CC BY
34
УДК 621.789
Канд. техн. наук Л. А. Варинская, канд. техн. наук И. Н. Лазечный
Национальный технический университет, г. Запорожье
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ЗАМЕНЫ МАТЕРИАЛА ШТАМПОВОГО
ИНСТРУМЕНТА
Статья касается проблем ресурсосбережения и оценки целесообразности замены материала штампового инструмента стали марки 5ХНМна сталь марки 4Х5МФС. В статье приводится теоретическое обоснование такой замены и производственные данные по ее реализации. Оценка эффекта от замены материала рассчитывается укрупненно, но с учетом главных факторов, определяющих результат.
В данной работе выполняется укрупненная технико-экономическая оценка от замены материала штам-повых инструментов - стали марки 5ХНМ на сталь марки 4Х5МФС. Данное техническое решение обосновано требованием к уровню работоспособности штампов, особенно штампов крупных габаритов (таблица 1), склонных к трещинообразованию из-за большой площади контакта с разогретыми заготовками.
Таблица 1 - Габаритные размеры используемых штамповых инструментов
Назначение Марка Размеры, мм Твердость
Ь 1 к
Штамп 5ХНМ 450 450 250 ШС 44-46
Штамп 5ХНМ 450 450 350 ШС 44-46
Штамп 5ХНМ 500 500 250 ШС 44-46
Штамп 5ХНМ 600 600 250 ШС 44-46
Стали, применяемые для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии, должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать окалинос-тойкостью, а также способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования раз-гарных трещин. Кроме того, стали для штампов должны иметь высокую износостойкость и теплопроводность для лучшего отвода тепла, передаваемого обрабатываемой заготовкой. Для штампов с большими габаритными размерами предъявляются требования по прокаливаемости, что должно обеспечивать высокие механические свойства по всему сечению штампа. Важно при этом, чтобы сталь не была склонна к обратимой отпускной хрупкости, так как быстрым охлаждением крупных штампов ее устранить нельзя.
Крупные ковочные штампы, а также инструмент ковочных машин и прессов, нагревающихся в работе до 500-550 °С при умеренных нагрузках, изготавливают из малолегированной стали 5ХНМ. Молибден, присутствующий в стали, повышает теплостойкость, про-каливаемость и уменьшает склонность к обратимой отпускной хрупкости. Для инструментов со средними уровнями нагрузок, работающих с разогревом до 600 °С, а также инструментов с большой рабочей поверхностью, работающих при 400-500еС, рекомендуется применять вместо стали 5ХНМ среднелегиро-ванную сталь 4Х5МФ1С. В фазовом составе указанной стали присутствуют карбиды типа М6С и М23С6, она имеет более легированную матрицу и поэтому сталь марки 4Х5МФ1С характеризуется повышенной теплостойкостью, окалиностойкостью и малой чувствительностью к резкой смене температур, устойчива против действия жидкого алюминия и обладает высокой прочностью при хорошей вязкости. Для обеспечения всего комплекса свойств штампы из стали 4Х5МФ1С при закалке нагреваются до высоких температур, обеспечивающих растворение возможно большого количества карбидов и получения после закалки высоколегированного мартенсита. Так как при температуре закалки карбиды полностью не растворяются, сталь сохраняет мелкое зерно. При отпуске твердость дополнительно повышается вследствие вторичного дисперсионного твердения с одновременным снижением пластичности и вязкости. Для получения достаточной вязкости отпуск проводят при повышенных температурах на твердость НЯС45-50, что соответствует трооститной структуре. В таблице 2 дается краткая сравнительная информация по химическому составу и технологическим особенностям термической обработки сталей 5ХНМ и 4Х5МФ1С [1].
Для определения различий между исследуемыми сталями, в таблице 3 приводятся данные по термической обработке штампов из 4Х5МФ1С, используемых данным промышленным предприятием в производстве.
© Л. А. Варинская, И. Н. Лазечный 2006 р.
90
Таблица 2 - Штамповые стали для деформирования в горячем состоянии
Сталь Содержание элементов, % от массы Температуры, °С ШС
С Сг другие закалки отпуска
5ХНМ 0,5-0,6 0,6-0,8 1,4-1,8 N1 0,15-0,3 Мо 830-860 500-580 38-45
4Х5МФ1С 0,37-0,44 4,5-5,5 0,8-1,2 0,8-1,1 V 1,2-1,5 Мо 1060 560-580 50
Таблица 3 - Данные по термической обработке штампа из стали 4Х5МФ1С
№ операции Наименование операции Режим нагревания, температура, продолжительность, Режим охлаждения, температура, продолжительность, среда
2 Отжиг 600 ±10 °С, 2,5 часа 850 ±10 °С, 5 часов 50 °С/час до 450 °С, воздух
5 Закалка 600 ±10 °С, 3,0 часа 50 °С/час до 860 ±10 °С, 3 часа 80 °С/час до 1020 °С - 3 часа Воздух 30 мин до 650 °С 480 °С - 3 часа, масло
6 Отпуск 1 300 °С - 1 час 25 °С/час до 580 °С, выдержка 5 часов Воздух
7 Отпуск 2 560 °С, 4 часа Воздух
Экономическая оценка от замены сталей выполняется посредством расчета положительного эффекта, полученного вследствие улучшения технических характеристик предмета труда - инструмента (из-за увеличения срока службы штампов из 4Х5МФ1С при сравнении со штампами из стали марки 5ХНМ) и "недостатков", вызванных ростом затрат по причинам:
а) повышения содержания легирующих элементов в составе;
б) дополнительной термообработки, например,
высокотемпературной закалки с целью растворения карбидов, и "высоком" отпуске, обеспечивающем структурные изменения и предназначенном для повышения вязкости штампов.
В таблице 4 даны ориентировочные рыночные цены на легирующие добавки и металлы, содержащиеся в рассматриваемых марках сталей.
Укрупненная оценка изменения стоимости тонны стали 4Х5МФ1С по отношению к стали 5ХНМ выполняется с учетом различий в химическом составе
Таблица 4 - Стоимость ферросплавов и никеля по данным ЗАО ПИК (октябрь 2005)
Химический элемент Легирующая добавка в виде Физические единицы массы Цена за физическую единицу, тыс. грн
Никель гранулированный т 75
Хром Феррохром ФХ006 (с содержанием хрома 60 %) т 9
Молибден Ферромолибден ФМо60 (с содержанием молибдена 60 %) т 235
Ванадий Феррованадий ФВд50 (с содержанием ванадия 50 %) т 165
Кремний Ферросилиций ФС75 (с содержанием силиция 75 %) т 5,3
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2006
91
сталей и стоимости сырья для компонентов, содержащихся в них. Коэффициент пересчета стоимости при этом учитывает: а) содержание легирующего компонента в сырье; б) стоимость физической единицы сырья. В рассматриваемом примере коэффициент рассчитывался по хрому и составил:
- для никеля - 75/15 = 5, где 15 = 9/0,6;
- для молибдена - 26,11;
- для ванадия - 22;
- для кремния - 0,47.
Стоимостное соотношение (из расчета на единицу массы хрома) для рассматриваемых сталей с учетом их химического состава и затрат по легирующему сырью укрупненно составит:
- для стали марки 5 ХНМ - 1 + 10+13,0 = 24 эквивалента хрома;
- для стали марки 4Х5МФ1С - 5 +0,5+18+30 = 53,5 эквивалента хрома.
В результате, удорожание тонны стали марки 4Х5МФ1С относительно стоимости тонны стали марки 5ХНМ, можно принять с коэффициентом 2,23.
Рост издержек, связанных с расходом электроэнергии для термообработки стали 4Х5МФ1С, в рассматриваемом случае определится из расчета увеличения длительности и температур термической обработки. Укрупненно, коэффициент удорожания по этой причине составит: 26,5/15,5 = 1,71 относительно роста текущих затрат за потребленную электроэнергию (по сопоставлению длительностей термообработки).
Расчет годового экономического эффекта от производства и использования новых или усовершенствованных предметов труда (материалов, сырья, топлива и др.), а также средств труда, срок службы которых меньше года (инструмент) выполняется по формуле [2]:
Э* =
5,
+ (И1- и 2) - ен • (к 2- К1)
у 2 у 2
- з2
• а
2. (1)
Здесь У1, У2 - использование нового инструмента в расчете на единицу готовой продукции. В рассматриваемом примере использование новых штампов с повышенной работоспособностью на единицу выпускаемой продукции по самым оптимистичным оценкам в 15 раз меньше прежних, а по приблизительным - в 8
раз, поэтому У1 = 8У2;
И1', И2' - затраты на единицу продукции при использовании базового и нового предмета труда, грн. В данном случае И2' = 1,71 И1' через увеличение издержек на энергоресурсы.
К1 ', К2 ' - сопутствующие капиталовложения при использовании инструмета относительно базового и нового варианта в расчете на единицу продукции, грн. Для анализируемого примера такие затраты одинаковые.
З1 и З2 - величина приведенных затрат для определения, как, например в данном случае, технологической себестоимости штампового инструмента в расче-
те на единицу выпускаемой продукции. По причине удорожания стали 4Х5МФ1С З2 = 2,23 З здесь З1 примем по цене за тонну лома легированной стали в пределах 2000 грн.
А2 - программа термообработки штампов в рассматриваемом примере равна 695 тонн.
С учетом указанных дополнений формула 1 преобразуется
Эк =
2000
8 (и1' -1,71И1') 8
- 4460
■695. (2)
Для расчета издержек по расходу электроэнергии необходимо принять к сведению технические данные применяемого для термообработки оборудования, а именно: электрической мощности печей, их производительности, загрузки относительно годового фонда времени роботы участка или цеха и др.
Если предположить, что предназначенное для термообработки оборудование, как правило, работает непрерывно, выполняя при этом запланированный в расчете на год объем работ, определяемый производственной программой, можно рассчитать фонд времени работы оборудования (печей) по обработке штампов. В примере электрическая мощность печи СНО-9.18.6/12 составляет 96 кВт при коэффициенте ее использования 0,75.
Общий расход электрической энергии составит:
695
Ж = Драб •24 • Кп0т • 96 •0,75 • Ксети • — . (3)
Здесь Драб - число рабочих дней в году с учетом праздничных и выходных дней, в среднем составляет около 250 дня;
24 - число рабочих часов в сутках при трехсменном режиме работы;
к - коэффициент, учитывающий потери времени при работе оборудования, принимается 0,90;
к - потери мощности в питающих электросетях, принимается равным 0,95;
695 - годовая программа термообработки штампо-вого инструмента, т;
800 - производственная программа участка термообработки, т.
Подставляя в формулу (3) указанные выше значения, получаем результат:
695
Ж = 250 • 24 • 0,9 • 96 • 0,75 • 0,95--= 320881,5 кВт час.
800
Тариф за текущее потребление электрической энергии зависит от условий договора предприятия с энергетической системой и может определяться видами тарифов (например, одноставочный недифференцированный или одноставочный дифференцированный по зонам времени и т.д.). При одноставочном недифференцированном тарифе стоимость 1 кВт час электри-
ческой энергии можно принять равной 21 коп/кВтчас.
Величину издержек за потребленную электрическую энергию в год рассчитаем, как:
И1 = 320881,5 • 0,21 = 67385,1 грн.
Подставляя в формулу (2) величину издержек за использованную электрическую энергию, определяем окончательный результат экономического эффекта от замены материала для штампового инструмента:
Эк
2000_ 8 + (67385,1-1,71-67385,1)-1 8
Выводы
4460
695 = 3,86 млн. грн.
1. Для повышения технологических характеристик штампового инструмента с большими габаритными размерами целесообразно будет заменить сталь 5ХНМ на сталь 4Х5МФ1С.
2. При расчете годового экономического эффекта сопоставлялись, как положительные факторы, так и недостатки, связанные с удорожанием стоимости более легированного материала и затраты, связанные с
проведением дополнительной термообработки с целью формирования благоприятной структуры штампово-го инструмента.
3. Предполагаемое повышение работоспособности штампового инструмента принималось для рассмотренного примера в минимальных пределах.
4. Годовой экономический эффект от замены сталей на одну тонну термообработанного штампованного инструмента составляет около 6 тыс. грн.
5. Данную методику можно использовать в качестве предварительной оценки технических решений, связанных с ресурсосбережением, например, при замене материалов.
Список литературы
1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. Учебник для вузов. М.: "Металлургия", 1984. - 360 с.
2. Экономика машиностроительного производства. /Под общ. редакцией И.М. Бабука. - М.: Высшая школа, 1980. - 362 с.
Одержано 29.03.2006 р.
Стаття стосуеться проблем ресурсосбережения та оцiнкu доцiльностi замши матерiалу штампового тструменту стcmi марки 5ХНМна сталь марки 4Х5МФС. У статтi подано теоретичне обтрунтування тако'1' замши та виробничi данi щодо ii здiйснення. Оцiнка ефекту eid замши матерiалурозрахована збшьшено, але зурахуванням головних факторiв, що визначаютьрезультат.
The article deals with the resources consumption problem and expediency estimation of the replacement of the stamp tool material of 5XHM steel grade with 4Х5МФС steel grade. Theoretical grounds for such replacement and production data of realization is given. The effect estimation for the replacement of materials is calculated as an approximate value taking into consideration define the result.
УДК 621. 74.002.
Канд. техн. наук О. Н. Хорошилов, д-р техн. наук О. И. Пономаренко
Национальный технический университет "ХПИ", г. Харьков
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГОРИЗОНТАЛЬНОГО НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ
В данной статье рассмотрены вопросы повышения выхода годного при непрерывном литье заготовок из цветных сплавов путем регулирования температуры поверхности заготовки у валков тянущей клети за счет изменения интенсивности вторичного охлаждения. Показана предполагаемая экономическая эффективность при использовании оптимальных технологических параметров процесса непрерывного литья.
Повышение выхода годного была и остается одной из актуальных задач литейного производства. Известно, что способ непрерывного литья заготовок из медных и цветных сплавов обеспечивает 94-96 % выхода годного литья.
В литературных источниках отсутствуют материалы по оптимизации выхода годного процесса непре-
рывного литья при использовании тянущей клети с валками, которая широко применяется как в странах СНГ так и в дальнем зарубежье.
Как свидетельствуют исследования для извлечения заготовки из кристаллизатора необходимо приложить усилие, которое зависит от диаметра заготовки и материала кристаллизатора.
© О. Н. Хорошилов, О. И. Пономаренко 2006 р.
ISSN 1607-6885 Новi мcтерicли i технологи в металургп та мcшинобудувcннi №1, 2006
93
