Термин «производство металла» относится ко всем процессам, связанным с преобразованием сырья, такого как металлическая руда, в конечную форму, в которой металл можно использовать для каких-либо коммерческих или промышленных целей. В периодической таблице есть около 90 элементов, которые можно описать как металлы. Все они имеют различные общие характеристики, начиная от связывания и заканчивая химической природой. Вообще говоря, металлы — это элементы, которые проводят электричество, податливы и пластичны.
В некоторых случаях производство металла включает относительно небольшое количество стадий, поскольку металл уже встречается в природе в виде элемента. Так обстоит дело с золотом, серебром, платиной и другими так называемыми благородными металлами. Эти металлы обычно встречаются в природе без соединений с другими элементами и поэтому могут быть использованы в коммерческих целях при сравнительно небольшой дополнительной обработке.
Однако в большинстве случаев металлы встречаются в природе в виде соединений, таких как оксид или сульфид, и должны быть сначала переведены в их элементарное состояние. Затем их можно обрабатывать самыми разными способами, чтобы сделать их пригодными для конкретных практических применений.
Горнодобывающая промышленность
Первый шаг в производстве металла всегда включает какую-либо форму добычи. Добыча полезных ископаемых относится к процессу удаления металла в свободном или связанном состоянии с поверхности Земли. Двумя наиболее распространенными формами добычи полезных ископаемых являются поверхностная и подземная добыча. В первом случае металл или его руда могут быть удалены с верхних нескольких метров земной поверхности. Большая часть меди в мире, например, добывается из огромных открытых рудников, глубина которых может достигать почти 0.6 мили (1 км), а ширина – более 2.25 мили (3.5 км). . Подземная добыча используется для сбора металлических руд, которые находятся на больших глубинах под поверхностью Земли.
Несколько металлов можно получить из морской воды, а не из земной коры или в дополнение к этому. Магний является одним из примеров. Каждая кубическая миля морской воды содержит около шести миллионов тонн магния, главным образом в форме хлорида магния. Магний сначала осаждают из морской воды в виде гидроксида магния с использованием извести (гидроксида кальция). Затем гидроксид магния снова превращается в хлорид магния, который теперь представляет собой чистое соединение, а не сложную смесь, поступающую из моря. Наконец, металлический магний получают из хлорида магния пропусканием электрического тока через водный раствор соединения.
очистка
В большинстве случаев металлы и их руды залегают в грунте в составе сложных смесей, содержащих также горные породы, песок, глину, ил и другие примеси. Таким образом, первым шагом в производстве металла для коммерческого использования является отделение руды от отходов, с которыми она встречается. Термин руда используется для описания соединения металла, которое содержит достаточное количество этого металла, чтобы сделать извлечение металла из соединения экономически целесообразным.
Одним из примеров очистки руды является метод пенной флотации, используемый для руд меди, цинка и некоторых других металлов. В этом методе неочищенная руда, взятая из-под земли, сначала измельчается в порошок, а затем смешивается с водой и пенообразователем, таким как сосновое масло. Затем смесь продувают потоком воздуха, заставляя ее пузыриться и пениться. В процессе вспенивания примеси, такие как песок и камень, смачиваются водой и оседают на дно контейнера. Металлическая руда не поглощает воду, но поглощает сосновое масло. Покрытая нефтью руда всплывает наверх смеси, откуда ее можно снять.
Снижение
Металлы всегда встречаются в рудах в окисленном состоянии, часто в виде оксида или сульфида металла. Следовательно, чтобы преобразовать руду в ее элементарное состояние, ее необходимо восстановить. Восстановление – это химическая реакция, противоположная окислению. Металлы можно восстанавливать разными способами.
Например, в случае железных руд восстановление может быть осуществлено путем взаимодействия оксидов железа с углеродом и монооксидом углерода. Одним из распространенных устройств, используемых для этой цели, является доменная печь. Доменная печь представляет собой высокий цилиндрический сосуд, в который подают железную руду (состоящую из оксидов железа), кокс (почти чистый углерод) и известняк. Затем температура в доменной печи повышается до более чем 1,832 ° F (1,000 ° C). При этой температуре углерод реагирует с кислородом с образованием монооксида углерода, который, в свою очередь, реагирует с оксидами железа с образованием чистого металлического железа. Известняк в исходной смеси, добавленной в доменную печь, вступает в реакцию с диоксидом кремния (песком), примесью, обычно встречающейся в железной руде, и удаляет ее.
Некоторые оксиды металлов не поддаются химическим реакциям восстановления, подобным реакциям в описанном выше доменном процессе. Примером может служить восстановление оксида алюминия до металлического алюминия. До 1886 г. не было обнаружено экономически удовлетворительного способа осуществления этого процесса. Затем, будучи молодым студентом химического колледжа, американский изобретатель и инженер Чарльз Мартин Холл (1863–1914) изобрел простой и недорогой электрический метод восстановления оксида алюминия. Благодаря изобретению Холла алюминий получил широкое распространение во всем мире.
На первом этапе этого процесса оксид алюминия отделяют от других оксидов (таких как оксиды железа), с которыми он также происходит, с помощью процесса Байера. В процессе Байера смесь природных оксидов добавляется к гидроксиду натрия, который растворяет оксид алюминия, оставляя другие оксиды позади. Затем оксид алюминия растворяют в минерале, известном как криолит (фторид натрия-алюминия), и помещают в электролитическую ячейку. Когда электрический ток проходит через элемент, образуется расплавленный металлический алюминий, который опускается на дно элемента и может быть отведен из элемента.
В некоторых случаях перед восстановлением руда обрабатывается для изменения ее химического состояния. Наиболее распространенными рудами цинка, например, являются сульфиды. Эти соединения сначала обжигают в избытке воздуха, превращая сульфид цинка в оксид цинка. Затем оксид цинка восстанавливают либо путем взаимодействия с коксом (как в случае с железом), либо путем его электролиза (как в случае с алюминием).
Сплавы
Сами по себе чистые металлы часто не подходят для многих практических применений. Например, чистое золото слишком мягкое для большинства применений и в сочетании с другими металлами образует более твердые и стойкие смеси. Смеси, содержащие два или более металлов, называются сплавами. Возможно, самым известным и наиболее широко используемым из всех сплавов является сталь.
Термин сталь относится к ряду различных веществ, которые содержат железо в качестве основного компонента наряду с одним или несколькими другими элементами. Нержавеющая сталь,
КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ
Сплав — Смесь двух или более металлов со свойствами, отличными от металлов, из которых она изготовлена.
Процесс Байера — Процесс, при котором гидроксид натрия добавляется к смеси природных оксидов, так что оксид алюминия растворяется из смеси.
Зал процесс — Процесс производства металлического алюминия путем пропускания электрического тока через смесь оксида алюминия, растворенного в криолите (алюмофторид натрия).
Благородный металл — Металл, который с трудом реагирует с другими элементами и поэтому обычно встречается в природе в свободном или несвязанном состоянии.
Руда — Соединение металла, из которого металл можно извлечь с экономически обоснованной стоимостью.
Снижение – Процесс, при котором степень окисления атома уменьшается в результате приобретения им одного или нескольких электронов.
например, содержит около 18% хрома, 10% никеля и небольшое количество марганца, углерода, фосфора, серы и кремния, а также железа. Когда ниобий добавляется в стальной сплав, конечный продукт имеет необычайно большую прочность. Добавление кобальта дает форму стали, которая выдерживает высокие температуры реактивных двигателей и газовых турбин, а кремнистые стали используются в производстве электрооборудования.
На заключительных этапах производства металла готовому изделию придается некоторая форма, которую можно использовать в других отраслях промышленности для изготовления конечной продукции. Так, сталь можно приобрести в виде плоских листов, колец, канатов и нитей, плит, цилиндров и других форм.
Файлы для скачивания
КНИГИ
Браунгарт, Майкл и Уильям Макдонаф. От колыбели до колыбели: переосмысление того, как мы делаем вещи. Нью-Йорк: North Point Press, 2002.
Джонсон, Дэвид. Металлы и химические изменения. Кембридж, Великобритания: Королевское химическое общество, 2002 г.
Клейн, С. Руководство по минераловедению. 22-е изд. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 2002.
Мониш, Б.Дж. Металлургия. Хоумвуд, Иллинойс: American Technical Publishers, 2003.
Нили, Джон Э. и Томас Дж. Бертоне. Практическая металлургия и материалы промышленности. Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, 2003.
Свишер, Джеймс Х. Обработка материалов: от колыбели до могилы и до колыбели. Блумингтон, Индиана: AuthorHouse, 2005.
обработка материалов
Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам, если у вас есть какие-либо вопросы.
Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, следует ли пересматривать статью.
Несмотря на то, что были приложены все усилия для соблюдения правил стиля цитирования, могут быть некоторые расхождения. Пожалуйста, обратитесь к соответствующему руководству по стилю или другим источникам, если у вас есть какие-либо вопросы.
Наши редакторы рассмотрят то, что вы отправили, и решат, следует ли пересматривать статью.
обработка материаловряд операций, переводящих промышленные материалы из состояния сырья в готовые детали или изделия. Промышленные материалы определяются как те, которые используются в производстве «твердых» товаров, таких как более или менее долговечные машины и оборудование, производимые для промышленности и потребителей, в отличие от одноразовых «мягких» товаров, таких как химикаты, продукты питания, фармацевтические препараты и одежда. .
Обработка материалов вручную так же стара, как цивилизация. Механизация началась с промышленной революции 18 века, а в начале 19 века основные машины для формовки, формовки и резки были разработаны, главным образом в Англии. С тех пор методы обработки материалов, методы и машины стали разнообразнее и многочисленнее.
Цикл производственных процессов, который превращает материалы в детали и продукты, начинается сразу после того, как сырье либо извлечено из полезных ископаемых, либо произведено из основных химических веществ или природных веществ. Металлическое сырье обычно производится в два этапа. Во-первых, необработанная руда обрабатывается для увеличения концентрации целевого металла; это называется благодеянием. Типичные процессы обогащения включают дробление, обжиг, магнитную сепарацию, флотацию и выщелачивание. Во-вторых, дополнительные процессы, такие как плавка и легирование, используются для производства металла, который должен быть изготовлен в виде деталей, которые в конечном итоге собираются в продукт.
В случае керамических материалов натуральная глина смешивается с различными силикатами для получения сырья. Пластмассовые смолы производятся химическими методами в виде порошка, гранул, замазки или жидкости. Синтетический каучук также изготавливается химическими методами, как и натуральный каучук, в таких формах, как плиты, листы, креп и пена для изготовления готовых изделий.
Процессы, используемые для преобразования сырья в готовую продукцию, выполняют одну или обе из двух основных функций: во-первых, они придают материалу желаемую форму, а во-вторых, они изменяют или улучшают свойства материала.
Процессы штамповки и придания формы можно разделить на два основных типа: те, которые выполняются с материалом в жидком состоянии, и те, которые выполняются с материалом в твердом или пластичном состоянии. Обработка материалов в жидкой форме обычно называется литьем, когда речь идет о металлах, стекле и керамике; это называется литьем применительно к пластмассам и некоторым другим неметаллическим материалам. Большинство процессов литья и формовки включают четыре основных этапа: (1) создание точного шаблона детали, (2) изготовление формы по шаблону, (3) введение жидкости в форму и (4) удаление затвердевшей детали из формы. плесень. Иногда требуется финишная обработка.
Материалы в твердом состоянии принимают желаемую форму за счет приложения силы или давления. Обрабатываемый материал может быть в относительно твердом и стабильном состоянии и иметь форму бруска, листа, гранул или порошка, или он может быть в мягкой, пластичной или замазкообразной форме. Твердым материалам можно придать форму как в горячем, так и в холодном состоянии. Переработку металлов в твердом состоянии можно разделить на две основные стадии: во-первых, сырье в виде крупных слитков или заготовок подвергают горячей обработке, обычно прокаткой, ковкой или экструзией, на более мелкие формы и размеры; во-вторых, эти формы перерабатываются в конечные детали и изделия с помощью одного или нескольких процессов горячего или холодного формования меньшего масштаба.
После того, как материал сформирован, его обычно подвергают дальнейшим изменениям. В обработке материалов процесс «удаления» — это процесс, при котором удаляются части куска или массива материала для достижения желаемой формы. Хотя процессы удаления применяются к большинству типов материалов, они наиболее широко используются для металлических материалов. Материал может быть удален с заготовки как механическими, так и немеханическими средствами.
Существует ряд процессов резки металла. Почти во всех из них механическая обработка включает в себя прижатие режущего инструмента к материалу, которому необходимо придать форму. Инструмент, который тверже разрезаемого материала, удаляет ненужный материал в виде стружки. Таким образом, элементами механической обработки являются режущее устройство, средство удержания и позиционирования заготовки и обычно смазка (или смазочно-охлаждающая жидкость). Существует четыре основных нережущих процесса удаления: (1) при химическом фрезеровании металл удаляется в результате реакции травления химических растворов на металле; хотя обычно наносится на металлы, его также можно использовать на пластике и стекле. (2) Электрохимическая обработка использует обратный принцип металлизации, поскольку заготовка вместо того, чтобы наращиваться в процессе металлизации, контролируемым образом разъедается под действием электрического тока. (3) Электроэрозионная обработка и шлифование разрушают или режут металл высокоэнергетическими искрами или электрическими разрядами. И (4) лазерная обработка режет металлические или огнеупорные материалы интенсивным лучом света лазера.
Другим дальнейшим изменением может быть «соединение», процесс постоянного, иногда только временного соединения или прикрепления материалов друг к другу. Используемый здесь термин включает сварку, пайку твердым припоем, пайку, а также адгезивное и химическое соединение. В большинстве процессов соединения соединение между двумя частями материала создается путем приложения одного или комбинации трех видов энергии: тепловой, химической или механической. Связующий или наполнительный материал, такой же или отличный от соединяемых материалов, может использоваться или не использоваться.
Свойства материалов могут быть дополнительно изменены горячей или холодной обработкой, механическими операциями и воздействием некоторых видов излучения. Модификация свойств обычно вызывается изменением микроскопической структуры материала. В эту категорию входят как термическая обработка, включающая температуры выше комнатной, так и холодная обработка, включающая температуры ниже комнатной. Термическая обработка — это процесс, при котором температура материала повышается или понижается для изменения свойств исходного материала. Большинство процессов термической обработки основаны на температурно-временных циклах, которые включают три этапа: нагрев, выдержку при температуре и охлаждение. Хотя некоторые термические обработки применимы к большинству семейств материалов, они наиболее широко используются для металлов.
Наконец, процессы «отделки» могут использоваться для модификации поверхностей материалов, чтобы защитить материал от износа в результате коррозии, окисления, механического износа или деформации; для обеспечения особых характеристик поверхности, таких как отражательная способность, электрическая проводимость или изоляция, или несущие свойства; или для придания материалу особых декоративных эффектов. Существует две широкие группы отделочных процессов: те, при которых на поверхность наносится покрытие, обычно из другого материала, и те, при которых поверхность материала изменяется под действием химического воздействия, нагревания или механической силы. К первой группе относятся металлические покрытия, такие как гальванопокрытие; органическая отделка, например покраска; и эмалирование фарфора.
Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена Эриком Грегерсеном.
Четыре шага для расчета стоимости производства изделий из листового металла
На сегодняшних конкурентных рынках понимание структуры затрат на продукт необходимо для улучшения процесса, а также для правильной стратегии ценообразования.
Производственный цикл изделия из листового металла включает в себя несколько этапов от сырья до готового к отгрузке продукта, которые включают: резки, профилирование, изгиб, сварка, перфорация, лазерная резка, сборка возможных аксессуаров, живопись и коробок.
Мои предыдущие статьи посвящены:
Мы видели, как некоторые из этих параметров, например КПД машины или ее Почасовая стоимость, зависят от ряда оценок и стратегических решений, которые должен принять предприниматель. Мы всегда должны помнить, что все эти решения повлияют на результат расчета.
Здесь я воспользуюсь некоторыми концепциями и идеями, изложенными в этих статьях, и предложу метод оценки себестоимости производства одного изделия из листового металла и полной партии.
Dallan разрабатывает эффективные технологии и машины для улучшения производственного цикла и снижения производственных затрат. Это возможно благодаря оптимизации использования сырья (до 100%) и снижению затрат на техническое обслуживание.
Откройте для себя все технологии и производственные системы Dallan:
Шаг первый: разбить производственный цикл
Формулы, описанные в предыдущей статье, предназначены для расчета почасовой стоимости и эффективности отдельной машины или системы.
Поскольку производственные циклы могут сильно отличаться друг от друга и могут включать разные фазы, нам необходимо сократить производственный цикл до более простых процессов, как показано на рисунке ниже.
Таким образом, продукция Машины 1 становится входом Машины 2, неся себестоимость производства, как если бы она была новым сырьем.
Теперь можно сосредоточиться на одном из этих производственных циклов за раз. Начнем с машины 1.
Шаг второй: рассчитать стоимость сырья
Для производства одного продукта требуется один или несколько видов сырья.
Например, для автономного профилегибочного станка для стоек гипсокартона требуются рулоны оцинкованной стали. В случае полной системы с профилированием и упаковкой сырьем будут: металлические рулоны, ленты и деревянная плитка.
На этом этапе нам необходимо рассчитать или оценить количество сырья, которое потребуется для производства одного продукта, включая лом, образующийся в процессе. В первой статье я показал, как Elleci может получить среднюю прибыль в размере 15,9% от затрат на сырье, переведя ряд изделий на более эффективные технологии.
Возьмем в качестве примера произведение F ам артикула. Изделие имеет размеры 415х685мм, толщину 1мм и изготовлено из листового металла размерами 1000х2100. В этот лист умещаем 6 деталей, с браком 19%. В данном случае надо учитывать, что количество сырья на одну штуку – это плита размерами 700х500мм, толщиной 1мм.
Компания стоимость сырья за штуку определяется по следующей формуле:
В предыдущем примере, принимая 0,7 евро за кг в качестве стоимости материала за кг и плотности стали 7,8 кг/дм3, получаем:
СТОИМОСТЬ СЫРЬЯ = 7 * 5 * 0,01 * 7,8 * 0,7 = 1,91 евро
Эту процедуру необходимо повторять с каждым сырьем, поступающим в процесс.
Шаг третий: добавление стоимости обработки
На данный момент нам необходимо иметь следующие данные:
- Почасовая стоимость машины или системы, рассчитанная методом, показанным во второй статье. На этом этапе мы не будем учитывать накладные расходы.
- Производительность (время цикла) и Эффективность системы, рассчитанные в моей третьей статье.
Формула для расчета стоимость механической обработки заключается в следующем:
Например, при времени цикла 12 секунд, КПД 80,5% и почасовой стоимости машины 77,3 евро получаем:
СТОИМОСТЬ ОБРАБОТКИ = 77,3 * 12 / 0,805 / 3600 = 0,32 евро
Итак общие прямые затраты на производство за одну штуку составляет:
И в нашем примере:
ОБЩАЯ СТОИМОСТЬ ПРОДУКТА В МАШИНЕ 1 = 1,91 + 0,32 = 2,23 евро
В этом случае стоимость механической обработки составляет всего 14% от общей стоимости продукта, а остальные 86% составляют сырье. Эти проценты могут варьироваться, но ясно, что любая экономия сырья (с оптимизацией или устранением брака) может быть очень выгодной для общей стоимости производства.
В некоторых производствах нам может потребоваться изготовить определенный инструмент, который не всегда можно рассчитать как часть станка.
В этом случае я предпочитаю рассматривать как часть инвестиций завершение производства N деталей и использовать следующую формулу:
(Общие производственные затраты) = N*(Стоимость сырья) + N*(Часовые затраты)*(Время цикла на одну деталь) /(Эффективность) + Затраты на инструменты
Обратите внимание, что эта формула немного отличается от той, которую я предложил в статье о почасовой стоимости, поскольку о времени настройки уже заботится Эффективность.
Dallan разрабатывает системы бережливого производства и высокоэффективные машины. Последняя инновация касается лазерной резки листового металла, применяемой для производства в рулонах. Многолетний опыт Dallan в области поточных производственных систем позволил нам разработать революционный станок для лазерной резки, который сочетает в себе гибкость и экономичность резки волоконным лазером с эффективностью и производительностью рулонного производства.
Шаг четвертый: повторение расчета для разных фаз производственного цикла
Теперь, когда мы рассчитали себестоимость от сырья до выпуска машины 1, мы можем повторить процедуру для других машин или фаз, завершающих производственный цикл.
Выход каждой машины несет затраты, связанные с предыдущими процессами, до тех пор, пока не будет достигнут конец линии и продукт не будет готов к доставке.
Правило 80/20, применяемое к структуре себестоимости продукции
Простая методология, показанная в этой статье, может привести к существенному пониманию структуры себестоимости продукта, а также помочь определить, где действовать, чтобы повысить прибыльность продукта или линейки продуктов.
В приведенном выше примере, когда стоимость сырья составляет 86 % от общей стоимости, становится ясно, что любой % экономии сырья (например, за счет снижения процента брака) приведет к пропорциональному снижению общей стоимости. стоимость продукта.
В производственном цикле, который включает несколько фаз, можно будет понять, как каждая фаза влияет на общие производственные затраты, что позволит руководителю производства расставить приоритеты вмешательств для улучшения процесса.
Будучи глубоким знатоком процессов обработки листового металла, Даллан сосредоточил свои разработки на высокоэффективных производственных системах и технологиях. Поточная философия с рулонной подачей обеспечивает высочайшую оптимизацию использования сырья, что означает меньше брака и больше прибыли, чем традиционные системы. Кроме того, инновационные и устойчивые технологии гарантируют снижение эксплуатационных расходов и затрат на техническое обслуживание.
Важная заметка
Во введении к статье я указал, что результатом этой методологии является оценка общей себестоимости продукции, поскольку некоторые из используемых нами параметров являются результатом решения или оценки руководителя производства.
В дополнение к этому обратите внимание, что этот метод не учитывает логистические затраты, связанные с хранением и перемещением продуктов с одной машины или процесса на другую. Если этот процесс выполняется вручную, эти затраты могут составлять важную часть общих затрат, и их должен оценивать руководитель производства. По этой причине линейное производство всегда предпочтительнее.
В любом случае, если логистика продуктов между двумя машинами автоматизирована и осуществляется, например, машиной или автоматическим складом, эту фазу можно рассматривать как другую фазу процесса, где автоматический склад — это еще одна машина, характеризующаяся ее почасовой стоимостью. и временем цикла, которое является наибольшим из значений времени цикла машин, которые идут выше и ниже по течению.
Выводы
Эта статья завершает серию статей, посвященных расчету почасовой стоимости станка, эффективности и проценту брака.
В предыдущих статьях я выделил факторы, которые предприниматель и руководитель производства должны учитывать при определении почасовой стоимости и ставки машин, а также важность организации производства для обеспечения высокой эффективности машин и систем.
Современные производственные системы обеспечивают быстрое, автоматическое и высокоэффективное производство, при котором время настройки для смены инструмента постоянно сокращается или, как в случае станков для лазерной резки, исключается.
Даже в высокоавтоматизированной системе стоимость обработки часто составляет меньший процент от стоимости сырья. По этой причине любая экономия на стоимости сырья с точки зрения сокращения брака становится очень выгодной с точки зрения снижения общих производственных затрат.
