В цикле исследований под руководством проф. О. И. Шинского по теме: «Научные и технологические основы создания высокопроизводительных литейных процессов получения литых конструкций из железоуглеродистых и цветных сплавов и разработка концепции литейных роторно-конвейерных комплексов» был выполнен обзор созданных ранее разработок ФТИМС НАН Украины в области конструирования роторно-конвейерных установок, а также рассмотрена концепция скоростной заливки форм на роторно-конвейерных линиях (РКЛ).
Образцы роторных установок и РКЛ, созданных во ФТИМС НАН Украины [1], показали высокие технико-экономические данные: существенное повышение производительности, сокращение стоимости оборудования по сравнению с традиционными автоматическими формовочными линиями (АФЛ), значительный рост отношения суммарного выпуска продукции за единицу времени к суммарным затратам за то же время. Автоматическая РКЛ мод. 37012 (рис. 1) предназначена для производства отливок из чугуна, в т. ч. модифицированного, в разовых вакуумируемых блок-формах, которые могут быть изготовлены по выплавляемым моделям или из песчано-жидкостекольных смесей по постоянным моделям.
Линия 6 комплектуется заливочной МДН установкой 7 для чугуна и реакционным ковшом, в котором чугун модифицируют порошковой проволокой, подаваемой устройством 9. РКЛ состоит из таких кинематически связанных составных частей: накопителя 1 блок-форм 2, ротора 15 постановки блок-форм в контейнеры первой транспортной цепи 3, ротора 14 фиксации блок-форм в контейнерах, ротора 12 нагрева блок-форм второй транспортной цепи 11 подачи нагретых блок-форм на ротор 5 с вакуумированием от вакуумной системы 10. Заливку блокформ выполняют разливочным барабаном 8. Залитые формы удаляют устройством 4. Технологические роторы (ТР) вращаются от одного электромеханического привода 13, а инструменты на роторах перемещаются с помощью копиров. Производительность линии составляет 1 000 отливок/ч размером ≤100 × 100 × 70 мм, массой ≤ 8 кг.
Разработана и прошла этап эксплуатации в производственных условиях установка мод. «МЛП» для производства точных отливок из легкоплавких сплавов [1]. Установка снабжена ТР с формообразующими полостями, расположенными по окружности, и металлическими стержнями, перемещаемыми в пазах с помощью копиров. Электромеханический привод вращает ТР и инструментальный блок устройства удаления отливок. Над верхней плоскостью ТР расположен обогреваемый миксер, имеющий стопорное устройство с теплоаккумулятором, рабочая часть которого погружена в расплав. Зазор между нижней плоскостью разливочного устройства миксера и верхней плоскостью ТР устанавливается перемещением теплоаккумулятора. Производительность установки составляет 3 600 отливок/ч размером 130 × 150 × 100 мм, установленная мощность ≤ 3 кВт.
Прошла заводские испытания роторная литейная машина мод. 31055 [1] для получения товарного магния. Машина (рис. 2) состоит из непрерывно вращающегося ротора 1, несущего кольцевой водоохлаждаемый кристаллизатор 2, предназначенный для формирования струи жидкого магния в «бесконечный» слиток 4, и тянущей клети 5 для правки слитка в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также подачи в гидравлическое устройство 6 для разделения на мерные отрезки.
Подрыв и удаление слитка из кристаллизатора выполняется с помощью специального ножа 3, а вращение ротора и роликов тянущей клети – от привода 7 постоянного тока. Изоляция магния от паров воды и окружающей среды достигается за счет инертной среды и наличия песчаного затвора между кожухом и крышкой ротора. Машина снабжена средствами контроля и регулирования технологического процесса, обеспечивающими безопасную работу. Производительность машины составляет до 4 000 кг слитков магния /ч длиной 1120 или 820 мм, сечением 80 × 80 мм. В рассмотренных конструкциях роторных установок использованы решения, защищенные патентами.
Принцип построения РКЛ для литья в песчаные формы, согласно концепции проф. О. И. Шинского, заключается в комплектации таких линий высокопроизводительными модулями роторного типа, на которых выполняются циклы операций примерно одинаковой длительности, что позволяет скомплектовать роторы примерно одинакового размера в непрерывную транспортно-технологическую цепь. Особенно пригодна для этого технология литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) в вакуумируемые песчаные формы.
Такой тип форм при ЛГМ позволяет сочетать следующие основные преимущества:
• возможность оборота и регенерации сухого песка, в частности, в пневмопотоке;
• короткую длительность формовки с виброуплотнением песка;
• возможность использования вакуума песчаных форм для введения газовых или жидкостных хладагентов в песчаную форму для ускорения охлаждения отливки, или с той же целью несложную перегрузку горячих отливок с песком в наклонный желоб с регулируемым охлаждением, или с линии вакуумирумых форм на линию коробчатых контейнеров;
• простоту и низкую трудоёмкость выбивки или извлечения отливки из формы, в т. ч. в горячем состоянии (вскоре после затвердевания), что не свойственно для песчаных форм со связующим.
Перечисленные возможности позволяют разделить прежде всего традиционно длинную для многих АФЛ формовочно-заливочно-охладительную часть конвейера путем перевода литейных форм на роторные карусели или даже отдельные сравнительно несложные РКЛ (как подсистемы целостных роторных комплексов производства отливок). Среди последних разработок – концепция РКЛ с выполнением на ней быстрого извлечения (выбивки) отливки из формы и проведением из горячего (аустенитного для железоуглеродистых сплавов) состояния термообработки (ТО) отливки для экономии тепловой энергии, продолжительности остывания отливки в форме и соответствующей ей длины конвейерного пути [2]. При этом процессы литья и ТО взаимодополняются и вместе составляют ЛТО-процесс.
Важной предпосылкой перевода литья на РКЛ является разработка методов быстрой разливки металла в формы на непрерывно движущихся роторах. При этом необходимо соблюсти требуемую скорость заливки и питания металлом отливок, что при ЛГМ обусловлено скоростью газификации пенополистирола и поддержанием баланса газового давления в форме. Рассмотрим ряд известных методов интенсивной разливки металла и возможность их модификаций для РКЛ.
На РКЛ (рис. 1) установлен разливочный барабан 8. Примеры конструкций таких барабанов представлены на рисунке 3. На рисунке 4а представлена схема барабана с V-образными желобами из патента РФ 2171729 (опубл. 10.08.2001) над конвейером изложниц (заштрихованы) и часть кожуха такого барабана (рис. 4б). Такие разливочные устройства приемлемы для литья мелких форм или разливки цветных металлов на конвейере, состоящем из изложниц для литья слитков («чушек»). Барабан с горизонтальной осью вращения (рис. 3, 4) и круглыми или щелевыми отверстиями по ободу синхронно вращается с движущимся горизонтальным или наклонным конвейером так, что подаваемый по желобу внутрь барабана расплав проливается сквозь эти отверстия порциями, как раз заполняющими движущие вытряхные изложницы или мелкие формы. Таким барабаном трудно залить формы с шириной в плане больше 0,5 м.
Для высокопроизводительных РКЛ рассмотрим концепцию одновременного заполнения нескольких форм сразу с производительностью 0,5-1,5 тыс. форм в час аналогично отработанной на металлургических заводах системе технологических переливов металла, которая обеспечивает дозирование его в течение всего цикла работы машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Общая схема движения металла на участке «разливочный ковш» – «литейные формы» представлена на основе такой схемы для МНЛЗ (рис. 5), описанной в монографии авторов во главе с проф. А. Н. Смирновым [3]. Оборудование на схеме (рис. 5) условно изображено в разрезе при рассечении по цилиндрической поверхности (по осям разливочных отверстий промковша), развернутой затем в плоскость.
Важнейшим функциональным и технологическим элементом этой схемы является промежуточный ковш (промковш) 5, который в значительной степени определяет устойчивость и стабильность процесса разливки в целом. Промковш предназначен для приема из разливочного ковша 2 жидкого металла 1, сохранения его с минимальными тепловыми потерями и распределения по отдельным литейным формам 10 со сравнительно одинаковым металлостатическим давлением в ходе разливки. Кроме того, промковш выполняет функции усреднения металла по химическому составу, температуре, позволяет воздействовать на металл подаваемыми в полость промковша газами над уровнем металла, что способствует повышению качества заготовки (отливки) 11. Подача металла из разливочного ковша через защитную трубу 4 в промковш 5 может регулироваться шиберным затвором 3. Разливочно-дозировочные отверстия промковша могут иметь стопоры-моноблоки 6, стаканы-дозаторы 7 и погружные или защитные стаканы 8, которые на рисунке 4 показаны в качестве резервных или для создания специальных условий заливки с защитой струи, в частности, сплавов, легированных магнием, цинком и другими легко окисляемыми элементами или оказываемыми вредное воздействие на воздух в помещении цеха.
Разливка металла на РКЛ предполагает установку неподвижного промковша 2 с разливочными отверстиями с осями (в цилиндрической поверхности разреза, развернутой затем в плоскость (рис. 5) над заливочным непрерывно вращающимся ротором (не показан для упрощения схемы) с установленными на нем литейными песчаными формами 10. Соосно с отверстиями стояков (коллекторов) форм 10 располагаются отверстия дозирующих воронок 9, смонтированных встык одна к другой в виде кольцевого ротора (между промковшом и формами 10), движущегося (по стрелке) вместе с ротором, несущим формы 10. Формы 10 вмещают при ЛГМ разовые модели, которые замещаются металлом, образуя отливки 11. Кроме того, промковш предлагается оснастить устройством 12 для подачи газа под регулируемым давлением (от вакуумирования до давления свыше атмосферного) в паре с работой шиберного затвора 3 для отсечения влияния этого давления на металл в разливочном ковше 2.
Конструкция промковша должна учитывать следующие основные факторы [3] с учетом эксплуатации на РКЛ:
• число, расположение, размер проходного сечения разливочных отверстий;
• число последовательно разливаемых плавок;
• оснащенность специальными устройствами;
• сечение стояков (коллекторов) заливаемых форм;
• характер конвективных потоков металла, способствующих отделению неметаллических включений;
• достаточную вместимость, позволяющую осуществлять замену разливочных ковшей во время серийной разливки;
• способ начала разливки и метод удаления шлака и остатков металла после окончания разливки;
• способ регулирования процесса истечения металла из промковша;
• возможность финишной рафинирующей обработки металла в промковше посредством его продувки нейтральным газом или вакуумированием;
• возможность корректирующей доводки химического состава металла, например, посредством ввода порошковой проволоки специального состава.
Регулирование расхода металла через разливочные отверстия промковша 5 осуществляют с помощью выбора величины площади проходного сечения этих отверстий, температуры металла и его уровня (при регулировке шиберным затвором 3) в промковше, давлением газа, подаваемым или откачиваемым (при закрытом затворе 3) посредством устройства 12.
При непрерывном быстром вращении связанных роторов с формами 10 и воронками 9 возможны два способа заливки форм 10, например, изготовленных по ЛГМ-процессу, в частности, расплавом алюминиевого сплава. В первом случае: в каждую из четырех воронок 9 попадает металл из четырех разливочных отверстий промковша. Наливается в воронку ровно столько (порция), сколько требуется для заливки формы 10, и сливается через отверстие дозирующей воронки 9 в форму 10, в общем случае даже после выхода форм из зоны заливки. Во втором случае: в каждую из воронок 9 заливается металл (порция для заливки формы) из одного разливочного отверстия промковша, пока верхний створ этой воронки движется под струей из этого отверстия, затем подача металла прекращается, пока вращением ротора (через четыре воронки) новые пустые четыре воронки не оказываются под четырьмя разливочными отверстиями. Металл в обоих случаях течет из воронок 9 в формы 10, согласно технологии ЛГМ, газифицируя отливку с расчетной заданной скоростью.
Таким образом, в первом способе доливанием металла из четырех воронок формируется порция, а тонкая заостренная перегородка между воронками не мешает этому. Во втором способе, создавая разрежение устройством 12 и закрывая затвор 3 (по методу литья вакуумным всасыванием), каждый раз через 4 формы останавливают поток струи, пока каждые 4 пустые воронки не зайдут под заливку, длящуюся в период движения верхнего створа воронки под соответствующим заливочным отверстием промковша.
О широком распространении на ряде металлургических заводов мира трехплитного шиберного затвора трехплитного шиберного затвора (рис. 6), установленного в днище промежуточного ковша, и о его конструкции описано в работах А.Н. Смирнова и С.П. Еронько [4, 5]. Металл проходит через гнездовой блок 1, стакан-дозатор 2, выходит из промковша, минуя его кожух 3. Шиберный затвор состоит из верхней неподвижной плиты 4, средней подвижной плиты 5 и нижней неподвижной плиты 6, входящей в погружной стакан 7 или защитную трубу.
Дозирование металла осуществляется за счет частичного перекрытия разливочного канала при изменении положения средней плиты 5. При этом промышленные исследования позволили установить ряд позитивных моментов применения шиберных затворов для непрерывной разливки сортовой заготовки. В частности, использование технологии разливки через трехплитный шиберный затвор обеспечивает плавность и точность регулирования протока металла по сравнению с использованием стопора, а также предоставляет широкие возможности для реализации комплексного автоматического управления всем процессом разливки [4].
План дальнейших робот по разработке концепций и модульных устройств для создания высокопроизводительных РКЛ предполагает достижение максимальной плотности технологического потока перемещения материалов за счет развития принципа многоструйности, как при описанной выше скоростной заливке форм, распространяя его на способы заполнения пресс-форм гранулированным пенополистиролом, литейных контейнеров песком при формовке, подачи хладагентов в формы после их заливки металлом. Такая доработка конструкций роторов по формообразованию с загрузкой-разгрузкой их модельно-, оснастко-, песчано-, металлопотоками позволит удовлетворить основные принципы построения РКЛ, как максимальная скорость перемещения предмета (оснастки) + минимальное время формообразования изделия (литейной формы, твердеющей отливки) + максимальная плотность потока перемещения материалов и изделий (форм, отливок) + минимальная ширина потока перемещения тех же материалов и изделий.
Применительно к разработке технических решений по созданию нового класса скоростных литейных процессов получения металлопродукции на РКЛ предстоит адаптировать полученные для традиционных сравнительно медленных технологий закономерности гидродинамических процессов, кристаллизации, твердения и охлаждения отливок, в т. ч. с управляемой интенсификацией тепломассообмена в литейной песчаной форме, которая одновременно перемещается и заполняется жидким сплавом, в т. ч. под высоким регулируемым давлением. Комплексная реализация экстремально скоростных технологий получения отливок требует минимизации времени затвердевания отливок и получения форм, которые одновременно должны быть равнозначными по продолжительности, что можно достичь использованием пенополистирольного моноблока с камерой давления на жидкий металл, и таким давлением интенсифицировать тепломассообмен на границе «металл – форма». Затем скорость охлаждения отливки усиливают путем принудительного просачивания сквозь поры песка формы жидких и газообразных хладагентов, либо динамического, гравитационного или аэродинамического перемещения этого песка.
Минимизации материалов, участвующих в формообразовании, способствует удаление из технологии ЛГМ противопригарных покрытий, как компонента, требующего долгосрочных приготовления, нанесения и термической обработки. Вместо них перспективен электростатически удерживаемый слой порошковой краски [6] или присыпки, в т. ч. выделяющей кислород при нагреве, что свойственно, например, оксидам железа. Использование прямолинейных горизонтальных-вертикальных перемещений инструмента (оснастки) упрощает операции на РКЛ, в частности, для технологии получения литейной модели и формы, включая формозаполнение металлом за счет перемещения поршня в камере давления на порцию металла. Апробация гидродинамической модели течения жидкого сплава в вакуумированной литейной форме под высоким избыточным давлением металла обеспечит отработку заполнения металлом формы простым вертикальным перемещением инструмента по соответствующей программе с заданной скоростью движения металла в форме независимо от сечения заполняемых стенок отливки. Также формовку ускорит уплотнение песка в форме с размещением вибровозбудителей непосредственно на движущихся литейных контейнерах (причем одновременно на нескольких) с использованием вертикально замкнутого конвейера вибровозбудителей, навешиваемых на форму на время ее вибрации и удаляемых с нее.
Описанные конструкции роторно-конвейерных устройств служат примерами реализации инновационных возможностей высокопроизводительных процессов литья, в т. ч. по способу ЛГМ. Рассмотрены концепции скоростной заливки форм при движении конвейера с использованием промежуточного ковша по аналогии с разливкой металла на МНЛЗ, ротора, несущего смонтированные встык дозирующие воронки, а также устройства подачи газа на металл в таком ковше под вакуумом или с повышенным давлением для регулирования расхода металла. Рассмотрены конструкция шиберного затвора и его роль в процессе регулирования расхода металла на роторно-конвейерной линии, а также дальнейшие планы по созданию нового класса скоростных литейных процессов. Такие высокотехнологичные заготовительные конвейерные комплексы открывают возможность восстановления и устойчивого развития отечественного машиностроения, производящего продукцию с высокой добавленной стоимостью. Развитие литейного производства с известной в мире отечественной научно-инженерной школой – это шаг к снижению зависимости национальной промышленности от импорта знаний, технологий и товаров в процессе реализации собственного научно-технологического развития, которое позволит нам стать равноправным участником глобальных инновационных процессов.
1. Лозенко, В.И. Автоматические роторные установки для литейного производства / В.И. Лозенко // Литейное производство. – 1992. – № 9. – С. 31-32.
2. Дорошенко, В.С. Концепция литейного роторно-конвейерного комплекса с возможностью регулируемого охлаждения отливок, включая их термообработку / В.С. Дорошенко // Литейное производство. – 2019. – № 8. – С. 15-22.
3. Смирнов, А.Н. Металлургические мини-заводы : монография / А.Н. Смирнов, В.М. Сафонов, Л.В. Дорохова [и др.]. – Донецк : Норд-Пресс, 2005. – 469 с.
4. Смирнов, А.Н. Непрерывная разливка сортовой заготовки : монография / А.Н. Смирнов [и др.]. – Донецк : Цифровая типография, 2012. – 417 с.
5. Еронько, С.П. Опыт разработки шиберных устройств для технологических переливов стали / С.П. Еронько, А.Ю. Цупрун, С.А. Бедарев [и др.] // Черная металлургия : бюл. науч.- техн. и эконом. информ. / ОАО «Черметинформация. – 2008. – № 8. – С. 28-36.
6. Спосіб нанесення функціонального покриття на полімерну модель [Текст] : пат. 131907 Україна : МПК B 22 С 9/04. / Шинський О. Й., Яковишин О. А., Притуляк А. С. ; опубл. 16.08.2004, Бюл. № 8.
7. Запасные части для литейных производств [Электронный ресурс] // Компания ZIPLIT. URL: https://ziplit.ru/ (дата обращения 06.08.2019).
