Актуальной задачей при создании новых материалов и технологий для современного машиностроения является существенное снижение материалоемкости и рост ресурса литых деталей, которые по массе и количеству занимают до 50 % от общей потребности в металлопродукции, при условии одновременного сокращения материальных, энергетических затрат и экологической нагрузки на окружающую среду. Такие детали отвечают за конкурентоспособность новой техники для различных отраслей производства.
При наличии во ФТИМС НАН Украины новых высокоэффективных литых материалов, методов их плавления и внепечной обработки имеется потребность реализации их преимуществ путем повышения служебных характеристик отливок при получении их в такого вида песчаных формах, которые позволят существенно повысить их размерную точность, создать заданные условия для твердения и структурообразования металла отливок при сокращении материало-, энергозатрат и вредных выбросов в окружающую среду. К таким методам относятся разновидности литья по газифицируемым моделям (ЛГМ), в замороженные формы, в вакуумируемые формы и по ледяным моделям, научные и технологические основы которых, включая новейшее оборудование, постоянно совершенствуются научной школой профессора О. И. Шинского.
В этой статье рассмотрен один из методов физического моделирования отливок оболочковых конструкций, созданный в результате исследований по теме «Разработка научных и технологических основ по созданию литых конструкций из черных и цветных сплавов, оптимальных процессов их получения и автоматизированных методов проектирования». Тема обоснована тем, что компьютерные программы известных иностранных компаний: MagmaSoft (Германия), РгоСаst (США, Франция), «Полигон» (Россия), SolidCast (США) и др., которыми могут пользоваться отечественные литейщики), созданы для оценки процессов в литейной форме без оптимизации литых конструкций и воспринимают отливку уже как готовый, созданный конструктором продукт. Также эти программы не адаптированы к таким специальным методам литья, развиваемым ФТИМС, как ЛГМ, литье по растворяемым, выжигаемым, ледяным моделям, в сочетании с заливкой расплавленного металла под избыточным давлением или гравитационной, включая специфику неразъемных форм. Отсутствуют в этих программах и возможности оценки процессов в литейной форме с использованием низкотемпературных, оболочковых форм, при получении отливок с армирующей фазой в полости формы, что приближает отливки к изделиям из композитных материалов.
Многие методы расчета и конструирования литых деталей в странах СНГ, на Украине и нормативная база для этого построены на эмпирических уравнениях с учетом процессов формообразования, созданных еще в 60–70-е годы прошлого века, и не позволяют реализовать сложные конструкции с высокой размерной точностью. ГОСТ 2664585, ГОСТ Р 53464-2009 для литых деталей с габаритами 500–1500 мм при литье в песчаные формы устанавливают значительные допуски, что ведет к увеличению толщины стенок отливок и их массы на 50–80 %, а также допуски в пределах 9–11 квалитета этих ГОСТов тормозят эффективное использование высокопрочных сплавов (сталей, чугунов, алюминия), потому что уменьшение толщины отливок пропорционально повышению прочности металла и нивелирует высокие допуски. Поэтому современные литые конструкции на Украине и в странах СНГ превышают расчетные по металлоемкости в 1,5-2 раза, а в Западной Европе – в 1,3-1,5 раза, что ведет к перерасходу энерго- носителей, шихтовых материалов, трудоемкости их производства в 1,5-2 раза.
Совместная оптимизация металлоконструкции и технологии ее литья с целью достижения максимального коэффициента использования металла предложена на примере оболочковых конструкций. В зависимости от габаритных размеров, конструктивного оформления, характерных особенностей изготовления и эксплуатации оболочковые конструкции можно разделить на негабаритные емкости и сооружения, сосуды, работающие под
давлением, трубы и трубопроводы (см. рисунок 1). Они обладают сквозными или закрытыми каналами. Их ребра часто можно представить в виде арок, а также применить моделирование методом перевертывания цепной линии для поиска идеального очертания для арок и куполов по аналогии, известной в строительстве. Подобные арочные и оболочковые элементы имеют, кроме люков и корпусов контейнеров, например, такие массовые чугунные отливки, как канализационные и телефонные люки, дождеприемники, горизонтальные тротуарные решетки. Однородная арка в форме перевернутой цепной линии испытывает только деформации сжатия, но не изгиба.
На рисунке 1 показаны разноплановые примеры пенопластовых моделей отливок оболочковых конструкций, включая детали трубной арматуры, тиглей и других корпусных деталей. Для оптимизации оболочек в трехмерном измерении известно применение метода инверсии гибких висячих сетей, формируемых из плоского положения действием силы тяготения. Метод физического моделирования опорной поверхности безмоментной сводчатой оболочки сложной криволинейной поверхности реализуют путем переворачивания висячих сетей. Такую сеть-паутину, свисавшую с потолка, часто использовал архитектор А. Гауди (1852–1926). Суть моделирования – в приравнивании сил сжатия силам растяжения, купол имитируют в перевернутом виде. Веревки с грузами заменяют представление части купола, колонны, стены. Если стена была толщиной в полкирпича, то на веревке через каждые 5 см крепили свинцовые грузики по 10 г, если в полный кирпич – по 20 г. Получалась цепь из грузов. Если купол должен был быть установлен на 6 разветвленных колонн, то к потолку подвешивали 6 таких масштабированных цепей и к их концам крепили веревки с грузами пропорционально весу купола. В итоге получали «цепной» прогиб. Оставалось обрисовать форму, зафиксировать пропорции линейкой и перевернуть картинку. Если на купол надо было поставить статую, к центру веревочной паутины подвешивали груз, соизмеримый со статуей. Форма купола изменялась, он вытягивался, меняли угол «колонны».
Однако предложенные сегодня висячие сети – это специальные достаточно дорогие гибкие, растягивающиеся конструкции, из плоского положения которых часто сложно сформировать действием силы тяготения оболочку требуемой выпуклости при закреплении ее над отверстием произвольной формы. Поэтому для оболочковых конструкций по аналогии с моделированием методом переворачивания висячих сетей предложено моделирование методом переворачивания провисающей нагретой термопластичной синтетической пленки.
Для испытаний использовали полиэтиленовую пленку или сэвилен марки 11304-075, ТУ 605-1636-97, который часто применяется при вакуумной формовке для облицовывания модельных комплектов при его не менее 6-кратном удлинении. Толщина пленки – в пределах 75–100 микрон. Пленка при нагревании до пластичного состояния в литейном цехе провисала под собственным весом. Опробовали моделирование формы отливки крышки люка полиэтиленовой пленкой, закрепив ее в проеме и нагревая ее решеткой из трубчатых электронагревателей – ТЭНов. Когда пленка провисала на требуемое расстояние, ее фотографировали сбоку для обработки изображения на компьютере. Величину провисания регулировали изменением температуры ТЭНов или степени их приближения к пленке. Для глубокого провисания допустимо применение нагревателей инфракрасного излучения или другого типа. Пленка легко закрепляется по краю проема любой конфигурации, а подобная технология нагревания хорошо отработана для процесса вакуумной песчаной формовки. Это упрощало моделирование без применения сетей особой конструкции со специальными свойствами и сложным процессом регулирования степени провисания.
Предложено физическое моделирование таким же методом деталей литого контейнера для захоронения радиоактивных отходов (РАО). Моделирование оптимальной формы стенок и вставок в них из каменного материала, применение армированных конструкций пространственными каркасами позволят облегчить отливку путем снижения расхода металла при сохранении служебных свойств корпуса контейнера. Рассмотрим эту тему подробнее.
Среди оболочковых изделий рациональная конструкция контейнеров для захоронения РАО и их производство актуальны для Украины и России, поскольку они входитв сравнительно небольшую группу стран, львиной долей производимого электричества обязанных ядерной энергетике. С развитием атомной энергетики в мире обостряется проблема изолирования РАО для предотвращения их влияния на окружающую среду. Методы борьбы с влиянием РАО основаны на том, что они должны перерабатываться, храниться, транспортироваться быть захороненными таким образом, чтобы на протяжении всего срока потенциальной опасности не оказывать вредного влияния на человека и природную среду. Проблема экологически надежного и экономически оправданного обращения с РАО актуальна для всех стран.
Одно из возможных решений этой проблемы, к которому склоняются специалисты большинства стран, заключается в фиксировании радионуклидов в твердой матрице (контейнере) и захоронении их в геологической формации или специально построенном хранилище. При этом создаются два защитных барьера, препятствующие выносу радионуклидов, – искусственный барьер в виде защитного контейнера и естественный барьер в виде горной породы или стенок бетонного хранилища в сочетании с толстым слоем грунта. Обеспечение такой стратегии предполагает использование новых материалов и технологий изготовления контейнеров, обеспечивающих экологически безопасное обращение с РАО.
Среди материалов, которые используют для изготовления контейнеров, чаще всего выступают железоуглеродистые сплавы и их сочетания с другими материалами: тяжелый бетон, переплавленные с последующей термообработкой горные породы типа базальта, порфирита, горнблендита.
Наиболее рационально использовать чугунные, стальные литые или литосварные конструкции, армированные неметаллическими материалами, которые имеют ряд физико-химических и механических свойств, позволяющих нейтрализовать действия РАО. Как показал опыт института ФТИМС НАН Украины, такие конструкции удобно и экономически выгодно производить методом ЛГМ, а работы по промышленному изготовлению и испытанию двух видов многослойных контейнеров выполнены в институте с патентованием улучшенной конструкции таких контейнеров и нового метода моделирования их конструкции. В цикле работ по производству контейнеров научно-конструкторской группой под руководством профессора О. И. Шинского проведены приемные испытания опытных образцов контейнеров – упаковочно-транспортных комплектов ПКТІВ-260-12/1 и ПКТІВ-260-60/1 (маркировки по чертежу), предназначенных для безопасного транспортирования отработанных источников ионизирующего излучения типа ГІК-7-3 и ГІК-7-4 с изотопом 60 Со. Эти контейнеры также могут быть использованы для выполнения работ на предприятиях, где необходимо исключение из употребления отработанных закрытых источников с указанным изотопом.
Приемные испытания проведены по «Программе и методике приемных испытаний ПМВ-04-07/09», разработанной НПП «Атомкомплексприлад», согласованной с Государственным комитетом ядерного регулирования Украины. Эти испытания с привлечением специализированных организаций проводились на территории института ФТИМС. Выполнена проверка на соответствие требованиям технического задания для серийного производства комплектов по заказам предприятий. Для проведения испытаний конструкторским сектором отдела формообразования под руководством В. В. Здохненко была разработана конструкторская документация на ванну для испытаний контейнеров на герметичность, загон для сбрасывания контейнеров с высоты для испытания конструкции в сборе, на автоклав для испытаний на герметичность при имитации погружения на 15 м. Также выполнен проект строительства специальной площадки для проведения сбрасывания контейнеров с высоты 1,5 и 9 м.
Все это оборудование было изготовлен, и испытания контейнеров проведены. Обследование внешнего вида каждой литосварной конструкции комплектов, ее габаритных размеров и массы показали соответствие техническому заданию. Исполнены проверки строповых приспособлений, работоспособности механизмов, защитных свойств, проверка на герметичность и действие удара (на глубину разрушения), сохранение герметичности и защитных свойств при сбрасывании с высоты 1,5 м. Указанные испытания дали положительные результаты, после чего проведены испытания на сбрасывание с высоты 9м, а также погружением в воду на глубину 15 м с контролем сохранения герметичности, защитных свойств и работоспособности механизмов контейнеров. Завершение описанных испытаний дало все основания рекомендовать опробованную технологию для промышленного изготовления литосварных упаковочно-транспортных комплектов указанных марок, которые являются многослойными многоместными контейнерами. Эти контейнеры по своим конструктивным особенностям (увеличение емкости при сохранении габаритных размеров) не имеют аналогов в мировой практике, что также позволит рационально использовать площади хранилищ ядерных отходов.
Предложено армирование конструкций контейнеров вплоть до литья биметаллических конструкций, а также разработана конструкция литого корпуса контейнера для захоронения РАО со вставками из каменного материала в стенках контейнера. Такие вставки, подобные песчаным литейным стержням, со всех сторон обливаются металлом и остаются в теле отливки. Материал этих вставок имеет защитные функции не ниже металла, из которого отливают контейнер. Такая конструкция трехслойных стенок литого контейнера разработана для снижения веса отливки корпуса контейнера и запатентована. Предложено обоснование для дальнейшего совершенствования конструкции контейнера при помощи физического моделирования оболочковых конструкций. Интеграция совершенствования оболочковых металлоконструкций с развитием технологии их литья является важным условием конструирования конкурентоспособных литых деталей. Применение вакуумируемой песчаной формы, способствующей повышению жидкотекучести металла по спиральной пробе почти на 20 % по сравнению с формами из смесей со связующим, позволяет лить тонкостенные оболочковые металлоконструкции, а применение разовых моделей повышает точность отливок; оба этих фактора приводят к сбережению металла. По своей сути описанное проектирование конструкции контейнеров со снижением веса отливок при сохранении их требуемой прочности и защитных свойств явилось примером, или частным случаем, решения важной проблемы металлосбережения в машиностроении. Снижение металлоемкости продукции и связанное с ним энергосбережение в экологически не безопасном литейно-металлургическом комплексе закономерно ведет к сокращению загрязнения окружающей среды и экономии энергоносителей.
Показанные высокотехнологичные примеры соответствуют инновационной тенденции металлосбережения как приоритетному направлению совершенствования литейного производства. В процессе выполнения научно-исследовательской работы под руководством профессора О. И. Шинского проводится анализ параметрических признаков конструкций отливок для уменьшения их металлоемкости в зависимости от методов их получения. Оптимизация литых конструкций рекомендуется как синтез технологий формообразования с правильным выбором сплава из базы данных высокопрочных материалов, что позволит адаптировать компьютерные методы определения и прогнозирования эксплуатационных свойств базовых литых деталей машиностроения для автоматизированных систем проектирования отливок малой металлоемкости. Кроме того, снижение толщины стенки отливки, как правило, приводит к измельчению структуры и упрочнению металла, что, в свою очередь, способствует повышению его конструктивной прочности и снижению веса литых конструкций.
Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 4 (46) 2018
