Високі технології лиття металу - засіб розвитку вітчизняного ливарництва

Шинський І.О., к.т.н., Шинський О.Й., д.т.н., Дорошенко В.С., к.т.н.

Україна споконвіку славилася досягненнями в галузі лиття металів. За радянських часів в 1985-90 р.р. українські ливарники займали перше місце в світі по литтю металу на душу населення. Робити свою справу краще за інших, відновити досягнення ливарництва, що належить до традиційних українських ремесел та промислових галузей - то є важливий рушійний намір, що слід розглядати як складову національної ідеї. 

Сьогодні системна інтеграція вітчизняної економіки в світовий економічний простір, про що свідчить недавній вступ України у ВТО, стимулює розвиток конкурентноздатних технологій в наший країні, зокрема в машинобудуванні при зниженні металоємності і собівартості продукції за рахунок виробництва високоточних деталей. На долю литих деталей в средньому приходиться 50-70% маси (в верстатобудуванні до 90%) і 20% вартості машин. Тільки методами лиття можливо отримати складні за конфігурацією і геометрією заготівки із чорних та кольорових сплавів з високим (75-98%) коефіцієнтом використання металу. Як правило, литі деталі несуть високі нагрузки в машинах, механізмах і визначають їх експлуатаційну надійність, точність и долговічність. Статистика випереджаючого зростання оброблювальної промисловості в Україні свідчить про необхідність розвитку металозаготівельної бази на інноваційно-інвестиційній основі. Про одну із технологій для відродження галузі ливарництва – машинобудівельної металургії з погляду українського підприємця підготовлена ця інформація. До речі, сьогдні «велика» металургія України дає по вартості близько 40% експорту, чого не скажеш про «малу». 

Інвестиції тоді вигідні, коли вони вкладаються в нову технологію. У ливарній справі стає все популярнішою зручна технологія, коли отримати модель виливка означає вже наполовину отримати виливок. Модель виливка з пінополістиролу (пінопласту) така як упаковка від телевізора, або разова харчова тарілка, яких штампують мільйонами на автоматах, а плитами пінополістиролу утеплюють зовнішні стіни висотних будинків.

За схожою технологією для серії виливків моделі виготовляють задуванням порошку (дрібних гранул) пінополістиролу в легкі алюмінієві прес-форми (вельми прості у виготовленні) з подальшим спінюванням гранул при їх нагріві. Для виробництва разових і крупних виливків (іноді вагою до декількох тонн) підходить метод вирізування моделей з плит пінополістиролу нагрітим ніхромової дротом, наприклад, по шаблонах, а також сьогодні все частіше застосовують широку гаму оброблювальних центрів плоттерного, або фрезерувально - гравірувального типу (точність позиції ріжучого інструмента – від ±0.05 до ±0.1 мм), що стали по ціні доступними для підприємців, зокрема для виготовлення моделей та рекламних макетів. Модель, а потім виготовлений по ній виливок мають високу точність і конкурентний товарний вигляд.

Вільно можна побачити, «помацати» виливок в цілому виробі ще в моделі до лиття металу, проміряти її стінки, чого при звичайній формовці для складних виливків просто не зробити. Відсутній зсув піщаних стержнів і напівформ при збиранні (оскільки відсутні самі стержні), що властиво традиційному формуванню в парних опоках. Моделі фарбують швидковисихаючою фарбою з вогнетривким порошком, збирають з ливником, засипають сухим піском в ящику (контейнері) і заливають металом.

При заливанні метал газифікує (випаровує) модель і собою неї заміщає. У цій операції заміни одного на інше - весь "фокус" або ноу-хау цієї технології, який визначає її назву – лиття за моделями, що газифікуються (спосіб ЛГМ, за російською назвою «литье по газифицируемым моделям»), і робить її унікальною. В усіх інших способах формовки по моделі присутня попередня операція її видалення перед заливкою, а в такій відсутності видалення моделі з форми і криється "секрет" точності одержуваних виливків. Що заформували, те і вилили в нерухомому навколишньому піску. Зняття "копії" з моделі відбувається одночасно з "перетворенням" моделі у виливок, що жартома можна порівняти з виконанням "фотографії" шляхом "знищення" оригіналу, або як у шаховій партії з жертвою пішака (моделі) для виграшу тури (виливка ).

Щоб модель не диміла в цех при заливанні форми розплавленим металом, з контейнера відсмоктують насосом гази – розрідження підтримують приблизно пів атмосфери (побутовий пилосос зменшує тиск на 0,3 атмосфери). Виробничі дільниці: модельна, формувальна, плавильна, очисна мають приблизно однакові площі й оснащуються простим устаткуванням. Усе формування складається з засипання сухого піску без масивних високоточних машин пресування, струшування, пристроїв збирання форм. Акцент уваги перенесений на виробництво моделей - цих "найлегших іграшок" із щільністю матеріалу 25...27 кг./куб. м, що переважно "довіряють" жіночим рукам, часто розташовуючи на другому і вище поверхах цехів.

Оборотне охолодження піску ведуть у пневмопотоці, або з застосуванням найпростіших конвеєрів, ці металоконструкції для економії приміщень часто монтують з зовнішнього боку стіни цеху, на повітрі сухий пісок в силосі зберігається «не боячись» морозу. Для чорних і кольорових сплавів використовується однакове устаткування, що, завдяки своїй простоті, без ускладнень виготовляють в Україні (для інших видів формовки якісне устаткування треба імпортувати). Таким способом одержують виливки з чавуну і сталі усіх видів, бронзи, латуні й алюмінію всіх марок. У ящику «на кущі» можна відразу лити десятки виливків, як ллють ювелірні вироби.

Цехи і дільниці з цією гнучкою технологією множаться по всьому світу - від Америки до Китаю, на заводах General Motors, Ford Motors, Fіat. Світова практика свідчить про постійне зростання виробництва виливків цим способом, яке перевищило 1,5 млн. тон/рік, в одному КНР працює більше 1,5 тис. таких цехів, прогнози на найближче майбутнє дають цій технології 10...20% об’єму світового лиття.

ЛГМ-груп, м. Київ , зберігаючи в цій справі "фірмову" спеціалізацію, як одну з граней своїх науково - інженерних досягнень, спроектував і запустив ряд дільниць у крайнах ближнього та дальнього зарубіжжя. Силами провідних фахівці ЛГМ-груп створено і поставляється Замовникам базове технологічне устаткування ливарних цехів для одиничного, серійного і масового виробництва виливків з чорних і кольорових сплавів за цим способом потужністю 500 – 20 000 тон/рік.

Потенціал технології на стільки значний, що вона дозволяє лити не тільки метали і сплави, але й отримувати композити та сотово - комірчасті конструкції. Якщо в піномодель поміщають матеріали чи вставки, що залишаються у металевому виливку, то отримуємо композитну чи армовану конструкцію. Якщо в пінопластову модель поміщають вставки, що висипаються з виливка і дають порожнини, або виконують модель у вигляді просторової решітки чи сотів, то виливок буде мати сотову структуру. Прикладом останнього служить лита металева піна з відкритою пористостю, що отримали німецькі ливарники.

Низькі витрати на матеріали (всього 4 види, не застосовуються у формі в’яжучі) заощаджує не менш 100 дол./тону лиття, а розміщення виливків по всьому обсязі контейнера дає вихід годного до 80...85%, економію по шихті металу на 250...300 кг., електроенергії 100...150 квт.ч., маси виливків на 10...20% у порівнянні з традиційної опочною формовкою. Особливо велика економія при литті складних виливків зі зносостійких сталей (шнеки для машин по виробництву цегли, била, молотки і деталі дробарок), тому що різко знижуються витрати на механообробку. Також ллють без обмежень колеса, зірочки, корпуса, сантехніку, голівки і блоки циліндрів бензинових і дизельних двигунів, художні, паркові й інші виливки.

За даними General Motors при виробництві блоку циліндрів маса його зменшилася на 15% і трудомісткість механічної обробки на 50 % у порівнянні з традиційним литтям у стержнях. Освоєння лиття чавунних блоків таголовок циліндрів автомобільних двигунів внутрішнього згорання технологи вважають своїм серйозним досягненням. На стадії проектування оснастки - виготовлення серії виливків проходять ще три види блоків циліндрів двигунів з алюмінію та чавуну.

Досвід запуску цехів до 500...20 000 тон/місяць показав строк окупності 9...26 місяців. Капітальні витрати на організацію виробництва скорочуються в 2...2,5 рази, так як і терміни введення цеха в експлуатацію та його виробнича площа. Легко розмістити такі дільниці при кузнях, термічних, ремонтних і інших цехах. Якщо створювати або реконструювати ливарню, то технологія ЛГМ - той бізнес, у якому метал своїм устаткуванням і робочою силою переводиться у високотехнологічний наукомісткий товар, що відрізняється найвищою якістю.

У в дослідному цеху ЛГМ-груп ллють чорні і кольорові метали, вагою виливка 0,1...2 500,0 кг. Ливарний цех слугує полігоном для нового обладнання і продукує виливки з чавуну, сталі, алюмінію, мідних сплавів (латунь, бронза) до 90,0 тон на місяць, виконує замовлення на серійні і разові деталі. ЛГМ-груп проектує цехи і ділянки, розробляє технологію лиття деталей, поставляє устаткування й оснащення. Виконується пуско-наладка всього комплексу поставленого устаткування і впровадження технології, навчається персонал. Інститут є координатором замовлень для цехів - партнерів по точному литтю деталей з мінімальною механообробкою без обмежень на геометрію виливка, формує портфель експортних замовлень.

На жаль, вітчизняні виробники експортують велику частку металу в чушках, слябах і масивних заготівках, а також брухт, тоді, як Німеччина в 2004 році експортувала 31% виливків, повністю імпортуючи руду (переважно з Бразилії) і метал. ЛГМ можна віднести до наукоємних високих технологій ливарництва, що здатні виправити вказану тенденцію, вони всупереч стереотипу, що склався ще на студентській лаві у вузах, свідчать, що високі технології - це не обов'язково складні малодоступні процеси. Ними все більше зацікавлюються вітчизняна металообробка і машинобудування у міру зміцнення тенденції переходу від неглибокої переробки і експорту напівфабрикатів і сировини до випуску наукоємкої продукції, що особливо вигідним є для України, котра відноситься до нечисленних країн із замкнутим металургійним циклом виробництва металів з власних руд і де поширюються впевненість, що, чим швидше ми станемо до деталей і машин переробляти свій метал, тим раніше досягнемо європейського рівня добробуту.