Использование методики функционального анализа для повышения экологической безопасности процессов порошковой металлургии алюминия Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

УДК 621.762

А.Ю.КЕМ, Л.А.ЖАДЬКО

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДИКИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОЦЕССОВ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ АЛЮМИНИЯ

Показано, что для экологически безопасной реализации процессов порошковой металлургии алюминия необходимо создавать высокопроизводительные технологии, основанные на частично или полностью замкнутых циклах и новых методах подготовки исходных порошков, предусматривающих замену "сухих" способов переработки "мокрыми".

Ключевые слова: моделирование, экологичность, порошки, алюминий, декомпозиция, диаграмма Исикава, кривая Парето, ранжирование.

Введение. Алюминий - один из важнейших материалов современной промышленности. Комплекс физико-механических и специальных, присущих только этому материалу, свойств позволяют применять его в электронной промышленности, приборостроении, авиации, судостроении, гражданском строительстве и др.

Однако при использовании мелкодисперсных алюминиевых порошков возникают экологические риски, которые необходимо дополнительно учитывать. К ним относятся, прежде всего, пожаро- и взрывоопасность, способность накапливаться при попадании в организм человека и др. [1, 2].

При этом данные литературных источников, имеющихся в нашем распоряжении [3-5], позволяют констатировать, что комплексная методика оценки экологических рисков производства изделий из алюминия методами порошковой металлургии и, следовательно, эффективных технологий консолидации, позволяющих минимизировать эти риски, отсутствует. В этой связи разработка специальных технологий предварительной подготовки, прессования и спекания, а также вопросы применения нового класса оборудования для снижения уровня экологической опасности мелкодисперсных порошков алюминия являются, безусловно, актуальной проблемой.

Цель настоящей работы - определение экологически значимых аспектов базового процесса порошковой металлургии и разработка экологически более безопасной, совершенной технологии переработки алюминиевых порошков.

Методика работы. Поскольку получение порошковых изделий из материалов на основе алюминия с использованием технологии прессования мелкодисперсных порошков в стальных пресс-формах по-прежнему является актуальным [6-8], в качестве базового использовали известный процесс [9], предусматривающий введение в состав алюминиевого порошка технологической смазки - стеарата цинка; предварительное прессование порошковой смеси вхолодную; выжигание твердой смазки; повторное прессование и последующее спекание.

Функциональное моделирование базового процесса выполняли согласно рекомендациям [10, 11], с использованием методик АВС-анализа, построения причинно-следственных диаграмм Исикава [12], кривых Парето [13] и ранжирования причин, потенциально могущих привести к возникновению нештатных ситуаций. Для обеспечения экологической без-

опасности технологических переделов разрабатывались корректировочные мероприятия [14, 15]. В качестве основных материалов использовались порошки алюминия марки ПА4 по ГОСТ 6058-73 и стеарат цинка по ТУ 6-09-4262-76.

Результаты и их обсуждение. Системную модель "А-0" базового процесса, информативность которой - "Изготовить изделие из алюминиевого порошка методом ПМ", подвергали двоичной декомпозиции. После первичной декомпозиции системная модель "А-0" описывается следующими моделями: "А1" - приготовить порошковую шихту; "А2" - получить прессовки; "А3"

- произвести удаление технологической смазки; "А4" - произвести прессование (доуплотнение) обезгаженных прессовок; "А5" - получить спеченные заготовки; "А6"- дополнительная обработка (калибрование, термическая/термомеханическая обработка спеченных заготовок).

Декомпозиция моделей позволяет представить их в виде функциональных блоков - подмоделей. Так, например, модель "А1" «Приготовить порошковую шихту» описывается следующими подмоделями: "All" - распаковать емкости с порошками алюминия и других легирующих; "Al2" -распаковать емкость с порошком стеарата цинка; "А13" - произвести отбор порошков в заданном соотношении; "А14" - загрузить смеситель; "А15"

- перемешать; "А16" - выгрузить смесь в раздаточную емкость.

Модель "А2" «Получить прессовки» представлена подмоделями вида: "А21" - засыпать в бункер-накопитель пресса шихту на основе алюминиевого порошка; "А22" - подать шихту с помощью кассеты-питателя в зону прессования (загрузочную полость пресс-формы); "А23" - произвести прессование шихты; "А24" - произвести выталкивание прессовок на склиз приемного лотка.

Перечень штатных и потенциальных экологических аспектов, составленный на основе использования собственных знаний [5, 8-9] и экспертных оценок [16, 17], приведен в табл.1. Результаты выявления важных экологических аспектов, воздействующих на окружающую среду, полученные с использованием критериев "Содержание пыли" алюминия и стеарата цинка в воздушных зонах рабочих мест базового технологического процесса, "Искрообразование" и "Тепловое излучение", а также с привлечением АВС-анализа, представлены в табл.2.

Таблица 1

Перечень аспектов, воздействующих на окружающую среду

Функциональный блок модели Наименование возможного воздействия

Номер Наименование

1 2 3

Штатные экологические аспекты

А13 Произвести отбор порошков Пыль ^/-порошка и смазки

А14 Загрузить смеситель

А15 Перемешать

А16 Выгрузить смесь

А21 Засыпать шихту в бункер-накопитель пресса

А22 Подать шихту в зону прессования

А23 Произвести прессование шихты

А32 Произвести нагрев Тепловое излучение, канцерогенные продукты деструкции технологической смазки

Окончание табл.1

1 2 3

А42 Нанести технологическую смазку Пыль смазки

А43 Выгрузить прессовки

А45 Произвести повторное прессование

А52 Произвести нагрев Тепловое излучение, канцерогенные продукты деструкции технологической смазки

Потенциальные экологические аспекты

А13 Произвести отбор порошков Неконтролируемый выброс порошков алюминия, технологической смазки и канцерогенных продуктов деструкции технологической смазки, сопровождающийся интенсивным тепловым излучением

А14 Загрузить смеситель

А15 Перемешать

А16 Выгрузить смесь

А21 Засыпать шихту в бункер-накопитель пресса

А23 Произвести прессование шихты

А32 Произвести нагрев

А42 Нанести технологическую смазку

Таблица 2

Результаты АВС-анализа

Аспекты Критерии Результат, балл

Концен- трация пыли Ис- крооб- разова- ние Тепловое излучение

А13.Произвести отбор порошков 9 5 1 45

А14.Загрузить смеситель 10 7 2 140

А15.Перемешать 10 7 3 210

А16.Выгрузить смесь 10 8 2 160

А21.Засыпать шихту в бункер-накопитель пресса 9 5 2 90

А22.Подать шихту в зону прессования 5 4 3 60

А23.Произвести прессование шихты 5 3 4 60

А32. Произвести нагрев 1 1 10 10

А42. Нанести на поверхность заготовок порошкообразную технологическую смазку 10 1 1 10

А43. Выгрузить прессовки в бункер-накопитель 9 1 1 9

А45. Произвести повторное прессование 5 3 4 60

А52. Произвести нагрев 1 1 10 10

Примечание: А - особо значимая экологическая проблема, требующая быстрого реагирования; В - проблема, требующая среднесрочных действий; С - не требует действий.

Анализ полученных данных (табл.2) позволяет утверждать, что важными экологически потенциальными аспектами являются: "А14" -загрузить смеситель; "А15" -перемешать; "А16" - выгрузить смесь, имеющие результат АВС соответственно 140, 210 и 160 баллов.

Для анализа важных потенциальных экологических аспектов "А14-А16" строили интегральную причинно-следственную диаграмму (рис.1), на которой все возможные причины классифицируются по прин-

32

ципу четырех "М" (4М): men (человек), machine (машина), material (материал), method (метод), причем каждая из составляющих способна быть источником риска.

Himobeic Мишина

д Ort)TtBHt ЛнгнкСКршЦн и

— Л ІІод шенне

М|]11НН.1 ношении

' (ОШШСГНЙСГИ I -ц-Ж

™Н-Б 11 lt|iv ШСНІ! * ІфіІИ IU!'у j

IL'IL illll [IIJ[II|3 VKIIII I]\ I] Uk |]bl l Mil

E iftt£|)Mtru4HCCrb [іиГні'іні ь'шґр

ЭЦСПЛУЛГДЦНИ

UUU|]>MH)B1LI3I!H

-Ч-Ж Д|І>1І!і: KOHL ipVhTl HUHMO нСдйСтйїКН (їііуіЧБНҐ МХііиКЛИЯ

— И IlLHCl!|]J1BHi>Ll li |ИНГНЛ(|ЦИ«НЫ1

і______*ИСІ**1____________ Воздействие

‘ ИМ ПК|]уЖ2НШД}'К>

( |!(р1Н1»|1ЧЯ ! ¡|Щ|и(‘ I |.‘|№ДУ 1

_в еодершлнщ /Пьнчо^рйдаятб "

МЫ.']('И11111Ы1 I

ф|Шдлн I ^-.1 ГшриийртйшвныИ нирсв

^ГЛспижалямеао- иочричсч* оВорудыщмш

цщве, горктю И I м ОЯра лишние

лгаородние гчйч-лы ! :У1Щ«-р.нч*<!-1ъа

Материал Метод

Рис.1. Интегральная причинно-следственная диаграмма для потенциальных экологических аспектов

Рис.2. Результаты ранжирования причин и кривая Парето для аспекта "А14"-загрузить смеситель

ПрИЧШ Суха (шла Гаи Цнщк

И 1| 1 15 j

£ Г К

В 16 j 13

Ï я 13

I И 4 12

с п } 9

А 6 & 5

Г 6 & 5

д 5 ■ 4

4 $ 1

л 4 Î j

11 4 8 -

Рис.3. Результаты ранжирования причин и кривая Парето для аспекта "А15"-перемешать

Анализ причинно-следственной диаграммы позволяет провести ранжирование причин возможных нештатных ситуаций методом парного сравнения, результаты которого для важных экологически потенциальных аспектов А14 и A15 представлены в виде таблиц и кривых Парето (рис.2, 3) соответственно (заметим, что аспект А16 подобен А14 и потому нами подробно не рассматривается).

Результаты анализа роли человека, машины, материала и метода соответственно в возможности появления нештатных ситуаций представлены в табл.3.

Таблица 3

4M и риск возникновения нештатной ситуации

Экологически важный потенциальный аспект Человек Материал Машина Метод

А Б В Г Д Е Ж З И К Л М

А14.Загрузить смеситель Х Х Х

А15.Перемешать Х Х Х Х

А16.Выгрузить смесь Х Х Х Х

Полученные данные показывают, что общим для всех потенциальных аспектов является склонность исходного порошкообразного материала к пылеобразованию (К) в процессе переработки (метод), что может быть связано с дисперсностью порошка алюминия и технологической смазки (материал), в частности, со сверхнормативным содержанием пылевидных фракций (В). Второй по значимости причиной возможного развития не-

штатной ситуации является негерметичность рабочих камер (Е), относящаяся к блоку «Машина».

Что касается так называемого «человеческого фактора», то он проявляется, по нашим данным, только однажды при реализации аспекта "А15" - перемешать.

Поэтому очевидно, что в качестве корректировочных мероприятий, минимизирующих возможные риски при реализации технологического процесса [18] в разделе «Материал» необходимо использовать жесткий контроль качества сырья, соблюдение регламента проверки документации. В разделе «Машина» - это технические осмотры оборудования, проверка документации, планово-предупредительный, текущий и капитальный ремонты, инструментальный контроль и пр. В разделе «Человек» - это обучение, контроль и организация труда, сводящие к минимуму производственные риски. И, наконец, что согласуется с данными [2, 14, 15], для экологически безопасной реализации раздела «Метод» необходимо создавать высокопроизводительные технологии, основанные на частично или полностью замкнутых циклах и новых методах подготовки исходных порошков, замене «сухих» способов переработки мелкодисперсных порошков «мокрыми».

Заключение. С помощью метода функционального моделирования установлены экологически важные штатные и потенциальные аспекты базового процесса порошковой металлургии алюминия. Показана необходимость разработки способов изготовления изделий из мелкодисперсных порошков алюминия, обеспечивающих повышение экологической безопасности технологического процесса путем снижения пылящей способности при сохранении заданной производительности.

Библиографический список

1. Брахнова И.Т. Краткая характеристика условий труда при современных технологических процессах в порошковой металлургии / И.Т.Брах-нова // Порошковая металлургия. - 1991. - №12. - С. 97-98.

2. Анциферова И.В. Экологические аспекты в порошковой металлургии титана: монография / И.В. Анциферова, Я.И. Вайсман. - М.: ГНУ "НЦ ПМ", 2004. - 128 с.

3. Гопиенко В.Г. Спеченные материалы из алюминиевых порошков /

B.Г.Гопиенко, М.Е.Смагоринский, А.А.Григорьев, А.Д.Беллавин - М.: Металлургия. 1993. - 320 с.

4. Влияние размера частиц алюминия на объемные изменения прессовок из смеси алюминия и меди при жидкофазном спекании / А.П.-Савицкий, О.Б.Афанасьев, Б.Г.Гопиенко и др. // Порошковая металлургия.

- 1986. - № 9. - С. 23-27.

5. КемА.Ю. Технологические особенности порошковой металлургии алюминия / А.Ю.Кем. - М.: ЦНИИ «Электроника», 1990. - 52 с.

6. Состояние и перспективы развития порошковой металлургии алюминия / А. П. Савицкий // Порошковая металлургия. — 1985. — № 10 —

C. 41-50.

7. Методы получения и свойства порошковых алюминиевых материалов / И.Д. Радомысельский, В.А. Довыденков, А.В. Довыденкова, А.И. Клименко // Порошковая металлургия. — 1984. — № 6. — С. 82—84.

8. Кем А.Ю. Специальные методы порошковой металлургии для изделий электронной техники / А.Ю.Кем. - Ростов-н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2006. - 153 с.

9. Зеленский В.И. Изготовление конструкционных деталей НМД методом порошковой металлургии / В.И.Зеленский, А.Ю.Кем, В.В.Иванченко и др. // Электронная техника, сер.7, ТОПО, вып.6(157). - М.: ЦНИИ «Электроника», 1989. - С.33-36.

10. Анциферова И.В. Управление экологическими рисками при получении материалов из титана методом порошковой металлургии: автореф. дис.... д-ра техн. наук: 03.00.16 / ПГТУ. - Пермь, 2004. - 32 с.

11. Р 50.1.028-2001 «Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Методология функционального моделирования. IDEF0. - Введ. 0-07.01. - М.: Изд-во стандартов, 2001. - 56 с.

12. Исикава К. Японские методы управления качеством / К.Исикава. -М.: Экономика, 1988. - 215с.

13. ГнединА.В. Эффективная остановка на Парето-оптимальном варианте / А.В.Гнедин // Автоматика и телемеханика. - 1983. - №3. - С.166-170.

14. Ручкинова О.И. Экологический менеджмент / О.И.Ручкинова, И.В.Анциферова, С.В.Максимова, В.Ю.Петров, К.Норт. / ПГТУ. - Пермь, 2000. - 234 с.

15. Хоружая Т.А. Оценка экологической опасности / Т.А.Хоружая. -М.: Книга-сервис, 2002. - 208 с.

16. Металлические порошки и порошковые материалы: Справочник / Под ред. проф. Ю.В.Левинского - М.: ЭкоМет, 2005. - С.350.

17. Построение экспертных систем / Под ред. Ф.Хейес-Рота, Д.Уо-термена, Д.Лената. - М.: Мир, 1987. - 441 с.

18. ГОСТ Р 51901.4-2005 (МЭК 62198-2001). Менеджмент риска. Руководство по применению при проектировании. - Введ. 01-02.06. - М.: Изд-во стандартов, 2006. - 16 с.

Материал поступил в редакцию 29.05.09.

A.YU.KEM, L.A.ZHADKO

THE USE OF METHODS OF FUNCTIONAL ANALYSIS TO FURTHER ECOLOGICAL SAFETY OF ALUMINIUM METAL POWDER INDUSTRY PROCESSES

Construction of models of technological processes of reception of products from an aluminium powder is spent by a method of powder metallurgy. The technique of revealing of the important ecological aspects influencing environment with use of a technique of the АВС-analysis, the cause and effect diagram me (Ishikawa) is shown, to curve Pareto and rangings of the reasons. The direction of working out of ecologically focused process of processing small is shown Disperse powder of aluminium or mixes on its basis.

КЕМ Александр Юрьевич (р.1949), профессор кафедры «Технология конструкционных материалов» (ТКМ) ДГТУ (2005), доктор технических наук (2004). Окончил РИСХМ (ДГТУ) в 1972 г.

Область научных интересов - процессы порошковой металлургии. Публикации: 2 монографии, 3 брошюры, 3 учебных пособия, 130 научных статей и сообщений, 40 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения.

ЖАДЬКО Людмила Александровна, аспирантка кафедры ТКМ ДГТУ. Окончила ДГТУ (2006).

Область научных интересов - процессы порошковой металлургии и экология.

Публикации: 8 научных статей и сообщений, 1 патент РФ на изобретение. alekem@yandex. ru