К вопросам энергосбережения при производстве отливок по экологически безопасному процессу

Литейное производство № 1 2022

К вопросам энергосбережения при производстве отливок

по экологически безопасному процессу

Литье черных сплавов очень затратно. Основные затраты приходятся на материалы и энергоносители. Рассмотреть и проанализировать расходы по каждому переделу в рамках журнальной статьи не представляется возможным. Имеет смысл ограничиться процессами формообразования: сравнить малоизвестные неорганические связующие с широко распространенными органическими материалами - синтетическими смолами. Появление последних относится к 70-м гг. прошлого века.

До этого основным источником загрязнения атмосферы в литейных цехах и на прилегающих территориях были пески и расплавленный металл, образующие аэрозоли - дымы и туманы. Избежать их появления можно только ценой отказа от литейного производства вообще. Выбором агрегатов и способов плавки возможно в десятки раз уменьшить образование аэрозолей при плавке металлов.

Успешное же внедрение связующих композиций на основе синтетических смол означало, что в литейном цехе в дополнение к плавильному агрегату появились еще два “химических реактора”: смеситель и сама форма. В смесителе происходит взаимодействие смолы и отвердителя, продолжающееся в процессе твердения; в готовой форме - взаимодействие расплавленного металла с продуктами холодного твердения. Оба этапа сопровождаются значительным газовыделением, продолжающимся при выбивке. В атмосферу поступают соединения, относящиеся к 2 и 3 классам опасности. Некоторые из них являются сильными ядами (метанол, фенол, формальдегид, фурфурол). Бензол и производные азота - канцерогены. Отработанные формовочные смеси содержат все те же вещества, которые выбрасываются в атмосферу. Водорастворимые (фенол) при вымывании поверхностными или грунтовыми водами попадают в водоемы.

Цена умаления опасностей экологической опасности синтетических смол наглядно представлена процессами, основанными на отверждении смеси продувкой через газообразных отвердителей. Одним из наиболее известных является cold-box-amin процесс.

Равномерное объемное отверждение, достаточное для достижения манипуляторной прочности (60 - 70 % конечной прочности), достигается в течение нескольких секунд после продувки. За счет этого обеспечивается очень высокая производительность процесса, которую сложно переоценить в массовом и крупносерийном производстве. Технология обеспечивает возможность высокоточного изготовления стержней сложной конфигурации с тонкими ажурными сечениями. К преимуществам процесса относятся: повышение точности отливок; высокое качество литых поверхностей; возможность полной автоматизации изготовления стержней; снижение брака на 20 - 30 %; снижение расхода энергии более чем в 10 раз. С изготовленными по cold-box-amin процессу стержнями в литейных цехах Европы и США производится 60 - 80 % отливок.

Однако высокотоксичный характер газообразных отвердителей обусловливает повышенные требования к герметизации оснастки и необходимости нейтрализации отработавших газов. Кроме этого, использование газообразных реагентов предопределяет особенности работы с ними. Также процесс отличается очень жесткими требованиями к качеству песка. Все требования необходимо безоговорочно выполнять. Технология невозможна без строгого следования правилам безопасности, исключительной четкости организационных решений, высокой культуры производства и больших капитальных вложений для ее осуществления. Все это позволило сделать основанный на использовании высокотоксичных органических материалов процесс первым по-настоящему безопасным.

Очевидно, что технологическое и экологическое совершенство cold-box-amin процесса куплено очень дорогой ценой. Далеко не все производители могут себе позволить такую технологию. Не всем она и нужна. По состоянию на 2013 год в России предприятий, выпускающих от 50 до 100 тыс. тонн отливок в год, было 12; от 10 до 50 тыс. тонн - 84. В сумме - менее 10 % от общего количества производителей отливок. Предприятий же с объемом выпуска от 1000 до 5000 и менее 1000 тонн в год вместе порядка 80 % [1]. Излишне говорить, что массового литья у них нет, и совершенство таких процессов им не нужно. И средств для приобретения таких технологий у них нет.

Одним из самых совершенных неорганических связующих является “Неорганика” - композиция растворов неорганических солей и коллоидных растворов. Ему свойственны все преимущества алюмоборфосфатного концентрата (АБФК) [2]. Кроме этого, область применения “Неорганики” шире: возможно применение в серийном производстве.

Из имеющих значение для энергоэффективности преимуществ “Неорганики” следует отметить его безопасность для труда и окружающей среды. При его использовании отсутствует необходимость осуществления дорогостоящих природоохранных мероприятий. Связанные с ней вопросы решены химической природой “Неорганики”

Смесь отличается низкой газотворностью (менее 5 куб. см/г), а сами материалы относятся к малоопасным (4 класс опасности). Отсутствие интенсивного газовыделения положительно сказывается на условиях труда и окружающей среды, освобождая от необходимости платы за выброс загрязняющих веществ в атмосферный воздух, предусмотренной Постановлением Правительства РФ от 13.09.2016 № 913.

Особенностью смеси является возможность многократного использования отработанной смеси после несложной механической регенерации (дробление и просеивание на выбивной решетке с удалением пылевых фракций). Это также снижает нагрузку на окружающую среду за счет кратного сокращения отвалов и  является статьей ресурсосбережения.

Регенерация отработанных формовочных смесей представляет собой сложный и затратный процесс. В случае смоляных ХТС к операциям механической регенерации добавляется термическая: выжигание остатков смолы при 700 - 800 ⁰ С. Очевидно, что высокотемпературный передел существенно повышает стоимость всего процесса. При отсутствии пооперационной калькуляции, составляющей предмет коммерческой тайны, возможно сопоставить расходы на обжиг отработанной смеси с расходами на сушку песчано-глинистых смесей. Удельный расход тепла на сушку форм и стержней (при температуре 160 - 450 ⁰ С) в полтора раза больше, чем на выплавку тонны стали и вдвое больше, чем удельный расход тепла в вагранках для расплавления чугуна [3, с. 492]. При том, что стоимость установки регенерации  производительностью 5 т/час составляет 20 - 23 млн рублей, непосильных для 80 % производителей. 

При работе со смесями на основе неорганических связующих необходимость в подобных операциях и связанных с ними расходах отсутствует. Возможность многократного использования отработанных песков позволяет экономить на них, а также на отвердителе. Происходит накопление его непрореагировавшей части в отработанной смеси, за счет чего возможно снижение расхода. В случае вывода окончательно отработанной смеси из процесса платежи за захоронение на специальных полигонах в силу ее малой опасности в два - три раза ниже, чем для отходов 2 и 3 классов опасности. Возможно использование отработанной смеси для производства тротуарной плитки.

В таблице приведено экономическое обоснование внедрения ХТС на АБФК для ремонтного литья на одном из заводов Челябинской области в ценах 2015 года [4].

Без учета прочего, по стоимости материалов смеси со связующими АБФК и «Неорганика» сопоставимы с материалами для альфа-сет процесса и в 2,5 - 3 раза дешевле материалов для фуран-процесса. С учетом экономии материалов, отсутствия необходимости в дорогостоящей регенерации опасных отходов и платы за их утилизацию, смеси с АБФК и «Неорганикой» существенно дешевле смесей с органическими связующими.

Список литературы

[1] Состояние и перспективные технологии литейного производства России. Выступление президента ассоциации литейщиков России проф. Диброва И.А. на ХI съезде литейщиков в Екатеринбурге 16-19 сентября 2013. / Литейщик России, № 9, 2013.

[2] С. С. Ткаченко, Г. А. Колодий, Л. Г. Знаменский, А. А. Ермоленко. О высокоэффективной и экологически безопасной литейной технологии / Черные металлы, 2019, № 2.

[3] Справочник литейщика / Под общей редакцией Н. Н. Рубцова. М., Машгиз, 1962. - 524 с.

[4] А. А. Ермоленко, С. С. Ткаченко, Г. А. Колодий, Л. Г. Знаменский. Холоднотвердеющие смеси на алюмоборфосфатном концентрате. Состояние и перспективы развития (неорганика против органики) / Литейное производство, 2021, № 1

Запросить коммерческое предложение на связующее "Неорганика" и другие материалы можно, заполнив соответствующую форму. Обращаем ваше внимание, что во избежание многократного ввода персональных и технологических данных удобнее выбрать все интересующие вас материалы и выполнить один запрос. Форма позволяет это сделать.