Экологические и технологические аспекты развития изготовления литейных форм и стержней

Список литературы

1. Пащенко A.B., Горяинова Т.В., Акулов В.В. Обработка низкокремнистой стали кальцийсодержащей проволокой для улучшения технологических параметров разливки МНЛЗ // Электрометаллургия. 2011. № 6.

2. Моделирование современных процессов внепечной обработки и непрерывной разливки стали / Исаев О.Б., Чичкарёв Е.А., Кислица В.В. идр. М.: ЗАО «Металлургиздат», 2008. 376 с.

3. Исследование термовременной природы неметаллических включений с целью повышения металлургического качества высокопрочных трубных сталей / Казаков A.A., Ковалев П.В., Рябошук C.B., Милейковский А.Б., Малахов Н.В. // Черные металлы. 2009. № 12. С. 5-11.

УДК 621.74 Е.А. Чернышов

ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический

университет им. P.E. Алексеева»

A.A. Евлампиев, О.Б. Гусева

ГОУ ВПО «Чувашский государственный университет»

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗВИТИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ

В настоящее время в литейном производстве применяется более ста технологических процессов изготовления форм и стержней, 40 видов связующих и 300 типов противопригарных покрытий.

Это приводит к тому, что в воздухе рабочей зоны встречаются до 50 наименований вредных веществ, регламентируемых санитарными нормами. Например, при производстве одной тонны чугунных отливок выделяется 10-30 кг пыли, 200-300 кг оксида углерода, 1-2 кг оксидов азота и серы, 0,5-1,5 г фенола, формальдегида, ароматических углеводородов, цианидов и других вредных веществ. При этом в водный бассейн поступает до 3 м3 загрязненных сточных вод, а в отвал вывозят 0,7-1,2 т отработанных смесей. Такая же ситуация имеет место в стале- и цветно-литейном производствах.

Одним из радикальных путей улучшения экологической обстановки и улучшения условий труда в литейных цехах является снижение объемов, выделяющихся вредных веществ из материалов форм в процессе их изготовления, заливки, охлаждения, выбивки и очистки отливок.

Основными вредными факторами при изготовлении форм и отливок с применением органических связующих являются токсичные газы, выделяющиеся при отверждении и при взаимодействии с расплавом, а также пыль, образующаяся при выбивке и очистке отливок, при транспортировке и подготовке оборотных смесей. Источниками газообразных токсичных выделений на всех этапах развития производства отливок являлись связующие композиции с применением масляных, сульфитных и других крепителей, в том числе с использованием продуктов переработки нефти, углей, сланцев, целлюлозы.

Затем (в хронологическом порядке) в процессе развития технологии, техники, материалов эти связующие были потеснены или заменены на неорганические: жидкое стекло, этилсиликаты и цементы, а также на органические смолы.

Наибольшее распространение в 1960-х годах получили С02-процесс и жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) с использованием жидкого стекла. При изготовлении среднего и крупного литья из черных сплавов были достигнуты высокие результаты по повышению производительности труда, снижению трудоемкости формовки, дефектности отливок, при этом улучшились условия труда, санитарно-гигиеническая обстановка на участках формовки, а также экологические показатели. Низкая газотворная способность, высокие термостойкость и податливость смесей способствовали быстрому внедрению данных технологических процессов. Существенным преимуществом явилось то, что само жидкое стекло и компоненты смесей не относятся к категории токсичных материалов.

Изготовление мелких отливок в это же время перевели на более прогрессивный процесс изготовления стержней и оболочковых форм в нагретой оснастке с применением фенолфор-мальдегидных смол в качестве связующих. В качестве катализаторов отверждения использовали в основном малотоксичные соли металлов. Высокое качество литья, достижение лучших показателей производительности за счет короткого времени отверждения при нагреве на операциях изготовления стержней и их высокие прочностные свойства способствовали быстрому

внедрению данных процессов в массовом производстве отливок из различных сплавов.

С точки зрения санитарно-гигиенических аспектов недостатками этих технологий были ухудшение условий труда, особенно в летнее время, при изготовлении стержней в нагретой оснастке, превышение ПДК вредных веществ в воздухе рабочих зон по содержанию фенола, формальдегида (2 кп. опасности) из-за высокого содержания в смесях связующих (4-5%). Быстрое и широкое освоение данных процессов с использованием сухих, влажных и плакированных смесей привело к тому, что нормативная база и эффективность санитарного контроля стали отставать от темпов внедрения. Поэтому усугубились экологические проблемы, связанные с захоронением твердых отходов, их классификацией по токсичности, с утилизацией отработанных смесей, просыпей, бракованных стержней, а также с нейтрализацией сточных вод.

Дальнейшее развитие технологий формообразования (1980-е годы) происходило по пути получения стержней и форм из холоднотвердеющих смесей (ХТС) с отверждением в холодной оснастке.

Внедрение этих процессов позволило производить более точные отливки, улучшить качество их поверхности, получать достаточные прочности форм и стержней при изготовлении среднего и крупного литья из любых сплавов. Содержание связующих (мо-чевиноформальдегидных, фенольных, фенол- и карбамиднофура-новых смол) составило в пределах до 2-3 мас.%, а содержание катализаторов отверждения (Н3Р04, АХФС, БСК, ПТСК и др.) в композициях от 40 до 60 мас.% от связующего. Наибольшее применение нашли универсальные (по видам сплавов и массе отливок) фенольные смолы, широко применяемые при изготовлении форм, в этом случае содержание связующего обычно снижают до 1-1,5%.

Это дало возможность снизить газотворную способность стержней и форм, снизить трудоемкость обрубных операций, ликвидировать тепловую сушку на участках формообразования. Высокая технологичность смесей, хорошая выбиваемость стержней, возможность регенерации отработанных смесей способствовали быстрому внедрению данных процессов. По скорости отверждения данные смеси оставались на уровне или несколько опережали самотвердеющие смеси на жидком стекле, но конечные уровни прочности (через 24 ч) позволяют их использовать в основном при изготовлении среднего и крупного литья.

Недостатками процессов является выделение большого количества формальдегида и фенола при отверждении стержней и форм, особенно на операциях засыпки смеси в оснастку, уплотнения и в процессе отверждения до достижения манипуляторной и конечной прочности. Это вызвано высоким содержанием свободного формальдегида (до 2%) и фенола (до 12%) в использованных смолах. По степени загрязнения окружающей среды отработанные смеси с содержанием остатков отвержденного фенольного связующего в настоящее время относят к 3 и 4 классам опасности.

В результате широкого внедрения ХТС и процессов изготовления стержней по «горячим ящикам», взамен смесей на масляных и других связующих, и на жидком стекле, доля использования органических связующих резко возросла. При этом ухудшились условия труда работающих, усугубилась экологическая обстановка в литейных цехах.

В это же время успешно проводились работы по внедрению металлофосфатных связующих, неорганическая природа которых определила их относительную безопасность, отсутствие запаха и токсичных выделений при изготовлении форм и стержней, а также на этапах заливки и выбивки. Хорошие показатели физико-механических свойств, высокая термостойкость и низкая газотвор-ность форм при хорошей выбиваемости позволили металлофос-фатным смесям на алюмохромфосфатных (АХФС), магнийалюмо-фосфатных (МАФС) и других связующих стать альтернативой жид-костекольным смесям и показали определенную конкурентную способность по сравнению с ХТС на синтетических смолах.

Использование в составах металлофосфатных смесей нетоксичных отвердителей, промышленных материалов, содержащих оксиды магния, порошков железосодержащих материалов, а также пылевидных отходов, образующихся при плавке сталей в электродуговых печах, показывает, что они соответствуют требованиям экологичности, а процесс отвечает принципам ресурсосбережения. При попадании фосфатных смесей в отвал отвер-жденные связующие постепенно распадаются на компоненты: оксиды железа, алюминия, фосфаты, которые не нарушают природный баланс. Внедрение в литейных цехах данной технологии позволит улучшить экологию на рабочих участках, даст возможность уменьшить объемы применения органических связующих, что существенно снизит количество вредных выбросов. Легкая регенерируемость металлофосфатных смесей позволяет многократно использовать качественные формовочные, в том числе некварцевые пески.

Однако недостаточные уровни прочности не дают возможности использовать эти процессы при изготовлении сложных стержней, а высокие прочности смесей во влажном состоянии ограничивают применение автоматизации процессов формообразования при изготовлении сложных стержней. По этим причинам и в связи с широким внедрением песчано-смоляных смесей с коротким циклом отверждения работы по развитию данной технологии замедлились. Тем не менее, учитывая опыт и высокие качественные показатели средних и крупных ответственных отливок, получаемых с применением метал-лофосфатных смесей, работы по расширению номенклатуры смесей и их совершенствованию остаются актуальными.

В настоящее время в отечественной практике внедряются ранее освоенные за рубежом процессы получения стержней из холоднотвердеющих смесей за весьма короткий промежуток времени, в течение нескольких минут, причем общее время продувки газовыми реагентами составляет всего несколько десятков секунд.

Разновидностью процессов с подобными связующими являются технологии с использованием жидких катализаторов, отличающихся каталитической способностью, которые позволяют быстро отверждать ХТС и получать высококачественные стержни за 3-4 ч. Эти технологии дают возможность автоматизировать процессы изготовления стержней, а при использовании их в качестве форм (стержневые формы, стопочная формовка) значительно повысить производительность при изготовлении отливок. Внедрение современных высокопроизводительных процессов изготовления стержней и форм увеличивает общий темп производства, интенсивность использования органических материалов, а значит, усугубляет экологическую обстановку в цехе и за его пределами. Если принять во внимание, что в единицу времени увеличатся объемы выделения вредных веществ в несколько раз, а сами токсичные вещества по своей химической природе применяются более опасные (2, 3 кл.), то нагрузка на окружающую среду увеличивается также в несколько раз.

Особенностью процессов является расширение номенклатуры токсичных связующих (смолы бензилэфирные, полиэфирные, фенолформальдегидные, полиуретановые, фурановые, эпоксидные, щелочные фенольные и др.), усовершенствованных наличием токсичных растворителей, стабилизаторов, модификаторов и специальных добавок.

Катализаторами при отверждении перечисленных связующих служат:

- жидкие амины, испаряемые в специальных газогенераторах (триэтиламин, диметиламин, триметиламин и др.);

- производные пиридина, твердые при комнатной температуре вещества, растворенные в ароматических растворителях (изо-пропилпиридины, фенилпиридины, бензилпиридины);

- газообразный метилформиат (метиловый эфир муравьиной кислоты);

- газ сернистый ангидрид (Б02), который дается в смеси с сухим воздухом, а отверждение смеси идет при добавке гидроперок-сида (гипериз, пероксид бензоила и др.) в количестве 30-50% от массы смолы.

Все эти вещества отнесены к токсичным не ниже второго класса опасности.

Таким образом, несмотря на то, что вопросы защиты персонала при внедрении современных способов в условиях серийного и массового изготовления форм и стержней в целом решены за счет герметизации и автоматизации процессов, а отработанные газы-катализаторы проходят нейтрализацию, высокая опасность здоровью людей на производственных участках при использовании органических связующих сохраняется. Кроме того, общий анализ развития технологий показывает устойчивую тенденцию роста общей опасности современного производства.

Выводы

Развитие литейных технологий должно идти в направлении расширения доли неорганических связующих в литейных смесях, так как их природа подразумевает низкие уровни токсичности газов и высокие параметры термостойкости. Особенно важно это в цехах с единичным и мелкосерийным производством при изготовлении крупных форм и стержней, определяющих большие объемы выбросов токсичных газов.

С целью повышения конкурентоспособности процессов формообразования необходимо продолжить активные исследования по совершенствованию жидкостекольных, металлофосфатных смесей и по разработке новых неорганических связующих композиций.

Вопросы снижения объемов токсичных выбросов, загрязняющих атмосферу, и сокращения объемов твердых и жидких отходов необходимо решать параллельно с внедрением эффективной регенерации отработанных смесей.