выпоров 8. Потом снимают и поворачивают на 180° верхнюю полуформу. Из обеих полуформ извлекают модели, заглаживают поврежденные места, присыпают припылом, устанавливают стержень в нижнюю полуформу, накрывают ее верхней полуформой и скрепляют или нагружают форму для заливки металлом (рис. 4, д).
Формовка в двух опоках по неразъемной модели показана на рис. 5. Модель формуемой детали (рис. 5, а) без нижнего стержневого знака ставят на щиток (рис. 5, б), обкладывают облицовочной, а затем набивают наполнительной смесью и сверху сгребают излишек. При попавшей под модель смеси полуформу поворачивают на 180° (рис. 5, в ) и вырезают смесь по линии 3-4. Загладив всю поверхность разъема, присыпав ее разделительным песком и поставив на место стержневой знак 2, ставят верхнюю опоку, модели стояка и выпоров, наполняют ее формовочной смесью, раскрывают форму, извлекают модель, отделывают, присыпают припылом, ставят стержень, накрывают верхней полуформой, нагружают и ставят под заливку (рис. 5, г ).
В сентябре на Урале прошли деловые встречи нидерландских компаний с русскими потенциальными партнерами. Партнерство предлагалось для различных отраслей: металлургия, машиностроение, сельское хозяйство, пищевая промышленность. Кризисные катаклизмы, затронувшие Урал, практически, как и все регионы РФ - не испугали европейских промышленников. И это хороший знак!
Несмотря на то, что Урал сегодня в упадке - нужно думать о будущем, - говорит Марина Богданова, менеджером по развитию бизнеса компании GEMCO CAST METAL TECHNOLOGY . - Когда начнет опять развиваться экономика - может быть уже поздно. В России литейная отрасль представлена в основном литейными цехами, входящими в состав машиностроительных и других производственных корпораций и холдингов, и сравнительно небольшим количеством самостоятельных литейных предприятий. В этой ситуации, литейное производство для компании в целом воспринимается зачастую как вспомогательное, а следовательно «проедающее» средства компании. Отсюда и остаточный признак капвложений в развитие. Такой подход в течение десятилетий привел к практически повсеместному моральному и техническому устареванию оборудования и технологий. Точечные попытки улучшить и модернизировать не дают должного эффекта.
В результате в целом по отрасли мы имеем высокозатратное, неэффективное, плохо организованное производство, грузом лежащее на плечах компаний. А между тем, все должно быть наоборот. Литейное производство - это бизнес на котором можно и нужно делать деньги. Как сделать это возможным? Естественно нужны серьезные капвложения. Но помимо этого, что не менее важно, нужен высокопрофессиональный подход в освоении таких средств. Закупить новое оборудование - это еще не все, здесь нужно решать комплекс задач. А именно, выбор оборудования должен быть оптимальным, так, чтобы не потратить лишние средства на избыточные мощности, и в тоже время не создать нехватку мощностей. Нужно выстроить оптимальную производственную схему, оптимально организовать производственный процесс. Это существенно снизит затраты, даст возможность в течение 4-5 лет окупить капвложения, и вывести производство на уровень самостоятельного бизнеса, приносящего хорошую прибыль. Сегодня на рынке выигрывает тот, кто предлагает высокое качество по низкой цене. Однако, задача эта не из простых. Как добиться такого сочетания - знают в GEMCO, которая имеет штат профессионалов, накопивших соответствующий опыт и знания.
Марина, а что, прежде всего, у производственника по правде: выгода или качество?
Нельзя разделять этот вопрос. Эти два понятия зависят друг от друга. Они неразделимы. Если компания выдает продукцию низкого качества, то о какой выгоде идет речь? Собственник компании может усилить качество, на первоначальном этапе себе в убыток и зарекомендовать себя. А может и понизить, но - это риск потерять клиентов. Окупаемость предприятия зависит от объема продаж. Вы сделали успешную партию, у вас ее купили - вы зарекомендовали себя. Так строятся деловые связи. Качество - репутация - продажи - выгода.
Россия давно числится в ряду стран, где любая деятельность специфична. Здесь нужен особый подход. Однако, и голландцы не лыком шиты - знают, как профессионально и эффективно вывести российскую компанию в лидеры. 
Какие инструменты предлагает компания для решения проблем в литейном производстве?
Наша компания занимается литейным производством: черным и цветным. Деятельность GEMCO CAST METAL TECHNOLOGY делится на три составляющие. Инжиниринг: включает разработку литейного проекта, этапы его реализации. Контарктинг: осуществление генерального подряда. Консалтинг литейного производства, который может быть операционным или стратегическим. Операционный - это маркетинговое исследование по заказчикам, сравнительный анализ эффективности производства. Это может быть технический и коммерческий аудит, необходимый при слияниях и поглощениях. Операционный консалтинг включает разработку методов улучшения производства. Когда предприятие уже работает определенное время - необходимо периодически отслеживать эффективность производства.
Речь снова заходит о стратегическом планировании, отсутствием которого часто грешат наши предприниматели. При этом просто необходимы точно просчитанные технические и экономические аспекты. Ведь чтобы получить ожидаемый результат необходимо правильно действовать на каждом этапе.
Марина, вашу компанию называют уникальной. За что?
На рынке есть компании, осуществляющие только инжиниринг, либо только консалтинг, либо специализирующиеся на поставке оборудования. Уникальность GEMCO в том, что мы предоставляем комплексный подход. И наши заказчики подтвердят вам нашу точность и ответственность.
Расскажите поэтапно подход к проекту
Для начала необходимо рассмотреть аспекты будущего проекта, что компания собирается выпускать. На их основании делается концепция производства, составляется техническая часть и осуществляется предварительная компоновка. Затем проект начинает наполняться необходимым оборудованием по потребностям. Нет смысла устанавливать оборудование, которое не сможет обеспечить объемы производства или то, которое будет использоваться не на 100%.
Далее мы просчитываем ресурсозатраты: сколько нужно газа, воды, энергии, сырья, сколько человек должно обслуживать линию. Это и есть концепция. После осуществления вышеприведенной работы - просчитываем сколько весь проект будет стоить.
Для примера, какой конкретный плюс вы можете дать компании заказчика?
Например, создание команды. Это очень важно. Если в компании нет команды - она обречена на провал. Объединить технологов, металлургов, рабочих операторов - не простое дело. Допустим, компания использовала длительное время технологию «литья в землю» и, руководство решило внедрить новый продукт. А для этого нужна другая технология, которая еще не освоена. Именно мы осуществим передачу технологии: подберем персонал по профессиональным требованиям, определим обязанности для каждого члена команды, обучим и, главное - осуществим контроль за выполнением процесса.
Каково сейчас состояние литейной отрасли в Нидерландах?
Чтобы ответить на этот вопрос - нужно отследить ситуацию десятилетней давности. За этот период времени произошли серьезные перемены. Некоторые предприятия закрывались, многие переносились на новые места. В течении 10 лет появилась тенденция к концентрации на узкономенклатурных изделиях. Сейчас в России только начинается такая же тема. В РФ много таких производств. Сейчас отношение к литейному производству как к вспомогательному, как к балласту, но должно все измениться.
В Нидерландах кризис почти закончился. Нельзя сказать, что все отлично, т.к. есть свои задачи, которые требуют решения. Многие компании приостановили деятельность. И, интересно, что часть освободившегося рынка уже занята. Ориентировочно, все встанет на круги своя примерно через два года. Но для России сроки больше. И если бы мы знали ответ на вопрос «Когда закончится кризис?» - то никому не сказали бы его, а использовали для себя. В Нидерландах это несколько месяцев, для России - лет. Здесь остаются банковские проблемы, бюрократические барьеры, но это уже задача государства создать условия. при которых людям хотелось что-то делать.
Вы провели встречи с уральскими бизнесменами, но сейчас такая нестабильная ситуация. Вы думаете, что сегодня самое время для новых проектов?
В Челябинске сосредоточие таких компаний, но на сегодняшний день необходима серьезная модернизация производства. Руководства понимают это и работают в этом направлении. К сожалению, процесс занимает больше времени, чем хотелось бы.
Раннее деятельность GEMCO CAST METAL TECHNOLOGY была связана с изготовлением оборудования для литейного производства, но практика показала, что нужно сосредоточиться на интеллектуальной деятельности. В бизнесе есть такой момент - найти свою нишу. Мы ее нашли. Важно, что есть люди, которые помогут профессионально разобраться в вопросах применения наиболее экономически и технически эффективных производственных решений, осуществить оптимальный подбор оборудования, определить технологический процесс и движение материалов, эффективно использовать инвестиционный капитал. Подчеркну, что мы предоставим реалистичный обзор необходимых инвестиций и сроков реализации проекта; дадим объективное определение ценового уровня продукции и финансовых показателей.
Литейное производство
является основной базой машиностроительного комплекса и его развитие зависит от темпов развития машиностроения в целом.
На XI Съезде литейщиков России в Екатеринбурге в сентябре 2013 года был остро поставлен вопрос о состоянии литейной отрасли, которое неразрывно связано с развитием машиностроения.
Производство российского литья за годы реформирования сократилось в 4,5 раза с 18,5 млн. тонн до 4,2 млн. тонн и имеет тенденцию к понижению ниже 4,0 млн. тонн в 2013. Число литейных производств сократилось почти в три раза с 3500 до 1250 предприятий. Ликвидировано 10 научно-исследовательских институтов литейного производства.
Экспорт литья незначителен, экспорт литейного оборудования практически отсутствует. Вместе с тем, импорт литейного оборудования в том числе для литейных цехов металлургических заводов за 10 лет с 2003 года увеличился почти в 9 раз, превысив 1.0 млрд. ам. дол. в 2012 году.
Необходимы неотложные меры по возрождению российского литейного производства, для чего нужно объединение усилий литейных предприятий, машиностроительной отрасли, научного потенциала при реальной поддержке государственных организаций и финансовых институтов развития в рамках частно–государственного партнёрства.
Анализу состояния российского литейного производства посвящена статья Президента ассоциации литейщиков России проф. Диброва И.А.
Рис.1. Выпуск отливок по странам в 2011 г.
Литейное производство России является основной базой машиностроительного комплекса и его развитие зависит от темпов развития машиностроения в целом. Перспективы развития литейного производства определяются потребностью в литых заготовок, их динамикой производства, авторитетом литейных технологий и конкурентной способностью среди развитых зарубежных стран.
Рассмотрим состояние литейного производства России.
В 2011 в мире было произведено 98,6 млн. тонн отливок из черных и цветных сплавов, в том числе в России 4,3 млн.т, что составляет 4,36%
Выпуск отливок по странам приведен на рис. 1, из которого видно, что лидирующее место в производстве отливок занимает Китай, который сегодня производит около половины мирового выпуска литых заготовок.
Рис.2. Выпуск литья в странах BRICS в 2011 г.
Россия занимает 6-е место после Китая, США, Индии, Германии и Японии.
Выпуск литья в странах BRICS в 2011 г. составил 59,49 млн. тонн, что составляет 60% мирового производства (рис. 2). Россия среди стран BRICS занимает третье место и производит 8,22% от выпуска литья этими странами.
Литейное производство в России занимает лидирующее положение среди таких заготовительных баз машиностроения, как сварка и кузница. Коэффициент использования металла (от 75 до 95%). С другой стороны, литейное производство является наиболее наукоемким, энергоемким и материалоемким производством. Для производства 1 тонны отливок требуется переплавка 1,2-1,7 тонн металлических шихтовых материалов, ферросплавов и флюсов, переработка и подготовка 3-5 тонн формовочных песков (при литье в песчано-глинистые формы), 3-4 кг связующих материалов (при литье в формы из ХТС) и красок. В себестоимости литья энергетические затраты и топливо составляют 50-60%, стоимость материалов 30-35%.
Рис.3. Объемы производства отливок в России с 1990 по 2012 гг.г.
Динамика производства отливок в России с 1990 по 2012 гг. приведена на рис. 3. Наиболее высокие объемы производства отливок были в 1985 г. и составляли 18,5 млн. тонн. После этого начался резкий спад производства, связанный с нарушением общих принципов кооперации машиностроительной продукции между республиками СССР, приватизацией и ликвидацией предприятий. Только в Москве закрылись около 20 предприятий, в том числе АМО „ЗИЛ“, заводы „Станколит“, „Динамо“, завод им. Войкова, на которых производили около 500 тыс. тонн литья. С 2001 по 2008 гг. производство отливок стабилизировалось на уровне 7 млн. тонн. В дальнейшем спад производства отливок связан с экономическим кризисом, сокращением квалифицированных кадров, в первую очередь, пенсионеров, закрытием предприятий. В последние годы производство отливок из черных и цветных сплавов стабилизировалось на уровне 4,2 – 4,4 млн. тонн.
Общее число литейных предприятий в России составляет около 1250, которые производят отливки, оборудование, сопутствующие материалы.
Выпуск отливок на одного работающего в 2012 г. составил около 14,3 тонн в год.
В литейном производстве машиностроения и металлургии (по экспертной оценке) занято около 300 тыс. человек, в том числе 90% рабочих, 9,8% инженерных и 0,2% научных работников.
Основное количество литейных предприятий в России (78%) составляют небольшие литейные цехи с объемом выпуска до 5000 тонн литья в год.
Данные по мощностям, объемам выпуска и числу работающих в литейных цехах, по имеющимся у ассоциации сведениям, приведен в табл. 1.
Таблица 1. Анализ состояния производств России по мощностям, объемам выпуска и числу работающих
| № | Объем выпуска отливок (т в год) | Кол-во работающих человек | Кол-во предприятий | % | Примечания |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 50000-100000 | 2000-3000 | 12 | 1 | Литейные цехи автозаводов, энергомашиностроения, оборонный комплекс |
| 2 | 10000-50000 | 500-2000 | 84 | 6,7 | Литейные цехи крупных машиностроительных заводов |
| 3 | 5000-10000 | 200-500 | 180 | 14,4 | Цехи машиностроительных заводов и отдельные цехи |
| 4 | 1000-5000 | 50-200 | 430 | 34,4 | Цехи машиностроительных предприятий |
| 5 | Менее 1000 | 50-100 | 544 | 43,5 | Мелкие цехи различного назначения |
По технологическим процессам производство отливок распределяется следующим образом:
Таблица 2. Производство отливок по технологическим процессам, %
78 % отливок производятся на механизированных линиях и машинах и вручную. Уровень автоматизации и механизации литейного производства России представлен в табл. 3.
Таблица 3. Уровень автоматизации и механизации литейного производства
В настоящее время экспорт отливок составляет 30 тыс. тонн в год в такие страны, как Германия, Англия, Франция, Израиль, Швеция, Норвегия, Финляндия, импорт составляет около 70 тыс. тонн.
Объемы производства отливок существенно зависят от объемов производства отечественного литейного оборудования для собственных нужд и поставки на экспорт.
Ряд основных производителей литейного оборудования в России сохранили и расширили свою специализацию, однако они не удовлетворяют потребность литейных цехов и заводов. В России не производится следующее оборудование:
- автоматические и механизированные линии для изготовления безопочных форм из песчано-глинистых и холоднотвердеющих смесей;
- машины для изготовления форм из песчано-глинистых смесей с размером опок от 400х500мм до 1200х1500мм;
- машины для изготовления литейных стержней по горячей и холодной оснастке;
- оборудование для покраски литейных форм;
- кокильные машины;
- машины для литья под низким давлением;
- машины для центробежного литья;
- индукционные печи средней частоты емкостью более 10 тонн для выплавки чугуна и стали;
- смесители периодического и непрерывного действия для приготовления холоднотвердеющих смесей производительностью более 10 тонн/час;
- оборудование для регенерации холоднотвердеющих смесей производительностью более 10 тонн/час.
Производится неполная гамма машин для литья под высоким давлением.
Парк литейного оборудования за последние 5 лет обновляется незначительно, его средний возраст 28 лет.
Рис.4. Динамика импорта литейного оборудования с 2003 по 2012 гг.
В связи с этим ожидается, что в ближайшие 5-10 лет недостающее оборудование будет закупаться у зарубежных фирм Германии, Италии, США, Японии, Турции, Дании, Англии, Чехии, Франции и др.
Оценим рынок импортного оборудования.
Динамика импорта литейного оборудования в Россию с 2003 по 2012 гг. (млн. дол. США) представлена на рис.4.
В 2012 г. импорт оборудования, запасных частей и приспособлений для литейного и смежных производств из всех стран мира составил около 705 млн. дол. США. Динамика импорта литейного оборудования со всех стран мира с 2007 по 2012 гг. (млн. дол. США) представлена в табл. 4.
Таблица 4. Динамика импорта литейного оборудования с 2007 по 2012 гг.
| 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 | 2012 |
| 833,1 | 948,1 | 632,2 | 499,15 | 676,24 | 1081,5 |
Наиболее высокие объемы поставок литейного оборудования в Россию из всех стран мира до 2012 г. были в 2008 г., но в 2012 г. объем поставок оборудования вырос и составил более 1 млрд. дол. США. Поставки только литейного оборудования составляют 720 млн. долларов США, на остальные 259,5 млн. дол. США в Россию поставлены отливки, изложницы, поддоны, различные приспособления и приборы, в том числе для литейных цехов металлургического производства. Поставки литейного оборудования из ведущих стран мира за три последних года (2010-2012 гг.) представлена в табл. 5 (млн. дол. США).
Таблица 5. Поставки литейного оборудования из ведущих стран мира за 2010-2012 гг.
Из табл.5 видно, что литейное оборудование в основном поставляется из Германии и Италии. В целом, из зарубежных стран закупается 72% литейного оборудования. Поэтому производство отливок для изготовления отечественного оборудования сокращается.
Несмотря на низкий уровень объемов производства отливок в последние годы многие заводы проводят реконструкцию литейного производства на базе новых технологических процессов и материалов, перспективного оборудования.
Основной целью реконструкции является расширение объемов производства, повышение качества продукции, отвечающего современным требованиям заказчика, улучшение экологической ситуации и условий труда. При проведении реконструкции требуется глубокое изучение рынка сбыта продукции, анализ современных технологических процессов, оборудования и материалов, разработка оптимальной технологической планировки и расстановки оборудования, разработка рабочего проекта. Для технологического и рабочего проектирования нужны квалифицированные специалисты. К сожалению, сегодня в России ограниченное количество организаций, способных полностью взять на себя технологическое и рабочее проектирование цеха или участка. Поэтому создаются творческие группы специалистов и организаций, выполняющих данного рода работы.
За последние 3 года реконструировалось полностью или частично более 90 литейных цехов и участков.
Реконструкция цехов и заводов осуществляется на базе механизированных линиях, заменяя ручной труд. Только за последние 4 года (2008-2012 гг.) в литейных цехах установлено 25 автоматизированных и механизированных линий для изготовления литейных форм.
Внедрение перспективных технологий
Для получения чугуна и стали перспективными являются технологические процессы плавки в индукционных и дуговых электропечах, обеспечивающих стабильно заданный химсостав и температуру нагрева расплава для проведения эффективной внепечной обработки.
Для выплавки литейных сплавов перспективными являются:
Для плавки чугуна:
- Индукционные тигельные печи средней частоты емкостью до 10-15 тонн. Такие печи производят отечественные фирмы: ООО „РЭЛТЕК“, Екатеринбург, ОАО „Электротерм-93“, г. Саратов, ОАО „Новозыбковский завод электротермического оборудования“, ООО „Курай“, г. Уфа, ЗАО НПП „Институт Электротехнологий“, Екатеринбург, ООО „СОДРУЖЕСТВО“ и другие,
а также иностранные фирмы АВР, Юнкер (Германия), „Индуктотерм“, „Аякс“ (США), „ЭГЕС“, Турция, которые нашли наиболее широкое распространение в России; - Дуговые печи постоянного тока производства ОАО „Сибэлектротерм“, г. Новосибирск, ООО „НТФ „ЭКТА“, Москва, ООО „НТФ „Комтерм“, Москва.
Для выплавки чугуна более технологически гибкими являются индукционные тигельные печи средней частоты.
Рис.5. Увеличение объемов производства чугуна, выплавленного в индукционных печах (%)
К сожалению, в последние годы не проводятся работы по совершенствованию технологии ваграночной плавки чугуна,. Нет, и ранее не было, в России серийного производства вагранок. В связи с этим все работающие вагранки изготовлены кустарным способом без подогрева дутья и качественной очистки отходящих газов от пыли и вредных составляющих. Газовые вагранки не нашли должного распространения в нашей стране вследствие отсутствия ее надежной конструкции и применяются лишь для получения низких марок чугуна.
На рис.5 представлены данные об увеличении объемов производства отливок из чугуна, выплавленного в индукционных печах, и уменьшении объемов производства отливок из ваграночного чугуна.
Производство отливок из различных типов чугуна в 2012 г. представлено в табл. 6.
Таблица 6. Производство отливок из различных типов чугуна в 2012 г.
Рис.6. Рост объемов производства отливок из алюминиевых и магниевых сплавов (%)
Увеличение объемов выплавки в индукционных печах чугуна с низким содержанием серы позволило повысить производство отливок из высокопрочного чугуна с шаровидной и вермикулярной формой графита. В период с 2006 по 2012 гг. выпуск отливок из высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита вырос на 12 % (рис.6) за счет снижения производства отливок из серого и специального чугунов и стали.
Для плавки стали:
- Дуговые электропечи переменного и постоянного тока, индукционные печи средней и повышенной частоты.
Производство отливок из различных типов стали в 2012 г. Представлено в табл. 7.
Таблица 7. Производство отливок из стали
Для плавки цветных сплавов:
- Электрические индукционные, дуговые и печи сопротивления, газовые и мазутные печи.
Производство отливок из цветных сплавов в 2012 г. представлено в табл. 8.
Таблица 8. Производство отливок из цветных сплавов
В последние годы наблюдался рост производства отливок из алюминиевых и магниевых сплавов, которые в ряде случаев заменяют
Производство фасонных отливок в России из алюминиевых сплавов различными методами представлено в табл. 9.
Таблица 9. Производство фасонных отливок из алюминиевых сплавов различными методами
В настоящее время развитие производства высококачественных отливок на базе современных технологических процессов в различных отраслях машиностроения осуществляется неравномерно. Наиболее высокие объемы производства отливок наблюдаются в транспортном (автомобильном, железнодорожном и коммунальном) машиностроении, тяжелом и энергетическом машиностроении и оборонной промышленности.
Рис.7. Производство отливок по отраслям в 2012 г.
Объемы производства отливок по отраслям представлены на рис. 7
Анализ динамики производства отливок и отечественного литейного оборудования за последние 10 лет не позволяет определить перспективы развития литейного производства на ближайшие годы. Увеличение объемов производства отливок из черных и цветных сплавов не предвидится, так как продолжается политика и практика закупки машиностроительной продукции за рубежом. Также продолжается тенденция увеличения закупок литья за рубежом. Потребность отечественной промышленности в литых заготовках снижается. Литые заготовки не конкурентоспособны на мировом рынке по причине их высокой себестоимости и по показателю «цена-качество» мы уступаем развитым зарубежным странам.
Новые литейные технологии в последние годы не разрабатываются, так как 10 научно-исследовательских институтов, занимающиеся литейным производством ликвидированы системой приватизации. Научными исследованиями занимаются только литейные кафедры ВУЗов, основной задачей которых является подготовка молодых специалистов. Основное количество кафедр не оснащено современными приборами и оборудованием. Координация научной деятельности в России отсутствует. Количество научных работников за последние 15 лет сократилось с 8 до 0,2% от всех работающих в литейном производстве. Нарушена связь науки с производством, отраслевая наука отсутствует.
В существующих условиях для дальнейшего развития литейного производства, реконструкции старых литейных цехов и строительства новых на базе новых технологических процессов и современного экологически чистого оборудования большую роль играет информационная деятельность, которую проводит Российская ассоциация литейщиков. Ассоциация регулярно организовывает научно-технические специализированные конференции, один раз в 2 года проводится съезд литейщиков и выставка с участием зарубежных специалистов, кроме того, организовывает поездки специалистов на международные выставки по литейному производству и литейные заводы зарубежных стран с целью ознакомления с инновационными техническими решениями и обмена опытом. Выпускает ежемесячно научно-технический журнал «Литейщик России».
Необходимо отметить, что наряду со стабилизацией объемов производства отливок в последние 4 года качество литья значительно повысилось, увеличилась размерная точность и, соответственно, уменьшилась их масса, повысились прочностные и эксплуатационные характеристики, улучшился товарный вид.
Значительно улучшилась технологическая оснащенность ряда предприятий, за последние 15 лет около 350 предприятий провели реконструкцию, которая сдерживается отсутствием оборотных средств на многих предприятий.
Надеемся, что совместная деятельность литейных предприятий с научными и общественными организациями при поддержке Правительства РФ позволит осуществлять дальнейшее развитие литейного производства России.
- Тэги:
Литейное производство
I
Лите́йное произво́дство
одна из отраслей промышленности, продукцией которой являются отливки (См. Отливка),
получаемые в литейных формах при заполнении их жидким сплавом. Годовой объём производства отливок в мире превышает 80 млн. т,
из которых около 25% приходится на СССР (1972). Методами литья изготовляется в среднем около 40% (по массе) заготовок деталей машин, а в некоторых отраслях машиностроения, например в станкостроении, доля литых изделий составляет 80%. Из всех производимых литых заготовок машиностроение потребляет примерно 70%, металлургическая промышленность - 20%, производство санитарно-технического оборудования - 10%. Литые детали используют в металлообрабатывающих станках, двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах, электродвигателях, паровых и гидравлических турбинах, прокатных станах, с.-х. машинах, автомобилях, тракторах, локомотивах, вагонах. Значительный объём литых изделий, особенно из цветных сплавов, потребляют авиация, оборонная промышленность, приборостроение. Л. п. поставляет также водопроводные и канализационные трубы, ванны, радиаторы, отопительные котлы, печную арматуру и др. Широкое применение отливок объясняется тем, что их форму легче приблизить к конфигурации готовых изделий, чем форму заготовок, производимых др. способами, например ковкой. Литьём можно получить заготовки различной сложности с небольшими припусками, что уменьшает расход металла, сокращает затраты на механическую обработку и, в конечном счёте, снижает себестоимость изделий. Литьём могут быть изготовлены изделия практически любой массы - от нескольких г
до сотен т,
со стенками толщиной от десятых долей мм
до нескольких м.
Основные сплавы, из которых изготовляют отливки: серый, ковкий и легированный чугун (до 75% всех отливок по массе), углеродистые и легированные стали (свыше 20%) и цветные сплавы (медные, алюминиевые, цинковые и магниевые). Область применения литых деталей непрерывно расширяется. Историческая справка.
Производство литых изделий известно с глубокой древности (2-1-е тысячелетия до н. э.): в Китае, Индии, Вавилоне, Египте, Греции, Риме отливали предметы вооружения, религиозного культа, искусства, домашнего обихода. В 13-14 вв. Византия, Венеция, Генуя, Флоренция славились своими литыми изделиями. В русском государстве в 14-15 вв. отливались бронзовые и чугунные пушки, ядра и колокола (на Урале). В 1479 построена в Москве «пушечная изба» - первый литейный завод. В царствование Ивана IV созданы литейные заводы в Туле, Кашире и др. городах. В 1586 А. Чохов отлил «Царь-пушку» (См. Царь-пушка) (около 40 т). При Петре I изготовление отливок увеличилось, были созданы литейные заводы на Урале, Юге и Севере государства. В 17 в. чугунные отливки экспортировались за границу. В России созданы замечательные образцы литейного искусства: в 1735 «Царь-колокол » (свыше 200 т) И. Ф. и М. И. Маториными, в 1782 памятник Петру I «Медный всадник» (22 т
) Э. Фальконе ,
в 1816 памятник К. Минину и Д. М. Пожарскому В. П. Екимовым, в 1850 скульптурные группы Аничкова моста в Петербурге П. К. Клодт ом и др. Одна из самых крупных отливок в мире - шабот (нижняя часть, воспринимающая удар) парового молота (650 т
) изготовлена в 1873 на Пермском заводе. Известно мастерство литейщиков старых русских заводов - Каслинского, Путиловского, Сормовского, Коломенского и др. Первые попытки научного обоснования некоторых процессов литья сделали в своих работах Р. Реомюр ,
М. В. Ломоносов
и др. учёные. Однако до 19 в. при литье использовали ранее накопленный многовековой опыт мастеров. Лишь в начале 19 в. были заложены теоретические основы литейной технологии, были применены научные методы в решении конкретных производственных задач. Труды Д. Бернулли , Л. Эйлер а,
М. В. Ломоносова послужили прочной базой для разработки и совершенствования литейной технологии. В работах русских учёных П. П. Аносов а, Н. В. Калакуцкого и А. С. Лаврова были впервые научно объяснены процессы кристаллизации (См. Кристаллизация),
возникновения ликвации (См. Ликвация) и внутренних напряжений в отливках, намечены пути к повышению качества отливок. В 1868 Д. К. Чернов открыл критические точки (См. Критическая точка) металлов. Его труды продолжили А. А. Байков ,
А. М. Бочвар ,
В. Е. Грум-Гржимайло ,
позднее Н. С. Курнаков и др. русские учёные. Большое значение для развития Л. п. имели работы Д. И. Менделеев а.
В годы Советской власти Л. п. развивалось ускоренными темпами: в 1922 впервые налажено производство отливок из алюминиевых сплавов, в 1929 - из магниевых; с 1926 производилась реконструкция существовавших литейных цехов и строительство новых. Строились и вводились в эксплуатацию литейные цехи с высокой степенью механизации, с выпуском отливок до 100 тыс. т
и более в год. Одновременно с перевооружением и механизацией Л. п. в СССР проводилось внедрение новой техники, создавались основы теории рабочих процессов и методы расчётов литейного оборудования. В 20-е гг. начала формироваться советская научная школа, основателями которой являются Н. П. Аксенов, Н. Н. Рубцов, Л. И. Фанталов, Ю. А. Нехендзи и др. Технология литейного производства.
Процесс Л. п. многообразен и подразделяется: по способу заполнения форм - на обычное литьё, Литьё центробежное , Литьё под давлением ;
по способу изготовления литейных форм - на литьё в разовые формы (служащие лишь для получения одной отливки), литьё в многократно используемые керамические или глиняно-песчаные формы, называется полупостоянными (такие формы с ремонтом выдерживают до 150 заливок), и литьё в многократно используемые, так называемые постоянные металлические формы, например кокили, которые выдерживают до нескольких тыс. заливок (см. Литьё в кокиль). При производстве заготовок литьём используют разовые песчаные, оболочковые самотвердеющие формы. Разовые формы изготовляют с помощью модельного комплекта (См. Модельный комплект)
и опоки (См. Опока) (рис. 1
). Модельный комплект состоит из собственно литейной модели (См. Литейная модель), предназначенной для получения в литейной форме полости будущей отливки, и стержневого ящика для получения литейных стержней, оформляющих внутренние или сложные наружные части отливок. Модели укрепляют на модельных плитах, на которых устанавливают опоки, заполняемые формовочной смесью. Заформованную нижнюю опоку снимают с модельной плиты, переворачивают на 180° и в полость формы вставляют стержень. Затем собирают (спаривают) верхнюю и нижнюю опоки, скрепляют их и заливают жидкий сплав. После затвердевания и охлаждения отливку вместе с литниковой системой (См. Литниковая система) извлекают (выбивают) из опоки, отделяют литниковую систему и очищают отливку - получается литая заготовка. Наиболее распространено в промышленности производство отливок в разовых песчаных формах. Этот способ применяется для изготовления из различных сплавов заготовок любых размеров и конфигурации. Технологический процесс литья в песчаные формы (рис. 2
) складывается из ряда последовательных операций: подготовка материалов, приготовление формовочных и стержневых смесей, изготовление форм и стержней, простановка стержней и сборка форм, плавка металла и заливка его в формы, охлаждение металла и выбивка готовой отливки, очистка отливки, термообработка и отделка. Материалы, применяемые для изготовления разовых литейных форм и стержней, делятся на исходные Формовочные материалы и формовочные смеси; их масса равна в среднем 5-6 т
на 1 т
годных отливок в год. При изготовлении формовочной смеси используют отработанную формовочную смесь, выбитую из опок, свежие песчано-глинистые или бентонитовые материалы, добавки, улучшающие свойства смеси, и воду. В стержневую смесь (См. Стержневые смеси) обычно входят кварцевый песок, связующие материалы (масло, смола и др.) и добавки. Приготовление смеси производят в определённой последовательности на смесеприготовительном оборудовании (См. Смесеприготовительное оборудование);
ситах, сушилах, дробилках, мельницах, магнитных сепараторах, смесителях и т. п. Формы и стержни изготовляют на специальном формовочном оборудовании (См. Формовочное оборудование) и станках. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или совместно тем и др. способом. Крупные формы заполняют с помощью Пескомёт ов,
реже для изготовления форм используют пескодувные и пескострельные машины. Формы в опоках, заформованные в стержневых ящиках стержни подвергаются тепловой сушке или химическому твердению, например при литье в самотвердеющие формы (См. Литьё в самотвердеющие формы). Тепловую сушку осуществляют в литейных сушилах, а сушку стержней производят также в нагретом стержневом ящике. Сборка форм состоит из следующих операций: установка стержней, соединение половин форм, закрепление форм скобами или грузами, устанавливаемыми на верхнюю форму и предотвращающими их раскрытие при заливке сплавом. Иногда на форму устанавливают литниковую чашу, изготовленную из стержневой или формовочной смеси. Плавят металл в зависимости от вида сплава в печах различного типа и производительности (см. Плавильное оборудование). Наиболее часто литейный чугун выплавляют в Вагранка х,
применяют также электрические плавильные печи (тигельные, электродуговые, индукционные, канального типа и др.). Получение некоторых сплавов из чёрных металлов, например белого чугуна, ведут последовательно в двух печах, например в вагранке и электропечи (т. н. дуплекс-процесс). Заливку форм (См. Заливка форм) сплавом осуществляют из заливочных ковшей, в которые периодически поступает сплав из плавильного агрегата. Затвердевшие отливки обычно выбивают на вибрационных решётках (См. Вибрационная решётка)
или коромыслах. При этом смесь просыпается через решётку и поступает в смесеприготовительное отделение на переработку, а отливки - в очистное отделение. При очистке отливок с них удаляют пригоревшую смесь, отбивают (отрезают) элементы литниковой системы и зачищают заливы сплава и остатки литников. Эти операции проводят в галтовочных барабанах, дробеструйных и дробемётных установках. Крупные отливки очищают гидравлическим способом в специальных камерах. Обрубку и зачистку отливки осуществляют пневматическими зубилами и абразивным инструментом. Отливки из цветных металлов обрабатывают на металлорежущих станках. Для получения необходимых механических свойств большинство отливок из стали, ковкого чугуна, цветных сплавов подвергают термической обработке (См. Термическая обработка). После контроля качества литья и исправления дефектов отливки окрашивают и передают на склад готовой продукции. Механизация и автоматизация литейного производства.
Большинство технологических операций в Л. п. очень трудоёмко, протекает при высокой температуре с выделением газов и кварцесодержащей пыли. Для уменьшения трудоёмкости и создания нормальных санитарно-гигиенических условий труда в литейных цехах применяют различные средства механизации и автоматизации технологических процессов и транспортных операций. Внедрение механизации в Л. п. относится к середине 20 в. Тогда для приготовления формовочных материалов начали использовать бегуны, сита, рыхлители, а для очистки отливок - пескоструйные аппараты. Были созданы простейшие формовочные машины с ручной набивкой форм, позднее стали применять гидравлические прессы. В 20-х гг. появились и быстро распространились пневматические встряхивающие формовочные машины. На каждой технологической операции стремились заменить ручной труд машинным: совершенствовались оборудование для изготовления форм и стержней, устройства для выбивки и очистки отливок, механизировалась транспортировка материалов и готовых отливок, были внедрены конвейеры, разработаны методы поточного производства. Дальнейший рост механизации Л. п. выражается в создании новых усовершенствованных машин, литейных автоматов и автоматических литейных линий, в организации комплексно-автоматизированных участков и цехов. Наиболее трудоёмкие операции при производстве отливок - формовка, изготовление стержней и очистка готовых отливок. На этих участках литейных цехов в наибольшей степени механизированы и частично автоматизированы технологические операции. Особенно эффективно внедрение в Л. п. комплексной механизации и автоматизации. Перспективными являются автоматические линии формовки, сборки и заливки форм сплавом с охлаждением отливок и их выбивкой. Например, на линии системы Бюрер - Фишер (Швейцария) (рис. 3
) изготовление форм, заливка их сплавом и выбивка отливок из форм автоматизированы. Успешно работает установка для автоматической заливки форм сплавом на непрерывно движущемся конвейере (рис. 4
). Масса жидкого сплава для заполнения форм контролируется электронным аппаратом, учитывающим металлоёмкость определённой формы. Установка снабжена автоматической смесеприготовительной системой, контроль качества формовочной смеси и регулирование смесеприготовления осуществляются автоматическим устройством (системы «Молдабилити-контроллер», Швейцария). Для финишных операций (очистки и зачистки отливок) применяют проходные барабаны непрерывного действия с дробемётными аппаратами. Крупные отливки очищают в камерах непрерывного действия, вдоль которых отливки передвигаются на замкнутом транспортёре. Созданы автоматические очистные камеры для отливок, имеющих сложные полости. Например, фирмой «Омко-Нангборн» (США - Япония) разработана камера типа «Робот». Каждая такая камера представляет собой независимый механизм для транспортировки отливок, который работает автоматически, выполняя команды, поступающие от так называемых модулей управления, расставленных на монорельсовой транспортной системе. В зоне очистки по заранее заданной программе с оптимальной скоростью вращается подвеска, на которую автоматически навешивается отливка. Двери камеры открываются и закрываются автоматически. При массовом производстве предварительная (черновая) зачистка отливок (обдирка) осуществляется в литейных цехах. Во время этой операции также подготавливаются базы для механической обработки отливок на автоматических линиях в механических цехах. Заключительные операции могут производиться и на автоматических линиях. На рис. 5
показана автоматическая линия японской фирмы «Норитакэ» для зачистки блоков цилиндров автомобиля. Такая линия позволяет обработать 120 блоков за 1 ч.
Возможности механизации и автоматизации Л. п. особенно возросли после разработки принципиально новых технологических процессов литья, например изготовление оболочковых форм, или Кронинг-процесс (40-е гг., ФРГ), изготовление стержней отверждением в холодных стержневых ящиках (50-е гг., Великобритания), изготовление стержней с отверждением их в горячих стержневых ящиках (60-е гг., Франция). Еще в 40-е гг. в промышленности начали применять метод изготовления отливок высокой точности по выплавляемым моделям. За относительно короткий срок все технологические операции процесса были механизированы. В СССР создано комплексно-автоматизированное производство литья по выплавляемым моделям с выпуском 2500 т
мелких отливок в год (рис. 6
). Лит.:
Нехендзи Ю. А., Стальное литье, М., 1948; Гиршович Н. Г., Чугунное литье, Л. - М., 1949; Фанталов Л. И., Основы проектирования литейных цехов, М., 1953; Рубцов Н. Н., Специальные виды литья, М., 1955; его же, История литейного производства в СССР, 2 изд., ч. 1, М., 1962; Аксенов П. Н., Технология литейного производства, М., 1957; его же, Оборудование литейных цехов, М., 1968. Д. П. Иванов, В. Н. Иванов.
Рис. 3. Автоматическая линия системы Бюрер - Фишер (Швейцария) для изготовления форм, заливки их сплавом и выбивки готовых отливок. Рис. 6. Комплексно-автоматизированный цех литья по выплавляемым моделям с годовым выпуском 2500 т
отливок в год. ежемесячный научно-технический и производственный журнал, орган министерства станкостроительной и инструментальной промышленности СССР и Научно-технического общества машиностроительной промышленности. В 1930-41 выходил под названием «Литейное дело»; с 1941 по ноябрь 1949 не издавался; в дальнейшем выходит под названием «Л. п.». Освещает вопросы теории и практики литейного производства, пропагандирует передовой опыт советских предприятий в области получения высококачественных литейных сплавов, высокопроизводительных технологических процессов производства отливок, комплексной механизации, автоматизации, организации и экономики литейного производства, знакомит с достижениями зарубежного литейного производства. Тираж (1973) 14 тыс. экз. Печатается (полный перевод) в Великобритании под названием «Russian Casting Production» (Birmingham, с 1961).
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»
Институт материаловедения и металлургии
Кафедра «Литейное производство и упрочняющие технологии»
Конспект лекций по дисциплине «Литейное производство»
Лекция 1
Основные понятия литейного производства
План лекции
1. Понятие литейного производства.
2. Краткий исторический обзор развития литейного производства. Роль российских ученых в развитии научных основ и организации производства отливок и слитков.
3. Классификация литейных сплавов и области их применения.
Современную жизнь невозможно представить себе без металлов. Металлы являются основой технического прогресса, фундаментом материальной культуры всего человечества. Но металл становится полезным человеку только тогда, когда из него получили изделия. Существует три основных вида получения изделий из металлов. Это литейное производство, обработка металлов давлением и обработка металлов резанием. Курс «Литейное производство» посвящен первому виду металлообработки.
В настоящем конспекте лекций достаточно подробно рассматриваются теоретические основы литейного производства, кроме того, описываются технологические процессы получения различных изделий и применяемые при этом оборудование и инструмент.
Конспект лекций посвящен литейному производству черных и цветных металлов. В нем изложены основы теории, технологические процессы и оборудование, предназначенное для получения отливок различными способами (в разовые песчано-глинистые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением и др.).
Главное внимание при изложении материала уделено рассмотрению физического и физико-химического существа процессов той или иной технологии, особенностям конструирования оснастки, назначению технологических режимов, применяемому оборудованию и средствам автоматизации.
Наряду с изложением конкретного материала для каждого технологического способа получения заготовок особое внимание уделяется основным «узким» местам, проблемам технологических процессов, анализу путей и средств их решения для получения изделий заданного качества и достижения высокой эффективности производства; на основе такого же подхода рассмотрены и перспективы развития каждого процесса.
Понятие литейного производства
Сущность литейного производства сводится к получению жидкого, т.е. нагретого выше температуры плавления, сплава необходимого состава и качества и заливке его в заранее приготовленную форму. После охлаждения металл затвердевает и сохраняет конфигурацию той полости, в которую он был залит. Таким образом, чтобы изготовить отливку, необходимо:
1) определить материалы, которые нужно ввести в шихту для плавки, произвести их расчет, подготовить эти материалы (разделать на куски, отвесить нужное количество каждого компонента); загрузить материалы в плавильную печь;
2) осуществить плавку – получить жидкий металл необходимой температуры, жидкотекучести, должного химического состава, без неметаллических включений и газов, способный при затвердевании образовать мелкокристаллическую структуру без дефектов с достаточно высокими механическими свойствами;
3) до окончания плавки приготовить литейные формы (для заливки в них металла), способные, не разрушаясь, выдерживать высокую температуру металла, его гидростатическое давление и размывающее действие струи, а также способные пропускать через поры или каналы выделяющиеся из металла газы;
4) произвести выпуск металла из печи в ковш и доставить его к литейным формам; выполнить заливку литейных форм жидким металлом, не допуская перерывов струи и попадания в форму шлака;
5) после затвердевания металла раскрыть формы и извлечь из них отливки; ПРОИЗВОДСТВО
6) отделить от отливки все литники (металл, застывший в литниковых каналах), а также образовавшиеся (при некачественной заливке или формовке) приливы и заусеницы;
7) очистить отливки от частиц формовочной или стержневой смеси;
8) осуществить контроль качества и размеров отливок.
В настоящее время наибольшее число отливок получают в разовых (песчаных) формах, выполняемых из формовочной смеси, состоящей из кварцевого песка, огнеупорной глины и специальных добавок. После затвердевания металла форму разрушают и извлекают отливку. Кроме разовых, применяют полупостоянные формы, изготовленные из высокоогнеупорных материалов (шамота, графита и др.), они используются для заливки нескольких десятков (50–200) отливок, и постоянные формы – металлические, они служат для получения нескольких сотен, а иногда и тысяч отливок до износа формы. Выбор литейной формы зависит от характера производства, рода заливаемого металла, требований, предъявляемых к отливке.
Краткий исторический обзор развития литейного производства. Роль российских ученых в развитии научных основ и организации производства отливок и слитков
Литейное производство является одним из самых древних видов искусства обработки металлов, с которым познакомилось человечество. Многочисленные археологические находки, обнаруженные при раскопках курганов в различных пунктах нашей страны свидетельствуют, что и в Древней Руси медное и бронзовое литье производилось в достаточно большом количестве (котелки, наконечники стрел, украшения – серьги, запястья, кольца, головные уборы и др.). При раскопках обнаружены были уцелевшие горны и печи, каменные формочки, служившие для отливки полых топоров, колец, браслетов, металлических бус, крестов и др. Однако большая часть найденных в Древней Руси отливок была получена литьем по восковой модели.
Оригинален способ изготовления модели: из провощенных шнуров сплетали узор, представляющий копию будущего изделия; на эту восковую модель наносили глину, пока не получалась достаточно прочная форма, после высушивания форму прокаливали, воск выплавлялся, а шнуры выгорали, в образовавшуюся полость заливали металл, после охлаждения получалась отливка сложных очертаний.
В ХI в. на Руси возникли местные производственные центры для отливки предметов церковного (медные кресты, колокола, образки, подсвечники и др.) и домашнего (котелки, рукомойники и др.) обихода. Помимо Киева, Новгорода Великого, крупными центрами по выпуску медно-литых изделий стали Устюг Великий, Тверь. Татарское нашествие вызвало застой, продолжавшийся до середины ХIV в., после чего начался подъем литейного производства. Это объясняется тем, что создалось централизованное крупное государство, в связи с чем начали развиваться города и потребовалось вооружение, теперь уже огнестрельное. С производства сварных пушек перешли на бронзовые – литые, отливали колокола, создавали медно-литейные мастерские художественного литья. К середине ХVI в. московская артиллерия занимала в количественном отношении первое место среди артиллерии европейских государств.
Петровская эпоха представляет скачок в развитии литейного производства. Были созданы большие тульские и калужские заводы Никиты Демидова и Ивана Баташова. Первые стальные отливки были получены во второй половине ХIХ в. почти одновременно в различных странах Европы. В России их изготовили в 1866 г. из тигельной стали на Обуховском заводе. Однако качество отливок оказалось низким, так как литейные свойства стали значительно уступали свойствам чугуна. Благодаря работам русских ученых металлургов А.С. Лаврова и Н.В. Калакуцкого, которые объяснили явления ликвации и представили механизм возникновения усадочных и газовых раковин, а также разработали меры борьбы с ними, в полной мере раскрылись достоинства стальных отливок. Поэтому фасонные отливки, полученные А.А. Износковым из мартеновской стали на Сормовском заводе в 1870 г., оказались такого высокого качества, что демонстрировались на выставке в Санкт-Петербурге.
После выхода научных трудов основоположника металлографии Д.К. Чернова, создавшего науку о превращениях в сплавах, об их кристаллизации, структуре и свойствах, начали применять термическую обработку, которая улучшила качество стального литья. Теория металлургических процессов была введена в высшей школе А.А. Байковым в 1908 г. в Петербурском Политехническом институте. В период с 1927 по 1941 гг. происходит невиданный для прежней России рост промышленности, строятся крупнейшие механизированные заводы. Строятся и пускаются литейные цехи, работающие на поточном режиме, с высокой степенью механизации, с конвейерами, с годовым выпуском до 100 тыс. т литья.
Одновременно проводятся научно-исследовательские работы, создаются теории рабочих процессов и методов расчета литейного оборудования. Формируется научная школа Московского высшего технического училища, основанная и возглавляемая проф. Н.П. Аксеновым.
Широкое распространение литейного производства объясняется большими его преимуществами по сравнению с другими способами производства заготовок (ковкой, штамповкой). Литьем можно получить заготовки практически любой сложности с минимальными припусками на обработку.
Кроме того, производство литых заготовок значительно дешевле, чем, например, производство поковок. Развитие литейного производства до наших дней проходило по двум направлениям:
1) разработка новых литейных сплавов и металлургических процессов;
2) совершенствование технологии и механизации производства.
Большие успехи были достигнуты в области изучения и улучшения механических и технологических свойств серых чугунов – наиболее распространенных и дешевых литейных сплавов. Все большее распространение получают и совершенствуются специальные виды литья: кокильное, под давлением, в оболочковые формы, по выплавляемым моделям и др., обеспечивающие получение точных отливок и, следовательно, уменьшение затрат на обработку резанием.
Классификация литейных сплавов и области их применения
В среднем на долю литых деталей приходится около 50 % массы машин и механизмов, а их стоимость достигает 20–25 % от стоимости машин. В зависимости от метода получения литых заготовок сплавы подразделяют на литейные и деформированные. Литейные сплавы либо приготовляют из исходных компонентов (шихтовых материалов) непосредственно в литейном цехе, либо получают с металлургических комбинатов в готовом виде и только переплавляют перед заливкой в литейные формы. Как в первом, так и во втором случае отдельные элементы в процессе плавки могут окисляться (угарать), улетучиваться при повышенных температурах (возгоняться), вступать в химическое взаимодействие с другими компонентами или с футеровкой печи и переходить в шлак.
Для восстановления требуемого состава сплава потери отдельных элементов в нем компенсируют, вводя в расплав специальные добавки (лигатуры, ферросплавы), приготовляемые на металлургических предприятиях. Лигатуры содержат помимо легирующего элемента также и основной металл сплава, поэтому они легче и полнее усваиваются расплавом, чем чистый легирующий элемент. При плавке сплавов цветных металлов применяют лигатуры: медь–никель, медь–алюминий, медь–олово, алюминий–магний и др.
При литье черных сплавов широко используют ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, ферровольфрам и др.) для введения легирующих элементов, а также для раскисления расплава. В процессе раскисления элементы, содержащиеся в ферросплавах, выполняют роль восстановителей: они соединяются с кислородом оксида, растворенного в расплаве, восстанавливают металл, а сами, окислившись, переходят в шлак. Очищение (рафинирование) расплава раскислением способствует значительному улучшению качества металла отливки, повышению его прочности и пластичности. Ряд сплавов, а также неметаллических материалов (солей и др.) используют в качестве модификаторов, которые при введении в литейный сплав в небольших количествах существенно влияют на его структуру и свойства, например, измельчают зерно и способствуют повышению прочности металла. Так, для получения высокопрочного чугуна используют модифицирование магнием.
Основными критериями качества литого металла являются механические свойства, показатели структуры, жаростойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и др., заданные в технических требованиях.
Сплавы принято разделять, как и металлы, прежде всего на черные и цветные, причем в последние входят и легкие сплавы. Сплавы подразделяют на группы в зависимости от того, какой металл является основой сплава.
Наиболее важными группами сплавов считаются следующие:
чугуны и стали – сплавы железа с углеродом и другими элементами;
сплавы алюминия с различными элементами;
сплавы магния с различными элементами;
бронзы и латуни – сплавы меди с различными элементами.
В настоящее время наиболее широкое применение находят сплавы первой группы, т.е. сплавы черных металлов: около 70 % всех отливок по массе изготовляют из чугуна и около 20 % – из стали. На долю остальных групп сплавов приходится сравнительно небольшая часть общей массы отливок.
В химическом составе сплава различают основные элементы (например, железо и углерод в чугуне и стали), постоянные примеси, наличие которых обусловлено процессом производства сплава, и случайные примеси, попавшие в сплав вследствие тех или иных причин. К вредным примесям в стали и чугуне относятся сера, фосфор, закись железа, водород, азот и неметаллические включения. Вредными примесями в медных сплавах являются закись меди, висмут и в некоторых из них – фосфор. Резко ухудшают свойства оловянной бронзы примеси алюминия и железа, а в алюминиевой бронзе, наоборот, – олово. В алюминиевых сплавах должно быть ограничено содержание железа, в магниевых, кроме того, – меди, никеля и кремния. Газы и неметаллические включения во всех сплавах являются вредными примесями.
Требования к каждому литейному сплаву специфичны, однако существует и ряд общих требований:
1. состав сплава должен обеспечивать получение заданных свойств отливки (физических, химических, физико-химических, механических и др.);
2. сплав должен обладать хорошими литейными свойствами – высокой жидкотекучестью, несклонностью к насыщению газами и к образованию неметаллических включений, малой и стабильной усадкой при затвердевании и охлаждении, несклонностью к ликвации и образованию внутренних напряжений и трещин в отливках;
3. сплав должен быть по возможности простым по составу, легко приготовляться, не содержать токсичных компонентов, не выделять при плавке и заливке сильно загрязняющих окружающую среду продуктов;
4. сплав должен быть технологичным не только в изготовлении отливок, но и на всех последующих операциях получения готовых деталей (например, при обработке резанием, термообработке и т.д.);
5. сплав должен быть экономичным: содержать по возможности меньшее количество дорогостоящих компонентов, иметь минимальные потери при переработке его отходов (литников, брака).
Контрольные вопросы и задания
1. Какова история развития литейного производства в России?
2. Какова роль русских ученых в развитии научных основ и организации производства отливок из сплавов черных и цветных металлов?
3. Каковы методы получения литых заготовок?
4. Какие литейные формы можно использовать для получения фасонных отливок?
5. Каким образом классифицируют литейные сплавы?
6. Каковы требования к литейным сплавам?
7. Перечислите основные области применения литейных сплавов.
8. В чем заключается сущность литейной технологии?
