Технико-экономический анализ в литейном производстве. Лекция.

Поделиться ссылкой:

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ

      Выбор технологии и оборудования литейного цеха обусловлен выпускаемой номенклатурой литья. Заказчику (потребителю) необходимо, чтобы отливка соответствовала определенным требованиям, связанным с условиями эксплуатации готового изделия. Эксплуатационные свойства отливки можно разделить на группы:

  1. Геометрические — точность размеров, габаритные размеры, толщина стенки отливки, шероховатость поверхности. Геометрические характеристики определяются способом изготовления отливки.
  2. Физические — механические, термические, электрические. Определяются материалом отливки и условиями изготовления. Наличие дефектов в теле отливки существенно снижает механические свойства.
  3. Химические — коррозионная стойкость. Коррозионная стойкость определяется исключительно материалом поверхности отливки.

Требования, предъявляемые к различным отливкам, существенно отличаются друг от друга:

  1. Чушка баббита изготавливается для дальнейшего использования для заливки подшипников. К чушке не предъявляются требования по размерной точности, механическим свойствам. Единственным параметром чушки, определяемым заказчиком, является ее химический состав. Серийность чушек баббита невысока.
  2. Отливка «Дон-Кихот» является конечным продуктом и производится на продажу. «Дон-Кихот» должен иметь высокую точность размеров и низкую шероховатость поверхности. Механические свойства материала отливки не регламентируются. Серийность отливки небольшая.
  3. Отливка «трак» производится для эксплуатации в условиях высоких статических и динамических нагрузок в агрессивной среде. Отливке не требуется большой точности размеров. Серийность траков очень высокая.

      Требования заказчика определяют выбор технологии и оборудования для изготовления отливок. Насколько велики различия между отливками, настолько отличается и требуемое для их изготовления оборудование.

2.1. МЕТОДЫ ЛИТЬЯ

      Применяемые методы литья различаются по материалу и конфигурации формы, а также условиям ее заполнения (табл.2.1).

Таблица 2.1.

Методы литья [20].

Тип формыСпособ заполнения формы
ГравитационныйПод давлениемПод вакуумом
Песчаная:   
объемная разъемнаяПесчаная формовка Вакуум-плено-чная формовка
объемная              цельнаяЛитье по газифици-руемым моделям ГОМОДАР-процесс [22]
оболочковаяКронинг-процесс «С» и «D» [21]  
Керамическая:   
разъемнаяШоу-процесс,      Юникаст-процесс  
цельнаяЛитье по выплав-ляемым моделямЛитье по выплав-ляемым моделям под давлением [23]Литье по вып-ляемым моделям вакуумным всасыванием [24]
Гипсовая   
разъемнаяАнтиох-процесс, Зульцер-процесс  
цельнаяКапако-процессЦентробежное литье гипсовых форм по выплав-ляемым моделям 
Металличес- каяЛитье в кокильЛитье под       давлениемЦентробежное литьеЛитье вакуумным всасыванием

       Заливка под давлением позволяет заполнять более тонкие стенки в полости формы и лучше воспроизводить ее конфигурацию. Заливка под вакуумом действует аналогично, но ее возможности существенно меньше — давление не может превысить 1 атм. Предложенная классификация методов литья не учитывает срока эксплуатации формы. По этому признаку различают разовые, полупостоянные, и постоянные формы. Однако следует отметить, что в термине «полупостоянные формы» есть некоторая неопределенность. Так называют как многоразовые формы (например, керамические разъемные), так и частично разрушаемые формы (например, облицованные кокили). Термин «постоянные формы» также достаточно условен, поскольку их срок службы велик, но не бесконечен.

      Песчаные формы имеют низкую теплопроводность, поэтому кристаллическая структура отливок крупнозернистая. При возникновении усадочных напряжений отливки редко трещат, т.к. формовочная смесь податлива. Высокая газопроницаемость песчаных форм способствует удалению газов из полости формы. С другой стороны сама форма, а точнее, вода или синтетические смолы, может стать источником газов. Литье в песчаные формы позволяет получать отливки любых размеров и достаточно сложной конфигурации, но, поскольку формы одноразовые, стоимость литья в песчаные формы весьма велика, в основном за счет расходов на формовочную смесь и операцию формовки. Литье в песчаные формы включает множество способов уплотнения и связывания формовочной смеси.

       Гипсовые формы отличаются очень низкой теплопроводностью, высокой прочностью и точностью воспроизведения модели. Но стоимость формовочной гипсовой смеси значительно выше стоимости смеси на других связующих, поэтому гипсовые формы применяются для особо точного литья с тонкими стенками, например ювелирного, в стоматологии. Технология изготовления гипсовых форм аналогична технологии , применяемой для жидкоподвижных смесей. Гипсовые формы применяют только для литья сплавов с температурой заливки до 1150 оС.

      Литье по выплавляемым моделям — способ литья, позволяющей получать отливки любой, самой сложной конфигурации. Получаемые цельные керамические формы имеют низкую газопроницаемость и теплопроводность. Стоимость отливок, изготовленных литьем по выплавляемым моделям, весьма высока, а технологический процесс плохо поддается автоматизации. В Шоу-процессе используется самотвердеющая смесь, состоящая из мелкодисперсного наполнителя (кварц, циркон, и т.д.) и продуктов гидролиза кремнийорганических связующих. Особенность Шоу-процесса в образовании в теле формы сквозной пористости в виде сетки микротрещин после обжига газовой горелкой. После обжига формы прокаливаются в печи.  Изготавливают как цельнолитые (для крупных отливок), так и оболочковые формы. В отличие от гипсовых форм, формы, изготовленные Шоу-процессом, обладают высокой газопроницаемостью и податливостью. Из-за низкой теплопроводности форм структура отливок крупнозернистая. Одной из модификаций Шоу-процесса является процесс Юникаст [25], при котором формы перед обжигом помещаются на 1 час в раствор, содержащий этиловый спирт. Такая обработка повышает размерную стабильность и прочность форм.

      Кокиль — металлическая форма, заполняемая металлом под действием силы тяжести. При литье в кокиль могут быть использованы песчаные стержни. Литье в кокиль имеет экономические преимущества и технологические недостатки. Преимущества литья в кокиль в существенном сокращении затрат на смесеприготовление, формовку и дальнейшую механообработку. К недостаткам кокильного литья относятся:

  1. Отсутствие газопроницаемости. Для частичного удаления газов применяют пробки и венты. Тем не менее кокильное литье более подвержено газовым дефектам по вине металла, чем песчаное. Поэтому металл для кокильного литья необходимо тщательно рафинировать.
  2. Высокая скорость охлаждения, поэтому кристаллическая структура кокильного литья столбчатая, полностью или частично, что негативно отражается на механических свойствах. В чугунных отливках практически всегда возникает отбеленный слой. Избежать нежелательной структуры можно, используя суспензионную разливку [26] или термообработку.
  3. Высокая прочность кокиля. При его сложной конфигурации, наличии металлических стержней возникающие при затвердевании и охлаждении расплава усадочные напряжения могут привести к трещинам в отливке. Для предотвращения таких дефектов практикуется подогрев кокилей, из-за чего увеличивается время охлаждения отливки в форме, сокращается срок службы кокилей.

      Перечисленные недостатки говорят о том, что в кокилях без применения специальных мер предотвращения дефектов можно получить качественные отливки только цветных сплавов, в особенности легких. Кокильное литье не требует специального оборудования, однако если для раскрытия кокиля и подрыва стержня требуются большие усилия, то применяют кокильные станки.

       Литье под давлением основано на выдавливании жидкого металла, находящегося в камере прессования машины литья под давлением в полость стальной пресс-формы. Преимущества литья под давлением перед кокильным литьем в высокой воспроизводимости контуров модели, что сокращает или вообще исключает последующую механическую обработку. Другое преимущество в мелкозернистой структуре отливки (из-за очень высокой скорости охлаждения), что повышает ее механические свойства. Недостатки литья под давлением в невозможности покраски стальной пресс-формы (используют только защитные покрытия, наносимые тонким слоем), что накладывает ограничения на применяемые сплавы ( только цветные ). Специально разработанные материалы пресс-форм (молибденовые сплавы, композиционные материалы)  для черных сплавов выдерживают до 10000 запрессовок [27]. К разновидностям этого способа литья относятся литье с допрессовкой для массивных отливок (используются универсальные гидравлические прессы) и литье с кристаллизацией под давлением для повышения плотности отливки.

      Литье вакуумным всасыванием сочетает преимущества кокильного литья и литья под давлением. Точное воспроизведение контуров кокиля достигается за счет разности атмосферного давления и давления вакуумирования. В то же время не требуется дорогостоящей пресс-формы и машины литья под давлением. Вакуумным всасыванием получают отливки только из легких сплавов.

       Технологические возможности рассмотренных способов литья приведены в табл.2.2-2.3.

Таблица 2.2.

Характеристика способов литья [28,29,30]

Метод литьяКоэффици-ент использования металла, %Минимальная шероховатость поверхности, RzПредельное отклонение размеров, мм/мМаксималь-ная масса отливок, кг
Песчаные формы:    
       Опочные84 254
       Безопочные,        стержневые              90102
       Оболочковые92104120
Гипсовые формы991,50,510
По выплавляемым моделям982,51200
Шоу-процесс:    
Объемные формы9033
Оболочковые формы923210
Кокиль92153
Под давлением982,5160

       Центробежное литье применяются для получения тел вращения           (труб, рубашек прокатных валков) и для создания дополнительного давления в сочетании с другими способами литья.  

Таблица 2.3.

Минимальная толщина стенки отливки [28,29].

Метод литьяМинимальная толщина стенок отливки, мм
 AlMgCuZnSnPbЧугунСталь 
Песчаные формы33323 
Гипсовые формы1,511    
По выплавляемым моделям1,2110,30,60,611,2 
Шоу-процесс0,8     1,61,6 
Оболочковые формы      1,752,5 
Кокиль13238 
Под давлением0,80,81,50,60,60,6 

2.2.ПРИГОТОВЛЕНИЕ СМЕСИ.

      Выбор оборудования смесеприготовительного отделения определя-ется прежде всего используемой стержневой и формовочной смесью.  Формовочная смесь — пористый материал, состоящий из наполнителя,  связующего и различных добавок. Выбор компонентов смеси определяется сравнением цен на них и качества получаемых отливок (через потери от брака)  в условиях конкретного производства.

      Наполнитель в формовочной смеси является основным компонентом, создающим устойчивый каркас, скрепляемый связующим. Выбор материала наполнителя определяется следующими условиями:

  1. Температура плавления (размягчения) наполнителя  должна быть выше температуры заливки расплава.
  2. Наполнитель не должен химически взаимодействовать и смачиваться  расплавом.
  3. Наполнитель не должен претерпевать аллотропических превращений до температуры заливки.
  4. Наполнитель, его возможные соединения не должны быть ядовиты.
  5. Наполнитель должен быть широко распространен в природе и, соответственно, дешев.  

      Всем этим условиям (для любых литейных сплавов) не отвечает ни один минерал.  Например, широко распространенный в природе и тугоплавкий  кварц вызывает заболевание силикоз, взаимодействует с закисью железа, образуя соединение с температурой плавления 1178 оС и претерпевает аллотропическое превращение (увеличение объема) при температуре 575 оС. Практически применяемые в качестве наполнителей материалы подбираются  исходя из температуры заливки расплава (табл.2.4). Из-за высокой стоимости все материалы, кроме кварцевого песка, используются только для облицовки полости формы.

Таблица 2.4.

Выбор материала наполнителя [28,30,31].

Материал наполнителяТемпература плавления, оСРасширение при 900 оС, %Условная термостойкость при 1000 оС, с
Кварцевый песок1560(1178-FeO*SiO2)1,5674
Дистен-силлиманит15451,05240
Хромитовый порошок17700,5290
Цирконовый концентрат18000,25310

      Выбор фракции наполнителя определяется требованиями заказчика к шероховатости поверхности отливок и сравнительной опасностью различных видов брака. С одной стороны, чем крупнее фракция наполнителя, тем выше будет газопроницаемость и термостойкость смеси, а с другой стороны, возрастает опасность механического пригара.

      Газопроницаемость формы или стержня зависит также от пористости смеси,  т.е. от содержания связующего. Например, газопроницаемость песчано-глинистой смеси (6% глины) примерно в два раза ниже газопроницаемости смеси с масляным (2%) связующим. Таким образом, чем меньше количество связующего, тем выше газопроницаемость.

      Механические свойства смеси определяются используемым связующим (табл.2.5).

 Таблица 2.5.

                               Механические свойства смесей [31-34].

СвязующееПрочность смеси на сжатие после сушки,   атм
Каолиновая и полиминеральная глина1-2
Бентонитовая глина2-3
Портландцемент2-3
Лигносульфаты2-5
Жидкое стекло8-100
Масла естественные и синтетические5-15
Металлофосфаты20-40
Синтетические смолы15-50

      Стержень и безопочная форма не имеют защитного покрытия, предохраняющего их от разрушения (опоки), поэтому они должны обладать более высокой прочностью, чем опочная форма.  

      Исторически в качестве основного связующего материала в литейном производстве используется глина. Это наиболее дешевое связующее, кроме того, глина не выделяет при нагреве вредных веществ, и позволяет за счет усадки частично компенсировать тепловое расширение наполнителя.       

      Органические связующие при высокотемпературном нагреве смеси во время заливки и кристаллизации разлагаются на газы ( оксид и диоксид углерода, углеводороды, аммиак и т.д. ) и коксовый остаток. Чем выше выход коксового остатка (табл.2.6.), тем, соответственно, выше термостойкость смеси и ниже ее газотворность и тем меньше вероятность дефектов отливки, связанных с этими факторами. Следует отметить, что масса коксового остатка, как и стоимость смол в основном зависит от содержания в них дорогостоящего фурилового спирта.

       Неорганические связующие в процессе заливки и кристаллизации не выгорают, но частично оплавляются, что приводит к существенному ухудшению выбиваемости. Эта проблема не касается только металлофосфатных связующих, выбивка которых осуществляется растворением в воде.

Таблица 2.6.

Основные характеристики синтетических смол [35].

СмолаКоксовыйПрочность на разрыв, атм,через
 остаток, %24ч
Карбамидная7-121,5-2,53-74-8
Карбамидофурановая20-402-2,56-88-10
Фенольная501,7-2,25-77-10
Фенолофурановая50-552-2,55-67-8

       В формовочной смеси используются различные специальные добавки [36]:

  1. Поверхностно-активные вещества, повышающие подвижность смеси (контакт Петрова, ДС-РАС и др.). При содержании поверхностно-активных веществ 0,2-0,5% и не более 5% воды смесь переходит в жидкоподвижное состояние. Жидкоподвижные смеси заливают в оснастку без дополнительного уплотнения, что позволяет эффективно применять их для изготовления крупных отливок сложной конфигурации.
  2. Отвердители для самотвердеющих и химически твердеющих  смесей (нифелиновый шлам, феррохромовый шлак, ортофосфорная кислота,  бензолсульфокислота и др.).
  3. Добавки для повышения живучести готовой смеси ( едкий натр, аминоспирты и др.).
  4. Упрочняющие добавки ( каменная соль, фосфат натрия, сода, силаны).
  5. Противопригарные материалы (каменный и древесный уголь, кокс, мазут и др.). Противопригарные добавки, сгорая, обеспечивают восстановительную атмосферу в форме.
  6. Добавки, повышающие теплопроводность смеси ( окислы железа и марганца, металлические порошки, дробь). Благодаря действию этих добавок быстрее формируется твердая корка металла.
  7. Добавки, повышающие податливость смеси (древесные опилки, торфяная крошка, коксовая мелочь, вспученный перлит).
  8. Экологические добавки (мочевина, перманганат калия и т.п.) реагируют с вредными выделениями смеси.

      Также для предотвращения пригара поверхность полости формы может быть окрашена литейной краской, состоящей из мелкодисперсного наполнителя и связующих добавок.

      Те свежие материалы, которые поставляются в литейные цеха без предварительной обработки, нуждаются в подготовке. Технологическая схема подготовки кварцевого песка состоит из следующих операций:

    1. Просев.

    2. Сушка.

    3. Охлаждение.

      Песок просеивают с целью отделения от него гальки, случайно попавших при транспортировке предметов и т.д. . Процесс просеивания имеет контрольный характер (ячейки сита 3-5 мм)

      Сушка свежих формовочных материалов (песка и глины) производится на сушильных плитах, в тарельчатых сушильных печах, в барабанных сушилах, в печах кипящего слоя. В установках кипящего слоя возможно совмещение операций сушки и охлаждения свежих формовочных материалов. Возможно использование и термических печей других типов.  

      Размельчение глины и угля производится в два этапа: сначала грубое (дробление), затем тонкое (размол). Для дробления свежих формовочных материалов используют вальцовые, щековые, молотковые и крестовые дробилки. Для размола применяют шаровые и вибрационные мельницы.

      Выбор оборудования для подготовки свежих формовочных материалов определяется исключительно его производительностью, поскольку удельные энергозатраты примерно равны.

       Процесс приготовления формовочной смеси из предварительно подготовленных компонентов (формовочного песка, связующего, добавок, воды) состоит из операций смешивания, гомогенизации и разрыхления. Предварительно подготовленные составляющие формовочной смеси перемешиваются в смесителе.

      При перемешивании смеси происходит обволакивание зерен наполнителя связующим. Рабочие органы смесителя инициируют движение наполнителя относительно связующего, формируя тонкую пленку связующего на поверхности зерен. Можно сказать, что качество смешивания (равномерное распределение связующего вокруг зерен наполнителя) напрямую зависит от вязкости связующего и мощности смесителя при одинаковом времени смешивания и объеме замеса (табл.2.7.). Существуют следующие основные типы смесителей (рис. 2.1-2.6):  катковые (нормальные бегуны, бегуны-восьмерка, маятниковые, катковые скоростные, катковые с пальцевым рыхлителем), бескатковые (вихревые, «Контрамикс» , роторные), лопастные, вибрационные.

Таблица 2.7.

Основные типы смесителей [36,37].

Тип смесителяМощность привода/ производительность, кВт/м3Рекомендуемый тип связующего
Катковый, бескатковые роторный и «Контрамикс»2-4 Твердое 
Вихревой1-2Твердое или жидкое
Лопастный0,8-1,5Жидкое
Вибрационный0,4-0,8Жидкое

Рис.2.1. Нормальные бегуны.             Рис.2.2. Маятниковые бегуны.

1 — катки; 2 — плужки.                          1- катки; 2- плужки.

Рис.2.3. Вихревой смеситель.            Рис.2.4. Смеситель «Контрамикс».

1 — наклонная пластина.                     1 — плужки.

Рис.2.5. Смеситель «Stots»                  Рис.2.6. Роторный смеситель.

1 — каток; 2 — рыхлитель.                    1 — лопасти; 2 — скребок;

                                                           3 — мешалка.

     Катковые, бескатковые и вибрационные смесители — периодического действия, лопастные могут быть как периодического, так и непрерывного действия. Катковые и бескатковые смесители наиболее дорогостоящи, требуют больших эксплуатационных затрат, но и обеспечивают лучшее качество смеси. Вибрационные смесители, несмотря на широкое применение в строительстве, в литейном производстве используются редко из-за идущего в них процесса седиментации ( распределения зерен наполнителя по фракциям). Основное  преимущество вибрационного смесителя перед лопастным в отсутствии вращающихся частей, что снижает эксплуатационные издержки.         

      Гомогенизация готовой формовочной смеси происходит при вылеживаний ее в бункере-отстойнике. Разрыхление осуществляется на аэраторах.

      Под действием высокой температуры заливаемого металла формовочная смесь претерпевает глубокие изменения. Песок, в особенности зерна отличных от кварца минералов, растрескивается из-за термических напряжений. Частицы глины спекаются, образуя конгломераты зерен наполнителя. Уголь и органические связующие выгорают, оставляя золу. Зола вместе с мелочью от растрескавшихся зерен и пленками спекшейся глины увеличивает содержание пыли в смеси, что снижает ее газопроницаемость. Смесь становится непригодной к повторному использованию.

      Регенерация — процесс восстановления фракционного состава наполнителя путем отделения зерен песка от связующего и пыли. Известно, что для песчаной формовки коэффициент использования формы составляет 5-10 %, т.е. необходимый для функционирования цеха объем формовочной смеси в 10-20 раз превосходит объем заливаемого металла. Если не проводить регенерацию, то расходы на закупку свежего формовочного песка, транспортировку свежего формовочного песка и отходов, плата за использование отвалов могут превысить расходы на установку и эксплуатацию регенерационного оборудования.

      Технологическая схема процесса регенерации формовочной смеси состоит из следующих операций:

1. Предварительное дробление.

2. Отделение металла.

3. Грохочение.

4. Регенерация ( механическая, мокрая, термическая).

5. Контрольное грохочение.

       Предварительное дробление применяется при формовке по-сухому. Выбитая из форм смесь при формовке по-сырому рассыпается при прохождении через прутья выбивной решетки. Отделение металла осуществляется для черных металлов — магнитной сепарацией, для цветных — инерционным способом (за счет более высокой инерции частиц металла ) на лопастном барабане. Грохочение отработанной смеси после отделения металла имеет целью отделение кусков стержней, литников и т.д. и производится через крупное сито с ячейками 6-12 мм.

       Среди испытанных способов регенерации основными оказались три — механический, термический и мокрый [39].     

      Процесс механической регенерации должен состоять из отделения инертных пленок от зерен наполнителя и восстановления фракционного состава путем сепарации. Отделение пленок осуществляется посредством перетирания смеси в ударно-отражательных шаровых мельницах и вибрационно-фракционных дробилках. Пыль из смеси удаляется каскадным воздушным сепаратором или на вибросите.

      Пневматическая регенерация является частным случаем механической. В пневморегенераторах пленки связующего отделяются при трении зерен наполнителя о стенки и друг о друга в воздушном потоке. Образующаяся пыль уносится потоком в фильтры, а наполнитель осаждается. При пневматической регенерации зерна наполнителя не подвергаются разрушению в дробилках, что выгодно отличает этот процесс от собственно механической  регенерации.  

     Для регенерации смесей на органическом связующем применяют термическую регенерацию, заключающуюся в выжигании при температуре 700-800 оС всех органических веществ, в т.ч. пленок связующего. Поскольку объем перерабатываемой смеси очень велик, требуются печи с очень высокой производительностью и небольшими потерями, что наилучшим образом производится в противотоке. Для термической регенерации можно использовать любые термические печи, но наиболее предпочтительны вращающиеся барабанные сушила, тарельчатые многоярусные печи, печи сжигания в кипящем слое.

      При регенерации мокрым способом смесь поступает в гидроциклоны с проточной водой, которая уносит мелкую пыль и пленки связующего, отделенные при предварительном размельчении, растворяет водорастворимые связующие. Затем промытая смесь поступает в многокамерные гидравлические оттирочные машины, снабженные мешалками. Благодаря трению, создаваемому мешалками, и расклинивающему давлению воды, поступающей в капиллярные зазоры между пленками связующего, они отделяются от зерен наполнителя. Оседающий в бассейне песок выгребают и обезвоживают центрифугированием или вакуумированием и сушат в печи.  Часто мокрый способ регенерации является звеном системы гидравлической выбивки стержней.

      Таблица 2.9.

Рекомендуемые способы регенерации [39].

СвязующееСпособ регенерации
Глина, в т.ч. бентонитоваяПневматическая
ПортландцементМеханическая
ЛигносульфатыПневматическая
Масла естественные и синтетическиеТермическая
Синтетические смолыТермическая
МеталлофосфатыГидравлическая
Жидкое стеклоГидравлическая

      Для отработанных смесей сложного состава используют комбинированные методы регенерации. Например, для регенерации песчано-глинистой смеси  со стержневой смесью на синтетических смолах используют термомеханическую  или термопневматическую регенерацию.

      Просев регенерата производится на барабанных, полигональных, вибрационных ситах. Барабанные сита (рис.2.7) представляют собой сетчатый цилиндр или усеченный конус, а полигональные (рис.2.8) многоугольную призму, вращающиеся вокруг своей оси, наклоненной под углом к горизонту для обеспечения движения просеиваемого материала под действием силы тяжести. Просеиваемый материал движется вдоль полотна сита, поэтому к.п.д. просеивания (соотношение между массой частиц, прошедших через сито, и имевших размеры меньше ячеек сита) низкий, и производительность также низкая, особенно это касается барабанных сит. В полигональных ситах вектор движения частиц смеси имеет больший угол относительно полотна сита. В вибрационных ситах частицы смеси движутся почти перпендикулярно полотну, поэтому к.п.д.  и скорость просеивания  очень высокие, но из этого достоинства вытекают и недостатки: шум и вибрация (особенно для ударных вибрационных сит) и высокая стоимость обслуживания. Эксплуатационные характеристики сит приведены в табл.2.10.

                Таблица 2.10.

               Эксплуатационные характеристики сит [40].

Тип сита К.п.д. просеивания Удельная скорость просева, т/м2
Барабанное0,6-0,653-5
Полигональное0,65-0,753-5
Вибрационное0,8-0,9510-30

2.3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ.

       Процесс изготовления песчаных   форм и стержней состоит из уплотнения и отверждения формовочной (стержневой) смеси. Существуют технологии, позволяющие  применять уплотнение без отверждения ( литье по газифицируемым моделям, вакуум-пленочная формовка) и отверждение без уплотнения ( изготовление химически твердеющих форм и форм на термореактивном связующем).

      Формовочная смесь обыкновенно уплотняется. Это необходимо делать для предотвращения дефектов отливок. Во-первых, при недостаточном уплотнении формовочной смеси возможен дефект «подутость», вызванный изменением конфигурации полости формы под действием гидростатического давления металла. Во-вторых, при большем расстоянии между зернами формовочной смеси велика вероятность механического пригара. В-третьих, недостаточное уплотнение формовочной смеси снижает координационное число (количество контактов между зернами), что сказывается на прочности смеси, а, следовательно, приводит к дефектам, связанным с разрушением формы. С другой стороны, уплотнение формовочной смеси снижает ее газопроницаемость, т.е. способствует развитию газовых дефектов в отливках. Конечно, при достаточной прочности формовочной смеси можно отказаться от уплотнения. Если смесь не уплотняется, то для предотвращения механического пригара форму необходимо красить.

       Особенное значение имеет равномерность уплотнения для стержней, отверждаемых сушкой, из-за возможного разрушения или растрескивания в результате возникающих термических напряжений.   

       Наиболее часто применяемым способом уплотнения смеси является прессование плоской прессовой колодкой. Его основные преимущества — высокая скорость, отсутствие пыли, вибрации. Но использовать этот способ можно только для небольших моделей без отъемных частей с незначительными перепадами высот, иначе возникает разноплотность формы (рис.2.9). Этот существенный недостаток может быть устранен применением профильной прессовой колодки, что вдвое увеличивает стоимость модельной оснастки и время простоя при ее смене. Другие методы прессования — прессование многоплунжерной головкой, гибкой диафрагмой, давлением газов [41] — разработаны именно для предотвращения разноплотности формы без применения профильной прессовой колодки (рис.2.10). Применение перечисленных способов сохраняет преимущества прессования за счет высокой стоимости формовочного оборудования.  Для прессования необходимы дорогостоящие литые опоки с наполнительной рамкой.

Контр-                                                  Контр-   

  лад                                                         лад

  Лад                                                        Лад             

                         Степень уплотнения                             Степень уплотнения                                                               

Рис.2.9. Верхнее (1) и нижнее (2)         Рис.2.10. Дифференциальное         

прессование.                                           прессование.

      При встряхивании реализуется механизм давления слоев смеси друг на друга при периодически возникающих ускорениях.   Встряхиванием можно получать формы любой конфигурации. Недостатки этого метода — большая длительность процесса уплотнения, пыль, шум, вибрация. Плотность набивки с увеличением высоты падает (рис.2.11), поэтому необходимо дополнительное уплотнение со стороны контрлада. Встряхивающие формовочные машины обычно комплектуются с прессовыми в единую установку (встряхивающие формовочные машины с допрессовкой). Применяется также уплотнение пневматическими и ручными трамбовками. Из-за больших динамических нагрузок применяются литые опоки.

       Уплотнение пескометом происходит за счет ударов пакетов формовочной смеси, сходящих с метательной головки, о формовочную смесь в опоке и уплотнения самих пакетов на метательной головке под действием центробежных сил. Таким образом, механизм уплотнения аналогичен прессованию небольших порций смеси. Поскольку пакеты формовочной смеси уплотняются уже на метательной головке, то усилие прессования достаточно большое — степень уплотнения пескометом соответствует уплотнению под высоким давлением. Так как каждый следующий слой смеси подпрессовывает предыдущий, то уплотнение по высоте формы практически одинаковое (рис.2.12). Степень уплотнения снижается вблизи высоких выступов модели и под крестовинами опоки. Основное преимущество пескомета — в отсутствии жесткой связи с заполняемой формой и совмещении операций заполнения формы и уплотнения. Поэтому пескометом можно уплотнять формы неограниченных размеров. Для этих целей используются стационарные и передвижные пескометы. Также весьма эффективно применение ширококовшевых и качающихся пескометов на формовочных линиях, т.к. скорость формовки очень высока. Недостаток пескометного уплотнения в значительном перерасходе формовочной смеси. Давление смеси на стенки опоки при уплотнении пескометом невелико, что позволяет использовать легкие и недорогие сварные опоки.

      Пескодувным способом формовки реализуется механизм уплотнения, аналогичный пескометному (рис.2.12).

Контр-                                                  Контр-   

  лад                                                         лад

  Лад                                                        Лад             

                          Степень уплотнения                             Степень уплотнения                                                               

Рис.2.11. Встряхивание.                       Рис.2.12. Пескометное (1) и песко-

                                                                             дувное (2) уплотнение.

     Отличие состоит в большей дискретности процесса: формовочная смесь движется не пакетами, а практически сплошным потоком, поэтому скорость формовки весьма высокая. Но поскольку импульс, передаваемый пакетом формовочной смеси, больше импульса дискретных зерен, степень уплотнения при пескодувном способе небольшая.  Поэтому он применяется либо для формовочных смесей с высокопрочным связующим, либо совместно с другим способом уплотнения, например пескодувно-прессовый. Именно пескодувно-прессовый способ уплотнения форм является базовым для  автоматических линий ведущих мировых производителей литейного оборудования. Вариантом пескодувного механизма является пескострельный. При уплотнении пескострельным механизмом смесь в опоку или стержневой ящик подается дискретными порциями, которые уплотняются в конической насадке магазина. Скорость движения пакетов формовочной смеси весьма высока, т.к. при отсечке сжатого воздуха не успевает развиться процесс фильтрации и перепад давления между ресивером и формой очень велик.

       Литье по выжигаемым моделям применяется в основном для изготовления отливок сложной конфигурации. Выжигаемые модели перед употреблением окрашивают. Этот процесс не предусматривает использования связующего. Вместо опок применяются контейнеры. Песок в контейнерах уплотняется на вибростолах [42].

      Сущность вакуум-пленочной формовки состоит в удержании конфигурации формы за счет разности атмосферного давления и давления (вакуума) во внутреннем объеме формы. Герметизация полуформ обеспечивается отсутствием в опоке отверстий и применением термоусадочной пленки, накладываемой на лад перед заполнением опоки формовочной смесью и контрлад после. Для предотвращения механического пригара внутренняя поверхность формы окрашивается. Вакуум-пленочная формовка позволяет обходиться вообще без связующего, что сокращает расходы на формовочную смесь, но требует дорогостоящего оборудования и высококачественную термоусадочную пленку. Отсутствие связующего снижает теплопроводность формы, что позволяет получать тонкостенные отливки. Современные термоусадочные пленки могут увеличивать площадь поверхности при нагреве в 6-9 раз, что позволяет получать вакуум-пленочным методом формы практически любой конфигурации, в т.ч. с поднутрениями [43]. Производители изготавливают стандартные наборы оборудования, в т.ч. специальных опок для вакуум-пленочной формовки, что существенно ограничивает возможности ее применения. Масса получаемых отливок — в пределах 200 кг. Способ особенно эффективен для производства тонкостенных изделий с развитой поверхностью, например бытовых ванн.  

      Формовочная смесь упрочняется при удалении или химическом связывании растворителя (пластификатора) из связующего.  Естественное испарение — процесс длительный, поэтому практически всегда его интенсифицируют печной сушкой.  Для сушки форм и стержней используют проходные и камерные сушильные печи, печи СВЧ-излучения.          

      Химическое упрочнение смеси из-за высокой стоимости связующего используется в основном для изготовления стержней, а также оболочковых форм и в качестве облицовочного слоя в форме.

     Современные процессы изготовления стержней (табл.2.11-2.12) универсальны. Они поддаются комплексной автоматизации, но их можно применять и для мелкосерийного и индивидуального производства, что особенно важно в условиях изменчивой рыночной конъюнктуры. В таком случае, например,  продувка газом может осуществляться под зонтом. Причем при продувке время отверждения стержневой смеси слабо зависит от размера стержня. Только отверждение по нагреваемой оснастке  требует специального оборудования для подготовки плакированного песка. Из-за этого недостатка, а также высокой стоимости энергоносителей доминирующими в промышленно развитых странах являются различные варианты cold-box процесса [44]. С другой стороны, горячее отверждение позволяет получать оболочковые формы и стержни, т.е. существенно сократить расход связующего и формовочного песка.

Таблица 2.11.

Современные процессы изготовления стержней.

НазваниепроцессаСвязующееОтвердительСодержание связующего, %Время твердения в оснастке, мин
По холодной оснастке без продувки
ХТС    No-bake [29, 31]Фенолофурановая смолаСульфокислоты1,5-220-30 
Карбамидофурановая смолаОртофосфорная кислота1,2-23-5
Фурановая смолаСульфокислоты1,4-25-7
ХТС [31]Жидкие фосфатыОкислы железа или магния3-53-5
Нишияма [20]Жидкое стеклоФерросилиций5-75-20
Fluoride[33]Жидкое стеклоКремнефтори-стый натрий4-65-20
ХТС [47]Жидкое стеклоСложные эфиры3,5-4 5-10
ХТС [29]Жидкое стеклоФеррохромовый шлак5-720-40
    По нагреваемой оснастке
Оболочковые [29]Различные      синтетические  смолыУротропин6-7 1-3 мин
Ноt-box [29]Различные      синтетические  смолыСульфокислоты, ортофосфорная кислота2-31-3 мин

Таблица 2.12.

Современные процессы изготовления стержней.

НазваниепроцессаСвязующееОтвердительКатализатор полимеризации
По холодной оснастке с продувкой                                                              (содержание связующего до 2%, время твердения до 2 мин)
Амин [29,49,50]Фенолформ-альдегидная смолаИзоцианатТриэтанамин (продувка парами)
Фуран- SO2 [48]Фенолформ-альдегидная смолаОрганическая гидроперекисьSO2 (продувка)
Эпокси-SO2 [50]Эпоксидная смолаОрганическая гидроперекисьSO2 (продувка)
Свободных радикалов (FRC) [50]Эпоксидная смолаОрганическая гидроперекись, органические эфирыSO2 (продувка)
Метил-формиат (MF) [50]Фенольная смола Метилформиат (продувка парами)
Alphaset, betaset [50]Фенольная смола Органический эфир (продувка парами)
Redset [50]Фенольная смолаОртофосфорная кислота, сульфокислотыОрганический эфир (продувка парами)
СО2 [29]Жидкое стекло СО2  (продувка)

     Одним из наиболее существенных факторов при выборе процесса изготовления стержней является точность их размеров [45]. Для стержней, изготовленных cold-box процессом точность размеров составляет 0,8-1 мм/м. Точность стержней, отверждаемых в горячей оснастке hot-box процессом из-за коробления при нагреве ниже — 1- 4 мм/м. Оболочковые стержни для придания им окончательной прочности дополнительно спекаются в печи, поэтому их точность значительно ниже — 2-8 мм/м.  Оболочковые стержни и формы изготавливают из плакированного песка по нагреваемой оснастке (Croning-процесс «С») в основном на бункерных формовочных машинах. Недостаток бункерных машин связан с динамикой высыпания формовочной смеси из бункера на модель [46]. При очень быстром перевороте бункера смесь остается в нем до окончания опрокидывания, затем падает всей массой, причем из наиболее глубоких впадин модели воздух не успевает удалиться и смесь зависает, образуя пустоты в оболочке. При медленном повороте бункера смесь наползает на модель, поэтому оболочка будет иметь разную плотность, изменяющуюся от максимума к минимуму в направлении движения смеси. Для моделей сложной конфигурации следует предпочесть медленный поворот бункера, или использование специальных бункеров с дроссельными заслонками. Однако для моделей с глубокими и узкими впадинами даже эти меры не позволят получать качественные оболочки. Только применение пескодувных машин решает  проблему [46]. Системы нагрева используют электрические или газовые. Выбор систем нагрева определяется исключительно экономическими соображениями. Готовые оболочки склеивают. Перед заливкой готовые формы  устанавливают в контейнеры с наполнителем (керамзит, окатыши и т.п.).

       Оболочковые формы из холоднотвердеющих смесей получают вдуванием смеси в зазор между моделью и ограничительной рамкой. Таким способом можно изготовить только небольшие оболочки простой конфигурации.

       Существенным фактором при выборе процесса изготовления стержней является качество наполнителя. Известно, что высокое содержание глины и пыли в наполнителе приводит к увеличению расхода жидкого связующего в 1,5-2 раза. Например, в Европе, где имеются хорошие пески, потребляют в большом количестве синтетические смолы, а в Японии, где пески сильно загрязнены — смеси на основе жидкого стекла, поскольку оно значительно дешевле  [31].

2.4. ЛИТЬЁ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ

И ВЫЖИГАЕМЫМ МОДЕЛЯМ

      Литье по выплавляемым моделям — древнейший способ литья, изобретенный практически одновременно различными цивилизациями. Известны отливки, изготовленные 6000 лет назад в Междуречье, несколько позднее в Китае, Мексике, Испании, странах Средиземноморья. Модель изготавливалась из пчелиного воска, на нее вручную наносилась глина.  В XIX веке из-за технологических недостатков глины как формовочного состава, воска как модельного состава и трудностей механизации этот способ был практически вытеснен с рынка литьем в разъемные песчаные формы.  В настоящее время эти проблемы полностью разрешены.

      Современные модельные составы изготавливают из комбинаций восков (парафино-стеариновая смесь, природные твердые воски) с добавками пластмасс (полиэтилен, поливинилбутилацетат, бутадиенстирол, этилцеллюлоза).  В России дополнительно в модельную массу замешивают воздух. За рубежом модельные составы изготавливаются в специализированных цехах химических заводов (BASF,Hoechst) и поставляются в  литейные цеха как сырье [28].

 Регенерация модельного состава   

                                               ¯                               ¯

Запрессовка модельного состава  Обмазка стояков

                                               ¯                              ¯

Сборка моделей в блоки 

                                                           ¯

Обмазка блоков суспензией

     Повторить                                    ¯     

Обсыпка блоков песком

        4-8 раз                                       ¯

Отверждение оболочек

                                                           ¯

Удаление модельного состава из форм

                                                           ¯

Прокаливание оболочек

Рис.2.13.Технологический  процесс изготовления оболочковых

форм по выплавляемым моделям.

      Регенерация модельного состава необходима как условие рентабельности цехов литья по выплавляемым моделям. Модельный состав для повторного использования необходимо очистить от песка, золы, избыточной влаги, а также восполнить потери.  Регенерация производится отстаиванием в герметичных вакуумируемых  емкостях при температуре выше температуры плавления модельного состава.  При пониженном давлении вода испаряется, а загрязняющие компоненты оседают и удаляются через вентиль.

      Выплавляемые модели изготавливают запрессовкой или заливкой в пресс-формы. Свободную заливку применяют только для изготовления элементов литниковой системы. Конструктивно современные универсальные запрессовочные станки отличаются расположением впрыскивающих сопл и закреплением пресс-форм на столе пресса и позволяют регулировать температуру резервуара с модельным составом. Выбор типа запрессовочного станка  определяется исключительно экономическими соображениями.

      Сборка моделей производится прикреплением моделей к литниковой системе пайкой или приклеиванием. Приклеивание применяется для мелких моделей из-за трудности пайки. Припаивание моделей безусловно эффективней, поскольку прочность соединения выше, не требуется специального модельного клея, а трудоемкость пайки и приклеивания одинаковая.

      Суспензию для обмазки блока моделей приготавливают перемешиванием пылевидного огнеупорного материала с жидким связующим. В качестве связующего при литье по выплавляемым моделям применяется гидролизованный этилсиликат, полученный постепенным смешиванием предварительно рассчитанных объемов составляющих в гидролизерах.  Суспензию изготавливают в  любых механических  мешалках или вручную.   Для предотвращения оседания твердых частиц суспензию после приготовления необходимо постоянно перемешивать.      На модельные блоки суспензия  наносится окунанием. Ванны с суспензией состоят из двух конструктивных блоков — собственно ванны для окунания и мешалки; между ними циркулирует суспензия.  

      Обсыпка модельных блоков песком производится способами, представленными в табл.2.13.

Таблица 2.13.

Характеристика методов обсыпки модельных блоков.

Способ обсыпкиПроизводительностьФракционный состав песка
Кипящий слойНе зависит от слож-ности конфигурации отливокИзменяется. Первоначально расходуются мелкая фракция из-за процесса седиментации в кипящем слое.
Падающий потокПрямо зависит от сложности конфигура-ции отливокНе изменяется.

     Каждый слой формы отверждается сушкой или химически.  Время сушки в естественных условиях составляет 3-4 часа, что приводит при большой производительности цеха к необходимости отведения значительных площадей под сушку блоков. На скорость сушки влияют следую-

щие факторы:

  1. Температура кипения органического растворителя, используемого для гидролиза (табл.2.14). Чем она ниже, тем быстрее идет процесс сушки.

Таблица 2.14.

Температура кипения органических  растворителей

РастворительАцетонМетиловый спиртЭтиловый спиртИзопропило-вый спирт
Температура кипения,  С56657882-85
  • Температура сушки. При повышении температуры испарение идет более интенсивно. Однако, используя повышенные температуры (более

     25 оС), необходимо учитывать возможность растрескивания формы из-   

     за температурного расширения после полного высыхания оболочки.

     Четкий контроль высыхания блоков предусматривает стабильность со

     держания всех компонентов в слое и фиксированное время сушки в ус-

     тановленном температурном режиме.

  • Концентрация выделяющихся паров у поверхности формы. Низкая концентрация повышает скорость сушки. Удаление выделяющихся паров от поверхности формы осуществляется либо организацией конвективных потоков воздуха в сушильном туннеле, либо вакуумированием в сушильной камере.   

      Наболее распространенный метод химического отверждения слоев формы — сушка в парах аммиака предварительно подсушенной на воздухе формы. После химического отверждения форму проветривают (обдувают потоком воздуха или помещают в вакуумную камеру).   Основной недостаток химического твердения — токсичность паров аммиака.

      Удаление из форм модельного состава производят различными способами, рассмотренными в табл.2.15.

Таблица 2.15.

Способы выплавления модельного состава

СпособОборудованиеТемператур-ный режим,оСПотери, %Примечание
Высокотем-пературный нагревТермические печи    900-1100    10-15Снимается не-обходимость в прокалке.
Низкотем-пературный нагревВанны с кипятком      90-100      2-5 
Нагрев при высоком давленииАвтоклавы    135-165 при давлении 3-6 атм      2-5 

      Прокаливание готовых форм производится в целях удаления остатков воды, модельного состава, повышения заполняемости форм, предотвращения растрескивания оболочек из-за кристаллографических превращений при заливке. Процесс ведется в термических печах при температуре 900-1100 оС.

      Газифицируемые модели применяются в массовом и крупносерийном производстве.  Для их изготовления применяется гранулированный полистирол.   Технология вспенивания полистирола [36] состоит их двух этапов. На первом этапе порообразователь (пентан с температурой кипения 36,7 оС или изопентан с температурой кипения 27,9 оС) при нагреве газифицируется, увеличивая объем гранул в 10-40 раз. На втором этапе пресс-форма охлаждается, полистирольная оболочка твердеет, порообразователь конденсируется, свободный объем занимает атмосферный воздух.

      Технология изготовления газифицируемых моделей предусматривает раздельное вспенивание гранул в специальной камере и их спекание в пресс-форме. Такой метод позволяет сократить цикл изготовления моделей и потребность в пресс-формах. Спекание вспененных полистирольных гранул может производиться в ваннах, автоклавах, индукторе. В ваннах с кипящей водой пресс-форма выдерживается до полного спекания гранул, затем модель извлекается, промывается, охлаждается и сушится. Автоклавный способ спекания заключается в обработке перфорированной пресс-формы паром под высоким давлением. Технология спекания вспененного полистирола в индукторе предусматривает его предварительное смачивание солевыми растворами. Отливки, изготовленные по газифицированным моделям,  имеют высокую чистоту поверхности, отсутствие формовочных уклонов, т.е. практически не нуждаются в механической обработке.

      Для индивидуальных крупных отливок (например, штампов) газифицируемые модели изготавливаются из блочного полистирола. должен иметь не менее 10000 пор на 1 см3. Для резки плит используется нагретая до  350 оС проволока. При обработке на режущих станках частота вращения режущего инструмента должна быть не менее 6000 оборотов в минуту.

2.5. ЛИТЬЁ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ

      Для литья в металлические формы применяют машины литья под давлением, а также однопозиционные кокильные станки и кокильно-карусельные машины.

      Машины литья под давлением подразделяются на машины с горячей и холодной  камерой прессования. Выбор типа камеры прессования определяется взаимодействием заливаемого металла с поверхностью камеры прессования (табл.2.16).  Для сплавов с высокой температурой плавления или  химически активных к материалу камеры прессования (обычно чугун) выбирают машины с холодной камерой прессования во избежание частого ремонта. С другой стороны, машины с горячей камерой прессования имеют примерно в два раза большую производительность.

Таблица 2.16.

Выбор типа машин литья под давлением

Сплав Рекомендуемый тип камеры прессования
Cu Только холодная камера прессования
Al и Mg Холодная камера прессования, для мелких тонкостенных отливок — горячая камера прессования
ZnГорячая камера прессования

      Машины литья под давлением характеризуются:

  1. Максимальными размерами прямоугольных форм и расстояния между плитами. Эта характеристика определяет наибольшие габаритные размеры выпускаемых отливок
  2. Максимальной порцией заливаемого металла (для машин с холодной камерой прессования).
  3. Усилием прессования. Повышение давления прессования — наиболее эффективный способ устранения дефектов и получения плотных отливок.
  4. Усилием запирания. Усилие запирания должно обеспечить противодействие раскрытию формы из-за гидростатического давления металла и гидравлического удара при остановке поршня.

Минимальное усилие запирания определяется конфигурацией отливок по формуле [51]:

,

где Fпр- площадь проекции отливки на площадь разъема формы;

      Рф —  фактическое конечное гидростатическое давление в полости формы, равное 0,8 от расчетного удельного давления для машин с горизонтальной камерой прессования и 0,88 для машин с вертикальной камерой прессования;

      v — скорость прессования, принимаемая в пределах 0,25-1,1 м/с;

      k — коэффициент, учитывающий понижение динамического давления в результате поворотов металла и составляющий 0,6-0,7 для машин с горизонтальной камерой и 0,4-0,5 для машин с вертикальной камерой прессования;

      с — скорость распространения звуковой волны в жидкости (примерно 1000 м/с);

      g — ускорение свободного падения (9,81 м/с2);

      rж — удельный вес рабочей жидкости гидравлической системы машины;

      rм — удельный вес заливаемого сплава;

      Е — модуль упругости жидкого сплава.

      Для массового малономенклатурного производства целесообразно выбирать высокопроизводительные машины с самым современным механизмом прессования, что позволит сохранять конкурентоспособность продукции в течение длительного времени.  В случае изготовления на машине только одной отливки (подошвы утюгов и т.п.) наиболее выгодно использовать специально разработанные машины.

      Производство отливок широкой номенклатуры (в условиях нестабильного заказа) требует применения машин с повышенной степенью универсальности: большее число пазов для крепления форм, дополнительные узлы для стержнеизвлекателей, несколько механизмов для выталкивания [52].

      Для выбора кокильных станков существует гораздо меньше ограничений, чем для машин литья под давлением.  Определяющее значение имеют размеры подкокильных плит и усилия запирания и раскрытия кокиля. Усилие запирания должно предотвратить раскрытие кокиля под действием только гидростатического давления расплава. Усилие раскрытия кокиля зависит от усадки заливаемого сплава и сложности конфигурации отливки и обычно несколько меньше усилия запирания.

      Кокильно-карусельные машины представляют собой роторный конвейер, на который установлены кокили.  Применение кокильно-карусельных машин не определяется характеристиками изготавливаемых отливок.

2.6. ПЛАВКА МЕТАЛЛА.

      Печи для переплава подразделяются на топливные и электрические. Все электрические печи позволяют осуществлять регулировку температуры перегреваемого металла и имеют ступенчатую выдачу металла. К топливным печам относятся вагранки  и пламенные печи. Электрические печи подразделяются на дуговые, индукционные (тигельные и канальные) и печи электросопротивления. Получение металла высокого качества требует применения вакуумных электропечей. Процесс плавки в коксовой          вагранке (рис.3.14) идет за счет выделения тепла при горении углерода и догорании

Рис.3.14. Коксовая вагранка         диоксида углерода. Регулирование темпе-

1-фурмы; 2 — летка

ратуры жидкого металла в вагранке практически невозможно.   Вагранки имеют температуру чугуна на желобе до 1400 оС, в них практически невозможно проводить металлургическую обработку,  что требует применения в шихте дорогих передельных и литейных чугунов (табл.2.17).

     Существенным недостатком ваграночной плавки является высокое содержание серы в выплавляемом чугуне, из-за чего невозможно получать высокопрочный чугун.

Таблица 2.17

Состав шихты ваграночной плавки  и электроплавки [53]

Составляющие шихтыВ вагранке, %В электропечи, %
Литейный доменный чугун25,18,5
Передельный доменный чугун25,512,4
Стальной лом9,640,4
Чугунный лом39,037,8
Чугунная стружка0,70,7
Стальная стружка0,10,2

      В настоящее время большинство технических и экологических проблем, приведших к сокращению ваграночной плавки, успешно решены [54]. Для повышения температуры выпускаемого чугуна используется подогрев дутья, обогащение дутья кислородом, двух- и трехрядные фурменные пояса, что позволяет поднять температуру выплавляемого чугуна до  1600 оС. Разработаны эффективные технологические процессы непрерывной или периодической десульфурации. Современные системы очистки ваграночных газов превосходят по достигаемым параметрам очистки требования экологического законодательства. В результате реализации всех перечисленных мероприятий стоимость современного ваграночного комплекса приближается к стоимости электропечей соответствующей производительности.

        Для сокращения расхода дорогостоящего топлива — кокса разработаны газовая (рис.2.15) и коксогазовая вагранки. Процесс плавки в газовой вагранке обеспечивается Рис.2.15. Газовая вагранка       выделением тепла при горении газа.

1- горелки.                               

        Камера сгорания в газовой вагранке отделена от зоны нагрева металлошихты выступом футеровки либо водоохлаждаемой решеткой. В газовой вагранке достигается температура чугуна 1530 оС и резко снижаются вредные выбросы [55]. В ней можно плавить любые сплавы (кроме стали), например алюминий [56].

        Ваграночные газы содержат большое количество ядовитых угарного газа, диоксида серы, пыли. Эти факторы, а также рост стоимости кокса в 70-х  годах привели к сокращению ваграночной плавки [54].  Однако нельзя не учесть и такие преимущества вагранки, как низкая стоимость футеровки, дешевые флюсы, простая технология удаления шлака, высокое качество выплавляемого чугуна, который характеризуется низкой склонностью к отбелу и высокой жидкотекучестью.

      Тем не менее для получения высококачественных сплавов с низким содержанием вредных элементов (табл.2.18) и для предотвращения загрязнения окружающей среды (табл.2.19) необходимо применение электроплавки.

Таблица  2.18

Содержание вредных примесей в чугуне [57].

Плавильный агрегатСодержание элементов, %
 [O]*10-4[H]* 10-4[N] *10-3[S]*10-2
Коксовая вагранка холодного дутья15-302-56-126-12
Коксовая вагранка горячего дутья10-202-36-126-10
Газовая вагранка7-123-65-103-5
Дуговая печь1-51-38-154-6
Индукционная печь1-51-32-64-6

 Таблица 2.19.

 Экологические показатели чугуноплавильных печей [57,58]

Плавильная печьГазы,м3Шум, дБПыль, кг/тШлак, кг/т
Вагранки закрытого типа, водоохлаждаемые1000до 8010-18120-150
Газовые вагранки900до 601,5-2,540-70
Индукционные тигельные печи10-30до 600,3-5,010-25
Дуговые печи:    
Переменного тока120-150до 905-1040-60
Постоянного тока30-50до 801-240-60

          Пламенные печи (рис.2.18) плавят металл за счет тепла продуктов горения при их прохождении через печь. В качестве топлива можно использовать любые горючие материалы, но необходимо учесть, что при использовании газа или мазута горение может быть организовано непосредственно над зеркалом металла, т.е. потери тепла минимальны, а при использовании твердого топлива необходима топка, и, соответственно, дополнительное тепло на ее нагрев. С другой стороны, непосредственный контакт металла с продуктами горения приводит к поглощению газов расплавом.  Естественная конвекция расплава в печи практически отсутствует, поэтому для получения гомогенного расплава используют качание (барабанные печи). В пламенных печах на газовом и жидком топливе возможно регулирование температуры. Регулирование печной атмосферы практически невозможно, но зато облегчена металлургическая обработка расплава благодаря высокой температуре шлака.

       При плавке в дуговых печах (рис.2.17) источником энергии является электрическая дуга, проходящая между электродами и плавящимся металлом. Температура в области дуг может достигать 3000 оС, что позволяет плавить любые металлы, низкосортные металлоотходы и крупногабаритную шихту. С другой стороны, из-за большого перегрева металла под дугами и слабой конвекции возникает неравномерность химического состава металла в объеме печи. Этот недостаток в небольших печах может быть устранен качанием печи (барабанные печи) либо установкой индуктора. Металлургическая обработка металла благодаря высокой температуре шлака достаточно эффективна. Дуговые печи подразделяются на печи постоянного и переменного тока. Печи переменного тока исключительно экологически вредны ( шум, пыль, газы). Этих недостатков практически лишены  печи постоянного тока.

Рис. 2.17. Дуговая печь.                         Рис.2.18. Пламенная печь.

1 — электроды; 2 — летка;                        1 — горелки; 2 — летка;

3 — смотровое окно.                                3 — дымовая труба.

      Принцип действия индукционных печей основан на формировании переменным электромагнитным полем вихревых токов в шихте (расплавленном металле). Электромагнитные силы, действующие на расплавленный металл на стадии перегрева, вызывают его принудительную конвекцию в печи. В результате металл, выдержанный в индукционной печи, исключительно равномерен по химическому составу. Металлургическая обработка металла в индукционных печах затруднена, поскольку шлак не электропроводен, следовательно, нагревается от металла и имеет более низкую температуру. Индукционные печи подразделяются на тигельные (рис.2.19)  и канальные (рис.2.20).

Рис.2.19. Индукционная             Рис.2.20. Индукционная

тигельная печь.                           канальная печь.

1 — индуктор;                               1 — индуктор; 2 — канал.

2 — тигель с расплавом.

        В тигельных печах вихревые токи наводятся непосредственно в расплавляемой шихте. Чем меньше размер загружаемых кусков шихты, тем выше должна быть частота тока, питающего индуктор (эффект наборного сердечника трансформатора) (табл.2.20).

Таблица 2.20.

Зависимость кусковатости шихты от частоты тока индуктора  [29]

Частота тока, ГцМинимальный размер кусков шихты, мм
 стальАлюминийМедь
502509075
1 000402523

      Эта зависимость приводит к необходимости использования пускового слитка при пуске холодной печи или оставлению «болота». Различают печи промышленной частоты (50-60 Гц), средней частоты (150-450 Гц) и высокочастотные (10000-20000 Гц), а также печи с переменной частотой. Высокочастотные печи используются только в лабораторных целях. При повышении частоты тока движение в тигле печи становится менее интенсивным. Повышение частоты тока позволяет осуществлять плавку мелкой шихты, но и существенно увеличивает капитальные затраты, снижает производительность и к.п.д. печи и уменьшает равномерность химического состава металла, т.е. сводит на «нет» преимущества индукционного переплава.

      В канальных печах вихревые токи наводятся в расплавленном металле, находящемся в открытом или закрытом канале. Передача теплоты из канала расплавляемой шихте производится конвекцией, вызываемой электродинамическим перемешиванием расплава. Поэтому температура в канале примерно на 100 оС выше температуры металла в ванне. Она ограничена стойкостью футеровки канала и составляет 1500-1550 оС. Во избежание разрыва вторичной обмотки индуктора (металла) в канальных печах всегда есть «болото» объемом 0,2-0,5 садки, что снижает производительность печи и не позволяет проводить частую смену сплава. «Ахиллесова пята» канальных печей — сам канал, футеровка которого подвержена интенсивному термическому и механическому воздействию расплавленного металла.

      В электропечах сопротивления (рис.2.22) теплота шихте передается от нагревательных элементов излучением либо теплопроводностью через стенку тигля. Таким образом, температура в печи определяется температурой плавления нагревательных элементов  (табл.2.21).

Таблица 2.21.

Материалы, используемые для нагревательных элементов [59]

МатериалХим. составТпл,оСМаксимальная Т нагрева, оС
НихромХ20Н8013901100
ФерронихромСтХ15Н6012301050
МолибденMo26202000
ВольфрамW34202600
ГрафитC42003000

           Несмотря на отсутствие принудительной конвекции в электропечах сопротивления металл достаточно однороден по химическому составу из-за отсутствия местного перегрева. По технологическим параметрам очень близки к электропечам сопротивления пламенные тигельные печи (рис.2.21).

Рис.2.21. Пламенная тигельная   Рис.2.22. Электропечь сопротивления.

печь.                                              1 — нагревательные элементы;

1 — горелка; 2 — тигель.                  2 — тигель с расплавом.

Основные технико-экономические показатели работы плавильных печей приведены в табл.2.22.

Таблица 2.22.

Технико-экономические показатели плавильных печей

 [1,29,32,60-62]

Плавильные печиТепловой КПД,%Угар легирующих
 плавкаперегревэлементов, %
Вагранка:0,4-0,6  
коксовая закрытого типа водоохлаждаемая:   
холодного дутья 0,05-0,07Сr — 15-30,Ni-до 10
горячего дутья 0,1-0,2Сr — 10-20,Ni – до 5
с обогащением дутья   3-4 % кислорода 0,1-0,2Сr — 15-30,Ni-до 10
Газовая 0,1-0,2Сr — 20-40,Ni-до 10
Металлургическая 0,1-0,2Сr — 10-15,Ni-до 5
Индукционная тигельная:  Ni – 0
промышленной частоты0,50,65-0,7 
средней частоты0,60,68-0,74 
Индукционная канальная0,6-0,960,6-0,8 
Дуговые0,8-0,850,2Сr — 15-30,Ni-до 10 Ti-30-60, Zn — 30-60
Электросопротивления0,32-0,63 
Пламенные0,2-0,3Сr-15-30, Ni — 0

2.7.КОНТРОЛЬ, МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ  ОБРАБОТКА

И ЗАЛИВКА МЕТАЛЛА.

       Необходимость повышения качества отливок заставляет ужесточить требования к составу сплава, температурному режиму плавки и заливки. Эффективный контроль этих параметров в процессе плавки осуществляется в настоящее время методами, представленными в табл.2.23.

       Для получения металла с заданной структурой и свойствами после экспресс-анализов проводится металлургическая обработка — рафинирование и модифицирование.

Таблица 2.23.

Методы экспресс-анализа металла [63].

Контролируемый параметрОборудование (метод)Недостатки метода
Температура расплаваИнфракрасные пирометрыНеточность измерения из-за дыма, плен и шлака на поверхности расплава.
 Термопары погруженияВысокая стоимость расходных материалов
Склонность чугуна к отбелуКлиновые пробыЗначительный разброс результатов
Химический составСпектрографыВысокая стоимость оборудования
 ГазоанализаторыВысокая стоимость оборудования
 Анализ кривых «температура-усадка» при охлаждении пробыЗначительный разброс результатов
Анализ на содержание SiИзмерение термоЭДС образца 
Анализ на со-держание С и SiАнализ кривых охлаждения пробы 

      При рафинировании литейных сплавов решаются две основные задачи: удаление из расплава нежелательных примесей и дегазация. Традиционные способы рафинирования предусматривают обработку расплава флюсами, вакуумирование расплава, продувку через расплав газов или газообразование прямо в расплаве посредством введения вспенивающихся веществ. Наиболее современным способом рафинирования является фильтрование через инертные или активные фильтры. Материал активного фильтра соответствует используемым флюсам [64] (т.е. производится принудительная обработка всего расплава флюсом) и дает максимальную очистку металла, но такие фильтры наименее долговечны. Выбор материала инертного фильтра определяется в основном температурой расплава (табл.2.24).

Таблица 2.24.

Сравнительные характеристики фильтров [65,66]

Материал фильтраМетод связыванияМаксимальная температура, оСОтносительная прочность
ГлиноземСклеенные1400Низкая
 Спеченные1550Выдающаяся
ЦирконСпеченные1700Выдающаяся
Карбид кремнияСклеенные1600Хорошая
ШамотСпеченные1500Низкая

      Модифицирование — изменение структуры металла посредством добавки химических веществ. Для наиболее экономичного ведения процесса усвоение модификатора расплавом должно быть максимальным. Та же проблема решается при легировании расплава. При рассмотрении этого вопроса наибольший интерес представляет модифицирование чугуна магнием. Магний интенсивно реагирует с кислородом, кроме того, его плотность существенно ниже плотности чугуна — поэтому неизбежно всплытие магния на поверхность. Процесс модифицирования магнием в открытом ковше сопровождается сильным дымом, возможно расплескивание металла. Модифицирование — процесс, во время которого температура расплава, находящегося в ковше, неизбежно падает. Поэтому его необходимо перегревать. Ведение процесса непосредственно в форме или в литейной чаше устраняет этот недостаток.

Традиционно модифицирование чугуна магнием проводят в камере-автоклаве, постоянно перемешивая расплав в ковше специальными мешалками. Этот метод обеспечивает хорошее усвоение модификатора, но требует специального оборудования, не говоря уже о высокой стоимости эксплуатации. Современные способы модифицирования (табл.2.25, рис.2.23-2.30) позволяют избегать применения автоклавов.

Рис.2.23. Pour-over- процесс.        Рис.2.24. Sandwich-процесс

Рис.2.25. Tundish-cover-процесс       Рис.2.26. Колокольчик.

Рис.2.27. Конвертор Фишера.             Рис.2.28. T-NOCK-процесс

  Рис.2.29. Flotret-процесс                     Рис.2.30. In-mold-процесс

Таблица 2.25.

 Способы модифицирования чугуна магнием

Название процессаСущность способаУсвоение магния, %
Pour-over [67]Заливка расплава поверх модификатора20-40 (лигатура)
Sandwich [67]Заливка расплава поверх модификатора, по-крытого стальным перфорированным листом30-50 (лигатура)
Plunger [67]Модификатор опускается в колокольчике40-60 (лигатура)
Tundish- cover [68]Pour-over-процесс в ковше с промежуточной крышкой, через которую заливают расплав40-60 (лигатура)
Tip [69]Модификатор находится в камере ковша для модифицирования ( конвертор Фишера) и при горизонтальном расположении ковша не реагирует с расплавом. При повороте ковша в вертикальное положение модификатор оказывается под слоем расплава.60-80 (лигатура)
Flotret [67] Заливка металла через  специальную литейную чашу с модификатором.70-90 (лигатура)
In-mold [70]Модификатор засыпается в специальную камеру в шлакоуловителе литейной формы90-100 (лигатура)
Controlled Quality Inoculation [20]Подача проволоки с модификатором в литейную чашу во время заливки40-60 (магний)
T-NOCK[20]Введение порошкообразного модификатора в полую струю расплава50-80 (магний)

     Для лучшего усвоения магния необходимо подвергнуть расплав глубокой десульфурации, т.к. магний связывается серой, в этих целях используется продувка инертными газами через пористую пробку (Porous-Plug Method) [67].

      Для заливки используются ковши и разливочные устройства газового давления (повышенного и пониженного) и магнитодинамические насосы (табл.2.26, рис.2.31-2.37). Ковши подразделяются по способу разливки на стопорные, чайниковые с перегородкой и без нее, барабанные, с шиберным затвором. Принцип действия магнитодинамических насосов основан на взаимодействии электрического тока в металле, наводимого индуктором, и внешнего магнитного поля, что приводит к возникновению электромагнитных сил, под действием которых металл транспортируется через насос. Трансформаторный принцип наведения тока позволяет передавать энергию в металл без потерь, тем самым компенсируя тепловые потери и даже нагревая его.

      Высокое качество металла при заливке обеспечивается благодаря подаче его снизу. Потери металла из-за угара, падение температуры расплава и загрязнение окружающей среды можно свести к минимуму, используя термо- и газоизолированные заливочные устройства.

                       1 — индуктор; 2 — электромагнит;

                                                                 3 — тигель с расплавом; 4 — канал.

Рис.2.31. Магнитодинамический насос (погружной).

Рис.2.32. Установка заливки       Рис.2.33. Установка заливки

под давлением.                              вакуумным всасыванием.

                                                       1 — вакуум-ресивер.

Рис.2.34. Чайниковый ковш.           Рис.2.35. Ковш с шиберным

                                                         затвором.

                                                              1 — шибер; 2 — стакан.       

Рис.2.36. Стопорный ковш.                     Рис.2.37. Барабанный ковш.

1 — стопор; 2 — стакан.                          

Таблица 2.26.

Характеристики заливочных устройств.

Тип устройстваПодача металлаРазливаемые сплавыТермо- и га-зоизоляция
Ковш:   
СтопорныйСнизуСтальСредняя
с шиберным затвором [71]СнизуЧерные сплавыВысокая
БарабанныйСверхуКроме сталиВысокая
ЧайниковыйСнизуЛюбые сплавыНизкая
Ручной (ложка)СверхуКроме сталиНизкая
Газового давления:   
Под давлениемСнизуКроме сталиВысокая
Вакуумным всасываниемСнизуЛегкие сплавыВысокая
Магнитодинамический насос [72]СнизуКроме сталиВысокая

      Главная проблема при заливке — точное дозирование металла. По способу ее решения все методы автоматической заливки подразделяются на контролирующие заливочное устройство, контролирующие форму и бесконтрольные.

      Контроль формы производится по весу и по появлению металла в выпоре. При весовом дозировании используются весовые тележки. Для точного дозирования этим способом требуется компьютеризация процесса, поскольку вес формы без металла зависит от плотности набивки, состава формовочной смеси и т.д. и не может быть точно определен для одной отливки. Поэтому перед каждой заливкой надо устанавливать весы на «0». Появление металла в выпоре фиксируется фотоэлементом при отражении от металла лазерного луча [73]. Использование лазера позволяет добиться высокой точности дозирования. Менее современные установки такого типа использовали собственное световое излучение металла, что требовало исключительно точного позиционирования формы на конвейере.

      Контроль заливочного устройства производится по весу, по объему, по времени заливки. Контроль по весу достаточно эффективен, но имеет те же недостатки, что и контроль по весу форм, т.е. требует предварительной установки весов на «0». Контроль по объему производится в секторных ковшах фиксацией угла поворота при каждой заливке. Этот метод наименее эффективен, поскольку не позволяет учесть изменения объема ковша. Контроль по времени заливки осуществляется в магнитодинамических дозаторах. Это наиболее эффективный вид дозирования, но магнитодинамические дозаторы весьма дороги, в т.ч. и в эксплуатации.

      Дозирование металла без контроля производится методом непрерывной разливки и установкой ковша прямо на форму [74]. Метод непрерывной разливки предусматривает заполнение металлом непрерывного заливочного стержня либо заливочной воронки (при горизонтально-стопочной формовке). Дозирование металла установкой ковша на форму возможно при использовании ковшей с нижней разливкой (с стопорным затвором). Разливочный стакан должен быть расположен прямо над литниковой воронкой. Роль груза, препятствующего подъему верхней полуформы, играет сам ковш. В таком случае заливка прекращается без вмешательства извне при заполнении полости формы расплавом. К недостаткам этого метода следует отнести повышенные требования к уплотнению литейной формы, поскольку из-за большого гидростатического давления металла возможны дефекты типа подутости.

2.8. ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА ОТЛИВОК

      В понятие финишной обработки отливок входят следующие операции, выполняемые или нет в зависимости от технологии изготовления отливки:

1. Выбивка отливок.

2. Визуальный контроль.

3. Предварительная очистка.

4. Отделение возврата.

5. Очистка от стержней.

6. Очистка от заусенцов, заливов.

7. Контроль качества.

8. Заделка брака.

9. Термообработка.

10. Нанесение покрытий.

      Выбивка форм осуществляется двумя способами — вибрацией на выбивных рамах или решетках и выдавливанием пуансонами. Выбор оборудования для выбивки отливок зависит от типа применяемых опок [40]. Выбивка форм без крестовин в нижней опоке производится обеими способами без распаровки опок, но при выбивке выдавливанием у стенок остается слой смеси, который приходится дополнительно удалять вручную. Наличие крестовин в нижней опоке не дает возможности выбивать формы комплектно, поэтому необходима предварительное проведение операции распаровки опок. Выбивка форм выдавливанием предпочтительней с точки зрения экологии, т.к. отсутствует пыль, вибрация, шум, свойственные вибрационной выбивке, но для выдавливания практически невозможна переналадка на другие размеры опок. Выбивка безопочных форм производится вибрацией, либо в проходных очистных барабанах одновременно с отделением литниковой системы.

      Очистка отливок от остатков пригоревшей смеси, окалины и стержней производится разнообразными способами, основанными на ряде физических и химических явлений. Выбор способа очистки определяется ударной вязкостью сплава, размером и сложностью конфигурации отливки (табл.2.27). Мягкие сплавы нельзя подвергать сильному ударному воздействию, а в качестве абразива для их очистки используются шаровидные частицы. Крупные отливки могут быть очищены только стационарно.

      В качестве абразива могут быть использованы литые тела, стеклянные шарики и любые другие материалы, имеющие твердость большую, а геометрические размеры много меньшие очищаемых отливок.

      Наиболее часто применяемый способ — дробеметная очистка. Сущность дробеметной очистки состоит в ударном воздействии дроби на тело отливки, благодаря чему пригар и окалина, имеющая низкую ударную вязкость, разрушается на отдельные песчинки. Основным рабочим органом дробеметных установок является дробеметное колесо, лопатки которого выбрасывают дробь на отливку. Лопатки — наиболее изнашиваемая часть дробеметного колеса. Применяются различные схемы дробеметной очистки отливок:

1. В камерах на каруселях (средние отливки).

2. В камерах на конвейерах (средние отливки).

3. В роторно-гусеничных барабанах (мелкие отливки).

Таблица 2.27.

Способы очистки литья [29].

НазваниеОборудованиеРасходныеОбласть применения
Способа материалыРазмерКонфигура-
   отливокция отливок
ГравитационныйВращающие-ся барабаныАбразивМелкиеНесложная
ВибрационныйБарабаны- вибраторыАбразивМелкие и средниеСредней сложности
Песко- и дробе-струйныйКамеры БарабаныПесок/дробьЛюбыеСложная
ДробеметныйКамерыБарабаныДробьМелкие и средниеСредней сложности
Электрогидрав-лическийВанны Крупные и средниеСредней сложности
ЭлектрохимическийВанныЩелочиЛюбыеСложная
ГидравлическийКамеры Крупные и средниеСредней Сложности
Термический ГорелкиКислород,ацетиленКрупныеСложная
УльтразвуковойВанны Мелкие и средниеСредней Сложности
Ударно-вибрационныйСтанки Мелкие стержниБез поднутрений
Ручной  Мелкие стержниОсобо сложная

       Пескоструйный и дробеструйный способ очистки отливок основан

на ударном воздействии струи песка или дроби, выбрасываемых на отливку через сопло сжатым воздухом или водой. Аналогичные физические явления положены в основу гидравлической очистки.

      Электрохимическая очистка основана на катодном восстановлении окалины и растворении пригара в расплавах щелочей и солей. Скорость процесса увеличивается за счет применения постоянного тока небольшой силы и плотности.

      Термическая очистка основана на разности коэффициентов термического расширения пригара и окалины и металла. Нагреваясь, металл расширяется больше, таким образом разрушая пригар. При последующем охлаждении пригар легко отделяется от отливки.

      Электрогидравлическая очистка отливок основана на явлении гидравлического удара, возникающего при пропускании электрических зарядов между электродами и поверхностью отливки.

      Ультразвуковая очистка отливок производится за счет явления кавитации. Ультразвуковая волна формирует в жидкости чередующиеся области повышенного и пониженного давления. Сущность кавитации состоит в нарушении сплошности жидкости в области пониженного давления ( ее вскипании) — образуются пузырьки, которые при схлопывании выделяют большое количество энергии.

      При обрубке от отливки отделяются литниковая система и прибыли, которые затем идут в переплав. Таким образом, от рационального ведения обрубки зависит не только объем дальнейших работ по шлифовке, но и объем безвозвратных потерь металла и уровень загрязнения металлической пылью окружающей среды при шлифовке. Основным лимитирующим фактором при отделении возврата является толщина среза (табл.2.28). Для ведения обрубки более эффективными методами часто используют легкоотделяемые прибыли.

Таблица 2.28

Характеристики способов обрубки.

Способ обрубкиМаксимальная толщина среза, ммВредностьОбрабатываемый металл
Газовой резкой [75]        3000шум, газыСталь и чугун
Ленточные пилы[29]   не ограниченашум,пыльЦветные металлы
Пресс-ножницы[76,77]         100 Любые металлы
Наждачные диски [29]          50шум,пыльЛюбые металлы
Рубильныммолотком [29]          50 Любые металлы

      Очистка от заусенцов, заливов производится на шлифовальных станках. Используются стационарные шлифовальные станки и ручные шлифовальные машинки. Выбор шлифовального станка определяется весом отливки.           

       Контроль качества отливок производится в соответствии с требованиями к параметрам отливки, сформулированными в техническом задании. Дефектом отливки считается отклонение от технического задания по конфигурации, механическим (или другим физическим) свойствам (вызванное нарушением сплошности отливки или фазовой структуры металла), или состоянию поверхности. Вид контроля также определяется заказчиком совместно с производителем. Применяются следующие виды контроля:

  1. Сплошной контроль. Может быть реализован только методами неразрушающего контроля.
  2. Выборочный контроль. Результаты выборочного контроля безусловно не  дают полной гарантии качества всех отливок. Дальнейшее использование отливок с скрытыми дефектами в машинах и оборудовании может привести к значительным потерям для производителя, в т.ч. к выплатам по судебным искам, снижении конкурентоспособности конечной продукции и т.п.

       Механические испытания (предел прочности при растяжении, усталостная прочность, ударная вязкость, твердость) и металлографический анализ проводят на образцах, вырезанных из тела отливки (разрушающий контроль) и на специально отлитых пробах.

      Грубые дефекты конфигурации (недолив, ужимина, неспай, коробление и т.д.) и дефекты поверхности выявляются при визуальном осмотре. Для осмотра применяют оптический инструмент — лупы, эндоскопы.       Для распознавания нарушения конфигурации отливок, вызванных износом или короблением модели, используют ручной мерный инструмент и координатно-измерительные машины (КИМ) (табл.2.29). Современные КИМ оснащены сканирующей  лазерной оптической системой, позволяющей контролировать размеры отливки с точностью до 0,25 мм [63].

Таблица 2.29.

Методы контроля конфигурации отливок [78].

Измеряемый Времяизмерения, с 
параметрРучной мерный инструментКИМКИМ с ассо-циированным компьютеромКИМ со встроенным компьютером
Радиус18015159
Длина3600888
Угол между поверхностями9000603024
Длина дуги       30             15            4
Длина окружности       15          15                        4

      Наличие внутренних дефектов с достаточной надежностью выявляется ультразвуковым и радиологическим методом. Эти методы основаны на отражении ультразвуковых или электромагнитных волн от внутренней поверхности дефекта. Недостаток ультразвукового метода в необходимости специальной подготовки наружной площадки ( шлифовки ) для обследования. Радиологический метод позволяет обследовать отливки без всякой предварительной обработки, но оборудование для него очень дорого. Компьютеризация радиологического метода (компьютерная томография) сокращает время выявления дефекта до нескольких секунд [79] (стоимость компьютерного томографа — до миллиона долларов).

      Поверхностные трещины выявляют методами капиллярным и флюоресценции. Капиллярный метод основан на горячей пропитке жидкостями, которые при охлаждении за счет уменьшения внутреннего объема трещин выступают на поверхность. Метод флюоресценции предусматривает покрытие поверхности отливки люминофором, затем снятия его излишков. В ультрафиолетовом излучении люминофор, оставшийся в трещинах, будет светиться.

      Дефекты фазового и химического состава могут быть выявлены методами измерения электропроводности, теплопроводности, поглощения электромагнитного и акустического излучения.

      Существует множество других методов выявления дефектов несплошности отливок, но они либо не обладают достаточной надежностью, либо не универсальны, т.е. не позволяют выявлять различные типы дефектов [80]. Выбор  метода обнаружения дефекта и соответствующего оборудования определяется типами предполагаемых дефектов в изготавливаемых отливках (ГОСТ 19200-80).

      Дефекты отливок подразделяются на устранимые и неустранимые. К неустранимым дефектам относятся те, которые невозможно или экономически невыгодно исправить. Выбор методов заделки отливок определяется типом устраняемого дефекта и его расположением (табл.2.30).

Термообработка отливок производится в проходных или камерных печах на газе или электричестве. Выбор типа печи определяется исключительно экономическими соображениями.

       Покрытия наносятся на отливки, поставляемые в качестве товарной продукции для предотвращения коррозии. Существует три метода нанесения покрытий — в ваннах, краскораспылителями в камерах и вручную. Покрытие отливок в ваннах и краскораспылителем увеличивает расход краски, зато снижаются трудозатраты.

Таблица 2.30.

Методы заделки дефектов [32,81]

МетодОбласть применения
Дуговая сваркаСквозные дефекты отливок, испытывающих динамические и высокие статические нагрузки, дефекты обрабатываемых поверхностей, работающих на износ.
Газопламенная наплавкаСквозные дефекты стенок отливок, испытывающие динамические нагрузки; любые дефекты на обрабатываемых и нерабочих поверхностях.
HIP-процессПористость в ответственных отливках
Сварка-пайкаРаковины мелких и средних размеров несложных отливок.
ПробкамиМелкие отдельные раковины.
ЗамазкамиРаковины и ужимины на нерабочих поверхностях.
ПропиткойПоры в отливках, подвергаемых гидравлическим испытаниям.

2.9. ИЗГОТОВЛЕНИЕ  ОСНАСТКИ

 И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

      В литейную оснастку входят модельные комплекты, которые состоят из подмодельной или координатной плит, модели, стержневых ящиков и шаблонов, пресс-формы,  а также опоки (жакеты).

      Постоянные модели изготавливают из дерева, металла, пластмасс, композиционных материалов и по LOM-технологии (слоистый композит). Выбор материала модельного комплекта зависит от серийности производства и допусков на точность размеров. Модель подвергается абразивному воздействию формовочной смеси, поэтому изнашивается. Таким образом, стойкость модели определяется твердостью материала, из которого она изготовлена (табл.2.31).

         Деревянные модельные комплекты используются преимущественно в мелкосерийном производстве. Так как они быстро истираются,  их наиболее изнашиваемые поверхности часто армируют. Кроме того, дерево после истирания краски впитывает влагу из формовочной смеси и расширяется, что приводит к искажению конфигурации модели. Для предотвращения стирания краски деревянные модели покрывают более износостойкими пластиковыми составами. Изготовление деревянных моделей — чрезвычайно дорогостоящее производство, требующее высококвалифицированного персонала и дорогого оборудования. Технология включает следующие операции [36]:

1. Сушка древесины на воздухе или в камерной печи.

2. Разрезка на заготовки.

3. Черновая обработка на рейсмусовых станках.

4. Механическая обработка древесины на токарных и фрезерных станках (использование современных станков с ЧПУ нецелесообразно из-за низкой серийности ).

5. Изготовление металлического крепежа и армированных частей.

6. Сборка модели.

7. Доводка модели до заданных размеров и армирование.

8. Шпатлевка, окраска и сушка.

Таблица 2.31.

Стойкость моделей [32,82].

МатериалКоличество съемов
 Формовка ручнаяФормовка машинная
 МелкиеКрупныеМелкиеКрупные
Дерево5001001000300
Алюминий 3005000010000
Чугун  100000 
Сталь  100000 
Медные сплавы  150000 
Свинцово-сурьмянистые сплавы500 3000 
Пластмасса3000 10000 
Композиты4000 30000 
LOM-технология      10   

При небольшой номенклатуре литья очевидно, что самостоятельное изготовление деревянных моделей совершенно нецелесообразно. Весь спектр деревообрабатывающего оборудования и отработанные технологии обработки древесины существуют на мебельных фабриках, где и можно организовать производство деревянных моделей.

      Серьезным конкурентом деревянных моделей при изготовлении промоделей и для единичного литья стала LOM-технология [83]. Сущность процесса заключается в компьютерной обработке данных конфигурации модели. Компьютер разделяет объемное изображение модели на параллельные слои, которые затем вырезаются из бумаги лазерным лучом. Вырезанные из бумаги слои ламинируются и спекаются. Толщина слоя, которая задается компьютеру заранее, соответствует сумме толщин бумаги и склеивающей прослойки. Готовая модель доводится до заданных размеров и окрашивается. Модель представляет собой слоистый композит целлюлоза-пластик, поэтому сильно впитывает влагу. Аналогичный метод стереолитографии позволяет получать полностью пластиковые модели, совершенно не гигроскопичные. К сожалению, твердость такого материала невелика. При производстве моделей по LOM-технологии не требуется труда высококвалифицированных специалистов-деревообработчиков, дорогостоящего оборудования, стоимость материалов минимальна, время от получения чертежа модели до ее полной готовности до суток.

      Технология производства металлических и пластмассовых модельных комплектов аналогична производству отливок. Для их изготовления необходима единичная промодель (гипсовая или деревянная).

      Композитные модельные комплекты изготавливаются с применением изотропных (опилки, металлический порошок) или двумерных наполнителей (стеклоткань) и матрицы из эпоксидной смолы.  

      Опочная оснастка по способу изготовления подразделяется на литую, сварно-литую, сварную и сборную. В опочной оснастке применяются съемные втулки и штыри, что позволяет продлить срок ее эксплуатации за счет смены изношенных элементов.

      Литые опоки изготавливаются из стали или чугуна как обычные отливки. Для крупных отливок цапфы и калачи изготавливаются отдельно коваными и заливаются в тело опоки при ее изготовлении. Литые опоки отличаются повышенной прочностью, но вместе с тем и высоким весом. Изготовление качественных литых опок ( тонкостенных отливок коробчатой конструкции) — процесс, требующий точного соблюдения всех технологических параметров, что можно обеспечить только в условиях подетальной специализации. За рубежом известен ряд фирм, занятых обеспечением опочной оснасткой литейных предприятий.

      Сварные опоки изготавливаются сваркой из листового и фасонного проката. Толщина проката не обеспечивает высокой прочности опок, что исключает их использование при больших нагрузках. Однако простота изготовления обуславливает их широкое применение.

      Сварно-литые опоки позволяют совместить простоту изготовления сварных опок с прочностью литых, что делает их наиболее выгодными в условиях индивидуального производства, например, крупногабаритных отливок. Технология изготовления сварно-литых опок заключается в расчленении опоки на элементы, которые можно изготовить без дефектов в условиях практически любого литейного цеха. Отлитые элементы затем свариваются.

      Сборные опоки (жакеты) в настоящее время применяются в виде металлического ящика с набором сменных металлических вкладышей, служащих для изменения внутреннего объема жакета для производства мелкосерийных крупногабаритных отливок [36]. Первоначально жакеты использовались при безопочной формовке. Но затем появление современных методов безопочной формовки (горизонтально-стопочная) обусловило выведение жакетов за рамки этой технологии.

      Кокили изготавливают из чугуна для цветных металлов и из стали для черных. Применяются кокили и из алюминиевых сплавов даже для литья чугуна, поскольку алюминий имеет очень высокую теплопроводность, и теплоотвод идет быстрее, чем нагрев. Стойкость кокилей зависит от многих факторов и, прежде всего , от их размеров.

      Пресс-формы для литья под давлением и литья вакуумным всасыванием изготавливают из стали. Стойкость пресс-форм зависит от применяемого сплава (табл.2.32).

Таблица 2.32.

Стойкость пресс-форм[29]

МатериалКоличество заливок отливаемого сплава
Пресс-форм, стальPb,SnZnAlMgCu
Углеродистая20000050000   
Хромистая  низколегированная500000100000   
Хромованадиевая 5000001000010000 
Хромовольфрамовая высоколегированная  2500030000 
Хромовольфрамовая низколегированная  500005000010000

      Для изготовления выплавляемых и выжигаемых моделей применяют

пресс-формы. От материала пресс-форм зависит не только ее стойкость, но и время отверждения модели (из-за различий в теплопроводности материалов) (табл.2.33).

Таблица 2.33.

Характеристики пресс-форм

для литья по выплавляемым и выжигаемым моделям [28]

Способ изготовления  пресс-формВремя твердения модели, сСтойкость,съемов
Мех. обработка стальных заготовок8030000-120000
Литье из:  
Цветных сплавов8015000-20000
Легкоплавких сплавов805000-7000
Эпоксидных смол140до 500
Каучука180до 200
Гипса150до 10

      К вспомогательным материалам в литейном производстве относят жеребейки, крючки, холодильники и т.п. В литейном цеху даже при ограниченной номенклатуре отливок используется большое количество разнообразных вспомогательных элементов. По-видимому, из-за нестандартных размеров и простоты изготовления более выгодно собственное их производство, что подтверждает и зарубежный опыт.

      Жеребейки изготавливают для мелких отливок штампованными из листового проката, а для крупных отливок сварными из фасонного проката. Во избежание коррозии при хранении они покрываются защитными покрытиями или проходят дробеструйную обработку непосредственно перед употреблением.

      Холодильники отливаются или вырезаются из проката согласно чертежу. Внутренние холодильники для крупных отливок часто представляют собой сложные сварные конструкции из проката. Как и жеребейки, внутренние холодильники перед употреблением подвергают дробеструйной обработке.

      Формовочные крючки изготавливаются из прутка и загибаются либо на гибочном станке, либо просто вручную. Стержневые каркасы также изготавливаются из прутка по шаблонам вручную. Стыки прутков обычно свариваются или связываются проволокой.

         2.10. ОЧИСТКА ВЫБРОСОВ ЛИТЕЙНОГО ЦЕХА

      Литейный цех является мощным источником загрязнения окружающей среды. Выбросы литейного цеха — газы, пыль, пары металлов (табл.2.34).

Таблица 2.34.

Выбросы литейного цеха.

Вид выбросаИсточник выбросаРазмер частиц, мкм
Печная пыльПлавка10-1000
Металлическая пыльОбрубка, шлифовка1-100
Песчаная пыльСмесеприготовление,выбив- ка, очистка, формовка1-1000
Пары металловПлавка, обрубка
ГазыПлавка, регенерация, изготовление стержней

      В цехе устанавливаются системы аспирации, по которым загрязненный воздух доставляется к системам очистки. Применяемое для очистки воздуха оборудование различается по возможности осаждения взвешенных частиц (табл.2.35). Физический принцип работы любого оборудования для очистки воздуха состоят в уменьшении импульса взвешенных частиц при воздействии на них различных сил (вязкого трения в воздушной среде, трения о преграды, электростатического поля). Следовательно, более эффективно будут осаждаться частицы, имеющие большую массу.

Таблица 2.35.

Способы очистки воздуха от пыли [29]

СпособПринцип действияМинималь-ный размер осаждаемых частиц,мкмОборудование
Гравита-ционныйОсаждение в воздухе как вязкой среде под действием силы тяжести100Камеры-осади-тели, камеры с полками
Инерцион-ныйОсаждение при потере импульса от трения или удара о стенки камеры50Камеры с Перегородками
Динамичес-кийОсаждение при потере импульса при трении о стенки камеры под действием центробежных сил30Циклон
ФильтрыМеханическое осаждение0,5Фильтры песочные, тканевые,сеточные
Электро-статическийОсаждение за счет элек- тростатического притяжения предварительно заряженных частиц пыли0,1Пылеуловители коронного разряда
Ультразву-ковойОсаждение при потере импульса от колебаний воздуха0,1Пылеуловители ультразвуковые

            Для правильного выбора систем очистки воздуха необходимо знать распределение взвешенных частиц  по размерам. В качестве дополнительного фактора, повышающего качество очистки, может быть применена вода. Капли воды, осаждаясь на частицах пыли, существенно увеличивают их размеры. Так можно повысить эффективность работы всех способов очистки, кроме фильтров, поскольку осаждение жидкости на фильтрах сделает их непроницаемыми. Для разбрызгивания воды применяются дезинтегратор Тайзена, эжекторный скруббер, конус Вентури, дождевальные установки.

      Для очистки от газов применяются только установки мокрого пылеулавливания. Газы, взаимодействуя с водой, образуют капли кислоты, осаждающиеся в очистных установках.

      В ваграночных газах содержится обычно от 8 до 25% CO — угарного газа. Нормативы по выбросам СО в атмосферу вынуждают при проектировании вагранок предусматривать установки для дожигания СО и других неполных газообразных оксидов. Причем эта задача тем сложнее, чем меньше его содержание в газе. Для дожигания СО до системы газоочистки используются газовые горелки, устанавливаемые чуть ниже или на уровне загрузочного окна. Устойчивость процесса окисления СО в этом случае может быть обеспечена при температуре газов более 300 оС и содержании СО в продуктах горения не менее 12%. Возможно также дожигание СО после системы газоочистки. В любом случае выделяющуюся теплоту целесообразно использовать для подогрева дутья или других целей.       

      Затраты на систему газоочистки для вагранок составляют до 25% от ее стоимости. У металлургических вагранок, выпускаемых в Германии, в нее входит охладитель, дезинтегратор мокрой очистки, осушитель, фильтры.

       В процессе изготовления и хранения стержней на основе синтетических смол выделяется много ядовитых газов – фенол, формальдегид, аммиак, акролеин, бензол, цианистые соединения. Для их нейтрализации применяют каталитические фильтры, разлагающие эти сложные органические соединения.

      Осветление отработанной воды производится в отстойниках за счет вязкого осаждения частиц. Скорость осаждения можно повысить добавкой коагулянтов (известковое молоко, полиакриламид), которые способствуют образованию хлопьев. Осветленная вода фильтруется в канализацию, шлам периодически убирается из отстойника.

2.11. СКЛАДСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

      Способы складирования материалов должны минимизировать  площади для хранения материалов, для чего применяется ограничение рассыпания материала стенками (бункер и закром). Существующие типы складов:

  1. Площадка. Площадки используют для  материалов, к которым для обеспечения транспортировки необходимо иметь доступ сбоку, например, цветные сплавы.  Для других материалов использование площадок нецелесообразно, т.к. не позволяет эффективно использовать складские площади из-за небольшой высоты хранения.
  2. Закром. Закром  предусматривает верхнюю загрузку и выдачу материала. Это универсальный тип склада для сыпучих и магнитных материалов.
  3. Бункер. Материал в бункер загружается сверху, а выгружается снизу. Во избежание зависания в бункерах хранят только материалы с большим углом естественного откоса (т.е. с хорошей сыпучестью).

     Расчет площади складов литейного цеха производится в соответствии с принятыми нормами высоты хранения по формуле:

,

где q — запас материала на складе;

      h — высота хранения (табл.2.36);

      r — насыпная плотность материала (табл.2.36).

Таблица 2.36

 Нормы для расчета складов литейного цеха [19].

Наименование материаловРекомендуемый типскладаНасыпной вес, т/м3Высота хранения материалов, м на складе
  немехани-зированноммехани-зированном
Чушковые:    
ЧугунЗакром2,5-3,01,53-4
Медь и латуньПлощадка5,012-3
АлюминийПлощадка1,51,52-3
СвинецПлощадка6,3-6,812-3
Лом черных металловЗакром2,0-2,51,53-4
Возврат:    
Черных металловЗакром1,5-2,11,53-4
Медных сплавовЗакром2-31,52-3
Алюминиевых сплавовЗакром0,71,52-3
Стружка брикетирован-ная стальная и чугуннаяЗакром2,7-3,61,53-4
Ферросплавы в кускахЗакром2,71,52-3
Кокс литейныйЗакром0,4522,5-4
Каменный угольЗакром0,8-0,923
Древесный угольБункер0,222
Железная руда, марганцевая рудаЗакром2,0-2,323-4
Песок формовочныйБункер1,5-1,735-6
Глина формовочнаяБункер1,3-1,535-8
Огнеупорный кирпичПлощадка1,81,52,6

     Рекомендуемая высота хранения определяется из давления материала на бетонные полы и рассчитывается из условия прочности бетона со значительным запасом.

      Насыпная плотность материала зависит от конфигурации его частиц. Например, при плотной укладке чушек насыпной вес составляет примерно 70% от плотности компактного материала. Если же складируется возврат, особенно литники, имеющие весьма сложную конфигурацию, то насыпной вес может составить даже 10% от плотности компактного материала.

Глава 3:      ПЛАНИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА

     При выборе оптимального способа производства отливок по всем технологически допустимым вариантам производится расчет величины затрат, непосредственно связанных с ведением технологического процесса и капитальных вложений. Оптимальный вариант выбирается методами сравнительного анализа эффективности инвестиций. В свою очередь, расчет экономических показателей базируется на планировании производства в натуральном выражении.

3.1.СТРУКТУРА ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА

      Производственный процесс — система, предназначенная для переработки сырьевых материалов, энергии и информации в продукцию с заранее заданными характеристиками..

      Производственный процесс является иерархической системой и подразделяется на технологические системы, подсистемы, операции и элементы. Все эти понятия относительны — на разных уровнях системного подхода одна и та же часть производственного процесса может выступать в роли системы, подсистемы, операции, элемента [36].

      Технологическая система — часть производственного процесса, в которой перерабатывается один и тот же материал. Существует два вида систем: циклы и потоки. Циклы, в свою очередь, подразделяются на замкнутые и открытые. Замкнутые циклы не получают извне материалов вообще. В открытом цикле часть перерабатываемых материалов используется повторно. Открытые циклы и потоки в литейном производстве называются переделами. Производственный процесс литейного цеха песчаной формовки состоит из трех основных циклов: цикл формовочной смеси (открытый), цикл металла (открытый) и цикл опок (замкнутый), и потоков стержней и финишной обработки отливок (рис.3.1).

       Технологическая подсистема — совокупность операций, в результате проведения которых происходит изменение объекта производства. Например, компоненты формовочной смеси преобразуются в формовочную смесь или жидкий металл преобразуется в отливку или форма преобразуется в отработанную формовочную смесь и т.д. (табл.3.1). В административной структуре литейного цеха технологические подсистемы образуют отдельные  единицы (участки, отделения).

      Операцией называется совокупность элементов работы, осуществляемая на одном оборудовании. Операции подразделяются на технологические и транспортные.

Таблица 3.1.

              Структура производственного процесса литейного цеха

ПодсистемаОбъект производстваТехнологические операции
СмесеприготовительнаяКомпоненты смеси ® смесь1. Дозирование 2. Смешивание
ФормовочнаяСмесь + опока ®     полуформа1. Изготовление верх. полуформы 2. Изготовление ниж. полуформы
СтержневаяСмесь ® стержень1. Изготовление стержней                 2. Отверждение стержней
Сборочная2 полуформы + стержни ® форма1. Сборка
ПлавильнаяШихта®жидкий металл1. Шихтовка 2. Выплавка 3. Мет.обработка
ЗаливочнаяЖидкий металл ® отливка1. Заливка
ВыбивнаяФорма ® отливка + 2 опоки + смесь1.Выбивка
Регенерацион-наяСмесь ® компонент смеси + отходы1.Регенерация2.Гомогенизация
ОбрубнаяОтливка ® обрубленная отливка + возврат1. Обрубка
ВыбраковочнаяОтливки ® годные отливки + брак1.Визуальный осмотр2. Поиск внутренних дефектов3.Заделка брака
ОчистнаяОбрубленная отливка ® очищенная отливка + отходы1.Очистка2. Шлифовка3. Грунтовка

      Элементом называется совокупность однородных воздействий на объект производства (табл.3.2). Элементы подразделяются по содержанию работы на [36]:

1. Технологические, обеспечивающие изменение характеристик объекта производства.

2. Транспортные, обеспечивающие перемещение информации, объектов или субъектов производства. Например, транспортировка формовочной смеси, перемещение пескомета, сообщение результатов измерения температуры расплава.

3. Подготовительные, обеспечивающие проведение технологических или транспортных операций, например, крепление опоки к рабочему столу формовочной машины, крепление отливки к крюку подъемного устройства.

4. Информационные, выдающие информацию для обеспечения нормального функционирования цеха, собирающие данные о ходе производственного процесса для принятия решения о его корректировке. Например, измерение температуры расплава. Информационные элементы выполняют функцию обратной связи.

5. Управляющие, осуществляющие включение и выключение оборудования.

                       1                                    6                                    7            8                                                                                      

    11

                           2                   4               5                                     9

    11                                       3                                                    10

Рис.3.1.  Структура литейного цеха опочной формовки.

1 — смесеприготовление; 2 — формовка; 3 — изготовление стержней;

4 — сборка; 5 — заливка; 6 — выбивка; 7 — обрубка; 8 — финишная обработка;

9 — плавка; 10 — поступление шихты; 11 — поступление свежих формовочных материалов.

Цикл форм: 2-4-5-6-2.

Цикл металла: 9-5-6-7-возврат-9.

Цикл смеси: 1-2-4-5-6-горелая смесь-1.

Поток стержней: 3-4.

Поток финишной обработки: 7-8.

Таблица 3.2.

Примеры технологических элементов.

ПодсистемаЭлементОбъект производстваИзмененная характеристика
ЗаливочнаяЗаливкаЖидкий металлКонфигурация
ФормовочнаяУплотнениеСмесьКонфигурация
Смесеприго- товительнаяСмешиваниеКомпоненты смесиМесторасположение  в объеме
ОбрубнаяОбрубкаОтливкаКонфигурация

3.2. ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРОГРАММА.  

      Планирование производства литейного цеха производится либо на основе маркетинговых исследований, либо по реальным заказам предприятий.

      На основании портфеля заказов составляется производственная программа. Производственная программа — краткосрочный план работы литейного цеха на определенный период времени (год, месяц, неделю) — содержит данные для планирования деятельности всех подразделений литейного цеха.  Производственная программа составляется на основе технологической документации на каждую отливку. Для расчета производственной программы необходимы следующие данные:

1. Предоставляемые заказчиком:

—  наименование отливки;

—  марка используемого сплава;

—  чертеж детали;

—  серийность отливки.

2. Разработанные производителем:

 —  размеры используемых форм (для оболочковых форм — толщина        оболочкового слоя);

  • конфигурация полости формы;
  • количество и конфигурация стержней в форме.

Производственная программа составляется методом прямых расчетов по каждому виду полуфабрикатов, выпускаемых структурными подразделениями цеха (табл.3.3).    При составлении сводной производственной программы все показатели по каждой серии отливок суммируются.

Производственная программа по качеству представляет собой планируемую долю брака отливок и полуфабрикатов. Доля брака в производстве определяется сложностью технологического процесса, качеством шихты, шлакообразующих и формовочных материалов, освоенностью технологического процесса и другими факторами. При неблагоприятном соотношении факторов доля брака отливок может достигать 70% (из опыта предприятий). Учет брака производится по формуле:

X=Xo(1+Б),

 где — Х- планируемый показатель с учетом брака;

          Хо- планируемый показатель без учета брака;

          Б- планируемая доля брака.

      При расчете доли брака следует учитывать, что брак необходимо суммировать по последовательности производственного процесса. Например, производственная программа стержневого отделения должна компенсировать брак отливок и брак стержней. А производственная программа смесеприготовительного отделения должна включать брак смеси (сухая смесь), потери при транспортировке, брак форм и брак отливок.

Таблица 3.3.

Производственная программа на серию отливок.

Отделение литейного цехаПланируемый пока-затель для выпуска серии отливок NМетодика расчета(без учета брака)
Формовочно-заливочно- выбивноеКоличество съемовn=N/k,  гдеk-количество отливок в форме.
Смесепригото-вительноеОбъем стержневой смеси                   MVc=n*å Vci, где                   i=1Vci-объем i-го стержня;m-количество стержней в форме.
 Объем формовочной смеси для объемных формVф=(Vп-Vо)*n, гдеVп-объем формы; Vo-объем полости формы.
 Объем формовочной смеси для оболоч-ковых формVоб=S*H*n, где S-площадь поверхности формы;H-толщина оболочки.
 Масса смесиМ=r*V, где r-плотность смеси в форме; технологически необходимая r-1600-1800 кг/м3; V-объем формовочной смеси.
СтержневоеКоличество стержнейNc=n*m
ПлавильноеЧерновая масса отливокМо=(m*k+mл.с.)*n, где m-черновая масса отливки без литниковой системы. mл.с.- масса литниковой системы.
ОбрубноеКоличество отливокN
ОчистноеКоличество отливокN
 Чистовая масса отливокMo=N*mo, гдеMo-чистовая масса одной отливки.
ТермическоеОбъем отливокVотл=N*v,  где v-объем одной отливки v=a*b*c  a,b,c-габаритные размеры отливки

3.3. БАЛАНС МАТЕРИАЛОВ

       Литейный цех, как любая производственная система, перерабатывает сырьевые материалы в готовую продукцию и отходы. Особенность литейного производства состоит в наличии технологических циклов, благодаря чему большинство материалов в производственном процессе используется многократно. Основным сырьем литейного цеха являются металлы, шлакообразующие  и  формовочные материалы. Шлакообразующие материалы используются однократно и полностью переходят в шлак.

Таким образом, баланс материалов литейного цеха обыкновенно разделяют на 2 части: баланс металла (табл. 3.4) и баланс смеси (табл.3.5.).

Таблица 3.4.

Баланс металла

Статья балансаОсобенности расчета
 Расход 
1Годные отливкиЧистовая масса отливок (из производственной программы)
2Литники и прибылиРазность черновой и чистовой массы отливок (из производственной программы)
3БракОпределяется по опыту производства (из производственной программы).
4Угар, гдеPi – содержание i-того элемента в сплаве;Уi – угар i-того элемента в зависимости от типа плавильной печи;М – масса металлозавалки;k – количество элементов в сплаве.
5Сплески и скрапОпределяется из опыта производства.
 ПриходИтого металлозавалка
1Чушковые металлыСодержание свежих компонентов шихты рассчитывается  методами математического анализа с  целью минимизации себестоимости жидкого расплава.
2Лом покупной
3Ферросплавы (лигатуры)
4Возвраты собственного производства.Сумма литников, прибылей, брака, возврата, сплесков и скрапа.
5МодификаторыОпределяется по норме расхода в зависимости от способа присадки.
6Технологическое топливоОпределяется по норме расхода.

Таблица 3.5.

Баланс смеси

Статья балансаПроисхождение и особенности расчета
 Расход 
 Отработанная смесьСмесь, пригодная для повторного использования.
 Формовочная пыль (шлам)Образуется в результате растрескивания зерен формовочного песка и шамотизации глины. Эти процессы происходят вследствие теплового воздействия расплава. Поэтому масса формовочной пыли (шлама) определяется из массы и температуры заливаемого металла по эмпирической формуле: , гдеТзал i– температура заливки i-того расплава ( С);М i – масса i-того сплава;n – количество сплавов по производственной программе.Дополнительно к формовочной пыли относится коксовый остаток, возникший в результате газификации органических компонентов.
 Куски смесиНе распавшиеся в результате термического удара при заливке остатки стержней, облицовочной формовочной смеси и т.п.
 ГазыОбразуются в процессе газификации органических компонентов формовочной и стержневой смеси и испарения воды.
 ПриходИтого формовочная смесь (из производственной программы)
 Отработанная смесьОпределяется по рецепту смеси.
 Формовочный песок
 Формовочная глина
 Химически и термически твердеющие связующие добавки
 Другие добавки
 Вода

3.4. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ОБОРУДОВАНИЯ.

       Количество необходимого для обеспечения производственного процесса технологического оборудования рассчитывается исходя из фондов времени работы оборудования, его технической характеристики и особенностей технологического процесса (времени охлаждения отливки, степени механизации производственного процесса и т.п.).

     Действительный фонд времени Тд работы оборудования  определяется с учетом коэффициента потерь рабочего времени Кп по формуле:

         Тд=Тн(1-Кп).

Коэффициент потерь времени работы оборудования в основном обусловлен его простоями  из-за поломок и, следовательно,  зависит от интенсивности эксплуатации (табл.3.6).

Таблица 3.6.

 Коэффициент потерь времени работы оборудования [85].

ОборудованиеКоэффициент потерь времени работы оборудования , %, при количестве смен
 123
Блок вагранок000
Индукционные и дуговые печи3512
Печи для тяжелых цветных сплавов0,513
Печи для легких сплавов346
Мартеновские печи11
Термические печи камерные:   
Крупные35
Мелкие124
Термические печи методические13
Сушила камерные:   
крупные24
Мелкие013
Сушила методические и конвейерные002
Технологическое оборудование для мелкого и среднего литья:   
Механизированное246
Автоматизированное58
Технологическое оборудование для  крупного литья6912

      Необходимое для работы цеха оборудование рассчитывается исходя из производственной программы цеха  по формуле:

 N = ,

где V — годовой объем продукции, изготавливаемый на данном оборудовании;

      q — производительность оборудования.

При использовании сменной оснастки необходимое количество  оборудования зависит от серийности n, количества серий k и длительности процесса смены оснастки tосн по формуле:

N=

         Оборудование подразделяется на однопозиционное и многопозиционное. Оборудование называется однопозиционным, если все выполняемые на нем элементы выполняются на одном месте. Возможно и разделение элементов производственного процесса между позициями. Такое оборудование называется многопозиционным.

      Производительность  оборудования определяется по формуле:

q=V/T,

где V — емкость оборудования;

      Т — время  такта.

      Такт определяется как характерное время между двумя одинаковыми элементами. Такт для однопозиционного оборудования рассчитывается как сумма времени выполняемых на оборудовании элементов (рис.4.2):

         n

 Т=S ti

        i=1

 где ti — длительность i-того элемента;

       n — количество выполняемых на агрегате элементов.

        Например, на встряхивающей формовочной машине выполняется 12 элементов различных типов (табл.4.6). Встречающийся в литературе термин «цикловая производительность» определяется из времени одного только технологического элемента, например, для формовочной машины из времени уплотнения формы.  

        На многопозиционных машинах одновременно обрабатывается m предметов. Выполняемые на многопозиционном оборудовании операции разделены между позициями. Отдельные позиции связаны между собой транспортными элементами. Обычно время транспортировки предметов между позициями tтр одинаково. Абсолютное время обработки предмета увеличивается на сумму транспортных элементов:

              n            n

 Табс=S ti +S tтр,

             i=1         i=1

или

               n        

 Табс=S (ti + tтр).

             i=1         

      По теореме Форда-Фулкерсона в согласованном производственном процессе производительность каждой подсистемы лимитирована производительностью самой малопроизводительной из участвующих в производственном процессе подсистем: qi=qmin. Подсистемы с высокой производительностью просто ожидают выполнения самой длительной операции.  Та же формула справедлива для любого многопозиционного оборудования. То есть полное время обработки предмета можно рассчитать по формуле: Табс= m (tmax+tтр).   Тогда производительность равна:

q==

Следовательно,  такт  многопозиционной  машины будет определяться по максимальному времени нахождения предмета на какой-либо позиции tmax (рис.3.3.) по формуле: Т=tmax+tтр.

             3.5. ПЛАНИРОВАНИЕ  ЧИСЛЕННОСТИ ПЕРСОНАЛА

     Численность работающих определяется отдельно по категориям:

  • рабочие основные и вспомогательные;
  • руководители;
  • специалисты
  • служащие.

      Различают списочную и явочную численность рабочих. Списочная численность – это численность работников по списку на определенную дату или за определенный период (среднесписочная). Явочная численность – это количество работников, явившихся на работу. Списочная численность рабочих рассчитывается по формуле:

Чсп=Ксп*Чя , где

Чсп – списочная численность рабочих;

Чя – явочная численность рабочих;

Ксп – коэффициент списочного состава. Рассчитывается из проектного баланса рабочего времени по формуле:

Ксп = Тн/Тд, где

Тн – номинальный фонд времени;

Тд – действительный фонд времени.

      Фонды времени рассчитываются, исходя из существующих законов о выходных и праздничных днях, продолжительности рабочего дня и количестве смен. Номинальный и действительный фонд времени рассчитываются по формулам (табл.3.7): Тн =Тк — Тв- Тпр , Тд =Тн-Тнев

Таблица 3.7.

Пример проектного баланса рабочего времени ( в днях ) [84].

№ п/пНаименование показателейВеличина, дней
1Календарный фонд времени, Тк365
2Выходные дни, Тв104
3Праздничные дни, Тпр11
4Итого номинальный фонд времени, Тн250
5Основные и дополнительные отпуска30
6Болезни и декретные отпуска12
7Выполнение гос. обязанностей2
8Прочее1
9Итого невыходов, Тнев45
10Итого действительный фонд времени, Тд205

 Для приведенного в табл. 3.7.  примера Ксп=250/205 =1,2.

       Особенностью литейного производства является жесткая взаимосвязь между структурными подразделениями  цеха. Живучесть полуфабрикатов в литейном производстве исчисляется часами, т.е. невозможно создавать значительные заделы. Поэтому простои оборудования и недозагрузка рабочих мест по причине неявки рабочих недопустимы – будет остановлено все производство. Следовательно, при планировании производственного процесса явочная численность должна соответствовать  количеству рабочих, рассчитанному с применением следующих методов:

  •  по нормам времени;
  • по нормам обслуживания;

1. По нормам  времени:

Чя =

где Q — производственная программа по обрабатываемому полуфабрикату;

       H — норма времени на производимые рабочим операции с единицей полуфабриката;

       k —  коэффициент выполнения нормы времени.

      Методика  расчета по нормам времени применяется когда  элементы, выполняемые рабочим, занимают достаточно большую часть времени. Рабочие, как минимум, должны выполнять подготовительные, транспортные, установочные и управляющие элементы. Например, по нормам времени рассчитывается численность обрубщиков, формовщиков машинной и ручной формовки, операторов машин литья под давлением (с холодной камерой прессования) и т.п. Нормы времени определяются как сумма элементов, производимых на рабочем месте (табл.3.8.).

Таблица 3.8.

Элементы, выполняемые на встряхивающей формовочной машине

№ п/пЭлементТип элемента
1Установка опокиТранспортный
2Закрепление опокиПодготовительный
3Нанесение разделительного составаПодготовительный
4Включение питателя смесиУправляющий
5Заполнение опоки смесьюТехнологический
6Выключение питателя смесиУправляющий
7Включение встряхивающего механизмаУправляющий
8Уплотнение формовочной смесиТехнологический
9Выключение встряхивающего механизмаУправляющий
10Допрессовка пневматической трамбовкойТехнологический
11Открепление опокиПодготовительный
12Снятие опокиТранспортный

2. По нормам обслуживания.        

Чя=N*Hобс* С ,где

      N — количество обслуживаемых агрегатов;

      Нобс- норма обслуживания;

      С – число смен.

        Методика расчета по нормам обслуживания применяется при обслуживании рабочими технологического оборудования. Функции рабочих сводятся к  контролю за ходом технологического процесса и осуществлению, максимум, транспортных и управляющих элементов. По нормам обслуживания рассчитывается численность плавильщиков, операторов различных установок, в т.ч. автоматических линий, смесителей, выбивных решеток, очистного и термического оборудования.

        Нормы обслуживания рассчитываются прежде всего из необходимости непрерывной работы обслуживаемого оборудования. Также учитываются требования техники безопасности (табл.3.9).

Таблица 3.9.

Нормы обслуживания технологического оборудования [85].

 Технологическое оборудованиеНорма обслуживания, чел.
Дуговые печи емкостью: 
                        До 10 т2
                        10-40 т2-3
                        40-80 т3-4
                        80-120 т4-5
Индукционные печи емкостью: 
                        До 400 кг1
                        400-1000 кг1-2
                        1-10 т2
                        Более 10 т2-3
Вагранки закрытого типа, производительностью: 
                       До 10 т/ч2
                       Более 10 т/ч3
Смесители1
Выбивные решетки неавтоматические грузоподъемностью: 
                       До 10 т2
                       10-20 т2-3
Очистное оборудование1
Термические печи1

     Общий расчет численности рабочих цеха производится  суммированием списочной численности рабочих по сменам, бригадам и профессиям.  

      Численность руководителей и специалистов определяется производственной структурой цеха и принятыми на предприятии нормами. Общепринятая схема расстановки руководящего состава и специалистов приведена в табл. 3.10.

Таблица 3.10.

Расстановка руководящего состава и специалистов.

РуководительРуководимое подразделение 
Начальник цехаЦех
Заместитель начальника цехаЦех ( при отсутствии начальника цеха)
Старший мастерСтруктурное подразделение цеха (отделение, участок)
МастерСтруктурное подразделение цеха в смену
СпециалистыВыполняемые функции
Главный энергетикОбслуживание энергетического хозяйства
ЭнергетикОбслуживание энергетического хозяйства в смену
Главный механикОбслуживание оборудования
МеханикОбслуживание оборудования в смену
ТехнологРазработка технологической документации*.
ЭкономистРасчет затрат по производству.*

*На предприятиях литейного производства за рубежом широко распространена  схема, при которой функции технолога и экономиста выполняют либо руководители, либо, в особо трудных случаях, сторонние специалисты.

       К служащим относятся уборщики, сатураторщики, охранники и т.п.  Численность младшего обслуживающего персонала определяется  в соответствии с принятыми на предприятии нормами.

3.6.ПЛАНИРОВАНИЕ КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ.

      Капитальные затраты — это единовременные затраты, осуществляемые в начале реализации проекта. Капитальные вложения при модернизации состоят из требуемых капитальных вложений за вычетом ликвидационной стоимости:

Кмод=Ктр-Клик

Ликвидационная стоимость оборудования определяется с учетом рыночной конъюнктуры.

       Капитальные затраты на модернизацию рассчитываются как сумма:

1. Капитальных затрат на оборудование [86]:

  Коб=Кпроект +,

где Кпроект — затраты на проектирование;

      Цi — оптовая цена оборудования;

      kтрi-коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные   

      расходы, для крупного оборудования kтр=0,05;  

      для мелкого kтр = 0,1;

      kсi- коэффициент, учитывающий стоимость строительных работ   

      и устройство фундаментов (kсi = 0,02-0,08);

      kмi — коэффициент, учитывающий затраты на монтаж и освоение

      оборудования, (kм = 0,02-0,08);

      n — количество единиц устанавливаемого оборудования.

2. Капитальные затрат на здания и сооружения:

При реконструкции рассчитываются применительно к конкретному варианту проекта и включают в основном расходы по капитальному ремонту и организации новых энергетических, водопроводных и других сетей.

3. Прирост оборотных средств при закупке новых видов сырья и материалов:

Км=,

где Цi- цена i-того материала (с учетом стоимости доставки);

      qi- средний запас i-того материала на складе;

      n- количество видов складируемых материалов.

4. Капитальные затраты на оснастку и инвентарь:

Косн=,

где Цi — цена i-того типа оснастки;

      mi — количество единиц i-того типа оснастки; рассчитывается  

      согласно нормативному сроку службы. Определяется по форму

      ле:

      mi=N/b ,

      где N — количество съемов с i-того типа оснастки на годовую

            программу;

            b- нормативное число съемов с i-того типа оснастки.

      n — количество типов оснастки.

3.7. ПЛАНИРОВАНИЕ СЕБЕСТОИМОСТИ ПРОДУКЦИИ.

       Себестоимость продукции  — важнейший показатель экономики проектируемого производства. Проектная калькуляция себестоимости продукции составляется по типовой форме (табл.3.11):

Таблица 3.11.

Калькуляция себестоимости годных отливок:

Статьи затратОснование для расчета
Сырье и основные материалыБаланс материалов
Вспомогательные материалыБаланс материалов
Топливо на технологические целиБаланс материалов, норма расхода
Электроэнергия на технологические целиБаланс материалов, норма расхода
Оплата труда основных рабочихЧисленность и квалификационный состав персонала
Социальный налог35,6% от фонда оплаты труда
Амортизация*Балансовая стоимость оборудования, зданий, сооружений и норма амортизации.
Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования.Комплексная статья затрат, требуется составление отдельной сметы (табл.3.12).
Цеховые расходыКомплексная статья затрат, требуется составление отдельной сметы (табл.3.13).
Итого цеховая себестоимость 
Общезаводские накладные расходы10-15% от цеховой себестоимости без затрат на сырье и материалы. Экологический налог рассчитывается отдельной сметой.
Итого производственная себестоимость 
Коммерческие расходы1-3% от производственной себестоимости.
Итого полная себестоимость 

 *Примечание: Амортизация – бухгалтерская запись, предназначенная для постепенного перенесения стоимости капитальных вложений на себестоимость продукции. Применение амортизации сглаживает налоговую нагрузку на предприятие, не допуская занижение прибыли в период осуществления инвестиций и завышения в период эксплуатации закупленного ранее оборудования (построенных зданий и т.п.). Учет амортизации при анализе эффективности капитальных вложений приводит к двойному счету.

Таблица 3.12.

Смета расходов на содержание и эксплуатацию оборудования

Статьи затратОснование для расчета
Оплата труда вспомогательных рабочихЧисленность и квалификационный состав вспомогательных рабочих
Социальный налог35,6% от фонда оплаты труда
Энергопотребление оборудованияКоличество и мощность оборудования
Ремонт оборудования5-10 % от балансовой стоимости оборудования
Прочие расходыПо заводским нормам.

Таблица 3.13.

Смета цеховых    расходов

Статьи затратОснование для расчета
Оплата труда руководителей, специалистов и служащихЧисленность и условия контракта руководителей и специалистов, численность служащих
Социальный налог35,6% от фонда оплаты труда
Охрана труда20% от фонда оплаты труда
Содержание зданий и сооруженийРасходы на отопление, освещение, вентиляцию зданий и сооружений (по заводским данным)
Ремонт зданий и сооружений2-2,5% от балансовой стоимости зданий и сооружений
Прочие расходы ( на повышение квалификации, канцелярские, представительские и т.п.)По заводским нормам.

        Стоимость шихты, шлакообразующих и формовочных материалов рассчитывается из баланса материалов по формуле:

 , где

Ц – стоимость сырья и материалов;

Мi – масса i-того материала в год (по балансу материалов);

Цi – цена i-того материала с учетом транспортно-заготовительных расходов.

n – количество материалов (по балансу материалов).

     Затраты на другие материалы рассчитываются по заводским нормам расхода, определяемым с учетом особенностей технологического процесса.

Затраты на топливо и электроэнергию на технологические цели рассчитываются также по нормам расхода по формуле:

 , где

ЗТЭ – затраты на топливо (электроэнергию);

Мi –  количество материала, перерабатываемого в  i-той печи;

Цj – цена j-того вида топлива (электроэнергии) с учетом транспортно-заготовительных расходов;

Ni,j – норма расхода i-того вида топлива в j- той печи.;

n- количество  печей;

k – количество видов топлива (электроэнергии).

      Планирование заработной платы основывается на выбранных формах и системах оплаты труда,  численности персонала по специальностям и квалификации, тарифной системе, принятой на предприятии.

     Фонд оплаты труда рабочих складывается из фонда основной и дополнительной заработной платы.

      Основная заработная плата включает в себя:

  • Заработок по тарифу. Рассчитывается по формуле:

 , где

З – годовой фонд основной заработной платы;

ЗПi –  тарифная ставка i-того рабочего;

Тн – номинальный фонд времени;

n – списочная численность рабочих.

  • Приработок сдельщика рассчитывается умножением заработка по тарифу на планируемый процент перевыполнения норм выработки (обычно – 5%).
  • Размер доплаты за работу в вечернее (с 18 до 22 ч) и ночное (с 22 до 6 ч) время определяется по коэффициенту доплат, который составляет не менее 20 и 40% в вечернее и ночное время соответственно.
  • Размер доплаты за работу в выходные и праздничные дни определяется аналогично и составляет 100%. Но, поскольку для литейного производства характерна прерывная рабочая неделя, эти доплаты, как правило, не рассчитываются.
  • На основную заработную плату начисляется премии, размер которой  определяются в размере 25-40% для основных рабочих и 20-30% для вспомогательных от суммы заработка по тарифу и приработка сдельщика.
  • В основную заработную плату входит районный коэффициент, который начисляется на сумму основной заработной платы и премии и составляет для Свердловской области – 15%

Дополнительная заработная плата включает оплату очередных, дополнительных и учебных отпусков  и может быть рассчитана укрупненно в рамере принимается 10-15% от основной (для литейных цехов) [86].

      Заработная плата руководителей и специалистов в настоящее время в основном устанавливается на контрактной основе.

       Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования – комплексная статья затрат. Затраты на силовую электроэнергию (в год) определяются по формуле:

Сэ=Цэ* Кп*Тд*,

где Цэ — цена на электроэнергию;

      Кп — коэффициент потерь электроэнергии в заводской сети  

      (Кп=1,04-1,08);

      Ni — установленная мощность i-того потребителя электро-    

      энергии;

      ki- коэффициент использования мощности ( ki=0,4-0,6);

      n — количество потребителей.

      Платежи за выбросы в окружающую среду относятся к общезаводским накладным расходам, но непосредственным образом зависят от принятого в цехе технологического процесса. Поэтому платежи за выбросы в окружающую среду (экологический налог) оказывают непосредственное влияние на себестоимость продукции в части условно-постоянных расходов.  Расчет платежей за загрязнение окружающей природной среды в России производится в соответствии с постановлением Правительства РФ [87]. Общий размер платежей определяется как сумма платежей за:

  1. Постоянные выбросы, не превышающие установленных для пред-

     приятия предельно допустимых нормативов на выбросы или сбросы  

     (ПДВ,ПДС). Нормативы рассчитываются на основе «Проекта ПДВ

     (ПДС) предприятия и согласуются с территориальными подразделе

     ниями ГК по экологии. Размер платы определяется по видам загряз

     няющих веществ по формуле:

              n

     С1= S Mi*ci

                  i=1

     где   Mi — масса выброса i-того вещества в год;

              ci — плата за выброс единицы массы i вещества.

2. Временные выбросы в пределах установленных нормативов на

    временно согласованные выбросы или сбросы (ВСВ, ВСС). Нормативы

    по ВСВ и ВСС устанавливаются на период достижения ПДВ и ПДС  

    территориальными подразделениями ГК по экологии. Размер платы оп

    ределяется по формуле:

                  n

    С1= S (Mi-ПДВi)*ci

                i=1

    где ПДВi — ПДВ (ПДС) i-того вещества.

3. Сверхлимитное загрязнение окружающей среды.  Размер платы оп

    ределяется по формуле:

                   n

 С1= 5*S (Mi-ПДВi)*ci

                 i=1

4. Размещение отходов. Размещение отходов в пределах установленных

    нормативов рассматривается как выбросы в пределах ПДВ (ПДС). При

    превышении установленных нормативов размещение отходов рассмат-

    ривается как сверхлимитное загрязнение окружающей среды.

    Ставка платы за выбросы в атмосферу составляет:

    ci=si*k1*k2

    где si-базовый норматив платы за выброс, зависит от cтепени опасности

    i -того вещества для природной cреды;

    k1-коэффициент экологической ситуации в атмосфере региона;

    k2-коэффициент экологической значимости атмосферы в регионе.

      Ставка платы за выбросы в водные объекты и размещение отходов рассчитывается аналогично с применением соответствующих базовых нормативов и коэффициентов экологической ситуации и значимости.

Глава 4:                      ОПТИМИЗАЦИЯ                        КАПИТАЛЬНЫХ ВЛОЖЕНИЙ.

4.1. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА

 ЭФФЕКТИВНОСТИ ИНВЕСТИЦИЙ

      Традиционно для оценки инвестиционных проектов применяется  показатель абсолютной эффективности инвестиций. Для расчета этого показателя необходимо знать денежные потоки — выручку от реализации проекта (приток денежных средств) и стоимость его реализации (отток денежных средств). Проблема в том, что цены на продукцию литейного производства зависят от множества как объективных (например, качество продукции), так и субъективных (например, номенклатура литья) факторов. Все эти факторы поддаются корректировке без дополнительных инвестиций.  Поэтому планировать выручку от реализации проекта практически невозможно.   

        Отечественная теория инвестиций предлагает решение этой проблемы путем выявления показателя сравнительной эффективности инвестиций, которые разработаны при соблюдении тождества результатов по вариантам.  Как уже говорилось ранее, выбор оборудования и технологии литья производится в два этапа: выбор технологически приемлемых вариантов  и сравнительная оценка их экономической эффективности. При выборе технологически приемлемых  вариантов инвестиционного проекта предусматривался выпуск одинаковой по качеству и объему продукции вне зависимости от принятого варианта. Следовательно, выручка для различных вариантов будут одинаковы. Поэтому приток денежных средств предполагается одинаковым и может быть исключен из расчетов. Различным будет только отток денежных средств, причем рассматривая только производственную сторону вариантов, предлагается учитывать только издержки, связанные с производством. Поэтому в качестве критерия предлагается минимум производственных затрат, различающихся по приведенным вариантам.

      Для оценки эффективности инвестиций используются два метода: статический и динамический. Статический метод основан на сравнении экономических показателей без учета фактора времени. Динамический метод учитывает изменение «стоимости» денег со временем.

      Статический метод — это метод  годовых приведенных затрат L [86]. Этот метод  предусматривает постепенный и равномерный перенос стоимости капитальных вложений в приведенные затраты по формуле:

L=C +Eнi*Ki    

где C — годовая себестоимость продукции;

      Eнi — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений по  i-тому виду оборудования (зданий и сооружений, оснастки, запасов). Соответствует норме амортизационных отчислений.

      Кi — капитальные вложения в i-тый вид оборудования (зданий и сооружений, запасов, оснастки);

      n — количество типов оборудования.

      Этот метод — наиболее простой, но наименее точный, поскольку не отражает динамики изменения реальной стоимости основных и оборотных средств. В условиях стабильных цен на оборудование и отсутствия рынка капитала применение метода приведенных затрат вполне допустимо. В СССР он широко использовался вплоть до 1980 г.г.

      Динамический метод — это метод дисконтированных денежных потоков [88]. При реализации инвестиционного проекта денежные средства расходуются в течение длительного периода времени. Со временем  «стоимость» денег снижается. Это связано не только с инфляционными процессами. Снижается и «стоимость» твердой валюты. Деньги, предназначенные для использования в отдаленные сроки реализации проекта, могут быть вложены в другой инвестиционный проект, помещены в высоколиквидные ценные бумаги, наконец, просто помещены на банковский депозит.  Таким образом, для получения  через год некоторой суммы денег, сегодня нужно вложить их меньше. В финансовых расчетах учет фактора времени осуществляется приведением будущих денежных потоков к одному периоду времени (обычно начальному) с помощью коэффициента дисконтирования L (discount (англ.) — уценивать), рассчитываемого по формуле:

L=  

где r — ставка дисконтирования;

      i — номер дисконтируемого года.

      Ставка дисконтирования иначе называется ставка отсечения (hurdle rate (англ.)). В международной практике при выборе ставки дисконтирования ориентируются на доходность абсолютно безрисковых вложений.  В США, например, эталоном является облигации 30-летнего государственного займа правительства, приносящие 4-5% годовых [84].  Именно на эту цифру следует ориентироваться при выборе минимальной ставки дисконтирования. В России доходность по любым видам вложений учитывает прогноз инфляции, поэтому ориентироваться на рублевые вложения вряд ли целесообразно, поскольку тогда придется вести расчет затрат не по текущим, а по прогнозным ценам, которые трудно предсказуемы.

      Суммарные дисконтированные затраты Р составят:

        n

Р=S Pi*L  (5.3)

       i=1

где Рi — затраты i-того года реализации проекта;

      n — срок рассмотрения проекта, т.е. горизонт расчета.

      Горизонт расчета определяется принятой на предприятии внутренней нормой рентабельности, как обратная ей величина. Для предприятий металлургии и машиностроения, к которым и относятся литейные цеха, горизонт расчета — 7-9 лет.

      Рассмотрим пример анализа эффективности инвестиций при следующих условиях:

1. Ставка дисконтирования — 10%.

2. Горизонт расчета — 9 лет.

3. Коэффициент эффективности кап. вложений — 20%.

4. Для варианта 1 — вложения в оборудование $ 50’000,

для варианта 2 — $ 100’000.

5. Для варианта 1 — текущие издержки ежегодно $30’000,

для варианта 2 — $ 15’000.

                                        Метод приведенных годовых затрат.

Приведенные годовые затраты составят:

Вариант 1:    50 000*0,2+30 000 = 40 000

Вариант 2:  100 000*0,2+15 000 = 35 000

Вывод: Вариант 2 более эффективен.

Таблица 4.1

Метод дисконтированных денежных потоков.

ГодКоэффициентЗатраты, $
 ДисконтированияВариант 1Вариант 2
0150 000+30 000100 000+15 000
10,90927 27013 635
20,82624 78012 390
30,75122 53011 265
40,68520 55010 275
50,62118 6309 315
60,56516 9508 475
70,51315 3907 695
80,46714 0107 005
Итого240 110195 055

        Вывод: Вариант 2 более эффективен.

4.2.. ВЫБОР РЕЖИМА РАБОТЫ ЦЕХА И  ОБОСНОВАНИЕ СТЕПЕНИ

АВТОМАТИЗАЦИИ И МЕХАНИЗАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ

      Вопросы об оптимальном числе смен и степени автоматизации оборудования могут быть поставлены, если производственная программа не может быть выполнена одной бригадой рабочих в одну смену без применения механизированного оборудования. Эти вопросы неразрывно связаны, поскольку увеличить объем производства можно, как используя оборудование с полной загрузкой в три смены, так и используя большее количество или более производительное оборудование в одну смену. Таким образом,  при работе в три смены потребуется меньшее количество или менее производительное оборудование, т.е. сокращаются капитальные вложения. С другой стороны,  увеличиваются затраты на зарплату рабочим (из-за выплат за работу в вечернее и ночное время) и потери из-за поломок оборудования  (из-за интенсивной эксплуатации), т.е. увеличивается себестоимость продукции. Наоборот, при работе в одну смену себестоимость продукции уменьшается, но возрастают капитальные вложения. Решение проблемы сводится к задаче о сравнительной экономической эффективности инвестиций.

      Рассмотрим задачу выбора оптимального режима работы участка литья под давлением (табл.4.2-4.3):

Таблица 4.2.

Исходные данные для расчета

ПоказательВеличина при количестве смен
 123
Действительный фонд времени, ч195338665677
Потребность в машинах ЛПД, шт.522618
Итого единовременные затраты, $520 000260 000180 000
Количество рабочих в смену26139
Зарплата рабочего, $/час11,662
Итого текущие издержки, $50 77883 930102 186

Применим метод дисконтирования денежных потоков при внутренней норме рентабельности 10%, горизонт расчета примем 8 лет.

Таблица 4.3

Метод  дисконтирования денежных потоков.

ГодКоэффициентЗатраты, $ при количестве смен
 Дисконтирования 123
01570 778343 930282 186
10,90946 15776 29292 887
20,82641 94369 32684 405
30,75138 13463 03172 552
40,68534 78357 49269 997
50,62131 53452 12163 457
60,56528 69047 42057 735
70,51326 04943 05652 421
Итого818 068752 668775 640

Вывод: оптимальной в данных условиях будет двухсменная работа.

      Для выявления оптимальной степени автоматизации на участке рассмотрим вариант, при котором за счет внедрения роботов стоимостью

$ 2000 на каждую машину литья под давлением возможно сокращение числа рабочих в 2 раза (табл.4.4). Дополнительные эксплуатационные затраты составят $ 0,1 в час за 1 робот.

Таблица 4.4

Метод дисконтирования денежных потоков.

ГодКоэффициентЗатраты, $ при количестве смен
 Дисконтирования 123
 Текущие издержки35 54452 01661 311
 Единовременные затраты624 000312 000216 000
01659 544362 016277 311
10,90932 30947 28255 732
20,82629 35942 96550 643
30,75126 69339 06446 045
40,68524 34735 63141 998
50,62122 07332 30238 074
60,56520 08229 38934 641
70,51318 23426 68431 452
Итого832 241575 333575 869
Затраты без применения роботов818 068752 668775 640

Вывод: внедрение роботов экономически эффективно  при двухсменном и трехсменном режиме работы.

4.3.ВНЕДРЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ  

      Современные технологические процессы разрабатываются либо для увеличения притока денежных средств путем повышения качества литья, либо для уменьшения  его оттока путем снижения себестоимости и стоимости капитальных вложений. Наиболее характерным примером снижения себестоимости  и стоимости капитальных вложений в литейном производстве является внедрение дуплекс- и  триплекс- процессов плавки металла.

      Производительность плавильных печей в cимплекс- процессе определяется из суммы периодов загрузки шихты, плавления, металлургической обработки металла в печи, гомогенизации и разливки. Дуплекс- и триплекс- процессы разделяют указанные операции между наиболее экономичными для каждой операции плавильными агрегатами, т.е. являются многопозиционной системой плавки металла или плавильным конвейером. Соответственно, необходимо дополнительное оборудование и для транспортировки жидкого металла.

      Потребность в разделении труда возникает, когда возрастает производительность труда. Аналогично, потребность в разделении операций между плавильными печами возникла, когда возросла производительность формовочной подсистемы литейного цеха благодаря параллельному режиму работы. Пока режим работы был последовательный, производительности одной плавильной печи было достаточно. С внедрением механизации, а тем более автоматических формовочных линий потребность высокопроизводительных литейных цехов в жидком металле значительно превысила возможности одной плавильной печи.

      Второй исторической причиной разделения операций между плавильными печами стала необходимость получения качественного металла, т.е. металла однородного и предсказуемого химического состава с минимальным количеством нежелательных примесных элементов. Добиться этого можно только в печах с перемешиванием расплава и низким угаром, т.е. в индукционных тигельных. Причем металлургическая обработка в этих печах затруднена, поскольку температура шлака ниже температуры расплава, что вынуждает для получения качественного металла использовать качественную, т.е. дорогую шихту. Еще одна проблема использования индукционных печей в недалеком прошлом состояла в их малой производительности из-за низкой мощности индукционных единиц. Следовательно, при использовании индукционных печей в симплекс- процессе их требовалось много. Однако сейчас эти трудности успешно преодолены.

        Третьей причиной является потребность в гомогенизации химического состава расплава от плавки к плавке при использовании дешевой шихты. Потребность в жидком расплаве при применении в качестве накопителя заливочного плаца в зависимости от производственной программы (при разной металлоемкости форм) может колебаться в значительных пределах. Неравномерность разбора металла приводит к существенным колебаниям содержания углерода, нежелательных примесей и температуры, что отрицательно сказывается на стабильности свойств отливок. Применение миксеров  в качестве гомогенизаторов позволяет повысить качество отливок [89,90].

      Необходимость участия электрических печей в выплавке чугуна была продиктована стремлением фирм — производителей машин и оборудования использовать отливки с минимальной толщиной стенки. Такие отливки могут быть залиты без дефектов только при достаточно высокой температуре расплава, которую не может обеспечить традиционно применяемая в чугунолитейных цехах вагранка.

      Таким образом, в настоящее время применение дуплекс- и триплекс- процессов обусловлено прежде всего экономическими соображениями, т.е. возможностью получать качественный металл минимальной себестоимости.

      При плавке металла действуют два основных фактора, влияющих на стоимость всего процесса — это стоимость энергоносителей и стоимость шихты. Выбор печи для плавки определяется, таким образом, стоимостью шихты т.е. возможностью использования дешевого лома, а еще лучше — стружки и стоимостью энергоносителей для переплава, т.е. их ценой и тепловым к.п.д. при плавке (табл.4.5).

      Качество проведения металлургической обработки расплава определяется соотношением температур расплава и шлака. Выбор плавильных печей по этим параметрам обеспечивает получение качественного расплава при минимальном расходе шлакообразующих материалов (табл.4.5).

      Выбор печи для выдержки расплава определяется единственно высоким тепловым к.п.д. при перегреве, что сокращает затраты на энергоносители (табл.4.5).

        Себестоимость процесса плавки определяется в т.ч. стоимостью установленных плавильных печей и стоимостью их эксплуатации (табл.4.6). Одним из факторов применения дуплекс- и триплекс- процесса является экономия на капитальных и эксплуатационных затратах за счет установки, где это возможно, более дешевого плавильного оборудования.

Таблица 4.5

Пооперационное разделение плавильных печей.

РасплавПлавкаМеталлургичес-кая обработкаВыдержка и Разливка
СтальДуговаяМартеновскаяДуговаяИндукционная тигельная
ЧугунВагранка ДуговаяДуговаяИндукционная канальная и тигельная
Медные сплавыПламенная ваннаяДуговая барабаннаяИндукционная канальная и тигельнаяПламенная ваннаяДуговая барабаннаяИндукционная канальная
Легкие сплавыПламенная шахтная и ваннаяИндукционнаяЭлектропечь сопротивленияЭлектропечь сопротивления
Легкоплав-кие сплавыЭлектропечь сопротивления Электропечь сопротивления

Таблица 4.6

Стоимость плавильных печей и эксплуатационные расходы [55,57]

( коксовая вагранка — 100 %)

Плавильная печьКапитальныеТекущие издержки
 затратыЭксплуатация оборудованияОгнеупоры, электроды
Газовая вагранка8281161
Дуговая печь:   
переменного тока185230177
постоянного тока18522552
Индукционная печь:   
Тигельная33221797
Канальная23321586

        В симплекс- процессе длительность операций загрузки, плавки, металлургической обработки, выдержки и разливки металла складывается. Производительность печи определяется делением ее емкости на время всего производственного цикла. Дуплекс- и триплекс- процессы позволяют использовать для каждой операции наиболее дешевый, в т.ч. и в эксплуатации, плавильный агрегат.

      Дуплекс- и триплекс- процессы диверсифицируют плавильное оборудование, т.е. в зависимости от требований к качеству металла и его температуре позволяют использовать только одну из плавильных печей. Анализ конкретной номенклатуры отливок показывает, что многие чугунные отливки по сложности конфигурации и толщине стенок могут быть залиты непосредственно из вагранок, в то же время часть их требует применения электроплавки.

      Например, для выплавки качественной стали необходимо использовать в симплекс- процессе две индукционные тигельные печи. Рассмотрим возможность применения дуплекс-процесса дуговая печь постоянного тока- индукционная тигельная печь (печи одинаковой емкости) (табл.4.7).

Таблица 4.7

Сравнение симплекс- и дуплекс-процесса плавки стали

методом годовых приведенных затрат.

ПоказательСимплекс-процессДуплекс-процесс
Операции, выполняемые первой печьюПлавка, выдержка.Плавка, металлургическая обработка.
Операции, выполняемые второй печьюВыдержка.
Цикл работы4 ч2ч+2ч
Количество печей21+1
Капитальные вложения185000*2=370000 $232000+185000=417000 $
Приведенные годовые затраты, $  
Капитальные вложения (Ен=20%)7400083400
РСЭО314000*2=628000277000+314000=591000
Металлошихта 10000 т700000300000
Итого1402000974400

Вывод: Применение дуплекс- процесса дуговая печь- индукционная тигельная печь экономически выгодно.

4.4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

 ПРИРОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ

      Капиталовложения в природоохранное оборудование составляют от 10 до 30 % от общей суммы инвестиций [1]. Обычно при разработке инвестиционных проектов проблемы защиты окружающей среды решаются в последнюю очередь, причем рассматриваются исключительно с точки зрения минимизации затрат на утилизацию отходов [91]. Однако следует ожидать, что в ближайшие годы еще более ужесточатся законы о защите окружающей среды. Поэтому устанавливаемое в цехах природоохранное оборудование должно обеспечивать несколько более высокую степень очистки, чем требует современное законодательство. Законодательство поощряет природоохранную деятельность предприятия путем взимания платы за загрязнение окружающей среды.

      Экономическая эффективность природоохранных мероприятий определяется как сравнительная эффективность инвестиций при установке очистного оборудования и плате за выбросы и размещение отходов. К текущим расходам при проведении природоохранных мероприятий относят [87]:

  1. Затраты на содержание, эксплуатацию и ремонт газоводоочистного оборудования, включая опытные установки.
  2. Затраты на организацию контроля за содержанием вредных веществ в отходящих газах и сточных водах.
  3. Дополнительные затраты на эксплуатацию основных фондов, направленные на снижение экологической опасности благодаря совершенствованию технологического процесса.
  4. Затраты на рекультивацию и очистку территорий.
  5. Затраты на оплату услуг, связанных с охраной природной среды, например, за сброс в канализацию.

            В работе [92] предлагаются следующие пути сокращения затрат на

природоохранные мероприятия:

  1. Продавать отходы для последующей переработки.
  2. Оптимизировать процессы хранения и транспортировки отходов на основе логистической модели.
  3. Использовать безотходные и малоотходные технологии (например, регенерацию формовочной смеси).

4.Разделять различные виды отходов.

5. Самостоятельно перерабатывать отходы.

      Основное направление сокращения отходов в литейном производстве — регенерация формовочной смеси. Она позволяет существенно сократить затраты на закупку, транспортировку и хранение свежего формовочного песка и утилизацию горелой формовочной смеси. Однако  стоимость регенерационного оборудования весьма высока, поэтому применение этого процесса целесообразно только для очень больших объемов переработки формовочной смеси. Рассмотрим возможность применения регенерации в цехе, использующем песчано-смоляную смесь (табл.4.8-4.9).

Таблица 4.8

Текущие издержки на формовочный песок [95].

Статьи затратЦена,$Потребность цехаЗатраты, $
 за ед.без регенерациис регенерациейбез регенерацис регенерацией
Свежий песок206 000 т600 т120 00012 000
Утилизация56 000 т600 т30 0003 000
Транспорт256 000 т600 т150 00015 000
Газ3,56000 м321 000
Электроэнергия0,02600 000 КВт*ч12 000
Зарплата20600 ч12 000
Итого300 00075 000

   Рассмотрим эффективность применения регенерации формовочной смеси при стоимости оборудования для регенерации в  $ 1 000 000 при горизонте расчета — 8 лет (табл.4.9).

таблица 4.9

Метод дисконтирования денежного потока.

ГодКоэффициентЗатраты, $
 Дисконтированиябез регенерациис регенерацией
01300 0001 075 000
10,909272 70068 175
20,826247 80061 950
30,751225 30056 325
40,685205 50051 375
50,621186 30046 575
60,565169 50042 375
70,513153 90038 475
Итого1 761 100  1 440 250

Вывод: регенерация экономически  выгодна.

4.5. ОПТИМИЗАЦИЯ РАЗМЕРОВ ЗАПАСОВ.

      Литейный цех является потребителем и производителем весьма значительных физических объемов продукции, поэтому наибольшие оборотные средства вложены в запасы. Следовательно, задача минимизации затрат на запасы — ключевая для повышения эффективности работы предприятия. Запасы подразделяются на:

1. Гарантийный запас. Предназначен для обеспечения деятельности производства при прекращении поставок постоянным поставщиком. Размер гарантийного запаса определяется потребностью цеха в материалах на время оформления и доставки партии сырья от нового поставщика. Хранение гарантийного запаса очень дорогостояще. Экономическую эффективность гарантийного запаса трудно оценить, поскольку частота смены поставщика зависит от внеэкономических факторов. Как показывает практика [96], наличие гарантийного запаса экономически не выгодно. Противостоит стремлению предприятий иметь запас «на всякий случай» принцип «точно в срок», который связывает всю систему поставки сырья, производства и распределения продукции  через крупные оптовые конторы.

2. Буферный запас. Организуется для компенсации задержек, связанных с движением материалов.  Размер буферного запаса определяется аналогично резервному, т.е. как потребность цеха в материалах на время задержки.

3. Расходуемый запас. Оптимизация размеров расходуемого запаса — наиболее распространенный способ снизить расход оборотных средств на запасы.

      Издержки по содержанию запаса определяются затратами на складское хранение в течение определенного срока и напрямую зависят от объема складируемой продукции. Сюда относят оплату за коммунальные услуги, затраты на эксплуатацию транспортного оборудования, капитальные издержки, заработную плату персонала, страховые и налоговые платежи, потери от ухудшения характеристик запасов от длительного хранения. К издержкам по содержанию запаса также относят потери от инвестиций в запасы (пропорционально внутренней норме рентабельности), которые также напрямую зависят от их объема. Годовые издержки по содержанию запаса определяются для среднего ( половинного ) запаса по формуле:

Сс=,               

где i — издержки по содержанию запаса, выраженные в процентах от

      закупочной цены;

      Ц — закупочная цена заказа;

      q — объем одного заказа.

          К издержкам по закупкам относятся издержки, которые не зависят от объема поставки, например, конторские издержки по выполнению единичного заказа. Годовые издержки по закупкам Е определяются из количества производимых закупок в год по формуле:

Сз=,                   

где  Q — годовой объем поставок;

        Е — издержки по закупке одного заказа.

     Транспортные издержки обычно можно разделить на составляющие, зависящие и не зависящие от объема поставки. Например, по существующим на российских железных дорогах тарифам, плата за доставку берется в зависимости от массы груза, но за недогруз взимается штраф. Стоимость автомобильных перевозок, наоборот, практически не зависит от массы транспортируемого груза.

      Наиболее экономичный объем запаса определяется путем поиска максимума функции полной себестоимости запасов:

С= +,     

откуда

q=               

      Полученное выражение называется формулой Уилсона для оптимального размера запасов.

      Годовой объем поставок определяется из производственной программы по формуле:

        n

 Qj = å  Nj*Mi

       i=1

где Nj — содержание j компонента в материале;

      Mi — масса i материала на годовую программу;

      n — количество используемых материалов.

Пример: Компания по производству одежной фурнитуры закупает ежегодно 40 т цинка. Статьи затрат приведены в табл.4.10.

Таблица 4.10.

Затраты на запасы

Статья затратОбозначениеВеличина
Цена сырьяЦ10 $/кг
Стоимость единовременной закупки, в т.ч.:Е200 $
Стоимость доставки автотранспортом 50 $
Конторские и командировочные расходы 150 $
Содержание запасов, в т.ч.:I10 %
Внутренняя норма рентабельности 8 %
Налог на имущество 1%
Страхование 1%

Воспользуемся первоначально методом подбора (табл.4.11)

Таблица 4.11

 Стоимость создания запасов.

Размер заказа, кг5001000200040001000020000
Средний запас, кг25050010002000500010000
Кол-во заказов8040201042
Стоимость cодержания запасов, $25050010002000500010000
Стоимость заказа, $16000800040002000800400
Всего издержек, $16250850050004000580010400

      Полученное решение можно проиллюстрировать графически (рис.4.1) и подтвердить расчетом при помощи формулы:

q=  = = 4000 кг

4.6. ВЫБОР МЕСТА РАСПОЛОЖЕНИЯ ЦЕХА.

      Для проектирования литейного цеха необходимо наличие развитой производственной и непроизводственной инфраструктуры. Сырье и готовая продукция перевозятся железнодорожным и автомобильным транспортом. Некоторые виды сырья можно транспортировать по трубопроводам, что значительно дешевле. Для доставки персонала используется в основном автомобильный транспорт. Литейное оборудование потребляет большое количество электрической энергии и воды. Таким образом, в производственную инфраструктуру литейного цеха входят автомобильные дороги, железнодорожные подъездные пути, газопроводы или другие трубопроводы ( при необходимости), электрические сети, водопровод и канализация.

      Непроизводственная инфраструктура включает жилые дома, учреждения и организации здравоохранения, образования, связи, социального обеспечения, сферы услуг, органы управления и обеспечения правопорядка и т.д. Создание непроизводственной инфраструктуры вместе с проектируемым предприятием ведет к огромным затратам. Экономически в долгосрочной перспективе создание инфраструктуры может быть оправданным за счет снижения затрат на транспортировку сырья или готовой продукции при неизменном наличии спроса на нее. Прогнозировать спрос на длительный срок в условиях научно-технического прогресса — чрезвычайно опасно. Изменение конъюнктуры или истощение запасов сырья могут стать причиной закрытия предприятия. Поэтому использование имеющейся производственной и непроизводственной инфраструктуры предполагается безусловно целесообразным.

      Выбор места расположения вновь проектируемого цеха определяется как транспортная и «пограничная» задача. Решение транспортной задачи позволит минимизировать затраты на транспортировку сырья и готовой продукции. «Пограничная» задача включает в себя оценку факторов внеэкономического характера, оказывающих влияние на себестоимость готовой продукции. К таким факторам следует отнести трудовой, налоговый, климатический, форс-мажорный.

      От места расположения цеха зависит уровень текущих издержек:

1. Оплата труда персонала (трудовой фактор).

2. Стоимость доставки сырья (транспортный фактор).

3. Стоимость доставки готовой продукции потребителю (транспортный фактор).

4. Расходы на отопление и вентиляцию (климатический фактор).

5. Уровень налогообложения в регионе (налоговый фактор).

6. Расходы по страхованию (форс-мажорный фактор).

      Известно, что литейщик — весьма вредная для здоровья и опасная профессия. Тяжелые условия труда необходимо компенсировать высокой заработной платой. Однако понятия «тяжелые условия труда» и «высокая заработная плата» субъективны. В различных регионах, и даже в различных населенных пунктах одного региона люди вкладывают в эти понятия разный смысл. Наиболее тяжелые условия труда в добывающей промышленности. Например, по сравнению с условиями труда шахтера в литейном цеху просто рай. Средний уровень заработной платы в промышленности отражает уровень цен на товары и услуги и потребность в рабочей силе на данной территории. Расходы на заработную плату рабочих могут быть грубо оценены по формуле:

    n

С=å mi*(c/ki)

   i=1

где mi — потребность цеха в рабочих i-той специальности;

      ki — коэффициент привлекательности i-той специальности на данной территории (для условий труда средней тяжести k=1);

      c — средняя зарплата в промышленности на данной территории (с учетом пособий по безработице).

      Таким образом, анализ рынка труда позволяет выявить необходимый уровень заработной платы персонала литейного цеха. Наиболее высоким он будет на территориях, где нет (не было) добывающей промышленности и незначительная безработица. Существуют примеры закрытия литейных цехов из-за недостатка рабочей силы. Этот факт следует рассматривать как нежелание предпринимателя повышать заработную плату. На любой территории можно обеспечить производство трудовыми ресурсами. Другое дело, что стоимость их может оказаться чересчур высокой. И наоборот, минимальный уровень оплаты труда можно предложить на территориях, где есть добывающая промышленность и высокая безработица. Оптимальным с точки зрения трудового фактора является проектирование литейных цехов там, где закрывается большое количество шахт.

      Существенное влияние на выбор места расположения цеха может оказывать налоговая система. Например, в России налоговое законодательство позволяет субъектам федерации самостоятельно устанавливать ставки налогов на содержание автомобильных дорог,  на содержание жилья и объектов коммунального хозяйства. Также постановлениями правительства на отдельных территориях могут быть введены целевые сборы. В Нижнем Тагиле, например, взимается сбор в экологический фонд. С другой стороны, предприятиям, организованным в местах массовой безработицы, может быть облегчено налоговое бремя.

      Защита инвестиций от форс-мажорных обстоятельств осущест-вляется страхованием. Естественно, что на территориях, где велика сейсмическая активность, есть опасность наводнения или других природных катаклизмов, где возможен вооруженный конфликт, ставки страхования основных фондов выше обычных.

      Высокая производительность труда персонала литейного цеха частично обеспечивается созданием комфортного теплового режима. В тех помещениях, где тепловые потери в окружающую среду превышают выделение теплоты от технологического оборудования, необходима система отопления. Расходы на отопление помещений будет зависеть от климатических условий на данной территории.

        Литейный цех, в котором тепловыделение от оборудования превышает тепловые потери в окружающую среду (Q<0) нуждается в вентиляции. Очевидно, что чем больше теплоотдача цеха в окружающую среду (в холодном климате), тем меньше необходима мощность вентиляционного оборудования, и наоборот. Применение естественной вентиляции не требует практически никаких затрат, а стоимость установки и эксплуатации принудительной вентиляции намного меньше, чем систем отопления. Расчет климатических устройств в литейном цеху — весьма трудоемкая задача. Методика проектирования систем отопления и вентиляции приведена в работе [97].

      В разное время года может быть необходимо либо отопление (зимой) либо вентиляция (летом). Таким образом, суммарные затраты на отопление и вентиляцию помещений цеха зависят от среднемесячных температур на данной территории. Обычно наибольшие затраты на отопление и вентиляцию в резко континентальном климате.

      Литейный цех потребляет сырьевые материалы — металлошихту, формовочный песок, связующие и т.д. и отгружает потребителям готовую продукцию. Транспортные расходы составляют значительную часть себестоимости готовой продукции. Рассмотрим вариант, когда литейный цех проектируется под производство продукции для определенного потребителя. Географическое расположение поставщиков определяется либо залежами полезных ископаемых — формовочный песок добывается в карьерах, металлургические производства обычно привязаны к месторождениям соответствующих руд, либо наличием крупных промышленных центров, являющихся источниками металлолома. Затраты на транспортировку сырьевых материалов определяются по формуле:

           n

 С=å ci*Li*Qi

          i=1

где ci — тариф на доставку единицы массы i-того материала;

      Li — расстояние до ближайшего поставщика i-того материала;

      Qi — годовая потребность в i-том материале.

Аналогично определяются затраты на доставку готовой продукции потребителю. Часто доставка сырья производится за счет поставщика. Это значит, что стоимость доставки включена в цену поставляемого материала.

      Если же готовая продукция предприятия предназначена не для конкретного потребителя, а для конкуренции на рынке аналогичной продукции, то транспортная задача формализуется в виде системы линейных уравнений и неравенств, решаемых методами линейного программирования [98]. Такой метод решения позволяет определить не только оптимальное место расположения предприятия, но и оптимальный объем выпуска продукции.

      Для определения оптимального месторасположения проектируемого цеха необходимо перевести все учтенные факторы в денежную форму и суммировать для каждого рассматриваемого населенного пункта.

С=С1+С2+С3+С4+С5,

где С1-годовые расходы на заработную плату (с начислениями);

      С2-годовые налоговые выплаты; на территории одного государства учитываются только налоги, ставка по которым дифференцирована по регионам.

      С3-расходы на страхование основных фондов от форс-мажорных обстоятельств;

      С4-годовые расходы на отопление и вентиляцию; перевод единовременных издержек Е по установке вентиляции и индивидуальных систем отопления в текущие затраты Т производится по формуле:        Т=Е*0,15.

      С5-годовые транспортные расходы.

Глава 5:             ТРАНСПОРТНАЯ МОДЕЛЬ

 ЛИТЕЙНОГО ЦЕХА

5.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОТОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА.

      Родоначальником поточного производства следует считать Г.Форда. Форд впервые применил конвейер, причем одновременно в различных отраслях производства. Работа Форда «Моя жизнь, мои достижения» [99] на протяжении многих десятилетий остается настольной книгой для руководителей промышленных  предприятий.

      Современный литейный цех обычно представляет собой поточное производство с очень большим грузооборотом. Ошибочно думать, что поточное производство может применяться только при большом выпуске продукции. Естественно, что наибольшая эффективность может быть достигнута при массовом производстве, но и производство небольшого масштаба также может значительно повысить прибыльность за счет применения принципов поточного производства. Основной принцип поточного производства [100] — расположение оборудования должно соответствовать направлению и последовательности потока материалов. Благодаря стандартизации оснастки и параллельности поточного производства обеспечивается значительное сокращение сроков изготовления изделий и снижение уровня запасов, т.е. уменьшается срок оборота капитала.

      Поточное производство исключает потери времени работы оборудования при обработке партий изделий с различными характеристиками (например, металлоемкостью). Характерная для поточного производства разбивка производственного процесса на операции, выполняемые на различных местах разными рабочими делает возможным более эффективное использование рабочей силы. Она сокращает время обучения персонала, позволяет использовать низкоквалифицированных рабочих и не дает высококвалифицированным рабочим проявлять не всегда разумную инициативу. Г. Форд писал о литейном цехе «… все работы происходили вручную. Требовались обученные и необученные рабочие, мы имели своих формовщиков и своих рабочих. (Неточность перевода: moulder — формовщик, творец (англ.)  переводится в данном случае как творец, т.е. автор подразумевает под этим термином высококвалифицированных рабочих — А.Ф.). Теперь мы располагаем не свыше 5% основательно обученных формовщиков и литейщиков; остальные 95% — необученные или, правильно говоря, они должны научиться только одному движению, которое может постичь самый глупый человек в два дня» [99].

      Из основного принципа поточного производства следует, что таким образом может быть организован процесс, в котором объекты производства экономически целесообразно транспортировать. Следовательно, ограничения в применении поточного производства относятся к цехам крупногабаритных отливок или к цехам с очень низкой производительностью. В них расходы на транспортировку полуфабрикатов между операциями превышают расходы от увеличения времени оборота капитала и оплату квалифицированных рабочих. Однако выявление какого-либо критерия, определяющего эффективность поточного способа производства, вряд ли целесообразно. Каждый конкретный случай должен быть подвергнут экономическому анализу.  

       Таким образом, поточное производство есть система технологических потоков, производительность которых определяет выбор средств транспорта и расстановку технологического оборудования.

5.2. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТОКОВ

      Если поток нужно описать однозначно, то его следует рассматривать в определенном сечении, которое одновременно является исходящим потоком предшествующей и входящим потоком последующей подсистемы. Поток материалов характеризуется [101]:

  1. Дифференциальной (моментальной) и интегральной (общей) производительностью.
  2. Перерывами, т.е. длительностью и распределением периодов нулевой дифференциальной производительности.
  3. Свойствами, т.е. уровнем и областью рассеивания.

      Дифференциальная производительность потока определяется как производная объема потока по времени:

q=dV/dt   

      Очевидно, что для оборудования, работающего в ступенчатом режиме можно выделить два периода работы:

1. Период выдачи переработанного продукта: q=V/t,

где V- масса (объем) загрузки оборудования;

      t — время выдачи переработанного продукта.

2. Период переработки продукта: q=0.

      Интегральная производительность определяется как величина потока за длительный период времени, кратный такту работы оборудования: Q=V/T. Обычно используют годовую интегральную производительность Q, которую рассчитывают из производственной программы: Q=Vгд. В производственном процессе интегральная производительность  всех подсистем одинакова. Характеристики основных материальных потоков литейного цеха приведены в табл.5.1.

Таблица 5.1

 Примеры потоков материалов.

Характеристики потокаПлавкаФормовкаСмесеприготовление
Объект производстваЖидкий металлФормаСмесь
Интегральная производительностьОбъем печи/ Цикл плавки1/ Время такта формовочной машиныОбъем смесителя/ Цикл смешивания
Дифференциальная производительность (период выдачи)Объем печи/ Время раз-бора металла1/ Время снятия формы с формовочной машиныОбъем смесителя/ Время разгрузки
Размерностькг/сформ/скг/с

            Если две связанные подсистемы имеют одинаковую дифференциальную производительность (в каждый момент времени перерабатывают одинаковый объем продукта), то поток материалов согласован. Однако такая ситуация в реальном производственном процессе  возникает крайне редко. Для осуществления согласованного производственного процесса по определению необходимо, чтобы цехом изготавливались отливки одинаковой металлоемкости с одинаковым объемом и количеством стержней, а металл выплавлялся в печах непрерывного действия с постоянной производительностью, либо накапливался в заливочных устройствах. Примеры согласованного процесса в литейном производстве:

  1. Цех литья под давлением с применением машин с горячей камерой прессования.
  2. Цех с подетальной специализацией.

      В других случаях существует лимитирующая подсистема, дифференциальная производительность которой ниже.  

Перерывы в потоке материалов могут быть обусловлены:

  1. Дискретностью работы оборудования. Например, электропечи выдают жидкий металл ступенчато, следовательно во время плавки поток жидкого металла равен нулю.
  2. Простоями оборудования из-за неисправностей. Количественно выражается в виде коэффициента потерь времени работы оборудования Кп. В согласованном производственном процессе из-за неисправности одного из агрегатов все другие агрегаты также вынуждены останавливаться.
  3. Очередью ожидания [101]. Часто одна подсистема должна снабжать несколько параллельно соединенных систем. Например, один копильник жидкого металла снабжает 3 формовочных участка. Но одновременная потребность всех заливочных ковшей в металле сохраняется. В то время, как одни ковши заполняются металлом, другие вынуждены ожидать. Возникшую очередь ожидания можно ликвидировать, составив график обслуживания ковшей.
  4. Сменой оснастки.  Время простоя зависит от типа используемого оборудования. Частота простоев не может быть больше количества заказов, но бывает выгодно разбить заказ на партии. При частой смене моделей может быть целесообразно использование скользящей оснастки.

        Уровень рассеивания определяется случайными и планируемыми отклонениями в производительности. Случайные отклонения могут быть вызваны браком. Например, на участке заливки всегда будет некоторая доля бракованных форм.  Планируемые отклонения вызваны различиями в потребности в формовочной смеси, металле и т.п. для различных заказов.

      Согласование технологических потоков обеспечивается следующими мероприятиями, выполняемыми совместно:

  1. Синхронизация технологических потоков.
  2. Разделение заказа на партии.
  3. Установка накопителей.

5.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ ПАРТИИ ОТЛИВОК

      Задача об оптимальной партии отливок решается при согласовании работы поточной формовочной линии и плавильного отделения. Литейное производство – достаточно универсальная технология, позволяющая производить на одном формовочном оборудовании отливки, существенно различающиеся по массе.  С другой стороны, возможности варьирования выпуска металла плавильным отделением обычно весьма ограничены. Плавильные печи выбираются исходя из средней производительности формовочного отделения. Поэтому, если выпускаются отливки массой ниже средней, то металл остается и должен накапливаться в миксере, если же отливки имеют массу больше средней, то металл из миксера расходуется.

       Экономическое обоснование оптимального объема партии отливок предусматривает сравнение эксплуатационных затрат на увеличение объема миксера и потерь от простоев при смене модельной оснастки. Строго математически выявить влияние капитальных затрат на размер партии отливок не представляется возможным, поскольку не существует уравнения, связывающего стоимость и объем миксера. Рассмотрим функцию части себестоимости серии отливок, зависящей от размера партии:

С=См + Сн ,                       (5.1)

где См — потери от простоев оборудования во время смены модельной оснастки;

       Сн —  затраты на поддержание металла в миксере;

       При изготовлении N отливок в серии разделим ее на партии с n отливками  в каждой. Тогда оснастку необходимо будет сменить N/n раз. Следовательно, потери от смены модельной оснастки на всю серию отливок можно рассчитать по формуле:

См=Со*N/n,                         (5.2)

где   Со — потери от одной смены модельной оснастки.

       За время простоя tcм литейного конвейера с тактом Т на нем могло бы быть выпущено tcм/Т форм. Тогда потери от одной смены модельной оснастки рассчитываются по формуле:

Со=Сд* tcм/Т,                               (5.3)

где Сд- потери от простоев на одну отливку (добавленная стоимость).

Объединяя выражения (5.2) и (5.3), получим:

                (5.4)

      При размере партии в n отливок массой М объем миксера должен покрывать разницу между поступлением металла из плавильного отделения в расчете на «среднюю» отливку массой m*n и его расходом M*n . Следовательно, стоимость “хранения” металла в миксере  Схр составит:

Схр=Ср* n ½М-m½,           (5.5)

где Ср- себестоимость поддержания единицы массы металла в  миксере.

(Ср можно рассчитать исходя из потребляемой миксером мощности P, его объема V и стоимости электроэнергии Ц по формуле: Ср=Р*Ц/V. Кроме того, на этой стадии можно учесть влияние капитальных затрат применением коэффициента k, вычисляемого из соотношения расходов на электроэнергию и амортизационных отчислений в калькуляции цеховых расходов.)

       Время изготовления всей серии отливок равно N*T. Следовательно, затраты на поддержание металла в миксере составят: Сн =Ср*n(М-m)N*T.

Объединяя выражения (5.1), (5.4) и (5.5) запишем функцию себестоимости:

С= Ср* n ½М-m½ N*T               (5.6)

       Для определения оптимального размера партии отливок продифференцируем полученное выражение по n и приравняем его к нулю.

Ср½М-m½N*T + =0, откуда

           (5.7)  

Графическая интерпретация выражения (5.7) приведена на рис.5.6..

 Оптимальная

 партия, шт.

                                              mср                                 Масса отливки, кг

 Рис.5.6. Оптимальный размер партии отливок

       Очевидно, что функция имеет асимптоту при массе отливки, равной средней, т.е. оптимальная партия таких отливок равна бесконечности.                                   Однако это гипотетический случай. Практическое значение имеют пологие участки полученной кривой. Механизм ценообразования в литейных цехах в настоящее время предусматривает прямую зависимость стоимости отливок от их массы. С другой стороны, эксплуатационные затраты на содержание миксера не зависят от типа отливки. Поэтому  оптимальный размер партии отливок слабо зависит от характеристик конкретной отливки, а определяется параметрами установленного в цехе оборудования.

      Рассмотрим пример. В литейном цехе установлена формовочная линия фирмы George Fischer Disa производительностью 120 форм в час. Таким образом, такт работы линии составит 1/120 часа (1/2 минуты). Смена модельного комплекта на линии осуществляется за 30 минут (1/2 часа).  Для снабжения формовочной линии жидким металлом установлен индукционный  миксер серии ИЧКМ объемом 2 т с индукционными единицами суммарной мощностью 250 кВт. По производственной программе цех выпускает 500 000 отливок в год черновой массой 10 000 т При стоимости литья 10 000 руб/т добавленная стоимость (по калькуляции) составит 6 000 руб/т. Рассчитаем оптимальный размер партии отливок весом 50 кг (1/20 т).

  1. Примем долю электроэнергии в затратах на хранение – 25% (k=4). Затраты на хранение металла в миксере при стоимости электроэнергии 1 руб/кВт*ч : 4*250 кВт*1 руб/кВт*ч /2 т =500 руб/т*ч
  2. Добавленная стоимость в перерасчете на 1 отливку:

     6000   руб/т*1/20 т = 300 руб.

3. «Средняя» отливка весит 10 000т/500 000шт=1/50 т (20 кг).     

4. Оптимальный размер партии:

.

5.5. РАСЧЕТ НАКОПИТЕЛЕЙ

      Для согласования производительности отдельных подсистем используют накопители. Накопитель должен защищать предшествующую или последующую подсистемы от простоев. Он устанавливается в точке соединения подсистем с различной дифференциальной производительностью.

      При параллельном соединении подсистем с технологической точки зрения безразлично, какой полуфабрикат будет накапливаться. Например, возможно как накопление форм под заливку (накопитель — заливочный плац), так и накопление металла (накопитель-миксер). Предпочтение отдается полуфабрикатам, стоимость хранения которых меньше. При выборе между миксером и заливочным плацем сравниваются единовременные затраты на установку миксера и его эксплуатационные издержки с затратами на транспортные операции на заливочном плацу. Затраты на транспортные операции прямо пропорциональны производительности формовочной подсистемы. Следовательно, существует такой предел производительности, ниже которого экономически эффективно обустройство заливочного плаца, а выше — установка миксера.

      При последовательном соединении подсистем  накопитель устанавливается на предыдущую подсистему. Например, при соединении смесеприготовительной и формовочной подсистем накопитель устанавливается именно на смесеприготовительную подсистему (бункер для формовочной смеси). Также предпочтение отдается подсистемам, простои которых либо вообще невозможны (вагранка), либо могут привести к многочисленным дефектам в отливке из-за необратимого изменения свойств полуфабриката.

      Объем накопителя состоит из основной, дополнительной и резервной емкости.

      Основная емкость накопителя компенсирует периодичность работы сопрягаемых подсистем. Поэтому количественно основная емкость накопителя равна емкости оборудования, из которого производится выдача полуфабриката в накопитель. Например, при установке миксера для выдачи чугуна совместно с дуговой печью для плавки основной объем накопителя (миксера) должен быть равен объему дуговой печи.

        Дополнительная емкость накопителя предназначена для компенсации планируемых отклонений производительности от своего среднего значения. При одинаковой производительности формовочного оборудования потребность в металле зависит от металлоемкости форм (рис.5.1). Если металлоемкость форм ниже средней,  то металл в накопителе накапливается, а если выше, то расходуется. Существуют различные варианты решения этой проблемы. Возможно сокращение загрузки плавильных печей при низкой металлоемкости форм, т.е. сокращение их производительности и, как следствие, увеличение их емкости. С другой стороны, возможно смешивание различных групп заказов по определенному правилу, тогда область рассеивания суживается.  Структуру заказов можно представить в виде распределения различных потребностей.  Разбиение потребностей на группы позволяет планировать производство таким образом, чтобы отклонение было минимально. Последовательность выполнения заказов определяется по формуле:

Q1+Q2@2Q

где Q1 и Q2 — последовательно удовлетворяемые потребности.

      Дополнительная емкость накопителя Vдоп определяется по формуле:

Vдоп = n*(M-m),

 где m – средняя масса отливки;

        M – максимальная (минимальная) масса отливки в производственной программе;

        N – оптимальная партия отливок этой массы.

      Резервная емкость накопителя Vрез предназначена для компенсации отклонения потока от среднего в силу различных причин случайного характера. Например, при расчете потока форм закладывалось количество брака в 7%. Согласно нормальному распределению, рассчитывается отклонение возможного числа бракованных форм от ожидаемого за цикл плавки с определенной долей вероятности Р по формуле [102]:

              _____

Р=Ф(е Ö n/pq   )

где Ф — функция Лапласа;

      е — отклонение числа бракованных форм от среднего значения;

      n — количество форм за цикл плавки;

      p — вероятность брака, q=1-p.

Например, при доверительной вероятности 0,95 аргумент функции Ла-пласа будет 1,96. Тогда отклонение от вероятности брака форм 7% для 100 форм за цикл плавки составит 5%, т.е. резервная емкость накопителя составит 5 форм. Если же за цикл плавки будет выработано 1000 форм, то отклонение составит 1,5%, следовательно емкость накопителя можно увеличить всего на 1,5% форм. Пример проиллюстрирован на рис.5.7.

               Частота

                случаев  

                                  2              5,5    7     8,5            12       Брак, %         

Рис.5.7.  Частота появления брака литейных форм при различном размере изготавливаемой партии.                                                                              

      Применение накопителей также может быть обусловлено экономическими причинами, например, возможностью использования в процессе плавки дешевой ночной электроэнергии [68]. Методика расчета емкости накопителя в этом случае состоит в сравнении затрат на установку и эксплуатацию накопителя, в т.ч. более высокую заработную плату и расход дневной электроэнергии на поддержание температуры расплава, с возможной экономией на электроэнергии.

5.6. РАЦИОНАЛЬНАЯ ПЛАНИРОВКА ЛИТЕЙНОГО ЦЕХА

      Размещение оборудования в литейном цеху определяет внутрицеховые транспортные издержки и оказывает существенное влияние на условия труда. Число возможных вариантов планировки очень велико — оно равно факториалу количества единиц оборудования. В специальной литературе для решения этого вопроса применяются методы теории графов, статистического моделирования, перестановок, квадратичного программирования, ветвей и границ [103]. В общем виде задача оптимизации планировки сводится к минимизации стоимости общего объема грузооборота при k варианте планировки:

          n

 C=S qi*Lk*ci

         i=1

где С — общая себестоимость грузооборота;

      сi- себестоимость транспортировки единицы i-того груза;

      qi- производительность оборудования, выпускающего i-тый груз;

      Lk — длина транспортного пути при k -варианте планировки.

      Применение вычислительной техники существенно упрощает решение этой задачи [104] любым из перечисленных методов. Специфика литейных процессов накладывает ограничения на взаимное расположение некоторых подсистем, что снижает сложность задачи и позволяет частично решать ее методами теории графов. Планировка литейного цеха может быть описана в виде прадерева с несколькими источниками и стоками.

      Технологические ограничения длины транспортного пути в литейном производстве определяются необратимыми изменениями свойств полуфабрикатов при длительной транспортировке (табл.5.3).

Таблица 5.3

Примеры «скоропортящихся» грузов.

Направление грузопотокаГрузНеобратимое изменение свойств
Плавка-ЗаливкаЖидкий металлСнижение температуры
Изготовление стержней- сборкаСтержниРазрушение от вибрации
Формовка- сборкаПолуформыРазрушение от вибрации
Сборка-заливкаФормыРазрушение от вибрации

       Еще одно ограничение вариантов планировки связано с расположением складов шихтовых, формовочных материалов и готовой продукции. В целях экономии расходов при погрузке и разгрузке их располагают вблизи транспортных путей.

      Структура производственного процесса литья предполагает наличие трех циклов (форм, металла и смеси) и потока финишной обработки отливок (рис.3.1). Для выявления оптимального взаиморасположения циклов на плане цеха сравнивают грузопотоки соответствующих систем (поскольку затраты на транспортировку одинаковой массы груза примерно одинаковы). Для цехов опочной формовки грузопоток формовочной смеси значительно больше потока отливок, форм и возврата, поэтому экономически целесообразно сокращать длину транспортных путей формовочной смеси. Из всего сказанного можно выявить оптимальное расположение большинства отделений и складов литейного цеха (рис.5.8).

 10                       9                                                                  11

                      8

                   2                   4                 5                 6                  7  

13                1                                      3                                   12

Рис.5.8.  Планировка литейного цеха опочной формовки.

1 — склад формовочных материалов; 2 — смесеприготовление; 3 — изготовление стержней; 4- формовка;5 — сборка; 6 — заливка; 7 — плавка; 8-выбивка; 9 — обрубка; 10 — финишная обработка; 11 — склад возврата; 12 — склад шихты; 13 — склад готовой продукции.

      Для выявления оптимального расположения других участков литейного цеха можно применить метод Монте-Карло [102]. При реализации этого метода рассматриваются все возможные варианты расположения оборудования. Возможности современной компьютерной техники позволяют не прибегать к упрощенной методике, сущность которой в выявлении характера распределения функции себестоимости и дальнейшей ее оптимизации. Решение задачи будет зависеть от конкретного объема грузопотоков.

        В цехах крупногабаритного литья (рис.5.9) отсутствует цикл форм, совмещены операции формовки, сборки, заливки, выбивки и обрубки. Склад готовой продукции также отсутствует, поскольку отливки сразу же передают на обработку. Таким образом, появляется возможность существенно снизить затраты на транспортировку за счет сокращения цикла формовочной смеси. В цехах крупногабаритного литья целесообразно размещать последовательно выполняемые операции в одном пролете, чтобы не использовать различные способы транспортировки грузов.

                                                           7

                   2              

                                                   4                                             5

                    1                                             3                             6

 Рис.5.9.  Планировка литейного цеха крупногабаритного литья.

1 — склад формовочных материалов; 2 — смесеприготовление; 3 — изготовление стержней; 4 — формовка, сборка, заливка, выбивка, обрубка; 5-плавка; 6 -склад шихты; 7 — финишная обработка.

      Для цехов оболочкового литья и литья в постоянные формы (рис.5.10) отсутствуют циклы формовочной смеси и очень короткий цикл форм, может отсутствовать операция изготовления стержней. Кроме того, операции сборки заливки и выбивки часто производятся на одном оборудования. Основным транспортным потоком становится финишная обработка.

        Планировка цеха литья по выплавляемым моделям аналогична цеху литья в постоянные формы по той же причине — отсутствует цикл формовочной смеси. В отличие от цехов литья в постоянные формы всегда отсутствует поток изготовления стержней.  Операции участка изготовления форм расположены по циклу оборота модельного состава, источником для которого является склад формовочных материалов, а стоком — операция заливки.

                                                            3

              2                                 

                                                        5                 6                        7

                                     4

              1                     8                                                              9

Рис.5.10. Грузопотоки цехов оболочкового литья и литья в постоянные формы.

1 — склад формовочных материалов; 2 — изготовление стержней; 3 — сборка, заливка, выбивка; 4 — плавка; 5 — склад возврата; 6 — обрубка; 7 — финишная обработка; 8 — склад шихты; 9 — склад готовой продукции.

5.7. ВЫБОР ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

      В литейном цеху транспортное оборудование подразделяется на транспорт периодического и непрерывного действия. К транспорту периодического действия относятся внутрицеховой автотранспорт, ручной колесный транспорт, рельсовые тележки, подъемные краны. К транспорту непрерывного действия относятся различные конвейеры, пневмотранспорт, трубопроводы.

      Порядок выбора транспортного оборудования аналогичен выбору любого другого оборудования. Сначала выбирается технологически приемлемый тип транспортного средства, обеспечивающий перемещение грузопотока между пунктами погрузки и выгрузки. Затем выбранные типы транспортных средств подвергаются экономическому сравнению.

      Основным фактором при анализе технологической возможности эксплуатации транспорта является вид и объем грузопотока на данном участке.  Все грузы подразделяются на сыпучие, наливные и штучные. В литейном цеху представлены все виды грузов, более того, сыпучие грузы можно разделить на магнитные и немагнитные металлические и неметаллические. Штучные грузы подразделяются на длинномерные, короткомерные, тарно-упаковочные, тяжеловесные. Кроме того, из штучных короткомерных грузов в литейном цеху можно выделить грузы с плоской поверхностью (опоки), имеющие свои особенности транспортировки. Тип груза определяет способ транспортировки транспортом периодического и непрерывного действия (табл.5.4).

Подъемные краны в литейном цеху подразделяются на мостовые, одно- и двухбалочные, козловые, консольные, кран-балки. Для заливки крупных отливок существуют специальные литейные краны, имеющие два подъемных механизма — один для перемещения, другой для поворота ковша. Для обслуживания мартеновских печей используются мульдозагрузочные и мульдозавалочные краны. Определяющим фактором при выборе типа транспорта периодического действия является его грузоподъемность.

      Транспорт, основанный на гравитационном принципе перемещения материалов, наиболее эффективен с экономической точки зрения. Поэтому склизы, желоба, рольганги всегда используются там, где позволяет технологический процесс.

      Ленточные конвейеры применяются с текстильной прорезиненной лентой (для транспортировки грузов, имеющих комнатную температуру) и со стальной лентой (для транспортировки горячих грузов).

Таблица 5.4

Способы транспортировки грузов.

Тип грузаПримеры грузаТранспорт действия
  ПериодическогоНепрерывного
Сыпучий:   
МагнитныйШихта и возврат черных сплавовКран с магнитной шайбойПластинчатый конвейер
НемагнитныйФормовочная смесьВ коробахЛенточный конвейерКовшевый элеватор
 Песок, глина,уголь.В коробахПневмотранспорт Шнековый конвейер
НаливнойЖидкий металлВ ковшахТрубопровод
 СвязующиеВ флягахТрубопровод
Штучные:   
Длинно-мерныеТрубы, пиломатериалыНа стропах
с плоской поверхностьюОпоки,формыНа стропах, на тележкахРоликовый конвейер,тележечный конвейер,подвесной путь
Коротко-мерныеОтливки,ЧушкиНа поддонах В коробахПластинчатый Конвейер
тарно-упа-ковочныеСтержниНа стеллажах На поддонах
Тяжеловес-ныеОборудование, крупное литьеНа стропах

      Пневмотранспорт исключает повышенное пылевыделение при транспортировке сыпучих грузов, что позволяет снизить расходы на вентиляцию и установку пылеулавливающего оборудования и исключает потери транспортируемого материала. С другой стороны, пневмотранспорт характеризуется повышенным расходом энергии и высокой стоимостью эксплуатации из-за абразивного износа элементов трубопроводов. Из всех видов непрерывного транспорта ограничения по дальности транспортирования имеет лишь пневмотранспорт пониженного давления. Расстояние доставки груза этим транспортом не может быть более 100-120 м для мелкодисперсного материала типа молотой глины. Но пневмотранспорт пониженного давления, в отличие от пневмотранспорта повышенного давления не требует питателей для загрузки [106].

      Для расчета транспортных средств используют интегральную производительность грузопотока в массовых, объемных или штучных показателях Q:

      Потребное количество транспортных средств периодического действия рассчитывается по формуле [107]:

n=

где L — расстояние между пунктами погрузки и выгрузки;

      vср — средняя скорость движения;

      tпогр — время погрузки и выгрузки;

      q — грузоподъемность транспортного средства;

      kгр — коэффициент использования грузоподъемности.

      При транспортировке штучных грузов из формулы исключается

грузоподъемность транспортного средства.

       При проектировании транспорта непрерывного действия необходимо взять за основу отсутствие дублирования . Поэтому рассчитывают не количество транспортных средств, а их характеристики (скорость движения, ширину ленты и т.п.). Существуют особенности расчета различных типов транспорта непрерывного действия:

1. Плоский ленточный конвейер[40]:

Q=133B2 * v

где В — ширина ленты транспортера (табл.5.5);

      v — скорость конвейера (табл.5.5).

Таблица 5.5.

Максимально допустимые скорости движения конвейерных лент [85].

Характеристика материалаСкорость движения ленты, м/с при  ее ширине в мм
40050065080010001200
Наибольший размер кусков в мм100150225300400500
Влажная формовочная смесь233,5444
Абразивные материалы (сухой песок, шлак, коксик)1,25222,52,52,5
Сильноабразивные материалы (кокс)1,251,51,61,7522

2. Желобчатый ленточный конвейер[40]:       

Q=280B2 *v

  • Ковшевый элеватор [96]:

Q=0,5v*L/a 

где L — емкость ковша;

      a – расстояние между ковшами.

  • Пневмотранспорт [96]:

Q=Кv*v

где   Кv – весовая концентрация смеси (1,1-1,2 кг/м3);

         v — скорость воздуха.

5. Трубопровод [108]:

                 ______

Q=pr2 * mÖ2gH

где r-радиус трубопровода;

      m-коэффициент расхода трубопровода;

      g-ускорение свободного падения;

      H-гидравлический напор.

6. Пластинчатый и тележечный конвейер:

Q=v/l

где l-расстояние между центрами грузов на конвейере.

      Для литейного конвейера скорость движения определяется из производительности формовочного оборудования q.

Смотрите, читайте также: ВзглядОранжевое настроение (юмор),  Знания плюсБаза вопросов для квиза.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *