Глава 2. технология и оборудование 2 страница
При регенерации мокрым способом смесь поступает в гидроциклоны с проточной водой, которая уносит мелкую пыль и пленки связующего, отделенные при предварительном размельчении, растворяет водорастворимые связующие. Затем промытая смесь поступает в многокамерные гидравлические оттирочные машины, снабженные мешалками. Благодаря трению, создаваемому мешалками, и расклинивающему давлению воды, поступающей в капиллярные зазоры между пленками связующего, они отделяются от зерен наполнителя. Оседающий в бассейне песок выгребают и обезвоживают центрифугированием или вакуумированием и сушат в печи. Часто мокрый способ регенерации является звеном системы гидравлической выбивки стержней.
Таблица 2.9.
Рекомендуемые способы регенерации [39].
| Связующее | Способ регенерации |
| Глина, в т.ч. бентонитовая | Пневматическая |
| Портландцемент | Механическая |
| Лигносульфаты | Пневматическая |
| Масла естественные и синтетические | Термическая |
| Синтетические смолы | Термическая |
| Металлофосфаты | Гидравлическая |
| Жидкое стекло | Гидравлическая |
Для отработанных смесей сложного состава используют комбинированные методы регенерации. Например, для регенерации песчано-глинистой смеси со стержневой смесью на синтетических смолах используют термомеханическую или термопневматическую регенерацию.
Просев регенерата производится на барабанных, полигональных, вибрационных ситах. Барабанные сита (рис.2.7) представляют собой сетчатый цилиндр или усеченный конус, а полигональные (рис.2.8) многоугольную призму, вращающиеся вокруг своей оси, наклоненной под углом к горизонту для обеспечения движения просеиваемого материала под действием силы тяжести. Просеиваемый материал движется вдоль полотна сита, поэтому к.п.д. просеивания (соотношение между массой частиц, прошедших через сито, и имевших размеры меньше ячеек сита) низкий, и производительность также низкая, особенно это касается барабанных сит. В полигональных ситах вектор движения частиц смеси имеет больший угол относительно полотна сита. В вибрационных ситах частицы смеси движутся почти перпендикулярно полотну, поэтому к.п.д. и скорость просеивания очень высокие, но из этого достоинства вытекают и недостатки: шум и вибрация (особенно для ударных вибрационных сит) и высокая стоимость обслуживания. Эксплуатационные характеристики сит приведены в табл.2.10.
Таблица 2.10.
Эксплуатационные характеристики сит [40].
| Тип сита | К.п.д. просеивания | Удельная скорость просева, т/м2*ч |
| Барабанное | 0,6-0,65 | 3-5 |
| Полигональное | 0,65-0,75 | 3-5 |
| Вибрационное | 0,8-0,95 | 10-30 |
2.3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ.
Процесс изготовления песчаных форм и стержней состоит из уплотнения и отверждения формовочной (стержневой) смеси. Существуют технологии, позволяющие применять уплотнение без отверждения ( литье по газифицируемым моделям, вакуум-пленочная формовка) и отверждение без уплотнения ( изготовление химически твердеющих форм и форм на термореактивном связующем).
Формовочная смесь обыкновенно уплотняется. Это необходимо делать для предотвращения дефектов отливок. Во-первых, при недостаточном уплотнении формовочной смеси возможен дефект "подутость", вызванный изменением конфигурации полости формы под действием гидростатического давления металла. Во-вторых, при большем расстоянии между зернами формовочной смеси велика вероятность механического пригара. В-третьих, недостаточное уплотнение формовочной смеси снижает координационное число (количество контактов между зернами), что сказывается на прочности смеси, а, следовательно, приводит к дефектам, связанным с разрушением формы. С другой стороны, уплотнение формовочной смеси снижает ее газопроницаемость, т.е. способствует развитию газовых дефектов в отливках. Конечно, при достаточной прочности формовочной смеси можно отказаться от уплотнения. Если смесь не уплотняется, то для предотвращения механического пригара форму необходимо красить.
Особенное значение имеет равномерность уплотнения для стержней, отверждаемых сушкой, из-за возможного разрушения или растрескивания в результате возникающих термических напряжений.
Наиболее часто применяемым способом уплотнения смеси является прессование плоской прессовой колодкой. Его основные преимущества - высокая скорость, отсутствие пыли, вибрации. Но использовать этот способ можно только для небольших моделей без отъемных частей с незначительными перепадами высот, иначе возникает разноплотность формы (рис.2.9). Этот существенный недостаток может быть устранен применением профильной прессовой колодки, что вдвое увеличивает стоимость модельной оснастки и время простоя при ее смене. Другие методы прессования - прессование многоплунжерной головкой, гибкой диафрагмой, давлением газов [41] - разработаны именно для предотвращения разноплотности формы без применения профильной прессовой колодки (рис.2.10). Применение перечисленных способов сохраняет преимущества прессования за счет высокой стоимости формовочного оборудования. Для прессования необходимы дорогостоящие литые опоки с наполнительной рамкой.
Контр- Контр-
лад лад
 | |||
 | |||
Лад Лад
Степень уплотнения Степень уплотнения
Рис.2.9. Верхнее (1) и нижнее (2) Рис.2.10. Дифференциальное
прессование. прессование.
При встряхивании реализуется механизм давления слоев смеси друг на друга при периодически возникающих ускорениях. Встряхиванием можно получать формы любой конфигурации. Недостатки этого метода - большая длительность процесса уплотнения, пыль, шум, вибрация. Плотность набивки с увеличением высоты падает (рис.2.11), поэтому необходимо дополнительное уплотнение со стороны контрлада. Встряхивающие формовочные машины обычно комплектуются с прессовыми в единую установку (встряхивающие формовочные машины с допрессовкой). Применяется также уплотнение пневматическими и ручными трамбовками. Из-за больших динамических нагрузок применяются литые опоки.
Уплотнение пескометом происходит за счет ударов пакетов формовочной смеси, сходящих с метательной головки, о формовочную смесь в опоке и уплотнения самих пакетов на метательной головке под действием центробежных сил. Таким образом, механизм уплотнения аналогичен прессованию небольших порций смеси. Поскольку пакеты формовочной смеси уплотняются уже на метательной головке, то усилие прессования достаточно большое - степень уплотнения пескометом соответствует уплотнению под высоким давлением. Так как каждый следующий слой смеси подпрессовывает предыдущий, то уплотнение по высоте формы практически одинаковое (рис.2.12). Степень уплотнения снижается вблизи высоких выступов модели и под крестовинами опоки. Основное преимущество пескомета - в отсутствии жесткой связи с заполняемой формой и совмещении операций заполнения формы и уплотнения. Поэтому пескометом можно уплотнять формы неограниченных размеров. Для этих целей используются стационарные и передвижные пескометы. Также весьма эффективно применение ширококовшевых и качающихся пескометов на формовочных линиях, т.к. скорость формовки очень высока. Недостаток пескометного уплотнения в значительном перерасходе формовочной смеси. Давление смеси на стенки опоки при уплотнении пескометом невелико, что позволяет использовать легкие и недорогие сварные опоки.
Пескодувным способом формовки реализуется механизм уплотнения, аналогичный пескометному (рис.2.12).
Контр- Контр-
лад лад
 | |||
 | |||
Лад Лад
Степень уплотнения Степень уплотнения
Рис.2.11. Встряхивание. Рис.2.12. Пескометное (1) и песко-
дувное (2) уплотнение.
Отличие состоит в большей дискретности процесса: формовочная смесь движется не пакетами, а практически сплошным потоком, поэтому скорость формовки весьма высокая. Но поскольку импульс, передаваемый пакетом формовочной смеси, больше импульса дискретных зерен, степень уплотнения при пескодувном способе небольшая. Поэтому он применяется либо для формовочных смесей с высокопрочным связующим, либо совместно с другим способом уплотнения, например пескодувно-прессовый. Именно пескодувно-прессовый способ уплотнения форм является базовым для автоматических линий ведущих мировых производителей литейного оборудования. Вариантом пескодувного механизма является пескострельный. При уплотнении пескострельным механизмом смесь в опоку или стержневой ящик подается дискретными порциями, которые уплотняются в конической насадке магазина. Скорость движения пакетов формовочной смеси весьма высока, т.к. при отсечке сжатого воздуха не успевает развиться процесс фильтрации и перепад давления между ресивером и формой очень велик.
Литье по выжигаемым моделям применяется в основном для изготовления отливок сложной конфигурации. Выжигаемые модели перед употреблением окрашивают. Этот процесс не предусматривает использования связующего. Вместо опок применяются контейнеры. Песок в контейнерах уплотняется на вибростолах [42].
Сущность вакуум-пленочной формовки состоит в удержании конфигурации формы за счет разности атмосферного давления и давления (вакуума) во внутреннем объеме формы. Герметизация полуформ обеспечивается отсутствием в опоке отверстий и применением термоусадочной пленки, накладываемой на лад перед заполнением опоки формовочной смесью и контрлад после. Для предотвращения механического пригара внутренняя поверхность формы окрашивается. Вакуум-пленочная формовка позволяет обходиться вообще без связующего, что сокращает расходы на формовочную смесь, но требует дорогостоящего оборудования и высококачественную термоусадочную пленку. Отсутствие связующего снижает теплопроводность формы, что позволяет получать тонкостенные отливки. Современные термоусадочные пленки могут увеличивать площадь поверхности при нагреве в 6-9 раз, что позволяет получать вакуум-пленочным методом формы практически любой конфигурации, в т.ч. с поднутрениями [43]. Производители изготавливают стандартные наборы оборудования, в т.ч. специальных опок для вакуум-пленочной формовки, что существенно ограничивает возможности ее применения. Масса получаемых отливок - в пределах 200 кг. Способ особенно эффективен для производства тонкостенных изделий с развитой поверхностью, например бытовых ванн.
Формовочная смесь упрочняется при удалении или химическом связывании растворителя (пластификатора) из связующего. Естественное испарение - процесс длительный, поэтому практически всегда его интенсифицируют печной сушкой. Для сушки форм и стержней используют проходные и камерные сушильные печи, печи СВЧ-излучения.
Химическое упрочнение смеси из-за высокой стоимости связующего используется в основном для изготовления стержней, а также оболочковых форм и в качестве облицовочного слоя в форме.
Современные процессы изготовления стержней (табл.2.11-2.12) универсальны. Они поддаются комплексной автоматизации, но их можно применять и для мелкосерийного и индивидуального производства, что особенно важно в условиях изменчивой рыночной конъюнктуры. В таком случае, например, продувка газом может осуществляться под зонтом. Причем при продувке время отверждения стержневой смеси слабо зависит от размера стержня. Только отверждение по нагреваемой оснастке требует специального оборудования для подготовки плакированного песка. Из-за этого недостатка, а также высокой стоимости энергоносителей доминирующими в промышленно развитых странах являются различные варианты cold-box процесса [44]. С другой стороны, горячее отверждение позволяет получать оболочковые формы и стержни, т.е. существенно сократить расход связующего и формовочного песка.
Таблица 2.11.
Современные процессы изготовления стержней.
| Название процесса | Связующее | Отвердитель | Содержание связующего, % | Время твердения в оснастке, мин |
| По холодной оснастке без продувки | ||||
| ХТС No-bake [29, 31] | Фенолофурановая смола | Сульфокислоты | 1,5-2 | 20-30 |
| Карбамидофурановая смола | Ортофосфорная кислота | 1,2-2 | 3-5 | |
| Фурановая смола | Сульфокислоты | 1,4-2 | 5-7 | |
| ХТС [31] | Жидкие фосфаты | Окислы железа или магния | 3-5 | 3-5 |
| Нишияма [20] | Жидкое стекло | Ферросилиций | 5-7 | 5-20 |
| Fluoride [33] | Жидкое стекло | Кремнефтори-стый натрий | 4-6 | 5-20 |
| ХТС [47] | Жидкое стекло | Сложные эфиры | 3,5-4 | 5-10 |
| ХТС [29] | Жидкое стекло | Феррохромовый шлак | 5-7 | 20-40 |
| По нагреваемой оснастке | ||||
| Оболочковые [29] | Различные синтетические смолы | Уротропин | 6-7 | 1-3 мин |
| Ноt-box [29] | Различные синтетические смолы | Сульфокислоты, ортофосфорная кислота | 2-3 | 1-3 мин |
Таблица 2.12.
Современные процессы изготовления стержней.
| Название процесса | Связующее | Отвердитель | Катализатор полимеризации | |
| По холодной оснастке с продувкой (содержание связующего до 2%, время твердения до 2 мин) | ||||
| Амин [29,49,50] | Фенолформ-альдегидная смола | Изоцианат | Триэтанамин (продувка парами) | |
| Фуран- SO2 [48] | Фенолформ-альдегидная смола | Органическая гидроперекись | SO2 (продувка) | |
| Эпокси-SO2 [50] | Эпоксидная смола | Органическая гидроперекись | SO2 (продувка) | |
| Свободных радикалов (FRC) [50] | Эпоксидная смола | Органическая гидроперекись, органические эфиры | SO2 (продувка) | |
| Метил-формиат (MF) [50] | Фенольная смола | Метилформиат (продувка парами) | ||
| Alphaset, betaset [50] | Фенольная смола | Органический эфир (продувка парами) | ||
| Redset [50] | Фенольная смола | Ортофосфорная кислота, сульфокислоты | Органический эфир (продувка парами) | |
| СО2 [29] | Жидкое стекло | СО2 (продувка) | ||
Одним из наиболее существенных факторов при выборе процесса изготовления стержней является точность их размеров [45]. Для стержней, изготовленных cold-box процессом точность размеров составляет 0,8-1 мм/м. Точность стержней, отверждаемых в горячей оснастке hot-box процессом из-за коробления при нагреве ниже - 1- 4 мм/м. Оболочковые стержни для придания им окончательной прочности дополнительно спекаются в печи, поэтому их точность значительно ниже - 2-8 мм/м. Оболочковые стержни и формы изготавливают из плакированного песка по нагреваемой оснастке (Croning-процесс "С") в основном на бункерных формовочных машинах. Недостаток бункерных машин связан с динамикой высыпания формовочной смеси из бункера на модель [46]. При очень быстром перевороте бункера смесь остается в нем до окончания опрокидывания, затем падает всей массой, причем из наиболее глубоких впадин модели воздух не успевает удалиться и смесь зависает, образуя пустоты в оболочке. При медленном повороте бункера смесь наползает на модель, поэтому оболочка будет иметь разную плотность, изменяющуюся от максимума к минимуму в направлении движения смеси. Для моделей сложной конфигурации следует предпочесть медленный поворот бункера, или использование специальных бункеров с дроссельными заслонками. Однако для моделей с глубокими и узкими впадинами даже эти меры не позволят получать качественные оболочки. Только применение пескодувных машин решает проблему [46]. Системы нагрева используют электрические или газовые. Выбор систем нагрева определяется исключительно экономическими соображениями. Готовые оболочки склеивают. Перед заливкой готовые формы устанавливают в контейнеры с наполнителем (керамзит, окатыши и т.п.).
Оболочковые формы из холоднотвердеющих смесей получают вдуванием смеси в зазор между моделью и ограничительной рамкой. Таким способом можно изготовить только небольшие оболочки простой конфигурации.
Существенным фактором при выборе процесса изготовления стержней является качество наполнителя. Известно, что высокое содержание глины и пыли в наполнителе приводит к увеличению расхода жидкого связующего в 1,5-2 раза. Например, в Европе, где имеются хорошие пески, потребляют в большом количестве синтетические смолы, а в Японии, где пески сильно загрязнены - смеси на основе жидкого стекла, поскольку оно значительно дешевле [31].
2.4. ЛИТЬЁ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ
И ВЫЖИГАЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Литье по выплавляемым моделям - древнейший способ литья, изобретенный практически одновременно различными цивилизациями. Известны отливки, изготовленные 6000 лет назад в Междуречье, несколько позднее в Китае, Мексике, Испании, странах Средиземноморья. Модель изготавливалась из пчелиного воска, на нее вручную наносилась глина. В XIX веке из-за технологических недостатков глины как формовочного состава, воска как модельного состава и трудностей механизации этот способ был практически вытеснен с рынка литьем в разъемные песчаные формы. В настоящее время эти проблемы полностью разрешены.
Современные модельные составы изготавливают из комбинаций восков (парафино-стеариновая смесь, природные твердые воски) с добавками пластмасс (полиэтилен, поливинилбутилацетат, бутадиенстирол, этилцеллюлоза). В России дополнительно в модельную массу замешивают воздух. За рубежом модельные составы изготавливаются в специализированных цехах химических заводов (BASF,Hoechst) и поставляются в литейные цеха как сырье [28].
Регенерация модельного состава
¯ ¯
Запрессовка модельного состава Обмазка стояков
¯ ¯
Сборка моделей в блоки
¯
Обмазка блоков суспензией
Повторить ¯
Обсыпка блоков песком
4-8 раз ¯
Отверждение оболочек
¯
Удаление модельного состава из форм
¯
Прокаливание оболочек
Рис.2.13.Технологический процесс изготовления оболочковых
форм по выплавляемым моделям.
Регенерация модельного состава необходима как условие рентабельности цехов литья по выплавляемым моделям. Модельный состав для повторного использования необходимо очистить от песка, золы, избыточной влаги, а также восполнить потери. Регенерация производится отстаиванием в герметичных вакуумируемых емкостях при температуре выше температуры плавления модельного состава. При пониженном давлении вода испаряется, а загрязняющие компоненты оседают и удаляются через вентиль.
Выплавляемые модели изготавливают запрессовкой или заливкой в пресс-формы. Свободную заливку применяют только для изготовления элементов литниковой системы. Конструктивно современные универсальные запрессовочные станки отличаются расположением впрыскивающих сопл и закреплением пресс-форм на столе пресса и позволяют регулировать температуру резервуара с модельным составом. Выбор типа запрессовочного станка определяется исключительно экономическими соображениями.
Сборка моделей производится прикреплением моделей к литниковой системе пайкой или приклеиванием. Приклеивание применяется для мелких моделей из-за трудности пайки. Припаивание моделей безусловно эффективней, поскольку прочность соединения выше, не требуется специального модельного клея, а трудоемкость пайки и приклеивания одинаковая.
Суспензию для обмазки блока моделей приготавливают перемешиванием пылевидного огнеупорного материала с жидким связующим. В качестве связующего при литье по выплавляемым моделям применяется гидролизованный этилсиликат, полученный постепенным смешиванием предварительно рассчитанных объемов составляющих в гидролизерах. Суспензию изготавливают в любых механических мешалках или вручную. Для предотвращения оседания твердых частиц суспензию после приготовления необходимо постоянно перемешивать. На модельные блоки суспензия наносится окунанием. Ванны с суспензией состоят из двух конструктивных блоков - собственно ванны для окунания и мешалки; между ними циркулирует суспензия.
Обсыпка модельных блоков песком производится способами, представленными в табл.2.13.
Таблица 2.13.
Характеристика методов обсыпки модельных блоков.
| Способ обсыпки | Производительность | Фракционный состав песка |
| Кипящий слой | Не зависит от слож-ности конфигурации отливок | Изменяется. Первоначально расходуются мелкая фракция из-за процесса седиментации в кипящем слое. |
| Падающий поток | Прямо зависит от сложности конфигура-ции отливок | Не изменяется. |
Каждый слой формы отверждается сушкой или химически. Время сушки в естественных условиях составляет 3-4 часа, что приводит при большой производительности цеха к необходимости отведения значительных площадей под сушку блоков. На скорость сушки влияют следую-
щие факторы:
1. Температура кипения органического растворителя, используемого для гидролиза (табл.2.14). Чем она ниже, тем быстрее идет процесс сушки.
Таблица 2.14.
Температура кипения органических растворителей
| Растворитель | Ацетон | Метиловый спирт | Этиловый спирт | Изопропило-вый спирт |
| Температура кипения, С | 82-85 |
2. Температура сушки. При повышении температуры испарение идет более интенсивно. Однако, используя повышенные температуры (более
25 оС), необходимо учитывать возможность растрескивания формы из-
за температурного расширения после полного высыхания оболочки.
Четкий контроль высыхания блоков предусматривает стабильность со
держания всех компонентов в слое и фиксированное время сушки в ус-
тановленном температурном режиме.
3. Концентрация выделяющихся паров у поверхности формы. Низкая концентрация повышает скорость сушки. Удаление выделяющихся паров от поверхности формы осуществляется либо организацией конвективных потоков воздуха в сушильном туннеле, либо вакуумированием в сушильной камере.
Наболее распространенный метод химического отверждения слоев формы - сушка в парах аммиака предварительно подсушенной на воздухе формы. После химического отверждения форму проветривают (обдувают потоком воздуха или помещают в вакуумную камеру). Основной недостаток химического твердения - токсичность паров аммиака.
Удаление из форм модельного состава производят различными способами, рассмотренными в табл.2.15.
Таблица 2.15.
Способы выплавления модельного состава
| Способ | Оборудование | Температур-ный режим,оС | Потери, % | Примечание |
| Высокотем-пературный нагрев | Термические печи | 900-1100 | 10-15 | Снимается не-обходимость в прокалке. |
| Низкотем-пературный нагрев | Ванны с кипятком | 90-100 | 2-5 | |
| Нагрев при высоком давлении | Автоклавы | 135-165 при давлении 3-6 атм | 2-5 |
Прокаливание готовых форм производится в целях удаления остатков воды, модельного состава, повышения заполняемости форм, предотвращения растрескивания оболочек из-за кристаллографических превращений при заливке. Процесс ведется в термических печах при температуре 900-1100 оС.
Газифицируемые модели применяются в массовом и крупносерийном производстве. Для их изготовления применяется гранулированный полистирол. Технология вспенивания полистирола [36] состоит их двух этапов. На первом этапе порообразователь (пентан с температурой кипения 36,7 оС или изопентан с температурой кипения 27,9 оС) при нагреве газифицируется, увеличивая объем гранул в 10-40 раз. На втором этапе пресс-форма охлаждается, полистирольная оболочка твердеет, порообразователь конденсируется, свободный объем занимает атмосферный воздух.
Технология изготовления газифицируемых моделей предусматривает раздельное вспенивание гранул в специальной камере и их спекание в пресс-форме. Такой метод позволяет сократить цикл изготовления моделей и потребность в пресс-формах. Спекание вспененных полистирольных гранул может производиться в ваннах, автоклавах, индукторе. В ваннах с кипящей водой пресс-форма выдерживается до полного спекания гранул, затем модель извлекается, промывается, охлаждается и сушится. Автоклавный способ спекания заключается в обработке перфорированной пресс-формы паром под высоким давлением. Технология спекания вспененного полистирола в индукторе предусматривает его предварительное смачивание солевыми растворами. Отливки, изготовленные по газифицированным моделям, имеют высокую чистоту поверхности, отсутствие формовочных уклонов, т.е. практически не нуждаются в механической обработке.
Для индивидуальных крупных отливок (например, штампов) газифицируемые модели изготавливаются из блочного полистирола. должен иметь не менее 10000 пор на 1 см3. Для резки плит используется нагретая до 350 оС проволока. При обработке на режущих станках частота вращения режущего инструмента должна быть не менее 6000 оборотов в минуту.