Raport: Chłodziwa przemysłowe

Rynek obróbki maszynowej nieustannie się rozwija, w związku z czym rosną wymagania dotyczące jakości wykończenia obrabianych powierzchni. Warunkiem sukcesu w tym obszarze jest zastosowanie odpowiednio dobranych chłodziw, mających istotny wpływ na prawidłowe funkcjonowanie maszyn i narzędzi.

W raporcie opracowanym na podstawie ankiety redakcyjnej przyjrzymy się chłodziwom przemysłowym najczęściej stosowanym w zakładach produkcyjnych oraz przedstawimy główne czynniki mające wpływ na ich wybór. Będzie też mowa o materiałach obrabianych w zakładach przemysłowych, korzyściach płynących z właściwej gospodarki chłodziwami, a także wpływie cieczy chłodząco-smarujących na zdrowie obcujących z nimi na co dzień użytkowników.

Nie tylko chłodzą i smarują

Chłodziwa, zwane też cieczami chłodząco-smarującymi, są stosowane – jak sama nazwa wskazuje – do chłodzenia i smarowania materiałów obrabianych i narzędzi obróbczych podczas obróbki i formowania materiałów. Skuteczność chłodzenia zależy od tego, jakie jest stężenie emulsji, przy czym z reguły te o niższym stężeniu chłodzą skuteczniej. Jeśli z kolei chodzi o smarność, ma ona znaczący wpływ na zmniejszenie tarcia i zużycie narzędzi obróbczych oraz gładkość obrabianej powierzchni.

Oprócz właściwości chłodzących i smarujących chłodziwa używane obecnie w zakładach przemysłowych muszą spełniać wiele innych, dodatkowych wymagań, z których na szczególną uwagę zasługują: bardzo dobre własności antykorozyjne (dotyczy to elementów obrabiarki, skrawających narzędzi, a także obrabianych przedmiotów); kompatybilność z materiałami konstrukcyjnymi obrabiarek (np. z lakierem i z elastomerami); szybkie wydzielanie powietrza, odporność na pienienie; dobre właściwości myjące (ułatwiające spłukiwanie powstających wiórów i drobnych opiłków); szybkość odbioru ciepła; własności smarne; długa żywotność oraz stabilność emulsji w czasie pracy, brak zagrożenia dla zdrowia; wpływ na środowisko (głównie chodzi o koszt utylizacji chłodziwa przepracowanego).

Wiele składników – jeden cel

Obecnie dostępne na rynku chłodziwa są bardzo wyspecjalizowane – często są mieszaninami składającymi się z kilku lub kilkunastu składników produkowanych przez największe koncerny chemiczne. Jak wyjaśnia Piotr Horecki, dyrektor ds. technicznych w firmie Eurofluid, jeśli chodzi o trendy w zakresie kompozycji chłodziw, mogą je tworzyć tylko duże firmy z ugruntowaną tradycją, sięgającą w sporadycznych przypadkach nawet XIX w. Nie jest możliwe zdobycie doświadczenia w tej dziedzinie w ciągu kilku lub nawet kilkunastu lat.

Zdaniem Waldemara Zawadki, Technical Managera w firmie Univar Poland, producenci chłodziw mają na rynku bardzo duży wybór składników do ich skomponowania. Mogą opracować chłodziwo ze składników wyższej jakości (stabilniejszych, nowocześniejszych, łagodniejszych) lub mniej wyszukanych (wrażliwszych, tradycyjnych, wymagających odporności, o bardziej dokuczliwym zapachu). Mogą również takie składniki niemal dowolnie mieszać.

Chłodziwa przemysłowe od dawna są stosowane w szeroko pojętej obróbce metali. Jak zauważa Piotr Horecki, obecnie praktycznie każdy sektor przemysłu – począwszy od branży automotive, a skończywszy na AGD – używa elementów metalowych obrobionych na specjalistycznych maszynach do obróbki metali. To, co jeszcze kilka lat temu można było zrobić na konwencjonalnej tokarce czy frezarce, wykonuje się obecnie na specjalistycznych maszynach CNC. Dzięki temu te same operacje można wykonać szybciej, sprawniej i dokładniej w porównaniu z maszynami sprzed kilku dekad. Za tymi trendami oczywiście muszą nadążać media do obróbki metali, takie jak chłodziwa przemysłowe.

Właściwa gospodarka środkami chłodzącymi może w dużej mierze zdecydować o przewadze firmy na rynku. Szacuje się, że koszty chłodziw stosowanych przy obróbce mogą stanowić nawet 10% kosztów gotowego wyrobu. W skład tych kosztów wchodzą wydatki związane m.in. z zakupem, używaniem czy pozbyciem się zużytego płynu. Jednocześnie należy podkreślić, że obróbka stanowi jedynie ok. 6% kosztów gotowego wyrobu. Gospodarka chłodziwami ma zatem na celu przede wszystkim zmniejszenie kosztów przez wydłużenie ich żywotności i zredukowanie strat.

Jak informują przedstawiciele firmy Abplanalp, głównym powodem stosowania chłodziw jest zapewnienie odpowiedniego funkcjonowania maszyn i narzędzi, które stanowią odpowiednio 30% i 5% wydatków produkcyjnych.

Jeśli chodzi o maszyny, rola chłodziwa sprowadza się do poprawy parametrów obróbczych i zminimalizowania częstotliwości awarii. Odpowiednie chłodzenie i smarowanie, zapewniające niezakłóconą pracę maszyn, w dłuższej perspektywie przekłada się na efektywność ich wykorzystania i szybszy zwrot z inwestycji, a także przyczynia do redukcji kosztów napraw i serwisu, które stanowią istotny składnik całkowitych kosztów eksploatacyjnych zakładu.

Zdaniem ekspertów z firmy Abplanalp znaczenie odpowiedniego doboru emulsji chłodząco-smarującej oraz jej wpływ na przebieg procesów obróbczych najłatwiej zaobserwować jednak na przykładzie narzędzi. Chłodziwa nowej generacji pozwalają bowiem nie tylko na uzyskanie wyższych prędkości skrawania, a co za tym idzie – skrócenie cyklu produkcyjnego, ale także odgrywają znaczącą rolę w przedłużeniu żywotności narzędzi skrawających. Wynika to z tego, że lepsze chłodzenie i smarowanie sprzyjają obniżeniu temperatury w strefie obróbki oraz zmniejszeniu oporu między krawędzią ostrza narzędzia a powierzchnią detalu, ograniczając ścieranie i wypaczenia, istotnie skracające czas użytkowania magazynu narzędziowego.

Źródło: ankieta magazynu Inżynieria i Utrzymanie Ruchu

Co wpływa na wybór?

Głównymi parametrami decydującymi o wyborze chłodziwa przemysłowego, jak widać na rys. 1, są uwarunkowania zakładu – obrabiane materiały, operacje obróbcze itd. (67%). Aspekt ten jest szczególnie istotny, zważywszy na fakt, że właściwy wybór środka chłodzącego stanowi podstawę optymalizacji gospodarki tymi płynami, a zastosowanie niewłaściwego chłodziwa może być nieefektywne i bardzo kosztowne. Przykładowo użycie chłodziwa przeznaczonego do aluminium przyniesie słabe efekty przy obróbce elementów z żelaza. Natomiast metale łatwo korodujące będą wymagały użycia chłodziwa na bazie oleju.

Na liście najistotniejszych parametrów wpływających na wybór chłodziwa pojawiły się w dalszej kolejności: stosunek cena/jakość (50%), opinie z rynku dotyczące wsparcia technicznego realizowanego przez wykwalifikowany personel (18%); terminowe dostawy (16%) oraz czas obecności danego dostawcy na rynku (10%).

Naszych respondentów zapytaliśmy również o to, czy przy wyborze chłodziwa kierują się opinią dostawcy. Okazuje się, że dla 70% ankietowanych opinia ta ma znaczenie, ale tylko w pewnym zakresie, natomiast dla pozostałych 30% jest ona zupełnie nieznacząca. Warto zwrócić uwagę na to, że żadna osoba nie odpowiedziała, iż opinia dostawcy ma dla niej duże znaczenie.

Jeśli chodzi o parametry techniczne chłodziwa, to – powołując się na wyniki przedstawione na rys. 2 – za najważniejsze zostały uznane: brak szkodliwych substancji w chłodziwie (70%), zmniejszenie zużycia narzędzi (67%), możliwość obrabiania wielu materiałów (50%), odstępy między wymianami chłodziwa w maszynach (34%) oraz zawartość oleju mineralnego (10%).

Czynnikami, na które w zakładach respondentów zwraca się największą uwagę w kontekście chłodziw przemysłowych, są przede wszystkim: poprawa produktywności (50%), cena produktów oraz żywotność narzędzi (ok. 40%), jakość produktu (klasa premium) oraz dostępność (ok. 30%).

Warto dodać, że na pytanie, co mogłoby skłonić użytkowników do zaakceptowania wyższej ceny chłodziwa, ankietowani odpowiadali: dłuższa żywotność narzędzi (ok. 70%), poprawa jakości powierzchni oraz brak uczuleń u operatorów (ok. 40%), a także krótszy czas obróbki (ok. 30%).

Źródło: ankieta magazynu Inżynieria i Utrzymanie Ruchu

Grunt to sprawdzony dostawca

Z obserwacji Piotra Horeckiego wynika, że najważniejszym kryterium wyboru dostawcy chłodziw przestaje być obecnie jedynie cena. Chłodziwo coraz częściej jest traktowane w zaawansowanych zakładach jako istotna składowa procesu produkcji, mająca wpływ na poprawę produktywności, obniżenie zużycia drogich narzędzi skrawających oraz zwiększenie parametrów obróbki. Dzięki temu, w przypadku coraz większej liczby wysoko wyspecjalizowanych zakładów wykonujących swoją produkcję w Polsce, realna konkurencja pomiędzy producentami chłodziw sprowadza się do kilku kluczowych graczy.

Według eksperta z firmy Eurofluid wybór sprawdzonego dostawcy jest dlatego istotny, że zapewnia powtarzalność partii produkcyjnych, a także jest gwarancją ciągłości realizacji dostaw. Należy pamiętać o tym, że wybór chłodziwa wiąże się nierozłącznie z długookresowym wyborem dostawcy. Minimalny okres używania chłodziwa nie powinien być krótszy niż rok. Przez ten czas zakład jest związany nie tylko chłodziwem, ale również współpracą z jego dostawcą. Wybór dobrego chłodziwa przy jednoczesnym wyborze niekompetentnego dostawcy prowadzi zazwyczaj do wielu problemów, zwiększonych nakładów pracy i związanych z tym niepotrzebnych kosztów.

Podobnego zdania jest Norbert Czubak z firmy LUBE EXPERT, który uważa, że chcąc wybrać optymalne chłodziwo przemysłowe, należy zwrócić się do firmy zajmującej się tym tematem już od jakiegoś czasu. Warto sprawdzić referencje oraz przetestować u siebie konkretne propozycje. Na pewno nie warto kierować się tylko i wyłącznie ceną zakupu. Koszt zakupu chłodziwa stanowi składową na poziomie zaledwie kilku procent w całym koszcie wytworzenia produktu. Przede wszystkim warto zadbać, aby był to produkt bezproblemowy pod względem eksploatacji.

Z przeprowadzonego badania wynika, że dla 85% ankietowanych istotną kwestią jest współpraca z firmami o ugruntowanej pozycji na polskim rynku. Jeśli chodzi o ocenę profesjonalizmu dostawców chłodziw, wśród respondentów pojawiały się następujące opinie: „duża znajomość tematu, dobre zrozumienie potrzeb użytkownika” (75%) oraz „chęć sprzedaży bez wnikania w realne oczekiwania zakładu” (10%). Pozostały odsetek sondowanych uczestników nie ma zdania na ten temat.

Jak podkreśla Waldemar Zawadka, to w interesie dostawcy jest dbać o klienta, zaproponować optymalny produkt – tylko takie podejście może zaowocować wieloletnią współpracą. Klient często dysponujący podstawową wiedzą na temat chłodziw ma prawo oczekiwać od dostawcy pomocy technicznej, wsparcia, dobrego produktu i poważnego traktowania.

A jak to wygląda w praktyce? Czy dostawcy wywiązują się ze swoich obowiązków? Z odpowiedzi udzielonych przez ankietowanych wynika, że 75% osób ocenia wsparcie techniczne i doradztwo ze strony dostawców chłodziw przemysłowych jako zadowalające, natomiast w opinii 16% osób jest ono niedostateczne. Reszta respondentów przyznała, że w ogóle nie mogą liczyć na żadne wsparcie ze strony dostawców.

Stosowane chłodziwa

Z przeprowadzonego sondażu wynika, że w zakładach osób biorących udział w badaniu stosowane są chłodziwa wodno-olejowe (40%) oraz syntetyczne (30%). Ok. 10% respondentów przyznaje, że w ich zakładach wykorzystywane są chłodziwa estrowe/roślinne oraz półsyntetyczne. Z kolei połowa sondowanych osób odpowiedziała, że w ich przedsiębiorstwach wykorzystywane są na co dzień różne chłodziwa, w zależności od aplikacji.

Jeśli chodzi o emulsje wodno-olejowe, są one najczęściej używane w komputerowo sterowanych obrabiarkach podczas obróbki metali żelaznych, a ponadto mają wiele innych zastosowań. Dzięki temu, że pozostawiają na obrabianych elementach oraz elementach maszyn obrabiających warstwę oleju zabezpieczającą je przed korozją, przy odpowiedniej eksploatacji płynu można w zasadzie zapomnieć o problemach z rdzewieniem. Niestety, emulsje te emulgują z innymi olejami (np. hydraulicznymi), w wyniku czego te ostatnie są wchłaniane, stając się składnikiem chłodziwa. W konsekwencji dochodzi do osłabienia stabilności emulsji chłodziwa.

Co do syntetycznych chłodziw stosowane są one z powodzeniem podczas szlifowania oraz lekkiej obróbki metalu. Ich zaletą jest m.in. to, że nadają się do obróbki różnego rodzaju metali, dobrze wychwytują małe drobiny powstałe podczas szlifowania, nie absorbując przy tym innych olejów, co ma miejsce w przypadku emulsji olejowych. Natomiast słabą stroną tych produktów jest to, że niektóre ich składniki (np. smarujące czy antykorozyjne) mogą się zużyć szybciej niż reszta chłodziwa.

Z kolei półsyntetyczne chłodziwa do obróbki metalu są rozwiązaniem kompromisowym pomiędzy emulsjami wodno-olejowymi a syntetycznymi. Łączą w sobie zarówno zalety, jak i wady tych obu grup. Chłodziwa te doskonale sprawdzają się w obróbce i szlifowaniu żeliwa.

Okazuje się, że w zakładach respondentów używa się najczęściej dwóch rodzajów chłodziw przemysłowych (ok. 40%). Chłodziwa wyłącznie jednego rodzaju są stosowane w co trzecim przedsiębiorstwie. W podobnej liczbie zakładów korzysta się z co najmniej trzech rodzajów chłodziw. Przeważnie są to chłodziwa producentów zachodnich (75%), rodzimych (50%) oraz lokalnych/regionalnych (10%).

Warto nadmienić, że na pytanie: „Czy znana jest Państwu koncepcja najnowocześniejszych chłodziw o połączonych parametrach chłodzących wody oraz smarujących oleju?”, uczestnicy badania odpowiedzieli w większości, bo w 58%: „tak”, około jednej trzeciej respondentów – dokładnie 32% – udzieliło przeczącej odpowiedzi, zaś 10% odpowiedziało „nie wiem”.

Jak zostało to przedstawione na rys. 3, wymiana chłodziwa w zakładach respondentów ma miejsce: raz na pół roku (42%), raz na kwartał (25%), raz na rok (15%), raz na dwa lata (10%) oraz co miesiąc (8%).

Na uwagę zasługuje fakt, że w przedsiębiorstwach 34% osób stosowane są chłodziwa wymagające częstej poprawy jakości poprzez stosowanie dodatków. Zgodnie z deklaracjami pozostałych ankietowanych (66%) w ich zakładach nie zachodzi taka konieczność.

Źródło: ankieta magazynu Inżynieria i Utrzymanie Ruchu

Od stali do brązu

Jeśli chodzi o materiały obrabiane w zakładach respondentów, przeważnie są to: stal i aluminium (ok. 70%), stal nierdzewna (ok. 40%), żeliwo oraz metale kolorowe – miedź, mosiądz, brąz (ok. 30%).

Należy podkreślić, że każdy z wymienionych materiałów ma swoje cechy szczególne. Przykładowo przy obróbce stali duże znaczenie mają właściwości smarne emulsji. Odpowiednio dobrana emulsja korzystnie wpływa na zużycie narzędzi oraz gładkość powierzchni metalu po obróbce.

W przypadku aluminium – reagującego zarówno z kwasami, jak i z zasadami – wskazane jest stosowanie specjalnych emulsji o odczynie zbliżonym do neutralnego, dzięki czemu można zapobiec śniedzieniu wyrobów po obróbce. Zbyt wysoki poziom pH mógłby spowodować destabilizację emulsji w wyniku powstawania kleistych osadów.

Z kolei żeliwo cechuje się podatnością na korozję, jednak z uwagi na to, że przy obróbce żeliwa emulsja ulega zanieczyszczeniu grafitem, którego w zasadzie nie da się skutecznie zatrzymać za pomocą filtrów, zachodzi potrzeba częstej wymiany emulsji niezależnie od stopnia jej zużycia.

Warto wspomnieć jeszcze o miedzi i jej stopach, które w trakcie obróbki reagują z zasadami obecnymi w emulsji i w ograniczonym stopniu tworzą sole rozpuszczalne w wodzie. Z jednej strony są pożądane, gdyż hamują rozwój mikroorganizmów w emulsji i wydłużają okres jej wymiany. Natomiast z drugiej strony sole te mogą w sposób nieprzewidywalny wpływać na organizm ludzki. Z uwagi na to przy stosowaniu emulsji do obróbki miedzi i jej stopów powinno się zakładać skrócone okresy wymiany.

Zdrowie i bezpieczeństwo

W obecnych czasach bardzo ważnym aspektem związanym z chłodziwami jest kwestia regulacji prawnych dotyczących stosowanych do produkcji komponentów. Takie substancje, jak kwas borowy lub biocydy wydzielające formaldehyd, są coraz mniej akceptowanym składnikiem nowoczesnych produktów. W opinii Piotra Horeckiego stworzenie dobrych alternatywnych receptur udaje się tylko wiodącym, znanym producentom.

Zdaniem eksperta w koncepcji nowoczesnych środków do obróbki skrawaniem ważnym ogniwem jest operator, mający najdłuższy oraz intensywny kontakt z chłodziwem. Z tego względu topowe produkty muszą spełniać rygorystyczne normy dotyczące kontaktu chłodziwa ze skórą. Należy zwracać uwagę na to, by produkty były przebadane dermatologicznie, w tym bezpośrednio na ludziach. Dzięki temu niektóre wyroby mogą być oferowane bez piktogramów ostrzegawczych, co wynika bezpośrednio z ich składu, bezpiecznego dla użytkownika.

Na kwestie związane z bezpieczeństwem chłodziw przemysłowych używanych w zakładzie zwraca też uwagę Konrad Parcia, szef Grupy Blaser w firmie Abplanalp, wyjaśniając, dlaczego dodatki bakteriobójcze są niepożądane w emulsjach, a także jakie problemy mogą powodować. Z jednej strony niepożądane bakterie powinny być wyeliminowane jak najszybciej, ale z drugiej nie należy zapominać o tym, że poprawna analiza mikrobiologiczna jest złożona i wymaga czasu. W praktyce często jest przyjmowana zasada: „im więcej, tym lepiej”. Jednakże trzeba mieć świadomość, że przedawkowanie środków bakteriobójczych może powodować niepożądane oddziaływanie na skórę i drogi oddechowe. Faktem jest, że działanie dodatków bakteriobójczych słabnie z upływem czasu, a ich okresowe uzupełnianie jest zwykle kwestią domysłów. Dodatkowo nie bez znaczenia pozostaje konieczność posiadania wykwalifikowanego personelu do prawidłowego składowania i stosowania tego rodzaju dodatków.

Niekontrolowany wzrost nieznanych bakterii w tradycyjnych emulsjach (zawierających bakteriocydy) do obróbki metali ogólnie skraca ich żywotność. Takie bakterie mogą zmniejszyć wartość pH, a także powodować korozję i być przyczyną powstawania nieprzyjemnych zapachów. Włókna grzybni mogą prowadzić również do zapychania filtrów, dlatego w tradycyjnych emulsjach konieczne jest zminimalizowanie ilości bakterii oraz grzybów.

Należy zwrócić uwagę na to, że intensywność rozwoju mikroorganizmów w chłodziwach zależy od ich składu i warunków użytkowania. By mikroorganizmy mogły się rozwinąć, konieczna jest obecność wody oraz węglowodorów bądź innych substancji organicznych, takich jak tłuszcze. W porównaniu z np. olejami obróbczymi, gdzie zakażenie mikroorganizmami jest stosunkowo rzadkim zjawiskiem, problem ten często dotyczy emulsji wodno-olejowych. Rozwój mikroorganizmów stanowi w dalszym ciągu poważny problem przemysłu metalowego, z którym – z różnym skutkiem – próbują uporać się chemicy już od wielu lat.

Raport powstał na podstawie danych z ankiety, na którą odpowiedzieli Czytelnicy magazynu Inżynieria i Utrzymanie Ruchu. Oprócz tego przy tworzeniu raportu bazowano na informacjach pochodzących od dostawców chłodziw przemysłowych. Raport nie odzwierciedla pełnego obrazu rynku.

Autorka: Agata Abramczyk jest dziennikarką, publicystką, autorką tekstów, pasjonatką nowoczesnych technologii; od wielu lat związaną z branżą wydawniczą.

Tekst pochodzi z nr 2/2017 magazynu “Inżynieria i Utrzymanie Ruchu”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.