Пути и примеры снижения себестоимости полимерной продукции

Д. С. Комаров, А. В. Козлов, И. Д. Ганюшин, ООО «Формотроник» (г. Нижний Новгород)

1. Автоматизация многокомпонентного дозирования при литье под давлением.

2. Очистка полимерного сырья от пыли.

3. Централизованная система подачи сырья.

4. Автоматизация дозирования при экструзии.

5. Хранение материала.

6. Централизованная система охлаждения.

В отличие от многих других отраслей производство полимерной продукции уже сегодня может быть максимально автоматизировано со снижением затрат. В некоторых случаях производство и вовсе может работать без участия человека. В данной статье приводятся примеры реализации ряда реальных проектов, где авторам совместно с инженерами предприятий по переработке пластмасс удалось решить те или иные технико-экономические задачи, снизив себестоимость продукции и повысив тем самым рентабельность бизнеса. Возможно, в этих примерах читатель увидит и свое производство!

1. Автоматизация многокомпонентного дозирования при литье под давлением

Постановка задачи. На предприятии, которое производит товары хозяйственного назначения методом литья под давлением, существует проблема высокого уровня брака, что негативно сказывается на себестоимости выпускаемой продукции. Анализ технологического процесса показал, что основная причина этой проблемы заключается главным образом в перерасходе красителя из-за ручной подготовки смеси, которая, помимо основных полимеров (смесь ПЭВП, ПЭНП и гранулированной «вторички»), включает краситель и процессинговую добавку, смешиваемые в малых дозах, составляющих по 5 кг на 250 кг общей смеси. Краситель предварительно взвешивается и добавляется в смесь вручную. Затем мастер участка ее подготовки приготавливает общую смесь объемом 500 л, которого хватает на 2 ч непрерывной работы 3 термопластавтоматов (ТПА) производительностью от 5 до 30 кг/ч. По истечении 1,5 ч готовится новая порция смеси и транспортируется к ТПА в подкатной емкости. При этом гранулы красителя, которые тяжелее, чем гранулы чистого дробленого ПЭВП, опускаются в нижнюю часть емкости, что вызывает необходимость дополнительного перемешивания смеси вручную по месту.

Решение. На каждый ТПА в цехе литья был установлен 5-компонентный гравиметрический дозатор модели MCHybrid производства компании Movacolor (Нидерланды) (рис. 1). Для смешивания трех основных компонентов перерабатываемой смеси используется гибридная система со встроенной мешалкой, работающая по набору веса. Концентрация каждого из компонентов задается в процентах, и система управления дозатором сама определяет, сколько и какого компонента требуется ссыпать в чашу весов. Взвешивание на весах происходит после дозирования каждого из компонентов с последующим сохранением данных в памяти системы управления. Далее компоненты попадают в миксер, который обеспечивает гомогенность смеси.

Рис. 1

Для дозирования красителя и процессинговой добавки используется гравиметрическая система, работающая по так называемому принципу потери веса (loss-in-weight). Материал подается дозирующим цилиндром, который представляет собой металлическую колбу с впаянной спиралью, проталкивающей материал в зону смешивания. Таким образом, обеспечиваются не только плавность и точность дозирования, но и снижение расхода красителя и добавок за счет автоматизации этого процесса, поскольку при ручном дозировании всегда требуется вводить в смесь краситель или добавку с достаточно большим запасом для их надлежащего функционирования. При этом дозирование «критичных», т.е. наиболее важных для качества изделий, добавок производится непосредственно в зону материального цилиндра, поскольку при их смешивании с основным материалом в миксере может происходить расслоение смеси из-за разного веса гранул;

Результат. Реализация предложенных мероприятий позволила:

• сократить количество сотрудников на 1 чел. в смену;
• наладить гравиметрический учет всех добавок и красителей и снизить их дозировку с 2,5 до 1,4 %, тем самым сэкономив на их стоимости;
• снизить процент брака из-за неправильной подготовки смеси.

2. Очистка полимерного сырья от пыли

Постановка задачи. На одном из предприятий потребовалось снизить количество брака из-за дефектов в виде видимых черных вкраплений на готовых литьевых изделиях с высокими требованиями к их внешнему виду (автомобильные фары).

Рецептура материала изделия включает в себя 3 компонента – основной гранулированный первичный поликарбонат (ПК), дробленый вторичный ПК, получаемый из производственных отходов, и добавку. При сушке гигроскопичный ПК подвергается тепловому воздействию и частичной термической деструкции, сопровождающейся разрушением гранул на более мелкие фракции. Это приводит к образованию избыточной пыли при переработке, которая собирается на стенках загрузчика и оседает в материальной воронке. В результате пыль не удаляется из технологического процесса, а попадает в материальный цилиндр, где быстро выгорает и оставляет сгоревшие включения на стенках материального цилиндра. При дозировании и впрыске эти мелкие включения вместе с общей массой материала попадают в сопло, литниковую систему и изделие, на котором появляются дефекты в виде застывших вкраплений черных точек, что недопустимо при производстве прозрачных изделий, поскольку приводит к их браковке.

Решение. На ТПА, непосредственно на зону загрузки материального цилиндра, на пути потока запыленного гранулированного материала был установлен компактный сепаратор пыли производства компании VISMEC (Италия) со следующим принципом действия (рис. 2). В зоне подачи материала с максимальной пропускной способностью (в зависимости от модели) до 80 кг/ч. После шнека материал попадает на поверхность ролика с положительным электрическим зарядом, под действием которого отрицательно заряженные частицы пыли осаждаются на ролике, а более тяжелые частицы материала просыпаются вниз – в зону загрузки цилиндра, По ходу вращения ролика он очищается от пыли потоком воздуха, который выходит через фильтр тонкой очистки в окружающее пространство, а частицы пыли собираются в пылесборнике.

Рис. 2

Результат. Контрольные измерения на одной из партий материала показали, что при литье с использованием сепаратора пыли удалось снизить ее содержание в перерабатываемом материале с 3,11 до 0,56 % (т.е. почти в 5,5 раз) и существенно снизить тем самым уровень брака.

3. Централизованная система подачи сырья

Постановка задачи. На предприятии по производству литьевой упаковки и одноразовой посуды были поставлены следующие задачи в целях развития и совершенствования производства:

• освободить площадь цеха от материала и готовой продукции для размещения дополнительных ТПА;
• снизить количество ошибок по причине человеческого фактора при подаче материала на ТПА;
• снизить потери материала из-за его просыпания при транспортировке и упростить процесс инвентаризации сырья.

Решение. Для комплексного решения этих задач установлена централизованная система подачи сырья с тремя силосами объемом 12 м³ каждый под основные материалы и с ручной станцией их растаривания производительностью 5 т/ч (рис. 3). Под силосы установлены тензометрические датчики, которые фиксируют количество материала в силосе в режиме онлайн. Подача красителя на ТПА осуществляется с помощью волюметрических дозаторов.

Рис. 3

Результат. Внедрение данных решений позволило:

• увеличить количество полезной площади цеха за счет вывода сырья за пределы производственной зоны и установить дополнительно 7 ТПА;
• исключить остановку ТПА по причине отсутствия материала за счет автоматической сигнализации: благодаря уровнемерам, установленным на тканевых силосах, растарщик материала получает своевременное оповещение о необходимости загрузки новой партии сырья в силос;
• снизить количество ошибок оператора при засыпке материала благодаря установке распределительного узла;
• значительно упростить процесс инвентаризации сырья. Ранее для того, чтобы определить остаток сырья, сотрудникам склада необходимо было сосчитать его количество в паллетах на складе и вне его, а также снять показания с тензометрических датчиков в цехе;
• сократить число засыпщиков сырья на 2 чел. в смену и снизить расход электроэнергии;
• сократить просыпание материала на 0,2 % от общего объема потребления.

4. Автоматизация дозирования при экструзии

Постановка задачи. На одном из предприятий по выпуску труб из ПП и ПЭ было решено:

• уменьшить себестоимость трубной продукции;
• снизить уровень брака из-за неравнотолщинности стенки труб;
• организовать более точное дозирование и весовой учет всех компонентов трубного полимерного материала.

Производственный участок предприятия состоит из 3 экструзионных линий:

• скоростной линии по производству трубы из ПП производительностью 250 кг/ч;
• скоростной линия по производству трубы из ПЭ производительностью 300 кг/ч;
• линии по производству трубы, армированной фольгой, производительностью 150 кг/ч.

Приготовленная смесь поступает в экструдер свободным течением гранулированного материала через приемную воронку, и получается, что в процессе производства экструдер как бы «перекормлен»: весь материал, находящийся в приемной воронке, беспрепятственно (без дозирования) заполняет все межвитковое пространство шнека экструдера, не предоставляя возможности контролировать этот процесс. При увеличении же скорости работы двигателя экструдера в целях повышения его производительности увеличиваются не только расход гранулята, но и колебания – вплоть до 10 % – веса погонного метра трубы и толщины ее стенки.

Решение. Для контроля расхода гранул и управления процессом их дозирования на пути подачи подготовленной смеси всех компонентов трубного материала были установлены системы дозирования в виде проточных весов компании ConPro (Германия)(рис. 4). Оператор экструдера в ручном режиме настраивает работу линии, проверяет толщину стенки полученной трубы, настраивает скорость подачи смеси, скорость тянущего устройства, систему дозирования. Затем в пульт управления гравиметрическим дозатором заносятся данные по требуемой производительности экструдера в кг/ч и кг/м. В автоматическом режиме эти системы с точностью до 0,4 % измеряют вес гранул, проходящих через них, и снимают показания с инкрементального датчика, установленного перед тянущим устройством (эта информация нужна для определения веса одного метра трубы).

Рис. 4

Система работает по упомянутому в предыдущем разделе принципу потери веса. Перед тем как поступить в материальный цилиндр экструдера, полимерный материал проходит через воронку, подвешенную на тензодатчике, который постоянно измеряет вес материала и передает информацию на пульт управления экструдера. В случае отклонения фактической производительности экструдера от заданного оператором значения, система управления изменяет скорость тянущего устройства и скорость работы шнека экструдера таким образом, чтобы вес трубы на отклонялся в большую или меньшую сторону не более, чем на 6 %. Контроллер фиксирует все данные, выводя их на экран монитора, и сохраняет их в памяти устройства. Система позволяет составлять единовременный отчет по каждому погонному метру трубы. Кроме того, с помощью данной системы можно дистанционно регулировать работу экструдера.

Экономический расчет. Рыночная стоимость одного погонного метра трубы из ПЭВП для холодного водоснабжения составляет примерно 150 руб/м. В эту стоимость производителем заложен допуск на толщину стенки трубы. Как правило, допуск составляет 10 % от толщины стенки. Таким образом, при весе одного метра трубы, равном 288 г, величина допуска составит 28,8 г/м. Если снизить толщину стенки, уменьшив тем самым удельный вес одного погонного метра трубы хотя бы на 1 %, получится вполне ощутимая экономия материала на таких крупнотоннажных производствах, как выпуск труб или профилей. С помощью автоматической системы управления экструзией, синхронизирующей подачу материала, работу экструдера и тянущего устройства величину допуска удается снизить до 6 %.

Используя эти данные, нетрудно подсчитать, что при производительности экструдера, равной 250 кг/ч или, иначе, 868 м/ч, экономия затрат составит 1667руб/км или 1450 руб/ч.

Результат. Установка гравиметрической системы дозирования позволила:

• наладить гравиметрический учет всех добавок и основных компонентов;
• уменьшить допуск на толщину стенки трубы с 10 до 6 % и за счет этого сэкономить около 1450 руб. за 1 ч непрерывной работы экструдера;
• уменьшить уровень брака;
• снизить себестоимость изделия за счет уменьшения уровня брака и допуска на толщину стенки трубы.

5. Хранение материала

Постановка задачи. На предприятии по производству изделий из пластмасс для дома и сада было решено:

• освободить производственные площади, занимаемые суточным объемом сырья;
• оптимизировать использование складских площадей;
• снизить затраты из-за просыпания сырья.

В цехе литья предприятия размещены 10 ТПА, перерабатывающие в сутки около 12 т материала. Склад хранения сырья площадью 40 м² имеет его запас, рассчитанный на 3 сут.

Решение. Были оптимизированы складские площади с помощью системы гибких силосов  и станции загрузки ELEFANT Silo (Рис.5). Всего были установлены 3 силоса общим объемом 77,1 м³, рассчитанным на 38 т материала. В силосах использованы мешки из высокотехнологичной антистатической ткани, рассчитанные на повышенные нагрузки и многократное растяжение. При этом «дышащая» ткань силосов не препятствует выходу из них остаточной влаги в окружающую среду, что позволяет снизить затраты на подсушивание сырья и вероятность браковки продукции из-за наличия влаги в поверхностных слоях гранул. Кроме того, было решено установить специальную растарочную станцию для снижения просыпания сырья.

Рис.5 

Результат. Организация централизованной зоны хранения сырья позволила:

• увеличить полезную производственную площадь в цехе;
• уменьшить занимаемые складские площади для хранения сырья с 36,4 м² до 30,68 м²;
• снизить затраты из-за просыпания сырья благодаря установке растарочной станции.

6. Централизованная система охлаждения

Постановка задачи. Предприятие по изготовлению сантехнической инсталляции поставило перед собой задачу внедрения централизованной системы охлаждения для того, чтобы:

• вынести систему охлаждения за пределы производственной зоны и получить дополнительные площади под производство;
• равномерно распределить холодопроизводительность по парку цехового оборудования;
• получить экономический эффект от работы систем фрикулинга в холодный период года;
• разделить контуры охлаждения литьевых форм и гидросистем;
• иметь резерв хладопроизводительности.

Общая потребность в холодопроизводительности составляет порядка 1 МВт (400 кВт – для охлаждения форм и 600 кВт – гидросистем ТПА).

Решение. Для решения поставленной задачи была использована контейнерная установка уличного расположения Cold Point, которая включает в себя холодильную машину для охлаждения литьевых форм в летний период и систему фрикулинга для круглогодичного охлаждения гидравлики ТПА и охлаждения форм в холодный период года (рис. 5). Холодильная машина представляет собой блок в виде рамы с установленными на нее агрегатами и узлами с защитно-декоративными легкосъемными панелями. Из холодильного блока выведены два фланцевых соединения для подключения гидравлических коммуникаций с потребителем.

Рис. 6

Блок управления системы визуализации включает систему мониторинга, отображающую в реальном времени показания температуры и давления в контурах хладоносителя, панель управления с программируемым электронным процессором для задания и автоматического поддержания требуемой температуры охлаждающей жидкости, а также для индикации работы и аварийных ситуаций установки. В состав всей установки входят:

• герметичный спиральный компрессор, оснащенный запорными вентилями на патрубках всасывания и нагнетания, картерным подогревом и смотровым глазком для визуального контроля уровня масла;
• кожухотрубный теплообменник-испаритель (кожух и трубные решетки выполнены из углеродистой стали, тонкостенные ребристые трубы – из меди);
• выносной увеличенный конденсатор воздушного охлаждения;
• ресивер с запорными вентилями и предохранительным клапаном.

Холодопроизводительность смонтированной установки составила 335,4 кВт с максимальной потребляемой мощностью 93,7 кВт, масса контейнера с оборудованием – 9500 кг.

Результат. В ходе реализации проекта удалось:

• достичь экономии площади цеха порядка 100 м²;
• удалить подводящие коммуникации с пола (материалопроводы, водяные трубы) и также освободить место в цеху;
• получить запас по холодильной мощности на перспективу увеличения количества ТПА;
• отказаться от принудительного охлаждения машин в холодный период года;
• оптимизировать распределение холодильных мощностей по парку оборудования.

Заключение

Приведенные в данной статье реальные примеры решения поставленных задач и накопленный опыт ее авторов показывают, что практически на каждом предприятии имеются еще нереализованные возможности оптимизации своего производства, сокращения издержек, повышения качества продукции и улучшения условий труда.

Если на предприятии необходимо найти проблемные зоны, следует предпринять ряд действий, которые позволять не только распознать проблемы, но и решить их. Алгоритм этих действий примерно таков:

• вовлечь сотрудников предприятия в процесс поиска наиболее проблемных зон и путей оптимизации производства;
• изыскать средства на необходимые инвестиции;
• найти надежных партнеров для решения поставленных задач и последующего качественного сервиса.

При этом, как показывает практика, одно лишь решение, принятое, например, по повышению степени автоматизации и цифровизации той или иной стадии технологического процесса, позволяет добиться комплексного технико-экономического эффекта (повышение качества продукции, снижение расхода сырья и затрат на электроэнергию, сокращение фонда оплаты труда и др.) и сравнительно быстро окупить инвестиции в модернизацию производства. Только непрерывные улучшения позволят повысить конкурентоспособность продукции и рентабельность бизнеса.

Ways and Examples of Reducing the Polymer Products Cost

(Continued from PM No. 12 2021)

D. S. Komarov, A. V. Kozlov, I. D. Ganyushin

Six examples of modernization of polymer production are given, which allowed to reduce the products cost and thereby increase the competitiveness of enterprises.