Wybrane elementy zagrożeń podczas procesów technologicznych na przykładzie przemysłu walcowniczego

Transkrypt

1 WIERZBA Arkadiusz 1 MADEJSKI Rafał 2 WOJTYTO Dorota 3 Wybrane elementy zagrożeń podczas procesów technologicznych na przykładzie przemysłu walcowniczego WSTĘP Obecny postęp techniczny oferuje wiele nowych rozwiązań technologicznych oraz użytkowych. Celem prowadzonych badań naukowych jest optymalizacja i doskonalenie rozwiązań technologicznych, których głównym założeniem jest stała poprawa poziomu bezpieczeństwa, co ma bezpośredni wpływ na podwyższenie standardu życia człowieka. Analogiczne działania obserwuje się w przemyśle motoryzacyjnym, gdzie za priorytet inżynierowie stawiają przed sobą nieustanne poszukiwanie innowacyjnych rozwiązań, które pomogłyby zwiększyć bezpieczeństwo użytkownika na drodze oraz zmaksymalizować sprzedaż produkowanych przez siebie samochodów. Wprowadzone ulepszenia, mają również na celu zwiększenie konkurencyjności na rynku. Jednym z takich przełomowych rozwiązań jest produkcja na masową skalę blachy przeznaczonej na karoserie samochodowe. Jest to blacha wykonana ze specjalnego stopu aluminium oraz magnezu, wykonywana za pomocą innowacyjnego procesu walcowania zmodyfikowaną metodą Accumulative Roll Bonding (ARB). Jednakże produkcja materiału tego typu niesie ze sobą poważne zagrożenie pożarowe. Nalezą do nich zagrożenia techniczne wynikające z działalności człowieka, z czego na największą uwagę zasługują zdarzenia pożarowe. Mają one nie bagatelny wpływ na zdrowie i życie człowieka, mienie a także środowisko pracy a ich skutki często bywają nieodwracalne. 1. ZASTOSOWANIE LEKKICH STOPÓW W MOTORYZACJI W branży motoryzacyjnej największy nacisk kładzie się na bezpieczeństwo produkowanych pojazdów dla potencjalnego użytkownika oraz na jak najwyższe ich osiągi, przy zachowaniu stałej ceny. Dlatego słusznym jest wprowadzanie innowacji poprawiających komfort użytkowania oraz ich bezpieczeństwo. Koncepcja wykonania blachy karoseryjnej w samochodach przyszłości tzw. Eco-cars z wielowarstwowego bimetalu składającego się z warstw magnezu obustronnie platerowanego warstwami aluminium (Al-Mg-Al) jest wręcz znakomitym pomysłem zarówno dla komfortu jak i bezpieczeństwa. Blacha tego typu jest odporna na korozję dzięki zewnętrznej powłoce aluminiowej, która ulega pasywacji w kontakcie z tlenem. Ponadto jest nieporównywalnie lżejsza od obecnie używanych blach karoseryjnych, dzięki zastosowaniu materiałów o bardzo małej gęstości właściwej stopów aluminium i magnezu. Jednak niewątpliwie największą zaletą takiej blachy byłoby zwiększenie bezpieczeństwa poprzez zastosowanie magnezu, który wykazuje właściwości tłumienia drgań. Rysunek 1 przedstawia tego typu blachę wielowarstwową oraz innego rodzaju wyroby możliwe do wykonania ze stopu magnezu oraz lekkich stopów bimetalowych. 1 Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów Instytut Przeróbki Plastycznej i Inżynierii Bezpieczeństwa Zakład Modelowania Procesów Przeróbki Plastycznej Al. Armii Krajowej 19 Tel / Faks arkadiusz_wierzba@wip.pcz.pl 2 Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów Instytut Przeróbki Plastycznej i Inżynierii Bezpieczeństwa Zakład Automatyki i Aparatury Elektronicznej Al. Armii Krajowej 19 Tel / Faks rmadejski@wip.pcz.pl 3 Politechnika Częstochowska Wydział Inżynierii Produkcji i Technologii Materiałów Instytut Przeróbki Plastycznej i Inżynierii Bezpieczeństwa Al. Armii Krajowej 19 Tel / Faks dorota.wojtyto@onet.eu 1631

2 Rys. 1. Przykłady zastosowania stopów magnezu w branży motoryzacyjnej Perspektywa wprowadzenia na rynek tego typu blachy wzbudziła powszechne zainteresowanie wielu koncernów motoryzacyjnych nie tylko na rynku europejskim, ale również na całym świecie. Jak już wcześniej wspomniano tego typu blacha składałby się z zewnętrznych powłok aluminiowych i wewnętrznej stopu magnezu o zawartości procentowej odpowiednio ( )%. Połączenie wcześniej wymienionych warstw odbywa się za pomocą specjalnego procesu walcowania Accumulative Roll Bonding (ARB), który to odznacza się zastosowaniem olbrzymich gniotów pojedynczych powyżej 50% w jednym przepuście[1-4]. Poglądowy schemat procesu walcowania za pomocą metody ARB przedstawiono na rysunku 2. Wcześniej przygotowane pasmo w postaci pakietu Al-Mg-Al zostaje poddane bezpośredniemu procesowi walcowania metodą ARB z gniotem bezwzględnym 50%, gdzie poszczególne warstwy materiału ulegają zgrzaniu w jedną spójna blachę wielowarstwową. Następnie po wyjściu z kotliny odkształcenia takie pasmo poddawane jest operacji cięcia, potem jest składane dokładnie na połowę i podawane do kolejnego przepustu, gdzie operacja będzie się powtarzała. Rys. 2. Schemat kolejnych operacji procesu walcowania pakietowego blach ARB 1632

3 2. MAGNEZ I ZWIĄZANE Z NIM ZAGROŻENIA O ile sam proces wytwarzania wielowarstwowej blachy Al-Mg-Al jest stosunkowo bezpieczny, o tyle sam proces przygotowawczy do właściwej operacji walcowania, a następnie proces cięcia po procesie walcowania niesie ze sobą duże zagrożenie samozapłonem wytwarzanej blachy. Jak powszechnie wiadomo magnez jest zaliczany do najlżejszych metali, dlatego też jego zastosowanie w technice może być bardzo opłacalne. Jednakże stosunkowo łatwo ulega korozji atmosferycznej ze względu na swój zasadowy charakter [2]. Warstwy zewnętrzne tlenków, które wytwarzane są drogą utleniania chemicznego i zabezpieczają materiał przed korozją atmosferyczną, posiadają niższą odporność w porównaniu np. z aluminium. W związku z tym zasadne jest nakładanie trwałych powłok ochronnych. Czysty magnez techniczny (~99,8%) ze względu na swoje słabe właściwości mechaniczne nie ma zastosowania jako materiał konstrukcyjny. Zupełnie inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku stopów magnezu takich jak (AZ31, AZ61, AZ91), które cechują się znacznie lepszymi właściwościami, m.in. większą wytrzymałością [3,5,6]. Biorąc pod uwagę plastyczność blachy z magnezu oraz jego stopów głównym czynnikiem, wpływającym bezpośrednio na uplastycznienie materiału jest jego tekstura. Typową teksturą walcowania magnezu jest (0001) <1010>, która przedstawiona jest na rysunku 3. Rys.3. Komórka sieciowa ukadu heksagonalnego z zaznaczeniem głównych kierunków i płaszczyzn krystalograficznych. Należy zwrócić uwagę na właściwości fizyczne, jakimi cechuje się magnez oraz jego stopy: jest bardzo lekkim materiałem konstrukcyjnym, a jego gęstość wynosi zaledwie Mg/m 3, odznacza się stosunkowo wysoka wytrzymałością i rzadko spotykaną cechą, jaką jest tłumienie drgań, co jest bardzo wielkim atutem przemawiającym za zastosowaniem właśnie tego materiału na blachy karoseryjne. Pomimo wcześniej wymienionych właściwości magnez oraz jego stopy może ulec samozapłonowi w wysokich temperaturach oraz pod wpływem dużego tarcia. Newralgicznymi etapami przy produkcji wielowarstwowej blachy jest proces przygotowania wsadu magnezowego, poprzez operację cięcia czy szlifowania, gdzie narzędzia skrawające powodują 1633

4 powstanie bardzo wysokiej temperatury, a dodatkowe tarcie może zainicjować proces samozapłonu obrabianego magnezu bądź jego stopu. Taka sytuacja jest szczególnie niebezpieczna dla ludzkiego zdrowia, a nawet życia. Dzieje się tak, ponieważ magnez ulega bardzo gwałtownym reakcjom spalania, ogień oraz efekty towarzyszące temu zjawisku mają odcień lekko niebieski, przebieg bardzo gwałtowny oraz bardzo trudny do opanowania. Dla zminimalizowania ryzyka samozapłonu obrabianego stopu magnezu konieczne jest jego chłodzenie podczas prowadzenia obróbki (cięcia, szlifowania czy frezowania). Ważne by osoba zajmująca się tego typu czynnościami przygotowawczymi zachowała szczególną ostrożność, proces obróbki winien być prowadzony przy stosunkowo małych wartościach miarowych, koniecznym jest, aby w pobliżu znajdował się sprzęt gaśniczy, który odpowiednio szybko i umiejętnie użyty może uchronić przed ryzykiem pożaru. Jak wcześniej wspomniano nie tylko proces przygotowawczy wsadu jest objęty szczególnym ryzykiem samozapłonu stopu magnezu, ale także po procesie walcowania właściwego metoda ARB następuje proces cięcia np. piła latająca, gdzie wsad jeszcze utrzymuje wysoką temperaturę, a piła tnąca w kontakcie z warstwa magnezową po wprowadzeniu tarcia może zainicjować samozapłon warstwy stopu magnezu. Jednakże zachowanie ostrożności przy tych operacjach powinno zminimalizować zagrożenie samozapłonem stopu magnezu. Warstwa stopu magnezu zabezpieczona jest obustronnie warstwami aluminiowymi, co nie tylko chroni magnez przed działaniem czynników atmosferycznych w tym przypadku korozji, lecz także pełni rolę pewnego rodzaju osłony przed czynnikami zewnętrznymi. Mówiąc o blachach wielowarstwowych Al-Mg-Al przeznaczonych na karoserie samochodowe, pomimo wielu ich zalet należy rozważyć aspekt bezpieczeństwa użytkowników przed zagrożeniem pożarowym związanym z zapłonem warstwy magnezowej podczas kolizji. Między innymi, dlatego warstwa magnezowa pokrywana jest obustronnie powłoką aluminiową, a ponadto na grubości złącza smarowana specjalną pastą, która pozwala na jeszcze lepsze zgrzanie poszczególnych powierzchni ze sobą. WNIOSKI Podsumowując zastosowania blachy bimetalowej wielowarstwowej składającej się ze stopów aluminium i magnezu jest nowatorskim posunięciem, które zapewni lepsze osiągi produkowanych pojazdów poprzez: zmniejszenie ciężaru karoserii, dzięki niezwykle lekkim i wytrzymałym materiałom; bardzo dobrą odporność korozyjną, jaką odznacza się aluminium stosowane, jako warstwa zewnętrzna chroniąca pozostałe warstwy przed agresywnymi czynnikami zewnętrznymi. w razie kolizji karoseria samochodowa będzie w stanie przyjąć większą część wyzwolonej energii podczas zdarzenia dzięki zastosowanemu magnezowi; zabezpieczenie pożarowe warstw wewnętrznych stopów magnezu poprzez zewnętrzne warstwy aluminiowe. Streszczenie W pracy nakreślono problem produkcji wytwarzania blach karoseryjnych dla przemysłu motoryzacyjnego oraz zagrożenia, jakie są z nim związane. Proponowana blacha karoseryjna aluminiowo-magnezowa niesie ze sobą wysokie zagrożenie pożarowe w procesie przygotowawczym, który jest niezbędny, aby przystąpić do właściwego procesu wytwarzania poprzez walcowanie innowacyjną metodą ARB specjalnie zaprojektowaną do tego celu. 1634

5 Selected elements of hazards during technological processes on the example of the rolling industry Abstract The paper outlines the problem of the production of car body sheets manufactured for the automotive industry, and risks that are associated with it. The proposed sheet metal bodywork of aluminum-magnesium carries a high risk of fire in the preparatory process which is necessary in order to proceed to the appropriate manufacturing process by rolling a special method of ARB specifically designed for this purpose. Bibliografia 1. Arkadiusz Wierzba, Sebastian Mróz, Piotr Szota " Numeryczne modelowanie procesu walcowania Al-Mg-Al zmodyfikowaną metodą ARB" Czasopismo Rudy i metale nieżelazne, nr 11/ 2013 s Dziadoń A., Magnez i jego stopy, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce Huang X, Tsuji N., Hansen N., Minamino Y.: Microstructural evolution During Accumulative Roll-Bonding of Commercial Purity Aluminum, Materials Science and Engineering, 2003, A340, s Kuśnierz J., Bogucka J.: Accumulative roll-bonding of Al 99,8% and AlMg2, Conference Aluminum 2005, October 2005, Kliczków, Poland 5. Lee S. H., Saito Y., Tsuji N., Utsunomiya H., Sakai T.: Role of Shear Strain in Ultragrain Refinement by Accumulative Roll-Bonding (ARB) process, Scripta Materialia, 2002, Nr 46, s Tsuji N., Saito Y., Utsunomiya H., Tanigawa S.: Ultra-fine grained bulk steel produced by accumulative roll-bonding (ARB) process, Scripta Materialia, 1999, Vol. 40, Nr 7, s