Зеленое производство: устойчивые практики для прибыли и репутации

«Зеленое производство» стало общепринятой фразой в крупнейшей промышленности Америки. Определяется как «обновление производственных процессов и внедрение экологически чистых операций в обрабатывающей промышленности» (Goodwin College). Переосмысление устаревших процессов может сэкономить время, деньги и помочь построить репутацию передовика. Внедрение экологичных процессов обработки — огромный шаг к созданию эко-бизнеса.

Зеленое производство — следующий логический шаг для отрасли.

Как начать с зеленого производства

Первый шаг к более устойчивому цеху и зеленому производству — оценка воздействия вашего объекта на окружающую среду. Наиболее распространенный метод оценки воздействия производственного процесса на окружающую среду — Оценка жизненного цикла (LCA). ISO 14040 определяет LCA как сбор и оценку входов, выходов и потенциальных воздействий на окружающую среду системы продукта на протяжении его жизненного цикла.

4 вопроса себе:

1. Определение цели и области — чего я хочу достичь в этом исследовании?
2. Инвентарный анализ — какие квантифицированные входы (энергия, вода, материалы) и выходы (выбросы в воздух, сточные воды)?
3. Оценка воздействия — как это влияет на окружающую среду?
4. Интерпретация — что можно изменить, чтобы сделать процессы более эффективными и экологичными?

Существуют базы данных для помощи с инвентарным анализом. Они собирают информацию: подача, скорость резания, диаметр инструмента, время резания, свойства СОЖ, и рассчитывают все материальные и энергетические входы и выходы.

Понимание влияния охлаждающих жидкостей

Охлаждающие жидкости, скорее всего, — главный загрязнитель в вашем цехе и препятствие для зеленого производства. По данным Modern Manufacturing Processes, североамериканские производители потребляли более 2 миллиардов галлонов в 2002 году, и рынок металлообрабатывающих жидкостей только рос с тех пор. У СОЖ есть преимущества: охлаждение зоны реза, смазка, удаление стружки.

Загрязнители

Получение максимума от СОЖ — ключевой фактор затратоэффективности любого цеха. Поэтому одна из крупнейших проблем — ухудшение свойств СОЖ из-за загрязнителей. Наиболее частые типы:

1. Свободные масла (транспортные или картерные) — смазка шестерен и оборудования ЧПУ, попадающая в СОЖ
2. Крупные частицы — относительно крупные твердые отходы, стружка, опилки
3. Мелкодисперсные частицы — экстремально мелкие частицы заготовки или режущего инструмента, обычно содержащие тяжелые металлы: кобальт, кадмий, хром, алюминий, свинец
4. Микроорганизмы — бактерии и грибки, растущие внутри стенок и труб ЧПУ

Крупные частицы (стружка, опилки) обычно легко извлекаются H-конвейером, цепно-плитовым конвейером, пучковым талрепом или флюм-системой. Мелкодисперсные частицы сложнее — требуют разделения или фильтрации: отстойники, пеносепараторы, центрифуги, магнитные сепараторы. Свободное масло тоже можно убрать фильтрацией, но быстрее и проще — скиммером.

Правильная система фильтрации может и сэкономить деньги цеху, и помочь окружающей среде.

Микроорганизмы — самые сложные для удаления, они могут быть в десять раз меньше мелкодисперсных частиц. «Понедельничный утренний вонь» — частый побочный эффект метаболизма анаэробных бактерий, выделяющих сероводород. Эти организмы — одна из главных причин, почему СОЖ нужно сливать и менять каждые несколько месяцев. Технологические достижения последних десятилетий сделали возможными мембранные системы микрофильтрации для разделения биомассы и масла от СОЖ. С такими системами операторам больше не нужно использовать проблемные биоциды, имеющие неблагоприятные последствия для здоровья окружающей среды и сотрудников. Важно отметить: большинство микроорганизмов не растут в СОЖ, а на стенках/трубах станка или зарыты в остатках стружки на дне бака.

Способы снижения накопления микроорганизмов в цехе:

• Чистота станков — ил, опилки, стружка могут быть питательной средой для бактерий
• Снижение органического загрязнения — слюна, пот, табачный сок, органика — пища для микроорганизмов
• Снижение количества чужеродного масла — тоже может быть пищей

Грязная куча стружки, где бактерии размножаются и воняют станок.

Типы охлаждающих жидкостей

Хорошее СОЖ должно иметь высокую температуру вспышки, хорошую адгезивность, высокую термическую и окислительную стабильность. Высокая температура вспышки нужна, чтобы жидкость не воспламенялась при высоких температурах (у бензина низкая). Хорошая адгезивность позволяет жидкости прилипать к поверхности заготовки, создавая слой между инструментом и заготовкой, разделяя их и снижая трение. Большее трение — большая режущая сила — более высокие температуры реза.

Высокие температуры реза проблематичны: инструмент изнашивается быстрее, заготовка может закалиться. Высокая термическая стабильность означает, что при высоких температурах жидкость должна иметь низкую вязкость (пример высокой вязкости — мед при комнатной температуре). Низкая вязкость в зоне реза дает меньше трения, меньше тепла и режущей силы. Окислительная стабильность СОЖ в конечном счете решает, как долго его можно использовать. Со временем масло окисляется, вязкость и отложения нарастают.

Избыток СОЖ означает избыток отходов.

Для этой статьи СОЖ разделим на две широкие категории: биоразлагаемые и небиоразлагаемые.

Небиоразлагаемые СОЖ

Небиоразлагаемые СОЖ — нефтепродуктные. Они имеют высокую человеческую и экологическую токсичность, создавая профессиональные риски для здоровья. Также имеют сложные процессы утилизации.

Биоразлагаемые СОЖ

Биоразлагаемые СОЖ — растительные. Обычно производятся из сои, кокоса, рапса или непродовольственных растений: ним, каранджа, ятрофа. Это делает их возобновляемым ресурсом и менее токсичными для людей и среды.

В последние годы некоторые модифицированные растительные масла превзошли нефтяные по производительности: чистоте поверхности, подавлению тепла и смазке. Исследование в Science Direct о токарной обработке нержавеющей стали 304 показало, что кокосовое масло с добавкой борной кислоты значительно лучше борется с износом задней поверхности и шероховатостью по сравнению с двумя другими СОЖ. Благодаря высокой термической стабильности растительного раствора.

Другое исследование в IOP Science показало, что комбинация масел ним и каранджа превосходит SAE 20W40 (нефтяное масло) по смазке при сверлении мягкой стали. Растительное масло снизило режущую силу за счет более высокой вязкости и адгезивности, что дало лучшую чистоту поверхности.

Резюме затратоэффективных изменений СОЖ

• Снизить накопление микроорганизмов: держать станки чистыми, сокращать внешнее загрязнение
• Установить мембранную систему микрофильтрации
• Переключиться на более эффективное и биоразлагаемое СОЖ

Позитивное влияние сухой обработки на зеленое производство

Сухая обработка должна использоваться всякий раз, когда есть возможность, так как устраняются затраты и экологические проблемы, связанные с получением, управлением и утилизацией СОЖ. Еще одно преимущество — отсутствие термического шока. Когда фреза выходит из реза, но СОЖ продолжает брызгать, большие колебания температуры (термический шок) заставляют режущую кромку быстрее разрушаться, чем если бы она работала горячей постоянно. Сухая обработка наиболее распространена в операциях с прерывистыми резами или при обработке закаленных сталей. Особенно популярна при фрезеровании с высокими скоростями и подачами. Резание с высокими параметрами позволяет большей части тепла уходить в стружку, а не в заготовку. То же верно для закаленных сталей.

Идеальный инструмент для сухой обработки

Идеальный режущий инструмент должен быть более термоустойчивым и менее тепловыделительным. Карбид — хорошая основа, так как экстремально тверд и прочен. Покрытые инструменты — лучший выбор для сухой обработки: улучшенная термоизоляция и самосмазка.

Позитивное влияние минимальной количественной смазки (MQL)

• Значительно сниженное потребление жидкости
• Более безопасные СОЖ и смазки
• Сниженные риски для здоровья сотрудников
• Более чистая среда цеха
• Сниженное обслуживание

Поскольку в MQL используется такое малое количество жидкости, это идеальное применение для чуть более дорогих растительных масел. MQL наиболее эффективно при пильных и сверлильных операциях.

Преимущества зеленого производства

Второй взгляд на текущие операции обработки через экологическую призму может сэкономить время, деньги и создать менее опасное рабочее место для сотрудников. Используя вышеописанные техники, можно приблизительно оценить эффективность цеха и внести соответствующие изменения для блага текущих и будущих поколений.