Вы здесь

Современное литейное производство

Современное литейное производство

Являясь одной из наиболее древних технологий переработки материалов, литьё и ныне не теряет своей актуальности. Проектируются новые процессы и оборудование, совершенствуются приёмы повышения их экологической чистоты и точности.

Сущность и основы

На литейных предприятиях продукция получается в результате плавления исходного материала, последующей его заливки в форму, а затем затвердевания. Литейные цеха производят изделия широкого ассортимента: от компонентов двигателей до разнообразной тары пищевой промышленности. Литьём получают всю продукцию из чугуна, до половины алюминиевых деталей, до 20 % стальных изделий и т.д.

В основе всех литейных технологий лежит понятие жидкотекучести, когда материал, нагретый до температуры, превышающей температуру его плавления, превращается в высоковязкую жидкость. При этом должен соблюдаться эффект неразрывности её течения в необходимом направлении. Это даёт возможность формовать, в процессе затвердевания расплава, нужные заготовки.

Все литейные металлы обладают сложной структурой, поэтому на жидкотекучесть, оказывают влияние:

  1. Вязкость.
  2. Поверхностное натяжение.
  3. Характер поверхностной оксидной пленки.
  4. Наличие, содержание и состав включений.
  5. Способ затвердевания.
  6. Химический состав основного материала.
  7. Физико-механические характеристики, прежде всего, удельный вес и температура плавления.

Жидкотекучесть устанавливается по результатам химических анализов и технологических проб применительно к конкретному материалу отливки.

Если ранее процесс течения жидкого металла был плохо управляемым, что приводило к различным дефектам литья – неравномерности структуры конечной продукции и пористости, то теперь ситуация изменилась. Чтобы производить отливки с оптимальным качеством и минимизировать издержки производства, освоены процессы компьютерного моделирования, в результате которых можно прогнозировать скорость потока и наличие различных охлаждающих эффектов. Именно они становятся причиной пористости  литого продукта.

3-D моделирование позволяет регулировать:

  • Вязкость расплава;
  • Интенсивность охлаждения;
  • Степень пористости.

Разрабатываемая технологом с учётом перечисленных факторов пространственная модель отливки позволяет ещё на стадии проектирования технологии оптимизировать дизайн детали (обеспечивая её оптимальную конфигурацию), конструировать литейную оснастку, а также создавать наилучшую последовательность выполняемых операций.

Технология литейного производства чёрных и цветных металлов

Литейные свойства материалов учитывают не только жидкотекучесть, но и уменьшение объёма, которое происходит в процессе охлаждения отливки. Такое явление называют усадкой; она составляет 1…3 % от первоначальных размеров. Поскольку все металлы анизотропны*, то различают линейную и объёмную усадку, которые определяют итоговый баланс металла. Первый параметр важен для отливок с увеличенным соотношением длины к ширине, а второй – для отливок сложной формы.

В процессе охлаждения металла в его структуре наблюдается ликвация – неоднородность зёрен, что обуславливается различными свойствами составляющих.  Формируются также примеси и неметаллические включения. Ликвация негативно влияет на свойства конечной продукции, поэтому неоднородность структуры стараются уменьшать всеми приемлемыми способами. В частности, действующий ГОСТ 26645-85 «Отливки из металлов и сплавов» ограничивает содержание фосфора, серы (а также их соединений – сульфидов и фосфидов), ряд газов – водород, кислород, а также количество шлаков, не выведенных из металла.

В зависимости от литейных свойств металлов принимается решение о выборе целесообразной технологии получения отливок. Различают свободное литьё в формы (песчаные или металлические), литьё под давлением, литьё выжиманием, центробежное литьё, а также комбинированные способы, например, жидкую штамповку.

Литьё под давлением

Литье под давлением используется для производства отливок ответственного назначения. Процесс требует использования специального оборудования, где металл плавится, а затем поступает в форму, где охлаждается и затвердевает.

Литье под давлением используется для изготовления тонкостенных деталей с большим количеством рёбер и поднутрений. Такие отливки применяют в бытовой технике, электроинструментах, деталях автомобилей и пр. Формы для литья под давлением не ограничиваются по сечению.

Преимущества способа:

  1. Возможность получения деталей со сложными формами и небольших размеров.
  2. Высокое качество поверхности.
  3. Повышенная (в сравнении с обычными литейными технологиями) точность.
  4. Стабильность характеристик металла отливки.
  5. Высокая производительность.

Ограничения:

  1. Высокая стоимость оборудования и оснастки.
  2. Сравнительно небольшая стойкость инструмента.
  3. Повышенный уровень первоначальных финансовых затрат.

Литьё под давлением оправдывает себя при значительных программах выпуска продукции, либо при повышенных требованиях к качеству готовых отливок (в частности, для исключения последующей механической доработки).

Технологический цикл для литья под давлением очень короткий, обычно от 2 секунд до 2 минут, он состоит из следующих четырех этапов:

  • Зажима частей пресс-формы, при этом одна половина закрепляется на оборудовании, а вторая получает возможность скольжения по направляющим;
  • Подачи расплава в закрытый объём пресс-формы. Объём впрыска определяется объёмом металла (с учётом его усадки), давлением и мощностью подачи;
  • Охлаждения расплава в процессе контакта металла со стенками пресс-формы. В некоторых случаях усадку учитывают поджатием подвижной половины пресс-формы к поверхности затвердевающей детали;
  • Удаление сформированной отливки из оснастки, время которого рассчитывается, исходя из термодинамических свойств материала и максимальной толщины стенки детали.

После цикла литья под давлением обычно требуется некоторая пост-обработка. Так, при охлаждении часть материала, находящегося в каналах формы, затвердевает. Этот избыточный металл должен быть обрезан с помощью резаков.  При необходимости его можно добавлять в расплав, используя для литья следующей партии продукции.

Литьё выжиманием

Технология используется в случае, когда требуется постоянная компенсация усадки материала, и применяется для литья крупных отливок с тонкими стенками.  Для этого подвижная полуформа получает принудительное перемещение по направлению к поверхности расплава – вращением, винтовым или плоско-параллельным движением.  Последовательность переходов такова. Металл заливают в нижнюю часть формы, далее перемещают подвижную её часть до контакта с расплавом, при этом излишек сливается в приёмный ковш установки. Поскольку между ним и основным металлом поддерживается постоянный тепловой контакт, то потери тепла минимальны, и физико-механические параметры материала равномерны во всех сечениях. Возрастает и коэффициент заполнения формы. После затвердевания подвижная полуформа перемещается в исходное положение, а готовая отливка выталкивается из полости.

Преимущества процесса:

  1. Повышенная структурная однородность отливки.
  2. Высокая равномерность физико-механических характеристик материала.
  3. Высокая производительность процесса.

В основном литьё выжиманием используется для получения продукции из алюминиевых литейных сплавов.

Оборудование и формы

В качестве плавильного оборудования в литейных производствах предусматриваются дуговые или индукционные электропечи. Вид оборудования определяется металлами, с которыми работает литейный цех/участок: электродуговые печи идеально подходят для работы со сталью или чугуном, в то время как литейный цех, специализирующийся на меди, с большей вероятностью использует индукционную печь. Печи могут варьироваться в размерах: от небольшого настольного оборудования до тех, что весят несколько тонн.

Современные литейные производства механизированы. Механизации подвергаются практически все операции цикла: от производства стержней до собственно литья. Формовочные машины применяют при серийном производстве отливок. Ручная формовка распространена лишь в малых ремонтных производствах.

В состав основного оборудования включают:

  • Плавильные печи;
  • Заливочные ковши;
  • Загрузочно-транспортное оборудование -  погрузчики, краны, конвейеры и пр.
  • Средства управления и автоматики.

Электродуговая печь работает по принципу периодического плавления. Металл расплавляется путем подачи электрической энергии внутрь печи через графитовые электроды. Дополнительная химическая энергия подается кислородно-топливными горелками. Кислород вводят для удаления примесей и другого растворённого газа. Когда металл расплавляется, шлак образуется и плавает к верхней части расплава; шлак, который часто содержит нежелательные примеси, удаляется перед выводом.

Индукционная печь передает электрическую энергию методом индукции, когда высоковольтный электрический источник индуцирует низкое напряжение при большом токе во вторичной катушке. Индукционные печи способны работать при минимальной потере сырья, однако больше используются при производстве отливок из цветных металлов и сплавов.

Все литейное оборудование специально разрабатывается для надежной работы при повышенных температурах. Доминирующими тенденциями при производстве данной техники являются  масштабность, автоматизация, оперативная отделка отливок, повышенные безопасность и эффективность.

Какие смазочные материалы применяются? Выбор зависит от марки материала и метода литья. Исходный концентрат в жидком виде должен быть водорастворимым, а в твёрдом виде используются термостойкие пасты.

Основной инструмент в литейном производстве

Литейная оснастка – это модели (шаблоны), опоки  и формы. Что такое опока? Это полость, куда заливается расплавленный металл. Шаблон представляет собой реплику объекта, подлежащего литью, и используется для формирования отливки. Модели могут быть изготовлены из древесины, металла или пластмассы. Основными этапами получения оснастки являются:

  • Получение полости;
  • Размерная обработка элементов;
  • Разработка и установка механизмов зажима.

Формы разрабатывают с учётом усадки металла, для чего предусматривают компенсаторы. Стенки форм имеют конические участки для облегчения выталкивания из них готового изделия. Полые отливки создаются с использованием стержня - дополнительного объёма песка или металла, который образует внутренние отверстия и проходы в отливке. Каждый стержень помещают в форму до заливки. Для облегчения выемки застывшей отливки из формы используют противопригарные покрытия.

Существует два различных типа литейных форм: одно- и многоразовые.

Изготовление модельной оснастки многоразового применения обычно производится из металла, одноразового – из песка. Для облегчения складирования и применения всегда выполняется маркировка кокилей.

После того, как подготовка формовочных песков завершена, песок  размещается вокруг модели. Затем образец удаляют, стержни устанавливают на место, после чего производят заливку расплава. Конструктивные особенности инструментов для литья оптимизируются для различных металлов и уровней сложности полости.

Стоимость некоторых видов литейного оборудования и оснастки представлена в таблице:

Наименование

Назначение

Ориентировочная цена, тыс. руб.

Кокили

Для литья чугунных отливок массой до 15000 кг

2

Линия непрерывного литья

Для получения отливок из цветных металлов и сплавов

7200

Индукционная печь

Универсального применения

800

Машина для литья под давлением

То же

4500

Индукционный плавильный комплекс

То же

1500

Вихревые смесители непрерывного действия

Для приготовления песчаных смесей

13

Машина для центробежного литья

Универсального применения

25

Изложница

Для литья чугуна

1,5

Выбивная решётка

Для удаления остатков песчаных форм

16

 

Дефекты литейных сплавов

Перед тем, как производственный цикл выпуска отливок заканчивается, физические свойства и структурная целостность конечного продукта подлежат проверке. Методы испытаний могут быть разрушающими и неразрушающими. Выбор метода обнаружения дефектов зависит от технологического назначения детали. Для некоторых чисто эстетических продуктов требуется только краткий визуальный осмотр для определения точности размеров, наличия трещин и оценки качества отделки. Для литья, имеющего индустриальное применение, в ходе испытаний устанавливаются все физико-механические свойства металла (пластичность, прочность на растяжение, относительное удлинение, ударная вязкость, твердость и т.д.).

Наиболее распространёнными дефектами литья являются:

  1. Усадочные дефекты. Когда металл затвердевает после заливки в формы или отливки, он должен сжиматься. Когда металла недостаточно, усадка из чугуна приведет к образованию отверстий или пустот в отливке. В зависимости от его причины существует много типов усадки. При осевой усадке материал по центру получает больше времени для затвердевания по сравнению с металлом по периферии, что приводит к образованию полости. Это может быть вызвано температурой, при которой заливается расплавленный металл, скоростью заливки,  качеством исходного сырья.
  2. Дисперсная усадка. Размерное изменение элементов сплава может привести к такому типу усадки, где полости образуются перпендикулярно литейной поверхности. К этому типу дефектов может привести высокое содержание азота или низкое содержание углерода.
  3. Иногда все литейные изделия могут иметь одинаковый тип дефектов по размерам. Причина – разная скорость отвердевания различных частей отливки.
  4. Швы или шрамы. Это металлургический дефект, который характеризуется наличием углублений на поверхности отливки. Дефект вероятен, когда в процессе плавки графит перемещается в усадочные полости.
  5. Шлаковые включения. Они представляют собой мелкие пятна, обнаруженные на поверхности литейных изделий. Такие включения вызываются загрязнениями исходного металла карбидами, кальцитами, оксидами и сульфидами.
  6. Незаполнение отдельных участков. Вызывается наличием газа в отдельных частях пресс-формы, пониженной текучестью материала. Потребуется увеличить температуру его нагрева и/или вести плавку в вакууме.

Подбор специалистов

Эта профессия предполагает  производство чугунных, стальных или цветных металлических деталей различными процессами литья, а также периодическое проведение испытаний материалов с целью обеспечения качества. Специалист современного литейного цеха – обрубщик, плавильщик, формовщик - должен знать различные типы пресс-форм и материалов, обработку литейных инструментов, химические процессы, происходящие во время литья.

Профессиональная подготовка включает в себя:

  • Теоретическое профессиональное обучение;
  • Практику в компании непосредственно на рабочих местах;
  • Стажировку или прохождение курсов переподготовки.

Последний этап предназначается для специалистов литейного производства, желающих повысить свою квалификацию. Среди них могут быть операторы производства, инженеры, менеджеры, металлурги, персонал подразделений, обеспечивающих качество, специалисты по охране труда.

В обязательную программу подготовки или переподготовки входят:

  1. Основы металлургических процессов (материалы, термодинамика).
  2. Виды оборудования.
  3. Вторичные металлургические процессы (заливка, перемешивание металла, охлаждение).
  4. Пресс-формы, их проектирование и обслуживание.
  5. Дефекты литья.
  6. Моделирование литейных процессов.

Откуда идут поставки сырья и оборудования

В качестве основных химических компонентов применяются ферросплавы, соли щелочных металлов, борная кислота, бентонит и др. Основные поставщики и условия поставки представлены в таблице:

Поставщик

Наименование сырья

Ориентировочная цена

МПИ (Челябинск)

Ферросплавы

45…80 руб/кг

DOMINIK GEORG LUH TECHNOGRAFIT GMBH (Германия), Екатеринбург

Графитовые электроды

400…600 руб/т

BW KUNSTSTOFFE E.K. (Германия), Бийск, белгород

Литейные электропечи

По запросу

SMO Crl (Италия)

Пресс-формы

20000…30000

SBM InfiSPA (Италия)

Механическое и загрузочное оборудование

80000…120000

Используется отечественное сырьё, а также поставляемое из Китая, Швеции, Украины.

О вредности для работников и внешней среде

Расплавленный металл является серьезной опасностью при разливке в формы. Работники, выполняющие задачи с расплавленным металлом или вблизи него, подвержены таким рискам, как соприкосновение с металлическими брызгами или воздействие электромагнитного излучения.

Некоторые из обстоятельств, которые могут увеличить риск появления брызг горячих металлов:

  1. Заправка печи из нечистого или влажного металлолома и сплавов.
  2. Использование влажных инструментов, пресс-форм или другого материала при касании расплавленного металла.
  3. Выливание или опрокидывание расплава в удерживающую печь или ковш, а также из ковша в формы.
  4. Воздействие инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

Работающие, в числе которых могут быть лица с медицинскими имплантатами, суставами или вживленными приборами, должны осторожно перемещаться в зоне действия индукционной печи, поскольку магнитные поля процесса плавления могут вызвать заряд в металлическом имплантате.

Опасные последствия для здоровья:

  • Всплеск расплавленного металла и лучистого тепла во время процесса плавления и заливки могут привести к серьезным ожогам на теле;
  • Искры из расплавленного металла могут также влиять на глаза. Уязвимость к инфракрасным и ультрафиолетовым лучам может привести к повреждению глаз, включая катаракту.

Существует несколько мер и вариантов, которые могут быть приняты отдельно или в сочетании, чтобы предотвратить или свести к минимуму риски, связанные с обращением с расплавленным металлом в литейных цехах.  Риски, связанные с расплавленным металлом, могут быть уменьшены или сведены к минимуму с помощью механического контроля. Для охраны труда рабочих от брызг расплавленного металла и электромагнитного излучения следует использовать барьеры и другое защитное покрытие.

Административный контроль включает разработку и применение безопасных методов работы и процедур. Некоторые из распространенных примеров мер административного контроля:

  1. Хранение всех горючих материалов и летучих жидкостей в безопасном месте от областей плавления и заливки.
  2. Расплавленный металл не должен контактировать с водой или другими жидкостями. Все узлы оборудования, которые могут соприкасаться с расплавленным металлом, должны быть полностью сухими.
  3. Запрещается ношение синтетической одежды во время нахождения в зоне действия плавильной печи.
  4. Обязательное применение средств индивидуальной защиты: теплостойкой защитной одежды, обуви, рукавиц, защитных масок, фартуков, применение ультрафиолетовых и инфракрасных очков.

При проектировании нового литейного производства обязателен расчёт выбросов в атмосферу.

 

* анизотропия – различие в свойствах материала по разным координатным направлениям

Читайте нас также в Телеграм, Яндекс Дзен и во Вконтакте.

14.11.2018


Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции
Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции

14.03.2020

Производство деревянной тары
Производство деревянной тары

14.03.2020

Производство шпона: разновидности, процесс изготовления и оборудование
Производство шпона: разновидности, процесс изготовления и оборудование

13.03.2020

Открытие производства пеллет
Открытие производства пеллет

13.03.2020

Производство серной кислоты
Производство серной кислоты

12.03.2020