Литейных

дел мастера

Что общего у Годзиллы с манипулятором? Кому помогают советы Микеланджело? Как не попасть в изолятор? Литейное производство ТВСЗ таит много секретов. Какие технологии применяются на заводе сегодня и как поддерживается высокое качество продукции, которая ценится не только в России, но и за рубежом?


№ 6 (декабрь) 2017

На полном самообеспечении

С первой плавки в июле 2012 года металлурги Тихвинского вагоностроительного завода выпустили более 200 тыс. т литья. На промышленной площадке завода действует литейное производство полного металлургического цикла. Именно здесь рождаются стержни, собираются формы, выплавляется и заливается в формы металл. Далее проводятся обрубочные операции, полученные отливки проходят термообработку, дорабатываются, проверяются на качество. И только после окончательной приемки детали отправляются на покраску.

Литейное производство ТВСЗ выпускает весь спектр вагонного литья, необходимый для сборки ходовых частей. Это крупное вагонное литье – боковые рамы и надрессорные балки, среднее – автосцепные устройства, надпятники, упоры задние и передние, хомуты тяговые и другие детали. Максимальная выработка за сутки достигает порядка 650 отливок, в месяц – почти 6 тыс. т литья. Производство динамично набирает обороты: в 2015 году завод произвел более 55 тыс. т, год спустя – почти на 10 тыс. т больше. Планируется, что к концу 2017 года производство выйдет на уровень 70 тыс. т, что полностью покрывает производственную программу тихвинских вагоностроительных предприятий с учетом поставок на экспорт.

Производственный цикл по выпуску вагонного литья состоит из сложных процедур со своими особенностями. Пройдем по основным участкам литейного цеха и узнаем, что происходит на каждом из них.

Вся сила в плавках!

Для начала нужно сварить сталь марки 20ГЛ (отличается повышенным содержанием марганца), из которой будут изготавливаться будущие отливки (отливка – затвердевший и охлажденный металл, которому придали форму требуемой детали. – Прим. ред.). Для плавки металла на ТВСЗ используют лом стали марки Ст3 (конструкционная углеродистая сталь) и металлоотходы собственного производства.

Работа в центральной заводской лаборатории

Работа в центральной заводской лаборатории

Плавильный цех оснащен двумя дуговыми сталеплавильными печами ДСП-20 компании Siemens VAI. «Емкость каждой печи – 20 т, средняя скорость плавки – 1,5 часа», – уточняет Алексей Федоров, директор «Центролит» (литейное производство ТВСЗ). Дуговые печи, по его словам, не столько ноу-хау, сколько надежная классика, проверенная временем. Только на производстве еще добавлено современное программное управление и уникальная технология плавки, благодаря чему в разы снижается расход электроэнергии и сопутствующих материалов, сокращается время плавки и повышается качество стали.

После отправки лома в печь металл расплавляют до жидкого состояния, подвергают окислению с помощью специальной добавки – окисленного железорудного окатыша, добавляют легирующие элементы (вещества, которые придают готовым отливкам необходимые химические и физические свойства). В процессе плавки сталевары проверяют температуру металла, которая достигает 1680 ˚С, берут пробы для анализа в экспресс-лаборатории.

Автоматическое устройство сборки форм поднимает полуформу верха массой около 4,5 т, опускает ее на полуформу низа с точностью 0,2 мм, «запирает» замки на опоках, затем поднимает собранную и готовую к заливке металлом форму и под вакуумом переносит ее на тележку, которая везет форму на заливочную линию

Автоматическое устройство сборки форм поднимает полуформу верха массой около 4,5 т, опускает ее на полуформу низа с точностью 0,2 мм, «запирает» замки на опоках, затем поднимает собранную и готовую к заливке металлом форму и под вакуумом переносит ее на тележку, которая везет форму на заливочную линию

После того как достигнут заданный химический состав, жидкий металл из печи выпускают в сталеразливочный ковш. В нем проходит процедура продувки стали аргоном (инертным газом), чтобы температура и химический состав были равномерны по всему объему металла. Жидкую сталь выдерживают до необходимой температуры и подают на линию заливки металла в формы.

Для того чтобы печь всегда была готова к плавке, а ковши без устали работали, огнеупорщики производят футеровку оборудования (футеровка – отделка внутренней поверхности печей и ковшей огнеупорными кирпичами для ее защиты от возможных механических, термических, физических и химических повреждений. – Прим. ред.).

Заливка металла в формы

Заливка металла в формы

Литейное производство ТВСЗ выпускает весь спектр вагонного литья, необходимый для сборки ходовых частей

Пока варится сталь, на других участках «рождаются» специальные формы под заливку металла. Изготовление форм для будущей отливки на ТВСЗ происходит на автоматической линии вакуумно-пленочной формовки (ВПФ) фирмы Heinrich Wagner Sinto. Сначала формируется модель, то есть основа, которая определяет форму будущей детали. С ее помощью делают отпечаток в опоке (опока – специальное приспособление, служащее для удержания формовочной смеси. – Прим. ред.), который повторяет очертания будущей отливки. Модель – в отличие от литейной формы – это инструмент многоразового использования. Кроме того, ВПФ-технология является самой экологичной, поскольку в ней используется только сухой песок, без связующих и какой-либо химии. Отливки, полученные по методу ВПФ, обладают улучшенной плотностью металла и высоким качеством поверхности.

Процесс выглядит так. «Модель обтягивается нагретой пленкой и покрывается противопригарным покрытием. Затем в опоку засыпается сухой песок, который уплотняется вибрацией. Потом сверху наносится еще один слой пленки. Далее с помощью специальных насосов создается вакуум, благодаря которому удерживается форма. В нее устанавливаются стержни, и производится сборка готовой формы. После заливки металла отливка охлаждается и выбивается из формы. Оставшийся сухой песок также охлаждается и возвращается обратно на формовку. То есть он не выбрасывается, а только очищается от металлических включений и снова попадает в производство», – объясняет Александр Пронин, главный металлург ТВСЗ.

Вакуумно-пленочная формовка модели. Качество изготовления модели (и стержневых ящиков) влияет на качество самой отливки (и стержня). Именно поэтому изготовление любой модели требует высокого уровня профессионализма, знания множества технологических процессов, в том числе и на высокоточном оборудовании со сложным программированием

Вакуумно-пленочная формовка модели. Качество изготовления модели (и стержневых ящиков) влияет на качество самой отливки (и стержня). Именно поэтому изготовление любой модели требует высокого уровня профессионализма, знания множества технологических процессов, в том числе и на высокоточном оборудовании со сложным программированием

Моделью для стержней (на ТВСЗ их изготавливают более 20 разновидностей) является специальный ящик, внутри которого очертания того или иного стержня (стержень – незаменимый элемент литейной формы, позволяющий формировать отверстия, полости и другие сложные контуры в отливке. – Прим. ред.). Упрощенно процесс выглядит так: собирают ящик, а дальше, как в песочнице, стержневые машины из смеси кварцевого песка и оксида железа набивают форму, утрамбовывают, выбивают – и получается стержень. Весь процесс автоматизирован, но находится под управлением оператора. Автоматы объемом 200 литров, которые применяются на заводе, появились в России и СНГ впервые. Аналогичное оборудование используется на немецких предприятиях автоконцерна Daimler AG при производстве отливок для грузовых автомобилей Mercedes.

В ходе этих процессов произведенные отливки, температура которых достигает 500 ˚С, достают из форм с помощью манипулятора фирмы Clansman Dynamics, как говорят заводчане, похожего на огромного Годзиллу. Он аккуратно кладет отливки на вибростол, где из них удаляются остатки песка и стержней.

После остывания отливки очищают от окалины при помощи дробеметов. Затем газорезчик разделяет залитые отливки и передает их на обрубные операции, где удаляются элементы литниковой системы (литниковая система – система каналов, через которые расплавленный металл подводят в полость формы. – Прим. ред.), устраняются неровности и шероховатости. Эта процедура выполняется на роботизированных обрезных модулях August Mössner, а зачистка – на шлифовальных модулях той же фирмы. Кстати, эти станки были изготовлены специально по заказу ТВСЗ.

«Внутри герметично закрытых кабин роботы отрезают литниковую систему или шлифуют отливку по периметру, – рассказывает Александр Пронин. – Если раньше эту работу выполняли около 300 рабочих, то сейчас этот процесс автоматизирован».

Далее специальными шлифовальными фрезами отливки очищаются от еще одной разновидности дефекта поверхности – металлических заусенцев и заливов, которые устраняются вручную. Их обрубка – самый трудоемкий этап, когда важно не нарушить форму отливки. Здесь, пользуясь языком великого скульптора Микеланджело, нужно отсечь все лишнее. И это можно доверить только человеку.

Далее отливки отправляются на термообработку в автоматическую роботизированную линию Can-Eng (Канада). Во вращающихся печах для нормализации температура достигает 910 ˚С.

После повторной процедуры очистки дробеметами поверхность изделия становится ровной и гладкой. Затем каждую отливку подвергают проверке методами неразрушающего контроля, после чего передают на участок механической обработки, сборки и окраски. И вот перед нами появляется готовая деталь! После окраски на автоматизированной линии Eisenmann литые детали приобретают привычный для нас черный цвет.

Работник терминалом «считывает» баркод с этикетов, прикрепленных на ответственные стержни, «привязывает» информацию об изготовлении этих стержней к этой конкретной отливке

Работник терминалом «считывает» баркод с этикетов, прикрепленных на ответственные стержни, «привязывает» информацию об изготовлении этих стержней к этой конкретной отливке

Выбор через испытания

Для оснащения литейного цеха ТВСЗ подбиралось самое производительное и эффективное оборудование. Доля отечественных поставщиков оказалась небольшой из-за низкой надежности станков по сравнению с зарубежными. По ряду позиций, к сожалению, в нашей стране компетенция была в принципе утеряна. Поэтому холдинг «ОВК» самостоятельно организовал в Тихвине выпуск широко применяемых в машиностроении деталей из высокопрочного чугуна с бейнитной структурой. Именно износостойкие элементы в значительной степени обеспечивают заявленный ресурс ходовой части вагона – до 1 млн км до ремонта. Также холдинг стал инициатором изготовления деталей из сверхмолекулярного полиэтилена.

Тем не менее современная отечественная техника на литейном производстве завода используется: кран-балки Лемменс-Троицкого кранового завода и мостовые краны «Оптим-крана». Закалка отливок ведется на термических проходных печах компании «Теплохиммонтаж».

Стержневой участок литейного производства

Стержневой участок литейного производства

Если стоит задача закупить новое оборудование, то технологи завода сначала разрабатывают требования к поставщикам. Победитель выбирается по результатам тендера. Такой подход обеспечил то, что ТВСЗ остается одним из самых современных и наиболее автоматизированных предприятий в Европе. И это подтверждают российские и зарубежные партнеры.

Извлечение стержней из сборочного кондуктора для установки в форму

Извлечение стержней из сборочного кондуктора для установки в форму

Стержни для корпуса автосцепки

Стержни для корпуса автосцепки

Манипулятор фирмы Clansman Dynamics, похожий на огромную Годзиллу, удаляет остатки песка и стержней из отливок

Манипулятор фирмы Clansman Dynamics, похожий на огромную Годзиллу, удаляет остатки песка и стержней из отливок

Для оснащения литейного цеха Тихвинского завода подбиралось самое производительное и эффективное оборудование

Высокое качество литья зависит не только от станков, но и материалов. Тут речь идет о тысячах позиций. Например, ферросплавы заказываются на российских металлургических заводах, в том числе у нашего соседа – Тихвинского ферросплавного завода. Огнеупоры для ковшей и печей поставляет австрийский производитель, сухой формовочный песок – Неболчинское карьероуправление (подразделение бельгийской компании Sibelco), стержневой песок – «Балашейские пески» (подразделение немецкой компании Quarzwerke Group), противопригарную краску на основе оксида циркония и химические реагенты для изготовления стержней – немецкая ASK Chemicals GmbH, изотермические прибыли – американская Foseco. Часть комплектующих производится непосредственно на ТВСЗ – в кузнечном цехе, на инструментальном производстве и цехе высокопрочного чугуна.

Дьявол кроется в деталях

Сложно представить, но на качество литья в общей сложности может влиять более 2 тыс. параметров. На ТВСЗ в качестве ключевых отобраны около 200. По некоторым из них не допускается даже незначительного отклонения. Например, по результатам химического анализа может быть забракована вся плавка. А, скажем, фракционный состав песка, прочностные характеристики стержня и ряд других факторов имеют значение в совокупности.

В любом литейном производстве есть такое понятие, как технически неизбежный брак. Обычно предприятия устанавливают этот уровень самостоятельно. На ТВСЗ этот параметр сопоставим со среднемировыми значениями.

Все необходимые исследования для обеспечения и подтверждения качества выпускаемых отливок проводит центральная заводская лаборатория. Прежде всего она проверяет на соответствие требованиям поступающие материалы – это так называемый входной контроль. Изготовленные отливки подвергаются динамическим и статическим испытаниям под нагрузкой. А каждая 500-я рама и балка дополнительно проверяется на наличие внутренних дефектов, анализируется макрои микроструктура металла. Таким образом, лаборатория сопровождает весь технологический процесс выпуска литья.

Шлифовка рессорного проема рамы боковой тележки

Шлифовка рессорного проема рамы боковой тележки

Как не попасть в «изолятор»

«Лабораторное оборудование настолько «умное», что в состоянии не только контролировать технологические параметры, но и интегрировать их в ERP LN для дальнейшего анализа, – отмечает начальник отдела проектирования контрольных процессов – главный эксперт по развитию систем контроля качества ТВСЗ Елена Петрянкина. – Основной целью является поддержание всех ключевых параметров на одном и том же уровне, поэтому при проектировании литейного производства мы сразу поставили себе цель на базе ERP создать собственную систему контроля, которая будет помогать управлять процессами».

Анализ мирового опыта и особенностей эксплуатации подвижного состава в России позволил разработать на ТВСЗ автоматизированную систему контроля процессов (АСКП) изготовления литых деталей – аналог зарубежной системы Blue Wave. Ее уникальность заключается в обеспечении сквозного технологического контроля всех этапов производства вагонных тележек – от закупки материалов и комплектующих до выпуска готовой продукции.

Обрезка литниковой системы, устраняются неровности и шероховатости

Обрезка литниковой системы, устраняются неровности и шероховатости

При этом все параметры сохраняются в базе данных, чтобы не только сам завод, но и потребитель в любой момент эксплуатации (срок службы тележек производства ТВСЗ составляет до 40 лет) мог узнать полную его «биографию». АСКП позволяет контролировать и регистрировать абсолютно всю информацию по операциям и измерениям, через которые прошла отливка в процессе изготовления. Система способна отследить каждый параметр, что помогает своевременно выявить несоответствующую продукцию и исключить ее из дальнейшего движения по производству. При этом все показатели, которыми обладает отливка, абсолютно объективны, поскольку автоматизированная система минимизирует возможность человеческой ошибки. Таким образом, АСКП представляет собой многоступенчатую систему контроля качества литых изделий.

Очень важно, что благодаря накопленным данным появилась возможность прогнозирования и предупреждения дефектов. Специалисты Службы по контролю производственных процессов обладают бесценной информацией и могут делать максимально точный вывод о том, как те или иные параметры влияют на качество литья. Любые отклонения в материале отливок исследуются, и разрабатываются меры по их исключению в дальнейшем.

При этом система не пропустит отливки несоответствующего качества в производство и тем более в эксплуатацию. Она осуществляет автоматизированный контроль за движением материалов и полуфабрикатов между переделами. Если в результате контроля отливки специалист ОТК фиксирует недопустимые дефекты, в АСКП изделие получает статус несоответствующего и исключается из производственного процесса. Его перемещают на специализированный склад несоответствующей продукции «Изолятор НП». Для этого система распечатывает специальную этикетку, на которой указаны дефект, место его расположения и то, куда надо транспортировать эту отливку. На сборку тележек попадают только те изделия литейного производства, которые прошли все стадии проверки, включая разрушающий и неразрушающий контроль.

Также внедрение АСКП помогло избавиться от бумажных сопровождающих документов в производстве и перейти на электронные паспорта. Для работников ОТК разработаны планшеты со штрихкодами, а на рабочих местах используются беспроводные терминалы, куда в режиме онлайн заносятся все сведения об изделии.

считывание 2D-метки – дополнительной защиты от контрафакта

считывание 2D-метки – дополнительной защиты от контрафакта

Анализом данных занимается служба контроля производственных процессов. Собранная за пять лет, с момента запуска предприятия, информация позволяет прогнозировать большинство процессов и понимать, как на них влияют разные факторы, вплоть до погодных условий. К примеру, выяснилось, что атмосферное давление влияет на вакуум в системе. Эти знания специалисты завода приобрели исключительно из собственного опыта. Теперь к этой базе большой интерес проявляют представители других российских предприятий.

Но и на этом завод не остановился. На ТВСЗ внедрена информационно-аналитическая система управления качеством продукции «СОКОЛ» (подробнее читайте материал на стр. 14–17. – Прим. ред.). А в качестве дополнительной защиты от контрафакта, помимо присвоения литым деталям серийного номера, наносится 2D-маркировка.

Наши в Америке

Продукция тихвинских вагоностроителей поставляется как на российский рынок, так и на экспорт: в Северную Америку, страны Европы, Африки и Ближнего Востока.

При изготовлении вагонного литья для американской корпорации Wabtec на «Центролите» отливается особая марка стали. Чтобы добиться механических свойств, соответствующих требованиям Ассоциации американских железных дорог, потребовалось применение специальных режимов обработки металла за счет добавления комплекса легирующих элементов в процессе его выплавки. При термообработке важно было найти нужный температурный режим. В обработке американских отливок тоже есть свои тонкости: некоторые зоны потребовали шлифовки в строго определенном направлении для снижения эксплуатационных рисков.

«Wabtec предлагает высокотехнологичные решения для рынка Северной Америки, именно поэтому мы заботимся о том, чтобы продукция наших поставщиков соответствовала мировым стандартам. Тихвинский вагоностроительный завод с его современным производством полностью считывание 2D-метки – дополнительной защиты от контрафакта удовлетворяет всем требованиям по качеству продукции. Мы надеемся на долгосрочное сотрудничество с ОВК в рамках программы поставок крупного вагонного литья и другой железнодорожной продукции на американский рынок», – заявил Микки Корженовский, руководитель Wabtec Freights Products.

Сегодня на предприятии решаются задачи по дальнейшему развитию автоматизации

«Лично для меня каждый приезд на литейное производство ТВСЗ всегда волнующее событие. Я никогда не видел такого предприятия. Мы работали с другими литейными производствами, я посетил примерно 50 таких предприятий и могу сказать с уверенностью: во всем мире нигде нет такого современного оборудования», – делится впечатлениями от визита Лубош Андрле, представитель корпорации Wabtec.

Магнитопорошковый контроль на установках магнитолюминесцентного контроля железнодорожного литья

Магнитопорошковый контроль на установках магнитолюминесцентного контроля железнодорожного литья

Только вперед – ни шагу назад

Одним из стратегических направлений развития производства в Тихвине станет освоение в 2018 году выпуска вагонов, оснащенных тележками с осевой нагрузкой 27 тс. ТВСЗ продолжит развивать продуктовую линейку выпускаемых литых изделий для экспорта, в том числе консоли (упоры объединенные), узлы сочленения, автосцепку и др.

В этой связи планируется на 30% увеличить объем одной из дуговых печей, модернизировать формовочное и плавильное оборудование. К примеру, уже сейчас устанавливается оснастка для изготовления стержней по холоднотвердеющему PEP-SET-процессу (отверждение происходит за счет ввода жидкого амина. – Прим. ред.).

На предприятии решаются задачи по дальнейшему развитию автоматизации. В эксплуатацию будет введено оборудование для закалки токами высокой частоты корпуса автосцепки, это позволит увеличить срок ее службы с 32 до 40 лет. В ближайшее время будет модернизирована стержневая машина с установкой устройства съема стержней с ящика и передачи их на покраску. Раньше это выполнялось вручную.

И в завершение хотелось бы сказать, что двери Тихвинского вагоностроительного завода всегда открыты для партнеров по бизнесу. Вы можете своими глазами увидеть весь производственный процесс и познакомиться с выпускаемой продукцией.

Елена Романова