ЛИТЕЙНЫЕ ЦЕХИ
Среди технологических процессов обработки металлов по разнообразию операций и условиям труда литейное производство остается одним из наиболее сложных и трудоемких.
Технологический процесс литейного производства заключается в получении изделий путем заливки расплавленного металла в непостоянные (разрушаемые) преимущественно земляные формы или в постоянные формы из металла (кокильное литье), или других материалов. По виду металла различают чугунное, стальное, цветное литье.
Основными процессами литейного производства являются подготовка шихтовых материалов для плавки, загрузка в печи, плавка металла, выпуск и заливка металла в формы, выбивка затвердевших изделий из форм, обрубка и очистка изделий. Параллельно производится подготовка формовочной и стержневой земли, приготовление форм и стержней.
Плавка металла производится в плавильных печах: чугун выплавляется в вагранках (тип шахтной печи); сталь обычно – в электродуговых печах; цветные металлы и их сплавы получают путем плавки в электропечах.
В технологии современного литейного производства примерно 2/3 чугунного литья занимает литье в земляные формы и лишь остальное производится более прогрессивными технологическими методами, такими, как точное литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы, литье в металлические формы, литье под давлением, центробежное литье.
Изготовление земляных форм начинается с приготовления формовочной смеси. Составляющие ее материалы: горелая земля (из использованных форм), песок, глина, уголь. Они подвергаются сушке, просеиванию, смешиванию.
В металлическую раму (опоку) вкладывается модель будущей отливки, а все свободное пространство вокруг нее плотно забивается землей на формовочных машинах. После удаления модели образуется литьевая полость, соответствующая форме будущей заготовки. Для отливки полых изделий в опоку закладываются стержни, повторяющие форму внутренней поверхности изделий. Стержни производят также из специальных земляных смесей с добдщением связующих органических или синтетических веществ и подвергают сушке в специальных печах. Стержни должны легко разрушаться и удаляться из полостей при последующей очистке литья.
В механизированных литейных цехах готовая фррма с формовочной машины по рольгангу подается на разливочный конвейер, где заливается металлом, который доставляется в ковшах по монорельсу. Далее по конвейеру залитые формы перемещаются к месту выбивки. За этот период происходит затвердевание и частичное остывание отливок. Освобождение отливок от форм, как правило, производится механически, путем сотрясения на выбивных вибрационных решетках. При этом земля проваливается под решетку, откуда возвращается на переработку.
После остывания отливки очищаются от пригаров, наплывов, заусениц и т. д. Для этого в большинстве случаев используют ручные механизированные пневматические инструменты: рубильные молотки, пневмошлифовальные машины или наждачные круги. Некоторые детали, преимущественно небольших размеров, очищаются в обивных (галтовочных) барабанах. Для очистки используют и другие способы: дробеструиный, электроискровой, газопламенный, электрогидравлический и др.
Литье в оболочковые формы является более гигиеничным. При этом резко сокращается расход формовочных материалов, а следовательно, и пыли, достигается высокая чистота отливок, что позволяет практически исключить виброопасные операции по обрубке и очистке литья.
Технология изготовления оболочковых форм заключается в нанесении смеси песка с пульвербакелитом или другим крепителем непосредственно на модель, после чего оболочки затвердевают при температуре до 350 °С.
Применение многопозиционных полуавтоматов и автоматов для изготовления оболочковых полуформ сводит до минимума долю ручного труда.
Для изготовления литейных форм и стержней применяется процесс, основанный на использовании быстросохнущих формовочных составов с применением жидкого стекла и продувкой углекислым газом. При этом способе устраняются источники тепловыделений и загрязнения воздушной среды оксидом углерода и углеводородами.
Перспективным является способ изготовления стержней и форм из жидких самотвердеющих смесей. В состав смесей входит феррохромный шлак, окислы хрома, мочевиноформальдегиднофурановые добавки, гипс, нефелиновый шлак в различных соотношениях и сочетаниях. Применение этого технологического процесса сопровождается выделением токсических газов, но в то же время позволяет устранить тепловыделение, шум, вибрацию и снизить пылеобразование.
Точное литье по выплавляемым моделям производится путем изготовления стеариново-парафиновой модели, которая вначале погружается в специальную суспензию из этилсиликата и других огнеупорных материалов, затем обсыпается мелким кварцевым песком, высушивается в парах аммиака. Далее стеариново-парафиновая модель выплавляется, оболочка помещается в опоку, заполняется вокруг смесью шамотной глины и кварцевого песка и заливается металлом. Кварцевая пленка после остывания металла отделяется с помощью раствора каустической соды. При этом способе исключаются такие вредные операции, как землеприготовление, формовка, выбивка опок. Объем работ по очистке литья резко сокращается.
Кокильное чугунное литье (в металлические формы) также относится к прогрессивному способу, при нем остается без изменения лишь изготовление стержней.
Литье под давлением цветных металлов и сплавов производится на специальных литейных машинах-прессах.
Радикальное улучшение условий труда в литейных цехах обеспечивается за счет максимальной механизации всех процессов, создания эффективных систем вентиляции. Внедрение новых прогрессивных процессов, как правило, влечет за собой возникновение новых производственных вредностей, требующих к себе особого внимания гигиенистов. В то же время традиционные способы литья в земляные формы, имеющие наибольшее распространение, продолжают оставаться источником всех перечисленных неблагоприятных факторов производственной среды.
При приготовлении формовочной земли и стержневых смесей, формовке опок, выбивке литья из форм и его очистке, ремонте огнеупорной кладки плавильных печей работающие подвергаются интенсивному воздействию пыли. Содержание свободного диоксида кремния в пыли достигает 20 – 30% и более. Наибольшие концентрации пыли до десятков миллиграммов на 1 м 3 могут наблюдаться при приготовлении формовочной смеси, выбивке и очистке литья.
Воздух литейных цехов нередко загрязняется разнообразными токсическими веществами. Они выделяются при плавке и заливке металла, изготовлении стержней, сушке ковшей и других процессах. Как правило, обнаруживается оксид углерода, который в основном образуется при горении топлива в вагранке, выгорании органических составляющих из формовочной земли и стержней. При работе печей на твердом и жидком топливе в воздух рабочих помещений может выделяться сернистый газ.
С применением новых химических материалов и способов производства форм и стержней значительно расширился спектр токсических веществ в воздухе помещений литейных цехов.
Процесс заливки металла в оболочковые формы сопровождается возгонкой, и пиролизом крепителя. При этом выделяются пары фенола и оксида углерода, а также продукты деструкции в виде акролеина, полициклических ароматических углеводородов, в том числе и бенз(а)пирена.
При получении литейных форм с помощью СО2 – процесса в литейном производстве – в случае нарушения технологических и санитарно-гигиенических условий в рабочей зоне концентрация СО2 увеличивается в 3 – 5 раз по сравнению с нормальным содержанием этого газа в воздухе, что может весьма отрицательно сказаться на самочувствии работающих.
Использование хромосодержащих добавок и оксидов хрома в производстве стержней и форм из жидких самотвердеющих смесей приводит к поступлению в окружающую среду соединений хрома, обладающих, как известно, выраженными аллергическими свойствами. При литье по газифицируемым пенополистероловым моделям может выделяться стирол и продукты его деструкции.
При плавке и заливке лигированных сталей в воздух плавильных цехов могут поступать соединения марганца, хрома, никеля, селена, свинца и других соединений, а при плавке цветных металлов – соединения меди, цинка, свинца, магния, бериллия и др.
Высокие уровни лучистого тепла регистрируются на рабочих местах разливщиков и выбивщиков независимо от окружающей температуры воздуха.
Вибрация является одним из наиболее неблагоприятных факторов литейного производства. Воздействию локальной вибрации подвергаются формовщики, обрубщики литья и наждачники. Рабочие, занятые на выбивных решетках и частично на механизированной формовке, подвергаются общей вибрации.
Наибольшую опасность представляют операции обрубки крупногабаритного литья. Эти работы выполняются в вынужденной рабочей позе, требуют значительных физических усилий и в холодный период года производятся при низких температурах воздуха, все эти обстоятельства являются усугубляющими неблагоприятное действие вибрации моментами. Параметры вибрации, как правило, значительно превышают допустимые уровни в широком спектральном диапазоне. Обрубщики литья среди больных вибрационной болезнью составляют основную профессиональную группу как в абсолютных, так и в относительных показателях. При очистке мелкосерийного литья на абразивных кругах наждачники для увеличения усиления подачи в некоторых случаях црижимают изделие рычагом и поддерживают верхней частью бедра. При таком приеме вибрация передается не только на руки, но и на бедро и нижнюю часть туловища, что приводит к дополнительным функциональным нарушениям.
Шум. Основными источниками шума в литейных цехах являются формовка, осуществляемая путем встряхивания опок, пневматические инструменты, применяемые для обдувки форм и очистки литья, наждачные станки, галтовочные барабаны, выбивные решетки. Уровень интенсивности шума может достигать 100 – 110 дБА. По спектральному составу преобладает высокочастотный шум. При электрогидравлической выбивке стержней из отливок в момент разряда возникает высокочастотный импульсный шум с уровнем 120 – 130 дБА. Снижение его до нормативных уровней требует выполнения комплекса шумозащитных мероприятий.
Оздоровительные мероприятия. Архитектурно-планировочные решения должны предусматривать максимальное разделение производственных участков (землеприготовление, формовка, плавка, и разливка, выбивка опок, очистка литья). Это позволит предупредить распространение неблагоприятных факторов производственной среды: пыли, газов, избыточного тепла, шума на смежные рабочие места. Помещения горячих производств – плавки и разлива металла – должны быть оборудованы аэрацией.
Коренному улучшению условий труда способствует укрупнение, централизация литейных производств, строительство так называемых центролитов. На таких крупных вновь созданных предприятиях, а также реконструируемых литейных производствах осуществляются поточные методы литья, комплексная механизация и автоматизация трудоемких и вредных процессов и операций. К ним относятся: автоматизация процессов землеприготовлення (измельчения, дозирования, смешивания); использование пневмотранспорта для перемещения сыпучих материалов; оборудование пылящих узлов вытяжной вентиляцией; применение автоматических формовочных машин и выбивных решеток; внедрение электрогидравлической выбивки стержней, замена обрубки литья газоплазменной резкой, электроискровой обработкой и других современных способов.
Сокращению трудоемких и вредных условий труда по очистке литья способствует внедрение прогрессивных технологических методов литья – в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, кокильное литье, литье под давлением и др.
Созданию необходимых параметров воздушной среды способствует рационально организованная вентиляция. На участках с повышенным пылеобразованием используются местные отсосы, они также эффективны на участках с газовыделениями. Улучшению состава воздушной среды способствует перевод плавильных печей на электронагрев (вместо пламенного).
На участках без избыточных пылевыделений организуется общеобменная приточно-вытяжная вентиляция. Рабочие места у плавильных печей, на разливке металла и др. оборудуются местной приточной вентиляцией – воздушными душами.
При применении способов литья, при которых в состав формовочных материалов входят вредные химические вещества, или эти вещества образуются в результате возгонки или деструкции химических соединений, необходимо осуществлять систему специальных мероприятий: приготовление особо агрессивных смесей должно проводиться в специальных герметизированных установках, в изолированных помещениях, при полной механизации всех операций, Места заливки должны быть оборудованы эффективной местной и общеобменной вентиляцией. Специальными кожухами должны быть укрыты рольганги, по которым перемещается остывающий в формах металл, кожухи оборудуются также местной вытяжкой. Этим достигается снижение загрязнения воздуха и удаление избыточного тепла, кроме того, кожухи препятствуют распространению лучистого тепла. Для защиты от инфракрасного излучения используют и другие общепринятые меры: теплоизоляция нагревательных агрегатов; экранизация; окрашивание источников излучений в светлые тона; механизация процессов загрузки печей и заделки леток; использование специальных инструментов с длинными рукоятками: применение спеподежды и средств защиты глаз (очки, щитки).
Защита работающих от вредного действия, вибрации осуществляется путем разработки и внедрения более безопасных механизированных вибрационных инструментов; применения виброгасящих приспособлений; систематического контроля за техническим состоянием инструментов, включая стендовые испытания параметров вибрации; соблюдения рекомендованных режимов труда и отдыха; проведения профилактических физиотерапевтических и других медицинских мероприятий (УФ-облучение, массаж, гидропроцедуры, витаминизация и др.). В связи с тем, что охлаждение способствует развитию вибрационной болезни, важно, чтобы помещения, где производятся работы с ручными механизированными инструментами, отапливались, сжатый воздух в холодное время должен подогреваться.
Для снижения уровней шума и предупреждения его распространения используют меры шумопоглощения, шумоизоляции оборудования или при невозможности – ограждение и шумоизоляцию рабочего места оператора или пульта управления. Особо шумные агрегаты, не требующие постоянного наблюдения, например, галтовочные барабаны по очистке мелкого литья, устанавливают вне рабочих помещений.
Литейное производство
Материалами литейного производства являются: литейные материалы (чугун, сталь, медь и ее сплавы, алюминий и его сплавы и пр.); формовочные материалы (песок, глина и т. п.); вспомогательные материалы: топливо, огнеупорные материалы, флюсы и пр. Основные операции в литейном производстве следующие: 1) приготовление формовочной земли, 2)изготовление формы (формовка), 3) плавка металла, 4) сборка и заливка формы, 5) освобождение отливки из формы (выбивка), 6) очистка литья (обрубка, очистка и обрезка), 7) термическая обработка (отжиг или полная термическая обработка).
Постоянные формы получили развитие гл. обр. для отливки цветных металлов, имеющих низкую температуру плавления, и отчасти для чугуна; для стали постоянные формы применяются редко, т. к. очень трудно (даже для чугуна) подобрать металл, противостоящий многократному нагреванию и охлаждению. Особенно широкое распространение получила отливка в постоянные формы (permanent molds) с металлическими шишками алюминиевых сплавов. К числу постоянных форм можно отнести так называемые долговременные многократного применения формы (long-life molds), предложенные и запатентованные фирмой Holley Carburettor Со., Detroit. Они изготовляются из очень прочного огнеупорного материала. Вся трудность изготовления этих форм заключается в подыскании соответствующего материала (каолин, магнезия, боксит) и хорошей связи его с чугунной оболочкой. Поверхность огнеупорного слоя можно подправлять пока он не износится, после чего огнеупорный слой наносят снова. В такие формы отливаются чугун и другие металлы (кроме стали). Отбелка чугуна не имеет места, и отливка хорошо обрабатывается.
Схематически процесс изготовления форм следующий. 1) Половину модели кладут на подмодельную плиту (фиг. 1). 2) На плиту ставят нижнюю половину опоки и засыпают на несколько мм модельной землей (фиг. 2), слегка уплотняемой вокруг модели (в большинстве случаев от руки); после этого в опоку насыпают наполнительную землю (доверху и более), которую затем уплотняют б. или м. сильно в зависимости от величины и характера отливки; форму вентилируют (протыкают в нескольких местах шпилькой).
3) Набитую опоку вместе с подмодельной доской перевертывают (фиг. 3); подмодельную доску снимают; поверхность нижней опоки посыпают разделительным песком. 4) На нижнюю половину модели ставят верхнюю половину модели, засыпаемую слоем модельного песка, и верхнюю опоку (фиг. 4), в которую ставят модели литника и выпора (фиг. 5). 5) После уплотнения наполнительной земли опоки разнимают, и из каждой половины удаляют модели. 6) В освобожденную от модели нижнюю форму вставляют стержень (фиг. 6), который готовится отдельно. 7) Нижнюю опоку со стержнем накрывают верхней опокой (фиг. 7); собранные опоки грузят, т. е. на верхнюю опоку кладут, груз, чтобы предохранить ее от всплывания при заполнении формы жидким металлом.
Способы наполнения опок формовочным материалом и уплотнения его приведены на фиг. 8.
Формовочные машины делятся на три основных типа: прессующие, встряхивающие и пескометы. Каждая формовочная машина снабжена приспособлениями для освобождения модели из опоки. Основные методы освобождения модели из опок показаны на фиг. 9.
В соответствий с методами освобождения моделей из опок формовочные машины кроме того делятся на подгруппы: 1) машины с подъемом опок, 2) машины с поворотною плитой и 3) машины с протяжною плитой.
На фиг. 10 изображена обыкновенная прессовая (с ручной подпрессовкой снизу) формовочная машина; на фиг. 11 приведен один из новейших типов встряхивающе-прессовых машин системы Никольса, работающих сжатым воздухом.
Модельная плита этой машины укрепляется на держателе модели В; опока (не показана на схеме) соединяется или с модельной плитой, или с рамкой Е, служащей опорой опоки. Ставят рукоятку вентиля N направо. Происходит встряхивание; при этом воздух проходит внутрь поршня В под поршень А, который несет на себе модельную плиту. Подъем поршня управляется автоматически поднятием окон F нижним краем поршня. Через эти окна воздух перетекает в поршень В и в атмосферу. Во время встряхивания траверсы Н с прессующей колодкой стоят над опокой.
Формовочный материал посредством элеватора передается на встряхивающийся желоб, затем на ленту, которая передает его в головку пескомета; здесь земля подхватывается быстро вращающимся ковшом рабочей головки, который отсекает порцию земли из общего количества и с огромной скоростью (12—18 м/сек) направляет землю в опоку, где и происходит уплотнение ее. Главное преимущество пескомета по сравнению с др. типами формовочных машин заключается в том, что он не связан с определенной величиною опоки, как это имеет место в других формовочных машинах, и потому только пескомет разрешает задачу механизации работ по наполнению опок формовочным материалом и по уплотнению последнего в литейных, где преобладает работа индивидуального характера. Кроме того, пескомет обладает чрезвычайно большой производительностью.
Внутренние очертания детали, пустоты и т. п. получаются посредством стержней или шишек, которые готовятся отдельно от форм в т. н. стержневых ящиках. Т. к. в процессе заливки шишки в большинстве случаев бывают окружены расплавленным металлом, то вопрос правильной вентиляции их приобретает исключительно важное значение: газопроницаемость шишек д. б. значительно выше, нежели газопроницаемость самой формы. На фиг. 13 дан чертеж стержня (половинка стержневого ящика).
Требуется рассчитать шихту следующего состава: 3,25% С, 1,53% Si, 1,25% Мn, 0,20% Р, 0,05% S. Для расчета принимаются определенные величины угара элементов при плавке в вагранке. Задача состоит в определении относительных количеств, в которых надо смешать чугуны групп I, II и III, чтобы получить смесь состава (в %): 1,82 Si, 1,91 Мn, 0,1 Р, 0,016 S.
Для этого на осях Мn—Si (фиг. 14) откладываем соответственные содержания Si и Мn; соединив точки, соответствующие трем чугунам (строки литейные 4, 5 и 6), видим, что точка среднего состава требуемой смеси находится внутри треугольника I-II-III, что указывает на возможность составления требуемой смеси из данных 3 сортов чугуна. Вершины треугольника I-II-III соединим с точкой О и продолжим прямые IO, IIО и IIIO до пересечения с противоположными сторонами треугольника в точках а, b и с.
На фиг. 17—22 приведены примеры правильных и ошибочных установок литников, шлакоуловителей и питателей.
Центробежная отливка состоит в том, что расплавленный металл вводится в быстро вращающуюся металлическую форму, где под действием центробежной силы он прилипает к внешней поверхности вращающейся формы. Т. о. можно готовить разнообразные тела вращения. Схема работ центробежной литейной машины дана на фиг. 23.
При литье под давлением расплавленный металл вводится под высоким давлением в металлическую форму, в результате чего получаются детали, настолько точно соответствующие заданным размерам, что они не нуждаются в дальнейшей механической обработке. Это представляет особенно значительные выгоды при массовом производстве мелких и требующих большой точности деталей (например, части счетчиков, мелкие машинные части). Наиболее важными промышленными сплавами для отливок под давлением являются сплавы цинка, алюминия и отчасти меди. В табл. 4 приведены характеристики различных сплавов, применяемых для отливок под давлением.
Машины, применяемые для отливок под давлением, делятся на две основных группы. 1) Для сплавов с невысокой точкой плавления применяются поршневые машины (фиг. 24).
В жидкой металлической ванне находится насос, приводимый в движение от рычага или сжатым воздухом. При опускании поршня вниз металл через сопло вдавливается в форму. Поршневые машины для сплавов с более высокой точкой плавления (алюминиевые и пр.) оказались непригодными: металл затвердевает между поршнем и стенками цилиндра, что вызывает частую чистку и резкое повышение накладных расходов. 2) Для тугоплавких сплавов поэтому применяются машины (фиг. 25 и 26), снабженные специальным черпаком (гуснек), который при помощи особого приспособления каждый раз захватывает строго необходимую порцию металла; металл подвергается действию сжатого воздуха лишь в этом черпаке на сравнительно небольшой поверхности, чем избегается излишнее окисление металла.
Операция выбивки опок в современных литейных полностью механизирована. Наиболее простое приспособление для этой цели состоит в том, что подвешенный к пневматическому подъемнику вибратор посредством специального приспособления м. б. присоединен к опоке, которая одновременно с этим немного приподнимается; после этого вибратор приводится в действие, и через несколько секунд опока опоражнивается. При другом способе выбивки опоки кладутся на решетку, которая при помощи кулачков приводится в колебательное движение; земля из опок проваливается сквозь решетку. Чтобы горячая земля не падала на отводящий землю ленточный конвейер слишком большими массами, под решеткой установлены два питательные валика, которые равномерно подают ее на конвейер. Выбивка стержней производится или вручную, или посредством водяной струи высокого давления, или же на специально сконструированных пневматических вибраторных машинах (фиг. 27) системы Stoney.
Отливки с тележки устанавливаются в специальных держателях машины при помощи воздушного подъемника, расположенного у каждой машины. Затем приводится в действие вибратор, и стержни выбиваются в продолжение 3—6 сек.
Барабан имеет внутреннюю и внешнюю полости. Отливки поступают во внутреннюю полость вращающегося барабана с правой стороны. Туда же из внешней полости сквозь особые прорезы поступают закаленные чугунные звездочки. При медленном движении по направлению к противоположному концу барабана литье успевает очиститься. Не доходя до конца барабана, чугунные звездочки проваливаются сквозь небольшие прорезы из внутренней во внешнюю полость барабана, откуда они посредством спиральных направляющих передаются к головной части барабана. Отливки более сложные, при очистке которых в барабанах можно было бы опасаться большого % брака из-за боя и которые подвергаются значительной механической обработке, очищаются в пескоструйных камерах непрерывного действия. Очень успешным оказался способ гидравлической очистки литья, впервые с успехом примененный на заводе Allis Chalmers Со. (Миллвоки): время очистки сократилось с нескольких часов до нескольких минут. Устройство используется для очистки турбинных колес, цилиндров газометров и им подобных тяжелых отливок. Очистка отливок производится в закрытой бетонной камере (фиг. 29), расположенной посредине литейной.
Наибольшее число несчастных случаев в чугунно- и меднолитейном производствах происходит от ожогов расплавленным и раскаленным металлом во время ручной разноски или развозки его. Особо серьезные последствия влечет соприкосновение расплавленного металла или шлака с влагой (взрывы). Для устранения этих явлений необходимо иметь ровные дорожки из кирпича, бетона, железобетона и т. п. в местах, не занятых формованием, причем главный проход д. б. не уже 2 м; д. б. правильно организован поток людей с пустыми ковшами и с расплавленным металлом; места отливок и выливания шлака должны быть сухи; ковши д. б. хорошо высушены и прогреты; кожухи ковшей должны иметь небольшие отверстия для удаления паров из обмазки и т. д. Рабочие, имеющие дело с расплавленным металлом, д. б. снабжены надлежащей спецодеждой, очками, респираторами и т. п., причем рубаха не должна заправляться в штаны и штаны в сапоги, а поля шляпы д. б. отогнуты вниз. Ручная формовка сопровождается большим количеством наколов о железные шпильки, имеющиеся в старой формовочной земле. Средством борьбы является пропускание земли через магнитный сепаратор. При переноске ковшей с расплавленным металлом центр тяжести их во избежание опрокидывания должен быть ниже оси вращения (до 50 мм). Все цепи, канаты и коромысла должны не реже одного раза в 2 месяца проверяться на полную нагрузку и не реже одного раза в 2 недели тщательно осматриваться. Все машины должны быть снабжены надежными ограждениями опасных мест.
Для регулирования в законодательном порядке условий труда в литейных Наркомтрудом издан ряд обязательных постановлений. Сюда прежде всего относятся «Правила безопасности работ в чугунно- и меднолитейном производстве»; постановления об ограничении применения труда женщин и подростков при наиболее вредных и опасных работах в литейных; постановления о сокращенном рабочем дне и дополнительном отпуске для некоторых категорий рабочих (меднолитейщиков, пескоструйщиков и др.).