Изобретения экономят

Экономика должна быть экономной — таково требование, насущно необходимое, диктуемое жизнью (об этом в частности учат на курсах ДипИФР – при получении диплома международной финансовой отчетности). Значит, необходим скрупулезный анализ существующих промышленных процессов, всех выпускаемых машин, проектов строительства и реконструкции самых различных объектов. Обнаруженные при этом резервы экономии мы стремимся использовать предельно быстро, максимально полно. К сожалению, уже действующие, привычные процессы, аппараты, машины часто не в силах «пойти нам навстречу» и предложить ощутимый и рациональный экономический эффект.

Зато проекты и изобретения, несущие нечто принципиально новое, такую экономию могут предоставить. Более того, некоторые изобретения именно нацелены на задачу — принести ощутимый эффект. О них и пойдет речь.

Металл — полимеры упрочняют и разрушают

На одной чаше весов экономики лежит экономия, на другой — качество. Весы эти должны быть в равновесии. Чаша качества ни в коем случае не должна опускаться. Это хорошая экономия. Но есть экономия высшего класса, когда одновременно сберегаются материальные ресурсы, повышается производительность труда и улучшается качество изделий.

…Вероятно, с появлением первого токарного станка и первого резца по металлу возникла мысль охлаждать водой инструмент и поверхность детали. Резец стал работать дольше, а деталь получалась точнее и чище. Безусловно, это была замечательная идея, дающая до сих пор экономию высшего класса. Прошли столетия. В охлаждающую воду стали добавлять антикоррозионные присадки и смазочные вещества, и стала вода называться уже смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ). Похожую на молоко, ее можно видеть в любом металлообрабатывающем цехе. К ней привыкли, как к стружке, как к шуму станков. Совершенствование СОЖ пошло по пути тихой эволюции. Каждая последующая СОЖ чуть лучше предыдущей. Но возможно ли, только изменяя рецепты СОЖ, добиться значительных достижений?

На кафедре технологии переработки пластмасс Львовского политехнического института занимались поверхностным упрочнением стальных деталей. Обычная цементация стального образца. Но на этот раз ее провели не в стандартном составе для насыщения поверхности стали упрочняющим углеродом, а в растворе. Поданное решение возникло не вдруг. Предыдущие исследования давали надежду на хороший результат. И все же достигнутое сильно удивило исследователей.

Обычно цементация на глубину миллиметра длится пять-шесть часов, здесь твердый слой образовался за… полторы минуты.

В чем причина эффекта? Оказалось: при температуре цементации (500—1000°С) разрушаются молекулы полимера-полистирола. Из них на поверхности металла образуются углеродсодержащие соединения. К тому же соединения с высокой концентрацией свободных радикалов, весьма агрессивных и быстрых на реакции. Радикалы активно взаимодействуют с поверхностью металла и за короткое время успевают насытить его углеродом. Чем и объясняется высокая скорость цементации.

Прямого отношения к СОЖ все это вроде не имело. Но подспудно зрела весьма интересная идея. Если так успешно проходила цементация в растворе полимера, то нельзя ли в таком же растворе и столь же быстро провести и другие виды химико-термической обработки. Например, цианирование — одновременное насыщение стали азотом и углеродом.

Цианирование резко повышает износостойкость инструмента. Но процесс этот медленный, длится часами. А если провести цианирование, скажем, резца прямо на станке, одновременно с обработкой какой-либо детали. Ведь что нужно для цианирования? Активная жидкая среда и соответствующая температура. До 500—600°С нагревается при резании рабочая кромка инструмента. Этого достаточно для цианирования. Резание происходит в непрерывной струе СОЖ. Так почему не насытить ее азотом и углеродом? Обычно цианирование длится часами, так что работающий инструмент должен затупиться задолго до того, как начнет упрочняться. Но благодаря СОЖ, содержащей полимеры, упрочнение совершалось за считанные минуты. Возможность совместить его с резанием уже не казалась фантазией.

За сравнительно короткое время коллектив Львовских ученых и инженеров разработал несколько десятков полимерных СОЖ.

Многочисленные эксперименты открыли еще одну удивительную способность полимерных СОЖ. Упрочняя инструмент, они разупрочняют поверхность обрабатываемого металла, чем ускоряют и облегчают его обработку. А это уже не только экономия инструмента, но и большая экономия трудозатрат, электроэнергии.

И деталь делается из металла, и инструмент сделан из металла, как же полимерной СОЖ удается одновременно и упрочнять и разупрочнять? Дело в том, что при термическом разрушении полимерных молекул выделяется не только углерод, но и водород, а ведут они себя по-разному. Чем выше температура, тем интенсивнее углерод диффундирует в железо. А наиболее нагреты при резании как раз режущие кромки инструмента. Они и упрочняются в первую очередь. Водород же, весьма отрицательно влияющий на прочность сталей, устремляется, наоборот, в более холодное место, то есть на поверхность обрабатываемого металла, и, проникая в его кристаллическую решетку, способствует деформациям, и как раз в том месте, где резец давит на металл. Словом, облегчает резание.

Но ведь деформация лежит не только в основе резания, но и в основе обработки металлов давлением (штамповка, прокатка и т. д.). Ведущая роль в обработке металлов давлением отводится так называемым дислокациям — дефектам кристаллической решетки металла, которые своими перемещениями и вызывают его деформацию. А водород, попав в кристаллическую решетку, облегчает перемещение дислокаций. Стало быть, следовало испробовать полимерные среды на новом поприще. Надежды полностью оправдались.

Специально созданные полимерные технологические смазки для обработки металлов давлением значительно облегчали пластическую деформацию. Они оказались настолько активными, что, например, скорость волочения проволоки удалось увеличить почти в десять раз! Полимеры и тут работали на два фронта, значительно повышая стойкость волок, и не только металлических, но и алмазных.

Это обстоятельство навело исследователей на мысль использовать полимерные СОЖ при бурении твердых горных, пород. К обычному буровому раствору добавили водную дисперсию винилхлорида, и алмазный буровой инструмент стал более стойким. Можно увеличить скорость бурения, что трудно переоценить. Ведь это дополнительные тонны нефти и кубометры газа.

Новые смазки при испытаниях показывали такие «чудесные» результаты, что иной раз производственники просто не верили глазам своим и приходилось по нескольку раз повторять сравнительные испытания обычных СОЖ и полимерных. Например, с новой СОЖ в детали из сплава, с трудом поддающегося резанию, удавалось одним сверлом просверлить более десятка отверстий, а с обычной — не более двух.

(Подобный пример экономии может быть хорошим кейсом при обучении на курсах CIMA — об управлении эффективности бизнеса).

Руда — клад в шахте

В начале прошлого века, разведанные медные руды считались промышленными, если содержали от трех до десяти процентов металла. Сегодня достойными разработки признаются руды с содержанием металла в десятки раз меньшим. Но и этих руд при подземной разработке месторождения можно взять только две трети. Чтобы кровля забоя не обрушилась, треть руды оставляют в штреках в виде подпорок, называемых целиками. Сейчас эти целики, оставленные в старых горных выработках,— настоящий клад. Если в прошлом веке в общей сложности было добыто более 200 тысяч тонн свинца, цинка, серебра, меди, алюминия, то около 70 тысяч тонн этих металлов осталось в целиках.

Но нельзя ли теперь, во вновь разведанных и в действующих месторождениях, брать руду без остатка?

Разработать целик можно, но лишь оставив вместо него какую-то искусственную подпорку, равную ему по несущей способности, то есть целик искусственный, например из бетона. Сделать это очень непросто. В отработанный штрек нужно подать строительные материалы, а транспортные механизмы в подземных рудниках больше приспособлены для подачи материалов на гора, а не наоборот. Специальных механизмов для производства бетонных работ в тесных штреках и вовсе нет. Так что придется сколачивать под землей примитивные деревянные опалубки и кидать в них бетон лопатами. Тут еще надо подсчитать, оправдает ли дополнительно добытая руда такие затраты и трудности.

На Севере горняки пытались делать целики из льда. В крестьянских погребах, например, лед не тает годами. Должен он долго не таять и в шахтах, которые в этом отношении не хуже погребов. Возводили от пола до потолка герметичную опалубку и заливали внутрь воду. Опалубку окружали вентиляторами и охлаждали зимним воздухом. Воды за опалубкой было несколько кубометров, замерзала она медленно. В большом «слитке» кристаллизация протекала неравномерно, оставались пустоты, появлялись усадочные трещины. Словом, несмотря на внушительные размеры, подпорка получалась не очень надежной. Кроме того, полвека назад не было такого холодильного оборудования, как сейчас, и ледяные целики можно было возводить только в зимний период. Дело это постепенно заглохло, но сама идея была безусловно правильной и весьма заманчивой, поскольку не нужно подавать с поверхности стройматериалы, а воды в шахтах хватает. Сейчас есть и турбохолодильники, выпускаемые специально для шахт, и мощные насосы.

Таким образом, ледяные целики могут найти широкое применение и в северных, и в южных горнодобывающих районах и дать огромный экономический эффект.

Древесина — воздушная уборка леса

Мы заготавливаем ежегодно не менее трехсот миллионов кубометров деловой древесины. «Деловой» — это значит без ветвей, сучьев и даже без вершин. Все это, как правило, остается на лесосеках и деловой древесиной не называется, хотя можно из этого делать и витаминную муку, и целлюлозу, и древесно-стружечные плиты, и неплохое топливо, и древесную муку, необходимую для обработки семян, например, сахарной свеклы. Так почему же не используются эти «отходы», коврами устилающие отработанные лесосеки? Да потому, что в этих коврах все перемешано: кора, сучья, хвойные иглы, листья, ветки, щепки и опилки. Но, скажем, комбикормовой промышленности для производства витаминной муки нужна хвоя в чистом виде; целлюлозно-бумажной — щепу подавай тоже в чистом виде, так называемую технологическую; фармакологи взяли бы листья, кору и хвою, но по отдельности. Мешанина же не нужна никому. И почти все пропадает. Одной только древесной зелени, потребность в которой не ограничена, гибнет ежегодно почти 20 миллионов тонн.

До недавнего времени, чтобы получить кондиционную зелень, приходилось чуть ли не каждую ветку дерева обрабатывать вручную, а серийно выпускаемые механические отделители барабанного типа, даже самые совершенные, выдавали зеленую массу с примесью кусков древесины толщиною с карандаш и больше. Вручную можно приготовить не больше 25—30 килограммов древесной зелени в час. Миллиард человеко-часов на сортировку оставшейся за год древесной массы и зелени — нереально! Поэтому из года в год заготавливали лишь очень немного зеленой древесной массы.

Словом, чтобы добро не пропадало, нужно все лесосечные отходы изрубить и рассортировать.

…Порыв осеннего ветра взметнул с лесной просеки пожелтевшие листья, опавшую хвою, ворох сухих ветвей. Покрутил в воздухе и снова бросил на землю. Поднял ветер всю эту мелочь вроде бы с одного места, а приземлилась она по-разному. Дальше и те, что полегче. На этом принципе работали старинные веялки, работают современные зерноочистительные машины и пневматические сепараторы. А вот в лесной промышленности этот простой способ до недавнего времени никто не применял. И, наверное, долго бы еще так было, если бы не увидели в порыве ветра устройство для сортировки остающихся на лесосеках веток и вершин.

Казалось, все должно быть просто: кидай отходы в мощную воздушную струю, а уж она позаботится о дальнейшем. Но когда высыпали на стол пару лопат измельченных отходов, стало ясно: впереди многодневная кропотливая работа. На столе оказались отдельные листья, отрезки веток с листьями, отдельные хвойные иглы и веточки елей и сосен, голые отрезки веток, кора, мох, щепа, куски щепок с корой и прочая мелочь. И все это было разных размеров и разных диаметров. Одни сухие, другие влажные. Словом, ни одна группа отходов не походила на другую. А когда стали их в лаборатории запускать в полет, новостей еще прибавилось. Даже одинаковые по диаметру еловые отрезки летали весьма своенравно. Совсем коротенькие летели со скоростью 5 метров в секунду, а длиной от 10 до 20 миллиметров — почему-то быстрее: пролетели за секунду уже 6 метров. Но и ветки длиной с карандаш летали с такой же скоростью. Вот и рассортируй! Чтобы понять, что происходит, пришлось снять кинофильм об этих летающих отрезках.

Оказалось, что отрезки веточек длиной до двух сантиметров располагаются в воздушном потоке вертикально, и тут скорость витания быстро возрастает пропорционально длине. При дальнейшем же увеличении длины веточки разворачиваются поперек потока, и скорость уже почти не зависит от их длины.

Когда определили характеры всех «летающих», решили измельченные отходы лесозаготовок делить на две группы. В одну — кондиционную группу — собирать тех, которые могут без дополнительной переработки служить сырьем для производства хвойно-витаминной муки, хлорофилло-каротиновой пасты, эфирного масла и др. Это хвоя, листья, молодые побеги, мох, кусочки коры. Во вторую группу — куски древесины, одревесневшие части побегов, куски неохвоенных веток, щепа и прочие «древесные части», непригодные для использования в лесохимических производствах.

Так появилось пневматическое устройство изобретателей, измельчающее и сортирующее на две группы все лесосечные отходы диаметром до 50 миллиметров.

Но что делать со второй группой отходов, получающейся в результате пневматической сортировки? Обидно, что ее, содержащую большое количество технологической щепы, той самой, что идет на производство бумаги, приходится пускать на топливо. Сейчас специалисты как раз и работают над созданием пневматического сортировщика, который будет из второй группы отходов «добывать» технологическую щепу. Когда появятся такие машины, можно будет еще полнее использовать ресурсы леса, а стало быть, и уменьшить вырубку.

P. S. Такие примеры экономии с помощью изобретений и инноваций могут быть использованы и при обучении в академии экономики и бухгалтерского дела ДипИФР.

Автор: Е. Викулина.