Автор: Рассказенкова Д.В.
Источник: Материалы Всеукраинской научно-практической конференции студентов "Металлургия XXI столетия глазами молодых" в 2014г., с.164–165
Рассказенкова Д.В. Экологические преимущества применения криотехнологии для получения металлоотливок в песчаных формах. Рассмотрены преимущества применения литья по ледяным моделям и состояние разработок в этом направлении в настоящее время.
Литейное производство металлических заготовок является основной заготовительной базой машиностроительного комплекса как базовой отрасли промышленности. Сегодня в действующих литейных цехах России и Украины при производстве 1 т отливок из чугуна и стали выделяется около 50 кг пыли, 250 кг окиси углерода, 1,5-2,0 кг окиси серы, 1 кг окиси углеводородов и образуется до 5 т твёрдых песчаных отходов. Особенно экологически небезопасны процессы с использованием синтетических смол и других органических связующих, которые дают до 70% загрязнений природной среды от литейных цехов.
Применение криотехнологии для получения металлоотливок в песчаных формах позволит создать малоотходные и безотходные процессы, вытеснение органических материалов из технологии изготовления литейных форм предотвратит загрязнение окружающей среды. Высокие нормы ресурсосбережения могут достигаться повторным использованием формовочных материалов.
Использование криотехнологии для получения песчаных форм по разовым ледяным моделям исключает из техпроцесса органические модельно– формовочные материалы и минимизирует использование связующих путем получения тонкостенных оболочковых форм. Применение при этом агрегатных переходов воды (из жидкого в твердое – при замораживании модели, опять в жидкое – при таянии модели и впитывания жидкости в песок для освобождения полости формы, а затем испарение – при сушке увлажненной формы) в какой-то мере подобно кругообороту воды в природе. Вода для ледяных моделей на 30- 90% и сухой песок формы на 80-90%, может использоваться многократно.
В настоящее время разработана разновидность вакуумной формовки по ледяным моделям (упакованным в пенку), при которой вода не попадает в песок формы, и может полностью использоваться повторно наряду с многократным использованием песка. Такая технология относится к крио- вакуумным процессам, в которых сухой песок формы (без связующего) упрочняется под воздействием вакуума при подключении литейных форм трубопроводами к вакуум-насосу. При этом литье по ледяным моделям совмещается с вакуумно-пленочной формовкой (ВПФ), которая является наиболее экологически безопасным способом песчаной формовки и за рубежом за последние годы перешла из разряда специальных видов литья в основные способы производства отливок в разовые песчаные формы. При ВПФ газы, возникающие при заливке расплавленного металла в литейную форму, практически полностью откачиваются вакуум-насосом из формы, а отсутствие связующего в сухом кварцевом песке снижает до минимума такое газовыделение.
Экологические преимущества литья по ледяным моделям очевидны при замене ими традиционно применяемых выплавляемых чаще всего парафино- стеариновых моделей (способ ЛВМ) или газифицируемых (выжигаемых) расплавом металла моделей из пенополистирола при заливке литейной формы (способ ЛГМ). При ЛВМ расход модельного состава на тонну годных отливок составляет 40…90 кг при 10% потерь, большая часть из которых происходит при прокаливании в термических печах оболочковых форм при высоких температурах и выгорании не удаленного из них модельного материала. Это ведет к дымовыделениям в литейном цеху, требует установки вытяжной вентиляции и очистки газов, выбрасываемых в атмосферу.
Что касается использования пенополистирола для моделей, то его расход составляет порядка 6…6,5 кг на тонну отливок, и он разрушается при высокотемпературной деструкции. При горении без образования твердого остатка выделяется на 1 м2 материала (при плотности 25 кг/м2) до 267 м2 дыма с наличием токсичных продуктов сгорания, главным образом СО. Поэтому отходы пенополистирола не подлежат сжиганию подобно углю, дровам и т.п., так как при термодеструкции полимера полистирола могут выделяться токсичные газы.
Применение пенополистирола по способу ЛГМ в настоящее время обязательно сочетается с вакуумированием формы, откачиванием продуктов его деструкции и обезвреживанием их путем каталитического дожигания перед выбросом в атмосферу. Однако, такие установки дожигания недешевы, и для мелких участков их могут не устанавливать, а литейные формы для экономии электроэнергии нередко вакуумируют короткий период времени, и часть сконденсированного в песке полистирола может разлагаться в цехе от тепла отливки. Это, как и при ЛВМ, требует достаточно энергоемкой вытяжной вентиляции и очистки газов, но в реальных литейных цехах часто не освобождает от полного удаления вредных газов из рабочей зоны.
Криотехнология литья из черных и цветных металлов по ледяным моделям защищена институтом ФТИМС НАН Украины (г. Киев) десятками патентов на изобретения. Существующее финансирование науки не позволяет ученым быстро внедрить эту технологию, поэтому в данное время ведётся поиск научных и инженерных партнеров для совместных исследований и внедрения такого вида литья в производство в целях решения проблем экологии и ресурсосбережения.