Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Установление требований к качеству литейного кокса на этапе транспортировки и плавки чугуна 13
1.1 Анализ сведений о требованиях к качеству литейного кокса .13
1.2 Установление требований к качеству литейного кокса при транспортировке и плавке чугуна 23
1.2.1 Требования к качеству литейного кокса при транспортировке 25
1.2.2 Требования к качеству литейного кокса при плавке чугуна в вагранке 28
1.3 Установление взаимного влияния и оптимальных значений характеристик качества литейного кокса 33
Выводы 64
Глава 2 Установление характеристик литейного кокса, влияющих на структуру и свойства чугуна .65
2.1 Исследование влияния характеристик литейного кокса на химический состав чугуна 66
2.1.1 Исследование влияния зольности кокса на содержание кремния в чугуне 68
2.1.2 Исследование механизма восстановления фосфора при плавке чугуна 72
2.2 Исследование влияния характеристик качества литейного кокса на структуру и механические свойства чугуна 78
2.3 Исследование влияния структуры литейного кокса на его свойства .85
2.3.1 Исследование макроструктуры литейного кокса .85
2.3.2 Исследование влияния нагрева на микроструктуру литейного кокса 91
2.3.3 Исследование взаимосвязи макроструктуры и крупности литейного кокса 94
Выводы .100
Глава 3 Разработка концепции оценки и обеспечения качества литейного кокса 101
3.1 Разработка концепции оценки и обеспечения качества литейного кокса 101
3.2 Разработка методологии оценки качества литейного кокса 106
3.2.1 Разработка метода оценки качества литейного кокса с учетом нормируемых значений показателей качества по ГОСТ 3340-88 .109
3.2.2 Оценка качества литейного кокса параметрами макроструктуры 116
Выводы .119
Глава 4 Разработка и реализация методологии формирования перечня характеристик для оценки качества литейного кокса 120
4.1 Упорядочение свойств и параметров литейного кокса 121
4.2 Анализ требований потребителей к качеству литейного кокса .131
4.3 Классификация характеристик литейного кокса 135
4.4 Определение значений коэффициентов важности свойств литейного кокса 142
4.5 Определение перечня характеристик и величин характеристик качества литейного кокса 149
Выводы 151
Глава 5 Метрологическое обеспечение оценки качества литейного кокса .154
5.1 Анализ метрологического обеспечения испытаний литейного кокса 156
5.2 Разработка методики измерения электросопротивления литейного кокса 165
5.3 Разработка метода определения истираемости и абразивной способности литейного кокса .175
Выводы .182
Глава 6 Разработка организационно-методических основ добровольной сертификации продукции как инструмента оценки и обеспечения качества продукции 183
6.1 Обоснование применения добровольной сертификации продукции для повышения конкурентоспособности и обеспечения качества продукции .185
6.2 Разработка организационно-методических основ добровольной сертификации продукции 195
6.2.1 Управление качеством добровольной сертификации продукции 195
6.2.2 Анализ нормативно-методического обеспечения добровольной сертификации продукции .207
6.2.3 Разработка схем добровольной сертификации продукции 218
6.2.4 Разработка типовой организационной структуры системы добровольной сертификации продукции .238
Выводы .247
Глава 7 Разработка нормативно-методического обеспечения добровольной сертификации литейного кокса 248
Заключение 255
Список литературы 259
- Требования к качеству литейного кокса при плавке чугуна в вагранке
- Разработка метода оценки качества литейного кокса с учетом нормируемых значений показателей качества по ГОСТ 3340-88
- Разработка метода определения истираемости и абразивной способности литейного кокса
- Разработка типовой организационной структуры системы добровольной сертификации продукции
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Эффективность машиностроительного производства во многом определяется качеством литых заготовок, которое неразрывно связано с обеспечением качества исходного сырья.
Литейный кокс входит в состав шихты для плавки литейных чугу-нов в коксовых и коксогазовых вагранках, составляющих более 37 % отечественного парка чугуноплавильных печей. Получают его методом рассева каменноугольного кокса. Гранулометрический состав литейного кокса включает в основном такие классы крупности, как 40-60 мм, 60-80 мм и 80 мм и более. Литейный кокс, выполняя функцию топлива и обеспечивая плавку необходимым теплом, оказывает существенное влияние на температуру выплавляемого чугуна и на стабильность хода плавки. Доля энергозатрат и топлива в себестоимости чугунного литья составляет 55-60 %, поэтому снижение расхода кокса имеет большое значение для энергоэффективности плавки и себестоимости отливок. Кроме того, литейный кокс оказывает влияние на химический состав выплавляемого чугуна, в том числе на содержание серы и углерода. Все указанное требует обеспечения соответствующего качества для литейного кокса.
Предпочтительный для потребителей литейный кокс класса крупности 80 мм и более отличается в силу особенностей коксования от кокса классов 40-60 мм и 60-80 мм. Это связано с тем, что получаемый в процессе коксования коксовый пирог условно делят на зоны: головочная (пристеночная) часть (прилегающая к стенке камеры коксования), осевая часть (центральная часть коксового пирога), средняя часть (между головочной и осевой частями). В направлении от пристеночной части куска кокса к при-осевой части прочность и содержание серы в коксе уменьшается, а пористость – увеличивается. При дроблении коксового пирога для получения определенных классов крупности куски класса 80 мм и более содержат в основном приосевую часть, а в классе 25-40 мм – преобладают обломки пристеночной части; промежуточные классы 40-60 мм и 60-80 мм более однородны по свойствам. В то же время экспериментально подтвержденные данные строения и свойств крупного литейного кокса на сегодняшний день отсутствуют, а требования к методам оценки его качества в нормативной документации не регламентированы.
Транспортировка кокса до литейных цехов в вагонах, на конвейерах и транспортерах приводит к изменению его гранулометрического состава и влажности. Это снижает возможность получения достоверных прогнозов качества литейного кокса на этапе его применения. Поэтому необходимо установление требований к качеству и разработка методов оценки качества литейного кокса на этапе транспортировки и применения.
Обеспечение качества является частью менеджмента качества, представляющее собой деятельность, направленную на создание уверенности в том, что требования к качеству будут выполнены (ГОСТ Р ИСО 9000-2015 «Системы менеджмента качества. Основные положения и словарь»). Удостоверение соответствия продукции установленным требованиям, содействие приобретателям в компетентном выборе продукции, повышение конкурентоспособности продукции являются целями подтверждения соответствия, в том числе добровольной сертификации продукции (№ 184-ФЗ «О техническом регулировании» от 27.12.2002). Поэтому обеспечение качества продукции возможно при применении добровольной сертификации этой продукции в случае подтверждения соответствия требованиям к качеству. Однако необходима разработка соответствующих организационно-методических мероприятий, которые будут применяться и для литейного кокса.
В силу указанных сложившихся обстоятельств возникает необходимость в разработке новых подходов к оценке и обеспечению качества литейного кокса с применением процедур подтверждения соответствия и методик испытаний, максимально приближенных к условиям его применения. Таким образом, обеспечение качества литейного кокса представляет собой многогранную проблему, которая требует комплексного подхода к её решению.
Исходя из вышеизложенного, разработка методологии оценки и обеспечения качества литейного кокса с учетом особенностей его строения, свойств и условий применения является актуальной задачей. Актуальность темы исследования также подтверждается тем, что обеспечение энергоэффективности плавки чугуна в вагранке, зависящей от расхода кокса, направлено на реализацию приоритетного направления развития экономики России (Указ Президента РФ от 7 июля 2011 г. N 899 «Об утверждении приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерации и перечня критических технологий Российской Федерации», п. 8). Разделы диссертационной работы выполнялись в рамках реализации Программы стратегического развития ФГБОУ ВПО «Ярославский государственный технический университет» на 2012-2016 гг. при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Степень разработанности темы исследований. В области управления качеством и добровольной сертификации продукции опубликованы работы Г.Г. Азгальдова, Б.В. Бойцова, В.А. Васильева, В.Г. Версана, Г.С. Гуна, А.Г. Корчунова, И.А. Михайловского, В.М. Окрепилова, Г.Ш. Рубина и др.
Большой вклад в развитие теоретических основ и технологии плавки чугуна в коксовой вагранке внесли отечественные ученые И.Ф. Селя-
нин, В.А. Грачев, А.К. Юдкин, Ю.С Сухарчук. Исследованиям строения и свойств каменноугольного кокса посвящены работы таких отечественных и зарубежных авторов, как К.И. Сысков, Д.А. Мучник, Р. Луазон, Ю.Я. Филоненко, М.Л. Улановский, СИ. Пинчук, П.А. Щукин, Ф.Л. Шапиро, Б.А. Онусайтис, П.Я Нефедов и др. Однако подавляющее большинство исследовательских работ связано с металлургическим (доменным) коксом, который отличается от литейного не только крупностью, но и назначением.
Целью диссертационной работы является разработка положений по оценке и обеспечению качества литейного кокса на основе комплексного подхода для создания условий прогнозирования его влияния на структуру и свойства выплавляемого чугуна, а также энергоэффективности плавки.
Для достижения цели решались следующие задачи:
-
исследовать особенности строения и свойств литейного кокса классов крупности 60-80 мм и 80 мм и более, а также его влияние на структуру и свойства выплавляемого чугуна;
-
сформировать подход и разработать методы оценки качества литейного кокса с учетом особенностей его строения, свойств и условий применения;
-
разработать методологию формирования требований к качеству литейного кокса на этапах транспортировки и плавки чугуна в вагранке;
-
провести анализ методов испытаний каменноугольного кокса с целью определения возможности использования их результатов для оценки качества литейного кокса классов крупности 60-80 мм и 80 мм и более;
-
разработать организационно-методические основы добровольной сертификации продукции, применяемые для оценки и обеспечения качества этой продукции;
-
разработать процедуру и нормативно-методическое обеспечение добровольной сертификации литейного кокса.
Научная новизна работы.
1. Разработаны методологические основы оценки и обеспечения качества литейного кокса, включающие:
методологию формирования требований к качеству литейного кокса с учетом его влияния на структуру и свойства выплавляемого чугуна, требований потребителей, и основанную на установлении характеристик качества на этапах транспортировки и технологии плавки;
новый подход к формированию номенклатуры характеристик качества литейного кокса с применением методов стандартизации (классификация, параметрическая стандартизация), а также рекомендации по их выбору в зависимости от условий и технологии плавки;
организационно-методические основы добровольной сертификации продукции.
2. Разработаны новые методы:
испытаний литейного кокса товарной крупности, позволяющие оценить прочность при транспортировке, абразивную способность, а также структурную неравномерность;
оценки качества литейного кокса с присвоением уровней качества на основе среднестатистических данных, содержащихся в сопроводительной документации поставщиков.
-
Получены новые знания о макроструктуре поверхности и отличительных свойствах литейного кокса классов крупности 60-80 мм и 80 мм и более. Установлено, что значение структурной пористости литейного кокса класса крупности 80 мм и более возрастает на 76 %, а структурной плотности уменьшается на 40 % по сравнению с коксом класса крупности 25-40 мм; прочный кокс, устойчивый к истирающим нагрузкам, обладает повышенной абразивной способностью, причем истираемость крупного литейного кокса не зависит от массы образцов, а обусловлена исключительной его макроструктурой.
-
Установлено влияние на форму и размеры графитных включений чугуна ваграночной плавки показателей литейного кокса, влияющих на долю углерода в коксе - зольность, влажность и содержание серы.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в следующем:
разработан метод формирования номенклатуры показателей качества литейного кокса на основе классификации и с учётом требований потребителей, позволяющий установить минимальное количество необходимых показателей для оценки качества литейного кокса;
разработан метод испытаний литейного кокса, позволяющий установить прочность кокса по отношению к нагрузкам, возникающим при транспортировке, а также его абразивную способность;
установлен и статистически обоснован новый метод измерения электросопротивления литейного кокса на образцах товарной крупности, позволяющий установить содержание некачественного кокса в партии;
разработаны рекомендации по содержанию документации системы менеджмента качества, обеспечивающие эффективность по организации и обеспечению работ в области добровольной сертификации продукции в организации;
разработаны типовая организационная структура и нормативно-методическая документация системы добровольной сертификации продукции, которые могут применяться при разработке и регистрации новых систем добровольной сертификации;
результаты диссертационной работы внедрены на Ярославском электровозоремонтном заводе им. Б.Р. Бещева - филиала АО «Желдор-
реммаш», ОАО «Ярославский электромашиностроительный завод» (ОАО «ELDIN»), приняты к использованию в техническом комитете по стандартизации ТК 395 «Кокс и продукты коксохимии» (АО «ВУХИН», г. Екатеринбург), приняты к использованию Российской ассоциацией литейщиков (РАЛ) для создания Системы добровольной сертификации литейного кокса и ее регистрации в Росстандарте, используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Ярославский государственный технический университет» при подготовке обучающихся по направлениям 27.03.01, 27.04.01 – Стандартизация и метрология, 22.03.01, 22.04.01 – Материаловедение и технология материалов (уровень бакалавриата и магистратуры) и в процессе оказания консалтинговых услуг в области менеджмента качества в АО «Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем» (г. Н. Новгород).
Методология и методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием методов системного и статистического анализа, метода структурирования функции качества QFD, методологии функционального моделирования IDEF0, методов стандартизации (классификация, параметрическая стандартизация), планирования эксперимента, методов металлографического анализа, счетно-линейного метода определения макроструктурных характеристик, микроскопических методов исследования. Экспериментальные исследования осуществлялись с использованием промышленных образцов литейного кокса и технологических проб ваграночного чугуна, средств измерений и испытательного оборудования, регистрирующих характеристики с необходимой точностью.
Положения, выносимые на защиту.
-
Методология формирования требований к качеству литейного кокса, основанная на установлении характеристик качества литейного кокса на этапах транспортировки, технологии плавки чугуна в вагранке, а также с учетом влияния на структуру и свойства выплавляемого чугуна.
-
Метод формирования номенклатуры характеристик качества литейного кокса с применением методов стандартизации (классификация, параметрическая стандартизация) и с учетом требований потребителей.
-
Методология обеспечения качества литейного кокса, основанная на принципах добровольного подтверждения соответствия и требованиях потребителей.
-
Положения концепции оценки и обеспечения качества литейного кокса, основанной на системном подходе и представляющей собой совокупность планирования качества путем оценки и разработки требований к качеству; управления качеством с применением таких методов стандартизации, как систематизация, классификация и оптимизация; метрологического обеспечения испытаний; подтверждения соответствия продукции требованиям к качеству.
5. Методы измерения значений электросопротивления и испытаний для определения истираемости и абразивной способности литейного кокса товарной крупности.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов экспериментальных исследований обеспечивается использованием стандартных методов статистической обработки прямых измерений с определением погрешности измерений; апробацией основных положений диссертационной работы на международных конференциях; опубликованием в печатных изданиях; использованием современного оборудования (сканирующий электронный микроскоп Quanta 3D 200i с приставкой для рентгеновского микроанализа EDAX).
Основные положения диссертации доложены и обсуждены на меж
дународной научно-практической конференции, посвященной 20-летию
образования РАЛ, 10-летию создания журнала «Литейщик России» (г.
Санкт-Петербург, 2012 г.); Всероссийском научном семинаре «Научно-
технический прогресс в металлургии» в рамках Всероссийской научно-
практической конференции «Череповецкие научные чтения - 2011» (г. Че
реповец, 2012 г.); научно-технической конференции, посвященной 50-
летию кафедры литейных процессов и конструкционных материалов «Ли
тые материалы и ресурсосберегающие технологии» (г. Владимир, 2014 г.);
международной научно-практической конференции «Литейное производ
ство сегодня и завтра» (г. Санкт-Петербург, 2014, 2016 г.г.); научно-
практической конференции «Современное состояние науки и практики в
областях стандартизации, метрологии и управления качеством в Россий
ской Федерации» (г. Владимир, 2015 г.); съезде литейщиков России (г. Н.
Новгород, 2015 г., г. Челябинск, 2017 г.); Международной научно-
практической конференции «Наука, образование и производство – веду
щие факторы Стратегии «Казахстан-2050» (г. Караганда, 2012, 2013, 2015
г.г.); международной научно-технической конференции «Пром-
инжиниринг» (г. Челябинск, 2016 г.); V Международной конференции-школе по химической технологии (г. Волгоград, 2016 г.); Международной научной конференции «Научно-технический прогресс в черной металлургии-2017» (г. Череповец, 2017 г.); Международной научно-практической конференции «Управление качеством» (г. Москва, 2016, 2017, 2018 г.г.).
Область исследования соответствует паспорту специальности 05.02.23 – Стандартизация и управление качеством продукции: п. 2 «Стандартизация, метрологическое обеспечение, управление качеством и сертификация», п. 3 «Методы стандартизации и менеджмента (контроль, управление, обеспечение, повышение, планирование) качества объектов и услуг на различных стадиях жизненного цикла продукции», п. 4 «Квалиметриче-ские методы оценки качества объектов…», п. 8 «Совершенствование направлений сертификации продукции…».
Объект и предмет исследований. Объектом исследования являются методы оценки и обеспечения качества литейного кокса; предметом исследований – качество литейного кокса.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 работ, из них 31 статья, опубликованная в российских рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, одна монография, 2 патента.
Структура и объем диссертации. Структура диссертации включает введение, 7 глав, заключение, список литературы из 340 наименований. Текст диссертации изложен на 293 страницах и содержит 38 рисунков, 98 таблиц, 55 формул, 6 приложений на 7 страницах.
Требования к качеству литейного кокса при плавке чугуна в вагранке
Как было сказано выше, одной из задач плавки чугуна в вагранке является получение чугуна определенного химического состава и температуры. Решение этой задачи обеспечивают соответствующими шихтовыми материалами, технологией плавки, в том числе за счет выбора соответствующих показателей расхода кокса и дутья. Рассмотрим требования к коксу для обеспечения технологии плавки чугуна в вагранке. В плавке чугуна в вагранке условно можно выделить несколько этапов: загрузка и розжиг кокса холостой колоши, загрузка шихты, подача дутья, плавка чугуна. Выявим характеристики качества литейного кокса на каждом этапе для обеспечения выполнения задач плавки.
Процесс плавки начинают с загрузки и розжига кокса холостой колоши. Высота холостой колоши является одним из важнейших технологических факторов, от которого зависят производительность вагранки и температура выплавляемого чугуна [5, 31, 32]. Высотой холостой колоши называется высота столба кокса над уровнем нижнего ряда фурм, которая зависит от свойств кокса, количества подаваемого воздуха и его давления [5]. Уровень холостой колоши должен быть выше уровня фурм. Значительное снижение высоты холостой колоши из-за длительного и интенсивного розжига приводит к снижению температуры металла в начале плавки [34]. По одним данным уровень холостой колоши должен быть на 1200-1500 мм выше фурм независимо от диаметра вагранки и применяемого давления дутья [26, 31], по другим - кокс загружают выше оси форм на 500-700 мм [24]. Кроме того, высота холостой колоши зависит от давления дутья.
Скорость выгорания кокса холостой колоши в целом определяет производительность вагранки Р, которую можно рассчитать по формуле [35]
Продолжительность розжига зависит от температуры воспламенения кокса, которая в свою очередь зависит от плотности или пористости [33], а также от содержания углерода кокса. Розжиг продолжается 3-4 часа. При принудительной тяге период розжига может быть сокращен до 1,5-2 часов [5, 31].
Как правило, для холостой колоши применятся крупный кокс размером 100-150 мм [5, 26]. Эффективность использования кокса в вагранке для обеспечения необходимой температуры чугуна в значительной степени определяется содержанием углерода, которое повышается с понижением значений зольности и количества летучих, а также с понижением влажности кокса. Кроме того, как было указано выше, для розжига холостой колоши, и вообще для обеспечения высокой температуры чугуна, большое значение имеет как крупность кокса, так и равномерность по крупности [1, 4, 25].
На подготовленную холостую колошу загружают первую металлическую колошу с добавлением флюса, на нее первую рабочую коксовую калошу и далее вплоть до загрузочного окна вагранки [24]. Габаритные размеры материалов не должны превышать 1/3 диаметра вагранки [33], масса – не более 35-40 кг, для больших вагранок – не более 70 кг [5]. Масса металлической части колоши принимается равной 1/10–1/12 (1/8-1/10 [5]) часовой производительности печи. Масса рабочей коксовой колоши должна составлять 8-14 % от металлической [26, 31] и иметь слой толщиной 150-200 мм [5, 26].
Таким образом, при загрузке вагранки на куски кокса падают тяжелые куски металлической части шихты, что способствует разрушению и появлению дополнительно мелких классов крупности кокса, поэтому кокс должен обладать прочностью к ударным нагрузкам.
Дутье в вагранку подают сразу же после окончания завалки первого столба шихты и устанавливается в размере 40-50 % от оптимального. При правильном ведении розжига первые капли металла появляются у фурм через 15-20 мин, после этого давление дутья увеличивается до оптимального. Первый выпуск металла производят в зависимости от конструкции вагранки, емкости горна или копильника через 15-40 мин после появления первых капель у фурм [31]. При более интенсивном дутье необходимо давать больше кокса, чтобы не допустить спекания верхнего уровня холостой колоши, так как это может резко снизить температуру чугуна и ухудшить его качество [26]. Для повышения эффективности плавки в коксовую насадку вагранки могут вдувать пылевидное топливо. Вдувают пылеугольное топливо на базе низкозольных тощих углей с содержанием золы 16 % с размером частиц 0,03-0,075 мм в вагранку с тремя рядами фурм через нижний ряд. Для повышения температуры чугуна на 20-30 0С необходимо дополнительно вдувать кислород в количестве 2-3 % от общего расхода дутья [36].
Дальнейший ход плавки зависит от правильного соотношения количества подаваемого воздуха и расхода кокса. Норма подачи воздуха в вагранку составляет в среднем 100-130 м3/(м2мин), а в отдельных случаях 160-180 м3/(м2мин) [26].
Выплавленный чугун должен иметь определенную температуру, которую обеспечивают в вагранке в результате сжигания кокса при подводе дутья. Температура, следовательно, является функцией взаимодействия кислорода воздуха и углерода кокса. Для обеспечения температуры чугуна 1400-1450 0С необходимо подать для вагранки производительностью 9 т/м2ч количество дутья 90-105 м3/(м2мин) [12]. По данным [32] увеличение расхода кокса с 8-10 % до 12-14 % повышает температуру металла на 60-100 0С. При увеличении расхода дутья уровень начала расплавления поднимается, а уровень его окончания – снижается.
На реакцию взаимодействия кокса и дутья влияет значение реакционной способности кокса. Снижение реакционной способности кокса замедляет его реакцию с воздушным дутьем в области фурм. Это обеспечивает более высокую кислородную зону в этой области, и концентрацию высоких температур в ограниченном объеме по высоте печи в области над фурмами. Повышенная реакционная способность кокса приводит к более низкой температуре реакции СО2 с углеродом. При этом возрастает истираемость кокса и увеличивается количество коксовой мелочи [4]. Считается, что нижним пределом реакционной способности литейного кокса должна служить горючесть его при холодном дутье [2].
Вагранка предназначена не только для расплавления чугуна, но и для перегрева его до температуры, при которой обеспечивается заливка литейных форм и получение качественных отливок. Поэтому для обеспечения высоких температур необходимо полное сгорание углерода до углекислого газа. Однако углекислый газ способен окислять элементы чугуна, что ухудшает его качество. Установлено, что нормальное соотношение CO2:CO в газах вагранки составляет приблизительно 2:1, при этом 2/3 углерода окисляется до углекислого газа и 1/3 – до оксида углерода [5]. Содержание CO и CO2 в отходящих газах колеблется в широких пределах в зависимости от качества (влажности и зольности) и расхода кокса, температуры, количества дутья и ряда других причин [31]. Наибольшему содержанию СО2 (более 10 %) соответствует наиболее высокая температура газов (более 1700 0С) [2, 5].
Горение кокса характеризуется теплотой сгорания, которая уменьшается в основном с повышением влажности и зольности. При влажности кокса 2-3 % и зольности 9-10 % теплота сгорания составляет в среднем 29,3 МДж/кг [2].
Расход кислорода дутья зависит от размеров кусков кокса. При одной массе завалки, чем – мельче кокс, тем больше развита его поверхность, и больше кислорода необходимо затратить на горение кокса [33]. Кроме того, куски литейного кокса должны быть близких размеров. Это способствует их равномерному распределению по сечению вагранки и создает благоприятные условия для распределения газов [26, 21]. Повышенная открытая пористость обеспечивает повышенную горючесть [28].
Таким образом, основные требования к литейному коксу при плавке чугуна включают: обеспечение плавки необходимым теплом, обеспечение дренажной способности и снижение расхода кокса. Процессы горения углерода кокса зависят от содержания углерода, пористости и крупности. Увеличение содержания углерода способствует выделению большего количества тепла, а снижение пористости и увеличение крупности уменьшает величину поверхности взаимодействия окислительного газа с куском кокса и, тем самым, обеспечивает создание высоких температур в узкой зоне плавления. Обеспечение дренажной способности кокса происходит за счет равномерного распределения кусков кокса примерно одинакового размера по диаметру печи. Поэтому появление мелочи из-за низкой прочности, в том числе, «горячей прочности», а также неравномерный по крупности кокс будут способствовать снижению дренажной способности кокса. На технологический процесс плавки чугуна в вагранке влияют такие характеристики качества литейного кокса, как крупность, зольность, количество летучих веществ, влажность, прочность при ударных нагрузках, реакционная способность, пористость. Влияние характеристик кокса на химический состав выплавляемого чугуна рассмотрены в третьей главе.
Разработка метода оценки качества литейного кокса с учетом нормируемых значений показателей качества по ГОСТ 3340-88
Оценить качество литейного кокса возможно путем наличия доказательства соответствия требованиям ГОСТ 3340-88 [11] или ТУ [86, 87] на литейный кокс. Таким доказательством, как правило, является сертификат качества на партию литейного кокса, в котором содержатся значения показателей качества данной партии. Поскольку в нормативной документации [11, 86, 87] указаны предельные значения показателей качества литейного кокса, то задача поставщиков не превышать (не снижать) данные значения. Поэтому показатели поставляемого литейного кокса, как правило, и соответствуют этим предельным значениям. Тем не менее кокс, соответствующий требованиям нормативной документации [11, 85, 86] может существенно отличаться от партии к партии, а также иметь низкое качество для плавки чугуна. В этой связи данный способ оценки качества литейного кокса, который наиболее часто встречается на предприятиях, может быть эффективным при условии наличия в нормативной документации показателей, объективно характеризующих качество литейного кокса.
Качество литейного кокса по ГОСТ 3340-88 [11] определяется такими показателями, как массовая доля общей серы (, %) – не более 0,6 %; зольность (, %) – не более 12 %; массовая доля общей влаги в рабочем состоянии топлива (, %) – не более 5 %; показатель прочности (М40, %) – не менее 73 %; массовая доля кусков размером менее нижнего предела, в том числе размером менее 40 мм (%) – не более 6 %.
Значения показателей качества поставляемого литейного кокса, соответствующего требованиям ГОСТ 3340-88 [11], не являются стабильными. Например, по данным 46-ти сертификатов качества на литейный кокс марки КЛ-1, поставляемый от одного поставщика на предприятие Ярославской области в 2009 году, массовая доля общей влаги варьирует в течение года от 4,0 до 5,0 %, зольность – от 9,9 до 12,0 %. Значение общей серы в коксе составляет от 0,42 до 0,48 %, показатель прочности – от 73,0 до 73,6 % и массовая доля кусков менее 40 мм – от 5,5 до 5,9 %.
Колебание состава кокса, как составляющей шихты, приводит к нестабильности состава выплавляемого чугуна. Ранжирование кокса по показателям качества позволит обеспечить упорядочение свойств кокса при смене поставщика, а также вносить корректировки в расчет шихты для постоянства состава при выплавке чугуна.
Ниже представлена методика, по которой качество литейного кокса оценивают с присвоением ему уровня качества: отличное качество, хорошее качество, удовлетворительное качество и неудовлетворительное качество для кокса, несоответствующего установленным требованиям в ГОСТ 3340-88 [11] хотя бы по одному показателю. Причем, для каждого уровня качества литейного кокса определяют интервалы значений показателей качества.
Оценку качества литейного кокса реализовать с помощью программы Microsoft Excel за несколько этапов (рисунок 3.4) [186].
На первом этапе определяют период выборки данных сертификатов качества на литейный кокс, например, один год. Затем внести данные показателей качества литейного кокса из сертификатов в сводную таблицу с использованием программы Microsoft Excel.
На следующем этапе определяют интервалы значений для каждого показателя литейного кокса «хорошего» качества. Для этого, используя рекомендации национального стандарта ГОСТ Р 50779.22-2005 (ИСО 2602:1980) [187] и программы Microsoft Excel, определяют для каждого показателя качества кокса доверительный интервал для среднего значения (доверительная вероятность - 95% или 0,95). Полученные значения доверительного интервала хmax и xmin (таблица 3.1) будут соответствовать «хорошему» качеству кокса.
Зная, интервалы значений для показателей, соответствующих «хорошему» качеству кокса, определяются интервалы значений для «отличного» и «удовлетворительного» качества. Значения показателей качества кокса, которые больше хmax (для показателя прочности М40 – меньше xmin), соответствуют «удовлетворительному» качеству. Значения показателей качества кокса, которые меньше xmin (для показателя прочности М40 – больше хmax), соответствуют «отличному» качеству. Таким образом, устанавливают интервалы значений показателей качества литейного кокса для каждого уровня качества (таблица 3.2).
Далее определяют интервалы значений для каждого уровня качества литейного кокса с учетом всех показателей. Для этого необходимо установить значимость каждого показателя. Коэффициенты значимости каждого показателя зависят от требований к чугуну и должны устанавливаться экспертным путем непосредственно потребителями-литейщиками. Например, с учетом того, что основная роль кокса заключается в обеспечении необходимой температуры и химического состава чугуна, устанавливают коэффициенты значимости для показателей качества кокса следующим образом (сумма коэффициентов значимости для всех показателей равна 1):
Результаты расчетов показали, что в течении года наблюдается изменение качества поставляемого кокса даже от одного поставщика. Например, в январе 2009 года уровень качества поставляемого на предприятие литейного кокса составил 4,65; в феврале – 4,60; апреле – 4,80; мае – 3,90; июне – 3,75; июле – 3,30; августе – 3,80; сентябре – 3,40; октябре – 3,50; ноябре – 3,85; декабре – 3,45.
Далее, используя рекомендации национального стандарта ГОСТ Р 50779.22-2005 (ИСО 2602:1980) [187] и программу Microsoft Excel, определяют интервал значений для кокса «хорошего» качества, соответствующий доверительному интервалу для среднего значения (вероятность принимается 95%). По результатам расчетов кокс «хорошего» качества имеет интервал значений уровня качества от 3,55 до 4,27. Кокс будет иметь «отличное» качество, если расчетное значение уровня качества литейного кокса УК 4,27; удовлетворительное – если УК 3,55.
Приведем пример оценки качества литейного кокса.
Данные сертификата качества на партию кокса содержат следующие значения показателей качества: массовая доля общей влаги, , % – 4,3; зольность, , % – 10,5; массовая доля общей серы, , % – 0,45; показатель прочности, М40, % – 73,2; массовая доля кусков размером менее нижнего предела, %, в том числе размером менее 40 мм, % – 5,8.
Определим уровень качества поставляемого кокса для каждого показателя используя данные таблицы 3.2: массовая доля общей влаги – «отличное» качество; зольность – «отличное» качество; массовая доля общей серы – «отличное» качество; показатель прочности – «удовлетворительное» качество; массовая доля кусков размером менее нижнего предела, в том числе размером менее 40 мм, % – «хорошее» качество.
С учетом коэффициентов значимости для каждого показателя рассчитаем значение категории качества литейного кокса 0,355+0,255+0,153+0,154+0,15=4,55.
Сравниваем полученное значение категории качества кокса со значениями доверительного интервала (4,55 4,269) и получаем категорию качества литейного кокса – «отличное».
Таким образом, проведенный анализ данных сертификатов качества поставляемого литейного кокса за определенный период, например, за год, позволяет установить интервалы значений для каждого уровня качества, как для каждого показателя, так и для кокса в целом и, тем самым оценить его качество (таблица 3.3).
Разработка метода определения истираемости и абразивной способности литейного кокса
Истираемость каменноугольного кокса определяют различными способами. В одном случае истираемость после реакции с диоксидом углерода характеризуется отношением массы кокса, прошедшего через сито 0,5 мм, к массе кокса, оставшегося после реакции и подвергнутого механической обработке в барабане [38, 91] в процентах, в другом – выходом класса менее 10 мм после механической обработки в барабане [92]. В любом случае сущность этих методов заключается в определении образования коксовой мелочи после обработки в барабане, которая имитирует условия пересыпания и способствует разрушению кокса в основном под воздействием ударных нагрузок. При этом методы определения истираемости кокса при условиях, в которых имитируют движение кокса по ленте транспортера, конвейеру или в шахте печи, в виде утверждённого стандарта в настоящее время отсутствуют.
Знание показателей абразивной способности литейного кокса имеет значение для оценки возможной стойкости футеровки вагранки. Однако стандартных методов, позволяющих оценить абразивную способность кокса в настоящее время также нет. Метод определения абразивной способности разработан для углей [268] с целью определения износа деталей и узлов конвейерного, дробильного и складирующего оборудования. Сущность метода заключается в определении массового износа четырех стальных ножей, вращающихся при определенных условиях в горизонтальной плоскости лабораторной мельницы в твердом топливе массой 2 кг. Истирающая способность выражается потерей массы металла на кг топлива.
В представленной работе предложен новый метод испытаний, позволяющий оценить истираемость и абразивную способность литейного кокса [269-271].
Для проведения испытаний отбирали образцы литейного кокса классов крупности 40-60 мм (20 образцов) и 60-80 мм (14 образцов) из четырех партий (260/1; 343; 38/3; 3436/4), поставляемых на одно из предприятий г. Ярославля (таблица 5.4). Испытания проводили на базе испытательного центра ОАО «Ярославский завод «Красный маяк»» на вибрационной установке (рисунок 5.1). Она включает в себя верхнюю и нижнюю плиты, соединенные четырьмя пружинами (рисунок 5.1, а). На верхней плите стенда установлен электромеханический вибратор общего назначения модели ИВ-107А (рисунок 5.1, а). На верхней крышке вибратора вмонтировано приспособление в виде закрытой коробки (рисунок 5.1, а). Внутренняя поверхность коробки (боковые стенки и крышка) обшита резиновыми прокладками для исключения контакта образца кокса с внутренней поверхностью коробки во время испытания. Для определения абразивной способности литейного кокса в приспособлении вибрационной установки на дне коробки двумя винтами плотно закреплена алюминиевая пластина (рисунок 5.1, б). Поскольку литейный кокс обладает достаточной твердостью, оценка абразивной способности должна была осуществляться с применением материала меньшей твердости, поэтому использовалась пластина из алюминия.
Колебания по осям X, Y и Z составляют соответственно 1,50; 0,06 и 0,70 мм; действительная суммарная амплитуда колебаний вибрационной установки при проведении испытаний – 1,6 мм. Технические характеристики составных частей вибрационной установки приведены в таблице 5.17.
При определении абразивной способности образцов литейного кокса класса 40-60 мм применяли алюминиевые пластины с размерами 60х42х5 мм (класс А), а для образцов кокса класса 60-80 мм – с размерами 70х50х5 мм (класс Б). Выбор размеров алюминиевых пластин обусловлен достижением примерно одинаковой площади контакта поверхности образцов кокса с пластинами, пропорциональной классу размеров образцов кокса. Рабочая поверхность пластины была подвергнута механической обработке шлифованием. Твердость рабочей поверхности пластин составила 41…46 НВ. Массу пластин до и после испытаний определяли взвешиванием на лабораторных равноплечих весах модели ВЛР-200 г.
При проведении испытания вибратором создавали колебания, вынуждавшие образец кокса подвижно контактировать с алюминиевой пластиной. Прижим образца кокса к пластине обеспечивли силой его тяжести. Время испытания составляло 30 минут. По окончании испытания образец кокса и пластина извлекали из приспособления, очищали от коксовой пыли путем обдува сжатым воздухом и взвешивали.
В процессе испытаний происходила потеря массы как образца кокса, свидетельствующая об его истираемости, так и алюминиевой пластины, характеризующая абразивную способность кокса. Потери образцов кокса (тк, г) и пластины (иш, г) после испытаний рассчитывали по формулам
Результаты испытаний литейного кокса класса 40-60 и 60-80 мм представлены в таблице 5.18.
Как видно из данных таблицы 5.18, полученные значения истираемости и абразивной способности кокса после испытаний согласуются с показателем прочности М40: чем выше прочность литейного кокса, тем меньше он подвергается разрушению при истирающих нагрузках, и тем большей абразивной способностью он обладает. При этом кокс класса 60-80 обладает большей абразивной способностью, чем кокс класса 40-60. Для исключения влияния большей массы образцов кокса класса 60-80 при испытаниях, был проведен анализ зависимости массы на истираемость и абразивную способность литейного кокса (таблица 5.19).
Как видно из данных таблицы 5.18 и 5.19, истираемость литейного кокса не зависит от массы образцов и связана с механическими свойствами вещества кокса. Наибольшая корреляционная связь наблюдается между массой образцов и абразивной способностью кокса класса 40-60 мм, а также между массой и абразивной способностью кокса независимо от класса размеров кусков. Кроме того, можно отметить корреляционную связь между значениями истираемости и абразивной способностью кокса именно класса 60-80. Это может быть объяснено особенностями пористого строения кокса класса 60-80. В любом случае высокая абразивная способность литейного кокса класса 60-80 может вызывать разрушение футеровки вагранки.
Таким образом, предложенный метод испытаний позволяет оценить истираемость и абразивную способность литейного кокса, а также прогнозировать степень его разрушения в условиях транспортировки и движения в шахте вагранки.
Известно [99], что истираемость кокса зависит от его пористой структуры кокса. Поэтому были проведены исследования по определению параметров макроструктуры образцов литейного кокса.
Определение макроструктурных характеристик осуществляли по формулам (39)-(41). Результаты измерений параметров макроструктуры литейного кокса различных партий представлены в таблице 5.20. Кокс 343-ой и 38/3-ей партии вообще имеет отличное строение от кокса 260/1-ой и 3436/4-ой партий. Этот кокс характеризуется большим количеством пор на единице длины поверхности, чем кокс 260/1-ой и 3436/4-ой партий. Кроме того, кокс 3-ей партии имеет на поверхности наименьшее количество мелких пор и наибольшее количество крупных пор, большее количество мелких стенок размером 0,1 мм. Подобное строение может привести к большему разрушению при испытаниях на истирающие нагрузки при сохранении абразивной прочности, которая может иметь отношение к прочности материала кокса, а не к его макроструктуре.
Таким образом, были проведены исследования литейного кокса по установлению способности сопротивляться разрушению при истирающих нагрузках, позволяющих прогнозировать степень разрушения литейного кокса при транспортировке, а также его абразивную прочность. Выявлено, что прочный кокс более устойчив к истирающим нагрузкам, однако такой кокс обладает повышенной абразивной прочностью. Стойкость литейного кокса к истирающим нагрузкам зависит от параметров пористой структуры поверхности.
Разработка типовой организационной структуры системы добровольной сертификации продукции
В настоящее время в России функционирует достаточно большое количество систем добровольной сертификации (СДС) в различных отраслях промышленности и сферах деятельности [311-317].
СДС могут создаваться (разрабатываться) юридическим лицом и (или) индивидуальным предпринимателем, несколькими юридическими лицами и (или) индивидуальными предпринимателями [318]. Кроме того, разработчиками СДС могут быть федеральные органы исполнительной власти [319, 320], различные общественные объединения и ассоциации. В соответствии с ФЗ-№ 184 [318] именно создатели (разработчики) СДС устанавливают перечень объектов, подлежащих сертификации, и их характеристик, на соответствие которым будет осуществляться добровольная сертификация; правила выполнения предусмотренных этой СДС работ и порядок их оплаты, определяют участников и условия применения знака соответствия СДС.
В общем виде СДС представляет собой совокупность правил выполнения работ по сертификации, ее участников и правил функционирования системы сертификации в целом [318] (рисунок 6.13). Проведя анализ основополагающих документов (более 20-ти СДС), было выявлено наличие большого многообразия структурных составляющих в СДС и дублирования функций между участниками СДС. Разработка оптимальной организационной структуры типовой СДС (Системы) осуществлялась с учетом распределения функций между всеми участниками Системы, которая может использоваться при создании новых СДС [321].
Первоначально были определены функции разработчика (-ов) СДС, которые могут и не являться участниками Системы. Функциями разработчиков Системы в общем виде являются:
- установление перечня объектов сертификации;
- установление характеристик объектов сертификации, соответствие которых будет подтверждаться при сертификации;
- установление правил проведения работ по добровольной сертификации объектов в Системе;
- разработка организационной структуры Системы;
- разработка целей, задач и общей политики Системы.
К участникам СДС относятся:
1) центральный орган СДС (далее – ЦО);
2) органы по сертификации;
3) испытательные лаборатории (далее – ИЛ);
4) заявители (изготовители, продавцы).
В структуру ЦО СДС должны входить координационный совет (далее – КС), апелляционная комиссия (далее – АК), научно-методический центр Системы (далее – НМЦ), а также экспертная комиссия (далее – ЭК). Матрица распределения функций между участниками СДС представлена в таблице 6.13. Организационная структура типовой СДС (см. рисунок 6.14), а организационная структура центрального органа СДС представлена на рисунке 6.15.
Необходимо отметить, что ЦО СДС создается разработчиками, а вот ОС и ИЛ привлекаются разработчиками в СДС. При этом необходим механизм уполномочивания ОС и ИЛ для работы в СДС, который должен включать обязательные требования к аккредитации испытательных лабораторий в национальной системе аккредитации, включаемых в СДС.
Основополагающим документом СДС являются правила функционирования СДС и документ, утверждающий изображение знака соответствия Системы и порядок его применения (при наличии) [322].
Правила функционирования СДС должны включать:
- полное и сокращенное (при наличии) наименование СДС;
- перечни объектов с кодами по общероссийским классификаторам, требования к объектам, подтверждаемые при сертификации, документы, содержащие эти требования;
- правила проведения работ по добровольной сертификации (порядок сертификации, схемы сертификации, взаимодействие ОС с заявителем (заявка насерти-фикацию, форма СС), требования к СС, порядок оплаты работ, порядок рассмотрения апелляций);
- организационную структуру СДС, включающую участников, обеспечивающих управление Системой и сертификацию, а также структурные элементы, осуществляющие вспомогательные работы в СДС (методическое обеспечение, обучение экспертов и т.д.), функции всех участников (функции ОС в соответствии с № 184-ФЗ [317]), описание механизма уполномочивания участников для работы в СДС.
Таким образом, разработана оптимальная модель СДС, содержащая организационную структуру и функции всех участников, которая может применяться при создании новых СДС [323-325].