Еженедельник "Снабженец"
http://www.snab.ru

Полная версия этой статьи в формате PDF:
СКАЧАТЬ

Металлургия и литейное дело: новые горизонты Петербургская техническая ярмарка (ПТЯ), ежегодно проводимая выставочной компанией «Рестэк» в ВК «Ленэкспо», стала за пять лет одним из крупнейших специализированных мероприятий промышленной тематики в Северо-Западном регионе России. В настоящее время по замыслу организаторов проекта (возглавляемого к. т. н. Леонидом Захаренковым) ярмарка строится на основе комплексного подхода к технологической цепочке основных отраслей промышленности. Последняя выглядит следующим образом: добыча, производство и обработка металла — элементы машиностроительного комплекса — инфраструктурные составляющие — инновации. В связи с такой концепцией, учитывающей тенденции экономического развития региона и потребности промышленных предприятий Санкт-Петербурга, в этом году в выставочную программу были включены несколько отраслевых направлений. К ним относятся металлургия, обработка металлов, машиностроение, инфраструктура предприятия, автокомпоненты и промышленные инновации. В проведении ярмарки приняли участие около 700 российских и зарубежных компаний, представивших в своих экспозициях широкий спектр промышленной продукции: от сырья и исходных материалов до готовых изделий металлургической и машиностроительной отраслей. Для определения наиболее перспективных проектов реального сектора экономики в рамках Петербургской технической ярмарки был организован конкурс «Лучший инновационный проект в области металлургии и машиностроения». Разработки компаний, принявших участие в конкурсе, в соответствии со светскими традициями шоу-бизнеса рассматривались в 12 номинациях. Все победители были удостоены Гран-при. Как и в 2007 г., раздел «Металлообработка» в основном был представлен дистрибьюторами зарубежных компаний, в направлениях же «Металлургия» и «Литейное дело», напротив, участвовали российские предприятия (по аналогии с «ПТЯ ’2007»). Последние ознакомили посетителей с прогрессивными технологиями, современным оборудованием и новыми материалами, использование которых способно вывести компании отрасли на новый уровень эффективности. По мнению специалистов, посетивших выставку, именно такие разработки отечественных фирм стали наиболее интересной и востребованной частью мегапроекта «ПТЯ ’2008». Установки индукционного нагрева В настоящее время около 75% российских предприятий, нагревающих металл токами высокой частоты* (ТВЧ), используют оборудование, устаревшее и морально, и физически. Так, например, ламповые установки имеют КПД не более 50% и работают на частоте не менее 65 кГц, что ограничивает их применение для плавки. Тиристорные же установки из-за верхнего предела частоты в 10–15 кГц не эффективны для закалки и пайки. Современный уровень ТВЧ-нагрева характеризуется применением установок на IGBT-транзисторах**. От устройств на устаревшей элементной базе они отличаются высокой экономичностью, компактностью и универсальностью. Благодаря широкому частотному диапазону такие установки могут применяться для плавки черных и цветных металлов, пайки инструмента, поверхностной и сквозной закалки, нагрева заготовок перед ковкой, штамповкой и гибкой. Они также используются при нормализации сварных швов, нагреве деталей (сопрягаемых горячей посадкой) и элементов резьбового соединения с целью уменьшения момента «страгивания». Одним из ведущих российских разработчиков и производителей индукционно-нагревательного оборудования на IGBT-транзисторах является ООО «ИнтерСЭЛТ» (г. Санкт-Петербург). Сегодня компания изготавливает индукционные установки мощностью от 15 до 240 кВт, работающие в частотных диапазонах от 7 до 70 кГц. Кроме того, по словам генерального директора компании Павла Бабенко, в этом году фирма планирует начать выпуск установок мощностью 1 МВт. Одна из главных сложностей создания установок на IGBT-транзисторах, с которой обычно сталкиваются разработчики, заключается в организации быстродействующей системы электронной защиты. У компании «ИнтерСЭЛТ» последняя построена на основе цифровой обработки сигналов микроконтроллером и действует в течение одного полупериода частотного тока, что с запасом перекрывает требования по скорости срабатывания. Функция регулирования мощности (выходного тока) установки выполняется блоком преобразования частоты путем микропроцессорного управления напряжением питания. Преобразователь частоты имеет воздушное охлаждение (обычно применяют охлаждающее устройство с замкнутым водяным контуром, требующим специальной подготовки воды), а для охлаждения индуктора используется проточная водопроводная вода. Это является существенным преимуществом выпускаемых компанией устройств, поскольку значительно упрощает их подготовку к работе и техническое обслуживание. Благодаря тому, что технологи имеют возможность программировать параметры нагрева (температуру, время, мощность), обеспечивается простое (с точки зрения оператора) управление оборудованием, сводящееся к нажатию кнопок «пуск» и «стоп». Уровень автоматизации установок, наряду с их малыми габаритами и массой (удельный вес составляет 1,5–2 кг/кВт), позволяет встраивать нагревательные блоки в металлообрабатывающие станки (токарные, расточные), а также использовать в составе технологических комплексов. Возможность регулировки выходных параметров в широких пределах и их автоподстройка позволяют проектировать индукторы для различных процессов нагрева. Установки самостоятельно определяют резонансную частоту системы индуктор– нагрузка и автоматически настраиваются функционировать на ней. КПД при этом составляет около 95%. На своем стенде компания «ИнтерСЭЛТ» демонстрировала работу индукционной установки СЭЛТ-001-20/18 мощностью 20 кВт. В течение 20 минут она переводит в расплавленное состояние 20 кг стали. Стоит СЭЛТ-001-20/18 около 160 тыс. руб. Расчетный срок службы устройств, выпускаемых ООО «ИнтерСЭЛТ», составляет 15 лет, а их цена (в зависимости от мощности и частотного диапазона работы) определяется из примерного соотношения 8 тыс. руб/кВт. Левитационная плавка ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт материалов» (ЦНИИМ, г. Санкт-Петербург) продемонстрировало на выставке индукционную установку левитационной плавки ФЛ-055. Компания предлагает использовать ее для проведения физико-химических исследований и определения свойств расплавов (в т. ч. химически активных, тугоплавких, аморфных, нано- и микрокристаллических). Такое оборудование подойдет и для получения прецизионных металлических сплавов чистых образцов (используемых в исследованиях), полуфабрикатов и отливок малой металлургии. Метод плавки электропроводящих материалов, взвешенных в переменном магнитном поле, выполняющем функцию тигля, отличается отсутствием контакта расплава со сторонней поверхностью, что полностью исключает насыщение металлов вредными примесями. Использование разработанной институтом установки дает возможность получать однородный по своей структуре расплав и перегревать его намного выше температуры плавления, а также легировать и рафинировать левитирующий состав присадками, управлять скоростью его затвердевания. Плавка левитационным методом на ФЛ-055 проводится в среде гелия или высокого вакуума при частоте тока 210 кГц и температуре до 3400 °С. Время нагрева/плавления составляет 1–3 мин. Масса образцов разовой плавки может быть от 1 до 220 г, а их максимальное количество, выплавляемое без вскрытия камеры, — около 100 шт. Колебательная мощность установки — 60–100 кВт. На стенде ЦНИИМ вниманию специалистов были также представлены литые заготовки, полученные способом вакуумно-пленочной формовки (ВПФ). Подобная технология, разработанная в последние годы существования СССР, в связи с последовавшим кризисом не получила тогда распространения. Сейчас же она становится востребованной при изготовлении в небольших количествах несерийных литых изделий. Принципиальное отличие вакуумно-пленочной формовки от традиционных способов литья заключается в технологии изготовления формы. Для этого применяется газопроницаемая модельная оснастка (деревянная или металлическая), эластичная полиэтиленовая пленка и не содержащий связующего сухой песок. В качестве средства уплотнения формы используется вакуум. С помощью ВПФ выпускают заготовки высокой точности (в отличие от общераспространенных методов, поскольку при уплотнении трамбовкой деревянная оснастка быстро изнашивается) с минимальными припусками на механообработку. За счет пленки, впоследствии полностью выгорающей, шероховатость поверхности изделий Rz находится на уровне 40–80 мкм. По сравнению с литьем в сухие песчано-глинистые формы толщина стенок отливки уменьшена в 1,2–1,3 раза. К преимуществам такой технологии относятся исключение операций смесеприготовления и выбивки отливки (после отключения вакуумного насоса песок легко высыпается) и сокращение расхода формовочного материала (песка). Нельзя не отметить и уменьшение в 1,5 раза производственных затрат, а также минимальный экологический ущерб. Недостатком ВПФ считается низкая производительность процесса. Вакуумно-пленочная формовка может применяться для изготовления отливок разной степени сложности (включая художественное литье) из черных и цветных металлов в различных отраслях промышленности. Продукция может быть развесом от 0,1 кг до десятков тонн. Стоимость установок для ВПФ во многом зависит от степени их автоматизации, производительности, размеров опоки* и отливаемых изделий. Так, например, устройство с опокой 900і600 мм производительностью 50 отливок/ч стоит около 3 млн руб. Обработка металлов в кипящем слое На стенде ООО «МПК “Термосталь”» (г. Воткинск, Республика Удмуртия) специалистам была представлена новая установка «Корунд-М», по словам главного инженера компании Виктора Вотякова, не имеющая аналогов. Она реализует современную технологию термической и химико-термической обработки металлических деталей и инструмента в кипящем (псевдоожиженном) слое катализатора. Такое устройство, разработанное ЗАО «ПКТИмаш-плюс» (г. Тула), позволяет проводить на высоком качественном уровне обработку изделий из всех типов чугуна, стали (углеродистой, низко-, средне- и высоколегированной, жаропрочной, конструкционной, инструментальной и т. п.) и цветных сплавов. Одним из главных достоинств установки является возможность ее использования как для проведения изотермического безокислительного нагрева при всех видах объемной термообработки (закалки, нормализации, отжига, отпуска), так и выполнения операций скоростной химико-термической обработки (цементации и азотирования). Другими словами, «Корунд-М» можно с большой эффективностью применять в качестве замены камерным печам типа СНО, СНЗ, СШЗ, СШО, а также вместо шахтных агрегатов типа СШЦМ и жидких соляных ванн СВС. Рабочее пространство установки создается в тигле из жаропрочного сплава, представляющем собой цилиндр с дном, в центр которого вварена трубка для подвода газовоздушной смеси. Наружная поверхность тигля нагревается ТЭНами печного блока. Турбулентные перемещения и витание частиц катализатора с определенной скоростью осуществляются нижней подачей в тигель воздуха. Вместе с последним для получения защитных и науглероживающих атмосфер вводится углеводород (метан или пропан-бутан), а для нитроцементации и азотирования — аммиак. Поверхности опускаемых в тигель деталей интенсивно соприкасаются с витающими частицами катализатора (кипящим слоем), что обеспечивает быстрое протекание всех процессов. Благодаря высокой теплопередаче кипящего слоя скорость насыщения при химико-термической обработке уже в первые два часа в 3–5 раз превышает аналогичный параметр для обычных шахтных и камерных электропечей, а получаемый слой характеризуется высокой равномерностью. Эти показатели (скорость нагрева и равномерность) соизмеримы со значениями, получаемыми при обработке в жидкой соляной ванне. Но процесс при этом отличается экологической безопасностью, поскольку компоненты, входящие в состав газовой атмосферы, сгорают с образованием в основном нейтральных продуктов (СО2, Н2О и N2), а материал кипящего слоя не является реактивным. Кроме того, в отличие от обработки в камерных печах, поверхности деталей не имеют окалины, прожогов кромок, шелушения и налипших частиц. В качестве псевдоожижаемого материала в «Корунд-М» используется сверхпористый сферический мелкозернистый катализатор НАМ, состоящий из алюмоникельмагниевых оксидов. Он позволяет создавать регулируемую эндо- и экзогазовую рабочую атмосферу непосредственно в рабочем пространстве тигля, что исключает необходимость применения соответствующих генераторов. Благодаря высокой теплоемкости и теплопроводности катализатора точность поддержания температуры в рабочем пространстве составляет ±5 °С (максимальная ее величина равна 1100 °С), а время разогрева до наибольшего значения — 4–5 ч. При этом система управления установкой обеспечивает возможность программирования, контроля и регулирования рабочей температуры, а также задание времени выдержки деталей при установившейся величине последней. Высокая производительность протекающих в установке процессов обуславливается большой скоростью массообмена в рабочем пространстве, а также благодаря проявлению так называемого пескоструйного эффекта (возникающего при соприкосновении частиц катализатора с деталями). Интенсивно перемешивающийся кипящий слой не аккумулирует в себе рабочие газы, в результате чего возможно поддержание (или почти мгновенное изменение) уровня рабочей атмосферы. Это, в свою очередь, приводит к быстрому проведению температурно-газовой переналадки оборудования и создает условия для функционирования в режиме «по требованию» (что особенно важно для опытно-экспериментальных и ремонтных предприятий). Описанные преимущества универсальной установки определяют расширенную область ее применения. На литейно-металлургическом производстве «Корунд-М» может использоваться для проведения операций обезуглероживающего или науглероживающего отжига литья, безокислительного и изотермического подогрева (рафинирования) расплава в тигле, искусственного старения литья или ускоренной изотермической сушки песка и стержней. В сварочном деле устройство поможет при проведении отжига сварных и штампосварных деталей, а в штамповочном — обеспечит изотермический и безокислительный нагрев в штампах под высокоточную штамповку. Кроме перечисленных операций, установку можно использовать в механосборочном производстве для межоперационного промежуточного отпуска, а в заготовительном — для проведения предварительного отжига, нормализации и высокого отпуска заготовок. Устройство изготавливается в нескольких модификациях. Модель «Корунд-300М» имеет тигель с внутренним диаметром 285 мм и высотой рабочего пространства 500 или 1000 мм (для длинномерных деталей — 1200 мм). Она выпускается в исполнениях, поддерживающих мощность 24/42 кВт, и рассчитана на максимальную массу садки 25/50 кг. Модель «Корунд-600М» мощностью 100 кВт имеет тигель с внутренним диаметром 580 мм и высотой рабочего пространства 500 или 1100 мм (1200 мм). Максимальная масса садки, в зависимости от исполнения, составляет 100 или 200 кг. Вторичный титан Сегодня на выходе многих предприятий, занимающихся механообработкой титана, помимо полезного продукта присутствует и значительное количество отходов этого дорогостоящего металла в виде стружки. Она частично приобретается изготовителями ферросплавов (ферротитана), но в основном хранится до лучших времен в ожидании появления эффективных технологий переработки. С одной из таких технологий можно было ознакомиться на стенде ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт материалов». Разработанная предприятием инновационная технология регенерации титановой стружки позволяет получать поковки и фасонные отливки массой до 20 кг, листы толщиной от 3 до 10 мм, а также трубы (прутки) диаметром от 15 (10) до 30 (50) мм. С помощью такого метода выпускают и распыленный порошок с частицами сферической формы размером от 20 до 800 мкм. Слитки из переработанной стружки имеют предел прочности (текучести) 670–700 (620–650) МПа, пластичность 6–8,5% и ударную вязкость 40–50 кДж/м2. Получаемые из них (путем горячей ковки или прокатки) трубы, прутки и листы обладают уже улучшенными механическими свойствами. Характеристики таких изделий составляют соответственно 680–750 (620–700) МПа, 16–22% и 35–40 кДж/м2. Понятно, что по ряду своих свойств материалы из стружки уступают непосредственно титану (с прочностью 1000–1200 МПа), используемому в аэрокосмической промышленности, но по себестоимости они почти в 2 раза дешевле последнего (цена листов — около 470 руб/кг). Благодаря же малому удельному весу (почти в 2 раза легче стали) и высокой коррозионной стойкости такие изделия могут широко применяться в гражданской промышленности. В частности — для изготовления велосипедов, детских колясок и т. п. Технология переработки стружки включает следующие основные операции: дробление (а точнее — резка на мелкие кусочки с помощью специальных ножей), промывка, сушка, магнитная сепарация, брикетирование, капсулирование (герметизация в капсулах) и горячая экструзия. Для выпуска материалов с пластичностью более 10% из спрессованных брикетов формируются расходные электроды, переплавляющиеся в вакуумных дуговых печах, а полученные слитки перерабатываются традиционными методами — горячей ковкой или прокаткой. Новые модификаторы ООО «Комплексные модификаторы» (г. Санкт-Петербург), занимающееся разработкой и производством бескремниевых комплексных модификаторов (БКМ) для литейных и металлургических предприятий, в качестве новинки представило модификатор для серого чугуна РУМ-1. Главным недостатком традиционных модификаторов, применяемых в чугунолитейном производстве, является их большой расход, составляющий от 7 до 20 кг на 1 т жидкого металла. Количество же нового материала, по словам главного металлурга компании Анатолия Лашутина, составляет всего 250–300 г/т. Кроме того, использование РУМ-1 обеспечивает улучшение структуры чугуна и устранение отбела, вызывает заметное повышение механических свойств. Из 15-го чугуна РУМ-1 позволяет получать 20-й и даже 30-й. В состав нового модификатора входят около 30% редкоземельных металлов, 25–35% кремния, 2% кальция, до 2% бария, 2–3% алюминия и около 30% железа. Стоимость РУМ-1 включая НДС составляет 650 руб/кг. Одной из последних разработок ООО «Компания НПП» (г. Челябинск) является серия микрокристаллических модификаторов Insteel для внепечной обработки стали. Они выпускаются как в форме чипсоподобных пластин (так называемых чипс-модификаторов, более равномерно распределяющихся в расплаве) толщиной до 3–5 мм, так и в виде фракционированной «крупки» (дробленой из слитка). Для повышения жидкотекучести* расплава и снижения температуры разливки, уменьшения загрязненности стали неметаллическими включениями, улучшения пластических свойств и повышения хладостойкости отливок компания предлагает использовать модификаторы Insteel 1.1, 3.2 и 6.1. Первый содержит 30–50% кремния (Si), 8–22% кальция (Ca) и 7–22% бария (Ba). Остальное — железо (Fe). Второй материал помимо Fe состоит из 30–50% Si, 8–16% Ca, 4–10% Ba, 3–10% алюминия (Al) и 7–12% TRE**. Модификатор Insteеl 6.1 содержит 30–50% Si, 8–16% Ca, по 7–12% Al и Ba (оставшаяся часть — Fe). Insteеl 1.1 может применяться при производстве отливок для трубопроводной арматуры из стали 25Л, а также при повышении качества рельсовых, колесных и канатных сталей. Insteеl 3.2 используется для получения крупных заготовок (более 30 т) при выпуске прокатных валов из сталей 60ХН, 34ХН1МА и 38ХН3МФА. Он благоприятствует повышению химической однородности слитков по ликвирующим элементам. Это вещество целесообразно также вводить для улучшения поверхности нержавеющих и снижения пригара высокомарганцевых сталей. Компания производит и модификатор Insteеl 4.1 (30–50% Si, 8–15% Ca, 1–12% Al, 7–12% Ba, 10–20% титана), предназначенный для повышения трещиноустойчивости, жаро- и износостойкости, а также устранения дефектов газоусадочного характера. Выпускается фирмой и Insteеl 5 (30–50% Si, 1–12% Ca, 3–12% Al, 8–30% TRE), служащий для увеличения коррозионной стойкости и улучшения усталостных свойств, снижения содержания серы при сливании металла в ковш. (В частности, Insteеl 5 может применяться при производстве сталей для труб повышенной коррозионной стойкости 13ХФА, 20ФА, стали 20ХФ.) В зависимости от марки стали, состава модификатора и способа его ввода расход композиций серии Insteеl составляет 1–3 кг на 1 т жидкого материала. Следует заметить, что, по данным журнала «Литейное производство», по общему выпуску отливок Россия стоит на третьем месте после Китая и США, а производство стального литья в стране составляет 17,1% от его общей массы. Однако, несмотря на то, что в России в настоящее время производятся высокоэффективные модификаторы, многие заводы предпочитают использовать дешевые низкокачественные китайские микролегирующие и модифицирующие добавки. В результате наблюдается, например, следующее. При использовании на одном из заводов китайской порошковой проволоки (с наполнением ее 70-процентным ферротитаном) оказалось, что более 10% титана в сплаве находится в виде оксидов и нитридов и его усвоение не превышает 40%. Еще один пример: усвоение кальция из китайской проволоки с силикокальцием при прочих равных условиях оказывается в 2–3 раза ниже, чем из российских и европейских ферросплавов. Пластичные огнеупоры ЗАО «Росметаллкомплект» (г. Санкт-Петербург) занимается разработкой и производством пластичных огнеупорных материалов на основе гибкого эластомера «Пластогнеупор-ПС», запатентованного компанией как изобретение. На стенде фирмы в качестве одной из новинок были представлены уплотнительные шнуры для литейных и металлургических производств марок Ш-ЛК, Ш-ЗК и Ш-ИП. Шнур Ш-ЛК для сборки литейных форм позволяет избежать уходов металла в разъемах форм, уменьшить величину заливов на отливках и свести к минимуму поверхностное трещинообразование. Он укладывается по швам форм и краю рабочей поверхности. Ш-ЗК предназначен для сборки кристаллизаторов установок непрерывной разливки стали УНРС (МНЛЗ). Он используется для уплотнения зазора между головкой затравки и стенками кристаллизатора и позволяет исключить уход металла в этом узле. Изделие Ш-ИП для сборки изложниц применяется при уплотнении зазоров в местах соединения поддон– изложница и изложница–прибыльная надставка. Использование Ш-ИП дает возможность отказаться от асбестовых уплотнений и снизить трудоемкость операции по зачистке сопрягаемых поверхностей после разливки. В химический состав шнуров Ш-ЛК и Ш-ЗК входят SiO2 (76,91%), Al2O3 (0,07%), Na2O+K2O (0,19%), Fe2O3 (0,09%), TiO2 (0,34%), CaO (0,22%), C (2%) и 20% органики. Изделие Ш-ИП содержит MgO (81,79%), SiO2 (0,98%), Fe2O3 (0,98%), CaO (1,29%) и 14% органики. При температуре окружающей среды 20 °С шнуры (изготавливаемые с диаметром сечения от 2 до 30 мм) имеют плотность 1,85–2,7 г/см3, жесткость по Дефо (ГОСТ 10201-75) 420–450 гс и содержат 0,5% влаги. Их относительное удлинение составляет более 20%. К новинкам компании относится также огнеупорный парокислотный двухслойный шнур (профиль), предназначенный для соединений, работающих в условиях повышенной вибрации и находящихся под воздействием центробежных сил (во вращающихся агрегатах). В течение длительного времени такое изделие способно удерживать перегретый пар, кислоты, находящиеся под высоким давлением агрессивные газы, а в случае возникновения нештатных ситуаций — раскаленный металл. По мнению генерального директора компании Игоря Михайлова, огнеупорные пластичные материалы на основе «Пластогнеупора-ПС» могут применяться не только в металлургии, но и в ряде других отраслей промышленности. Отчасти это обусловлено различными рабочими температурными диапазонами (от -200 до +3000 °С) продукции. На химических и нефтехимических предприятиях шнуры могут использоваться для герметизации высокотемпературных соединений аппаратов, работающих под высоким давлением, глубоким вакуумом или содержащих химически агрессивные среды. В производстве стекла — для заполнения швов футеровки ванны и свода стекловаренных печей. При выпуске цемента и глинозема — для заполнения швов футеровки вращающихся печей и сводов печей обжига. В атомной энергетике — при уплотнении высокотемпературных соединений реакторов и герметизации контейнеров для хранения радиоактивных отходов. Александр Пуховский, фото автора