CC BY
45
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
УДК 669.046.516.2:338.45
©Рассохин Д.А.1, Чигарев В.В.2, Лоза А.В.3, Шишкин В.В.4
ОБ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛОКАЛЬНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ ОТЛИВОК
В статье приведен сравнительный анализ основных технологических операций производства упрочненных отливок для металлургического оборудования, полученных способом локального легирования и способом наплавки. Приведены результаты расчета себестоимости изготовления конуса засыпного аппарата. Как наиболее перспективный вариант технологии изготовления крупногабаритных отливок предложен способ локального легирования с использованием порошковой проволоки.
Ключевые слова: металлургическое оборудование, отливка, легирование, порошковая проволока, структура металла, механическая обработка, себестоимость изготовления.
Рассохш Д.О, Чигарьов В.В., Лоза А.В., Шиштн В.В. Про eKOHOMi4Hy ефектив-тсть локального легування виливтв. У статт1 наведено пор1вняльний анал1з ос-новних технолог1чних операций виробництва змщнених виливтв для металургШного устаткування, отриманих способом локального легування i способом наплавлення. Наведено результати розрахунку собiвартостi виготовлення конуса засипного апарату. Як найбшьш перспективний варiант технолога виготовлення великога-баритних виливюв запропонований споаб локального легування з використанням порошкового дроту.
Ключовi слова: металургтне обладнання, виливки, легування, порошковий дрт, структура металу, мехатчна обробка, собiвартiсть виготовлення.
D.O. Rassokhin, V.V. Chigarev, A.V. Loza, V.V. Shishkin. About economic efficiency of the local alloying castings. The article presents the comparative analysis of basic technological operations of the manufacturing of hardened cast products for metallurgical equipment, produced by point alloying and weld deposition. The results of the prime cost calculation of the charging equipment cone manufacturing are presented. As the most promising option in the technology of large-size cast products manufacturing the method of point alloying with the usage of flux-cored wire is introduced. Keywords: metallurgical equipment, casting, alloying, cored wire, metal structure, machining, manufacturing cost.
Постановка проблемы. В последнее время в металлургическом производстве наметилась устойчивая тенденция к снижению затрат на всех переделах. Для получения деталей с улучшенными характеристиками и длительным сроком эксплуатации могут применяться различные технологические способы. Легирование является известным методом изменения структуры и свойств металлов и сплавов. В современных условиях упрочнение деталей дорогостоящими компонентами сдерживается из-за их высокой стоимости. Решение этой проблемы возможно за счет применения способа локального легирования.
Анализ последних исследований и публикаций. Значительное место вопросам легирования металлов и сплавов уделено в работах, которые выполняли Г.Ф. Баландин, В.А. Белеви-тин, С.И. Переборщиков, А.Н. Хабаров, О.В. Мартынов, Е.И. Астров, Ю.И. Комаров, М.И. Ло-ганов, Г.М. Ицкович, Г.Г. Крушенко и др.
1 аспирант, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
2 д-р техн. наук, профессор, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
3 старший преподаватель, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
4 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
Анализ исследований различных авторов [1-5] показывает, что в большинстве случаев стойкость деталей падает вследствие износа их рабочих поверхностей и необратимой деформации детали. Рост деформации во времени приводит к постепенному изменению начальных параметров изделия, что при высоких требованиях к точности изготовления современных машин совершенно недопустимо. При этом отказ детали может наступить значительно раньше, чем будет исчерпана несущая способность детали [6]. Это необходимо учитывать при проектировании, изготовлении и совершенствовании металлургических деталей и узлов ответственного назначения. На современном этапе развития металлургии одним из важнейших показателей является экономическая эффективность применения и самих деталей, и технологии их изготовления. Выбор более оптимального варианта технологии изготовления крупных деталей металлургического оборудования можно проанализировать на примере анализа экономики изготовления отдельных элементов доменной печи.
Цель статьи - на основе сравнения различных способов изготовления упрочненных отливок обосновать наиболее экономичное направление технологии легирования. Это позволяет принимать технические решения по изготовлению и конструктивному исполнению узлов оборудования с минимальными расходом материалов и производственными затратами.
Изложение основного материала. Одной из наиболее нагруженных деталей оборудования доменной печи является конус загрузочного устройства. Загрузочное устройство предназначено для подачи шихтовых материалов в рабочее пространство доменной печи и предупреждения при этом выхода газа в атмосферу. Малый конус засыпного аппарата доменной печи массой 2050 кг изготовляют методом литья из стали 35Л (0,32-0,40% С , 0,50-0,90% Мп, 0,20 -0,52 % Si). Контактный пояс конуса шириной 240 мм и массой 90 кг изготавливают из высоколегированного материала, содержащего 4,5-5,0% С, 35,0-45,0% Сг, 28,0-35,0% №, 1,0-2,0% Мп и 0,20-0,80% В, и получают путем наплавки лентой ПЛ АН-111 [7]. Такой способ изготовления конуса позволяет сочетать высокую износостойкость хромоникелевого сплава с низкой стоимостью углеродистой стали.
В связи с применением повышенного давления газа на колошнике стойкость засыпных аппаратов значительно снизилась [1]. Это приводит к тому, что при удовлетворительном состоянии других механизмов печь вынужденно останавливают на ремонт. Основной причиной низкой стойкости засыпного аппарата типовой конструкции является образование несплошно-стей по линии контакта конуса с чашей засыпного аппарата, через которые устремляется с большой скоростью загрязненный колошниковый газ, что способствует абразивному износу конуса и его чаши. Этот износ находится в прямой зависимости от качества и точности сопрягаемых поверхностей [1].
Детали засыпного устройства доменной печи работают в условиях совместного действия постоянных или переменных механических и термических напряжений. В результате многократного повторения нагрева и охлаждения, термические напряжения увеличиваются. В тех случаях, когда они начинают превосходить предел текучести, развиваются пластические деформации, и на поверхности детали может возникать сетка трещин, ухудшаются условия теплообмена между деталью и окружающей средой. Количество тепла, аккумулируемое деталью, увеличивается, размер дефектов растет, что приводит к уменьшению механической прочности детали и снижению надежности работы всей конструкции [8]. Интенсивность образования дефектов зависит от сопротивления материала развитию термической усталости и коэффициента линейного расширения материала детали. Дальнейшее развитие дефектов под действием переменных механических и термических напряжений возможно в различных направлениях.
Для уменьшения деформации конуса и увеличения его срока службы применяют упрочнение. Естественно, что при выборе конструкционного материала учитываются его эксплуатационные, технологические и экономические свойства. Однако достичь упрочнения возможно разными способами, и каждый из способов характеризуется своими технологическими особенностями и различной экономической эффективностью.
Крупногабаритные детали металлургического оборудования (в том числе и конус засыпного аппарата) изготавливают в основном методом литья. Опыт эксплуатации металлургического оборудования показал, что долговечность детали зависит от скорости износа ее наиболее нагруженных участков. На сегодняшний день упрочнение таких областей выполняют методом наплавки с последующей механической обработкой. Объемное легирование крупногабаритных
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
деталей экономически нецелесообразно. Поэтому перспективным является применение метода локального легирования, при помощи которого можно обеспечить прочностные свойства в заданных областях детали на таком же уровне, как и при выполнении наплавки. При этом возможно получить локальное легирование изделия как в наперед заданном объеме, так и на определенной площади. Этот метод легирования может быть использован, например, при изготовлении конуса засыпного аппарата доменной печи.
Проведем сравнительный анализ двух методов изготовления одной детали в виде конуса засыпного аппарата, особенностью которой является значительная масса (более 2000 кг) и сложная пространственная конфигурация. В расчете использованы данные одного из украинских металлургических предприятий.
По укрупненному методу расчета [9, 10] себестоимость изготовления методом литья малого конуса загрузочного устройства доменной печи с применением локального легирования (Сдет.1) можно вычислить следующим образом:
Сдет.1 Сзаг.1 + Слег. + Смех.-Слом + В:
И;
где Сзаг1 - стоимость литой заготовки;
Слег. - стоимость легирующих элементов, которая составляет ориентировочно 800 грн. на одну деталь;
Смех. - стоимость механической обработки;
Слом. - стоимость материала, который пойдет на стружку;
Вн. - величина дополнительных затрат.
Стоимость заготовки, полученной методом литья, определяем из выражения:
Сзаг.1=(С1т./1000)*Мзаг.1=7500/1000*2000=15000 грн.,
где С1т. - стоимость одной тонны заготовки, полученной методом литья, согласно 3-му классу сложности; Мзаг1 - масса литой детали.
Затраты на механическую обработку включают в себя затраты на следующие операции: фрезерные и шлифовальные, которые ориентировочно составляют 10000 и 9500 грн. соответственно. Следовательно затраты на механическую обработку составляют:
Смех=Сфрез.+Сшлиф=19500 грн.
Стоимость материала, который уйдет в виде стружки, можно определить из выражения: Слом=Слом1т./1000*Млом1=350/1000*150=52,5 грн.
где Слом1 - стоимость одной тонны стружки;
Млом1 - масса стружки, полученной от всех операций механической обработки.
Величина дополнительных затрат включает в себя затраты на усовершенствование технологии и технологического оборудования, содержание инженерного и вспомогательного персонала и т.д. В связи с этим, технологам необходимо предусмотреть дополнительные те хниче-ские и организационные мероприятия по введению легирующих компонентов (например, в виде порошковой проволоки), что требует специальных операций и соответственно затрат. Учитывая несложность технологических операций при подготовке отливки с использованием порошковой проволоки и незначительные изменения в технической документации на изготовление детали, величина дополнительных затрат, как показывает экспериментальное опробование, может составлять не более 50 % от стоимости материала заготовки, что в данном случае составляет приблизительно 7,5 тыс. грн.
Следовательно, себестоимость изготовления малого конуса загрузочного устройства в случае применения метода локального легирования с применением порошковой проволоки составит:
Сдет1=15000+800+19500-52,5+7500 = 42747,5 грн.
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
По укрупненному методу расчета себестоимость изготовления малого конуса, в случае применения наплавочных материалов для его упрочнения (Сдет.2), можно вычислить из выражения:
Сдет.2 Сзаг.2+ Снапл.+Смех.-Слом+Вн,
где Сзаг2 - стоимость литой заготовки;
Снапл-затраты на наплавку покрытия, которые на одну деталь составляют ориентировочно 1500 грн.;
Смех. - стоимость механической обработки;
Слом. - стоимость материала, который пойдет на стружку;
Вн. - величина дополнительных затрат.
Стоимость заготовки, полученной методом литья, для сопоставимости определяем аналогично рассмотренному методу локального легирования, из выражения:
Сзаг.2=(С1Т/1000)*Мзаг.2=7500/1000*2000=15000 грн.,
где С1т. - стоимость одной тонны заготовки, полученной методом литья, согласно 3-му классу сложности; Мзаг2 - масса литой детали.
Затраты на механическую обработку в случае выполнения наплавки включают в себя затраты на фрезерные и шлифовальные операции. Качество поверхностного слоя заготовки имеет важное значение как для ее последующей обработки, так и для эксплуатационных свойств. Оно формируется практически на всех стадиях изготовления изделия и фактически зависит от технологии изготовления детали. Несмотря на разницу в технологии двух сравниваемых способов и различную твердость и другие характеристики изделий на стадии полупродукта, условно можно принять затраты по механической обработке одинаковыми. То есть затраты на фрезерные и шлифовальные операции ориентировочно составляют 10000 и 9500 грн. соответственно. Следовательно затраты на механическую обработку конуса, упрочненного наплавкой, составляют:
Смех=Сфрез.+Сшлиф=19500 грн.
Стоимость материала, который уйдет в виде стружки, определим из выражения: Слом =Слом1т./ 1000*Мдом2=350/1000*150=52,5 грн.
где Слом1т. - стоимость одной тонны стружки;
Млом2 - масса стружки, полученной от всех операций механической обработки.
Величина дополнительных затрат включает в себя затраты на содержание и совершенствование технологического оборудования, содержание инженерного и вспомогательного персонала и т.д. Учитывая сложность производства, величина дополнительных затрат [9] может составлять 700-1000% от стоимости материала заготовки, что в данном случае составляет ориентировочно 120 тыс. грн.
Следовательно, себестоимость малого конуса загрузочного устройства с применением наплавочных материалов для его упрочнения составляет:
Сдет2=15000+1500+19500-52,5+120000=155947,5 грн.
Динамика изменения себестоимости конуса для различных технологических схем изготовления (а - с применением наплавки, б - методом локального легирования) представлена на рисунке.
При сопоставлении результатов расчетов видно, что себестоимость изготовления конуса методом локального легирования значительно ниже (42747,5 < 155947,5), чем его себестоимость при упрочнении широко применяемым на практике наплавочным способом. Разница в себестоимости деталей будет возрастать при увеличении их габаритов, и очевидно стремится к
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
максимуму в случае изготовления деталей значительном массы.
Величина
затрат, грн. 1ВОООС
Величина затрат, грн. 130000
160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 о
Составляющие затрат
Составляющие затрат
б
I стоимость заготовки, получен но и методом литья
I затраты на механическую обработку конуса
дополнительные затраты I общая себестоимость
I стоимость заготовки, полученной методом литья
(затраты на механическую обработку конуса
¡дополнительные затраты I общая себестоимость
Рисунок - Структура составляющих себестоимости изготовления конуса: а - методом наплавки; б - с применением локального легирования
В настоящее время проводятся экспериментальные работы по оптимизации технологии изготовления деталей с упрочнением наиболее нагруженных участков методом локального легирования, основной целью которых является увеличение их сроков эксплуатации, а также сведение к минимуму затрат на производство.
Выводы
1. Легирование изделия в целом или его отдельных частей направлено на увеличение ресурса работы оборудования и обеспечивает эффективное функционирование производства с минимальными затратами.
2. Многообразие способов легирования должно быть использовано не только для исследования свойств и долговечности деталей. Технология их изготовления должна быть переориентирована таким образом, чтобы структура затрат обеспечивала минимальную потребительскую стоимость.
3. Наиболее экономичным для крупных отливок, по сравнению с другими способами упрочнения легирующими элементами, является метод локального легирования, который позволяет получить рациональное использование легирующих элементов при их минимальном
а
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
расходе на единицу продукции. На современном этапе развития металлургии данным способом можно обеспечить максимально возможную долговечность деталей при минимальных финансовых затратах.
Список использованных источников:
1. Тарасов В.П. Загрузочные устройства шахтных печей / В.П. Тарасов. - М. : «Металлургия», 1974. - 312 с.
2. Голего Н.Л. Фреттинг-коррозия металлов / Н.Л. Голего, А.Я. Алябьев, В.В. Шевеля. - К. : Техника, 1974. - 296 с.
3. Маталин А.А. Технология машиностроения / А.А. Маталин. - Л. : Машиностроение, Ле-нингр. отделение, 1985. - 496 с.
4. Черноиванов В.И. Восстановление деталей машин / В.И. Черноиванов. - М. : ГОСНИТИ, 2003. - 488 с.
5. Молодик М.В. Вщновлення деталей машин / М.В. Молодик, Б.А. Лангерт, А.К. Бредун. - К. : Урожай, 1985. - 160 с.
6. Проников А.С. Надежность машин / А.С. Проников. - М. : Машиностроение, 1978. - 592 с.
7. Уманский В.Б. Упрочнение деталей металлургического оборудования / В.Б. Уманский, A.A. Костенко, Ю.Т.Худик - М. : Металлургия, 1991. - 176 с.
8. Касаткин Н.Л. Ремонт и монтаж металлургического оборудования / Н.Л. Касаткин - М. : «Металлургия», 1970. - 310 с.
9. Ткаченко Н.М. Бухгалтерський фшансовий облш на шдприемствах Украши / Н.М. Ткачен-ко - К. : А.С.К., 2000. - 784 с.
10. Григурко 1.О. Технолопя машинобудування / 1.О. Григурко, М.Ф. Брендуля, С.М. Доценко.
- Львiв : Новий свгг, 2007. - 768 с.
Bibliography:
1. Tarasov V.P. Loading devices shaft furnaces / V.P. Tarasov. - M. : "Metallurgy", 1974. - 312 p. (Rus.)
2. Golego N.L. Fretting corrosion of metals / N.L. Golego, A.J. Alyabyev, V.V. Shevely. - K. : Technique, 1974. - 296 p. (Rus.)
3. Matalin A.A. Mechanical Engineering Technology / A.A. Matalin. - L. : Engineering, Leningrad. Branch, 1985. - 496 p. (Rus.)
4. Chernoivanov V.I. Restoration of machine parts / V.I. Chernoivanov. - Moscow : GOSNITI, 2003. - 488 p. (Rus.)
5. Molodik M.V. Restoration of machine parts / M.V. Molodik, B.A. Langert, A.K. Bredun. - K. : Urogay, 1985. - 160 p. (Ukr.)
6. Pronikov A.S. Reliability of machines / A.S. Pronikov. - Mashinostroenie, 1978. - 592 p. (Rus.)
7. Umansky V.B. Hardening of the metallurgical equipment / V.B. Umansky, A.A. Kostenko Yu.T.Hudik - Moscow, Metallurgy, 1991. - 176 p. (Rus.)
8. Kasatkin N.L. Repair and installation of the metallurgical equipment / N.L. Kasatkin - M. : "Metallurgy", 1970. - 310 p. (Rus.)
9. Tkachenko N.M The accounting financial account at the enterprises of Ukraine / N.M. Tkachenko
- K. : ASK, 2000. - 784 p. (Ukr.)
10. Grigurko I.O. Technology of mechanical engineering / I.O. Grigurko, M.F. Brendulya, S.M. Dot-senko. - Lviv : Noviy svit, 2007. - 768 p. (Ukr.)
Рецензент: А.Д. Размышляев д-р техн. наук, проф. ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 21.11.2012
