Как известно, литые изделия составляют значительную долю по массе и трудоемкости изготовления любого вида продукции машиностроения. На долю литых заготовок в общей массе продукции автомобилестроения приходится 8…10%, тракторостроения – 15…18%, сельхозмашиностроения – 15…20%, двигателестроения – 70…80%. От качества отливок, их точности и экономичности в конечном счете зависит и качество конечной продукции – двигателей, станков, автомобилей. Как показывает мировой опыт, совершенствование изделий машиностроения невозможно без существенного повышения сложности, качества, эксплуатационных свойств, точности и уменьшения толщины стенок литых заготовок. За последние 30 лет в зарубежном машиностроении допуски и припуски на отливки были снижены в 1,5…2,0 и более раз, металлоемкость продукции уменьшена на 10…20 и более % [1].

Повышение сложности, тонкостенности и точности литых деталей наряду с требованиями минимизации трудовых затрат и эффективной защиты окружающей среды значительно влияют на направления развития технологий производства отливок. Это в полной мере относится и к технологии производства литейных песчаных стержней, используемых для формирования внутренних полостей и оформления внешних контуров отливок. Процессы производства стержней, занимающие важное место (около 25% от всей трудоемкости) в процессе получения отливки, постоянно совершенствуются. Это объясняется как растущими требованиями к качеству стержней (прочность, точность геометрических размеров, срок хранения готового стержня, выбиваемость его из отливки, газотворность, регенирируемость), так и требованиями общего снижения стоимости отливок; экологическими требованиями, необходимостью улучшения условий труда.

При изготовлении литейных песчаных стержней крупносерийных и массовых отливок, определяющих состояние всех отраслей машиностроения с серийной продукцией, приоритетными являются высокопроизводительные машинные способы стержневого производства. На стержневых пескодувных и пескострельных автоматах изготавливают более 90% всех стержней, задействованных в производстве серийных отливок. Столь широкое применение производительных машинных методов изготовления стержней во многом стало возможным благодаря усилиям химиков по созданию принципиально новых типов стержневых связующих. Вторая половина двадцатого столетия стала эпохой бурного развития новых технологий стержневого производства на основе химически твердеющих синтетических связующих композиций. Произошли глобальные изменения в оборудовании и способах изготовления песчаных стержней. В настоящее время для производства стержней машинными методами в литейной промышленности используется порядка десяти основных технологических процессов, каждый из которых имеет многочисленные разновидности, подвиды и модификации. Каждая технология имеет свои достоинства и недостатки, определяющие объемы ее применения и область рационального использования. Идеальной и универсальной технологии не существует. Но практический опыт, накопленный промышленностью за десятилетия применения машинных способов изготовления стержней, позволяет определить основные тенденции развития стержневого производства в целом.

Так, на предприятиях Республики Беларусь с серийным характером производства наиболее широко распространены технологические процессы получения литейных песчаных стержней с отверждением их в нагреваемой оснастке, так называемые Hot-box и Croning процессы. По данным 2000 года, в литейной промышленности республики было задействовано 143 стержневые машины различных моделей для производства стержней по технологии Hot-box (58% от общего объема производства (ООП)); 10 стержневых машин мод. 29111 и 29113 для производства стержней по технологии Croning (3% от ООП); 60 пескодувных машин мод. 2Б83, 310, ДС-3С и др. для изготовления стержней по сырому (технология «тепловая сушка», 18% от ООП). 21% стержней от ООП изготавливался по технологиям ЖСС и маложивучих ХТС [2]. Используемые по технологиям «горячего» отверждения стержней в оснастке стержневые машины задействованы на крупных предприятиях республики: на Минском автомобильном заводе было установлено 36 стержневых машин, Минском тракторном заводе – 45, Минском моторном заводе – 9, Минском заводе отопительного оборудования – 12, Гомельском заводе литья и нормалей – 8, гомельском заводе «Центролит» - 1, гомельском заводе «Гомсельмаш» - 6, Могилевском автозаводе – 6, заводе автомобильных агрегатов (г. Осиповичи) – 9, на других заводах республики – около 10 машин [3].

Аналогичная картина распределения структуры применяемых технологий наблюдалась вплоть до конца двадцатого века и на заводах Украины и Российской Федерации с той лишь разницей, что суммарное количество эксплуатируемых в этих странах стержневых машин было на порядок большим, чем в Республике Беларусь.

Используемая в отечественной промышленности с 1960 г. технология изготовления стержней в нагреваемой оснастке в свое время позволила заменить тяжелый ручной труд стержневщиков, работающих по технологии «тепловая сушка», на высокопроизводительный машинный способ получения стержней. Действительно, по сравнению с методами изготовления сырых стержней с последующей тепловой сушкой, технология Hot-Box обладает целым рядом важных преимуществ, основными из которых является:
-         высокая производительность (определяется возможностью полной автоматизации процесса и достаточно коротким временем отверждения стержней);
-         более высокая размерная точность стержней, отверждаемых непосредственно в оснастке;
-         отличные рабочие свойства стержневых смесей и готовых стержней (достаточная живучесть смеси, высокая прочность стержней, низкая газотворность и хорошая газопроницаемость, длительный срок хранения готовых стержней и др.).

Однако методы изготовления стержней в нагреваемой оснастке имеют ряд существенных недостатков. Во-первых, экологических – в результате нагрева стержневой смеси на стадии изготовления стержней в воздух рабочей зоны выделяется значительное количество вредных газовыделений, в том числе формальдегид и фенол. Во-вторых, технологических – в результате разогрева оснастки нарушается точность геометрических размеров стержня, происходит коробление оснастки; при изготовлении стержней с большим перепадом сечений возникают проблемы вследствие их неравномерного прогрева и отверждения. В-третьих, экономических – данному процессу присущи высокие энергозатраты на нагрев стержневого ящика - на 1 т произведенных стержней расходуется 75…100 кВт·ч электроэнергии или 25…30 м3 природного газа [3].

В отличие от промышленности стран СНГ, к концу прошлого века в индустриально развитых странах «горячие» процессы отверждения стержней окончательно были признаны устаревшими. Первостепенное внимание зарубежных специалистов было уделено процессам и оборудованию для изготовления стержней из холоднотвердеющих смесей с продувкой газообразными катализаторами. Промышленная эксплуатация таких процессов была начата в странах Запада с конца 70-х годов. Как свидетельствуют данные экспертных оценок уровня технологий производства стержней, в промышленно развитых странах на сегодняшний день 75…80% (а в автомобильной и моторной промышленности – порядка 90%) от общего объема производства стержней машинного изготовления производится в не нагреваемой оснастке по способам Cold-box. Выбор технологий Cold-box объясняется неоспоримыми технологическими, экономическими и экологическими преимуществами этих методов получения литейных песчаных стержней.

При анализе состояния отечественного стержневого производства особо следует отметить факт крайне сильного износа парка основного стержневого оборудования. Так, по данным 2000-го года, более 80% от всего количества стержневых машин эксплуатировалось уже более 20 лет [2]. Подобная ситуация (износ стержневого оборудования 75…97%, средний срок эксплуатации – более 20 лет) характерна и для российской промышленности. Для сравнения следует отметить, что при среднеевропейском сроке обновления оборудования, равным 7 годам, степень износа стержневого оборудования в Западной Европе составляет менее 25% при экспертной оценке порога экономической безопасности 50% [4, 5].

Таким образом, состояние оборудования и технологий стержневого производства большинства отечественных литейных цехов можно охарактеризовать как кризисное.

Необходимость модернизации стержневого производства с учетом анализа мирового опыта очевидна. Неразрывный узел проблем «качество отливки – качество продукции – прибыль от продажи продукции – инвестиции в производство – качество отливки» привел к значительному (в 2 и более раз) снижению общего объема производства большинства литейных цехов. Даже имея значительную часть незагруженных мощностей, многие отечественные предприятия на существующем технологическом уровне по причине низкой точности и качества литья не могут сертифицировать свою продукцию по международным стандартам и в итоге вынуждены отказаться от выгодных зарубежных контрактов. Цифры говорят сами за себя – даже на фоне общих тенденций перемещения производства из стран Западной Европы в Восточную (в период 1990-2000 гг. за счет импорта из Восточной Европы производство отливок в Германии, Швеции, Франции снизилось на 30%), доля от всех импортируемых в Европу отливок из стран СНГ по данным 1995-2000 гг. составила всего около 1% [2, 6].

Не вызывает сомнения, что для производства конкурентоспособных отливок с учетом строгих международных правил сертификации продукции необходим переход на более перспективные процессы производства, в том числе и новые стержневые технологии. Техническое перевооружение литейных цехов должно стать приоритетным направлением инвестиционной политики, так как технологический уровень заготовительной базы определяет и уровень в целом машиностроительной продукции.

Отрадно, что в последние годы в промышленности России, Беларуси и Украины наметились четкие тенденции в качественном изменении структуры технологий стержневого производства. Первым предприятием в СНГ, внедрившим в 1994-1995 гг. «холодную» продувочную технологию Эпокси-SO2 , стал КамАЗ. В 1996 году с целью отработки в отечественных условиях технологии Cold-box-amin НИИТавтопромом и Горьковским автозаводом были соответственно приобретены экспериментальные 10 и 1-литровые стержневые машины производства фирмы Laempe (Германия). После того, как рядом российских предприятий процесс Cold-box-amin был с успехом внедрен, недоверие к этой технологии окончательно развеялось, применимость данной технологии на предприятиях стран СНГ стала стремительно расширяться. Начиная с 1996 года метод Cold-box-amin внедрен на Заволжском моторном заводе, Горьковском автозаводе, предприятиях «Протон-Пермские моторы» и «Авиатек» (г. Киров), Лебедянском машиностроительном заводе, заводе швейных машин «Зингер-Россия» в г. Подольске, заводе «Красный двигатель» в Новоросийске, Чебоксарском агрегатном заводе, ярославском «Автодизеле», Казанском моторостроительном производственном объединении, нижнетагильским «Уралвогонзаводе», мариупольским предприятием «Азовэлектросталь» и др.

Лидером в освоении Cold-box-amin процесса в Республике Беларусь стал Минский тракторный завод. Реализуя намеченную в 1997 году концепцию технического переоснащения чугунолитейного цеха №2, в 2000-2001 гг. на этом предприятии взамен двух поточных линий изготовления стержней по тепловой сушке были внедрены две первые стержневые машины мод. 4747Б2К1 и 4760Б2К1,предназначенные для производства стержней весом до 80 и 150 кг соответственно. В 2005 году внедрение технологии Cold-box-amin состоится на втором белорусском предприятии – вошедшем в состав БелАЗа Могилевском автозаводе.

Помимо технологий Эпокси-SO2 и Cold-box-amin, на ряде российских предприятиях, хоть и в значительно меньших объемах, используются и другие технологии холодного отверждения – методы Betaset и Carbophen. Учитывая безусловно положительный опыт внедрения методов Cold-box в СНГ, многими отечественными предприятиями запланированы мероприятия по техническому перевооружению, предусматривающие внедрение той или иной «холодной» продувочной технологии. Следует отметить, что от вида принятой технологии, от типа и свойств связующего, способов и кинетики его отверждения зависят многие параметры литой заготовки, конструкция оснастки и технологического оборудования, условия труда, экологические характеристики производственных помещений и окружающей среды, экономические показатели производства в целом. В последующих разделах данной главы приводится обзор современных машинных способов изготовления стержней и рассматриваются основные критерии, определяющие выбор наиболее оптимальной технологии.

1. Волкомич А.А. Проблемы и задачи развития производства отливок в разовых формах // Труды седьмого съезда литейщиков России. Том I – г. Новосибирск, 2005. С. 42-44.
2. Кукуй Д.М., Марукович Е.И., Мельников А.П. Основные тенденции развития литейного производства Республики Беларусь // Литье и металлургия. – 2000. - №3. – C. 3-12.
3. Кудин Д.А., Куракевич Б.В., Мельников А.П., Пасюк Г.И. Технологии и машины для изготовления стержней из песчано-смоляных смесей, отверждаемых продувкой газообразными отвердителями // Литье и металлургия. – 2000. - №4. – C. 88-90.
4. Буданов Е.Н. Выход из технологического тупика // Литейное производство. – 1999. - №11. – C. 5-11.
5. Буданов Е.Н. Инвестиции в стержневое производство – первый шаг в преодолении кризиса // Литейное производство. – 1997. - №3. – C. 11-15.
6. Степанов В.С. О поездке в Англию российских специалистов // Литейное производство. – 1997. - №2. – С. 33-36.