Способ литья по ледяным моделям (далее — ЛЛМ) служит примером малоотходных процессов литья металла по разовым моделям без применения органических материалов в соответствии с наследованием идеи цикличности природных процессов [1], [2]. При модельно-формовочных операциях по ледяным моделям (далее — ЛМ) агрегатные переходы воды — из жидкого в твердое при замораживании ЛМ, в жидкое при плавлении ЛМ для удаления из литейной формы, испарение влаги при сушке песчаной формы — в совокупности подобны кругообороту воды в природе.
Развитие холодильной техники, сделавшее холод доступным в больших масштабах с широкими возможностями использования низких температур для различных процессов, включая агрегатные изменения вещества, способствует развитию криотехнологий. Когда мы видим в продуктовых супермаркетах многометровые ряды морозильных шкафов и бонет с замороженными продуктами размерами от горошины до мясной туши, это дает основание полагать, что ЛМ таких же размеров и температуры можно производить в цехе ЛЛМ. Задача статьи — показать структуру проведенных исследований в области разработки технологии ЛЛМ с использованием природных явлений и отличие этой технологии от традиционных формовочных процессов по ряду принципиальных особенностей.
На рисунке 1 показана схема структуры исследований и технологических разработок в области изготовления ЛМ в опытно-промышленном производстве. Методы расчета технологических характеристик получения ЛМ [3], [4] как теоретических основ технологии замораживания в пресс-форме водных композиций (далее — ВК) были разработаны на основе классических теоретических положений академика А. В. Лыкова.
Применение сухого льда — твердого СО2 — в смеси с водным позволило получить пористые и пустотелые ЛМ, а использование жидкоподвижных композиций жидкого льда — дисперсии, содержащей до 50% кристалликов льда в воде, — позволило ускорить процесс замораживания модели. Исследование структуры моно-, многослойных и армированных ЛМ рассмотрено в [5], [6], а экспресс-метод измерения прочности льда и зависимость прочности на изгиб от температуры описаны в [7]. Среди разработанных способов получения ЛМ преобладают способы литья ВК в охлажденные прессформы. Практически все способы литья металла, которых насчитывается порядка сотни, приемлемы для такого литья при производстве ЛМ.
Обладают новизной запатентованные способы применения порошковых красок для нанесения на ЛМ [8]. Теоретические основы процесса составляют операции создания несложных условий появления на поверхности льда электрического положительного заряда при нанесении отрицательно заряженных частиц противопригарной порошковой краски. Слой краски увлажняли конденсацией на нем влаги из воздуха, стимулируя этот процесс распылением аэрозоля — водно-газовой дисперсии, — добавляя в порошок и (или) аэрозоль связующее и отвердитель в различном сочетании. Для кристаллогидратов (гипса, цемента), добавленных в количестве 10–25% в порошковую краску, вода является веществом, вызывающим схватывание и твердение слоя такой краски. Также эта холоднотвердеющая краска может наноситься многослойно (до толщины оболочковой формы) с послойным напылением аэрозоля в одном цикле без сушки каждого слоя, как это традиционно выполняется для жидких суспензий, наносимых на воскоподобные выплавляемые модели. Известно, что для окраски традиционных песчаных форм (не считая редкое использование припылов) и разовых моделей применяют практически только жидкие краски, хотя в машиностроении большую часть изделий покрывают порошковой краской.
На рисунке 2 показана схема структуры исследований и технологических разработок в области производства оболочковых форм по ЛМ в опытно-промышленном производстве, для чего разработаны новые способы уплотнения сухих формовочных смесей [9] и оптимизация их по гранулометрическому составу [10]. За основу взято уплотнение сухого наполнителя формы при литье по газифицируемым моделям (ЛГМ). Теоретические основы и способы фильтрационной формовки по ЛЛМ описаны в [11–15], включая применение оптимальных вариантов разрежения в форме, различных видов теплоносителей для плавления ЛМ, экспериментально определенных пределов глубины пропитки формы и влияние на этот процесс ее температуры.
Новизна фильтрационной формовки, состоящей в отверждении слоя смеси в результате пропитки ее реагентом, заключается в том, что для фильтрации используют расплав модели (ВК), который в традиционных способах с воскообразными моделями просто выплавляют и удаляют из полости формы. Таким образом, материал модели несет двоякую функцию — в твердом виде служит средством формообразования полости формы, а в расплавленном — материал для отверждения оболочковой формы, пропитывающий ее на ту или иную глубину, часто до 25 мм. При этом он не менее чем на порядок дешевле органических воскообразных составов.
Наиболее недорогими и легко регенерируемыми от тепла отливки являются формовочные самотвердеющие смеси с указанными кристаллогидратами [16]. Такие смеси при традиционной формовке применяют в жидкоподвижном виде. А добавление в песчано-цементную смесь после дробления и измельчения этой же отработанной смеси со значительной частью пылевидной фракции, образующейся в результате термодеструкции и механической деформации, ускоряет процесс твердения формы (желательное для ЛЛМ свойство) за счет введения тонкодисперсных частиц, обладающих свойством адсорбировать на своей поверхности кристаллогидраты цемента [17]. В нашем случае особенность применения модели состоит в том, что, с одной стороны, ЛМ — конструкция, копирующая металлоизделие, а с другой — доза, в расплавленном виде отверждающая контактирующий с ней сухой песок с добавкой порошка водорастворимого и отверждаемого водой связующего. Литейщик имеет такую разовую модель, которая, образно говоря, еще час назад была водой (ВК), а еще через час, образовав полость формы и растаяв, войдет своим материалом в состав затвердевшей оболочковой формы. На ощупь оболочки по ЛМ не отличаются от гипсо- или цементно-песчаных, полученных из наливных смесей с такими же компонентами, разве что изначально они имеют меньшую влажность, толщину и более высокую газопроницаемость.
Основные характеристики новизны технологии ЛЛМ показаны на рисунке 3.
Формовка при ЛЛМ базируется на аналогии с ЛГМпроцессом, в котором малозатратна формовка с виброуплотнением сухой песчаной смеси (свежего и оборотного песка) и продукты модели удаляют фильтрацией сквозь поры формы, но в нашем случае свойства льда и расплав ЛМ используют для получения оболочковой формы, причем несколькими вариантами [14]. Самопроизвольные процессы формовки описаны в [16]. В них применяли связующие быстрого схватывания, до появления технологии ЛЛМ обычно используемые в жидкоподвижных смесях высокой влажности, а также воду как слабое связующее для порошковых покрытий, при увлажнении переводящее их в полутвердое состояние. Оптимальный режим виброуплотнения сухой смеси, повышая внутреннее трение сыпучих материалов, способствует сохранению ее в неподвижном состоянии при опоре на полутвердое и постепенно твердеющее покрытие ЛМ, превращая его в опору при последующей потере опоры со стороны плавящейся модели. Новизной также является использование своего рода эстафеты несущей способности от ЛМ (к изначально сыпучим краске и формовочной смеси) через быстрое схватывание порошковой краски, фильтрацию тающей ЛМ с хемосорбцией, схватыванием и твердением формовочной смеси на глубину пропитки расплава модели или включенного в него реагента. Прежде начальная прочность создается в порошковой краске на твердой модели, затем по мере фильтрации расплава модели через твердеющую краску прочность приобретает пропитанный слой изначально сухой формовочной смеси.
Рассмотрим подробнее нанесение порошкового покрытия или краски (1-3 слоя) на ЛМ в сравнении с явлениями, наблюдаемыми в природе. Эту операцию сопровождали конденсацией пара из окружающего воздуха на поверхности охлажденного контактом с ЛМ слоя порошка, первоначально удерживаемого на поверхности ЛМ электрическим зарядом. Этот слой в контакте с ЛМ охлаждается до температуры ниже точки росы или точки инея в зависимости от температуры.
Кубический метр воздуха содержит (в зависимости от влажности) 4-25 г водяных паров. Естественную конденсацию пара мы наблюдаем дома на кухне, когда вынимаем из холодильника кастрюлю с блестящей поверхностью, которая сразу запотевает и становится матовой от водяной пленки. При +20°С воздух с влажностью 30%, 60% и 90% имеет соответственно точку росы +1,9°С, +12,0°С и +18,3°С. Как отмечено выше, ускоряют увлажнение порошкового слоя распылением у его поверхности аэрозоля в капельно-жидкой дисперсной фазе. Если поверхность охлаждена ниже температуры замерзания воды, то при контакте ниже точки инея влага из воздуха осаждается на ней в виде инея (замороженной росы).
Этот способ применяли для получения замороженного покрытия на ЛМ по принципу замороженной формы. Точка инея — температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным по отношению к поверхности льда. В природе иней осаждается вследствие десублимации прямо из газообразной фазы в твердые кристаллы, минуя жидкую фазу. Для инея самое подходящее место расположения — шероховатая поверхность материала с низкой теплопроводностью, например паутина (см. рисунки 4-6). Если пар из воздуха осаждается через жидкую фазу, то получаются наледи, гладкие и «стеклянные» (см. рисунки 7-9), которые образуются на той же паутине в естественных условиях или при изготовлении ледяных скульптур — сеток. Лед, обладая высокой прочностью, становится несущей основой, удерживая сетку большого веса. Такой принцип нанесения влаги на порошковый слой, подобный образованию росы,
инея или наледей, служит примером применения природных процессов в технологии ЛЛМ для получения твердеющей оболочки в контакте с ЛМ (см. рисунки 10-11) [18]. В этом варианте такую оболочку для мелких отливок получают путем нанесения нескольких слоев порошковой краски и последующего плавления ЛМ с вытеканием ее расплава через наколы в донной части оболочки, стоящей на опоре над противнем.
Процесс ЛЛМ пока опробован лишь в опытно-промышленном производстве, и среди препятствий для расширения его применения, вероятно, преобладают трудности смены стереотипов, например, связанных с вопросом «Как обеспечить крупносерийное производство ЛМ?». Между тем уже имеется пример отработки изготовления ледяных скульптур в больших количествах. Так, например, согласно информации из интернета [19], летом 2014 г. бразильский скульптор Н. Азеведо одновременно разместила 5000 фигурок мужчин и женщин изо льда на лестнице площади Чемберлена в Бирмингеме, Великобритания (см. рисунки 12-14). Акция служила напоминанием о погибших в Первой мировой войне. Ледяные фигуры, посаженные на ступеньки, таяли на солнце, а вода стекала по лестнице, изображая кровь убитых людей. Скульптор провела уже десяток таких акций в разных городах мира — размещение на открытом воздухе одновременно нескольких тысяч ледяных скульптур в ознаменование исторических или экологических событий. Доставка скульптур, очевидно, производилась в ларях, подобных тем, которые используются для поставки пищевого мороженого.
Обычно на производство 1 т льда в блоках расход электроэнергии составляет до 100 кВт•ч. Замораживание ЛМ на 1 т отливок массой 1 кг из железоуглеродистых сплавов требует до 50 кВт•ч электроэнергии. Модели состоят из воды более чем на 95%. Возможность получения оболочковой формы путем послойного нанесения на ледяную модель порошкового покрытия и (или) фильтрации расплава модели сквозь насыпную песчаную смесь с кристаллогидратами вовлекает в формовочные процессы два сравнительно новых физико-химических механизма, сокращающих формовку по сравнению с действующими процессами литья по выплавляемым моделям. На рисунках 15-17 показаны примеры художественных ЛМ примерно такого же размера, как фигурки Н. Азеведо, включая ЛМ барельефа Мефистофеля, выполненную путем снятия копии с каслинской отливки по технологии получения формы изо льда, а по ней — модели изо льда разной степени солености и, соответственно, разной температуры плавления (нижнее фото). Плавление формы сохраняло твердую ЛМ.
На рисунках 18-26 показаны примеры кластеров (кустов), содержащих от 2 до 10 ЛМ. В ряде моделей лед содержит красители для изучения процессов фильтрации.
Полученные по рассмотренной технологии модели и отливки из черных и цветных металлов показаны на рисунках 27-30.
ЛЛМ исключает или сводит к минимуму использование органических материалов — связующего для песчаной оболочковой литейной формы и легкоплавких материалов модели, — соответствует экологически чистым малоотходным технологиям, для популяризации которых применимы слоганы «Просто добавь воды» или «В отходах — только вода».
Отсутствие в этой технологии дорогостоящих материалов и оборудования позволяет рекомендовать ее (на стадии отработки вариантов до промышленного уровня) в качестве приемлемой темы для научно-исследовательской работы студентов технических вузов. Несколько работ на эту тему уже реализовано или находится на этапе воплощения под руководством автора статьи. Замораживают модели при температурах не ниже –15...–18°С (для ускорения последующего таяния их в форме), для чего достаточно бытовой морозильной камеры в любой учебной лаборатории. Получение студентами модели, формовка в сухом песчаном наполнителе, удаление модели при поглощении ее пористой средой наполнителя, сушка оболочки дают представление почти обо всех процессах модельно-формовочной тематики с физико-химическим подбором модельно-связующих композиций, тепломассопереносом и фильтрационно-сорбционными явлениями. Такое ознакомление с новыми технологиями, оценка их экологичности, ресурсоэффективности предоставляют молодым специалистам возможность для дальнейшего применения их на производстве.
Таким образом, в статье рассмотрены структура, итоги исследований и технологических разработок по ЛЛМ с использованием ряда наблюдаемых в природе явлений. Эта криотехнология литья из черных и цветных металлов защищена институтом ФТИМС НАН Украины десятками патентов на изобретения. Вовлечение обширного массива междисциплинарных знаний из области криологии в литейно-металлургическое производство как технологическое использование науки в качестве производительного ресурса неизбежно даст высокотехнологичные способы получения отливок [14-16] при поэтапном совершенствовании процессов точного литья.
Литература
1. Дорошенко, В. С. Что может быть экологичнее воды? Криотехнология получения металлических отливок по ледяным моделям / В. С. Дорошенко // Литье и металлургия. — 2012. — №2.
2. Дорошенко, В. С. Криотехнология литья по ледяным моделям / В. С. Дорошенко // Литейное производство. — 2013. — №3.
3. Дорошенко, В. С. Методы расчета технологических параметров замораживания ледяных моделей для литья в песчаную форму / В. С. Дорошенко, В. П. Кравченко // Металл и литье Украины. — 2008. — №1-2.
4. Дорошенко, В. С. Получение ледяной литейной модели в контакте с охлажденной оснасткой / В. С. Дорошенко, В. П. Кравченко // Металл и литье Украины. — 2009. — №6.
5. Дорошенко, В. С. Структура литейной ледяной модели с точки зрения теории фракталов / В. С. Дорошенко, В. П. Кравченко // Металл и литье Украины. — 2010. — №3.
6. Doroshenko, V. S. Formation of the Ice Casting Pattern Structure and Methods of Its Modeling / V. S. Doroshenko, V. P. Kravchenko, O. V. Mul // Boundary Field Problems and Computer Simulation. — Vol. 51.Riga: RTU, 2012.
7. Дорошенко, В. С. Предпосылки создания технологии литья по ледяным моделям в вакуумируемых формах / В. С. Дорошенко // Металл и литье Украины. — 2009. — № 4-5.
8. Дорошенко, В. С. Нанесение порошковых красок на ледяные литейные модели, применяемые для получения отливок из металла / В. С. Дорошенко // Экология и промышленность России. — 2011. — №3.
9. Дорошенко, В. С. Газодинамическое уплотнение сухих формовочных наполнителей / В. С. Дорошенко // Литье и металлургия. — 2013. — №2.
10. Дорошенко, В. С. Оптимизация гранулометрического состава сухих сыпучих формовочных смесей / В. С. Дорошенко // Литье и металлургия. — 2014. — №2.
11. Дорошенко, В. С. Литье в оболочковые формы, полученные пропиткой сухого песка связующим / В. С. Дорошенко, О. И. Шинский // Металл и литье Украины. — 2009. — №7-8.
12. Шинский, О. И. Технологические особенности и варианты формовки по ледяным моделям / О. И. Шинский, В. С. Дорошенко // Металл и литье Украины. — 2007. — № 4.
13. Дорошенко, В. С. Создание математической модели пропитки поверхностного слоя песка связующим при получении оболочковых форм / В. С. Дорошенко // Процессы литья. — 2008. — №5.
14. Дорошенко, В. С. Варианты твердения формовочных смесей при литье по ледяным моделям / В. С. Дорошенко // Литейное производство. — 2016. — №3.
15. Дорошенко, В. С. О системе мониторинга процесса литья по ледяным моделям / В. С. Дорошенко // Литейное производство. — 2014. — №5.
16. Дорошенко В. С. Материалы, разрушающиеся после выполнения своих функций в формовочных процессах / В. С. Дорошенко // Литейное производство. — 2015. — №9. — С. 15-17.
17. Заславская, О. М. Рециклинг в литье по выплавляемым моделям / О. М. Заславская, Л. Н. Сабирова, Д. А. Кольцо // Вестник ЮУрГУ. — 2012. — №39.
18. Дорошенко, В. С. Использование природного явления конденсации влаги для увлажнения твердеющего покрытия ледяных моделей / В. С. Дорошенко // Литье. Металлургия — 2016: материалы XII Международной науч.-практ. конф. (24-26 мая 2016 г., Запорожье) / Под ред. О. И. Пономаренко. — Запорожье : ЗТПП, 2016.
19. 5000 маленьких человечков из льда в память о жертвах Первой мировой войны. — Электронный ресурс: https://4tololo.ru/content/6368 (дата обращения 08.12.2016 г.).
