Литейное производство 2010 № 11 ноябрь

Подождите немного. Документ загружается.

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №11/2010

рганизация производства

Рис. 2. Диаграмма Парето по видам несоответствий поршней: 1 – газовая рако-

вина, 2 – шлаковая раковина, 3 – спай, 4 – усадочная раковина, 5 – смещение

вставки, 6 – прочие, 7 – кривая Лоренца

ражающая мнение специалистов о

степени влияния выделенных в мат-

рице групп причинных факторов на

появление несоответствий отливок

поршней с нирезистовой вставкой.

Ранжирование групп причинных

факторов проводится в зависимости

от их значимости (согласно данным

табл. 3), при этом наиболее значи-

мой группе присваивается ранг R =

1, а наименее значимой – послед-

ний ранг, равный по абсолютной

величине числу ранжируемых групп

факторов. Коэффициент конкорда-

ции (согласованности) рассчитыва-

ют с применением дополнительной

табл. 4, позволяющей преобразо-

Таблица 4

№ п/п

Ранг группы факторов, проставленный экспертом

Сумма рангов

по группе R

– R)(R

– R)

I II III IV V VI

143312 14 -4 16

312433 16 -2 4

234244 19 1 1

421121 11 -7 49

555555 30 12 144

Итого

––––––

R = 18

– d = ∑(R

– R)

= 214

Примечание. 1…5 – по табл. 3

вать данные табл. 3 и произвести

необходимые вычисления.

Рассчитанный коэффициент кон-

кордации мнений экспертов оказал-

ся равным 0,6, что свидетельствует

о слабо выраженной рассогласован-

ности мнений экспертов, поэтому

достоверность экспертизы должна

быть оценена по критерию согласия

Пирсона х

, который подчиняется

распределению с числом свободы

(р – 1).

Расчетный критерий согласия

Пирсона х

определяется из выра-

жения:

= m(p – 1)W,

где m – число экспертов; р – ко-

личество рассматриваемых групп

факторов; W – коэффициент кон-

кордации.

= 6⋅(5 – 1)⋅0,6 = 14,4

Полученный критерий необходи-

мо сравнить с табличным х

, кото-

рый, для уровня значимости 0,05 и

принятого числа степеней свободы,

составляет 11, следовательно, соб-

людается условие х

> х

и можно

утверждать, что согласованность

мнений опрошенных экспертов со-

ставляет 95%.

Таким образом, полученные ре-

зультаты экспертизы достоверны и

коэффициент значимости группы

Персонал принимается равным 0,25

(согласно табл. 3), что свидетельс-

твует о сильном влиянии компетен-

тности персонала на возникновение

рассмотренных экспертами дефек-

тов и несоответствий литых поршней

в литейном цехе ОАО «Автодизель».

Исследование позволило сде-

лать вывод о необходимости разра-

ботки комплекса мероприятий, на-

правленных на устранение основных

видов брака при литье поршней с

нирезистовой вставкой и вызываю-

щих их причин, а также на повыше-

ние компетентности персонала.

1 2 3 4 5 6

1,4

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

тыс. шт.

100

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО№11/2010

рганизация производства

Почему важны испытания?

Испытания, проверки и измерения – важные элементы

в процессе производства отливок, начиная от конструиро-

вания оснастки, изготовления литейной формы и стерж-

ня, химического анализа плавок и заканчивая контролем

изготовленных отливок. Ключевой элемент любого мето-

да проверки – способность различать дефекты. Управ-

ление качеством продукции на производстве позволяет

пошагово переходить от дефектов, которые имеют высо-

Автор статьи – руководитель проекта «Повышение ресурсоэф-

фективности машиностроения и литейного производства в России»

IFC, (Международная финансовая корпорация, член группы Всемир-

ного Банка)

К.К. Турилова

Kristina Turilova

Курс на качество.

Современные методы контроля

качества отливок

On The Right Path to Quality.

Modern Methods of Foundry

Castings’ Quality Control

кую вероятность вызвать отбраковку, до незначительных

дефектов, которые смогут пройти проверку. Безуслов-

но, существующие типы проверок имеют определенную

погрешность, поэтому даже в передовых европейских

литейных цехах выпускают бракованную продукцию, но

в значительно меньших масштабах, чем российские про-

изводители. Поэтому, если наши машиностроительные и

литейные предприятия планируют экспортировать свою

продукцию на зарубежные рынки, их стандарты качества

отливок должны соответствовать требованиям заказчика

и рынка, на который они выходят.

Испытания отливок – сложный процесс, требующий от

специалистов предприятия досконального знания совре-

Улучшение качества продукции – одно из условий повышения рентабельности

литейного производства и построения рабочих связей с покупателями литейной

продукции. По данным исследования IFC

«Ресурсоэффективность литейного про-

изводства в России»

, требования к качеству в России менее жесткие, чем в ЕС.

Если, в среднем, брак в ЕС составляет 3,4%, то на российских предприятиях доля

брака по требованиям ЕС в среднем будет составлять 14,3%. Такой уровень брака

– не только угроза потери заказов, но и фактор увеличения затрат на производс-

тво того же объема бракованной продукции. Вниманию читателей предлагается

обзор современных методов испытаний качества литейной продукции, освоение

которых позволит российским предприятиям снизить уровень брака при произ-

водстве отливок.

Аннотация

The Summary

International Fi-

nance Corporation,

World Bank Group

Quality improvement of production is one of the factors to increase profitability and

to build working relationship with foundry customers. According to the IFC study

“Resource Efficiency of Foundry Industry in Russia” quality requirements in Russia

are less strict than in EU. While average reject rate of EU ferrous foundries is 3.4%,

Russian foundries judged against similar EU standards will have 14.3% of reject rate at

average. Such high rates could lead not only to loose of customers but also increase

costs on resources as a foundry will need to production the same amount good-quality

castings. The author presents a review of modern castings quality check methods that

could decrease reject rate at Russian foundries.

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №11/2010

рганизация производства

менных методов контроля качества и высокого профес-

сионализма. Среди рисков, сопутствующих проведению

измерений, можно, например, назвать повышенную чувс-

твительность методов проверки, которая негативно сказы-

вается на их способности отличать дефектный материал

от качественного. Еще одна проблема широкомасштабных

программ проверки – это варьирование критериев отбра-

ковки. Для поддержания постоянства критериев отбра-

ковки на предприятии должны применяться эталоны, ко-

торые делают возможной стандартизацию и мониторинг

качества. В методах, где имеется сильная зависимость

от решения отдельных сотрудников, поддерживать

критерии отбраковки неизменными особенно сложно,

даже при использовании группы хорошо подготовлен-

ных специалистов.

В статье мы кратко охарактеризуем основные особен-

ности, преимущества и недостатки таких методов контро-

ля качества, как и с п ы т ания: на герметичность, прони-

кающей жидкостью, магнитопорошковое, ультразвуковое,

вихревыми токами, а также радиография, визуальный

контроль.

Испытание на герметичность

Испытание на герметичность в литейном производс-

тве сег

одня применяют для гарантии того, что изделие с

дефектом течи не попадет к заказчику. Производители

литейной продукции, применяющие разные материалы и

методы сборки, все чаще используют испытание на гер-

метичность для удовлетворения требований к качеству и

предоставления гарантий заказчикам сложных отливок,

применяемых в ответственных местах и изготовляемых с

помощью коротких производственных циклов. Для про-

верки целостности отливки, особенно, если она – часть

емкости для жидкости или газа, требуется полное (100%-

ое) испытание на герметичность.

Если раньше устройства для испытания отливок на

герметичность использовали как индикаторы «проходит/

не проходит» (так как либо не было никаких показаний

фактического уровня течи, либо точность показаний была

под сомнением в связи с неконтролируемыми перемен-

ными), то в настоящее время последние достижения в

технологии изготовления датчиков течи сделали возмож-

ным использование его показаний как надежную коли-

чественную меру качества изделия и контроля над произ-

водственными процессами.

♦ Правильный выбор датчиков течи позволит быст-

рее проводить цикл испытания.

Исторически так сложилось, что нарастающая потреб-

ность в более коротком времени испытания всегда конф-

ликтовала с надежностью и точностью показаний течи и

возможностью определять очень малые течи. Тем не ме-

нее, в настоящее время при правильном выборе датчика

появилась возможность обеспечения более быстрых цик-

лов испытания и применения более жестких требований

без отказа от высокой точности показаний.

Существуют два основных м е т ода испытания на

герметичность сухим воздухом. В первом измеряется

скорость изменения давления, а во втором – непосредс-

твенно массовый поток течи: при определении изменения

давления в испытуемую деталь накачивают воздух под

высоким давлением, после чего ее отделяют от источни-

ка давления. Любое изменение давления внутри детали

с течением времени пересчитывают в степень утечки. В

этом методе такие неконтролируемые переменные, как

изменение температуры окружающей среды, тяга, дефор-

мации испытуемой детали или нарушение уплотнения,

могут создавать проблемы.

При замере массового потока деталь проверяют под

давлением, и любая утечка компенсируется поступлением

воздуха от источника в испытуемую деталь. Количество

воздуха, который попадает внутрь и выводится в виде

утечки, замеряется в см

/мин.

Испытание проникающей жидкостью

♦ Испытание проникающей жидкостью должно про-

водиться только обученным и сертифицированным пер-

соналом.

Метод неразрушающего контроля проникающей жид-

костью – это возможность обнаружения дефектов, кото-

рые выходят на поверхность отливки. Метод включает

применение проникающей жидкости, которая наносится

на поверхность отливки и попадает в места с дефектами.

После удаления с поверхности излишка проникающе-

го вещества наблюдается выделяющийся или выводимый

из участков с дефектами его остаток, который показыва-

ет наличие и место расположения дефектов. Визуальная

различимость небольшого количества жидкости, выво-

димой из участка с дефектом, намного улучшается при

использовании в проникающем веществе специальной

добавки – яркого красителя, либо специальной смеси,

которая излучает видимый свет.

Испытание проникающей жидкостью, в основном,

зависит от ее способности эффективно пропитывать по-

верхность обрабатываемого изделия с образованием не-

прерывного и достаточно однородного покрытия. Капил-

лярное действие позволяет жидкости проникать внутрь

дефектов на поверхности изделия. Часто эти дефекты

настолько малы, что их нельзя определить невооружен-

ным глазом.

Шесть основных э т апов процедуры испытания про-

никающей жидкостью:

• тщательная очистка испытуемой отливки;

• нанесение проникающего вещества на отливку;

• удаление излишка проникающего вещества;

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО№11/2010

рганизация производства

• нанесение под наблюдением абсорбирующего пок-

рытия (проявителя) на отливку;

• визуальная проверка отливки под воздействием

теплового излучения и определение показаний;

• очистка отливки после проверки.

Очевидная простота такой процедуры неразрушающе-

го контроля может оказаться обманчивой, так как практи-

ка демонстрирует, что самые незначительные отклонения

при осуществлении процесса с проникающим веществом

и последующей проверке могут сделать результаты ис-

пытания недействительными из-за неспособности обна-

ружить все дефекты. Поэтому стало обычной практикой

проведение всех испытаний проникающей жидкостью

только обученным и сертифицированным персоналом.

Магнитопорошковое испытание

Магнитопорошковое испытание – определение по-

верхнос

тных и внутренних дефектов в ферромагнитных

материалах неразрушающим способом. Алюминиевые

сплавы, медь и медные сплавы, свинец, титан и его спла-

вы, а также коррозионно-стойкие стали не могут быть про-

верены таким методом.

Основные э т апы магнитопорошкового испытания:

• подготовка испытуемой поверхности;

• намагничивание исследуемой отливки;

• нанесение магнитного порошка;

• проверка показаний дефектов;

• размагничивание.

Ферромагнитные материалы – это большинство чер-

ных, никелевых и кобальтовых сплавов. Многие диспер-

сионно-твердеющие стали становятся магнитными после

выдержки, однако теряют свои ферромагнитные свойства

при температуре выше точки Кюри.

Магнитопорошковый метод – чувствительное средс-

тво обнаружения малых и неглубоких поверхностных тре-

щин. Этим методом также можно обнаружить дефекты,

которые не выходят на поверхность. Однако, чем глубже

дефект залегает под поверхностью, тем больше должен

быть его размер, чтобы получить различимое показание.

На формирование и построение диаграммы, отобража-

ющей результат разделения ферромагнитных частиц на

поверхности детали влияет множество факторов. Эти

факторы включают:

• применяемый метод намагничивания;

• размер, форму и направление дефектов;

• расположение и устойчивость детали при испытании;

• метод нанесения магнитного порошка.

♦ Магнитопорошковое испытание – полезный, быст-

рый и простой метод неразрушающего контроля.

Для улучшения визуальной различимости имеется не-

сколько цветов магнитного порошка. Порошок можно на-

пылять на поверхность как сухую пудру, либо наносить как

жидкую суспензию. В специальных случаях используется

флуоресцентный порошок.

Для эффективного использования этого метода не-

разрушающего контроля следует принять во внимание

следующие его ограничения.

• Дефекты, залегающие внутри детали, не всегда

можно обнаружить.

• Магнитное поле должно иметь направление, пере-

секающее главную плоскость дефекта.

• Размагничивание – необходимый этап после про-

верки и отнимает время.

• Часто для определения значимости малозаметных

показаний требуются знания и опыт.

• Иногда для исследования больших отливок требу-

ется применение токов СВЧ.

• Для предупреждения локального нагрева и, воз-

можно, прожигания изготовленных отливок необходимо

быть внимательным.

• Краска или покрытие на поверхности негативно

сказывается на чувствительности магнитопорошкового

испытания.

Имеются также некоторые ограничения по размеру и

форме отливки.

Преимущества метода:

• быстрота и простота применения;

• отсутствие каких-либо электронных схем или уст-

ройств вывода данных, нуждающихся в калибровке или

поддержании в надлежащем рабочем состоянии;

• показания выводятся прямо на поверхность детали;

• нет необходимости в тщательной предварительной

очистке;

• квалифицированный оператор может произвести

необходимую оценку глубины залегания дефекта с по-

мощью подходящего магнитного порошка и правильных

технических приемов.

Ультразвуковое испытание

При ультразвуковом испытании используется направ-

ленное из

лучение звуковых волн высокой частоты для об-

наружения поверхностных и внутренних дефектов. Термин

«ультразвук» относится к звуковым волнам с частотами

> 20 кГц (20000 колебаний в секунду), что находится около

верхнего предела слышимости для уха человека. В этом

типе испытания звуковые волны проходят через материал

с потерей энергии (затуханием) и отражаются на границе

поверхности. Это отраженное излучение отображается на

дисплее и анализируется для определения наличия и мес-

та расположения дефектов или неоднородностей. В насто-

ящее время ультразвуковое испытание – основной метод

неразрушающего контроля. Только с помощью ультразвука

и рентгенографии можно определенно выявить внутренние

дефекты. Эти методы особенно подходят для определения

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №11/2010

рганизация производства

характеристик машиностроительных отливок.

Основные п р еимущества ультразвука:

• способен проникать на значительную глубину во

многих промышленных материалах;

• чувствителен к мелким дефектам;

• обеспечивает сравнительную точность при опреде-

лении размера и глубины залегания дефекта;

• в сопровождении электроники позволяет прово-

дить быструю и практически автоматическую проверку.

У процесса также есть недостатки, в том числе:

• технические специалисты должны иметь опреде-

ленные способности, навыки и опыт;

• процесс охватывает только небольшой участок;

контроль больших площадей требует сложного механи-

ческого сканирования или использования большого коли-

чества преобразователей в матрице;

• применение этого процесса требует надежного, в

основном, механического соединения с испытываемым

изделием.

♦ Сего

дня ультразвуковое испытание – основной ме-

тод неразрушающего контроля, однако оно требует соот-

ветствующей квалификации персонала.

Применяются испытательные ультразвуковые систе-

мы двух основных т и пов:

• резонансная;

• с импульсным откликом.

Каждая из них имеет свои модификации и дополни-

тельные системы, имеются также, как минимум, четыре

основных типа систем отображения сигнала на дисплее.

При резонансном испытании преобразователь управля-

ется генератором качающейся частоты, которая постоян-

но изменяется. Когда достигается естественная частота

измеряемой толщины материала или множество таких

частот, амплитуда колебаний увеличивается и создает

изображение на электронно-лучевом экране. Оборудова-

ние импульсного отклика управляет преобразователем на

одной, предварительно выбранной частоте в течение доли

секунды. Информационный датчик или второй преобра-

зователь, который используется только для сбора данных,

прослушивает отклик коротких вспышек звука после того,

как этот звук прошел сквозь материал и отразился от де-

фекта или от обратной стороны поверхности испытывае-

мого предмета.

Испытание вихревыми токами

В основе испытания вихревыми токами – определение

проблем качества путем наблюдения за взаимодействием

электромагнитных полей и металлов. Процесс применяет-

ся при испытании на автоматизированной производствен-

ной линии.

Переменный ток, проходящий через катушку с прово-

дом, наводит вихревые токи в испытуемой детали. Когда

деталь входит внутрь катушки, или катушка сканирует де-

таль, электромагнитная энергия, произведенная катуш-

кой, частично поглощается и преобразуется в тепло из-за

эффектов удельного сопротивления и гистерезиса.

Испытание вихревыми токами может использоваться

в разных ц е лях.

♦ Для измерения и идентификации состояния или

характеристик, включающих:

• электрическую проводимость;

• магнитную проницаемость;

• размер зерна;

• состояние детали после термообработки;

• твердость;

• физические размеры.

♦ Для определения размеров:

• швов;

• ужимин;

• трещин;

• пустот;

• включений.

♦ Для сортировки разных материалов и определения

различий в их микроструктуре и других характеристик.

Некоторые переменные свойства материала могут

вызывать шумы, заглушающие сигналы от значимых

сигналов, или сигналы, которые ошибочно принимаются

за значимые. Поэтому должна быть установлена и пери-

одически проверяться корреляция между показаниями

прибора, структурными характеристиками и эксплуатаци-

онной пригодностью деталей.

По сравнению с магнитопорошковым испытанием,

испытание вихревыми токами не так чувствительно к

мелким дефектам, однако оно эффективно как для фер-

ромагнитных, так и для неферромагнитных материалов.

Ультразвуковые методы дают лучшие результаты испыта-

ния вихревыми токами при определении мелких дефектов

и дефектов, которые имеют значительную глубину залега-

ния под поверхностью. Однако испытание вихревыми то-

ками не требует механического контакта с образцом. При

работе с вихревыми токами результат получают быстрее,

чем при радиографических методах, однако метод не так

чувствителен к мелким, глубоким, внутренним дефектам.

Оборудование для испытания вихревыми токами, при не-

обходимости, может быть в виде как простой конструкции,

так и полностью автоматизированной системы.

Любое оборудование для испытания вихревыми тока-

ми, вне зависимости от его сложности, должно включать

следующие элементы:

• источник магнитного поля, способный наводить

вихревые токи в проводящих материалах;

• датчик или преобразователь, достаточно чувстви-

тельный для определения мгновенных изменений маг-

нитного поля, вызванных вихревыми токами;

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО№11/2010

рганизация производства

• способ определения изменений магнитного

поля:

– наблюдение за измерительным прибором, пока-

зания которого пропорциональны изменению магнитного

поля;

– электронный «черный ящик», который выводит

показания, пропорциональные фазе, амплитуде или мо-

дуляции магнитного поля.

Считается, что метод испытания отливок вихревыми

токами имеет следующие преимущества:

• при контролируемых условиях обеспечивает точ-

ную оценку проводимости;

• лучше применяется в автоматизированных систе-

мах;

• дефекты и состояние материала можно увидеть

сразу;

• испытание может проходить очень быстро;

• область проверки может быть уменьшена для обна-

ружения дефектов с таким размером, как 0,00006 дюйма;

• обычно нет необходимости в механическом контак-

те с испытуемой деталью.

Радиография

Большинство промышленных радиографических ис-

пыт

аний отливок толщиной до 70 мм из черных сплавов

и меди проходит с использованием рентгеновского из-

лучения. Это испытание эффективно и универсально, а

при современных технологиях демонстрирует и высокую

точность. Принципиальное преимущество альтернативной

радиографии γ-излучением над радиографией рентгенов-

ским излучением – меньшая стоимость. Источник излуче-

ния также может быть очень маленьким, что облегчает его

транспортировку. Радиографию γ-излучением выбирают

для отливок толщиной > 70 мм или когда объем испытания

не оправдывает более дорогое рентгеновское оборудова-

ние. Радиография γ-излучением не так чувствительна к

мелким дефектам (до 1 дюйма) в толщине материала, как

радиография рентгеновскими лучами. Кроме этого, γ-из-

лучение обычно требует большего времени выдержки, по

сравнению с рентгеновским излучением, и не обеспечи-

вает такую же точность определения.

За последние годы были разработаны новые тех-

нологии радиографии, например:

• компьютерная томография (CT), как развитие ком-

пьютеризированного осевого сканера-томографа (CAT

scan), которая позволяет получить вид поперечного сече-

ния детали;

• нейтронная радиография, которая, в отличие от

описанных технических средств, использует, вместо элек-

тромагнитного излучения, нейтроны.

♦ Радиографическое испытание можно применять в

автоматизированных системах.

Если не были приняты соответствующие меры предо-

сторожности, радиографическое исследование отливок

может подвергать операторов воздействию вредного из-

лучения. Одна из наиболее опасных сторон воздействия

радиации в том, что эффекты имеют общий характер. По

этой причине для дозы радиации, полученной на протя-

жении всей жизни и для ежегодно получаемой дозы уста-

новлены строгие нормы. Хотя существует много способов

защиты персонала от радиации, лучшим является опреде-

ленное расстояние, так как интенсивность радиации падает

пропорционально квадрату расстояния от источника. Для

защиты тех, кто находится в непосредственной близости

к источнику радиации, этот источник закрывают специ-

ально сконструированным ограждением, оборудованным

устройствами блокировки и защиты. Весь персонал в зоне

ограниченного доступа надо обследовать с помощью кар-

манных и пленочных дозиметров, чтобы убедиться в том,

что люди не получили чрезмерное количество радиации.

Эти дозиметры часто изнашиваются. Так как карманные

дозиметры чувствительны к ударам, они могут ошибочно

давать высокие показания. Чтобы получить вторую оцен-

ку, проявляют пленку.

Любое оборудование, работающее с радиацией, долж-

но управляться только обученным персоналом. Доступ

должен быть строго ограничен, никто не должен находиться

в ограниченной зоне без контролирующих приборов. Кроме

этого, с помощью отдельных рентгенографических аппара-

тов должен проводиться тщательный контроль уровня ра-

диации внутри оборудования и около него.

Визуальный контроль

♦ Современные электронные системы визуального

контро

ля позволяют предотвратить ошибки, которые со-

вершают уставшие операторы.

На литейных предприятиях, в основном, использу-

ют визуальный контроль, когда операторы осматривают

отливки после окончательной обработки. Тем не менее,

усталый оператор может пропустить дефектную отливку.

Поэтому ведутся разработки систем электронного визу-

ального контроля, когда каждую отливку «фотографиру-

ют» и сравнивают с эталоном. Это наиболее применимо

в производстве большого объема однотипных отливок и

если процесс окончательной обработки можно спроекти-

ровать таким образом, чтобы задействовать такой способ

контроля автоматически.

Другие методы визуального контроля включают ис-

пользование эндоскопов, подключенных к телевизионным

мониторам, чтобы операторы имели возможность прове-

рять отливки изнутри, вокруг внутренних изгибов и т.д.

Подробнее с исследованием IFC «Ресурсоэффектив-

ность литейного производства в России» можно ознако-

миться на сайте: www.ifc.org/rcpp

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №11/2010

кология.

храна труда

Аннотация

The Summary

При проектировании литейных цехов или реконс-

трукции старых одна из проблем – прогноз выбросов

вредных веществ. Проблема экологической безопасности

производства делает этот прогноз актуальным, поскольку

позволит уже на этапе проектирования оценить потреб-

ность в очистных сооружениях.

Существующие методики расчета вредных выбросов,

к сожалению, не полно отражают реальную динамику в

процессе плавки. Так, по данным [1, 2], существующие

оценки химсостава выбросов отражают состав выплав-

ляемого металла лишь косвенно, например, говорится о

выплавке коррозионно-стойкой стали, хотя марка стали

не приводится. На такие данные трудно ссылаться, когда

составляется прогноз вредных выбросов при выплавке

конкретного сплава. Данные о суммарных выбросах по

различным источникам разнятся. Расчет шихты позволяет

на основе химсостава исходных материалов, коэффици-

УДК 621.745.35

А.Н. Болдин,

Д.П. Михайлов (МГИУ)

A.N. Boldin, D.P. Mikhailov

Экологическая оценка

на стадии проектирования

вредных выбросов

при дуговой плавке стали

Ecological Evaluation of Harm-

ful Emissions from Arc Melting

of Steel at the Design Stage

ентов усвоения элементов оценивать количество леги-

рующих элементов (ЛЭ) и примесей, попадающих

в пылевые и газовые выбросы, а также в шлаки.

Используя данные расчета шихты для стали

12Х18Н9ТЛ, выплавляемой в ДСП-3, оценим потери ЛЭ

и примесей со шлаками и выбросами. В соответствии с

технологией плавки стали, для раннего образования шла-

ка с целью предохранения металла от окисления, а также

для дефосфорации в процессе плавки в завалку вводят

2…3% извести, что для 3 т шихты составит 60…90 кг.

Для расчета принимаем массу извести 90 кг.

В процессе плавки примеси, вносимые шихтой,

окисляются [3]. Практически полностью окисляются Al,

Ti, Si, значительное количество Cr, Mn и других приме-

сей. Длительность периода составляет 1/3…2/3 време-

ни всей плавки. После полного расплавления шихты и

тщательного перемешивания ванны отбирают пробу на

Приведен порядок расчета возможных вредных выбросов в виде газов и пыли,

а также потерь легирующих элементов на стадии проектирования, что позволит

заранее разработать меры для их очистки.

Ключевые слова

Экологическая безопасность, выбросы, шихта, легирующие элементы, шлаки.

A procedure of calculating possible harmful emissions in the form of gas and dust,

and loss of alloying elements, at the design stage is presented, which will allow

working out cleaning measures in advance.

Key words

Environmental safety, emissions, furnace charge material, alloying elements, slag.

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО№11/2010

кология.

храна труда

химанализ и на 3/4 скачивают шлак, вместе с которым

удаляется значительная часть окислившегося P. В случае

получения в первой пробе пониженного содержания C

шлак скачивают полностью и, пользуясь коксом или уг-

леродным боем, проводят науглероживание металла, что

для стали 12Х18Н9ТЛ не требуется. Принимаем, что пос-

ле скачивания остается 25 кг шлака.

Общая продолжительность окислительного периода

40…70 мин, а в случае применения газообразного кисло-

рода она может быть сокращена до 30 мин. В этот период

удаляется 40…60% S, вносимой шихтой [3], окисляются

P, C, Cr. Реакция окисления Mn близка к равновесию, к

концу окислительного периода начинается восстановле-

ние Mn из шлака.

Восстановительный период начинается наведением

известкового шлака из смеси извести, плавикового шпата

и шамота в соотношении 5/1/1 в количестве 2,0…3,5% от

массы металла. Для получения белого шлака шлак обра-

Таблица 1

Период плавки

Состав, %

CaO SiO

FeO MnO MgO

Конец плавления

35…45 15…25 5…20 5…10 5…8

Конец окислительного периода

40…50 15…20 5…25 –“– 5…10

Восстановительный период:

белый шлак

45…58 15…25 0,5…1 < 0,7 8…20

карбидный шлак

50…60 15…20 < 0,6 < 0,4 –“–

Период плавки

Состав, %

CaF

CaC

Конец плавления

– – 0,5…1,2 0,1…0,2

Конец окислительного периода

– – 0,4…1,0 0,1…0,3

Восстановительный период:

белый шлак

5…15 ≤ 1 – 0,3…0,6

карбидный шлак –“– 2…4 – 0,5…0,7

Примечание. Al

– 3…6%.

батывают порошками кокса и ферросилиция. Некоторая

часть кокса идет на восстановление CaO с образованием

карбида кальция, формируя таким образом карбидный

шлак. Принимаем, что в окислительный период наводит-

ся дополнительно 2,5% шлака от массы металла, то есть

75 кг шлака. В ходе восстановительного периода C, Si,

Ca и Al, находящиеся в шлаке, восстанавливают оксиды

Fe, Mn и Cr. Длительность восстановительного периода

70…120 мин. Составы шлаков, получаемых в ходе дуго-

вой плавки, приведены в табл. 1 [3], из которой следует,

что часть потерь ЛЭ может переходить в шлак, в частнос-

ти, Si, Mn. Данные о составе пыли, выделившейся при

дуговой плавке (табл. 2), показывают отсутствие в ней

соединений Cr [1].

Примерный состав выбросов газов из дуговой печи

по результатам анализа пяти плавок коррозионно-стой-

кой стали приведен в табл. 3. Здесь можно найти соеди-

нения Cr, Ti, Mn, Ni.

Таблица 2

Элемент Fe

Zn Ca Mn Si Mg

Содержание соединения, % 52,5 Fe

16,3 ZnO 14,4 CaO 4,4 MnO 2,6 SiO

1,9 MgO

Элемент Na Cl П.П.П.

Содержание соединения, %

1,5 Na

O 1,2 Cl 4,3

Таблица 3

Элемент Fe

Ca Mg Cr Mn

Содержание соединения, % 23,95 Fe

9,66 FeO 15,41 CaO 15,25 MgO 8,77 Cr

2,75 MnO

Элемент C Mo S Ni V Al

Содержание соединения, %

1,60 C 0,95 MoO

0,64 S 0,62 NiO 0,51 V

0,47 Al

Элемент Co Ti N P Растворимые щелочи

Содержание соединения, % 0,08 Co

0,05 TiO

0,014 N

Следы P

11,25

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО №11/2010

кология.

храна труда

Предлагаемая методика расче-

та вредных выбросов при дуговой

плавке стали сводится к следующе-

му. О п ределяют:

• по исходным данным и резуль-

татам расчета шихты – потери ЛЭ в

ходе плавки;

• по параметрам печи (произво-

дительности, времени цикла) – вы-

бросы плавильного агрегата в виде

пыли, оксидов углерода и азота;

• по массе и составу пыли – по-

тери ЛЭ в пыль;

• по массе шлаков и их составу

– потери ЛЭ со шлаком.

Оставшиеся неучтенные потери

элементов и их соединений относят

на газовые выбросы.

Расчет потерь ЛЭ в ходе дуговой

плавки стали 12Х18Н9ТЛ в ДСП-3

приведен в табл. 4.

Расчет вредных выбросов

от плавильных агрегатов

Для ДСП-3 при расчете приняты

ледующие исходные д анные.

1. Продолжительность полного

цикла плавки дуговой печи, работаю-

щей по основному процессу, – 2,4 ч.

2. Производительность плавиль-

ного агрегата: Д = 3/2,4 = 1,25 т/ч.

Принимаем:

• продолжительность периода

плавления шихты равным 1/3 време-

ни всей плавки, то есть 2,4/3 = 0,8 ч;

• продолжительность окисли-

тельного периода 0,4 ч, а восстано-

Таблица 4

Элемент

Содержание, кг: Потери, кг:

в шихте / в расплаве элементов / соединений

C 9,40 / 8,35 1,05 / 2,45 (СО)

Si 23,68 / 12,19 11,49 / 37,75 (SiO

)

Mn 43,08 /30,00 13,08 / 16,89 (MnO)

Cr 558,53 / 510,00 48,53 / 70,93 (Cr

)

Ni 249,67 / 240,00 9,67 / 12,29 (NiO)

Ti 26,75 / 18,00 8,75 / 14,58 (TiO

)

S 1,05 / 0,60 0,45 / 0,45 (S)

P 1,52 / 0,88 0,64 / 1,47 (P

)

вительного – 1,2 ч.

По данным [1], удельное выде-

ление загрязняющих веществ при

выплавке стали и чугуна в дуговых

печах зависит от производительнос-

ти плавильного агрегата (см. ниже).

Производительность

печи, т/ч

Удельные выделения, q, кг/т,

пыли / оксида углерода / оксидов азота

0,33......................... 9,9 / 1,4 / 0,27

0,94......................... 9,8 / 1,2 / 0,26

1,56.......................... 9,5 / 1,3 / 0,26

2,0........................... 9,4 / 1,3 / 0,26

2,7........................... 9,2 / 1,4 / 0,27

Для выплавки стали в 3-т печи

принимаем, что удельное выделение

составляет: пыли – 9,65, оксида уг-

лерода – 1,25, оксидов азота – 0,26

кг/т. Количество выбросов, загряз-

няющих веществ, П, кг/ч, от пла-

вильных агрегатов рассчитываем по

формуле [2]:

П =1,4 q⋅Д⋅β

где Д – производительность пла-

вильного агрегата, т/ч; β – поправоч-

ный коэффициент, учитывающий

условия плавки.

Для оценки количества неорга-

низованных выбросов за счет утечек

из технологического оборудования

(в среднем 40% от организован-

ных) вводится коэффициент 1,4.

Поправочный коэффициент β, опре-

деленный из работы [1], равен для:

кислого процесса – 1,0; основного

– 0,80/0,67; применения кислорода

– 1,15/1,10; плавки легированной

стали 0,85/–; предварительного на-

грева шихты до 400°C –/1,22, со-

ответственно (в числителе – сталь,

знаменателе – чугун).

Для плавки стали с применением

кислорода принимаем β = 1,15.

Количество выбросов загрязняю-

щих веществ от печи ДСП-3:

• пыли

П =1,4⋅9,65⋅1,25⋅1,15 =19,42 кг/ч;

• оксида углерода

П = 1,4⋅1,25⋅1,25⋅1,15 = 2,52 кг/ч;

• оксидов азота

П = 1,4⋅0,26⋅1,25⋅1,15 = 0,52 кг/ч.

За время плавки количество вы-

бросов составит:

пыли – 19,42⋅2,4 = 46,61;

оксида углерода – 2,52⋅2,4 =

6,05 кг.

Потери ЛЭ с пылью

В составе пыли (см. табл. 3) из

ЛЭ с

тали могут оказаться Si и Mn.

Принимаем за основу соотношение

между компонентами пыли. Таким

образом, в пыли окажется:

• оксида Si – 46,61⋅0,026 = 1,21 кг;

• оксида Mn – 46,61⋅0,044 = 2,05 кг.

Расчет потерь ЛЭ

со шлаками

Потери в ходе плавления

ак отмечено выше, в состав ших-

ты добавляют известь, образующую

шлак. Было принято, что вводится 90

кг извести. В пересчете на CaO, это

составит 68,1 кг. За время плавления

часть СаО будет потеряна с пылью.

Принимаем, что потери CaO состав-

ляют 1/3 от общего содержания его в

пыли, в соответствии с долей периода

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО№11/2010

кология.

храна труда

плавления от всего времени плавки, то есть 46,61⋅0,144/3

= 2,24 ≈ 2,2 кг. Таким образом, в составе шлака будет 68,1

– 2,2 = 65,9 кг CaO. Составы шлаков приведены в табл. 1

(конец плавления). Принимаем, что будет получен следую-

щий состав шлака, % (кг): 44 (65,9) CaO; 15 (22,47) SiO

; 20

(29,95) FeO; 8 (11,98) MnO; 7,2 (10,78) MgO; 5 (7,49) Al

;

0,7 (1,05) P

; 0,1 (0,15) S.

После скачивания 3/4 шлака в конце плавления ших-

ты из печи будет удалено следующее количество соеди-

нений, кг: 16,85 SiO

; 8,99 MnO; 0,79 P

; 0,11 S.

Потери после скачивания шлака в конце

восстановительного периода

Восстановительному периоду плавки предшествует

окислительный, доля которого от общего времени плав-

ки составляет 1/6. Принимаем, что в ходе этого периода

шлак потеряет дополнительно 1/6 часть общих потерь в

пыль, то есть 1,1 кг CaO. Таким образом, в шлаке останет-

ся 14,83 кг CaO.

Исходя из соотношения компонентов добавляемо-

го шлака общей массой 75 кг, определяем, что в состав

шлака будет добавлено 40,54 кг CaO. Таким образом, в

общей массе шлака станет 55,37 кг CaO. В ходе восста-

новительного периода часть CaO попадет в выбросы в

виде пыли. Так как время восстановительного периода

принято равным 1/2 времени плавки, потери CaO при-

нимаем равными 46,61⋅0,144/2 ≈ 3,4 кг. Таким образом,

в составе шлака останется 52,01 кг CaO. Состав шлака и

количество соединений в нем в конце восстановительно-

го периода (карбидный шлак) принимаем следующим, %

(кг): 51 (52,01) CaO; 17 (17,34) SiO

; 0,5 (0,51) FeO; 0,2

(0,20) MnO; 15 (15,30) MgO; 5,7 (5,81) Al

; 8 (8,16) CaF

;

3 (3,10) CaC

; 0,5 (0,51) S.

Принимаем, что содержащиеся в шлаке соединения

Si, Mn, S, P будут удалены из печи вместе со шлаком.

Общие потери этих элементов при скачивании шлаков со-

ставляют, кг: 34,19 SiO

; 9,19 MnO; 0,79 P

; 0,62 S.

Потери через газовые выбросы

Сводные данные по расчетам потерь элементов в ста-

ли 12Х18Н9ТЛ при скачивании шлаков, а также в пыле-

вых и газовых выбросах представлены в табл. 5.

Ввод ЛЭ в печь осуществляется после расплавления

шихты, поэтому для оценки выбросов правильнее учиты-

вать время после ввода ферросплавов в печь. В нашем

варианте это восстановительный период, то есть 1,2 ч, а

для оксида углерода – 2,4 ч.

Таким образом, получаем потери оксида, кг/ч:

C: П = 2,45/2,4 = 1,02

Si: П = 2,35/1,2 = 1,95

Mn: П = 5,65/1,2 = 4,71

Cr: П = 70,93/1,2 = 59,11

Ni: П = 12,29/1,2 = 10,24

Ti: П = 14,58/1,2 = 12,15

P: П = 0,68/1,2 = 0,57

Анализируя полученные данные, нетрудно заметить,

что содержание S в шлаках выше потерь в ходе плавки.

Поскольку состав шлаков взят из литературного источника

[3], такой результат расчета мог быть вызван неточностью

данных об исходном содержании S в шихтовых материа-

лах или завышенным содержанием S в шлаке.

Обращает на себя внимание низкое содержание в га-

зовых выбросах оксида углерода – 1,02, против 2,52 кг/ч,

по предварительным расчетам. Расхождение вызвано

тем, что на практике в выбросы попадает и продукт горе-

ния электродов.

По расчетам, в газовые выбросы попадает значитель-

ное количество оксидов Cr. Причина – отсутствие данных

о содержании оксидов Cr в шлаках, хотя на такую воз-

можность указывали авторы работы [3]. Судя по графику,

представленному ими, при 4% FeO в шлаке соотношение

между содержанием оксида Cr в шлаке и концентрацией

Cr в расплаве составляет 0,5…1,0. В рассматриваемом

нами случае большое содержание FeO наблюдается в

шлаках, существующих в период плавления шихты и

Таблица 5

Элемент

Потери, кг,

элементов в виде соединений в виде пыли в шлаках в выбросах

C 1,05 2,45 (СО) 0 0 2,45

Si 11,49 37,75 (SiO

) 1,21 34,19 2,35

Mn 13,08 16,89 (MnO) 2,05 9,19 5,65

Cr 48,53 70,93 (Cr

) 0 0 70,93

Ni 9,67 12,29 (NiO) –..– –..– 12,29

Ti 8,75 14,58 (TiO

) –..– –..– 14,58

S 0,45 0,45 (S) –..– 0,62 0

P 0,64 1,47 (P

) –..– 0,79 0,68