Анализ влияния особых климатических условий России на технологические процессы литейного производства (Часть 1) 

—— Механизмы климатического воздействия и анализ рисков качества

Введение

Россия обладает обширной территорией, при этом основные районы литейной промышленности (Москва, Санкт-Петербург, Урал, Новосибирск и др.) расположены преимущественно в зонах умеренно-континентального и субарктического климата. Климатические особенности характеризуются: продолжительной и холодной зимой, когда температура воздуха в большинстве промышленных районов зимой опускается до -15°C...-40°C; значительными сезонными и суточными перепадами температур, при этом разница температур между цехом и внешней средой может превышать 25°C; существенными региональными различиями в уровне влажности: в прибрежных районах наблюдается низкая температура и высокая влажность, а во внутренних районах зимой — сухость и низкая влажность.

Вышеуказанные климатические условия оказывают объективное влияние на свойства исходных и вспомогательных литейных материалов, процессы формообразования и изготовления стержней, стабильность работы оборудования и качество отливок, повышая вероятность возникновения таких дефектов, как трещины (птичьи следы), пригар, газовые раковины и др. В данной работе на основе фундаментальных положений теории литейных материалов, российских государственных стандартов и опубликованных экспериментальных данных проведён объективный анализ соответствующих влияний, а также представлены научные и консервативные адаптационные решения с использованием противо-пригарных добавок и специализированного литейного оборудования нашей компании (г. Тяньцзинь).

Базовое влияние основных климатических особенностей России на литейное производство

Продолжительная зима с низкими температурами окружающей среды напрямую влияет на скорость отверждения связующих материалов и стабильность прочности стержней.

Значительные суточные перепады температур, а также разница температур внутри и снаружи цеха приводят к возникновению дополнительных термических напряжений в стержнях, повышая склонность к микротрещинообразованию.

Существенные региональные различия в уровне влажности: высокая влажность способствует увлажнению формовочных смесей, а сухой воздух увеличивает хрупкость стержней.

Высокая скорость ветра в зимний период ускоряет теплоотдачу в цехах, увеличивая скорость охлаждения оснастки и стержней, что затрудняет контроль технологического процесса.

III. Влияние климата на полный технологический цикл литейного производства (консервативные количественные данные)

(A) Влияние на формовочные материалы, стержневые смеси и вспомогательные материалы

Согласно российским государственным стандартам и отраслевым экспериментальным данным, изменение температуры и влажности существенно изменяет технологические свойства формовочных и стержневых смесей:

В условиях низких температур снижается скорость реакции между связующими и отвердителями, что приводит к явлению поверхностного отверждения стержней при недостаточном отверждении внутренних слоёв, при этом увеличивается разброс прочностных характеристик стержней.

Кварцевый песок при температуре около 573°C претерпевает полиморфное превращение α/β, сопровождающееся объёмным расширением примерно на 1,8%–2,2%. В условиях больших перепадов температур суммирование термических напряжений в стержне повышает склонность к микротрещинам, соответственно возрастает риск образования трещин (птичьих следов) и пригара.

В условиях повышенной влажности увеличивается влагосодержание формовочных смесей, что при заливке ведёт к парообразованию и увеличению газовыделения, повышая вероятность возникновения газовых раковин и механического пригара. В сухих условиях повышенная хрупкость стержней из-за потери влаги снижает их стойкость к осыпанию при высоких температурах.

При низких температурах ухудшаются текучесть и диспергируемость обычных добавок и противопригарных покрытий, снижается их защитная эффективность и равномерность нанесения.

Соответствующие методы контроля и оценки приведены в соответствии с:
ГОСТ 23409-78 «Смеси формовочные и стержневые. Методы испытаний»
ГОСТ 2138-91 «Глины формовочные. Технические условия»

(B) Влияние на технологию изготовления стержней и механическое оборудование

Низкие температуры повышают вязкость рабочей жидкости в гидравлических системах, что приводит к снижению стабильности запуска оборудования и давления при выдувке смеси, снижая равномерность уплотнения стержней.

При пониженной температуре окружающей среды увеличиваются потери тепла оснасткой, удлиняется время её нагрева, что приводит к недостаточной степени отверждения в массивных стержнях и глубоких полостях.

Низкие температуры и перепады температур увеличивают процент повреждений стержней при их транспортировке и хранении, что влияет на стабильность их геометрической точности.

(C) Влияние на процесс заливки и формирование отливок

Усиление охлаждающего воздействия формы в условиях низких температур ускоряет снижение температуры жидкого металла. Для обеспечения заполнения формы обычно требуется некоторое повышение температуры заливки, что, в свою очередь, усиливает склонность к образованию трещин (птичьих следов) и химическому пригару.

Неравномерность скорости охлаждения при затвердевании увеличивает внутренние напряжения в отливках, что приводит к некоторому повышению риска образования трещин и отклонений размеров.

При герметизации и теплоизоляции цехов снижается скорость рассеивания дымовых газов и летучих органических соединений, что оказывает определённое влияние на газовую среду в полости формы и условия труда.

(D) Косвенное влияние на эффективность производства и затраты

В условиях низких температур возрастает объём работ по очистке отливок. Повышенный уровень брака ведёт к росту затрат на переработку и окончательный брак. Увеличивается частота технического обслуживания оборудования в условиях низких температур, что приводит к некоторому снижению общей эффективности производства.