Цементная промышленность по праву считается одним из ведущих направлений промышленности строительных материалов, поскольку производит вяжущие, применяемые вшироком спектрематериалов и изделий для жилищного и промышленного строительства, возведения объектов инфраструктуры [1-3]. Наряду с бетоном цемент является вторым после воды наиболее употребляемым ресурсом на земле: ежегодно его потребление на нашей планете составляет около 1 тонны на человека [1].
История промышленного производства цемента в России начинается в 19-ом в, когда были построены цементные заводы в Щурове (1870), Подольске (1874), Новороссийске (1882) и т.д. В настоящее время в России функционирует около 60 цементных заводов, использующих разные способы производства, в зависимости от особенностей сырьевой базы региона. Основные районы по производству цемента — Центральный, Уральский и Поволжский — работают на природном минерально-строительном сырье. На Урале цементная промышленность широко использует отходы черной металлургии. Ведущими компаниями в этом секторе являются: Евроцемент Груп, Холдинг HolcimGroup, Группа компаний ЛСР, ХайдельбергЦемент Рус и др.
Современные цементные заводы представляются собой высокомеханизированные и автоматизированные производства, однако большая часть отечественных цементных заводов строилась в 1950-1960-е годы и для того, чтобы в полной мере соответствовать современным стандартам качества нуждается в техническом перевооружении. Приводя слова Дж.Вэлча, известного американского предпринимателя, активно развивавшего технологии бережливого производства и концепцию «6 сигм»: «Клиенты замечают вариацию (разницу), а не среднее значение», можно резюмировать, что обеспечение стабильности основных показателей качества цемента и снижение их вариаций является необходимым условием обеспечения конкурентоспособности отечественных цементов. Эффективным инструментом решения этой проблемы является разработка и внедрение на предприятии СМК на основе международных стандартов ИСО серии 9000 [4], однако этот инструмент управления не даст ожидаемого эффекта, если не уделять должного внимания совершенствованию технологии производства, грамотной организации и строгому выполнению процедур входного, пооперационного и приемосдаточного контроля, оценке стабильности качества выпускаемой продукции. Не случайно в 1997 году ГОСТ 30515 сделал обязательной процедуру оценки уровня качества цемента по каждому нормируемому показателю, в частности по показателям прочности и содержанию оксида серы (VI). Помимо этого, в действующей версии этого стандарта - ГОСТ 30515-2013 (п. 8.5) –с целью осуществления внутреннего производственного контроля и обеспечения качества продукции установлено требование к наличию системы менеджмента качества и необходимых для ее функционирования ресурсов, процессов и документов.
С 2016 года введена обязательная сертификация цементов с целью обеспечения гарантии качества этого материала, повышения его конкурентоспособности и защиты российского рынка от цементов низкого качества, в процедурах которой также предусмотрена оценка стабильности качества цемента [5]. Следует отметить, что стабильность качества отечественного цемента существенно ниже мирового. Как отмечает [6] диапазон колебания показателей качества цемента, например прочности при сжатии в 28-суточном возрасте, в среднем составляет ± 5 МПа, что недопустимо для европейских производителей цемента. Опыт западных стран показывает, что максимальное колебание качества цемента не должно превышать 2 МПа. Так, например, на одном из крупных шведских заводов производительностью 2 млн. тонн цемента в год эта величина составляет не более 2 МПа. В случае ее превышения на предприятии объявляется аварийная ситуация с обязательным оповещением всех потребителей, принимаются меры по стабилизации производственного процесса. Что касается Германии, производители цемента, как правило, укладываются в 1,5 МПа [6].
В новом стандарте на цементы (ГОСТ 31108– 2016) для каждой марки по прочности приводится достаточно широкий диапазон возможных значений, например для широко применяемого для изготовления ЖБИ и в монолитном строительстве портландцемента типа ЦЕМ I 42.5 Н прочность при сжатии в 28-суточном возрасте нормируется в пределах от 42,5 до 62,5 МПа. Это не означает, что нормативное требование к показателю прочности цемента составляет 52,5 ± 10 МПа, а указывает на возможность того, что один завод может выпускать цемент с фактической марочной прочностью 42,5 МПа, а другой - 62,5 МПа, и оба цемента будут соответствовать нормативным требованиям. При этом вопрос выбора цемента будет решать сам потребитель - исходя из реального уровня качества продукции и его стабильности, поскольку невозможно выработать единые более жесткие нормативы для всех российских цементных заводов, применяющих разные способы производства, разное сырье и имеющих разный технический уровень оснащения.
Целью данного исследования является анализ уровня прочности цемента в 28-суточном возрасте, выпускаемого различными заводами, функционирующими на территории РФ, и оценка стабильности технологического процесса производства цемента по данному показателю.
В качестве объекта исследования был выбран портландцемент типа ЦЕМ I 42,5 Н по ГОСТ 31108-2016.Этот цемент наиболее востребован на рынке благодаря оптимальному сочетанию цены и качества и широкой области его применения. Поэтому данный тип цемента входит в номенклатуру выпускаемой продукции большинства отечественных цементных заводов.
При проведении анализа использовались результаты испытаний партий цемента, предоставленные несколькими заводами-производителями цемента за период январь 2016 г - март 2017 г.
Статистическая обработка данных выполнялась методом анализа возможностей процесса. Его суть заключается в графическом представлении данных о процессе (показателе процесса) в виде гистограммы с указанием границ поля допуска и диапазона собственной изменчивости процесса в предположении, что распределение данных подчиняется нормальному закону. Для этого был использован программный продукт Statistica [7], реализующий широкий спектр методов статистического анализа данных, применяемых в управления качеством продукции [8-12]. Результаты представлены на рисунках 1-6.
Рис. 1. Результаты анализа возможностей процесса производства портландцемента ЦЕМ I 42.5 H на Заводе 1
Рис. 2. Результаты анализа возможностей процесса производства портландцемента ЦЕМ I 42.5 H на Заводе 2
Рис. 3. Результаты анализа возможностей процесса производства портландцемента ЦЕМ I 42.5 H на Заводе 3
Рис. 4. Результаты анализа возможностей процесса производства портландцемента ЦЕМ I 42.5 H на Заводе 4
Рис. 5. Результаты анализа возможностей процесса производства портландцемента ЦЕМ I 42.5 H на Заводе 5
Рис. 6. Результаты анализа возможностей процесса производства портландцемента ЦЕМ I 42.5 H на Заводе 6
Из представленных графически распределений значений прочности цементов, выпускаемых шестью различными российскими заводами, можно сделать вывод о соответствии этого показателя установленным требованиям в течение рассматриваемого периода времени. При этом для заводов 1,3,5 и 6 характерно смещение распределение28-суточной прочности к нижней нормативной границе. Для Завода 5 можно дополнительно отметить, что левая граница полной изменчивости процесса (интервал ±3σ) выходит за нижнюю границу поля допуска прочности, что может обусловить возникновение брака по этому показателю.
Очевидно, что прочность цемента и ее вариация зависит от грамотного подбора исходных сырьевых материалов, степени их гомогенизации, соблюдения технологических параметров помола и обжига и других факторов [13-15]. Цемент твердеет тем быстрее, чем больше в нем алита (алитовые цементы) и трехкальциевого алюмината [15-16]. С течением времени процесс твердения резко замедляется. Цементы, содержащие много белита (белитовые цементы), в раннем возрасте твердеют медленно; нарастание прочности продолжается длительно и равномерно [15, 17-18]. Именно к белитовым относится цемент Завода 5, поэтому сравнительно низкие значения прочности на сжатие в марочном возрасте вовсе не являются показателем плохого качества данного цемента. Наоборот, иногда свойства белитовых цементов крайне полезны. Процессы их твердения и особенно схватывания сопровождаются выделением теплоты, которая тем интенсивнее, чем быстрее протекает процесс схватывания. Поэтому в массивных конструкциях, как правило, применяют именно белитовые цементы. Использование в таких конструкциях алитовых цементов может привести к интенсивному тепловыделению, разогреву до достаточно высокой температуры, появлению трещин и даже потере воды, что в итоге может привести к утрате цементным камнем своих качеств.
Сравнительно большой запас прочности цемента Завода 4 помимо особенностей химического состава можно также объяснить высоким качеством и однородностью сырья, обусловленные применяемым на данном предприятии сухим способом производства [17]. Кроме того, данное предприятие отличает высокий уровень автоматизации технологических процессов, что также облегчает борьбу за качество.
В таблице 1 приведены результаты оценки возможностей технологических процессов заводов №1-№6 обеспечивать выпуск цемента ЦЕМ I 42,5 Н на уровне нормативных требований к прочности в 28-суточном возрасте. Расчет приведенных в таблице показателей и оценка прогнозируемой доли дефектной продукции по показателю прочности выполнялся в соответствии с ГОСТ 50779.46-2012 [19].
Таблица 1
Результаты оценки возможностей процессов
|
№п/п |
Обозначение предприятия |
Rср_28, МПа |
Сpkl |
Сpku |
Сpk |
Сp |
Уровень брака ожидаемый, % |
|
1 |
Завод 1 |
48,7 |
2,34 |
5,19 |
2,34 |
3,77 |
0 |
|
2 |
Завод 2 |
50,9 |
1,28 |
1,77 |
1,28 |
1,53 |
0,01 |
|
3 |
Завод 3 |
49,6 |
3,31 |
6,22 |
3,31 |
4,76 |
0 |
|
4 |
Завод 4 |
59,7 |
5,88 |
0,95 |
0,95 |
3,41 |
0,22 |
|
5 |
Завод 5 |
43,9 |
1,49 |
19,97 |
1,49 |
10,65 |
3,9·10-4 |
|
6 |
Завод 6 |
46,5 |
1,87 |
7,52 |
1,87 |
4,7 |
0 |
Приведенные в таблице индексы Сpkl и Сpku количественно характеризуют близость распределения параметров качества продукции к нижней и верхней нормативным границам соответственно, установленным в нормативной документации. Значения этих показателей используются для оценки ожидаемого уровня несоответствий, возникающих при выходе значений исследуемого показателя за нижнюю или верхнюю нормативную границу. Индексы Сp и Сpk характеризуют возможности процесса производить качественную продукцию с учетом и без учета настройки процесса на центр поля допуска. Как следует из рис. 1-6 и данных таблицы 1 из 6 рассмотренных производителей только технологический процесс Завода 2 настроен на центр поля допуска. Для остальных заводов характерно смещение распределения параметров в сторону одной из установленных нормативных границ. При этом достаточный запас качества, полученный в результате расчетов для всех заводов кроме Завода 4 позволяет прогнозировать низкую вероятность появления брака цемента по показателю прочности. Для Завода 4 один из индексов (Сpku=0,95 <1) свидетельствует о вероятности выхода процесса из управляемого состояния и появлении дефектной продукции, но поскольку речь идет о верхней нормативной границе, эта ситуация лишь свидетельствует о перерасходе некоторых видов ресурсов, что привело к получении цемента с более высокими прочностными показателями. Цемент с такими характеристиками может быть переклассифицирован в случае необходимости и при соответствии других показателей установленным требованиям в класс по прочности при сжатии 52,5.
Таким образом, из данных табл. 1 следует, что для технологических процессов шести рассмотренных цементных заводов характерен практически нулевой прогнозируемый уровень брака цемента ЦЕМ I 42,5 Н, несмотря на отсутствие настройки процесса на центр поля допуска и смещение распределения значений прочности в проектном возрасте в сторону одной из нормативных границ (рис. 1-6).
Результаты проведенного статистического анализа могут быть использованы наряду с методами, установленными ГОСТ 30515-2013, в системе управления качеством продукции цементных заводов, предоставивших результаты испытаний для данного исследования, для повышения качества и обеспечения его стабильности [10, 11]. Использование индексов воспроизводимости позволяет сравнивать возможности технологических процессов производства, реализованных на разных предприятиях, выпускающих аналогичную продукцию, осуществлять управление процессами, а также обосновывать применяемый инструментарий анализа стабильности технологического процесса производства при сертификации продукции.
В настоящее время, согласно данным статистики [1, 3] продолжается спад объемов производства цемента в России, что связано с большим притоком более дешевых импортных цементов. Поэтому в сложившейся рыночной ситуации, в условиях обострения конкуренции, отечественным предприятиям-изготовителям особенно актуально уделять пристальное внимание проблемам обеспечения качества цемента и стабильности его характеристик, снижению непроизводительных затрат и оптимизации технологических процессов производства.
