К.ф.-м.н. Анахов С.В.

Российский государственный профессионально-педагогический университет, Екатеринбург, Россия

Д.т.н. Пыкин Ю.А.

Уральский государственный лесотехнический университет,

Екатеринбург, Россия

Шакуров С.А.

ООО НПО «Полигон», Екатеринбург, Россия

Елькин В.А.

Уральский государственный экономический университет,

Екатеринбург, Россия

Русаков И.В.

Российский государственный профессионально-педагогический университет, Екатеринбург, Россия

Об экономической эффективности применения узкоструйной плазменной технологии в разделке трубного проката.

Плазменные технологии - незаменимый инструмент для решения широкого класса задач, требующих быстрого и высокоэнергетичного воздействия на материал. Тенденцией последнего времени становится поиск технологических решений, позволяющих использовать эффекты высокотемпературного плазменного воздействия, как в сварочных технологиях для процессов резки, сварки и др., так и в экологических целях для переработки и термического обезвреживания небезопасных с экологической точки зрения бытовых и промышленных отходов [1]. Однако и те сферы, в которых применение плазмотронов давно доказало свою значимость, требуют пристального внимания со стороны современных требований, предъявляемых к разработке плазменной техники. Среди них первоочередное внимание заслуживают процессы плазменной резки листового и трубного металлопроката, являющиеся жизненно важными технологиями для специфичных в Уральском федеральном округе металлургических и машиностроительных отраслей промышленности.

Для иллюстрации эффективности внедрения плазменных технологий по экономическим критериям сошлемся на опыт модернизации Синарского трубного завода (г. Каменск-Уральский). Проведенная в начале 90-х годов замена на основной технологической линии устаревших трубоотрезных станков оборудованием для воздушно- плазменной резки труб обеспечила реальный рост выпуска трубной продукции, достигший 300 тысяч тонн готовой продукции в год. В настоящее время плазменное оборудование, оснащенное плазмотронами марки ПМВР-М (производитель - НПО «Полигон», г. Екатеринбург), продолжает успешно работать, обеспечивая выпуск трубной продукции в объеме до 500 тысяч тонн в год. Фактически, установки плазменной резки, являясь составной частью технологии производства труб, обеспечивают увеличение производительности процесса и снижают его себестоимость, так как позволяют выполнять большое количество производственных операций. Кроме того, процесс характеризуется значительным снижением операционных расходов, сокращает потенциальные убытки, связанные с соблюдением норм и правил техники безопасности, что делает его экономически выгодным в сравнении с другими общепринятыми (в первую очередь, механическими) технологиями разделки металлопроката.

За последние 10 лет в плазменных процессах произошли качественные изменения, связанные с внедрением более эффективной и качественной технологии «точной плазмы», реализованной в продукции «HighFocus» фирмы Kjellberg или HyPerformance фирмы Hyperterm. В качестве отечественного конкурента плазмотронам этих фирм выступают плазменные резаки ПМВР-5.2, работающие по сходной технологии, получившей на нашем рынке название «узкоструйной плазмы» (УСП). В основе данной технологии заложен принцип распределения плазмообразующего газа – на формирующий плазменную струю и на стабилизирующий плазменную дугу. Применение данной технологии обеспечивает более высокий тепловой КПД плазменной дуги [2] и повышенные показатели распределённой мощности дуги и удельной динамической составляющей плазменной струи по сравнению с «обычной плазмой». В результате резка металла выполняется с большей точностью и производительностью при меньших значениях тепловой мощности (тока и напряжения) дуги. Вследствие этого снижаются энергозатраты и материальные потери за счет уменьшения требуемой, как правило, дальнейшего механического удаления, зоны термического влияния разрезаемого металла.

На примере резки трубы 159×14 ГОСТ 550-75 можно показать, что сравнительные характеристики её разделки по УСП технологии имеют качественно лучшие показатели, чем при резке «обычной плазмой» с источником питания АПР-404. Экономия металлозатрат достигается за счет уменьшения ширины реза (с 6-7 мм до 4-5 мм) и величины зоны структурных превращений на торце трубы (с 10-12 до 4-6 мм). В результате массовый расход металла (в расчете на один рез трубы) за счет более узкой ширины реза будет снижен с 0,156 ¸ 0,182 кг при резке «обычной плазмой» до 0,104 ¸ 0,130 кг по предлагаемой УСП технологии, то есть на 20 ¸ 75%. С учетом того, что производительность процесса резки, есть не что иное, как объём расплавляемого и удаляемого (выдуваемого) металла из зоны резки, можно сделать вывод, что повышение скорости резки может составлять от 20 до 75 % по сравнению с базовым вариантом. Уменьшение массового расхода на этапе механической обработки торцов кромок трубы под сварку может составить от 66 до 300% (0,260 ¸ 0,312 кг при «обычной» и 0,104 ¸ 0,156 кг при «узкоструйной плазменной» резке) за счет меньшей ширины зоны термического влияния. Суммарное значение потерь металла с одного реза одной трубы дает экономию металла от »0,45 кг (по базовой технологии) до »0,24 кг (по технологии УСП).

Использование специализированного источника питания и высококонцентрированной плазменной дуги, генерируемой энергосберегающим плазмотроном с двойным вихревым обжатием позволяет почти в 3 раза снизить потребляемую электрическую мощность (с »50 кВА (источник питания АПР-404: ток 340 А, напряжение 150 В) до »17 кВА (ток 130 А, напряжение 130 В)). Дополнительная экономия энергозатрат (в 1,6¸3 раза) достигается также за счет меньшего объема механической обработки при удалении металла из зоны структурных превращений. Годовой эффект экономии металла (в расчете по цене металлолома) может составить до 2,5 млн. рублей (на одну установку) при объемах резки »220 тыс. труб. За счет повышения энергоэффективности процесса при тех же объемах производства можно дополнительно сэкономить около 80 МВт×ч электроэнергии (при работе одной установки). Не лишним будет также учет »50 тыс. рублей за счет экономии расходных деталей (резцов) из-за меньшего объема механической обработки торцов труб.

Автоматизацию процесса плазменной резки можно проводить на базе трубоотрезного станка (например, Ф0004), путём его дооснащения рольгангом и системой подачи. Второй вариант предусматривает использование фаскоснимателя типа Ф-50/160 вместе с поворотным краном и стеллажом для труб с модернизацией каретки для плазмотрона и рядом других работ, связанных со спецификой плазменной резки. Стоимость подобных проектов модернизации при внедрении 2-х комплектов плазменных установок с пусконаладочными работами и отработкой технологии – около 7 млн. рублей. В случае покупки новых станков затраты возрастают: по первому варианту – до 32, по второму - до 13,5 млн. рублей.

По нашему мнению, использование «узкоструйной» плазменной технологии позволяет также существенно снизить негативное влияние и ряда вредных и опасных факторов, сопутствующих плазменным процессам. В частности, внедрение данной технологии позволяет понизить, как правило, сверхнормативное шумоизлучение плазмотронов на 6-12 дБ [3] за счет уменьшения длины интенсивно излучающего высокоскоростного ядра плазменной струи и её экранирования потоком внешней струи с меньшей скоростью истечения из кольцевого сопла внешнего контура. Работа на существенно меньших токах помимо улучшения энергоэффективности снижает также уровень требований по электробезопасности технологии и уменьшает интенсивность электромагнитного излучения в различных диапазонах воздействия. Кроме того, малая ширина реза позволяет существенно, без использования экранирующих и поглощающих устройств, понизить объем выделения вредных веществ в пространство рабочей зоны, а также улучшить показатели экономичности процесса.

В заключении авторы хотят особо подчеркнуть необходимость комплексной оценки преимуществ и недостатков той или иной плазменной технологии и оборудования. Помимо стоимостных показателей следует учитывать параметры эффективности, качества и безопасности, в конечном счете (с учетом социальной эффективности) также влияющие на себестоимость получаемого в результате применения технологии результата. Для повышения конкурентоспособности своей продукции российским разработчикам плазменного оборудования в своей работе следует учитывать весь комплекс упомянутых выше критериев.

Наметившаяся тенденция выхода из кризиса 2009 года даёт возможность большинству предприятий трубного профиля реализовать свои инвестиционные программы путем внедрения действительно современных и эффективных технологий. Плазменная резка труб, особенно в «узкоструйном» варианте применения, будет в этом случае оптимальным выбором.

Литература:

1. Анахов С.В., Пыкин Ю.А. Плазменные технологии для экологизации производств// Безопасность в техносфере, 2011, №5. С. 45-53.

2. Анахов С.В., Пыкин Ю.А., Матушкин А.В., Шакуров С.А. Газодинамические особенности проектирования плазмотронов// Сварочное производство, 2011, №12, с.10-15.

3. Анахов С.В., Пыкин Ю.А., Матушкин А.В. Особенности профилирования газовоздушных трактов малошумных плазмотронов//Сварочное производство, 2011, №6, с. 40-44.