CC BY
12
УДК [502.132:621.74]:620.179.152.1
УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЙ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕНТГЕНОВСКОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ
ТОМОГРАФИИ
В.Н. Самочкин, В.И. Барахов, Л.А. Васин, В.А. Курский
Исследованы экологические проблемы литейного производства. На примере литья цилиндра дизельного двигателя в АК «Туламашзавод» приведены данные по содержанию вредных веществ в воздухе. Предложен метод улучшения экологических параметров литья, основанный на существенном снижении брака литейного производства при применении рентгеновской вычислительной томографии. Показана экономическая эффективность применения новой технологии.
Ключевые слова: литейное производство, технологии литья, рентгеновская вычислительная томография, экологические последствия, экономическая эффективность.
Литейное производство характеризуется наличием таких технологических операций, в результате которых образуются пыль, различные газы и аэрозоли. Источниками загрязнений являются также формовочные смеси в процессе их приготовления и регенерации; жидкий металл при плавке, выпуске из печей и различных плавильных агрегатов и заливке в формы; сами отливки в процессе искусственного старения в термошкафах для снятия остаточных напряжений, при удалении с них облоя и очистке; литьевые формы при заливке жидкого металла (к примеру, при литье чугуна в корочки выгорает фенольная смола, которая входит в состав плакированных смесей) и др. [1-3].
При производстве одной тонны отливок из стали и чугуна выделяется около 50 кг пыли, 250 кг оксидов углерода, 1,5 - 2 кг оксидов серы и азота, до 1,5 кг других вредных веществ (фенола, формальдегида, ароматических углеводородов, аммиака, цианидов). В водный бассейн сливается до 3 м сточных вод и вывозится в отвалы до 6 тонн отработанных формовочных смесей. В атмосферу поступает более 70 % всех вредных воздействий литейного производства [4].
В АК «Туламашзавод» специалисты литейного производства разработали один из возможных путей улучшения экологической обстановки за счет существенного сокращения брака при отработке технологии литья с применением рентгеновской вычислительной томографии. На примере литья заготовки чугунного цилиндра дизельного двигателя покажем эффективность предлагаемого метода. Заготовки цилиндра бракуются после литья в металлургическом производстве (в среднем 25 %), в цехе при меха-
нической обработке у них обнаруживаются недопустимые внутренние дефекты (в среднем 13 %) и готовые цилиндры бракуются при испытаниях с рабочими нагрузками по причине заклинивания (в среднем 11 %). В итоге средний процент брака по цилиндрам составляет около 50 %. Такое же положение наблюдается и по другим видам литья. Из протоколов проведения исследований (испытаний) и измерений химического фактора аэрозолей преимущественно фиброгенного действия можно заключить, что в помещениях металлургического производства в воздухе содержатся: диоксид углерода, оксид углерода, формальдегид, оксиды азота, неорганическая пыль (до 70 % БЮ 2, гранита, шамота, слюды-сырца, углеродной пыли и др.), железа, триоксида железа, диоксида кремния. При литье без брака содержание вредных веществ в воздухе сократится в 1,5 раза, поскольку во столько же раз сократятся объемы литейного производства.
Для применения рентгеновской вычислительной томографии с целью сокращения брака при литье цилиндров для дизельных двигателей вначале было проведено сравнение двух возможных методов литья: в корочки и центробежного литья.
Результаты обработки матриц плотностей элементарных ячеек для двух сравниваемых вариантов приведены в табл. 1
Таблица 1
Характеристики плотности элементарных ячеек для заготовок, полученных литьем в корочки и центробежным литьем
Метод изготовления заготовки Сечения Плотность, г/см3
Минимальная Максимальная Средняя Диапазон изменения
Литье в корочки 1 6,893 7,457 7,248 0,564
2 6,90 7,456 7,249 0,557
3 6,862 7,460 7,245 0,598
Центробежное литье 1 6,812 7,450 7,196 0,638
2 6,783 7,320 7,106 0,537
3 6,782 7,41 7,189 0,628
Как видно из табл. 1 у заготовки, полученной центробежным литьем, диапазон изменения плотности элементарных ячеек по сечениям (по высоте заготовки) существенно различен (от 0.537 до 0,638 г/см ) из-за значительного колебания максимальных значений
(от 7,32 до 7,45 г/см3).
Такое распределение плотностей может приводить к недопустимым внутренним напряжениям в чугуне и за счет них к короблению готовых ци-
линдров после их изготовления. Диапазон изменения плотности по сечениям у заготовки, полученной литьем в корочки, существенно ниже (от 0,557 до 0,598 г/см ). По
результатам проведенных томографических исследований было сделано заключение, что на сегодняшний день более предпочтительным является изготовление заготовки цилиндра дизельного двигателя литьем в корочки. Поэтому было решено производить на основе томографии совершенствование технологии литья в корочки.
Одним из направлений этой работы стал выбор плакированной смеси для литья чугуна с минимальным диапазоном изменения долевого компонентного состава с целью минимизации неоднородности распределения плотности по поперечным сечениям литьевой формы. Исследовались три плакированные смеси: первая - В20-4235С, вторая - БР15-40450, третья -смесь АК «Туламашзавод» на основе кварцевого песка и пульвербакелита. Первые две смеси производятся концерном «СИБЕЛКО», расположенном в Швеции.
Выбор лучшей смеси осуществляется на основе метода, также включающего применение рентгеновской вычислительной томографии. Сущность метода заключается в сканировании и измерении интенсивности фотонов рентгеновского излучения после прохождения через каждую исследуемую смесь, насыпанную в рентгенопрозрачную тару на нескольких режимах фиксированного сечения. При этом результаты измерения детекторами прошедшего через смесь рентгеновского излучения будут зависеть от ее состава в каждой элементарной ячейке сканируемого сечения.
Поскольку состав каждой из смесей можно характеризовать тремя компонентами: кварцевый песок, связующее на основе фенольной смолы с добавками и воздух в порах, то сканировать на томографе фиксированное сечение для каждой смеси необходимо на двух уровнях энергии рентгеновского излучения. Обработка полученных матриц плотностей элементарных ячеек позволяет определить лучшую по однородности смесь. С применением такой смеси наиболее вероятно получение литьевой формы с минимальной неоднородностью распределения плотности по ее внутренней структуре и при литье иметь процесс кристаллизации чугуна, позволяющий получить заготовку цилиндра с приемлемым распределением неоднородности плотности элементарных ячеек.
Для трех исследуемых плакированных смесей, указанных выше, томограммы сечений приведены на рис. 1. Обработка данных матриц плотностей позволили определить интервалы изменения плотности элементарных ячеек для: смеси Ь20-4235е - 170 кг/м , смеси sp15-4045g -0,225 кг/м3, смеси АК - 110 кг/м3.
Результаты обработки показали, что самой однородной оказалась смесь АК «Туламашзавод». Поэтому она была рекомендована к использованию, что позволило значительно снизить расходы на литье заготовок цилиндров.
С применением рентгеновской вычислительной томографии определена также основная причина заклинивания цилиндров дизельных двигателей. Ею стала неоднородность распределения плотности и ее разброс по внутренней структуре чугуна цилиндра заготовок. На рис. 2 приведена томограмма поперечного сечения (1), находящегося при работе двигателя в зоне самых высоких давлений и температур, заклинившего цилиндра, показывающая распределения по нему малых плотностей элементарных ячеек. Как видно из томограммы, чугун цилиндра имеет существенную неоднородность распределения плотности поперечным сечениям [5, 6].
Ь20-4235е sp15-4045g Смесь АК
Рис. 1. Томограммы сечений сравниваемых смесей
Рис. 2. Томограмма сечения (1) заклинившего цилиндра для интервала малых плотностей (от 7000 до 7250 кг/м )
Показателями, характеризующими деформации цилиндра во время его работы, являются: модуль упругости, коэффициент линейного расширения чугуна, коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость.
36
Эти физико-механические характеристики являются функциями плотности чугуна. Для них определены соответствующие корреляционные зависимости. При этом модуль упругости, коэффициент линейного расширения чугуна зависят еще и от температуры, изменяющейся во времени по толщине стенки цилиндра.
В результате исследования внутренней структуры материала чугунного цилиндра, у которого каждая элементарная ячейка внутренней структуры материала имеет свой модуль упругости, коэффициент линейного расширения, коэффициент теплопроводности, удельную теплопроводность, было выявлено, что распределение указанных показателей по внутренней структуре материала полностью повторяет распределение плотности. Поэтому разная плотность внутренней структуры чугуна цилиндра приводит к несимметричным деформациям стенок (короблению) цилиндра при действии внутреннего давления и температуры, что и является основной причиной заклинивания дизельного двигателя.
В результате часть готовых цилиндров (более 10 %) при испытаниях с рабочими нагрузками имеют коробление, превышающее микронные зазоры между стенками поршня и цилиндра, и заклинивают. Для устранения заклинивания необходимо иметь заготовки цилиндра с минимальными диапазонами изменения плотности и неоднородности ее распределения по структуре чугуна.
Третьим направлением применения рентгеновской вычислительной томографии стала отбраковка литьевых форм путем томографирования их поперечных сечений и обработки полученных матриц плотностей элементарных ячеек, что позволяет получить сокращение брака литья. Однако здесь необходима исследовательская работа по определению граничных значений неоднородности распределения плотности в поперечных сечениях форм, которые позволят исключить формы, формирующие брачные цилиндры [5, 7, 8 ].
Следующим направлением совершенствования технологии литья заготовок на основе рентгеновской вычислительной томографии является получение литьевой формы с приемлемой неоднородностью распределения плотности элементарных ячеек по поперечным сечениям, что также позволит снизить брак литейного производства.
В целом снижение брака литейного производства будет осуществляться за счет:
сокращения объема жидкого металла при плавке, выпуске из плавильного агрегата и заливке в формы (на 70 %);
сокращения объема приготовления формовочной смеси (на 15 %);
снижения трудоемкости изготовления готовых цилиндров в механическом цехе (на 5 %);
отбраковки литьевых форм, формирующих брачные цилиндры (на
Совершенствование и оптимизация параметров технологии заготовок с применением рентгеновской томографии позволят ликвидировать брак и таким образом сократить вредные выбросы в атмосферу, водные источники и почву. В табл. 2 приведены объемы их снижения, исходя из программы выпуска цилиндров дизельных двигателей в АК «Туламашзавод» с учетом суммарной массы заготовок литья в 13,4 тонны, включая массу брачных заготовок в 4,5 тонны на 2018 год.
Таблица 2
Снижение вредных выбросов, возникающих при литье заготовок цилиндров дизельных двигателей, за счет применения рентгеновской
томографии
Виды вредных выбросов Единицы измерения Годы
2018 2019 2020
1. Пыль кг 225,0 275,0 345,0
2. Оксиды углерода кг 1125,0 1375,0 1725,0
3. Оксиды серы и азота кг 9,0 11,0 13,8
4. Фенол, формальдегид, ароматические углеводороды, аммиак, цианиды кг 6,8 8,3 19,4
5. Сточные воды куб. м. 13,5 16,5 20,7
6. Отработанные формовочные смеси тонны 27,0 33,0 41,4
Зная фактические величины снижения брака по всем циклам технологического процесса изготовления заготовок и цилиндра, не представляет труда определить показатели экономической эффективности по общепринятым методикам [9, 10]. Экономический эффект от снижения брака на программу выпуска дизельных двигателей 2018 года составит 5,47 млн руб.
Таким образом, на примере чугунного цилиндра дизельного двигателя предложен метод улучшения экологических параметров и повышения экономической эффективности литейного производства, основанный на существенном сокращении брака за счет совершенствования и оптимизации технологических параметров литья при применении рентгеновской вычислительной томографии.
Разработка инвестиционных проектов такого рода на крупных машиностроительных предприятиях тульского региона отражает складывающиеся в процессе подъема отечественной промышленности современные тенденции реструктуризации региональных рынков инвестицонных проектов в старых промышленных центрах России [11]. Они заключаются в переходе от проектов торговой направленности к современным проектам ре-
38
ального сектора экономики, основанным на прогрессивных технических решениях и учитывающим не только коммерческую эффективность, но и соблюдение экологических требований. Это позволяет надеяться на практическую реализацию стратегии экологической безопасности Российской Федерации.
Список литературы
1. Экология литейного производства / А.Н. Болдина [и др.] // под ред. А.Н. Болдина. Брянск: Изд-во БГТУ, 2001. 315с.
2. Инженерная экология литейного производства / А.Н. Болдина [и др.] // под общ. ред. А.Н. Болдина. М.: Машиностроение, 2010. 352с.
3. Колтыгин А.В. Экологические проблемы литейного производства. М.: МИСиС, 2003. 99с.
4. Кривицкий В.С. Экологические проблемы литейного производства и пути их развития // Литейное производство. 1998. № 1. С. 10 - 12.
5. Дронов Е.А., Барахов В.И., Самочкин В.Н. Рентгеновская томография при отработке изготовления изделий машиностроения // Технология машиностроения. 2016. № 2. С. 41 - 45.
6. Дронов Е.А., Барахов В.И., Самочкин В.Н. Применение рентгеновской вычислительной томорафии для определения причины заклинивания цилиндра дизельного двигателя // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 12. Ч. 2. С. 39 - 47.
7. Дронов Е.А., Барахов В.И., Самочкин В.Н. Основная дефектность внутренней структуры чугунных цилиндров дизельных двигателей, определенная с применением рентгеновской вычислительной томографии // Технология машиностроения. 2018. № 9. С. 44 - 48.
8. Дронов Е.А., Барахов В.И., Самочкин В.Н. Исследование разноплотности внутренней структуры чугунного цилиндра дизельного двигателя на этапе НИОКР с применением рентгеновского вычислительного томографа ВТ-600ХА «ПРОМИНТРО» // Технология машиностроения. 2016. № 6. С. 5 - 10.
9. Дронов Е.А., Барахов В.И., Самочкин В.Н. Один из подходов к оценке эффективности применения рентгеновской томографии для повышения качества цилиндра дизельного двигателя // Известия Тульского государственного университета. Экономические и юридические науки. Вып. 2. Ч.1. 2018. С. 102 - 110.
10. Савченко Ю.В., Савченко О.В. Эколого-экономическая оценка литейного производства [Электронный ресурс]. URL: be5.biz / ekonomika!/r 2009/ 2 358.htm.
11. Сычева И.В., Панферова М.О. Исследование тенденций развития рынка инвестиционных проектов Тульской области // Сб. науч. тр. междунар. конф. «Актуальные проблемы экономической науки» / под ред. А.Л. Сабининой, С.Н. Смирновой, Р.Ю. Болдыревой. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017.С. 175-177.
Самочкин Владимир Николаевич, д.э.н, проф., испол. директор, samochkinatulamash. ru, Россия, Тула, ПО «Туламашзавод»,
Барахов Владимир Иванович, канд. техн. наук, гл. спец., potmz2@tulamash.ru, Россия, Тула, ПО «Туламашзавод»,
Васин Леонид Александрович, д-р техн. наук, проф., vasin-la@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Курский Виктор Алексеевич, д-р экон. наук, проф., kurskiy44@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
IMPROVEMENT OF ECOLOGICAL AND ECONOMICAL PARAMETERS OF FOUNDRY TECHNOLOGY A T THE BASIS OF COMPUTA TIONAL X-RAY CALCULATION
TOMOGRAPHY
V.N. Samochkin, V.I. Barakhov, L.A. Vasin, V.A. Kurskiy
Described herein are environmental problems caused by foundry production. Diesel engine cylinder casting practice employed by TULAMASHZA VOD JSC was taken as an example to give data of hazardous substances content in the air. Submitted method of improvement in foundry environmental issues is based on substantial reduction of rejects in casting techniques due to use of computational X-ray tomography. Production efficiency due to reduced rejects is shown.
Key words: foundry production, foundry technology, computational X-ray tomography, environment, economical efficiency.
Samochkin Vladimir Nikolayevich, Doctor of Economical Science, Professor, samochkin@tulamash. ru, Russia, Tula, Tulamashzavod Production Association Ltd,
Barakhov Vladimir Ivanovich, candidate of technical sciences, professor, potmz2@, tulamash.ru, Russia, Tula, Tulamashzavod Production Association Ltd,
Vasin Leonid Alexandrovich, Doctor of Economical Science, Professor, vasinla@, yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Kurskiy Victor Alexeevich, Doctor of Economical Science, Professor, kurskiy44@, mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
Reference
1. Jekologija litejnogo proizvodstva / A.N. Boldina [i dr.] // pod red. A.N. Boldina. Brjansk: Izd-vo BGTU, 2001. 315s.
2. Inzhenernaja jekologija litejnogo proizvodstva / A.N. Boldina [i dr.] // pod obshh. red. A.N. Boldina. M.: Mashinostroenie, 2010. 352s.
3. Koltygin A.V. Jekologicheskie problemy litejnogo proizvodstva. M.: MISiS, 2003. 99s.
4. Krivickij V.S. Jekologicheskie problemy litejnogo proizvodstva i puti ih razvitija // Litejnoe proizvodstvo. 1998. № 1. S. 10 - 12.
5. Dronov E.A., Barahov V.I., Samochkin V.N. Rentgenovskaja tomografija pri otrabotke izgotovlenija izdelij mashinostroenija // Tehnologija mashinostroenija. 2016. № 2. S. 41 - 45.
6. Dronov E.A., Barahov V.I., Samochkin V.N. Primenenie rentgenovskoj vychislit-el'noj tomorafii dlja opredelenija prichiny zaklinivanija cilindra dizel'nogo dvigatelja // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. 2016. Vyp. 12. Ch. 2. S. 39 - 47.
7. Dronov E.A., Barahov V.I., Samochkin V.N. Osnovnaja defektnost' vnutrennej struktury chugunnyh cilindrov dizel'nyh dvigatelej, opredelennaja s primeneniem rentgenovskoj vychislitel'noj tomografii // Tehnologija mashinostroenija. 2018. № 9. S. 44 - 48.
8. Dronov E.A., Barahov V.I., Samochkin V.N. Issledovanie raznoplotnosti vnutrennej struktury chugunnogo cilindra dizel'nogo dvigatelja na jetape NIOKR s primeneniem rentgenovskogo vychislitel'nogo tomografa VT-600HA «PROMINTRO» // Tehnologija mashinostroenija. 2016. № 6. S. 5 - 10.
9. Dronov E.A., Barahov V.I., Samochkin V.N. Odin iz podhodov k ocenke jeffek-tivnosti primenenija rentgenovskoj tomografii dlja povyshenija kachestva cilindra dizel'nogo dvigatelja // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Jekonomicheskie i juridiches-kie nauki. Vyp. 2. Ch.1. 2018. S. 102 - 110.
10. Savchenko Ju.V., Savchenko O.V. Jekologo-jekonomicheskaja ocenka litejnogo proizvodstva [Jelektronnyj resurs]. URL: be5.biz / ekonomika1/r 2009/ 2358.htm.
11. Sycheva I.V., Panferova M.O. Issledovanie tendencij razvitija rynka investi-cionnyh proektov Tul'skoj oblasti // Sb. nauch. tr. mezhdunar. konf. «Aktual'nye problemy jekonomicheskoj nauki» / pod red. A.L. Sabininoj, S.N. Smirnovoj, R.Ju. Boldyrevoj. Tula: Izd-vo TulGU, 2017. S. 175-177.
