ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

технический университет»

Т.И. Сушко А.Т. Кучер

РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2012

УДК 621.742

Сушко Т. И. Ресурсо- и энергосбережение в литейном производстве: учеб. пособие / Т.И. Сушко, А.Т. Кучер. – Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. 179 с.

В учебном пособии кратко изложены основные проблемы ресурсо- и энергосбережения в литейном производстве, приведены примеры безотходных технологий, показаны пути экономии металла (сырья, продукции, энергии и т.п.). Знание новых ресурсосберегающих технологий и оборудования позволяет будущему инженеру-металлургу (литейщику) сформировать профессиональные представления об их сущности и технических возможностях, областях применения, приобрести навыки в ориентировании ресурсосберегательной политики при выборе технологии изготовления отливок.

Издание соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 150104 «Литейное производство чёрных и цветных металлов», дисциплине «Ресурсо- и энергосбережение в литейном производстве» и направлению «Металлургия», профилю подготовки и технологии литейных процессов 150400.62.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержится в файле Пособ. ресурсо- и энергосбер. в литей. произв.doc.

Табл. 9. Ил. 32. Библиогр.: 42 назв.

Рецензенты: ООО «Автолитмаш» (нач. производства

С.Б. Воронин);

канд. техн. наук, доц. Л.С. Печёнкина

© Сушко Т.И., Кучер А.Т., 2012

© Оформление. ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный

технический университет», 2012

Введение

Сегодня в целях повышения конкурентоспособности продукции литейные предприятия должны использовать передовые прогрессивные технологии, учитывающие такую важную часть производственного процесса, как рациональное использование ресурсов, в том числе и энергетических.

Ресурсосбережение превращается в настоящее время в один из главных источников развития производства, особенно литейного. Усложнение условий добычи и транспортировки сырья и топлива, обострение экологических проблем обусловливают необходимость увеличения использования вторичного сырья. Разработки новых ресурсосберегающих технологических процессов и оборудования позволяют обеспечить качественную подготовку сырья к металлургическому переделу, предельно снижать потери при выплавке сплавов. Разрабатываются технологии для выпуска новых сплавов, обеспечивающих вовлечение в производство неиспользуемых ранее отходов.

Создание современной системы учета и контроля энергоресурсов позволит значительно снижать удельные энергозатраты и себестоимость выпускаемой продукции. Поэтому эффективное использование топливно-энергетических ресурсов приобретает всё возрастающее хозяйственное значение в условиях современного производства, которое потребляет больше половины всего добываемого топлива и около 70 % вырабатываемой электроэнергии.

За последние годы интерес общественности к энергосберегающей политике вырос, о чём свидетельствуют многочисленные публикации, конференции, посвящённые внедрению безотходной и малоотходной технологии, решению экологических вопросов, связанных с организацией контроля за состоянием окружающей среды на всех этапах технологического процесса изготовления отливок. Поэтому будущий инженер должен иметь представление об анализах свойств отходов по переделам технологического процесса производства отливок из различных сплавов, об утилизации отходов в литейном производстве и других отраслях промышленности, о воздействии отходов на качество отливок, о процессах подготовки отходов, энергетической и экологической эффективности безотходных технологий. Это позволит сформировать профессиональные представления о сущности безотходных технологий, их технических возможностях и областях применения, приобрести навыки в ориентировании ресурсосберегательной политики при выборе технологии изготовления отливок.

1. Научно-технические проблемы и направления ресурсо- и энергосбережения

Ресурсосбережение является сегодня наиболее актуальной проблемой машиностроения, в том числе и основы отрасли – литейного производства. При внедрении новых технологий и оборудования в действующее производство необходимо учитывать значительное количество факторов – возможность замены оборудования без остановки производства и использования существующих площадей, коммуникаций, инфраструктуры; повышение качества продукции и снижение её себестоимости; увеличение производительности труда, а также уменьшение энергозатрат; соответствие санитарным и экологическим нормам.

Значение оценки экономической целесообразности применения тех или иных технологий при производстве деталей в машиностроении трудно переоценить. Сравнение разнообразных способов изготовления является определяющим для формирования издержек производства, конечных цен на продукцию и, как следствие – прибыли. Знание различных технологических процессов, гибкий подход к их применению дают существенные конкурентные преимущества тем предприятиям, которые осознанно подходят к этим проблемам и применяют их в своей практической деятельности. Кроме прямых экономических выгод, связанных со снижением издержек, при правильном выборе используемых технологий огромное значение приобретают вопросы всестороннего удовлетворения потребностей заказчика.

Сегодня приоритетными становятся требования покупателей перед всеми иными. Эти изменения в экономической среде связаны с переходом мировой экономики от рынка «продавца» к рынку «покупателя», что приводит к необходимости переориентации производства исключительно па позицию удовлетворения потребительского спроса. Одна из причин этих процессов связана прежде всего, с развитием научно-технического прогресса и, как следствие, основным требованием к управлению предприятием становится адаптивность, то есть способность адекватно и своевременно реагировать на изменение внешней среды. Поэтому перед каждым предприятием стоят две задачи:

– снижение издержек производства;

– завоевание потребителя путём удовлетворения его потребностей.

Одним из рычагов, позволяющих решать эти задачи и, в конечном счете, снижать цену продукции и повышать eё конкурентоспособность, является проведение разумной ресурсо- и энергосберегающей политики. Рассмотрим основные пути и направления ресурсо- и энергосбережения.

1. Интенсификация действующих производств. Факторы интенсификации могут быть как физическими (температура, давление, вакуум, воздействие акустических, электрических, магнитных полей и т.д.), так и химическими (применение кислорода, инертных газов и создание контролируемой атмосферы процесса, использование катализаторов, ферментов в сложившихся традиционных производствах и т.д.). Факторы интенсификации увеличивают выход продукта, снижают потери, улучшают качество готовой продукции, приводят к резкому снижению затрат сырьевых и топливно-энергетических ресурсов.

Расширение использования таких эффективных методов как вакуумирование, обработка стали синтетическими шлаками и инертными газами, электрошлаковый, электроннолучевой и плазменный переплав даёт возможность получать изделия высокого качества с большой конструктивной прочностью и стойкостью, повышает коэффициент использования металла (КИМ) на 25 – 30 %.

Среди важных химических факторов интенсификации технологических процессов следует назвать применение атмосферы инертных газов, способствующей улучшению качества и повышению выхода продукции как при получении цветных сплавов, так и для рафинирования стали от неметаллических включений и водорода, а для выравнивания химического состава и температуры в ковше металл продувают аргоном или азотом. Такая сталь обладает повышенной пластичностью, меньшей анизотропией свойств, большей устойчивостью против хрупкого разрушения.

При выплавке нержавеющих сталей активно применяется аргоно-кислородная продувка. Металл обрабатывается в специальном агрегате типа кислородного конвертора с донным дутьем. Это позволяет получить нержавеющую сталь с содержанием углерода менее 0,03 % без расхода дорогостоящего без углеродного феррохрома.

2. Повышение конкурентоспособности литых заготовок. Она обеспечивается целым рядом преимуществ, в том числе специфическими эксплуатационными свойствами литейных сплавов, универсальностью методов формообразования конструктивно сложных металлических изделий, максимальным приближением отливок к готовым изделиям, использованием разнообразных сплавов, в том числе труднообрабатываемых, с высоким коэффициентом использования металла. Весьма ценной особенностью отливок является то, что конфигурации литой поверхности можно придать любую оптимальную форму в соответствии с величиной и характером нагрузок.

3. Снижение расхода металлов на единицу конечной продукции. Это может быть достигнуто, если снижение массы машин, агрегатов и изделий будет осуществляться не только за счёт повышения механических свойств сплавов, но и за счёт совершенствования конструкций и технологических процессов изготовления деталей и заготовок.

В этом плане литейное производство имеет большие резервы экономии металла. В настоящее время оно располагает технологическими процессами формообразования, которые позволяют резко повысить точность, чистоту поверхности отливок и являются основными предпосылками для получения отливок с отрицательными массовыми допусками и минимальными припусками на механическую обработку. К таким способам формообразования относятся:

– литьё под высоким удельным давлением и пескодувно-прессовая набивка форм и стержней из сырых песчано-глинистых смесей;

– из холодно твердеющих смесей (ХТС);

– из смесей по горячей оснастке;

– из сыпучих песков с плотными покрытиями, упрочняемых перепадом давления воздуха (вакуумно-плёночная формовка);

– из жидких самотвердеющих смесей (ЖСС) с применением противопригарных покрытий.

Широко применяют специальные способы литья – по выплавляемым моделям, в оболочковых формах, в кокиль и под давлением. В этих направлениях проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.

Основным направлением по совершенствованию формообразования является повышение прочности и термостойкости форм и стержней за счет уплотнения формовочных смесей, адгезионной прочности в системе наполнитель – связующие, когезионной прочности связующего, рациональной укладки зёрен, исключения негативного влияния примесей формовочных кварцевых песков, введения в смеси противопригарных добавок и применения покрытий, применения новых недорогих модельных составов.

Вопрос о выборе процессов изготовления форм и стержней базируется на анализе трёх факторов:

– технологический – включает основные свойства смесей: прочность, текучесть, выбиваемость, вероятность образования дефектов;

– экономический – включает стоимость смесей и стержней, брак стержней и отливок, возможность экономии металла за счёт повышения точности, снижения толщины стенок отливок стоимости и стойкости оснастки и т.д.

– экологический – включает объем газовыделений при заливке, охлаждении и выбивке, возможность и стоимость хранения отходов, утилизацию кубового остатка в нейтрализаторах и т.д.

Для получения литых заготовок в России имеются качественные исходные материалы (пески, глины, бентонит), выпускаемые Миллеровским, Хакасским, Серпуховским и другими Горнообогатительными комбинатами (ГОК), организовано централизованное производство противопригарных покрытий, в том числе самовысыхающих. При использовании качественных исходных и сопутствующих материалов качество отливок зависит от применяемых процессов. Так, для получения литейных сплавов, в частности чугуна, в настоящее время прогрессивными являются процессы плавки в индукционных печах средней частоты, дуговых печах постоянного тока, газовых вагранках, которые реализованы на ряде предприятий, оснащенных отечественными печами, выпускаемыми заводами «Электротерм – 93» г. Саратов, «ЭТО» г. Новозыбково, «РЭЛТЕК» г. Екатеринбург, НТФ «ЭКИА» г. Москва, а также печами производства зарубежных фирм: ABB и UNKER (Германия), Agis (Турция).

4. Замена литья порошковой металлургией. Её сущность заключается в получении изделий путём прессования под давлением порошков металлов и их сплавов и последующего спекания заготовок при температуре ниже точки плавления основного компонента. При этом 1 т изделий из металлических порошков экономит 2,4 т проката чёрных металлов или 2,6 т литья цветных металлов. Методы порошковой металлургии позволяют значительно повысить долговечность и срок службы оборудования, например в 3 – 4 раза. Порошковая металлургия позволяет изготавливать сложные детали без последующей механической обработки. Если в среднем по машиностроению коэффициент использования металла составляет 72 %, то на деталях, изготавливаемых методом порошковой металлургии, он увеличивается до 92 – 94 %. Изготовление деталей методом порошковой металлургии повышает производительность труда в среднем в 2 раза и снижает капитальные затраты в 2 – 3 раза.

Порошковая металлургия оказывает непосредственное воздействие на снижение металлоёмкости продукции и открывает новые горизонты в защите металлов от коррозии. Потери металлов из-за коррозии составляет примерно ~ 15 млн. т в год, а за счёт данной технологии их можно снизить до 4 млн. т.

Порошковая металлургия занимает особое место среди имеющихся способов обработки металлов, так как позволяет не только производить изделия различных форм, но и создавать принципиально новые материалы, получение которых иным путём крайне трудно или практически невозможно. Этой технологией возможно решение двух важных задач:

1) изготовление материалов и изделий с особыми составами, структурами и свойствами, недостижимыми другими способами производства, например – пористые, высокотемпературные, электротехнические, инструменталь­ные;

2) изготовление материалов и изделий с обычными структурными свойствами, но при значительно более выгодных экономических условиях.

5. Регенерация песков. Это совокупность операций обработки, которой подвергаются отработанные смеси с целью выделения из них песков, пригодных к повторному использованию для изготовления формовочных и стержневых смесей. Она позволяет обеспечить литейное производстве качественными кварцевыми песками при внедрении прогрессивных способов формообразования и является одним из направлений ресурсосбережения.

6. Повышение долговечности машин, изделий и технологической оснастки. В химической промышленности, цветной и чёрной металлургии и других отраслях много машин и аппаратов работают с агрессивными по отношению к чугуну и стали материалами. Единственным средством защиты является эмалирование контактных поверхностей. Однако эмали, отличающиеся по своим механическим свойствам от чугуна и стали, скалываются в процессе эксплуатации аппаратов, выводя их преждевременно из строя. Развитие технологии литья и сварки титановых сплавов позволяют производить крупногабаритные детали для многих машин и аппаратов, в частности для химического машиностроения. Керамические формы на основе магнезита и фторокальциевых покрытий для кокилей применяются для литья мешалок химических аппаратов и гребных винтов из титановых сплавов, их стойкость при работе в агрессивных средах превышает стойкость эмалированных стальных изделий более чем в 20 раз.

Из цветных сплавов наиболее распространены алюминиевые сплавы, прочностные свойства которых можно увеличить до 500 МПа и выше, изменяя химсостав, применяя новые технологии, в том числе совмещая литье и прокатку, непрерывные способы литья с магнитодинамическими методами перемешивания кристаллизующихся расплавов, а также используя комбинированные флюсы и фильтрацию расплавов.

7. Экономия и рациональное использование большинства цветных металлов. В этой связи для сбережения материальных и топливно-энергетических ресурсов разрабатываются и внедряются малоотходные экологически нейтральные технологии, вовлекаются в производство неиспользуемые отходы. Следует учитывать, что производство большинства цветных металлов из природного сырья является трудоёмким и наиболее дорогостоящим с точки зрения ликвидации ущерба, наносимого окружающей среде. При сравнении энергозатрат на производство одной тонны первичного алюминия и регенерированного из лома и отходов оказывается, что при регенерации сберегается 97 % энергии. Большая роль в повышении эффективности работы предприятий вторичной цветной металлургии принадлежит выявлению возможностей и разработке конкретных мероприятий по уменьшению отходов производства. Достижение достаточно высоких результатов в ресурсосбережении может быть обеспечено при рациональной организации учета выполняемых технологических операций.

8. Улучшение качества применяемых сплавов. Самый распространённый из конструкционных литейных сплавов –чугун. Доля отливок из чугуна в общем выпуске составляет 74 %, в том числе из высокопрочного с графитом шаровидной формы – около 12 %, легированных – около 2,7 %. Получение качественного чугуна для отливок зависит от многих факторов, основные из которых – использование качественных шихтовых материалов, прогрессивного плавильного оборудования, технологий плавки и внепечной обработки.

Российской электротехнологической компанией

«РЭЛТЕК» разработан ряд индукционных тигельных печей средней частоты (ИТПСЧ) для плавки чёрных и цветных сплавов, отвечающих современным требованиям металлургического и литейного производства. Индукционный метод нагрева обеспечивает выделение теплоты непосредственно в металле без теплоотдачи излучением или конвекцией, сопровождаемых значительными потерями, поэтому индукционные печи имеют более высокий технологический коэффициент полезного действия (КПД), чем топливные. Среднечастотные печи обеспечивают высокое качество металлургических процессов при высокой энергетической эффективности оборудования, создают новые уникальные возможности получения современных сплавов.

9. Повышение скорости обработки сырья и материалов. Это позволяет снижать отходы производства на всех стадиях получения готовой детали. Например, главными направлениями повышения эффективности процессов механической обработки считают применение скоростных методов обработки, высоких скоростей резания, больших подач и глубин резания с одновременным повышением точности обработки и т.д.

Различные химико-технологические процессы, проводимые в «кипящем» слое, также приводят к значительному увеличению скорости химических превращений и повышению ресурсосбережения. Глубокий обжиг сульфидных концентратов в производстве цинка, никеля, меди и других цветных металлов ускоряет процесс, уменьшает пылеунос ценного сырья и улучшает качество полученного материала.

Важную роль играет кислород. Применение кислородного дутья в чёрной, цветной металлургии, в переработке различных видов топлива для экономии топливо-сырьевых ресурсов трудно переоценить. Внедрение автогенных процессов, в том числе нового процесса – кислородно-факельной плавки – позволяет получать богатые штейны с высоким содержанием меди и глубокой десульфиризацией. Богатые серосодержащие газы направляют на производство серной кислоты без капитальных вложений.

10. Экономия топливно-энергетических ресурсов. Металлургия характеризуется высоким энергопотреблением в технологических процессах, затраты на энергию иногда составляют до 50 % себестоимости продукции. Поэтому повышение технического уровня электродвигателей, применение машин и установок с меньшими удельными расходами топлива и энергии, модернизация и замена устаревшего оборудования, улучшение теплоизоляций зданий и оборудования с сокращением теплопотерь на 30 – – 40 %, дизелизация автотранспорта, повышение уровня вторичных энергоресурсов, снижение их потерь при транспортировке и хранении – вот перечень мероприятий, способствующих наравне с энергосберегающей технологией всемерной экономии топливно-энергетических ресурсов.

Серьёзной проблемой литейного производства является соблюдение требований по экологическим нормам, так как при выплавке и внепечной обработке литейных сплавов, изготовлении форм и стержней, заливке и выбивке литейных форм, очистке отливок выделяется значительное количество пыли и вредных газов, которые отрицательно влияют на здоровье работников. В настоящее время отсутствует единая система экологических и гигиенических условий жизнедеятельности и борьбы с загрязнением окружающей среды. Экологические и гигиенические факторы рассматриваются отдельно друг от друга, а принимаемые меры не согласованы и порой противоречат взаимным интересам, что в ряде случаев сдерживает освоение современных зарубежных технологических процессов и материалов на отечественных предприятиях.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Почему ресурсосбережение является актуальной проблемой машиностроения?

2. Какие задачи в области ресурсосбережения в настоящее время стоят перед машиностроительными предприятиями?

3. Назовите пути совершенствования технологии, модернизации и реконструкции предприятий.

4. Назовите способы формообразования в литейном производстве, которые позволяют повысить точность и чистоту поверхности отливок.

5. Какие факторы анализируют, выбирая способы изготовления форм и смесей?

6. Почему повышение ресурса долговечности работы машин является одним из факторов экономии металла?

7. Почему экономия и рациональное использование большинства цветных металлов является важным аспектом в решении проблемы ресурсосбережения?

8. От чего зависит качество применяемых сплавов?

9. Что является ресурсами в литейном производстве?

10. Назовите основные виды энергии, используемые в литейном производстве.