Экономические преимущества технологии радиационно-термического спекания ферритов-шпинелей по сравнению с классической керамической технологией

УДК 536.37

Работа выполнена в рамках стипендии № СП-1220.2015.1 Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики.

Костишин В.Г.

Д.ф.-м.н., профессор, Национальный исследовательский технологический университет

«МИСиС»

Киселев Б.Г.

К.э.н, доцент, Национальный исследовательский технологический университет

«МИСиС»

Комлев А.С.

Аспирант, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Ломоносова Н.В.

Аспирант, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ТЕХНОЛОГИИ РАДИАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОГО СПЕКАНИЯ ФЕРРИТОВ-ШПИНЕЛЕЙ ПО СРАВНЕНИЮ С КЛАССИЧЕСКОЙ КЕРАМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИЕЙ

В работе описываются две технологии получения ферритовой керамики: классическая и радиационно-термическая. Рассматривается энергозатраты при классическом способе производства и радиационно-термической технологии. Большое внимание уделяется сравнительной себестоимости материалов. Работа преследует цель показать экономические преимущества радиационно-термической технологии над классической и рекомендовать коммерциализацию разработанной РТ-технологии.

Ключевые слова: ферритовая керамика, радиационно-термическое спекание, новые технологии, магнитомягкие ферриты, экономическая выгода, себестоимость, качество продукции.

Введение

Развитие многих отраслей экономики во многом зависит от достижений магнитоэлектроники, широко использующей изделия из ферритов, представляющих собою соединения оксидов железа с оксидами других металлов и являющихся на сегодняшний день наиболее широко применяемой в электронной технике группой магнитных материалов. Область применения этих материалов постоянно расширяется: от микродвигателей до трансформаторов, катушек индуктивности, магнитных экранов, фильтров, систем хранения и обработки информации и т.д. В мире наблюдается постоянный рост объема выпуска ферритовых изделий, достигающий к настоящему времени десятков миллионов тонн в год.

Основным методом серийного производства современных ферритовых материалов различного технического применения является классическая керамическая технология. В традиционной схеме ферритового производства используются следующие основные стадии технологического процесса: взвешивание порошков оксидов в необходимой пропорции, перемешивание ферритовых порошков в мельницах (помол, измельчение и др.),

гранулирование с добавление связок, приготовление формовочных масс, спекание изделий в печах.

Данная технология обладает рядом достоинств: простота технологического процесса, отлаженность технологии в течение десятилетий, высокие объемы выпуска. Однако, в классическом исполнении эффективность керамической технологии ферритов — крайне неудовлетворительна из-за высокой энергоемкости операций синтеза и спекания, а также высокой длительности технологического процесса. В связи с этим, особую актуальность приобретает разработка методов, позволяющих обеспечивать при сохранении преимуществ керамической технологии пониженную энергоемкость.

В последние годы все больший интерес исследователей вызывает метод воздействия на структурное состояние и физико-механические свойства материалов мощного потока ускоренных электронов — радиационно-термический метод (РТ-метод) или метод радиационно-термического спекания (РТС-спекания), заключающийся в нагреве смеси исходных компонентов или прессовок из них пучками высокоэнергетических электронов без привлечения сторонних источников теплоты.

В процессе сравнения традиционной технологии ферритового производства и предлагаемой технологии выявлено, что эффективности керамической технологии ферритов в классическом исполнении снижает высокая энергоемкость операции синтеза и спекания. Поэтому актуально значительное снижение энергоемкости РТ-процесса за счет скорости и низкой инерционности разогрева материалов, отсутствие контакта нагреваемого тела и нагревателя, а также однородности нагрева материала по всему объему.

При этом, в отличие от микроволнового воздействия, диэлектрические свойства материалов не имеют значения. Существенным фактором является то, что современные ускорители электронов технологического класса малогабаритны и могут быть легко встроены в различные производственные циклы. Помимо высокой эффективности активации твердофазных процессов, к неоспоримым преимуществам РТ-метода следует отнести отсутствие наведенной радиоактивности (при энергиях электронов менее 5 МэВ), низкую инерционность разогрева материалов, отсутствие контакта нагреваемого тела и нагревателя, однородность нагрева материала по всему объему. Все это позволяет использовать сверхвысокие скорости разогрева порошковых компактов, что уже само по себе повышает скорость диффузионного массопереноса.

Исследование процессов получения ферритовых керамических материалов в условиях РТ-воздействий, позволяющих повысить эффективность технологического процесса и качество конечного продукта, представляет научно-практический интерес. Экономическая эффективность коммерциализации технологии радиационно-термического спекания ферритовой керамики подтверждена далее соответствующими расчетами проекта производства.

Описание и анализ результатов

Для требуемых технологических условий был проведен выбор необходимого оборудования (линейный ускоритель электронов, печь постоянного тока, пресс электрогидравлический автоматический, вибромельница, аналитические весы). Максимально возможный объем производства продукции за один цикл определен в 50 кг.

Выбор необходимого технологического оборудования осуществлен на основе сравнения характеристик различных отечественных и зарубежных марок. Цена сравниваемого оборудования, имевшего сходные качественные характеристики, отличалась в пределах 10 %. Расчетные суммарные инвестиции в проект, учитывающие транспортировку, монтаж и страхование оборудования, составили 4,97 млн. руб.

При классической технологии производства продукции дополнительно потребовался бы автоматизированный комплекс для спекания керамики; в этом случае суммарные

инвестиции составят 7,37 млн руб.

После определения затрат на оплату труда всех категорий персонала их учет в себестоимости каждого вида продукции проводили согласно специфике производства трех типов готовых материалов при соблюдении следующего условия: сложность и трудоемкость. Изготовления каждого материала одинаково постоянна.

Количественный состав необходимых исходных основных материалов неизменен как для производства продукции по РТ-технологии, так и для классической схемы получения материалов. В табл. 1 приведена характеристика сырья.

Таблица 1 — Сырье и основные материалы

Соединение Содержание, % (мас.) Масса, кг

У[п0,74з2п0,219Ре0,038Ре204

Бе20з 70,0 0,700

МпО 22,4 0,224

2п0 7,6 0,076

№0,292п0,бзРе2,08О4

Бе20з 66,8 0,668

N10 10,0 0,100

2п0 23,2 0,232

М§0,404МП0,1602П0,448Ре204

Бе20з 67,0 0,67

М§0 8,0 0,08

Мп0 6,0 0,06

2п0 19,0 0,19

Рыночная цена перечисленных материалов, используемых в рассматриваемом производстве, руб./кг. представлена в таблице 2.

Вспомогательным материалом при производстве продукции указанными методами служит кислород из баллонов, который учтен в себестоимости по среднерыночной цене.

"аблица 2 — Рыночная цена материалов

Материал, кг Цена, руб.

Порошок Бе20з 60

Порошок Мп0 100

Порошок 2п0 120

Порошок М§0 12

Порошок N10 1000

Наночастицы карбонильного железа 960

Раствор поливинилового спирта 90

ПАВ 110

Согласно технологической схеме, изготовление продукции происходит одновременно на нескольких электроприборах, а весь производственный цикл занимает 8 ч. Энерозатраты на производство 50 кг готового продукта классическим способом изготовления представлены в таблице 3.

Таблица 3 — Энергозатраты при классическом способе производства

Электрооборудование, Число Мощность Время Расходуемая

прибор приборов прибора, использования энергия,

кВт прибора, ч кВт/сут

Печь постоянного тока 1 195 7 1365

ДППТ-0,06

Автоматизированный 1 350 6 2100

комплекс для спекания

керамики

Пресс электрогидравлический 1 20 6 120

автоматический

Вибромельница ВМ 0,005 1 0,37 4 1,48

Итого 565,37 3586,48

При использовании новой технологии производства затраты на электроэнергию снизятся (таблица 4).

Таблица 4 — Энергозатраты при использовании РТ-технологии

Электрооборудование, Число Мощность Время Расходуемая

прибор приборов прибора, использования энергия,

кВт прибора, ч кВт/сут

Линейный ускоритель 1 25 2 50

электронов ЭЛУ-6

Печь постоянного тока 1 195 7 1365

ДППТ-0,06

Пресс 1 20 6 120

электрогидравлический

автоматический

Вибромельница ВМ 0,005 1 0,37 4 1,48

Итого 240,37 1536,48

Количество расходуемой энергии в расчете на один килограмм готового продукта, производимого по классической технологии, составило 71,73 кВт, а по РТ — 30,78 кВт. Снижение затрат на электроэнергию обеспечено заменой атоматизированного комплекса для спекания керамики на линейный ускоритель электронов на стадии термического обжига. Менее энергозатратный линейный ускоритель электронов осуществляет облучение образцов продукции в пучке ускоренных электронов за меньшее время.

Повышение энергоэффективности процесса получения ферритовой керамики по сравнению с применяемыми в настоящее время классическими технологиями составило ~ 60 %.

Структура плановых калькуляций себестоимости по трем различным материалам (видам продукции) представлена на рисунке 1,2.

Себестоимость каждого вида продукции была определена с учетом условий:

- суточный выпуск готовой продукции составляет 50 кг;

- суточный выпуск готовой продукции получают за один цикл производства;

- тарифы на стоимость электроэнергии для московских промышленных предприятий учитывали по ставкам 2013 г.

В общепроизводственных расходах по обеим технологиям были учтены также затраты энергоресурсов на вспомогательные цели, транспортные и представительские расходы,

услуги связи, почты и телекоммуникаций, на охрану, пожарную безопасность и экологические природоохранные мероприятия.

Рис. 1 — Структура себестоимости Mno,74зZno,2l9Feo,oз8Fe2O4: 1 — расходы на продажу; 2 — общехозяйственные расходы; 3 — основные материалы; 4 — общепроизводственные расходы; 5 — электроэнергия; 6 — вспомогательные материалы; 7 — затраты на оплату труда

Рис. 2 — Структура себестоимости Mgo,404Mno,l6oZno,448Fe2O4 и Nio,29Zno,6зFe2,o8O4

Себестоимость продукции, полученной по классической технологии, значительно отличается от себе-стоимости продукции, произведенной с применением РТ-метода (таблица

5).

Таблица 5 — Сравнительная себестоимость материалов

Продукт Себестоимость, руб./кг Отклонение, руб./кг Снижение себестоимости, %

РТ-техн. Класс. техн.

Mn0,745Zn0,220Fe0,035Fe2O4 607,58 799,04 -191,46 -23,96

М§0,404Мп0,160Zn0,448Fe2O4 604,02 795,48 -191,46 -24,07

№0^п0^е204 701,98 893,44 -191,46 -21,43

Таким образом, снижение себестоимости за счет применения РТ-технологии вместо классической составит более чем 20 %. Кроме того, за счет сокращения брака, увеличения срока службы продукции, произведенной по РТ-технологии, затраты на производство и использование продукции будут снижены более чем на 30 %.

Выводы

Технология радиационно-термического получения образцов (продукции) ферритовой керамики для радиоэлектроники, приборостроения и радиопоглощающих покрытий является экономически эффективной по сравнению с классической. Снижение себестоимости производства продукции составляет более 20%. Основное снижение затрат на производство образцов магнитомягкой ферритовой керамики (продукции) обеспечивается за счет энергоэффективности новой технологии, а также использования отечественного сырья. Полученные образцы продукции обладают высоким качеством и улучшенными техническими характеристиками по сравнению с изготавливаемыми по классической технологии. Это позволяет рекомендовать коммерциализацию разработанной РТ-технологии, учитывая конкурентоспособность произведенной по данной технологии продукции.

Литература

1. Костишин В.Г., Андреев В.Г., Панина Л.В., Читанов Д.Н., Юданов Н.А., Комлев А.С., Николаев А.Н. Получение магнитомягкой Mg-Zn-ферритовой керамики с уровнем свойств №^п-феррита марки 600НН методом радиационно-термического спекания // Неорганические материалы. 2014. Т. 50, № 11. С. 1266.

2. Костишин В.Г., Коровушкин В.В., Панина Л.В., Андреев В.Г., Комлев А.С., Юданов Н.А., Адамцов А.Ю., Николаев А.Н. Магнитная структура и свойства MnZn-ферритов, полученных методом радиационно-термического спекания // Неорганические материалы. 2014. Т. 50, № 12. С. 1352.

3. Костишин В.Г., Андреев В.Г., Коровушкин В.В., Читанов Д.Н., Юданов Н.А., Морченко А.Т., Комлев А.С., Адамцов А.Ю., Николаев А.Н. Получение ферритовой керамики марки 2000НН методом радиационно-термического спекания по полной и короткой технологической схемам // Неорганические материалы. 2014. Т. 50, № 12. С. 1387.