CC BY
142
УДК. 621.771
Е.Г. Бузунов, И.Ю. Мезин, С.В. Зотов, А.В. Сабадаш*
ГОУВПО «МГТУ»
*ОАО "Белебеевский завод "Автонормаль" (г. Белебей")
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛЬНОЙ ОЦИНКОВАННОЙ ПРОВОЛОКИ
При управлении качеством продукции непосредственными объектами управления, как правило, являются процессы, от которых зависит качество готовых изделий. Выработка управляющих решений производится на основании сопоставления информации о фактическом состоянии управляемого процесса с характеристиками его результата, заданными программой управления [1].
К числу удобных, простых и функциональных графических моделей, применяемых в системах управления качеством, относится завоевавшая широкую популярность модель, которую предложил японский ученый Каору Исикава. Ее обычно называют диаграммой причин и следствий.
Схема Исикавы позволяет выявить и сгруппировать условия и факторы, влияющие на изучаемую проблему. Диаграмма состоит из показателя качества, характеризующего результат, и факторных показателей. Факторы, прямо или косвенно влияющие на проблему, изображены наклонными стрелками. При анализе выявляются и фиксируются все факторы. Целью схемы является отыскание наиболее правильного и эффективного способа решения поставленной проблемы [2-4].
Диаграмма Исикавы имеет универсальное применение. Так, она может быть использована при выделении наиболее значимых факторов различных технологических процессов, включая и процессы термодиффузионного цинкования стальной проволоки (рис. 1).
В условиях агрегата непрерывного горячего цинкования по типу фирмы «ICE» изготавливается оцинкованная проволока диаметром 1,65,0 мм. В производственной линии проволока разматывается с катушек, отжигается в печи с псевдоожиженным слоем, проходит участок бездымного кислотного травления, подвергается флюсованию с последующей сушкой и погружается в ванну с расплавленным цинком. После прохождения наклонной системы удаления излишнего цинка проволока подвергается парафинированию и сушке с последующей намоткой в розетты.
В процессе разработки подхода к управлению качеством оцинкованной проволоки необходимо, в первую очередь, оценить существующий уровень качества выпускаемой продукции. Оценка уровня качества продукции является основой для выработки необходимых управляющих воз-
действий на технологию. Для подробного исследования данных проблем был проведен комплексный анализ уровня качества оцинкованной проволоки на агрегате фирмы «ICE» ОАО «ММК-МЕТИЗ». В результате анализа были получены данные о различных технологических параметрах данной производственной линии. Измерения проводились на различных этапах технологического цикла и консолидировались в соответствующих базах данных.
Показателем качества цинкового покрытия служит его плотность. Среди основных факторов, влияющих на показатель качества, на диаграмме выделены: химический состав заготовки, скорость движения проволоки, химический состав расплава, температура расплава, а также температура травления. В результате анализа процесса нанесения покрытий термодиффузионным способом было установлено, что наибольшее влияние на плотность покрытия оказывают скорость движения и химический состав заготовки.
Рис. 1. Диаграмма причин и следствий для процесса нанесения цинкового покрытия на стальную проволоку
Таким образом, контролируя основные факторы, можно добиться оптимальной плотности цинкового покрытия. Для этого необходимо определить значения скорости движения проволоки в агрегате и химический состав исходной заготовки, при которых плотность цинкового по-
крытия достигнет требуемых значений.
Для исследования количественного влияния выбранных факторов на показатель качества оцинкованной продукции использовались данные, собранные на агрегате горячего цинкования фирмы «ICE» ОАО «ММК-МЕТИЗ» в период его работы на различных режимах. Всего было оценено 786 наблюдений. Исследовались такие факторы, как диаметр проволоки, скорость прохождения в агрегате, плотность цинкового покрытия, содержание углерода, марганца и кремния в стальной заготовке.
В результате проведенного регрессионного анализа было установлено, что наибольшее влияние на плотность цинкового покрытия оказывает содержание углерода в стальной проволоке. Различное содержание углерода изменяет реакцию взаимодействия стали с жидким цинком и в конечном итоге структуру, толщину и свойства образующегося покрытия. Анализ качества цинкового покрытия проволоки различного назначения показал, что с увеличением содержания углерода в проволоке, повышается хрупкость покрытия и снижается его плотность. Согласно многочисленным литературным данным, это вызвано образованием цементитных включений в стали. Повышенное содержание углерода приводит к тому, что покрытие получается хрупким и отслаивается при навивке проволоки. Для того, чтобы добиться необходимой плотности цинкового покрытия, требуется снизить содержание углерода в проволоке.
Также значительное влияние оказывает содержание марганца и кремния. При обычном способе цинкования повышение марганца и кремния в стали значительно ухудшает пластические свойства покрытия. При высоком содержании марганца и кремния слой покрытия во многом сформирован из столбчатой Z - фазы. Присутствие в покрытии толстых слоев Z - и 51 - фаз снижает его пластичность. Способность к деформации у таких покрытий низкая и при изгибающих напряжениях они легко скалываются с изделия. Установлено, что интервал содержания марганца в пределах 0,25-0,50 % оптимален для качественного нанесения покрытия. Поскольку марганец также оказывает наибольшее влияние на напряжение при 1 % удлинении, то снижение его содержания благоприятно отразится на механических свойствах проволоки.
Таким образом, для нанесения покрытия рекомендуется использовать стальную проволоку с возможно меньшим содержанием углерода, кремния и марганца. В рамках реального производства содержание указанных компонентов должно находиться на нижнем пределе марочного состава стали. Базовой маркой стали для горячего цинкования низкоуглеродистой проволоки общего назначения является сталь марки 08 по ГОСТ 1050-88. Для повышения качества оцинкованной проволоки по показателям плотности цинкового покрытия и прочности его сцепления со стальной основой целесообразно использовать проволоку из стали
марки Ст2сп(М) по ТС 14-101-580-2007, предложенную специалистами завода. Указанная сталь характеризуется более узким химическим составом, смещенным к нижним концентрационным границам по кремнию. Сравнение химических составов указанных марок стали представлено в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав сталей
Марка стали ГОСТ, ТУ Химический состав стали, %
C Si Mn S P о- М Си А1
Ст2сп (М) ТС 141015802007 0,112 0,194 0,517 0,03 0,016 0,073 0,1 0,173 0,003
Сталь марки 08 ГОСТ 105088 0,050,12 0,170,37 0,350,65 0,04 0,035 0,1 н.д. 0,25 н.д.
В отличие от проволоки из стали марки 08, изготовленной по ГОСТ 1050-88, требования к марке Ст2сп(М) не допускает значительного отклонения по химическому составу. Более узкие интервалы содержания химических элементов в стали позволяют сделать процесс нанесения покрытия более стабильным. Низкий процент содержания элементов, снижающих плотность покрытия и прочность сцепления с основой, значительно улучшит качество оцинкованной проволоки.
Методом множественной линейной регрессии установлено, что значительное влияние на качество цинкового покрытия оказывает скорость движения проволоки в агрегате. При этом поставлена задача выбора оптимального значения скорости для всего ряда диаметров. Время нахождения проволоки в ванне с расплавом должно быть достаточным для полного протекания процесса диффузии и образования необходимых же-лезоцинковых фаз. С другой стороны, скорость не должна быть слишком высокой, чтобы исключить вибрацию проволоки и появление наплывов покрытия. В процессе работы на основе теории фракталов было рассчитано требуемое для образования качественного покрытия время нахождения проволоки в расплаве.
Далее с использованием основных положений теории теплопроводности с учетом времени нагрева заготовки до заданной температуры, произведен расчет необходимой скорости движения проволоки. В результате выполненных расчетов выявлен наиболее приемлемый режим работы агрегата. Указанный режим приведен в табл. 2.
Таблица 2
Рекомендуемая скорость движения проволоки в агрегате
Диаметр Скорость движения проволоки
проволоки, мм в агрегате, м/мин
1,6 72,7
2,0 50,7
2,5 44,6
3,0 35,4
3,5 30,4
4,0 27,9
4,5 24,5
5,0 22,3
В рамках выполненных исследований предложена методика расчета и прогнозирования свойств цинкового покрытия на основе статистических моделей и теории конструктивных фракталов. Блок-схема алгоритма реализации разработанной методики для возможного ее применения в автоматизированных системах проектирования технологических процессов производства оцинкованной проволоки приведена на рис. 2.
В развитие настоящей работы был проведен ряд экспериментов по анализу различных режимов работы агрегата и использованию стальной проволоки марки Ст2сп(М). Итоги эксперимента оценивались с помощью металлографического исследования образцов оцинкованной проволоки. В результате электронного микроскопического анализа получены структуры цинкового покрытия и проведено выделение железоцинковых фаз. На рис. 3 представлен пример некачественного цинкового покрытия. Исследования проводились для проволоки диаметром 2,7 мм, изготовленной из стали марки 0,8 по ГОСТ 1050-88, поскольку для нее были получены наиболее четкие снимки железоцинковых фаз.
Следует обратить внимание на то, что сильно развита хрупкая столбчатая фаза Ее толщина составляет 7,12 мкм. Это означает, что покрытие обладает слабой адгезией к основному металлу и при эксплуатации оно начнет отслаиваться. Наиболее пластичная 5 - фаза имеет толщину максимум 2,20 мкм, которая очень мала для качественного покрытия. Фаза у в покрытии практически не наблюдается, но имеется отдельный наплыв толщиной 1,01 мкм. Тот факт, что эта фаза является очень твердой и наиболее хрупкой свидетельствует о том, что именно в этом месте произойдет разрушение покрытия при изгибе. Следует отметить, что на представленных образцах присутствует значительная неравномерность покрытия по длине и диаметру проволоки.
Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета толщины, соотношения фаз цинкового покрытия и скорости движения стальной проволоки
Рис. 3. Структура цинкового покрытия проволоки диаметром 2,7 мм из стали марки 08 по ГОСТ 1050-88
После опробывания предложенных режимов и применения стали марки Ст2сп(М) структура железоцинковых фаз изменилась. Значение пластичной фазы 5 увеличилось до 5,33 мкм. Толщина хрупкой фазы £ уменьшилась до значения 6,4 мкм (рис. 4).
Фаза п, содержащая чистый цинк, имеет равную толщину по всему диаметру проволоки. Отсутствуют наплывы покрытия. Это означает, что покрытие получилось качественным и удовлетворяет требованиям. По ГОСТ-1668-73 цинковое покрытие не должно растрескиваться и отслаиваться при спиральной навивке проволоки шестью плотными витками на цилиндрическую оправку диаметром, равным пятикратному диаметру проволоки. Это испытание исследуемый образец выдержал.
Таким образом, реализация разработанных рекомендаций позволит улучшить потребительские свойства оцинкованной проволоки, возрастет качество готовой продукции, снизится вероятность появления дефектов, связанных с недостаточным сцеплением покрытия с основой и будет достигнута требуемая толщина покрытия. Решение существующих проблем в конечном счете благоприятно отразится на затратах, связанных с появлением бракованной продукции и повысит доверие потребителей.
Рис. 4. Структура цинкового покрытия стальной проволоки, изготовленной из стали марки Ст2сп(М)
Библиографический список
1. Леонов И.Г., Аристов О.В. Управление качеством продукции. М.: Изд-во стандартов, 1986. 200 с.
2. Азгальдов Г.Г., Райхман Э.П. О квалиметрии. М.: Изд-во стандартов, 1973. 172 с.
3. Основы управления качеством продукции. Полховская Т.М., Соловьев В.П., Карпов Ю.А. Раздел 1: Качество и управление качеством продукции. М.: МИСиС, 1990. 144 с.
4. Свиткин М.З. Система общего руководства качеством как гарантия обеспечения качества на предприятии // Стандарты и качество. 1996. № 5.
УДК 620.172.21:620.178.3 Д.Н. Парышев
ЗАО «Курганстальмост, В.Я. Герасимов
ГОУ ВПО «Курганский государственный университет»
ПРОЧНОСТЬ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ ПЛОСКИХ ОБРАЗЦОВ С УГЛОВЫМИ ВЫРЕЗАМИ
Величину упрочняющего эффекта и его изменение при растяжении образцов сплошного поперечного сечения и с угловыми вырезами (рис. 1) оценивали для отожженной стали 40Х.
