CC BY
37
УДК 658.562
C.B. Юдин, д-р техн. наук, проф., (4872) 31-24-38, sviudin@rambler.ru (Россия, Тула, ТФ «РГТЭУ»),
A.Н. Иноземцев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-18-87, zem@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
B.Ю. Анцев, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, 89038402872, anzev@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ).
СТАТИСТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНОГО ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА
Представлены результаты практической реализации систематического мониторинга, регистрации и корректировки состава электролитов при нанесении хромовых покрытии на детали трубопроводной арматуры на основе оригинальной технологии и промышленной установки для регенерации электролита хромирования в ваннах большого объема.
Ключевые слова: статистическое управление процессами, управление качеством, охрана окружающей среды, гальваническое производство.
Современное машиностроительное производство характеризуется постоянным ростом требований к качеству продукции и усложнением задач его обеспечения; постоянной сменой объектов производства и необходимостью сокращения сроков технологической подготовки производства. Производственные задачи усложняются, требования к качеству их решений возрастают, сроки принятия решений сокращаются, поэтому возникает необходимость принятия эффективных решений в минимальные сроки. Чтобы быть конкурентоспособными и вести экономическую деятельность в жестких условиях рыночной экономики, машиностроительные предприятия применяют высокоэффективные и результативные системы качества, так как нельзя рассчитывать на стабильность качества продукции без внедрения системы качества, отвечающей современному уровню организации работ в этой области.
Международные стандарты ИСО серии 9000, сконцентрировавшие мировой опыт управления качеством, включают в систему обеспечения качества, кроме функций управления качеством (проверка продукции, меры корректирующего воздействия и др.), и элементы управления производственным процессом, конструкторским и технологическим проектированием, снабжением, а также другие компоненты, существенно влияющие на качество, независимо от того, к каким сферам деятельности они относятся. В стандартах ИСО серии 9000 в соответствии с идеологией Всеобщего Управления Качеством (TQM) сделан акцент на процессный подход, когда вся деятельность предприятия представляется в виде системы непрерывных и взаимосвязанных процессов. Концепция TQM концентрирует вни-
мание на удовлетворении требований как внешних, так и внутренних потребителей [1] и предусматривает управление качеством продукции через управление качеством процессов, сопровождающих ее производство. Для реализации этого требования необходимо обеспечение бесперебойного и экономичного протекания каждого процесса, гибкости его настройки, соответствующих требованиям выхода процесса.
Немаловажное значение концепция TQM придает качеству протекания так называемых специальных процессов. В стандартах ИСО серии 9000 версии 1994 г. специальные технологические процессы определены как «процессы, которые требуют предварительной квалификации в целях оценки их возможностей».
В развитие этого понятия в ГОСТ Р40.003-2000 «Система сертификации ГОСТ Р. Регистр систем качества. Порядок проведения сертификации систем качества и сертификации производств» дано следующее определение специального процесса: «Специальный процесс - процесс, результаты которого нельзя в полной мере проверить последующим контролем и испытаниями продукции и недостатки которого могут быть выявлены только в ходе использования продукции».
В ГОСТ Р ИСО 9001-2008 «Системы менеджмента качества. Требования» указывается, что «организация должна подтверждать все процессы производства и обслуживания, результаты которых нельзя проверить посредством последовательного мониторинга или измерения». К таким процессам «относятся все процессы, недостатки которых становятся очевидными только после начала использования продукции или предоставления услуги». В ГОСТ Р ИСО 9000-2008 «Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь» поясняется, что процесс, в котором подтверждение соответствия конечной продукции затруднено или экономически нецелесообразно, часто относят к «специальному процессу.
Из сказанного следует, что организация должна уделять особое внимание процессам, классифицированным как специальные, в которых определенные характеристики качества продукции не могут быть полностью проверены на готовом изделии. При этом ограничения в возможностях проверки продукции могут быть связаны со значительными экономическими затратами, необходимостью расходования больших ресурсов при испытаниях (например, при оценке показателей надежности), физической невозможностью проверки параметров, необходимостью специальных профессиональных навыков.
По этим причинам в производстве осуществляются, как правило, непрерывный контроль и управление параметрами специальных процессов, которые должны обеспечивать [2]:
точность и наладку оборудования, применяемого как для производства, так и для измерения продукции;
профессиональную подготовку, навыки и знания операторов, обеспечивающих требуемое качество продукции;
специальную рабочую среду, включая время, температуру, влажность и другие факторы, влияющие на качество продукции;
постоянную регистрацию данных по аттестации персонала, процессов и оборудования.
В качестве возможных условий при определении процессов как специальных могут быть такие обстоятельства, когда:
интересующие нас характеристики появляются только в дальнейшем, на последующих этапах процесса;
необходимого метода измерения не существует или он является разрушающим для продукции;
результаты протекания процесса не могут быть измерены при последующем контроле или испытаниях.
Следует иметь в виду, что некоторые важные показатели продукции, получаемые за счет специальных процессов, могут с течением времени изменяться. Такими показателями, например, являются: сопротивление (на кручение, на изгиб и т. п.);
сопротивление коррозии металла после сварки, пайки, лужения, термической обработки;
растяжение полимеризованной пластмассы.
С учетом вышесказанного к специальным процессам можно отнести, например, производство отливок, сварку, термообработку, нанесение покрытий (металлических, лакокрасочных и др.), склеивание [2]. Среди данных процессов в производстве запорной арматуры для нефте- и газопроводов важное значение имеет процесс нанесения хромовых металлических покрытий.
Хромовые покрытия наносят на детали трубопроводной арматуры в целях защиты ее от коррозии, улучшения товарного вида, улучшения при-рабатываемости, а также восстановления первоначальных размеров после износа. Нанесение хромового покрытия на детали запорной арматуры осуществляют гальваническим способом.
Гальванический способ заключается в электролитическом осаждении металлов на поверхность металлических и неметаллических изделий с образованием металлических пленок толщиной от долей микрометра до десятых долей миллиметра. При этом происходит кристаллизация металлов из водных растворов их солей при прохождении постоянного электрического тока.
Объемы и периодичность выборки деталей для контроля устанавливаются в каждом отдельном случае техническими требованиями на приемку деталей.
Проверку качества нанесенного слоя производят [2]: осмотром внешнего вида;
испытанием коррозионной стойкости; испытанием механических свойств; определением пористости и толщины.
В процессе работы электролитов и растворов происходят изменение концентрации основных компонентов и накопление в них вредных компонентов в виде ионов металлов, продуктов разложения блескообразова-телей и других органических загрязнений, пыли и прочих взвешенных частиц [3]. Поэтому для обеспечения соответствия процессов нанесения металлопокрытий требованиям технологического процесса необходимы систематические мониторинг и регистрация состава электролитов и при необходимости его корректировка. Задачей контроля является наблюдение за содержанием в электролите основных компонентов и накоплением в нем вредных веществ. Для обеспечения стабильности выполнения процессов нанесения хромовых покрытий процедуры контроля состава электролитов и его корректировка отражаются в рабочих инструкциях. Опосредо-ванность контроля качества нанесения металлопокрытий позволяет отнести данный процесс к категории специальных.
Современная унифицированная технология регенерации электролитов и металлов в гальванотехнике должна предусматривать [3]:
максимально быстрое и стопроцентное извлечение ценных компонентов;
получение в качестве конечного продукта регенерации концентрированных растворов извлекаемых металлов, пригодных для повторного использования в гальванотехнике;
применение высокопроизводительного оборудования, отвечающего требованиям современного производства и встроенного в состав гальванических автоматизированных линий;
включение регенерации в технологический процесс с целью создания безотходной технологии.
Целью регенерации концентрированных отработанных растворов являются:
предотвращение залповых сбросов, нарушающих режим работы локальных очистных сооружений предприятий и способствующих попаданию высоких концентраций вредных веществ в коллекторы городской канализации или в водоемы;
снижение безвозвратных потерь ценных компонентов путем их селективного выделения и вторичного использования, а также капитальных и эксплуатационных затрат на водоочистку, поскольку удельные затраты на обработку эквивалентного количества, загрязняющих веществ в концентрированном виде значительно меньше, чем в разбавленном состоянии при обработке в сточных водах.
Регенерация восстанавливает работоспособность раствора благодаря выделению мешающих примесей. При непрерывной регенерации, когда
рабочий раствор циркулирует и системе «основная ванна - регенерирующая установка», срок службы раствора увеличивается и значительно сокращается количество химикатов, идущих на корректировку и приготовление свежего рабочего раствора с одновременным обеспечением высокого качества гальванопокрытий.
С целью повышения качества покрытий на деталях запорной арматуры для нефте- и газопроводов для ЗАО «Тяжпромарматура» (г. Алексин Тульской обл.), выпускающего широкую номенклатуру трубопроводной арматуры, разработаны технология и промышленная установка для регенерации электролита хромирования в ваннах большого объема, реализующая следующую технологию удаления из электролита ионов тяжелых металлов. В отработанный сульфатный электролит хромирования при температуре 40.. .50 °С и перемешивании добавляют смесь ферроцианидов и фосфатов щелочно-земельных металлов до величины рН=1,2...1,4. При этом ферроцианиды и фосфаты Бе3+, Си2+, 7п2+, Мп2+ выпадают в осадок, а ионы Сг3+ и Сг6+ остаются в растворе, так как выпадение фосфатов трехвалентного хрома начинается только при рН=3,6...3,8. При температурах 20.40 °С образование осадка протекает в течение 3,5.2 ч, а при температурах выше 50 °С происходит интенсивное испарение электролита. После осаждения ферроцианидов и фосфатов примесей и отделения электролита хромирования от осадка, в нем остаются катионы щелочно-земельного металла, и электролит в этом виде нельзя использовать для процесса хромирования. Поэтому сначала добавлением серной кислоты доводят концентрацию сульфат ионов до величины 1/100 по отношению к концентрации Сг03 (концентрация выражена в г/л). При этом ионы щелочно-земельного металла (например, Са2+, Ва2+ или Бг2+) связываются сульфат ионом в труднорастворимые соединения и из раствора переходят в осадок (СаБ04, ВаБ04, 8гБ04). Таким образом, даже при многократной очистке электролита хромирования содержание в нем ионов щелочно-земельного металла не превышает 4-10 г/л, что не влияет на рабочие свойства электролита. После повторного отделения осадка от электролита хромирования в нем корректируют содержание ионов трехвалентного хрома. Избыточное количество Сг3+ можно уменьшить путем электролиза при возможно более высокой температуре (около 80 °С) с очень маленькой поверхностью катода и поверхностью анодов, превышающих поверхность катодов в 20 - 30 раз. Материалом анодов является свинец, на поверхности которого облегчен процесс окисления трехвалентного хрома в шестивалентный. В процессе электролиза на поверхности анодов образуется темно-коричневая пленка
3+
пероксида свинца (РЬ02), которая катализирует окисление Сг до хромовой кислоты.
Опыты по регенерации в лабораторных условиях проводились следующим образом: 1 литр отработанного хромового электролита (состав отработанного электролита из накопительной емкости: Сг03 - 246 г/л,
Сг203 - 23 г/л, БО42- - 2,2 г/л, Бе3+ - 20 г/л) помещают в реактор емкостью 2 лп нагревают до температуры 50 °С. При перемешивании вносят 70 г Са2[Ре(СК)б] и Са3(РО4)2 в весовом отношении 1:1, перемешивают в течение 1...1,5 ч при 50 °С для более полного образования и созревания плотного осадка, который затем отделяют от раствора фильтром Шотта №1. Кислотность отфильтрованного раствора рН=1,31, остаточное содержание Бе3+ равно 0,15 г/л. К отфильтрованному раствору электролита при нормальной температуре и перемешивании добавляют серную кислоту (плот-3
ность 1,28 г/см ) до значения рН=0,25. В электролите образуется осадок сульфата кальция, который отделяют от раствора фильтром Шотта №1. Содержание в отфильтрованной части раствора Сг03 - 220 г/л, Сг203 -16,7 г/л, БО42- - 2,2 г/л, Бе3+- 0,15 г/л, т. е. отношение весовых концентраций Сг03:Н2804 в растворе составило 100:1. Электролит хромирования наливают в электролизер с анодами из свинца и катодом из железа (отношение площадей поверхности анода и катода 25:1), нагревают до 80 °С и прорабатывают при анодной плотности тока 3 А/дм в течение 2 часов. Содержание трехвалентного хрома в электролите уменьшается до 3,5 г/л и составляет 1,6 % от количества Сг03.
Таким образом, очистка сульфатного электролита хромирования от металлов-примесей позволяет вернуть его обратно в технологический процесс, т. е. регенерировать. Хромирование стальных образцов деталей запорной арматуры в ячейке Хулла показало, что электролит полностью восстанавливает свои рабочие свойства.
Для практической реализации предложенного метода удаления ионов тяжелых металлов из электролита хромирования разработана оригинальная технологическая схема очистки отработанного электролита. Принципиальная схема установки для удаления ионов железа из электролита хромирования показана на рис. 1. Основными узлами установки являются: 1 - реактор; 2 - мешалка; 3 - электродвигатель; 4 - ёмкость для серной кислоты; 5 - смеситель для приготовления суспензии твёрдого реагента; б - нутч-фильтр; 7 - фильтрующий материал; 8 - промежуточная ёмкость; 9 - вакуум-насос; 10-17 - запорная арматура.
Установка работает в периодическом режиме. При закрытых кранах 10-17 в реактор 1 подают отработанный электролит хромирования (содержание ионов железа более 15 г/л) из ванны или накопительной ёмкости в
33
количестве 4 м . Смеситель 5 на 1/2 объёма заполняют водой (0,5 м ), затем при перемешивании в него засыпают расчётное количество твёрдого реагента (ортофосфата кальция или бария). Последовательно включают мешалку 2 реактора 1 и открывают кран 10 для подачи суспензии твёрдого реагента из смесителя 5. Кран 10 закрывают, и смеситель 5 на 1/4 объёма (0,25 м ) заполняют водой. Перемешивание реактора 1 прекращают (выключается мешалка 2) после завершения процесса связывания ионов железа в труднорастворимые кристаллические или аморфные осадки. О пре-
кращении процесса очистки судят по показаниям рН-метра-милливольтметра (датчиками являются стеклянный и платиновый электроды).
Рис. 1. Принципиальная схема установки для удаления ионов железа из отработанного электролита хромирования
Процесс удаления ионов железа заканчивается, когда кислотность реакционной смеси достигает рН=1,2... 1,4, а потенциал платинового электрода снижается на 0,3.0,35 В от первоначального значения.
Далее открывают краны 14 и 16 и включают вакуум-насос 9, после чего открывают кран 12 для равномерной подачи суспензии из реактора 1 в нутч-фильтр 6. Если в установке применяется нутч-фильтр открытого типа (соединяется с атмосферой), то скорость подачи суспензии не должна превышать скорость фильтрации.
После окончания процесса фильтрования открывают кран 10 и промывают осадок водой, затем вакуум-насос 9 выключают и закрывают краны 12, 14, 16. Кран 10 закрывают, и смеситель 5 на 1/4 объёма (0,25 м ) заполняют водой. Фильтрат собирают в промежуточную ёмкость 8, а промытый осадок удаляют с поверхности фильтрующего материала 7 и отправляют на утилизацию. Открывают краны 13 и 17 и производят передав-ливание сжатым воздухом фильтрата из промежуточной ёмкости 8 в реактор 1, после чего краны 13 и 17 закрывают. В ёмкость 4 наливают расчётное количество серной кислоты (в зависимости от концентрации и кислотности фильтрата). Включают мешалку 2 и открывают кран 11 для подачи серной кислоты в реактор 1. Об окончании выпадения осадка сульфата кальция судят по показаниям рН-метра-милливольтметра (датчиком является стеклянный электрод).
Добавление серной кислоты заканчивается, когда кислотность реакционной смеси достигает рН=0. 0,25. Мешалку 2 реактора 1 выключают и дают возможность осадку отстояться в течение 30.40 мин. После этого открывают краны 15, 16 и включают вакуум-насос 9, в результате чего часть очищенного электролита над осадком сливают в промежуточную ёмкость 8. Закрывают кран 15 и открывают краны 14 и 12 для отделения остального электролита от осадка. После окончания процесса фильтрования открывают кран 10 и промывают осадок водой, затем вакуум-насос 9 выключают и закрывают краны 10, 12, 14, 16. Промытый осадок сульфата кальция удаляют с поверхности фильтрующего материала 7 и отправляют на утилизацию. Очищенный электролит из промежуточной ёмкости 8 возвращают в процесс хромирования.
С целью организации систематического мониторинга и регистрации состава электролита и при необходимости его корректировки разработана информационная технология разработки и заполнения контрольных карт (рис. 2).
Применение разработанной информационной технологии позволяет по результатам контроля в процессе нанесения гальванических покрытий оценить состояние электролита хромирования и предотвратить выход значений параметров контролируемого электролита за границы поля допуска, а также повысить оперативность принимаемых решений относительно корректировки состава электролита в процессе производства.
Рис. 2. Мониторинг качества электролита хромирования
Представленная методология мониторинга, регистрации состава и корректировки электролита и разработанное программное обеспечение практически использованы при управлении качеством нанесения хромовых покрытий на детали запорной арматуры для нефте- и газопроводов в производственных условиях ЗАО «Тяжпромарматура».
Список литературы
1. Всеобщее управление качеством: учебник для вузов / О.П. Глудкин [и др.]; под ред. О.П. Глудкина. М.: Радио и связь, 1999. 600 с.
2. Краевский Э.А., Скрипко В.П., Горбачев A.A. Процессы жизненного цикла продукции в системах менеджмента качества. Специальные технологические процессы // Надежность и сертификация оборудования для нефти и газа. № 2. 2003. С. 22-30.
3. Гибкие автоматизированные гальванические линии: справочник / В.Л. Зубченко [и др.]; под общ. ред. В.Л. Зубченко. М.: Машиностроение, 1989. 672 с.
S.V. Judin, A.N. Inozemtsev, A.V. Antsev
STATISTICAL QUALITY MANAGEMENT OF ENVIRONMENTALLY DANGER PRODUCTION PROCESS
The results of practical realization of systematic monitoring, logging and adjustment of electrolyte's compaund when a chrome coating of pipeline valve's parts applied, based on original technology and production unit of regeneration of electrolyte for chrome coating in high volume baths, are represented.
Key words: statistical management of process, quality management, environmental protection, galvanic manufacturing.
Получено 15.12.11
