ОНИР

Литейное производство, одна из отраслей промышленности, продукцией которой являются отливки, получаемые в литейных формах при заполнении их жидким сплавом. Методами литья изготовляется в среднем около 40% (по массе) заготовок деталей машин, а в некоторых отраслях машиностроения, например в станкостроении, доля литых изделий составляет 80%. Из всех производимых литых заготовок машиностроение потребляет примерно 70%, металлургическая промышленность — 20%, производство санитарно-технического оборудования — 10%. Литые детали используют в металлообрабатывающих станках, двигателях внутреннего сгорания, компрессорах, насосах, электродвигателях, паровых и гидравлических турбинах, прокатных станах, с.-х. машинах, автомобилях, тракторах, локомотивах, вагонах. Широкое применение отливок объясняется тем, что их форму легче приблизить к конфигурации готовых изделий, чем форму заготовок, производимых др. способами, например ковкой. Литьём можно получить заготовки различной сложности с небольшими припусками, что уменьшает расход металла, сокращает затраты на механическую обработку и, в конечном счёте, снижает себестоимость изделий. Литьём могут быть изготовлены изделия практически любой массы — от нескольких г до сотен т, со стенками толщиной от десятых долей мм до нескольких м. Основные сплавы, из которых изготовляют отливки: серый, ковкий и легированный чугун (до 75% всех отливок по массе), углеродистые и легированные стали (свыше 20%) и цветные сплавы (медные, алюминиевые, цинковые и магниевые). Область применения литых деталей непрерывно расширяется.

Отходы литейного производства.

Классификация отходов производства возможна по различным признакам, среди которых основными можно считать следующие:

• по отраслям промышленности - черная и цветная металлургия, рудо - и угледобывающая промышленность, нефтяная и газовая и т. д.

• по фазовому составу - твердые (пыли, шламы, шлаки), жидкие(растворы, эмульсии, суспензии), газообразные (оксиды углерода, азота, соединение серы и др. )

• по производственнным циклам - при добыче сырья (вскрышные и овальные породы), при обогащении (хвосты, шламы, сливы), в пирометаллургии (шлаки, шламы, пыли, газы), в гидрометаллургии (растворы, осадки, газы).

• На металлургическом комбинате с замкнутым циклом (чугун - сталь - прокат) твердые отходы могут быть двух видов - пыли и шлаки. Довольно часто применяется мокрая газоочистка, тогда вместо пыли отходом является шлам. Наиболее ценными для черной металлургии являются железосодержащие отходы (пыль, шлам, окалина), в то время как шлаки в основном используются в других отраслях промышленности. 

При работе основных металлургических агрегатов образуется большее количество тонкодисперсной пыли, состоящей из оксидов различных элементов. Последняя улавливается газоочистными сооружениями и затем либо подается в шламонакопитель, либо направляется на последующую переработку (в основном как компонент аглошихты). 

Примеры отходов литейного производства:

• Литейный горелый песок

• Шлак от дуговой печи

• Пыль

• Лом цветных и черных металлов

• Нефтеотходы (отработанные масла, смазки)

Песок формовочный горелый (земля формовочная) - отходы литейного производства, по физико-механическим свойствам приближающиеся к супеси. Образуется в результате применения способа литья в песчаные формы. Состоит преимущественно из кварцевого песка, бентонита (10 %), карбонатных добавок (до 5 %).

Я выбрала этот вид отходов потому, что вопрос утилизации отработанной формовочной смеси – один из важных вопросов литейного производства с экологической точки зрения.

Формовочные материалы должны обладать главным образом огнеупорностью, газопроницаемостью и пластичностью.

Огнеупорностью формовочного материала называется способность его не сплавляться и спекаться при соприкосновении с расплавленным металлом. Наиболее доступным и дешевым формовочным материалом является кварцевый песок (SiO2), достаточно огнеупорной для отливки самых тугоплавких металлов и сплавов. Из примесей, сопровождающих SiO2, особенно нежелательны щелочи, которые, действуя на SiO2, как флюсы, образуют с ним легкоплавкие соединения (силикаты), пригорающие к отливки и затрудняющие ее очистку. При плавке чугуна и бронзы вредные примеси вредные примеси в кварцевом песке не должны превышать 5-7%, а для стали - 1,5-2%.

Газопроницаемостью формовочного материала называется его способность пропускать газы. При плохой газопроницаемости формовочной земли в отливке могут образовываться газовые раковины (обычно сферической формы) и вызывать брак отливки. Раковины обнаруживаются во время последующей механической обработки отливки при снятии верхнего слоя металла. Газопроницаемость формовочной земли зависит от ее пористости между отдельными зернами песка, от формы и величины этих зерен, от их однородности и от количества в ней глины и влаги.

Песок с округлыми зернами обладает большей газопроницаемостью, нежели песок с округлыми зернами. Мелкие зерна, располагаясь между крупными, также уменьшают газопроницаемости смеси, снижая пористость и создавая мелкие извилистые каналы, затрудняющие выход газов. Глина, имея чрезвычайно мелкие зерна, закупоривает поры. Излишек воды также закупоривает поры и , кроме того, испаряясь при соприкосновении с залитым в форму горячим металлом, увеличивает количество газов, которые должны пройти через стенки формы.

Прочность формовочной смеси заключается в способности сохранять приданную ей форму, сопротивляясь действию внешних усилий (сотрясения, удар струи жидкого металла, статическое давление залитого в форму металла, давление газов, выделяющихся из формы, и металла при заливке, давление от усадки металла и т.д.).

Прочность формовочной смеси возрастает при повышении содержания влаги до определенного предела. При дальнейшем повышении количества влаги прочность падает. При наличии в формовочном песке примеси глины ("жидкий песок") прочность повышается. Жирный песок требует большого содержания влаги, чем песок с малым содержанием глины ("тощий песок"). Чем мельче зерно песка и чем угловатее его форма, там больше прочность формовочной смеси. Тонкая связующая прослойка между отдельными зернами песка достигается тщательным и продолжительным перемешиванием песка с глиной.

Пластичность формовочной смеси называется способность легко воспринимать и точно сохранять форму модели. Пластичность особенно необходима при изготовлении художественных и сложных отливок для воспроизведения мельчайших подробностей модели и сохранения отпечатков их во время заливки формы металлом. Чем мельче зерна песка и чем равномернее они окружены прослойкой глины, тем лучше они заполняют мельчайшие детали поверхности модели и сохраняют форму. При излишней влажности связующая глина разжижается и пластичность резко снижается.

При хранении отработанных формовочных смесей на свалке происходит пыление и загрязнение окружающей среды.

Для решения этой проблемы предлагается проводить регенерацию отработанных формовочных смесей.

Специальные добавки. Одним из наиболее распространенных видов брака отливок является пригар формовочной и стержневой смеси к отливке. Причины, порождающие пригар, разнообразны: недостаточная огнеупорность смеси, крупнозернистый состав смеси, неправильный подбор противопригарных красок, отсутствие в смеси специальных противопригарных добавок, некачественная окраска форм и др. Различают три вида пригара: термический, механический и химический.

Термический пригар сравнительно легко удаляется при очистке отливок.

Механический пригар образуется в результате проникновения расплава в поры формовочной смеси и может быть удален вместе с коркой сплава, содержащей вкрапленные зерна формовочного материала.

Химический пригар представляет собой образование, сцементированное легкоплавкими соединениями типа шлаков, возникающими при взаимодействии формовочных материалов с расплавом или его окислами.

Механический и химический пригары или удаляются с поверхности отливок (требуется большая затрата энергии), или же отливки окончательно бракуют. Предупреждение пригара основано на введении в формовочную или стержневую смесь специальных добавок: молотого угля, асбестовой крошки, мазута и др., а также покрытии рабочих поверхностей форм и стержней противопригарными красками, припылами, натирками или пастами, содержащими в своем составе высокоогнеупорные материалы (графит, тальк), не взаимодействующие при высоких температурах с окислами расплавов, или материалы, создающие восстановительную среду (молотый уголь, мазут) в форме при ее заливке.

Приготовление формовочных смесей. Качество художественной отливки во многом зависит от качества формовочной смеси, из которой приготовлена ее литейная форма. Поэтому подбор формовочных материалов для смеси и ее приготовление в технологическом процессе получения отливки имеет важное значение. Формовочная смесь может быть приготовлена нз свежих формовочных материалов и отработанной смеси с небольшой добавкой свежих материалов.

Процесс приготовления формовочных смесей из свежих формовочных материалов состоит из следующих операций: составления смеси (подбор формовочных материалов), перемешивания составляющих смеси в сухом виде, увлажнения, перемешивания после увлажнения, вылеживания, разрыхления.

Составление. Известно, что формовочные пески, отвечающие всем технологическим свойствам формовочной смеси, в природных условиях встречаются редко. Поэтому смеси, как правило, приготовляют путем подбора песков с различным содержанием глины, так, чтобы полученная смесь содержала нужное количество глины и обладала необходимыми технологическими свойствами. Такой подбор материалов для приготовления смеси называют составлением смеси.

Перемешивание н увлажнение. Составляющие формовочной смесн тщательно перемешивают в сухом виде с целью равномерного распределения частиц глины по всей массе песка. Затем смесь увлажняют, добавляя нужное количество воды, и снова перемешивают так, чтобы каждая из частиц песка покрылась пленкой глины или другого связующего. Увлажнять компоненты смеси до перемешивания не рекомендуется, так как при этом пески с высоким содержанием глины скатываются в небольшие шарики, трудно поддающиеся разрыхлению. Перемешивание большого количества материалов вручную — большая и трудоемкая работа. В современных литейных цехах составляющие смеси в процессе ее приготовления перемешивают в шнековых смесителях или смешивающих бегунах.

Смешивающие бегуны имеют неподвижную чашу и два гладких катка, сидящих на горизонтальной оси вертикального вала, соединенного конической передачей с редуктором электродвигателя. Между катками и дном чаши делается регулируемый зазор, предотвращающий дробление катками зерен смеси пластичность, газопроницаемость и огнеупорность. Для восстановления утраченных свойств в смесь добавляют 5—35 % свежих формовочных материалов. Такую операцию при приготовлении формовочной смеси принято называть освежением смеси.

Специальные добавки в формовочные смеси. Специальные добавки вводятся в формовочные и стержневые смеси для обеспечения особых свойств смеси. Так, например, чугунная дробь, вводимая в формовочную смесь, увеличивает ее теплопроводность и предупреждает образование усадочной рыхлоты в массивных узлах отливок при их затвердевании. Древесные опилки и торф вводят в смеси, предназначенные для изготовления форм и стержней, подвергающихся сушке. После сушки указанные добавки, уменьшаясь в объеме, увеличивают газопроницаемость и податливость форм и стержней. Едкий натр вводится в формовочные быстротвердеющие смеси на жидком стекле для повышения долговечности смеси (устраняется комкование смеси).

Процесс приготовления формовочной смеси с использованием отработанной смеси состоит из следующих операций: подготовки отработанной смеси, добавления в отработанную смесь свежих формовочных материалов, перемешивания в сухом виде, увлажнения, перемешивания составляющих после увлажнения, вылеживания, разрыхления.

Существующая компания Heinrich Wagner Sinto концерна Sinto серийно производит новое поколение формовочных линий серии FBO. На новых машинах изготавливаются безопочные формы с горизонтальной плоскостью разъема. Более 200 таких машин успешно работают в Японии, США и других странах мира». При размерах формы от 500 х 400 мм до 900 х 700 мм формовочные машины FBO могут производить от 80 до 160 форм в час.

Закрытая конструкция позволяет избегать просыпей песка и обеспечивает удобные условия и чистоту на рабочих местах. При разработке системы уплотнения и транспортных устройств большое внимание уделялось тому, чтобы свести уровень шума до минимума. Установки FBO отвечают всем требованиям по экологичности, предъявляемым к новому оборудованию.

Система заполнения смеси позволяет изготовлять точные формы с применением формовочной смеси с бентонитовым связующим. Автоматический механизм контроля давления устройства подачи и прессования песка обеспечивает равномерное уплотнение смеси и гарантирует качественное изготовление сложных отливок с глубокими карманами и малой толщиной стенок. Такой процесс уплотнения позволяет варьировать высоту верхней и нижней полуформы независимо друг от друга. Это обеспечивает существенно более низкий расход смеси, а значит более экономичное производство благодаря оптимальному соотношению металл-форма.

По своему составу и степени воздействия на окружающую среду отработанные формовочные и стержневые смеси подразделяют на три категории опасности:

I – практически инертные. Смеси, содержащие в качестве связующего глину, бентонит, цемент;

II – отходы, содержащие биохимически окисляемые вещества. Это смеси после заливки, связующим в которых являются синтетические и природные композиции;

III – отходы, содержащие малотоксичные, малорастворимые в воде вещества. Это жидкостекольные смеси, неотожженные песчано – смоляные смеси, смеси, отверждаемые соединениями цветных и тяжелых металлов.

При отдельном складировании или захоронении полигоны отработанных смесей, следует располагать в обособленных, свободных от застройки местах, которые допускают осуществление мероприятий, исключающий возможность загрязнение населенных пунктов. Полигоны следует размещать на участках со слабо фильтрующими грунтами (глина, сулинок, сланцы).

Отработанная формовочная смесь, выбитая из опок, перед повторным использованием должна быть предварительно переработана. В немеханизированных литейных цехах ее просеивают на обычном сите или на передвижной смесеприготовительной установке, где происходит отделение металлических частиц и других посторонних примесей. В механизированных цехах отработанная смесь подается из-под выбивной решетки ленточным транспортером в смесеприготовительное отделение. Крупные комки смеси, образующиеся после выбивки форм, обычно разминают гладкими или рифлеными вальцами. Металлические частицы отделяют магнитными сепараторами, установленными на участках передачи отработанной смеси с одного транспортера на другой.

Регенерация горелой земли

Серьёзной проблемой литейного производства остаётся экология, так как при производстве одной тонны литья из чёрных и цветных сплавов выделяется около 50 кг пыли, 250 кг окиси углерода, 1,5- 2,0 кг окиси серы, 1 кг углеводородов.

С появлением технологий формообразования с использованием смесей со связующими сделанными из синтетических смол разных классов особенно опасны выделения фенолов, ароматических углеводородов, формальдегидов, канцерогенного и аммиачного бензопирена. Усовершенствование литейного производства обязано быть направлено не только на разрешение экономических проблем, но и не в меньшей мере на создание условий для деятельности и проживания человека. По экспертной оценке, на сегодняшний день эти технологии создают до 70% загрязнений природы от литейных цехов.

Очевидно, в условиях литейного производства проявляется неблагоприятный кумулятивный эффект комплексного фактора, при котором вредное воздействие каждого отдельного ингредиента (пыли, газов, температуры, вибрации, шума) резко увеличивается.

Модернизирующие мероприятия в литейном производстве выделяют следующие:

• замена вагранок индукционными печами низкой частоты (при этом размер вредных выбросов уменьшается: пыли и двуокиси углерода приблизительно в 12 раз, двуокиси серы в 35 раз)

• внедрение в производство малотоксичных и не токсичных составов смесей

• установка эффективных системам улавливания и нейтрализации выделяющихся вредных веществ

• отладка эффективной работы вентиляционных систем

• применение современного оборудования с пониженной вибрацией

• регенерации отработанных смесей на местах их образования

Количество фенолов в отвальных смесях превышает содержание других токсичных веществ. Фенолы и формальдегиды образуются в процессе термодеструкции формовочных и стержневых смесей, в которых связующим являются синтетические смолы. Эти вещества хорошо растворимы в воде, что создает опасность попадания их в водоёмы при вымывании поверхностными (дождевыми) или грунтовыми водами.

Выбрасывать отработанную формовочную смесь после выбивки в отвалы является экономически и экологически невыгодно. Наиболее рациональным решением является регенерация холоднотвердеющих смесей. Основной целью регенерации является удаление пленок связующего с зерен кварцевого песка.

Наибольшее распространение получил механический способ регенерации, при котором происходит отделение пленок связующего от кварцевых песчинок за счет механического перетирания смеси. Пленки связующего разрушаются, превращаются в пыль и удаляются. Регенерированный песок поступает на дальнейшее использование.

Технологическая схема процесса механической регенерации:

• выбивка формы (Залитая форма подается на полотно выбивной решетки, где происходит ее разрушение за счет вибрационных ударов.);

• раздробление кусков формовочной смеси и механическое перетирание смеси (Прошедшая сквозь выбивную решетку смесь поступает в систему оттирочных сит: стальной грохот для крупных комков, сито с клинообразными отверстиями и мелкое оттирочное сито-классификатор. Встроенная система сит измельчает формовочную смесь до необходимого размера и отсеивает металлические частицы и другие крупные включения.);

• охлаждение регенерата (Вибрационный элеватор обеспечивает транспортировку горячего песка в охладитель/обеспыливатель.);

• пневмопередача регенерированного песка на участок формовки.

Технология механической регенерации обеспечивает возможность повторного использования от 60-70% (Альфа-сет процесс) до 90-95% (Фуран-процесс) регенерированного песка. Если для Фуран-процесса данные показатели являются оптимальными, то для Альфа-сет процесса повторное использование регенерата лишь на уровне 60-70% является недостаточным и не решающим экологический и экономический вопросы. Для увеличения процента использования регенерированного песка возможно использование термической регенерации смесей. Регенерированный песок по качеству не уступает свежему песку и даже превосходит его за счет активации поверхности зерен и выдувания пылевидных фракций. Печи для термической регенерации работают по принципу кипящего слоя. Нагрев регенерируемого материала производится боковыми горелками. Тепло дымовых газов используется для нагрева воздуха, поступающего на формирование кипящего слоя и на сжигание газа для нагрева регенерируемого песка. Для охлаждения регенерируемых песков используются установки кипящего слоя, снабженные водяными теплообменниками.

При термической регенерации происходит нагрев смесей в окислительной среде при температуре 750-950 ºС. При этом происходит выгорание пленок органических веществ с поверхности зерен песка. Несмотря на высокую эффективность процесса (возможно использование до 100% регенерированной смеси) у него имеются следующие недостатки: сложность оборудования, большой расход энергии, низкая производительность, высокая стоимость.

Все смеси перед регенерацией проходят предварительную подготовку: магнитную сепарацию (другие виды очистки от немагнитного скрапа), дробление (при необходимости), просев.

При внедрении процесса регенерации количество твердых отходов, выбрасываемых в отвал, в несколько раз сокращается (иногда они ликвидируются полностью). Количество вредных выбросов в воздушную атмосферу с дымовыми газами и запыленным воздухом из литейного цеха не увеличивается. Это связано, во-первых, с достаточно высокой степенью сгорания вредных компонентов при термической регенерации, во-вторых, с высокой степенью очистки дымовых газов и отработанного воздуха от пыли. Для всех видов регенерации используется двойная очистка дымовых газов и отработанного воздуха: для термической - центробежные циклоны и мокрые пылеочистители, для механической - центробежные циклоны и рукавные фильтры.

На многих машиностроительных предприятиях имеется свое литейное производство, использующее при изготовлении формованных литых металлических деталей формовочную землю для изготовления литейных форм и стержней. После исполь­зования литейных форм образуется горелая земля, утилизация которой имеет важное экономическое значение. Формовочная земля состоит на 90—95 % из высококачественного кварцевого песка и небольших количеств различных добавок: бентонита, молотого угля, едкого натра, жидкого стекла, асбеста и др.

Регенерация горелой земли, образовавшейся после отливки изделий, состоит в удалении пыли, мелких фракций и глины, потерявшей связующие свойства под влиянием высокой температуры при заполнении формы металлом. Существуют три способа регенерации горелой земли:

• мокрый,

• сухой,

• электрокоронный.

Мокрый способ.

При мокром способе регенерации горелая земля поступает в систему последовательных отстойников с проточной водой. При прохождении отстойников песок оседает на дне бассейна, а мелкие фракции уносятся водой. Песок затем просушивается и возвращается в производство для изготовления литейных форм. Вода поступает на фильтрацию и очистку и также возвращается в производство.

Сухой способ.

Сухой способ регенерации горелой земли состоит из двух последовательных операций: отделения песка от связующих добавок, что достигается продувкой воздуха в барабан с землей, и удаления пыли и мелких частиц путем отсоса их из барабана вместе с воздухом. Выходящий из барабана воздух, содержащий пыле­видные частицы, очищается с помощью фильтров.

Электрокоронный метод.

При электрокоронной регенерации отработанная смесь разделяется на частицы разных размеров с помощью высокого напряжения. Песчинки, помещенные в поле электрокоронного разряда, заряжаются отрицательными зарядами. Если электрические силы, действующие на песчинку и притягивающие ее к осадительному электроду, больше силы тяжести, то песчинки оседают на поверхности электрода. Изменяя напряжение на электродах, можно разделять песок, проходящий между ними, по фракциям.

Регенерация формовочных смесей с жидким стеклом осуществляется специальным способом, так как при многократном использовании смеси в ней накапливается более 1—1,3% щелочи, что увеличивает пригар, особенно на чугунных отливках. Во вращающийся барабан установки для регенерации подают одновременно смесь и гальку, которые, пересыпаясь с лопастей на стенки барабана, механически разрушают пленку жидкого стекла на зернах песка. Через регулируемые жалюзи в барабан поступает воздух, отсасываемый вместе с пылью в мокрый пылеуловитель. Затем песок вместе с галькой подают в барабанное сито для отсеивания гальки и крупных зерен с пленками. Годный песок из сита транспортируют на склад.

Помимо регенерации горелой земли возможно также ее использование при изготовлении кирпичей. С этой целью формующие элементы предварительно разрушаются, и земля пропускается через магнитный сепаратор, где от нее отделяются частицы металла. Очищенная от металлических включений земля полностью заменяет кварцевый песок. Использование горелой земли повышает степень спекания кирпичной массы, т. к. в ней содержатся жидкие стекло и щелочь.

В основе работы магнитного сепаратора заложена разница между магнитными свойствами различных компонентов смеси. Суть процесса заключена в том, что из потока общей движущейся смеси выделяются отдельные металломагнитные частицы, которые изменяют свой путь в направлении действия магнитной силы.

Кроме этого, горелую землю используют при производстве бетонных изделий. В бетоносмесительную установку (БСУ), а именно, в планетарный смеситель принудительного действия, через систему электронных весов и оптических дозаторов поступает сырье (цемент, песок, пигмент, вода, добавка)

Так же отработанную формовочную смесь применяют при производстве шлакоблока.

 Шлакоблоки изготавливают из формовочной смеси с содержанием влаги до 18%, с добавлением ангидритов, известняка и ускорителей схватывания смеси.

Технология производства шлакоблоков.

1. Приготавливается бетонная смесь из отработанной формовочной смеси, шлака, воды и цемента. Перемешивают в бетономешалке.

2. Приготовленный шлакобетонный раствор загружают в форму (матрицу). Формы (матрицы) бывают разных размеров. После закладки смеси в матрицу производят ее усадку при помощи прижима и вибрации, затем матрица поднимается, а шлакоблока остается в поддоне. Полученное высыхающее изделие держит форму за счет жесткости раствора.

3. Процесс набора прочности. Окончательно шлакоблок затвердевает в течении месяца. После окончательного затвердевания готовый продукт складируют для дальнейшего набора прочности, которая, согласно ГОСТа, должна быть не менее 50% от проектной. Далее шлакоблок отгружают потребителю или применяют на собственной площадке.

Германия.

Установки для регенерации смеси марки KGT. Они обеспечивают литейной промышленности экологически и экономически выгодную технологию вторичного использования литейных смесей. Оборотный цикл позволяет сократить потребление свежего песка, вспомогательных материалов и площади под складирование отработанной смеси.