"Связующее на водной основе, как шаг к увеличению прибыли в области литья по выплавляемым моделям"  23.11.2017 13:13

Связующее на водной основе, как шаг к увеличению прибыли в области литья по выплавляемым моделям

Боб Браун (Bob Brown) 26 июля 2013 г.

Введение.
Оболочки на основе этилсиликатов, зачастую стабилизируемые аммиаком для ускорения загустевания, вот уже многие годы используются в точном литье по выплавляемым моделям. На фоне растущей потребности в сокращении выбросов, а также в совершенствовании системы охраны труда и производственной безопасности оболочки на основе коллоидного диоксида кремния предоставляют все более серьезные преимущества. Вот уже долгие годы REMET® является мировым лидером в переходе от спиртовых оболочек к оболочкам на водной основе. В данном документе рассматривается существующая нормативно-правовая база сокращения выбросов и приводится ситуационное исследование компании средних размеров, специализирующейся на литье по выплавляемым моделям, которая повысила показатели рентабельности, переключившись на оболочки, произведенные с использованием состава REMASOL® на водной основе.

Европейские страны согласовывают нормативы
по загрязнению атмосферы на 2020 г.

     Страны-члены ЕС и другие европейские государства согласовали ужесточение лимитов выбросов для четырех загрязнителей воздуха во изменение Гетеборгского протокола ООН 1999 г. Кроме того, они договорились о добавлении пятого загрязнителя с 2020 г. Данное соглашение устанавливает более жесткие лимиты на национальном уровне для диоксида серы (SO2), оксидов азота (NOx), летучих органических соединений (ЛОС) и аммиака (NH3). В нем прописаны новые целевые показатели по выбросам микрочастиц (PM2,5) на национальном уровне.
   Гетеборгский протокол, действие которого распространяется на большинство европейских государств и на США, с 2010 г. регулирует верхние пределы выбросов на национальном уровне. В Евросоюзе его положения были включены в нормы по контролю загрязнения окружающей среды, в частности, в Директиву, закрепляющую лимиты выбросов на национальном уровне.
В соответствии с новыми целевыми показателями Великобритании потребуется сократить выбросы SO2 на 59% в сравнении с уровнями 2005 г. к 2020 г., NOx – на 55%, ЛОС – на 32% и PM2,5 – на 30%. Сокращение по аммиаку составит сравнительно скромные 8%, однако данные выбросы относятся, преимущественно, к сельскому хозяйству, и ограничить их будет сложно. Великобритании было нелегко вписаться в верхние пределы, заданные в 2010 г. Это оказалось возможным, главным образом, благодаря влиянию экономического спада на промышленное производство.
    Новые целевые показатели для Великобритании несколько строже, чем для Евросоюза в целом: страна должна сократить выбросы SO2 на 59% в сравнении с уровнями 2005 г. к 2020 г., NOx – на 42%, ЛОС – на 28%, выбросы PM2,5 – на 22% и аммиака – на 6%.
      По итогам 13-го заседания исполнительного органа Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния (LRTAP), на котором были приняты вышеуказанные изменения в Гетеборгский протокол, остальные члены LRTAP выразили намерение присоединиться к пересмотренному протоколу. Речь идет о Канаде, США, Российской Федерации, странах Южной и Восточной Европы, государствах Кавказа и Центральной Азии.
     Такая позиция является естественным следствием реализации в странах Южной и Восточной Европы, государствах Кавказа и Центральной Азии проекта, направленного на упрощение применения и ратификации протоколов конвенции. В настоящее время данный проект развивается между такими странами, как Беларусь, Казахстан и Российская Федерация. По состоянию на январь 2013 г. Россия обдумывает свой предельный уровень выбросов и предложение по расширению свой области управления выбросами в окружающую среду.

Опасения в отрасли литья по выплавляемым моделям.

      Отрасль точного литья по выплавляемым моделям всегда активно сопротивлялась контролю выбросов ЛОС. Тем не менее, целый ряд литейных компаний сектора успешно выполнил переход к керамическим отливкам на водной основе, что позволило им избежать затрат на установку дорогостоящего оборудования, обеспечивающего снижение выбросов.
      В процессе литья по выплавляемым моделям используется керамическая форма, изготовленная с помощью восковой или полистироловой модельной массы. После расплава или выгорания массы форма заполняется расплавленным металлом с целью производства широкого ассортимента изделий.
     Чтобы соблюсти новые лимиты, существуют два способа: монтаж оборудования для снижения выбросов или переход к более экологичной технологии, в которой используется керамика на водной основе. Навскидку более привлекательным представляется второе решение. Приблизительно 80% всех литейных компаний Западной Европы и США уже используют технологию на водной основе.
      Безусловно, в Восточной Европе и Российской Федерации оболочки на спиртовой основе всегда являлись традиционной технологией, поэтому многие не принимали во внимание относительные преимущества оболочек на водной основе по причине более высокой стоимости или кажущихся сложностей использования данной технологии. В самом деле, долгое время считалось, что переход от оболочек на спиртовой основе к оболочкам на основе коллоидного диоксида кремния повлечет за собой массовые проблемы в результате различия в эксплуатационных качествах, прочности, толщине оболочек, стойкости и периоде сушки оболочек на водной основе, а также в связи с необходимостью расширения зоны незавершенного производства, что связано с увеличением периода сушки. По общему мнению, подобный переход мог оказаться затратным.
      Но эти опасения оказались преувеличены, и за последние 15 лет REMET® UK Ltd помогла многим компаниям провести модернизацию, необходимую для использования оболочек на основе коллоидного диоксида кремния. Все они относительно безболезненно ушли от этилсиликатов. Принято считать, что в Восточной Европе, Российской Федерации и Украине многие литейные компании еще не определились по поводу своих планов на будущее в части технологии на водной основе, хотя около 50% рассматривают возможность развития подобного направления. Данный документ направлен на то, чтобы в значительной степени рассеять их опасения.
    Успешный переход от процессов на основе растворителя к процессам на водной основе широко освещался в финансируемой правительством Великобритании Программе передовых практик в сфере экологических технологий (ETBPP). Рассматриваемая компания, решившись потратить скромные 2 000 000 рублей на внедрение этой технологии, ликвидировала выбросы в результате использования растворителей и получила чистую годовую экономию в размере 7 250 000 рублей.
      Литейная компания в значительной мере обязана достигнутой экономией повышению качества продукции и снижению производственного брака, ставших следствием внедрения нового процесса. Другие возможности сэкономить, которые могут открыться перед компаниями в результате прекращения использования растворителей, состоят в уменьшении страховых премий в связи со снижением пожароопасности, а также в сокращении затрат на охрану здоровья персонала. При первоначальном изучении проблемы ни один из этих факторов не рассматривался.
     В 1991 г. отрасль точного литья по выплавляемым моделям представила устрашающий прогноз, в котором указывалось, что система мониторинга выбросов в соответствии с Законом об охране окружающей среды 1990 г. окажет серьезное воздействие на ее конкурентоспособность. Тем не менее, ситуационное исследование, опубликованное в рамках финансируемой правительством Великобритании программе ETBPP, продемонстрировало, что литейные компании готовы воспользоваться возможностью масштабной экономии и повышения качества продукции, которая предоставляется при переходе от отливок на спиртовой основе к отливкам на водной основе.
      В процессе литья по выплавляемым моделям используются керамические оболочки, позволяющие изготавливать металлоизделия высокой точности, такие как лопатки газотурбинных установок, корпуса насосов, клапаны и части машин. Оболочки представляют собой несколько слоев покрытий, скрепленных связующими. Большинство из них имеет спиртовую основу.
      Связующие на водной основе, при использовании которых не происходит выбросов летучих органических соединений (ЛОС), тоже доступны, однако с 1991 г. их начали применять не более четверти британских компаний, специализирующихся на литье по выплавляемым моделям. Именно тогда отрасль выступила с возражениями по поводу системы мониторинга, введенной законом от 1990 г., предупредив, что отдельные компании будут вынуждены уйти с рынка, поскольку они окажутся не в состоянии перейти к оболочкам на водной основе или инвестировать в оборудование, обеспечивающее снижение выбросов ЛОС.
     Директива, в которой прописаны стандарты для отрасли, постоянно дорабатывается Министерством по вопросам охраны окружающей среды. Отраслевая торговая ассоциация успешно пролоббировала отмену лимитов выбросов для аммиака и связанных с ними требований мониторинга. Тем не менее, ее надежды на смягчение мониторинга для ЛОС не оправдались. Директива по-прежнему требует от литейных компаний соблюдать по ЛОС лимит в 50 мг/м3, принятый в апреле 1997 г., с последующим его сокращением на 32% к 2020 г.
     До сих пор на рынке не появилось оборудование, обеспечивающее снижение выбросов ЛОС в области литья по выплавляемым моделям. Главные претенденты – системы сжигания и поглощения углерода, для которых характерны капитальные затраты в пределах 12 500 000 – 20 000 000 рублей и высокие эксплуатационные расходы. Биофильтры обходятся дешевле (капитальные затраты приблизительно 5 000 000 рублей и более низкие эксплуатационные расходы), но их большие размеры могут создать определенные сложности.
      Несмотря на это, привлекательность варианта решения проблемы с ЛОС у источника за счет замены оболочек на спиртовой основе оболочками на водной основе стабильно растет. Приведенное ниже ситуационное исследование наводит на мысль о том, что этот радикальный переход может дать существенную экономию и, что не менее важно, внести значительные улучшения в процесс.
      Устойчивость оболочек на водной основе к изменениям температуры и влажности на этапе сушки позволила на 37% снизить количество забракованных форм и отливок, несмотря на более жесткие стандарты качества, введенные по требованию клиентов литейной компании.
      К другим источникам экономии можно отнести более высокую прочность оболочек на водной основе, что позволило снизить расход материалов, снизить объем переделок и сократить время выталкивания, и дало чистую годовую экономию в размере 9 800 000 рублей. Таким образом, вложенные средства окупились чуть больше чем за два месяца. Переход к оболочкам на водной основе также позволил улучшить производственные условия.
     Удалось полностью решить следующие технические проблемы: повышенную склонность к образованию пузырей и затруднения в ходе выполнения пазов и отверстий в отливках. В отчете подчеркивается необходимость проведения начальных испытаний по всей товарной линейке, но отмечается, что технология «может применяться любой компанией, специализирующейся на точном литье по выплавляемым моделям».
      Несмотря на очевидные преимущества оболочек на водной основе, отдельные квалифицированные операторы настаивают на использовании оболочек на спиртовой основе, поскольку отрасль уже не опасается закрытия заводов по результатам мониторинга.

СИТУАЦИОННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ: отработанная технология REMET и приемы рентабельного улучшения качества окружающей среды.

     Цель данного ситуационного исследования – продемонстрировать экологические и экономические преимущества перехода от системы производства оболочек на спиртовой основе к современному составу REMASOL на водной основе.
     Привычные суспензии на спиртовой основе хоть и отличаются коротким периодом сушки или, как минимум, схватывания, обладают определенными недостатками с точки зрения транспортировки и охраны окружающей среды. Альтернативным вариантом является использование современных латексных суспензий REMASOL.
     Современная система производства оболочек на водной основе была внедрена в крупнейшей коммерческой литейной компании и обошлась в очень скромную сумму. Она заменила систему на спиртовой основе и избавила компанию от необходимости инвестировать в оборудование, обеспечивающее снижение выбросов летучих органических соединений (ЛОС).
     Кроме того, новая система дала существенную прямую экономию, главным образом за счет снижения процента брака, а также за счет сокращения потерь от испарения суспензии, времени выталкивания, объема переделок и практически полной разгрузки модельной массы. К другим преимуществам следует отнести увеличение максимальной массы отливки с литниковой системой, более жесткий контроль размеров и повышенную гибкость при производстве оболочек.
      Ситуационное исследование показывает, как переход на современную систему производства оболочек REMASOL обернулся значительными преимуществами, среди которых:
·         Чистая экономия, достигающая почти 4 900 000 руб./год
·         Окупаемость вложений приблизительно за два месяца
·         Ненужность дорогостоящего оборудования, обеспечивающего снижение выбросов ЛОС
·         Технология может применяться в любой компании, специализирующейся на точном литье по выплавляемым моделям

Традиционный процесс производства керамических оболочек

      При традиционном способе производства керамических оболочек для литья по выплавляемым моделям испарение спирта из резервуаров с суспензией и сохнущих оболочек вынуждает устанавливать то или иное оборудование для улавливания и снижения выбросов. Необходимо соблюдать меры предосторожности при транспортировке и хранении суспензий на спиртовой основе, внедрить систему постоянного плотного контроля температуры и влажности в сушильных отделениях, а суспензия склонна превращаться в гель. В случае превращения суспензии в гель она становится бесполезной и подлежит утилизации наравне с другими отходами производства.
     Традиционные методы производства оболочек на водной основе лишены этих экологических и транспортных недостатков, но отличаются длительными периодами сушки. Однако разработка и внедрение латексных суспензий на водной основе сократили периоды сушки, приблизив их по этому параметру к оболочкам на спиртовой основе. Несмотря на преимущества нового подхода, переход к методам на водной основе до сих пор воспринимается как крупный коммерческий риск, и в настоящее время на него решилась лишь одна треть восточноевропейских / российских и украинских литейных компаний.

Переход к методу на водной основе.

      Современные методы производства оболочек на водной основе успешно используются с 1950-х годов. Тем не менее, в рассматриваемой литейной компании ранее для первого слоя использовалось связующее на основе коллоидного диоксида кремния, огнеупор из цирконовой муки и цирконовая обсыпка. Опорная система включала в себя этилсиликатное связующее, огнеупор из малахитовой муки и различные сорта малахита и прокаленного кокса в качестве обсыпки. Для контроля температуры (20ºC ± 2ºC) и относительной влажности (60% - 70%) в цехе пустотелых форм использовались система кондиционирования воздуха и система образования/закачки влаги.
      Пришедшая на смену система производства на водной основе использует стабилизированный латекстом коллоидный диоксид кремния в виде добавки Adbond® Advantage от REMET с цирконовой мукой в качестве суспензии и обсыпку из цирконового песка для первого слоя.
      В настоящее время при формировании опорной оболочки применяется суспензия на водной основе с добавлением стабилизированного латексом связующего на основе коллоидного диоксида кремния REMASOL от REMET, а также огнеупорная мука на основе плавленого кварца REMET. Опорная обсыпка идентична материалу, используемому для процесса на спиртовой основе. При изготовлении оболочек используется роботизированная / конвейерная система транспортировки с частым мониторингом стабильности суспензии.
     Замена материалов потребовала изменения температурно-влажностного режима в цехе пустотелых форм.
     В настоящее время оптимальными условиями для сушки являются температура в 22ºC ± 2ºC и относительная влажность менее 50%.
Существующая система образования/закачки влаги выведена из эксплуатации, а движение воздуха для сушки обеспечивается за счет вставок в конвейеры и установки дополнительных вентиляторов. В целом, состав REMASOL более устойчив к изменениям температуры и влажности.
    Отдельные клиенты могут потребовать повторного утверждения литейных проектов в связи с переходом литейной компании к системе производства на водной основе. Литейным компаниям, изготавливающим отливки с высокой степенью надежности, следует принять во внимание возможные затраты на повторное утверждение.
    Поскольку наше ситуационное исследование проводилось на коммерческом рынке проектирования, компании удалось минимизировать затраты на повторное утверждение проектов, предоставив для испытания стандартные группы отливок.

Сложности начальной стадии эксплуатации.

      Полный цикл производства оболочек на водной основе начался после серии успешных предпроизводственных испытаний отливок, которые заведомо сложно изготовить с помощью системы покрытия на спиртовой основе. Тем не менее, появились проблемы с отливками, изготовление которых ранее не представляло сложностей. К примеру, возникли затруднения с выполнением пазов и отверстий при использовании методов на водной основе. Кроме того, наблюдалась повышенная склонность к образованию пузырей и связанных с этим проблем литниковых остатков. Указанные сложности на первоначальном этапе были устранены за счет выполнения «первого окунания» вручную, а не с помощью автоматики, а также за счет использования методов предварительного смачивания.
     Тогда REMET воспользовалась случаем и разработала усовершенствованное связующее с целью исключить необходимость применения этих методов. Стремление REMET к непрерывному совершенствованию и повышению удовлетворенности клиентов, а также этические нормы сервисного обслуживания уровня мирового лидера создали компании репутацию лучшего поставщика подобных решений.
     Новая система также спровоцировала рост проблем с усадкой/разрывами, возникающих в результате большей прочности. Их удалось решить за счет усовершенствования конструкции литника и новых методов контроля суспензии. По иронии судьбы, эта большая прочность также оказалась источником главного преимущества REMASOL: сокращения количества слоев оболочки и снижения расхода материалов.
      Все встретившиеся сложности удалось преодолеть за счет изменения методов производства оболочек. Этот опыт подчеркивает необходимость первоначальных испытаний по всей товарной линейке литейных компаний, осуществляющих переход к системе производства на водной основе.

Преимущества с точки зрения производственных условий
·         Использование новых методов обеспечивает заметные преимущества с точки зрения производственных условий в цехе пустотелых форм. Рабочие цеха высоко оценили новые условия труда.
·         Исчезла необходимость в оборудовании, обеспечивающем снижение выбросов летучих органических соединений (ЛОС) и, следовательно, в утилизации отходов, образующихся в результате работы данного оборудования.
·         Были устранены проблемы гелеобразования, свойственные системам производства на спиртовой основе, что позволило еще больше снизить требования к утилизации отходов производства.
·         Материалы, используемые в настоящее время для производства оболочек, не требуют специальных условий хранения, использования взрывозащищенных электродвигателей и взрывобезопасной осветительной арматуры.

Преимущества с точки зрения эксплуатации.

• Более высокая прочность оболочек на водной основе позволила:
o приблизительно на 50% увеличить максимальную массу отливки с литниковой системой (с 40 кг до 60 кг);
o в целом приблизительно на 18% снизить требуемое количество дублирующих слоев;
o свести к минимуму потребность в разгрузке воска у бойлерклава.
• При старой системе изготовления первого слоя первый опорный слой необходимо было наносить в течение примерно шести часов после высыхания первого слоя. Новая система обеспечивает большую гибкость, так как первый опорный слой можно наносить в любое время после высыхания первого слоя.
• Уменьшилось количество дефектов, связанных с прорывами и вспучиванием.
• Размеры отливок сократились менее чем на 0,1%, поэтому пришлось заменить совсем небольшое количество пресс-форм для модельной массы, причем формы, требовавшие замены, оказались на пределе допуска и являлись постоянным источником проблем с размерностью. Таким образом, новый процесс позволил устранить ранее существовавшие проблемы, которые не удавалось выявить в связи со слабыми размерными возможностями систем производства на спиртовой основе. Кроме того, отклонения в размерах полученных отливок стали на 40% - 60% меньше в сравнении с аналогичными отливками на спиртовой основе.
• Были устранены потери от испарения спирта, несмотря на необходимость использования небольшого количества деионизированной воды для компенсации потерь от испарения в суспензиях на водной основе.
• Частичное превращение огнеупора из плавленого кварца в кристобалит после розлива увеличивает хрупкость оболочки. Это позволило уменьшить время выталкивания приблизительно на 63% для открытых форм и на 38% для плотно упакованных форм.
• Снизился объем брака и переделок, в основном потому, что процесс на водной основе более устойчив к изменениям температуры и влажности в цехе пустотелых форм. При использовании системы производства на спиртовой основе любой сбой установки кондиционирования воздуха или экстремальные погодные условия вызывают массовое растрескивание оболочек и увеличивают затраты на переделку. В целом, количество забракованных форм и отливок сократилось на 37%. Это существенное сокращение было достигнуто на фоне все более жестких стандартов качества, вводимых по требованию клиентов литейной компании.
• Поскольку время цикла конвейера существенно превышало периоды сушки, необходимые для производства оболочек REMASOL, небольшое увеличение периодов сушки для процесса на водной основе не оказало негативного влияния на производительность.
• В других литейных компаниях увеличение периодов сушки между слоями может серьезно осложнить производственный процесс. Тем не менее, это в определенной степени компенсируется сокращением требуемого количества слоев и 30% - 40% сокращением последнего периода сушки оболочек на водной основе.

Заключение.

REMET многие годы занимается сопровождением перехода от спиртовой основы к водной основе и считается мировым лидером на данном направлении. REMET уверена в эффективности, производительности и экономичности всех своих связующих составов на водной основе. Более подробная информация о линейках REMASOL и ADBOND содержится в базе технической документации, размещенной на нашем обновленном веб-сайте www.remet.com, который теперь доступен и на русском языке.