ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

«Производство концентрата закалочной среды (ПК-2) применяемой на машиностроительных предприятиях для термообработки взамен минеральных масел»

Рекомендуемая область пременения

Термообработка металлов на:
- на машиностроительных и металлургических предприятиях;
- ремонтно-механических заводах и подразделениях этого профиля предприятий всех отраслей промышленности взамен минеральных масел.
Закалка:
- крепежа;
- медицинского, стоматологического и слесарно-монтажного инструмента;
- деталей судостроения, сельскохозяйственной и автомобильной техники;
- комплектующих нефтяного оборудования и насосов;
- ремонтного железнодорожного оборудования;
- изделий спортивного назначения,
- метал¬лопроката.
- при использовании некоторых специальных техноло¬гических приемов возможна закалка изделий из высоколегированных инструментальных и штамповых сталей.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – разработка современных высокоэффективных и экологичных технологий, повышение эксплуатационного ресурса изделий в обычных условиях и при отрицательных температурах.

На сегодняшний день закалочная среда используется для термообработки или проходит апробацию на следующих предприятиях: Локомотивное депо "Слюдянка" ВСЖД, ОАО "ПО "Усть-Илимский ЛПК", ЗАО "Улан-Удэстальмост", ЗАО "Завод 'Теплоприбор-комплект" (Улан-Удэ), ГП "Новосибирский злектровозоремонтный завод", ОАО "Николаевский-на-Амуре судостроительный завод". Большую заинтересованность к закалочной среде ПК-2 проявили ряд машиностроительных предприятий Китая. В институт также поступают заявки на наработку и поставку смазочно-охлаждающей жидкости на основе концентрата ПК-2.

Исходя из запросов, основной целью проекта является резкое увеличение  производства концентрата ПК-2. Это позволит не только выполнить все заявки по

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

В настоящее время применяются закалочные среды, представ­ляющие собой водный раствор полиакриламида. Однако ввиду изменения охлаждающей способности в процессе эксплуатации известная среда пригодна лишь для по­верхностной закалки.

Известна также закалочная среда на водной основе с добавками сополимеров акриламида с акриловой кислотой и ее щелоч­ными и аммонийными солями.

Недостатком указанных сред, как и других сред на основе водорастворимых полимеров, является постепенное изме­нение в процессе эксплуатации их охлаж­дающей способности (нестабильность) и необходимость введения антикоррозион­ных добавок.       

В последнее время также применяются закалочные среды, представ­ляющие собой водорастворимый полимер, например модифицированной целлюлозы с добавкой хлористого натрия, применяе­мая для объемной закалки изделий из углеродистых и легированных сталей.

Недостатком таких является их не­стабильность в процессе эксплуатации и коррозионная агрессивность.

На практике применяются и смазочно-охлаждающие жидкости для механической об­работки металлов на основе нефтяных масел- с добавлением полимеров: поли­стирола, полиакрилонитрила, полиэтилена и поливинилового спирта.

Эти полимерные добавки вводятся в виде высокодисперсных порошков и позволяют повысить стойкость инстру­мента в 1,5 раза по отношению к металлам.

Недостатком указанных СОЖ является выпадение полимеров в осадок.

Для повышения смазочных свойств жидкости и улучшения стабилизирующего действия при алмазно-абразивной об­работке чугунных изделий применяют жидкость на основе воды, натриевой соли кислого гудрона, тетраборнокислрго натрия, нитрита натрия, триэтаноламина, натриевых солей стеари­новой и олеиновой кислот и 3-5%-ного водного раствора сополимера акриламида и акрилата натрия или калия.

Эта жидкость сложна по составу, причем ее применение не всегда дает высокое качество обрабатываемой по­верхности.

Наиболее близкой по составу к пред­лагаемой является закалочная среда для механичес­кой обработки металлов, представляю­щая собой водный раствор кальциниро­ванной соды.

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

На протяжении ряда лет в Институте химии СО РАН проводились исследования по разработке новых способов создания закалочных сред, устранения недостатков улучшения рабочих характеристик существующих сред. Результаты этих исследований обобщены в полученных авторских свидетельствах и патентах, научных статьях.

Одним из наиболее оптимальных способов получения закалочной среды состоит тем, что в качестве водорастворимого ком­понента она содержит неполную железную соль полиакриловой кислоты и допол­нительно едкий натрий при следующем соотношении компонентов, вес. %:

Неполная железная соль полиакриловой кислоты:      0,01-5,0

Хлористый натрий:                                                       0,10-1,0

Едкий натрий:                                                                0,25-2,0

Вода                                                                                 Остальное

Необходимость добавки едкого натрия обусловлена необходимостью нейтрализации раствора соли полиакриловой кислоты. Нейтрализованные щелочью растворы легкой поглощают углекислый газ из воздуха. В результате этого уменьшается вязкость закалочной среды и изменяется охлаж­дающая способность среды в процессе эксплуатации. Добавка хлористого натрия предотвращает процесс поглощения угле­кислого газа и стабилизирует вязкость закалочной среды, а следовательно и ее охлаждающую способность.                          

Предложены следующие примеры получения закалочной среды

1. В закалочной ванне, содержащей водный раствор, вес. % 1,0 неполной железной соли полиакрило­вой кислоты, 0,5 хлористого натрия; 0,25 едкого натрия, закаляют изделия из стали 40Х от 870 до 20°С. Твердость полученных изделий 55-57 HRC. Скорость коррозии 4,2x10^-3 мг/ч см².

2. В условиях примера 1 используют водный раствор, содержащий, вес. %:  1,0 неполной железной соли по­лиакриловой кислоты, 0,5 хлористого натрия, 0,5 едкого натрия. Твердость закаленных изделий 50-53 HRC. Скорость коррозии 3,8x10^-3 мг/ч см².

3. В условиях" примера 1  используют водный раствор, содержа­щий, вес. %: 1,0 неполной железной соли полиакриловой кислоты, 0,25 хлористо­го натрия, 0,52 едкого натрия. Твер­дость закаленных изделий 52-54 HRC. Скорость коррозии 3,5x10^-3 мг/ч см².

4. В условиях примера 1 используют водный раствор, содержа­щий, вес. %: 2,0 неполной железной соли полиакриловой кислоты, 0,5 хло­ристого натрия, '2,0 едкого натрия. Твер­дость закаленных изделий 54-56 HRC. Скорость коррозии 0,1x10^-3 мг/ч см².

5. В условиях примера 1 используют водный раствор, содержащий вес. % : 0,01 неполной железной соли по­лиакриловой кислоты, 0,1 хлористого натрия, 0,25 едкого натрия. Твердость закаленных изделий 59-60 HRC. Скорость коррозии 4,1x10^-3 мг/ч см².

6. В условиях примера 1 используют водный раствор, содержащий, вес. %: 5,0 неполной железной соли поли­акриловой кислоты, 2,0 хлористого нат­рия, 0,25 едкого натрия. Твердость за­каленных изделий 50-52 HRC. Скорость коррозии 4,15x10^-3 мг/ч см².

Предлагаемая закалочная среда поз­воляет не только приблизить ее охлаж­дающую способность к индустриальному маслу, но и получить скорости охлажде­ния, занимающие промежуточное положе­ние между маслом и водой и осуществлять объёмную закалку изделий.

Закалочная среда не пожароопасна и не токсична.

В результате была разработана закалочная среда, содержащая воду, водорастворимый полимер и хлористый натрий, отличающаяся тем, что, с целью предотвращения изменения состава в процессе эксплуатации и ис­ключения коррозионного воздействия, в качестве водорастворимого полимера она содержит неполную железную соль полиакриловой кислоты и дополнительно едкий натрий при указанном выше соотношении компонентов.

На основе закалочной среды была также предложена технология получения смазочно-охлаждающей жидкости для ме­ханической обработки металлов, содержащая воду и кальцинированную соду, дополнительно содержит неполную же­лезную соль полиакриловой кислоты при следующем содержании компонентов, мас.%:                                                     

Неполная железная соль полиакриловой кислоты (полимер ПК)                           0,5-3

Едкий натр                                                   0,2-2

Кальцинированная сода:       0,5-1

Вода                                           Остальное

Предлагаемая смазочно-охлаждающая жидкость имеет следующие физико-химические характеристики.

        Водный прозрачный раствор желтого цвета без запаха.

Значение рН при 20°С                             9-10

Кинематическая вяз­кость при 20°С                  7-9 сст

Удельный вес при 20°С                           1

Коррозию черных металлов не вызы­вает.

Химическая формула и характеристи­ка соли полиакриловой кислоты

где n = 50-80. Соль представляет со­бой, в зависимости от способа высуши­вания, стеклообразные пластинки крас­но-коричневого цвета или слаборозо­вый порошок. Она хорошо растворяется в воде, не растворима в органических растворителях. Температура начального разложения 140° С (на воздухе). Раство­ры неполной железной соли полиакри­ловой кислоты нетоксичны, негорючи, невзрывоопасны. При нагревании водных растворов не выделяются вредные веще­ства.

Едкий натр добавляют в смазочно-охлаждающую жидкость с целью меньшения коррозии.

Для стабилизации полученного раст­вора добавляют кальцинированную соду, которая, будучи электролитом, обеспе­чивает постоянство степени диссоциат ции полимера в растворе. Благодаря этому раствор стабилен во времени по вязкости и величине водородного пока­зателя.

Предлагаемая смазочно-охлаждающая жидкость проверена на стойкость режущего инструмента при ее применении. Исследование проводи­ли на вертикальном фрезерном станке однозубой торцовой фрезой из стали Р 18. Параметром стойкости режущего инструмента выбрана величина износа по задней поверхности. Режим резания: скорость резания 85 м/мин, подача 0,1 мм/зуб, ширина фрезерования 1 мм, глубина срезаемого слоя 20 мм, сталь 45.

1. Испытывалась смазочно-охлаждающая жидкость следующего состава, мас.%: полимер ПК 0,5, едкий натр 0,2, кальцинирован­ная сода 0,5, вода до 100.

Износ фрезы по задней поверхнос­ти 0,070 мм.                                                 

2. Испытывалась смазочно-охлаждающая жидкость следующего состава, мас.%: полимер ПК 1, едкий натр 1,2, кальцинирован­ная сода 0,7.5, вода до 100. Износ фрезы по задней поверхности 0,078 мм.

3. Испытывалась смазочно-охлаждающая жидкость следующего состава, мас.%: полимер ПК 3, едкий натр 2, кальцинированная сода 0,5, вода до 100. Износ фрезы по задней поверхности 0,065 мм.    

4. Испытывалась смазочно-охлаждающая жидкость следующего состава, мас.%: полимер ПК 0,5, едкий натр 0,2, кальциниро­ванная сода -1, вода до 100. Износ фрезы по задней поверхности 0,068 мм.

5. Испытывалась смазочно-охлаждающая жидкость следующего состава: мас.%: полимер ПК 0,5, едкий натр 2, кальцинирован­ная сода 0,5, вода до 100. Износ фре­зы по задней поверхности 0,064 мм. 

6. Испытывалась смазочно-охлаждающая жидкость следующего состава, мас.%: полимер ПК 3, едкий натр 0,2,  кальцинированная сода 0,5, вода до 100. Износ фрезы по задней поверхности 0,071 мм.

7. Испытывалась смазочно-охлаждающая жидкость следующего состава, мас.%: полимер ПК 3, едкий натр 2, кальцинированная сода 1, вода до 100. Износ фрезы по задней поверхности 0,072 мм.

Испытания предлагаемых СОЖ по сравнению с 1,5%-ным водным раство­ром кальцинированной соды показали, что их применение позволяет в 1,7-2,8 раза повысить стойкость режущего инструмента, что обусловливает и по­вышение качества обрабатываемой по­верхности, обеспечивая ее шерохо­ватость до 2,2 мкм.  

Таким образом, предлагаемая смазочно-охлаждающая жидкость является однородной системой, не разделяется на фазы при хранении, не содержит травляющих веществ при термическом воздействии во время обработки метал­лов резанием. СОЖ не горюча, не взры­воопасна, не пенится, имеет, удовлет­ворительные моющие свойства, не вызы­вает коррозии деталей и оборудова­ния.

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

В институте разработана установка для получения железосодержащей полиакриловой кислоты, используемой для получения закалочной среды.

Установка для получения железосодержащей полиакриловой кислоты, включает реактор полимеризации с питающим и сливным патрубками и связанные с питающим патрубком реактора средствами транспортировки ингредиентов мерники акриловой кислоты и персульфата калия, согласно изобретению снабжена емкостью для растворения инициатора полимеризации - соли Мора с устройством регулирования скорости подачи раствора, размещенной перед реактором, и емкостью для регулирования концентрации раствора полимера, расположенной за реактором, причем реактор питающим патрубком через устройство регулирования подачи раствора связан с емкостью для растворения соли Мора, а сливным патрубком - с емкостью для регулирования концентрации раствора полимера.

Кроме того, установка дополнительно снабжена модулем сорбции примесей и регенерации сорбента, расположенным за емкостью регулирования концентрации полимера и связанным с ней транспортным средством.

Преимущество предлагаемой установки заключается в том, что благодаря регулированию скорости подачи раствора соли Мора в реакционную массу обеспечивается возможность управления температурой и вязкостью реакционной массы в процессе полимеризации и, тем самым, предотвращение протекания побочных процессов сшивания макромолекул полимера. Кроме того, доведение раствора полимера до товарных кондиций по содержанию примесей и полимера в растворе обеспечивает повышение его качества на месте получения.

Сущность установки пояснена на чертеже, где изображен общий вид установки.

Установка для получения железосодержащей полиакриловой кислоты содержит реактор 1 полимеризации, мерник 2 воды, мерник 3 акриловой кислоты, мерник 4 персульфата калия, емкость 5 для растворения соли Мора с устройством 6 регулирования подачи раствора, емкость 7 для регулирования концентрации раствора полимера и модуль 8 сорбции примесей и регенерации сорбента.

Предлагаемая установка благодаря возможности регулирования подачи раствора соли Мора в реактор и предотвращения протекания в нем побочных процессов, а также возможности регулирования концентрации и очистки раствора полимера от примесей обеспечивает возможность управления процессом получения железосодержащей полиакриловой кислоты и повышения качества готового продукта.

Предлагаемая закалочная среда значительно превосходит закалочные масла и другие масла по продолжительности ее эксплуатации и качеству термобработки.

Технологический расход рабочего раствора закалочной среды на 1 тонну закаливаемых изделий в 5-8 раз меньше, чем масла и в десятки раз - по сравнению с расходом сред на основе карбоксиметилцеллюлозы, полиакриламида и других органических полимеров, при использовании которых в окружающую среду выделяются токсические продукты их термического распада.

Закалочная среда среда производится на опытно-промышленном участке института в виде концентрата (4-6 %-ый раствор полиакриловой кислоты в воде).

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Предлагаемая закалочная среда отвечает всем требованиям трудо-, энерго- и природосбережения.

Закалочная среда в отличие от масла, является негорю­чей, взрыво- и пожаробезопасной жидкостью. Концентрация возмож­ных вредных выделений в воздух ниже ПДК в 1,5-2 раза, поэтому существенно снижаются расходы по содержанию рабочих помеще­ний, усиленной вентиляции, противопожарных устройств. Среда ПК-2 является универсальной, так как ее можно использовать для тер­мической обработки (закалки) деталей и заготовок из сталей и спла­вов различных марок (кроме алюминиевых) любых форм и конфигу­раций и широкого диапазона размеров. При этом не требуется промывка и дробеочистка закаленных деталей. Детали, обработанные среде ПК-2, имеют более равновесную и мелкозернистую структуру, чем при закалке в масле. Это повышает эксплуатационный ресурс изделий в обычных условиях и при отрицательных температурах.

 При внедрении среды ПК-2 взамен минеральных масел нет необходимости переоборудовать термические участки, так как рабочий раствор среды  может применяться на всех видах термического оборудования, включая тамбурные агрегаты ХТО, ТВЧ-установки, кроме бестамбурных и безмуфельных устройств и закалки из соляных ванн.

Новые потребительские свойства продукции

- негорючесть;
- взрыво- и пожаробезопасность;
- нетоксичность;
- универсальность;
- высокая эффективность, технологические процессы;
Последнее обеспечивается за счет снижения эксплуатационных расходов, расходов на ремонт, расходов по содержанию рабочих помещений, усиленную вентиляцию, противопожарные устройства, исключения применения дорогостоящих реагентов, повышенного срока службы.

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Продукция соответствует государственным стандартам

Стадия и уровень разработки

На сегодняшний день закалочная среда используется для термообработки или проходит апробацию на следующих предприятиях: Локомотивное депо "Слюдянка" ВСЖД, ОАО "ПО "Усть-Илимский ЛПК", ЗАО "Улан-Удэстальмост", ЗАО "Завод 'Теплоприбор-комплект" (Улан-Удэ), ГП "Новосибирский злектровозоремонтный завод", ОАО "Николаевский-на-Амуре судостроительный завод". Большую заинтересованность к закалочной среде ПК-2 проявили ряд машиностроительных предприятий Китая. В институт также поступают заявки на наработку и поставку смазочно-охлаждающей жидкости на основе концентрата ПК-2.
Трудности в освоении технологии отсутствуют, так как предприятие-разработчик специализируется на производстве подобной продукции. Освоение комплекса в производственных условиях заказчика, а при необходимости и сервисные работы в ходе эксплуатации, выполняются специалистами предприятия-разработчика.
В настоящее время имеется полный комплект технической документации. Проводится модернизация устройства с целью улучшения и расширения потребительских свойств. Данному оборудованию не требуются усилия для сопровождения, кроме соблюдения правил эксплуатации.

Предлагаемые инвестиции

0,8 млн. руб.

Рынки сбыта

Технология имеет высокую степень отработки и промышленной эксплуатации на предприятиях РФ.
Исходя из запросов, необходимо резкое увеличение производства концентрата ПК-2. Это позволит не только выполнить все заявки по поставке ПК-2, но и провести дополнительную исследовательскую работу по определению оптимального состава и эксплуатационным характеристикам смазочно-охлаждающей жидкости, составить всю необходимую техническую и технологическую документацию. Для этого необходимо переоснастить и расширить опытно-промышленный участок по производству концентрата, закупить реактивы для наработки закалочной среды ПК-2.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемая в проекте технология и оборудование для ее реализации не имеет аналогов на мировом рынке аналогичной продукции и услуг.

Возможность выхода на мировой рынок

Китай, Корея

Срок окупаемости (в месяцах)

24

Дата поступления материала

14.11.2006