Формовка в почве

Это название не следует воспринимать в прямом смысле. Конечно, в почве в наше время никто формовку не выполняет. Название это сохранилось со средних веков. В то время в литейных дворах не было пола, не было и передвижных грузоподъемных средств. Поэтому, когда нужно было получить крупную отливку, например колокол, то рядом с печью прямо в почве выкапывали яму, в которой и делали форму. Значительно позже, уже в XIX в., для производства «крупных станочных отливок такие ямы, выкопанные в грунте литейных цехов, выполняли роль нижней опоки. И сейчас в некоторых литейных цехах, построенных в начале века, еще производят формовку подобным образом. Отсюда и название способа: формовка «в почве», иногда говорят — «в яме».

В современных цехах для этой цели сделаны специальные железобетонные кессоны, которые имеют разделительные металлические перегородки, позволяющие быстро устанавливать необходимый объем в кессоне (по-старому «яме») для формовки крупных отливок. Поэтому в тех цехах, где имеются специально оборудованные кессоны, процесс изготовления формы называют «формовкой в кессоне». Этим способом изготавливают отливки массой 10—600 т, т. е. е основном сложные, уникальные по габаритам и массе.

Изготовление каждой отливки массой 100 т и более представляет собой серьезную инженерно-техническую задачу, связанную прежде всего с получением больших объемов жидкого металла и качественной формы, способной противостоять его высокой температуре и огромному давлению на стенки формы. Для сравнения скажем, что давление фундамента многоэтажного здания! на грунт не превышает 0,05 МПа, в то время как давление жидкого металла на стенку формы достигает более 0,3 МПа.

История развития литейного производства знает множество случаев, когда просчеты инженеров или некачественное изготовление формы приводили к тяжелым последствиям. Горячий жидкий металл размывал формы и десятки тонн его уходило через образовавшуюся щель за пределы формы.

Профессор А. М. Петриченко в своей очень интересной работе «Книга о литье» приводит такой курьезный случай из практики получения крупных отливок. «Цех. получил задание отлить крупный шабот для молота. Для; цеха литье большого шабота было событием, случавшимся раз в десятилетие. Разработали технологический процесс литья, изготовили модели и поручили опытному мастеру изготовить форму. Помогал ему молодой технолог, разработавший процесс литья шабота и сделавший все расчеты. Мастер был опытный, но строптивый человек, любивший делать по старинке, понадежней, как он говорил. Обычно литейщики, особенно модельщики и формовщики, умеют читать чертежи даже  лучше конструкторов, так как им без объемного воображения не ступить и шагу. Этот же мастер имел небольшой грешок: не любил чертежей по причине неумения № них разобраться как следует. Но был самонадеянным, не захотел работать с технологом, решил сделать все сам.

По расчету на шабот должно пойти 40 тонн жидкого чугуна, но технолог взял для запаса еще 10 тонн. Заливка производилась из двух ковшей. Вылили 40 тонн металла, а в выпорах (отверстия в верхней полуформе для выхода газов из формы и определения конца заливки металла) он и не появляется. Подали еще один ковш из> двух пятитонных, заполненных в запас, но и после его освобождения металл не появляется. Старый мастер уже злорадствовал и злословил о просчетах технолога. Вылили еще 5 тонн чугуна. Технолог заранее послал за третьим (уже 10-тонным) ковшом металла. Вылили № его. Форма, рассчитанная на 40 тонн, вместила 60 и не насытилась. Тревога нарастала. Небывалый просчет инженера! Еще 5 тонн металла (65 вместо 40!) дела не поправили. И вдруг прибежал рабочий с улицы и крикнул, что металл прорвался на улицу у стены цеха. А в форме, где-то в ее глубине, слышался какой-то гул. Работы были остановлены, люди удалены из цеха. Произошло самое страшное — огромной силы взрыв. Из формы выплеснуло около 5 тонн металла на высоту 30 метров, загорелся конек крыши цеха. К счастью, обошлось без жертв, но отливка погибла.

Комиссии не пришлось тратить много времени, чтобы установить просчет старого мастера. Было обнаружено! явное отступление от технологического процесса: вентиляционные каналы сделаны слишком близко к телу отливки. Металл пробил тонкую стенку формы и залил эти каналы. Слишком дорого при литье обходится работа по старинке!»

Конечно, в приведенном случае дело не в «работе по-старинке», а в самонадеянности мастера и недостаточной? опытности и подготовленности формовщиков. И доказательством тому может служить полученная в 80-х годах, прошлого столетия отливка шабота массой 630 т(!), которая предназначалась для кузнечного молота с ударной силой 160 т (масса падающих частей более 50 т). Этот молот предназначался для изготовления заготовок крупных орудийных стволов и был установлен в 1875 г. на Мотовилихинском заводе в г. Перми. Чтобы представить себе сложность инженерных решений и высокий профессионализм русских литейщиков при получении столь уникальной отливки, приведем несколько интересных фактов. Для размещения формы шабота был сооружен; кессон глубиной 40 м, причем дно его оказалось на 25 м ниже уровня реки Камы, на берегу которой изготовляли шабот. Нужно было сделать кессон таким, чтобы гарантировать невозможность просачивания грунтовых вод.

Необходимо было решить и вторую немаловажную задачу — создать такую форму, чтобы ее не размыло металлом (давление металла на стенки формы достигало значений, в десятки раз превышающих давление, допустимое при производстве обычных отливок) и чтобы она не приварилась к отливке. Ведь металл оставался в форме в жидком состоянии многие часы! Значительные трудности возникли при получении и заливке металла в форму. Необходимо было получить 650 т жидкого металла. Было принято решение установить несколько вагранок рядом с формой и заливать чугун прямо из вагранок самотеком. Такие вагранки были построены. Они работали непрерывно 120 ч, в течение которых металл поступал по желобам в форму. Отливка в форме остывала три месяца, и только после этого при помощи блоков ее извлекли из ямы, перевернули и установили на место будущего пресса. Если 200-т колокол Моторина назвали Царь-колоколом, 40-т пушку Чохова — Царь-пушкой, то шабот массой 630 т следует, наверное, назвать Царь-отливкой.

Однако самой крупной чугунной отливкой в мире был янабот 100-т молота, установленного в конце XIX в. в итальянским городе Терни. Масса шабота составляла 1000 т. Его формовали на месте установки молота. Около 600 т металла для заливки формы везли в специальных ковшах по железной дороге с расположенного  поблизости чугунолитейного завода. Несмотря на то, что отливка в форме остывала более 4 месяцев, спустя полгода она была еще теплой!

Рассмотрим более подробно современный процесс изготовления стального шабота массой 141 т для кузнечного молота (рис. 20). Формовка осуществляется в железобетонном кессоне по деревянной модели. Первоначально бетонное дно кессона засыпают песчано-глинистой смесью слоями 150—200 мм и максимально уплотняют  смесь пневматическими трамбовками. Толщина уплотненного слоя зависит от глубины кессона и высоты модели, но должна быть не менее 1 м. На утрамбованное дно кессона укладывают гарь толщиной 100—200 мм с размером кусков 30—100 мм. Из гаревого слоя по стенкам кессона поднимаются четыре газоотводящие трубы диаметром 80—150 мм, которые должны выступать над верхней частью кессона на 100—200 мм. На гаревую  постель насыпают наполнительную песчано-глинистую смесь слоем толщиной 150—200 мм и тщательно уплотняют трамбовками. Затем дно выкладывают огнеупорным шамотным кирпичом и устанавливают деревянную модель. Модель облицовывают в два слоя: первый (25—40 мм) из смеси на основе высокоогнеупорного хромистого железняка, второй — из песчано-глинистой смеси. Набивку ведут слоями толщиной 250— 300 мм, с установкой в каждом слое специальных стальных крюков по контуру всей модели для армирования стенки формы.

Рис. 20. Формовка в кессоне

В процессе набивки формы в кессоне из шамотных трубок собирают литниковую систему (рис. 20) . Она состоит из 12 питателей 3 диаметром по 100 мм, расположенных в три яруса по высоте модели и соединенных с четырьмя стояками. Таким образом в кессоне изготовляют нижнюю форму. Верх формы 1 (рис. 20) изготавливают в опоке размером 6,0X4,0X0,7 м с облицовкой смесью из хромистого железняка толщиной 25—40 мм; остальная опока набита песчано-глинистой смесью, причем при уплотнении второго слоя подвешивают металлические крючки к шпонам верхней опоки. Затем верхнюю опоку снимают, переворачивают, и с поверхности формовочную смесь прошпиливают строительными гвоздями длиной 70 мм, поверхность смачивают сульфидным щелоком и помещают полуформу в камерное сушило, где она сохнет при 370—400°С, на глубину 100—120 мм.

Из нижней части формы извлекают модель и ее отъемные части, исправляют поврежденные места, затем устанавливают сухой стержень и прошпиливают стенки формы строительными гвоздями длиной 70 мм. Стенки формы смачивают сульфидным щелоком, затем форму накрывают зонтом и сушат газовыми горелками на глубину 100—120 мм. После охлаждения формы в нее устанавливают внутренние холодильники 2 (для компенсации усадки и создания направленной снизу вверх кристаллизации металла в форме). Холодильники изготавливают из прутков диаметром 36—40 мм, сваренных в виде решеток. Затем на верхней опоке наращивают прибыль, для чего устанавливают друг на друга 5 опок размером 3,5X5X0,45 м и заформовывают модель прибыли таким же образом, как и верхнюю опоку. Модель извлекают, и верхнюю опоку с наращенной прибылью помещают в сушильную печь. Затем верхней полуформой закрывают нижнюю полуформу, и собранную форму закрепляют под грузом массой 155 т. Заливку металла осуществляют первоначально из двух 80-т ковшей с двух сторон при температуре металла 1550°С. Затем третьим ковшом емкостью 35 т заливают металл прямо в прибыль.

По мере затвердевания металла в форме и его усадки прибыль доливают жидким металлом четыре раза: первый—через 11,5 ч (15 т жидкой стали), второй — через 23 ч (еще 15 т жидкого металла), третий — через 37 ч (16 т) и четвертый — через 46,5 ч (8 т жидкого металла). Затем отливка охлаждается в форме 33 дня. Общий расход жидкого металла составляет 232,5 т.

Еще совсем недавно, каких-нибудь 30 лет назад, производство отливок массой 100 т и более было явлением редким. Такие отливки литейщики всех стран вносили в специальный негласный перечень достижений, который составлял гордость нации. Так, на рис. 21 приведены наиболее уникальные по сложности, габаритам и массе отливки, полученные в различных странах мира.

Рис. 21. Уникальные отливки:
а — крейцкопф гидравлического пресса массой 185 т, 1953 г.; б — рубашка гидравлического пресса массой 200 т, 1931 г.; в — плита пресса массой 132 т, 1958 г.; г — станина механического пресса массой 105 т, 1954 г.; д — станина прокатного стана массой 245 т, 1955 г.; е — рама механического пресса массой 236 т, 1955 г.; ж — станина прокатного стана массой 257 т, 1956 г.

В последнее время технический прогресс в станкостроении, энергетике, металлургии, тяжелом машиностроении, судостроении идет по пути создания мощных гидроэлектростанций, супертанкеров, гигантских атомоходов, крупных доменных печей и т. д. Но для создания таких гигантов необходимо станочное, кузнечное и прокатное оборудование больших размеров, чтобы можно было обработать многотонные детали машин. Отсюда все возрастающая потребность в многотонных деталях. Так, вал, соединяющий турбину Куйбышевской ГЭС с генератором, имеет длину 10 м, диаметр 1,5 м и массу 96 т. Заготовка для такого вала весит 180 т. Эта литая заготовка должна быть прикована на молоте, а потом пройти механическую обработку на токарном станке. Можете себе представить, сколько должны весить отдельные части токарного станка и кузнечного молота для обработки таких многотонных деталей. Отливка рабочего колеса турбины Куйбышевской ГЭС имела массу 460 т, а ведь такие турбины стоят на Красноярской, Ангарской и других электростанциях, причем не по одной, а по нескольку на каждой станции! Вот и получается, что сегодня производство отливок массой 100 т и более — дело повседневное. Однако, несмотря на это, производство таких отливок остается чрезвычайно сложной и ответственной задачей, так как малейший просчет может привести к большим потерям материальных средств и труда. Успех дела в производстве любых отливок, а тем более уникальных, зависит не только от подготовленности инженерно-технического персонала, но и в большой степени от квалификации, опыта, знаний и мастерства формовщика.