4.4.4. Высокое значение удельного веса

99
Экономические показатели резиновой композиции
4.4.4.
Высокое значение удельного веса
В некоторых случаях высокий вес оказывает существенное влияние на конечные
характеристики изделия. Например, в самолетных тормозных колодках обязательно
нужно использовать смесь с высоким удельным весом. Ключом к решению данной
проблемы является использование экономически эффективных систем наполнителей для получения смесей с высоким удельным весом без существенного ухудшения
свойств вулканизатов. Модельные смеси IV (табл. 4.4) и V (табл. 4.5) иллюстрируют
Таблица 4.4. Модельная смесь IV
Ингредиент
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
SBR 1500
100,000
0,7200
0,94
106,38
72,00
Бариты
200,000
0,1270
4,45
44,94
25,40
Масло с преобладанием ароматических
углеводородов
15,000
0,0838
1,00
15,00
1,26
Оксид цинка
3,000
0,6000
5,57
0,54
1,80
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
СА-Т
1,500
3,2900
1,28
1,17
4,94
Сера модифицированная маслом
2,000
0,1590
2,00
1,00
0,32
171,39
106,73
Всего
323,500
Удельный вес
1,888
Цена за фунт
$0,330
Цена за фунт/ед.
объема
$0,623
Таблица 4.5. Модельная смесь V
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
SBR 1500
100,000
0,7200
0,94
106,38
72,00
Оксид цинка
177,320
0,6000
5,57
31,83
106,39
Масло с преобладанием ароматических
углеводородов
15,000
0,0838
1,00
15,00
1,26
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
СА-Т
1,500
3,2900
1,28
1,17
4,94
Сера, модифицированная маслом
2,000
0,1590
2,00
1,00
0,32
Ингредиент
100
Экономические показатели резиновой композиции
Окончание табл. 4.5
Ингредиент
Всего
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
297,820
Удельный вес
1,888
Цена за фунт
S0,624
Цена за фунт/ед.
объема
$1,179
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
157,74
185,92
два метода получения смесей с одинаковым удельным весом, но при этом модельная
смесь IV является более экономически эффективной.
Эти модели являются иллюстрациями экономической эффективности, а не
реальными промышленными рецептурами. Очевидно, что свинцовый глет (PbO),
имеющий удельный вес 9.35, повысит удельный вес смеси. Примеры таких смесей не
приведены, поскольку введены строгие ограничения на промышленное использование
свинца с точки зрения экологической безопасности.
4.5.
Рецептура и стоимость резиновой смеси
Существует естественное стремление на всякий случай проектировать изделия с
завышенными свойствами. Однако, когда необходимо и особенно важно создать
изделие с достаточными гарантийными резервами, следует делать реальную оценку
его свойств. Установление нереальных гарантийных резервов ограничивает выбор
наполнителей и полимеров, которые могут быть использованы, и при этом стоимость
смеси может быть достаточно высокой. Если срок эксплуатации изделия составляет
1000 часов, не имеет смысла делать его со сроком эксплуатации 100 000 часов. Кроме
того, часто за технические требования принимают конкретные физические свойства,
которые не важны для эксплуатационных характеристик изделий, но в промышленности могут считаться мерой «качества». Например, одним из таких свойств может
быть прочность при растяжении.
С другой стороны, если разрушение изделия приводит к серьезным экономическим последствиям или является угрозой жизнедеятельности, то усилия должны
быть сфокусированы на создании изделия, которое не разрушится в процессе эксплуатации. Например, если отказ детали большой системы приводит к остановке
оборудования, потере производительности и дополнительным трудовым затратам, то
имеет смысл увеличение гарантийных резервов этой детали. Если речь идет о безопасности работников, то наиболее важно обеспечить необходимые эксплуатационные
характеристики изделия, а цена должна уйти на второй план. Если безопасность обеспечена, то можно снизить цены изделий, но они могут быть введены только после
тщательной проверки.
101
Экономические показатели резиновой композиции
4.6.
Уменьшение стоимости материала
В этом разделе будут рассмотрены пути работы с определенными ингредиентами
смеси и влияние их на стоимость.
4.6.1.
Высокоструктурный технический углерод
Использование высокоструктурных марок технического углерода с целью обеспечения необходимого уровня модуля 300% при увеличении содержания мягчителя
уменьшает цену за фунт и за фунт/ед. объема. То есть в данном случае используется
преимущество таких марок технического углерода в способности повышать модуль.
Добавление же мягчителя снижает модуль до прежнего значения. Однако, другие
важные свойства изделия могут привести к компромиссу.
4.6.2.
Белые смеси
В смесях, где для максимальной белизны используется большое содержание диоксида титана, можно использовать слегка окрашенные каолин или активированный
каолин, карбонат кальция и наряду с ними оптические отбеливатели для некоторых
пигментов. Выбор и содержание веществ будет зависеть от ряда факторов, включая
требуемый уровень белизны, физические свойства (прочность, модуль, твердость),
размолоспособность, сопротивление утомлению и т. д.
4.6.3.
Антиоксиданты/Антиозонанты
Антиоксиданты/антиозонанты — это еще один класс ингредиентов, которые могут
значительно повлиять на стоимость. Существует ряд примеров синергизма между
двумя и более ингредиентами, которые дают не только большую эффективность по
сравнению с индивидуальным компонентом, но также снижают стоимость. Одним
из таких примеров является замена 4 масс. ч. ПФДА на 2,5 масс. ч. ПФДА, 2 масс.
ч. ПДГХ и 1 масс. ч. воска. В табл. 4.6 и 4.7 (модельные смеси VI и VII) показано
уменьшение цены за фунт/ед. объема на 0,013$ вследствие такой замены. И хотя такое
Таблица 4.6. Модельная смесь VI
Ингредиент
SBR 1500
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
100,000
0,7200
0,94
106,38
72,00
N660
50,000
0,3275
1,80
27,78
16,38
Масло с преобладанием ароматических
углеводородов
15,000
0,0838
1,00
15,00
1,26
Оксид цинка
3,000
0,6000
5,57
0,54
1,80
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
102
Экономические показатели резиновой композиции
Окончание табл. 4.6
Ингредиент
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
ПФДА
4,000
4,3800
0,99
4,04
17,52
ПДГХ
0,000
2,4700
1,06
0,00
0,00
Воск
0,000
0,5800
0,90
0,00
0,00
СА-Т
1,500
3,2900
1,28
1,17
4,94
Сера, модифицированная маслом
2,000
0,1590
2,00
1,00
0,32
158,26
115,23
Всего
177,500
Удельный вес
1,122
Цена за фунт
$0,649
Цена за фунт/ед.
объема
$0,728
Таблица 4.7. Модельная смесь VII
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
SBR 1500
100,000
0,7200
0,94
106,38
72,00
N660
50,000
0,3275
1,80
27,78
16,38
Масло с преобладанием ароматических
углеводородов
15,000
0,0838
1,00
15,00
1,26
Оксид цинка
3,000
0,6000
5,57
0,54
1,80
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
ПФДА
2,500
4,3800
0,99
2,53
10,95
ПДГХ
2,000
2,4700
1,06
1,89
4,94
Воск
1,000
0,5800
0,90
1,11
0,58
СА-Т
1,500
3,2900
1,28
1,17
4,94
Сера, модифицированная маслом
2,000
0,1590
2,00
1,00
0,32
159,75
114,18
Ингредиент
Всего
179,000
Удельный вес
1,121
Цена за фунт
$0,638
Цена за фунт/ед.
объема
$0,715
103
Экономические показатели резиновой композиции
снижение стоимости может показаться незначительным, если в год производится 10
млн. фунтов исходной смеси, то экономия составит 155 864$.
10, 000, 000
⎛
⎞
Экономия= ⎜ Объем смеси=
= 8, 912, 656⎟ ×
⎝
⎠
1,122
× ⎡⎣Цена за фунт ед. объема (Модельная смесь VI–Модельная смесь VII)⎤⎦ = (4.7)
= (0, 728 – 0, 715) = 0,13
4.6.4.
Замена полимера
Содержание полимера в рецепте обычно самое большое, что дает возможность уменьшить стоимость, включая цену за фунт/ед. объема.
Существует три главных причины замены полимера. Во-первых, это может быть
связано с большим удельным весом полимера или его высокой стоимостью. Вовторых, полимеры, не заправленные маслом, могут быть заменены на маслосодержащие типы; в-третьих, вместо индивидуальных компонентов могут быть использованы
маточные смеси, содержащие технический углерод/мягчитель.
4.6.4.1. Полимеры с высоким удельным весом/высокой стоимостью
Как видно по модельным смесям VIII (табл. 4.8) и IX (табл. 4.9), замена полихлоропрена на БНК не только уменьшает удельный вес материала, но и снижает его
стоимость.
Таблица 4.8. Модельная смесь VIII
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
Полихлоропрен
W типа
100,000
1,9100
1,23
81,30
191,00
N762
50,000
0,3275
1,80
27,78
16,38
Оксид цинка
5,000
0,6000
5,57
0,90
3,00
Оксид магния
4,000
0,8500
3,20
1,25
3,40
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
ТМТД
1,000
2,0500
1,42
0,70
2,05
TMTM
1,000
3,7000
1,37
0,73
3,70
Сера, модифицированная маслом
1,000
0,1590
2,00
0,50
0,16
115,51
220,70
Ингредиент
Всего
164,000
Удельный вес
1,420
Цена за фунт
$1,346
Цена за фунт/ед.
объема
$1,911
104
Экономические показатели резиновой композиции
Сбережения при расчете стоимости детали, изготовленной из 1 фунта модельной
смеси VIII (табл. 4.8), составляют 0.551$.
Частичная стоимость = (объем материала = 1/1,420 = 0,704) ×
× [цена за фунт/ед. объема (модельная смесь VIII –
– модельная смесь IX) = (1,911 – 1,129) = 0,782] = 0,051
(4.8)
Если бы цена полихлоропрена была равна цене БНК, что означало бы различие
материалов только по удельному весу, то сбережения составили бы только 0,148$.
Частичная стоимость = (объем материала = 1/1,420 = 0,704) ×
× [цена за фунт/ед. объема (модельная смесь VIII (с измененной
ценой полихлоропрена) – модельная смесь IX)=
= (1,339 – 1,129) = 0,210] = 0,148
(4.9)
Эти смеси также приведены только для иллюстрации влияния замены полимера
на стоимость материала, но не являются реальными промышленными рецептами.
Смеси, применяемые в промышленности, отличаются вулканизующей группой и
свойствами.
4.6.4.2.
Замена чистого полимера на маслонаполненный
Замена чистых полимеров на маслонаполненные обычно позволяет делать смеси с
большим содержанием мягчителя. На модельных смесях Х (табл. 4.10) и ХI (табл.
4.11) проверено только изменение содержания масла. Очевидно также, что эти смеси
будут более технологичными.
Как видно из этих примеров, при использовании маслонаполненных полимеров
вместо чистых полимеров и свободного масла может быть получено умеренное снижение стоимости. В этом случае часть изделия, для изготовления которой испольТаблица 4.9. Модельная смесь IX
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
БНК (35% НАК)
100,000
1,2500
0,99
101,01
125,00
N762
50,000
0,3275
1,80
27,78
16,38
Оксид цинка
5,000
0,6000
5,57
0,90
3,00
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
TMTД
1,000
2,0500
1,42
0,70
2,05
TMTM
1,000
3,7000
1,37
0,73
3,70
Сера, модифицированная маслом
1,000
0,1590
2,00
0,50
0,16
133,97
151,30
Ингредиент
Всего
160,000
Удельный вес
1,194
Цена за фунт
$0,946
Цена за фунт/ед.
объема
$1,129
105
Экономические показатели резиновой композиции
Таблица 4.10. Модельная смесь X
Ингредиент
SBR 1500
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
100,000
0,7200
0,94
106,38
72,00
N234
75,000
0,4425
1,80
41,67
33,19
Масло с преобладанием ароматических
углеводородов
30,000
0,0838
1,00
30,00
2,51
Оксид цинка
3,000
0,6000
5,57
0,54
1,80
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
СА-Т
1,500
3,2900
1,28
1,17
4,94
Сера, модифицированная маслом
2,000
0,1590
2,00
1,00
0,32
183,11
115,78
Всего
213,500
Удельный вес
1,166
Цена за фунт
$0,542
Цена за фунт/ед.
объема
$0,632
Таблица 4.11. Модельная смесь XI
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
SBR 1712
137,500
0,5600
0,96
143,23
77,00
N234
75,000
0,4425
1,80
41,67
33,19
Масло с преобладанием ароматических
углеводородов
0,000
0,0838
1,00
0,00
0,00
Оксид цинка
3,000
0,6000
5,57
0,54
1,80
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
СА-Т
1,500
3,2900
1,28
1,17
4,94
Сера модифицированная маслом
2,000
0,1590
2,00
1,00
0,32
189,96
118,26
Ингредиент
Всего
221,000
Удельный вес
1,163
Цена за фунт
$0,535
Цена за фунт/ед.
объема
$0,623
106
Экономические показатели резиновой композиции
Таблица 4.12. Модельная смесь XII
Ингредиент
Масс. ч. на
100 масс. ч.
каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
SBR 1500
100,000
0,7200
0,94
106,38
72,00
N330
52,000
0,3750
1,80
28,89
19,50
Масло с преобладанием ароматических
углеводородов
Оксид цинка
10,000
0,0838
1,00
10,00
0,84
3,000
0,6000
5,57
0,54
1,80
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
СА-Т
1,500
3,2900
1,28
1,17
4,94
Сера, модифицированная маслом
Всего
2,000
0,1590
2,00
1,00
0,32
150,34
100,41
Удельный вес
170,500
1,134
Цена за фунт
$0,589
Цена за фунт/ед.
объема
$0,668
зуется 1 фунт модельной смеси Х, при замене ее на модельную смесь ХI, получится
следующее преимущество в цене:
Частичная стоимость = (объем материала = 1/1,166 = 0,858) ×
× [цена за фунт/ед.объема (модельная смесь Х –
– модельная смесь XI) = (0,632 – 0,623) = 0,009] = 0,008
(4.10)
4.6.4.3.
Маточные смеси каучук/ технический/ углеродом/
мягчитель вместо индивидуальных компонентов
Следующий пример демонстрирует использование маточных смесей, содержащих
технический углерод/мягчитель, вместо смесей со свободным техническим углеродом
и мягчителем. SBR 1606 — это маточная смесь, содержащая 100 масс. ч. БСК, 52 масс.
ч. технического углерода N330 и 10 масс. ч. масла с преобладанием ароматических
углеводородов. По табл. 4.12 и 4.13 (модельные смеси XII и XIII) можно сравнить
их стоимость.
На этом примере можно видеть, что при использовании маточной смеси (модельная смесь XIII) мы получаем проигрыш в стоимости в размере 0,035$, по сравнению
с модельной смесью XII.
Частичная стоимость = [объем материала = (1 фунт/удельный вес
модельной смеси XII) = 1/1,134 = 0,882] × [цена за фунт/ед. объема
(модельная смесь XII – модельная смесь XIII) = (0,668 – 0,708) =
= –0,040] = –0,035
(4.11)
107
Экономические показатели резиновой композиции
Таблица 4.13. Модельная смесь XIII
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
162,000
0,6068
1,12
145,29
98,31
Оксид цинка
3,000
0,6000
5,57
0,54
1,80
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
СА-Т
1,500
3,2900
1,28
1,17
4,94
Сера модифицированная маслом
2,000
0,1590
2,00
1,00
0,32
150,35
106,38
Ингредиент
SBR 1606
Всего
170,500
Удельный вес
1,134
Цена за фунт
$0,624
Цена за фунт/ед.
объема
$0,708
Однако, это просто для информации. Мы обсудили только стоимость материалов
для резиновых смесей. Но в стоимость изделия также входят затраты на их переработку путем смешения, каландрования или экструзии, и наконец, вулканизации.
В этом примере, чтобы сравнить общую стоимость смесей по двум различным
рецептурам, должны быть включены затраты на процесс смешения.
Предположим, что модельную смесь ХII необходимо смешивать в две стадии (на
первой стадии вводятся полимер, технический углерод, мягчитель, антиоксиданты,
оксид цинка и стеариновая кислота, а на второй стадии — вулканизующая группа). Двухстадийный процесс увеличивает затраты на смешение. Примем, что для
первой стадии смешения затраты составят 450$/час, а общий цикл смешения для
переработки 450 фунтов смеси будет равен 4 мин. Тогда затраты на процесс смешения
для модельной смеси ХII составят:
4 Мин
0, 067 Ч
= 0, 067 Ч;
= 0, 000148 Ч/Фунт
450 Фунт
⎛ 60 Мин ⎞
⎜⎝
⎟
Ч ⎠
(4.12)
Перемножив время смешения 1 фунта и стоимость смешения в течение 1 часа,
получим стоимость смешения 1 фунта смеси — 0,067$.
0, 000148 Ч 450 0, 067
×
=
Фунт
Ч
Фунт
(4.13)
Поскольку резиновая смесь на основе маточной смеси, содержащей технический
углерод и масло, может быть изготовлена за одну стадию, то первая стадия полностью
исключается, а значит, стоимость смеси будет меньше на 0,067$. Таким образом,
вместо потери 0,036$/фунт, мы экономим 0,032$/фунт.
108
Экономические показатели резиновой композиции
Затраты на смешивание
0, 067
— Проигрыш в стоимости материалов
Фунт
0, 035 0, 032
=
Экономия
Фунт Фунт
(4.14)
Кроме сокращения затрат на смешение, также происходит увеличение производительности процесса. Исключив первую продолжительную стадию смешения, одну или
две последних стадии, можно увеличить производительность в три раза. Это особенно
актуально, если производство имеет ограниченную производительность смесителей.
Расчет стоимости модельных смесей XII (табл. 4.12) и XIII (табл. 4.13) может быть
сделан сразу как цена/фунт, так как обе смеси имеют одинаковый удельный вес.
4.6.4.4. Производительность процесса экструзии
Так как в модельной смеси XIV (табл. 4.14) используются относительно дорогостоящие технологические добавки, то стоимость ее выше по сравнению с модельной
смесью I (табл. 4.1), и, на первый взгляд, может показаться, что из этого следуют
экономические издержки. Однако если технологическая добавка повышает производительность процесса экструзии на 10%, то увеличение стоимости смеси более, чем компенсируется. Допустим, что затраты на экструзию составляют 300$/
час и начальная производительность равна 10,000 фунтов/час. Тогда может быть
произведен следующий расчет:
Долевая стоимость = [объем материала = модельная смесь I /
/удельный вес модельной смеси I) = 1/1,25 = 0,889] ×
× [разница в цене за фунт/ед. объема (модельная смесь I –
модельная смесь XIV) = (0,634 – 0,635) = –0,001] = –0,001
(4.15)
Таблица 4.14. Модельная смесь XIV
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
SBR 1500
100,000
0,7200
0,94
106,38
72,00
N660
50,000
0,3275
1,80
27,78
16,38
Масло с преобладанием ароматических
углеводородов
15,000
0,0838
1,00
15,00
1,26
Технологическая добавка
3,000
0,7000
1,00
3,00
2,10
Оксид цинка
3,000
0,6000
5,57
0,54
1,80
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
СА-Т
1,500
3,2900
1,28
1,17
4,94
Сера, модифицированная маслом
2,000
0,1590
2,00
1,00
0,32
157,22
99,81
Ингредиент
Всего
176,500
109
Экономические показатели резиновой композиции
Окончание табл. 4.14
Ингредиент
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Удельный вес
1,123
Цена за фунт
$0,565
Цена за фунт/ед.
объема
$0,635
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
Сокращение затрат на экструзию =[Затраты на экструзию модельной смесси
⎛ 300 ⎞
=⎜
⎝ Ч ⎟⎠
⎤
⎛ 10, 000 ⎞
⎜⎝
⎟ = 0, 030 /Фунт ⎥ − [Затраты на экструзию модельной
Ч ⎠
⎦
⎤
⎛ 300 11, 000 ⎞
= 0, 027 /Фунт ⎥ =0,003/Фунт
смеси XIV = ⎜
⎟
⎝ Ч
Ч ⎠
⎦
(4.16)
Если сложить проигрыш в цене смеси и выигрыш по затратам на процесс экструзии, то результат будет положительным и составит 0,002$/фунт. Это маленькое число,
но если экструдер работает 20 часов в день и 240 дней в году, то производительность
при переработке модельной смеси I (табл. 4.1) будет равна 48 млн. фунтов в год.
Экономия в таком случае возрастет с 0,002$/фунт в производстве модельной смеси
I (табл. 4.1) до 96 000 $/год. Кроме того, производительность увеличится на 4,8
млн. фунтов/год по сравнению данным показателем при переработке смесей без
технологической добавки.
4.6.4.5.
Производительность процесса вулканизации
Вторичные ускорители могут увеличить скорость вулканизации смеси и, следовательно, уменьшить время вулканизации изделия. В модельной смеси XV (табл. 4.15)
в качестве вторичного ускорителя используется ТМТМ, а в модельной смеси I — один
ускоритель (табл. 4.1). Добавка ТМТМ сокращает время вулканизации с 10 мин при
175 °C до 9 мин при той же температуре.
Таблица 4.15. Модельная смесь XV
Масс. ч. на 100
масс. ч. каучука
Цена за
фунт
Уд. вес
Объем
Стоимость
SBR 1500
100,000
0,7200
0,94
106,38
72,00
N660
50,000
0,3275
1,80
27,78
16,38
Масло с преобладанием ароматических
углеводородов
15,000
0,0838
1,00
15,00
1,26
Оксид цинка
3,000
0,6000
5,57
0,54
1,80
Стеариновая кислота
2,000
0,5100
0,85
2,35
1,02
Ингредиент