Актуальность работы заключается в том, что литейное производство является опасным для окружающей среды. Основной причиной загрязнения окружающей среды является использование большинством предприятий устаревших технологий изготовления металлоотливок. При использовании традиционных технологий литья на каждую тонну отливок из сплавов черных металлов выделяется около 50 кг пыли, 250 кг оксидов углерода, 1,5-2 кг оксидов серы и азота и до 1,5 кг других вредных веществ (фенола, формальдегида, ароматических углеводородов, аммиака, цианидов).
В водный бассейн поступает до 3 куб. м сточных вод и вывозится в отвалы до 6 т отработанных формовочных смесей. В настоящее время существуют более экологичные технологии, внедрение которых значительно снизит влияние на окружающую среду.
2. Цели и задачи работы, научная новизна
Цель работы: изучить экологические проблемы литейного производства и источники их возникновения, рассмотреть существующие технологии изготовления металлоотливок, выбрать наиболее подходящую для Донецкой области технологию, разработать мероприятия по улавливанию пыли и газов, предусмотрев их очистку, проанализировать возможность рециклинга отработанных смесей.
Основные задачи работы:
- Обзор, сбор, обработка и систематизация данных в области обеспечения экологической безопасности литейного производства машиностроительного комплекса
- Анализ и усовершенствование методов обеспечения экологической безопасности литейного производства.
- Обоснование выбора способа литья для условий Донбасса.
- Разработка моделей оценки и сокращения выбросов в процессе изготовления металлоотливок.
- Расчёт экологических показателей при замене литья в песчано-глинистые формы на литьё по газифицируемым моделям.
- Расчёт экономической эффективности замены литья в песчано-глинистые формы на литьё по газифицируемым моделям.
Объект исследования : способы литья в литейном производстве машиностроительного комплекса и их воздействие на окружающую среду.
Предмет исследования : методы, алгоритмы, модели оценки экологической безопасности литейного производства
3. Обзор существующих исследований
3.1 Литье по газифицируемым моделям
В настоящее время существует множество способов изготовления металлоотливок. Наиболее известным из них является способ литья по газифицируемым моделям (ЛГМ-процесс).
Литейное производство
... настоящее время основной объем продукции литейного производства составляет изготовление заготовок. Развитие и внедрение новых высокоточных способов литья определяет тенденцию перехода к производству, ориентированному на изготовление литьем деталей машин. Из общего объема ...
Процесс изготовления отливки этим способом приведён на рисунке 3.1.1. Способ литья по газифицируемым моделям был запатентован в 1958 г. американским архитектором Г. Шроером и сразу же литейщики многих стран проявили к нему повышенный интерес и начали пробовать в производстве отливок. Он получил в разных странах такие наименования: Lost Foam Process, ЛМГ-процесс «Policast», «ГАМОЛИВ» и т.д. Первые исследования теоретических вопросов литья по газифицируемым моделям проводились, начиная с 1964 г., в МВТУ им. Баумана под руководством Г.Ф. Баландина и Ю.А. Степанова (г. Москва).
В СССР впервые работы по применению моделей из пенополистирола были начаты А.Р. Чудновским в Черноморском ЦПКБ (г. Одесса), а в 1965 г. процесс литья по газифицируемым моделям внедрен на Горьковском автомобильном заводе для изготовления литых заготовок деталей штампо-инструментальной оснастки. Затем процесс был успешно освоен и внедрен на Волжском автомобильном заводе при производстве штампов.
Под руководством В.С. Шуляка (в Институте проблем литья НАН Украины, г.Киев), начиная с 1968 г., был выполнен комплекс исследовательских работ, охватывающий основные вопросы, связанные с особенностями нового процесса литья.
Серийное производство отливок по газифицируемым моделям налажено на фирмах: HARTMAN (Германия), Ferrie Fonderie di Dongo (Италия), заводе MEZ (Чехия), выпускающем чугунное литье; заводе Stenton PLC (Великобритания) – серый и высокопрочный чугун; завод Alexcon (Индия) – алюминий и чугун; завод Logink (Голландия) – чугун и др. Мощное производство отливок для автомобилестроения организовано на заводе компании BMW (Германия).
Производство литья по газифицируемым моделям в Украине осуществляет большая группа предприятий, среди которых:
- ОАО «Жмеринское РП Агромаш», г. Жмеринка;
- ГП «Опытный завод спецэлектрометаллургии ИЭС им. Е.О. Патона» НАН Украины, г. Киев;
- ДП «ЛК-Металлургия» ПАО «Завод «Ленинская кузница», г. Киев;
- ПАО «Нововолынский литейный завод», г. Нововолынск;
- ЧП «БУД-МАШ», г. Житомир;
- ООО «Завод «Промлит», г. Нововолынск;
- ООО «Завод Ремкоммунэлектротранс», г. Донецк;
- ПАО «Луганский литейно-механический завод», г. Луганск;
- ООО «УкрЛат», г. Луганск;
- ООО «Тин Импекс», г. Хмельницкий;
- ООО »КАМЕТМАШ», г. Киев;
- ПАО «Завод «Фрегат», г. Первомайск;
- ООО «Кривбасцветплав», г. Кривой Рог;
- ООО «Армлит-Донбас», г. Донецк.
В настоящее время в развитие указанного научно-технического задела во ФТИМС НАН Украины проводится цикл исследований по созданию концептуально связанного с ЛГМ (использующего те же пресс-формы для получения моделей и формовочную оснастку) нового экологически чистого способа производства металлотливок по одноразовым моделям изо льда как конструктивного или матричного материала с добавками или примесями.
Концепции технологии литья по ледяным моделям относят ее к наукоемким высоким технологиям литейного производства и развивающимся криотехнологиям промышленности. Эта технология в какой-то мере заимствует черты всего круговорота воды на нашей планете, который является глобальной системой переноса, поддерживающей энерго- и экологический баланс всей Земли. Сейчас описанная литейная криотехнология проходит стадию патентования и активной исследовательской и технологической разработки одновременно с апробированием в литейном цехе, но по мере развития займет свою нишу для производства точных мелких и средних металлических отливок, дополняя возможности литейного производства и кардинально повышая его экологическую культуру.
Литье по газифицируемым моделям
... - верхняя опока; 7 - нижняя опока При формовке и изготовлении отливок применяют различные варианты литья по газифицируемым моделям. Рассмотрим некоторые из них. Policast-процесс. Данный способ разработан фирмами ... рис. 1.2. показана схема формовки по газифицируемой модели в трех опоках. Эта технология применяется на ряде автомобильных заводов. При формовке используется облицовочная самотвердеющая ...
Преимущества метода литья по газифицируемым моделям
Метод ЛГМ перспективен, т.к. он имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами литья:
- Снижение затрат на производство отливки;
- Стабильность качества литья;
- Экологичность.
Технология ЛГМ позволяет объединять несколько отливок в одну, уменьшая при этом долю механической обработки и сокращая количество сборочных операций, за счет чего можно добиться ощутимого снижения металлоемкости конструкции и сокращения затрат на обработку отливки. Кроме того, вспененный в пресс-форме полистирол образует гладкую поверхность будущей отливки, которая повторяется металлом в процессе заливки. Это также снижает затраты на последующую механическую обработку, а иногда вовсе отменяет её. В процессе формовки пеномоделей, с пресс-формой взаимодействует только пар и полистирол, в отличие, к примеру, от кокильного литья, где кокиль соприкасается с расплавом напрямую. Процесс изготовления моделей из пенопласта приведён на рисунках 3.1.2 и 3.1.3.
Поэтому считается, что пресс–форма для метода ЛГМ является более долговечной по сравнению с другими методами, и обеспечивает стабильное качество моделей на протяжении всего цикла эксплуатации. Производство литья по газифицируемым моделям является почти безотходным и требует небольшого количества сопутствующих материалов по сравнению с кокильным литьем и методом литья по выплавляемым моделям. Кроме того, практически отсутствуют выбросы токсичных органических веществ в окружающую среду, в производстве не используются вредные смолы и токсичные материалы. Технологический процесс изготовления отливок по газифицируемым моделям находится в развитии. Литейщики находят все новые решения технологических вопросов изготовления отливок, предлагают новые варианты этого процесса и области его применения, используют новые материалы для изготовления литейных форм и моделей, совершенствуют оборудование, используют новые решения в автоматизации процесса.
3.2 Литьё по ледяным моделям
Крио-вакуумные технологии получения металлоотливок в песчаных формах являются одним из направлений инновационного процесса в литейном производстве. Они относятся к малоотходным и безотходным технологиям, обеспечивающим охрану природы на более высоком качественном уровне путем предупреждения нарушения экологического равновесия за счет рационального природопользования. Высокие нормы ресурсосбережения достигаются многократным использованием формовочных материалов. Привлечение криотехнологии в формовочные процессы, в частности для получения песчаных форм по ледяным моделям, вызвано возможностью минимизации применения неорганических материалов (в т.ч. связующих) путем получения оболочковых форм. Применение при этом агрегатных переходов воды (из жидкого в твердое – модель, опять в жидкое – таяние модели при освобождении полости формы, а затем испарение при сушке увлажненной формы) в какой-то мере подобно кругообороту воды в природе. Эта вода для ледяных моделей на 30-90% и сухой песок формы на 80-90%, может использоваться многократно. Разработана разновидность вакуумно-плёночной формовки по ледяным моделям, при которой вода не попадает в песок формы, и может полностью использоваться повторно наряду с многократным использованием песка.
Литье в разовые песчано-глинистые формы
... процесса литья в разовые песчано-глинистые формы Формовочные и стержневые смеси и их свойства Формовочная смесь- это многокомпонентная смесь формовочных материалов, соответствующая условиям технологического процесса изготовления литейных форм. Формовочные смеси ...
В настоящее время ФТИМС НАН Украины патентует три разновидности способа изготовления по разовым ледяным моделям песчаных оболочковых форм из сыпучего формовочного материала. При этом оболочка образуется путем затвердевания в ней самотвердеющей композиции при введении в контакт отвердителя со связующим. Создание и отработка способов получения оболочковых форм вокруг разовой ледяной модели закладывает основу новой крио- (крио-вакумной) технологии литья мелких и средних металлозаготовок. Она исключает или сводит к минимуму использование органических полимеров: связующего для песка оболочковой литейной формы, заменяет пенопластовые или парафино–стеариновые модели на ледяные. Такая криотехнология литья по разовым моделям соответствует экологически чистым безотходным технологиям с использованием принципа «просто добавь воды».
3.3 Регенерация отработанных формовочных смесей
Использование холодно-твердеющих смесей (ХТС) имеет такие преимущества по сравнению с песчано-глинистыми: сокращение объема транспортных операций, снижение трудоемкости изготовления форм и стержней, а также очистных и обрубных работ, улучшение качества отливок. Однако одним из существенных сдерживающих факторов является высокая стоимость смеси. Наиболее рациональным решением является регенерация холодно-твердеющих смесей. Основной целью регенерации является восстановление зернового состава песка и удаление плёнок связующего с зёрен кварцевого песка.
Главные принципы регенерации ХТС:
- Всю смесь, прилипшую к отливке, полностью направляют в регенерационную установку;
- Комья не должны быть отделены, так как они по составу представляют собой всю рабочую смесь, подлежащую регенерации, регенерационная установка должна измельчать комки и пускать их в оборот;
- Очистка является механическим, термическим или смешанным управляемым удалением остатков связующею из смеси;
- Температуру регенерата снижают настолько, чтобы не причинять вред последующему процессу смесеприготовления. Для ХТС она должна составлять не более 30°С;
- Регенерационная установка должна давать продукт, близкий но зерновому составу к свежему песку
Выводы
Собраны, рассмотрены, обработаны и систематизированы данные в области обеспечения экологической безопасности литейного производства машиностроительного комплекса; проанализированы и усовершенствованы методы обеспечения экологической безопасности литейного производства, обоснован выбор способа литья для условий Донбасса; разработаны модели оценки и сокращения выбросов в процессе изготовления металлоотливок; рассчитаны экологические показатели при замене литья в песчано-глинистые формы на литьё по газифицируемым моделям; рассчитана экономическая эффективность замены литья в песчано-глинистые формы на литьё по газифицируемым моделям.
Список источников
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/ekologicheskie-problemyi-liteynogo-proizvodstva/
Основные дефекты при литье по выплавляемым моделям и способы их устранения
... применялся в значительно измененном виде. Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в том, что модель после ее заформовки удаляют из формы ... в пятипроцентном растворе азотной кислоты, промывают и просушивают. Дефекты при литье и способы их Газовые раковины в отливках образуются ... Поэтому в основном применяют кварц. После обсыпки формы сушат; режим сушки применяют следующий: 35—40 мин сушат на ...
- И–маш – Ресурс машиностроения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.i–mash.ru/materials/technology/7713–tekhnologii–mashinostroenija–cekh–litja–po.html
- Новости технологий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://techvesti.ru//
- Наукова електронна бібліотека періодичних видань НАН України [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://dspace.nbuv.gov.ua//
- Союз–литьё – информационный ресурс по литейному производству [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://lityo.com.ua//
- Ю.А. Степанов, Г.Ф. Баландин, В.А. Рыбкин Технология литейного производства // М.:Машиностроение, 1983. – 285 с.
- Дорошенко В. С. Создание математической модели пропитки поверхностного слоя песка связующим при получении оболочковых форм // Процессы литья. – 2008. – № 5. – С. 67–77.
- Дорошенко В. С., Кравченко В. П. Взаимосвязанные процессы переноса в песчаной форме при литье по одноразовым моделям // Металл и литье Украины. – 2009.– № 9. – С. 15–18.
- ФТИМС, отдел ФХПФ [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
- Социальный специализированный интернет-ресурс «ARTconservation» [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
- Дорошенко С. П. и др. Формовочные материалы и смеси. – Киев: Вища шк., 1990. – 415 с.
- Специальные способы литья / Под ред. В. А. Ефимова. – М.: Машиностроение, 1991. – С. 169–171
