Учреждение образования Федерации профсоюзов Беларуси «Международный институт трудовых и социальных отношений» Гомельский филиал Кафедра менеджмента и экономики ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОСОБИЕ Гомель 2006 УДК 338:65 ББК 30.6 П80 Рекомендовано научно-методическим советом Гомельского филиала (Протокол № 4 от 17.01.07 г.) МИТСО Автор-составитель: А.В. Мовшович Рецензенты: доцент кафедры менеджмента и экономики ГФ УО ФПБ «МИТСО», канд. экон наук, В.Г.Раков; доцент кафедры «Финансы и кредит» УО «Гомельский государст-венный университет им. Франциска Скорины», канд. экон. наук, Л. В. Федосенко. П80 Производственные технологии: пособие/ авт.-сост. А. В. Мовшович. – Гомель: ГФ МИТСО, 2006. – 167 с. Приводится теоретический материал по основным темам рабочей программы дисциплины. Предназначено для студентов факультета «Менеджмента и маркетина». УДК 338:65 ББК 30.6 © Мовшович А. В., 2006 © Оформление. ГФ МИТСО, 2006 2 ВВЕДЕНИЕ Экономическая деятельность тесно связана с технологией основного производства. Будущим экономистам-менеджерам, способным работать в различных отраслях промышленности, важно не только знать основные закономерности производственных технологий, но также свободно ориентироваться в общих технических и технологических вопросах. Выделим следующие общие задачи курса "Производственные технологии": • о роли технологии в современном обществе; • о прогрессивных технологических процессах; • о научных основах развития технологических процессов; • о базовых технологических процессах современного производства; • о методике технологи ческой подготовки производства новых изделий; • о практике обеспечения наивысшего качества производимых работ на производстве; • роли науки, изобретательской деятельности, патентования и лицензирования новых технологических процессов. Данное пособие содержит теоретический материал по основным темам рабочей программы дисциплины. Текст сопровождается примерами и иллюстрациями. 3 ГЛАВА 1. МЕСТО ТЕХНОЛОГИИ В ОБЩЕСТВЕ И ПРОИЗВОДСТВЕ 1.1. Понятие технологии. Характеристика разновидностей технологии Технология – наука, отвечающая на вопрос, как изготовить тот или иной продукт. Технология как наука изучает: 1) сущность процессов производства разнообразных продуктов потребления; 2) взаимные внутренние связи указанных процессов; 3) закономерности их развития. Технология является стержнем, связывающим воедино естественные, технические и экономические науки. Уровень развития общества определяется, в значительной степени, уровнем развития технологии. Причина развития технологии – преобладание потребностей общества над возможностью их удовлетворения существующими средствами производства. Источник развития технологии – достижения научно-технического прогресса (НТП). Важность того или иного открытия определяется, в значительной степени, экономической эффективностью внедрения его в производство. Естественные, технические и экономические науки работают, в конечном счете, на развитие технологий. В настоящее время под технологией, в широком смысле этого слова, понимают научное описание методов или совокупности различных действий для достижения поставленной цели в деятельности человека. Эти действия могут осуществляться как человеком, так и техническими средствами. Понятие технологии применимо, практически, ко всем отраслям народного хозяйства. Как известно, все народное хозяйство разделяется на производственную и непроизводственную сферы. К непроизводственной сфере относятся образование, культура, здравоохранение, искусство, торговля, наука и т. д. Производственная сфера включает в себя промышленность, сельское хозяйство, строительство. Исходя из этого, выделяют непроизводственные и производственные технологии. Производственные технологии (ПТ) – это совокупность различных действий человека и машины для создания наиболее экономичных способов и процессов производства сырья, материалов, продукции. Например, методы и средства изготовления машин и механизмов составляют предмет технологии машиностроения. Методы и средства химической переработки сырья, вследствие чего сырье полностью или частично изменяет свой химический состав, составляют предмет химической технологии. Производственные технологии являются основой материального производства, поэтому ПТ еще определяют как материальную технологию. Примеры непроизводственных (нематериальных) технологий: образовательные, маркетинговые и т. д. 1.2. Роль производственной деятельности в современном обществе и производстве Цель производственной технологии (ПТ) – создание экономичных процессов производства сырья, материалов, продукции. Благосостояние и развитие общества 4 зависит от развития ПТ. Схематично взаимосвязь между производством и уровнем развития общества показана на рис. 1.1. Производство Товары и услуги Потребление товаров и Уровень развития общества Рис. 1.1. Схема взаимосвязи между производством и уровнем развития общества Развитие производства стимулирует возникновение новых потребностей. Новые потребности требуют совершенствования производства и создания прогрессивных технологий. Типы прогрессивных технологий: Ресурсосберегающие технологии позволяют значительно снизить расход сырья, энергии, газа, воды, топлива. Безопасные технологии используют безопасные методы работы. При внедрении новых технологий должны учитываться электрическая безопасность, химическая и радиационная безопасность. Экологически чистые технологии позволяют получать готовую продукцию без содержания или выделения в процессе изготовления веществ, оказывающих вредное влияние на организм человека и окружающую среду. Прогрессивные технологии обеспечивают: 1) высокое качество изготавливаемых изделий; 2) уменьшение затрат ресурсов (материалов, энергии, инструмента, производственных площадей и т. д.); 3) повышение производительности труда и безопасности выполнения операций; 4) улучшение экологической ситуации и условий труда. Применение прогрессивных технологий повышает уровень развития общества, т. к. увеличивается экономическая и экологическая эффективность производства. Например, в 60–х годах ХХ столетия Япония скупила большое количество патентов и лицензий и сумела внедрить их в производство в кратчайшие сроки. В результате экономика Японии вышла на одно из первых мест в мире. 1.3. Связь технологии и экономики в производственном процессе Основой деятельности каждого предприятия является производственный процесс, который включает в себя: подготовку производства; получение, транспортировку, контроль и хранение материалов, сырья, полуфабрикатов; технологические процессы изготовления заготовок, деталей, продукции; изготовление технологической оснастки, ремонт оборудования и многое другое. Технологические процессы делят на три вида: основные, вспомогательные и обслуживающие. Совокупность действий основного производственного процесса традиционно называют технологией производства. Это процессы изготовления продукции, реализуемой предприятием. К вспомогательным технологическим процессам относятся процессы технической подготовки производства, изготовления технологической оснастки, ремонта оборудования. К обслуживающим – энергообеспечение, транспортирование различных грузов, складирование и хранение материалов, комплектующих изделий и др. 5 Для успешного функционирования основного производственного процесса необходимо рациональное управление производством: получение и анализ информации о состоянии дел на производстве, учет, контроль, снабжение, сбыт – все, что образует экономику предприятия. Таким образом, технология и экономика являются двумя основными элементами производственного процесса. Технология – основная часть производственного процесса, непосредственно решающая задачу выпуска продукции; экономика – вспомогательная часть производственного процесса, выполняющая функции управления и обеспечения технологии всем необходимым. Изменения в области основного производства позволяют повысить эффективность производства в пределах возможностей применяемой технологии. Экономика производства Технология производства Рис. 1.2. Функциональная схема производственного процесс Экономика изучает процессы, которые необходимо реализовывать для повышения эффективности производства. Таким образом, технология и экономика как науки решают общую задачу по производству продукции, но исследуют ее с разных сторон. Например, предприятие, которое имеет высокие технологии в основном производстве, хочет повысить эффективность своей работы. В этом случае поставленная задача сводится к разработке необходимых экономических преобразований. 1.4. Основные направления НТП в современных условиях Сущность технического прогресса – это процесс совершенствования материальной базы и продуктов производства на основе создания и внедрения научноисследовательских разработок. Выделяют следующие приоритетные направления НТП на современном этапе: 1. Электронизация и компьютеризация всех сфер производства наряду с внедрением развитого программного обеспечения направлена на повышение производительности труда, экономию ресурсов энергии и материалов, ускорение НТП. Электронизация подразумевает применение в исследованиях и технологиях разнообразных приборов, датчиков, контрольно-измерительных средств на основе передовых достижений микроэлектроники. Это позволяет сократить сроки научных исследований, повысить уровень технологий производства и улучшить качество продукции. 2. Широкомасштабная комплексная автоматизация (информатизация) отраслей – применение систем автоматизи-рованного проектирования (САПР), автоматизированных систем управления технологической подготовкой производства (АСУ ТПП), 6 автоматизированных систем управления производством (АСУП), автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), интегрированных автоматизированных систем управления (ИСУ). Внедрение таких систем на предприятиях позволяет: • сократить сроки и затраты на проектирование экспериментальных образцов продукции (САПР); • сократить сроки и затраты на запуск в производство новых образцов продукции (АСУ ТПП); • повысить качество планирования производственных мощностей, потребностей в материалах, качество контроля соответствия количества произведенной продукции количеству использованных комплектующих (АСУП); • сократить затраты на управление технологическим процессом в целом, сократить сроки и затраты на внедрение в производство системы обеспечения качества (АСУ ТП); • автоматизировать процессы финансового анализа, организовать контроль хода производственных процессов с любой желаемой степенью детализации, создавать и использовать базу данных всех бизнес-процессов предприятия (ИСУ); такие системы называют также компьютерными интегрированными системами управления (КИС). 3. Развитие энергетики решает проблемы рационального использования энергии. Оно включает глубокую качественную перестройку энергетических хозяйств, повышение эффективности и надежности энергоснабжения, сокращение использования органического топлива, вовлечение в эксплуатацию нетрадиционных источников энергии, охрану окружающей среды, внедрение энергосберегающих и экологически чистых технологий. 4. Применение новых видов материалов, которое предполагает: • создание промышленного производства новых высокопрочных, коррозионностойких и жаропрочных композиционных и керамических материалов; • создание новых материалов с использованием методов порошковой металлургии; • применение новых пластических масс, способных заменить металлы и сплавы и улучшить качество и долговечность машин. 7 ГЛАВА 2. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ КАК ОСНОВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 2.1. Типизация технологических процессов Основу любого промышленного производства составляет технологический процесс (ТП). ТП – совокупность операций по добыче и переработке сырья в полуфабрикаты или готовую продукцию. Существуют разнообразные способы переработки сырья. В их основе лежат физические, химические или биологические процессы. Физические процессы для переработки сырья характеризуются изменением внешней формы и/или физических свойств. Внутреннее строение и состав вещества остаются неизменными. Например, при обработке материалов резанием получают из заготовки деталь нужной формы, а при прокатке металла меняется кристаллическая структура поверхностного слоя металла, что приводит к изменению ряда физических свойств поверхностного слоя получаемого проката. Химические процессы характеризуются химическим превращением (изменением химического состава и внутреннего строения вещества). Например, из природного газа метана (СН ) получают водород (Н ), этилен (С Н ), ацетилен (С Н ), метиловый спирт (СН ОН). Химико-технологические процессы (ХТП) являются основой переработки топлива, производства строительных материалов, пищевых продуктов и др. Биологические процессы связаны: 1) либо с использованием живых микроорганизмов для получения требуемых продуктов (традиционная биотехнология), например, получение пива, вина; 2) либо с воспроизведением в искусственных условиях процессов, протекающих в живой клетке (современная биотехнология) например, получение ферментов, витаминов, антибиотиков. Заключение. Деление ТП на физические, механические и химические является часто условным из-за невозможности проведения четкой границы между ними. Химические процессы почти во всех производствах сопровождаются механическими или физическими процессами на стадии предварительной обработки сырья или при создании определенных условий для химического превращения веществ. С другой стороны, например, формование изделий из пластмассы производится в результате различных химико-технологических процессов (вакуумное формование, литье под давлением, экструзия и т. д.). Деление процессов на физические, механические, химические и биологические способствует типизации процессов промышленного производства и облегчает выбор наиболее эффективных способов переработки сырья. Такой выбор зависит от многих факторов: доступности сырья, вида используемой энергии, степени сложности аппаратуры и прочих затрат на производство. 2.2. Механические процессы, используемые в технологии Механические процессы относятся к физическим и связаны с преобразованием исходных веществ, находящихся в твердом агрегатном состоянии. Это преобразование связано с изменением положения, формы, размеров, соотношения твердых тел в смесях. 8 Выделяют следующие группы механических процессов: 1) транспортные процессы; 2) процессы формообразования; 3) процессы изменения размеров твердых тел; 4) процессы сортировки, смешивания. Объединяет всех их механический способ воздействия средств труда на предмет труда в процессе получения продукции. Транспортные процессы Транспортные процессы предназначены для перемещения насыпных и штучных грузов по заданной трассе без остановок для загрузки и разгрузки. Транспортные процессы являются неотъемлемой частью технологического процесса. К ним относятся: 1) процессы непрерывного транспорта (транспортеры, элеваторы и т. д.); 2) процессы дискретного транспорта (вагоны, вагонетки, автомобили и т. д.). Процессы формообразования Процессы формообразования твердых тел подразделяются на две большие группы: 1) процессы, основанные на использовании методов пластической деформации (прокатка, волочение, прессование, ковка, штамповка); 2) процессы, основанные на механическом изменении формы, размеров твердых тел путем снятия поверхностного слоя с обрабатываемого материала (обработка резанием). Методами пластической деформации получают заготовки и детали из стали, цветных металлов и их сплавов, пластмасс, резины, многих керамических материалов, стекла, химических волокон и др. Широкое распространение методов пластической деформации обусловливается их высокой производительностью и качеством получаемых изделий. Высокой точности и малой шероховатости поверхности деталей можно достичь с помощью механической обработки резанием, т. е. обработки со снятием слоя материала и образованием стружки. Процессы изменения размеров твердых тел Процессы изменения размеров твердых тел условно подразделяют на дробление (крупное, среднее, мелкое) и измельчение (тонкое и сверхтонкое). Измельчение материалов осуществляют путем раздавливания, раскалывания, истирания и удара. В зависимости от физико-механических свойств и размеров кусков измельчаемого материала выбирают тот или иной вид воздействия. Так, дробление твердых и хрупких материалов производят раздавливанием, раскалыванием и ударом, твердых и вязких — раздавливанием и истиранием. Дробление материалов обычно осуществляется сухим способом (без применения воды), тонкое измельчение часто проводят мокрым способом (с использованием воды). При мокром измельчении пылеобразования не наблюдается и облегчается транспортирование измельченных продуктов. По своему назначению измельчающие машины условно делятся на дробилки крупного, среднего и мелкого дробления, мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения. Процессы разделения твердых тел по размеру Разделение твердых зернистых материалов на классы по крупности кусков или 9 зерен называется классификацией. Существуют два основных способа классификации: 1) ситовый (грохочение) – механическое разделение на ситах; 2) гидравлический – разделение смеси на классы зерен, обладающих одинаковой скоростью осаждения в воде или воздухе. Процессы смешивания твердых сыпучих материалов Смешение – это процесс образования однородных систем из сыпучих материалов. Смешение осуществляют механическим, гидравлическим, пневматическим и некоторыми другими способами. Машины, применяемые для смешивания, называются смесителями. 2.3. Гидромеханические процессы в технологии Гидромеханические процессы связаны с одновременной переработкой веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном) или имеющих границу раздела, так называемых неоднородных систем. При этом, как правило, химическое взаимодействие между этими веществами не происходит. Гидромеханические процессы условно подразделяют на следующие группы: • процессы получения неоднородных систем; • процессы разделения неоднородных систем; • процессы транспортирования жидкостей и газов. 2.4. Тепловые процессы К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в виде теплоты: нагревание, охлаждение, выпаривание, испарение, плавление и др. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т. д. Процессы нагревания и охлаждения Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах, называемых теплообменниками. По принципу действия теплообменники делятся на рекуперативные, в которых участвующие в процессе теплообмена среды разделены перегородкой, регенеративные, рабочим органом которых является насадка, попеременно омываемая горячим и холодным теплоносителем, и смесительные, в которых процесс теплообмена протекает при непосредственном контакте горячей и холодной сред. Наиболее распространены рекуперативные теплообменники. Выпаривание, испарение, конденсация Выпаривание – процесс удаления растворителя в виде пара из раствора нелетучего вещества при кипении этого раствора. Выпаривание применяется для концентрирования растворов нелетучих веществ, выделения их в твердом виде, а также для получения чистого растворителя. Последняя задача решается, например, в опреснительных установках. Чаще всего выпариванию подвергаются водные растворы, а теплоносителем служит водяной пар. Движущей силой процесса является разность температур теплоносителя и кипящего раствора. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. Испарение – процесс удаления жидкой фазы в виде пара из различных сред главным образом путем их нагрева или создания иных условий для испарения. Испарение осуществляется при проведении многих процессов. В методах 10 искусственного охлаждения применяют испарение различных жидкостей, обладающих низкими (как правило, отрицательными) температурами кипения. Конденсацию пара (газа) осуществляют либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Конденсацию используют при выпаривании, вакуум-сушке для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, отводят из аппарата, где они образуются, в закрытый аппарат для сбора паров-конденсатов, охлаждаемых водой или воздухом. 2.5. Массобменные процессы в технологии В технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризующиеся переходом одного или нескольких веществ из одной среды (фазы) в другую. Массопередача – это сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы. Виды процессов массопередачи 1. Абсорбция – процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорбтив) химически не взаимодействует с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. На этом свойстве основано выделение поглощенного газа из раствора (десорбция). Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде. В промышленности абсорбцию применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или для очистки этих смесей от вредных веществ, примесей. Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. 2. Перегонка жидкостей. Применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или более летучих компонентов. Существуют виды перегонки: а) простая перегонка (дистилляция); б) ректификация. Дистилляция – процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей. Ректификация – процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массо- и теплообмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение осуществляют обычно в колоннах при многократном или непрерывном контакте фаз. 3. Адсорбция – процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом – адсорбентом. Поглощенное вещество называют адсорбатом, или адсорбтивом. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы.Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента. При химической адсорбции, или хемосорбции, возникает взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностями молекулярного поглотителя. В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой поверхностью. В промышленности в качестве поглотителей применяют активированные угли, минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.) и синтетические ионообменные смолы (иониты). 11 4. Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, вязкопластичных, газообразных) материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более дешевыми механическими способами (отстаиванием, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание достигается тепловой сушкой. 5. Экстракция – процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные компоненты исходной смеси. 2.6. Химические процессы, используемые в технологии Химические процессы лежат в основе химической технологии, которая представляет собой науку о наиболее экономичных методах и средствах массовой химической переработки природного и сельскохозяйственного сырья в продукты потребления и применения в других отраслях материального производства. Химическая технология является научной основой нефте-, коксохимической, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности, промышленности строительных материалов, черной и цветной металлургии и других отраслей. В последние десятилетия химико-технологические процессы используются практически во всех отраслях промышленного производства. 2.7. Биологические процессы, используемые в технологии Биотехнология представляет собой совокупность промышленных методов, в которых используются живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов. Подобные процессы были известны еще с древних времен: хлебопечение, приготовление вина, пива, сыра, уксуса, молочных продуктов, способы обработки кожи, растительных волокон и др. Биопромышленность, в основе которой лежит биотехнология, производит кормовые и пищевые белки, аминокислоты, ферменты, витамины, антибиотики, этанол, органические кислоты, регуляторы роста растений, лечебные и иммунные препараты для человека и животных. В основе биотехнологии лежит микробиологический синтез, т. е. культивирование выбранных микроорганизмов в питательной среде определенного химического состава. Микроорганизмам присущи специфические ферментные и биохимические реакции, благодаря которым они способны разлагать целлюлозу, лигнин, углеводороды нефти, воск и другие вещества. Существуют микроорганизмы, способные усваивать молекулярный азот, синтезировать белок, вырабатывать множество биологически активных веществ (антибиотики, ферменты, витамины и др.). На этом и основано применение микроорганизмов для получения разнообразных продуктов. Интерес к использованию биотехнологий постоянно возрастает в различных отраслях: в энергетике, пищевой промышленности, медицине, сельском хозяйстве, химической промышленности и т. д. Это объясняется возможностью применения в качестве сырья возобновляемых ресурсов (биомассы), а также экономией энергии. Многие вещества (аммиак, глицерин, метанол, фенол) производить выгоднее биотехнологией, чем химическими способами. Перспективным направлением развития биотехнологии является разработка и внедрение в практику микробиологических способов получения различных металлов, так как установлено, что они причастны к процессу образования некоторых рудных ископаемых, например, медных руд. 12 ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА Классификация технологических процессов промышлен-ного производства производится на основе следующих приз-наков: • способа организации технологических процессов, • кратности обработки сырья, • вида используемого сырья, • уровня автоматизации, • отношения к используемым ресурсам. Классификация позволяет выявить характерные черты и общие закономерности, достоинства, недостатки и пути совершенствования технологических процессов. 3.1. Классификация технологических процессов по способу организации По способу организации технологические процессы делятся на дискретные (периодические), непрерывные и комбинированные. Дискретные (периодические) ТП проводятся на оборудовании, которое загружается исходными материалами через определенные промежутки времени; после обработки полученный продукт выгружается. Основным недостатком такого способа организации процесса является простой оборудования во время загрузки/выгрузки сырья. Это приводит к потерям рабочего времени и большим затратам труда, непостоянству технологического режима в начале и в конце процесса, что усложняет обслуживание, затрудняет автоматизацию ТП, удлиняет производительный цикл. Все эти причины заставляют заменять дискретные процессы более рациональными. Примеры дискретных процессов: выплавка стали, литье в формы, обработка резанием. Непрерывные процессы характеризуются тем, что поступление сырья и выгрузка конечных продуктов производится непрерывно. Непрерывные процессы (например, разливка стали, переработка нефти, конвейерная сборка, производство цемента): • не имеют простоев оборудования, перерывов в выпуске конечных продуктов; • могут быть полностью механизированы и автоматизи-рованы; • имеют постоянный технологический режим и, соответственно, стабильное качество готовой продукции; • имеют большую компактность оборудования, что обеспечивает меньшие капитальные затраты и эксплутационные расходы на обслуживание и ремонт, уменьшает потребность в рабочей силе. Поэтому основной тенденцией промышленного производства является замена дискретных процессов непрерывными. Комбинированные ТП являются сочетанием стадий дискретных и непрерывных процессов: на одном участке выполняется непрерывный ТП, на другом дискретный. Например, целлюлозно-бумажное производство. 3.2. Классификация технологических процессов по кратности обработки сырья По кратности обработки сырья различают процессы с открытой, закрытой и комбинированной схемами компоновки оборудования. 13 В процессах с открытой схемой сырье за один цикл обработки превращается в целевой продукт. Например, коксование углей; обработка материалоов давлением способами прессования или штамповки.. В процессах с закрытой схемой (циклических) сырье или вспомогательные материалы многократно возвращаются в начальную стадию процесса. Например, циркуляция жидкости для охлаждения токарного резца при скоростной обработке металлов резанием; при каталитическом крекинге нефтяных фракций катализатор, для восстановления активности, должен постоянно циркулировать между реакционной зоной крекинга и прокалочной печью. Циклические процессы более компактны, чем процессы с открытой схемой. Они требуют меньшего расхода сырья, вспомогательных материалов, энергии, поэтому широко используются во многих производствах для возвращения тепловых или материальных потоков в начальную стадию процесса. Циклические процессы являются основой создания безотходных и энергосберегающих производств. В комбинированных процессах основное сырье может превращаться в целевой продукт за один цикл, а вспомогательные материалы использоваться многократно. Например, технологические процессы получения серной кислоты нитрозным способом, где оксиды серы обрабатываются открытым способом, а оксиды азота – циркулируют по замкнутой схеме. 3.3. Классификация технологических процессов по виду используемого сырья, уровню автоматизации, отношению к используемым ресурсам По виду используемого сырья ТП разделяют на процессы по переработке органического и минерального сырья. Например, переработка топлива, производство полимеров и пластмасс – это процессы по переработке органического сырья, а в производстве калийных и фосфорных удобрений, строительных материалов используется минеральное сырье. По уровню автоматизации различают ручные, механизированные, автоматизированные, автоматические, безлюдные технологические процессы. Приведем примеры перечисленных технологических процессов. Ручная ковка производится на наковальне с помощью кувалды и различного вспомогательного инструмента и применяется в основном при ремонтных работах. Механизированными являются процессы по подъему и транспортированию грузов с помощью подъемно-транспортных устройств, машинная ковка, которая производится на кузнечно-прессовых машинах. Автоматизированными являются технологические процессы изготовления деталей на станках с ЧПУ. Автоматическими являются технологические процессы холодной листовой штамповки на листоштамповочных автоматах. Комплексная автоматизация на основе роторно-конвейерных линий производства гаек, кольцевых деталей с резьбой, инъекционных игл, при разливе молока, соков, лимонада, упаковке пищевых продуктов делает технологические процессы безлюдными. По отношению к используемым ресурсам выделяют наукоемкие, капиталоемкие, энергоемкие, ресурсосберегающие, безотходные, малооперационные технологические процессы. Приведем примеры перечисленных технологических процессов. Наукоемкими являются все прогрессивные технологии: порошковая металлургия, обработка металлов давлением, робототехника и др. Все прогрессивные технологии при внедрении в производство требуют больших капитальных вложений, особенно ка14 питалоемкими являются робототизированные производства. Особенно энергоемкими являются электрофизические методы обработки материалов. Комплексное использование сырья свойственно технологиям переработки нефти, пластмасс. Малооперационными являются технологические процессы производства гаек, кольцевых деталей с резьбой, разлива молока, соков, лимонада, упаковки пищевых продуктов и др. 15 ГЛАВА 4. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 4.1. Основные параметры технологических процессов Основные параметры технологических процессов делятся на три группы: 1. Параметры, которые характеризуют индивидуальные особенности конкретного технологического процесса. Это параметры собственно технологического процесса (давление, температура, скорость обработки, состав сырья и т.п.), схема компоновки оборудования, технические характеристики оборудования и др. 2. Параметры, которые характеризуют ряд однотипных технологических процессов. Это: показатель производительности, фондоемкость, материалоемкость, энергоемкость продукции и т. п. Параметры, обеих групп позволяют достаточно полно охарактеризовать конкретный технологический процесс и ряд однотипных технологических процессов. Однако они не могут быть использованы для выявления закономерностей развития технологических процессов в общем виде, а это необходимо для изучения динамики развития производственных систем и научно-технического развития в целом. 3. Параметры третьей группы, которые обладают наибольшей общностью и могут быть использованы для выявления закономерностей развития любых технологических процессов, – это живой, прошлый и совокупный труд, затрачиваемый внутри технологического процесса. 4.2. Анализ технологических процессов 1. При установке технологического оборудования, в соответствии со схемой его компоновки, стремятся наладить оптимальный технологический режим. Оптимальный технологический режим – это сочетание параметров первой группы, которое позволяет получить максимальный выход продукта с наибольшей скоростью и наименьшей себестоимостью. Данная группа параметров позволяет выделить конкретный технологический процесс из ряда однотипных, внедрить в производство и оптимизировать его, но не дает возможности проследить развитие технологического процесса под действием различных факторов. 2. Параметры второй группы позволяют сравнивать и анализировать различные наборы однотипных технологических процессов, но не позволяют выявить закономерности развития всего ряда однотипных технологических процессов. Знание таких закономерностей необходимо, например, для разработки стратегических планов научнотехнического развития производства. 3. В любом производственном процессе имеют место затраты живого и прошлого (овеществленного) труда. Технологические действия выполняют работники (живой труд) и производственные машины (прошлый или овеществленный труд). Общие трудозатраты находят сложением затрат живого и прошлого труда. Совершенствование любого технологического процесса происходит при повышении эффективности использования прошлого труда и снижении затрат живого труда. Для характеристики технологического процесса необходимо знать соотношение живого и прошлого труда в данном процессе. Важность этих параметров объясняется тем, что они связаны с производительностью труда. Производительность труда показывает его производительную способность. Следовательно, при расчете показателя производительности труда нужно провести количественное сравнение объема созданного продукта с объе16 мом затраченного труда, т. е. сравнить затраты с выпуском. Одним из относительных показателей соотношения живого и овеществленного труда является технологическая вооруженность. Это доля технологических фондов, приходящаяся на одного работающего в данном технологическом процессе: В = Фт / К, где В – технологическая вооруженность труда, р/чел. в год; Фт – технологические фонды, р в год; К – количество работающих в технологическом процессе, чел. Технологические фонды – это годовые затраты прошлого труда в технологическом процессе. Они определяются как сумма годовых амортизационных отчислений от стоимости оборудования, занятого в технологическом процессе, и всех годовых технологических затрат в этом процессе, кроме затрат на предмет труда. 17 ГЛАВА 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ, ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ Технологические процессы имеют свой "жизненный" цикл, который описывается тремя группами законов – это законы формирования, функционирования и развития технологических процессов. 5.1. Законы формирования технологических процессов Практически любой технологический процесс можно рассматривать как совокупность элементарных технологических процессов. Законы формирования технологических процессов определяются поэлементным составом их структуры. Пооперационная структура технологического процесса Технологический процесс – это совокупность и определенная последовательность операций по изменению формы, свойств или размеров предмета труда в продукт труда. Основной частью технологического процесса является технологическая операция. Операция – это законченная часть технологического процесса, которая выполняется на одном рабочем месте. Она характеризуется постоянством предмета труда, орудий труда и способом воздействия на предмет труда. Например: сверление отверстий, нарезка резьбы и т. д. Рабочий ход – это законченная часть технологической операции, непосредственно связанная с изменением формы, структуры, размеров или свойств предмета труда. (Например, снятие резцом или фрезой слоя металла с заготовки за один проход.) Все остальные части технологической операции являются вспомогательными по отношению к рабочему ходу. Для выполнения рабочего хода необходимо обеспечить пространственное совмещение инструмента с предметом труда. Например, подвести резец к установленной и вращающейся заготовке. Это действие называют вспомогательным ходом. Совокупность рабочих и вспомогательных ходов образует технологический переход. Для реализации технологических переходов необходимо выполнить группу вспомогательных действий – вспомогательные переходы. (Например, установить нужный режущий инструмент, включить станок и т. д.) Технологические и вспомогательные переходы объединяются в технологические операции, из которых складывается технологический процесс. Знание структуры технологического процесса позволяет нормировать его по операциям (операционная технологическая карта), выбирать наиболее экономичные и рациональные операции и, тем самым, повышать эффективность производства. 5.2. Законы функционирования технологических процессов Законы функционирования описывают взаимосвязи между элементами структуры, процессы взаимодействия между операциями технологического процесса в ходе изготовления продукции (между рабочими и вспомогательными действиями). В эту группу можно отнести закон сохранения массы и закон сохранения энергии. Закон сохранения массы вещества: масса веществ, введенных в технологический процесс, равна массе веществ, полученных в ходе технологического процесса. На основе этого закона рассчитывают материальный баланс технологического процесса, что делает воз18 можным определение расходных коэффициентов сырья и вспомогательных материалов. Закон сохранения энергии: в замкнутой системе энергия сохраняется или превращается из одного вида в другой. Этот закон позволяет рассчитывать энергетический баланс технологического процесса, что делает возможным определение расходных коэффициентов энергии при производстве продукции. Знание законов функционирования технологического процесса позволяет оптимизировать его параметры и получить наилучшие показатели мощности оборудования, материалоемкости и энергоемкости продукции на определенном этапе развития технологического процесса. Законы функционирования и развития являются базой для определения закономерностей развития технологических процессов. 5.3. Законы развития технологических процессов Производственный процесс – это совокупность действий людей и оборудования, необходимых для изготовления или ремонта выпускаемой продукции. Технологические действия выполняют работники (живой труд) и производственные машины (прошлый или овеществленный труд). Общие трудозатраты складываются из затрат живого и прошлого труда. Это параметры третьей группы, которые используют для исследования закономерностей развития любых технологических процессов. Целью такого исследования является получение максимального результата при минимальных затратах. Уровень соотношения между ними характеризуется производительностью совокупного труда. Таким образом, производительность труда – основной экономический показатель уровня развития производственного процесса. Можно выделить два направления совершенствования технологических процессов, которые определяются его структурой: 1) совершенствование вспомогательных ходов; 2) совершенствование рабочих ходов Совершенствование вспомогательных ходов без изменения сущности ТП представляет эволюционный путь развития; совершенствование рабочего хода определяет революционный путь развития. 1. Эволюционное развитие – это снижение затрат труда на проведение технологического процесса за счет улучшения только вспомогательных действий. Эволюционное развитие технологического процесса предполагает такие изменения во вспомогательных действиях, которые приводят к снижению совокупных затрат труда и повышению производительности совокупного труда. Технические решения эволюционного типа: • механизация и автоматизация живого труда; • ускорение движения исполнительных механизмов; • рациональное размещение технологического оборудования. Эффективность всех этих технических решений падает по мере роста производительности труда. Действительно, по мере усложнения технологического оборудования его модернизация требует все больших дополнительных затрат. В этом случае очень важно предвидеть момент наступления экономического предела, когда замещение живого труда прошлым становится нецелесообразным. Эволюционное развитие имеет ограниченный характер. 19 2. Революционный путь развития – это изменения в области рабочих действий, которые обеспечивают снижение совокупных затрат труда за счет снижения затрат прошлого труда. Только революционное развитие позволяет снизить трудозатраты в технологическом процессе скачкообразно. Возможности повышения результативности рабочих действий (снижения совокупных затрат труда): 1) повышение технологичности предмета труда (нагрев металла перед ковкой); 2) повышение технологических возможностей инструмента; 3) совершенствование технологического оборудования для выполнения рабочих операций (металлообрабатывающие станки нового поколения); 4) кардинальное изменение рабочего хода означает смену технологии. Технические решения революционного типа всегда более эффективны, чем эволюционные. Действительно, реализация революционных решений требует дополнительных исследований, смены технологии и основного технологического оборудования, других затрат. Их внедрение должно быть экономически оправдано, иначе развитие будет идти по эволюционному пути. Революционный путь развития имеет неограниченный характер. Развитие технологического процесса складывается из эволюционной и революционной стадий развития. 5.4. Закономерности формирования и развития технологических систем Технологические системы – это совокупность взаимосвязанных операций, технологических процессов и т. д. Элементом технологической системы является технологический процесс. Взаимосвязь элементов системы обусловливает необходимость определенного соответствия отдельных элементов уровню состояния системы в целом. Элементы, не соответствующие по уровню системе, могут отторгаться последней. Перед любой производственной системой стоят две задачи: увеличение производительности труда и развитие технологии производства. Для решения первой задачи создавались последовательные, а для решения второй – параллельные технологические системы. Примером параллельных технологических систем могут служить отрасли народного хозяйства Схемы различных структур технологических систем показаны на рис. 5.1. Закономерным является чередование параллельных и последовательных структур при увеличении иерархии технологических систем. Иерархия технологических систем Параллельные технологические системы создают более благоприятные условия для технологического развития. 20 Технологический процесс Технологический процесс а Технологическая операция Технологическая операция Технологическая операция (1 стадия) (2 стадия) (3 стадия) б Технологическая операция (1 стадия) Технологическая операция (1 стадия) Технологическая операция (2 стадия) Технологическая операция (1 стадия) в Рис. 5.1. Схема структуры технологических систем: а – параллельная система; б – последовательная система; в – комбинированная система Примером параллельных технологических систем могут служить отрасли народного хозяйства. • однотипные технологические процессы объединяются в параллельную систему производственного цеха; • последовательность цехов образует последовательную технологическую систему предприятия; • однотипные предприятия объединяются в параллельную систему отрасли народного хозяйства; • последовательность отраслей образует преимущественно последовательную систему народнохозяйственных комплексов; • разнотипные, не связанные между собой комплексы, образуют народное хозяйство государства. Примеры технологических систем: • коксохимическая батарея состоит из отдельных камер, число которых доводят до 70. В каждой камере происходит один и тот же процесс коксования угля, но со сдвигом во времени, равным примерно 15 минутам (на выгрузку / загрузку). Однотипные технологические процессы коксования объединяются в параллельную технологическую систему (рис. 5.1, тип а), которую представляет собой коксохимическая батарея; 21 • первичная переработка нефти образует технологическую систему по последовательной схеме (рис. 5.1, тип б); • целлюлозно-бумажное производство образует технологическую систему по комбинированной схеме (рис. 5.1, тип в). Развитие технологических систем определяется возможными путями их оптимизации. Целью оптимизации технологических систем является получение максимума выпуска при минимуме затрат без качественного изменения объекта и его элементов. Условие оптимизации параллельной технологической системы – максимум системного выпуска. Затраты прошлого и живого труда в системе до и после оптимизации постоянны. Элементы системы качественно не изменяются, поэтому значения параметров уровня технологии в элементах системы также не изменяются. Задача заключается в некотором оптимальном перераспределении трудозатрат между элементами системы, которое выражается зависимостью: Yi = const, Фi где Yi – уровень технологии i-го элемента системы; Фi – затраты прошлого труда в i-м элементе системы; i – номер элемента системы, i = 1,…N. Пропорция свидетельствует о распределении затрат прошлого труда по элементам системы соответственно значению уровня технологии. Чем выше значение уровня технологии в элементе, тем большая доля прошлого труда ему должна быть отведена. Постановка задачи оптимизации последовательной технологической системы – обеспечение сбалансированности элементов по объему выпуска за определенный промежуток времени, т. е. по мощности. Иначе неизбежны простои некоторых элементов. Это условие описывается уравнением: ki2 ⋅ Yi ⋅ Ф i = const, где ki – коэффициент пропорциональности по мощности для i-го элемента системы. В последовательных технологических системах доля прошлого труда в элементах должна быть обратной значению уровня технологии. Чем выше значение уровня технологии в некотором элементе системы, тем меньше объем прошлого труда. 22 ГЛАВА 6. ОЦЕНКА НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА 6.1. Анализ и характеристика существующих моделей оценки научнотехнологического развития производства Современные методы и модели оценки научно-технологического развития производства можно объединить в три основные группы подходов: экономический, технократический, системный. Экономический подход позволяет производить сравнение производственных систем на основе соответствующих затрат и результатов: 1. Метод сравнительных издержек. Сравнение и анализ рентабельности предприятия производится по такому показателю, как издержки производства и (или) обращения. 2. Метод сравнения результирующих показателей производственнохозяйственной деятельности. Для оценки производственно-хозяйственной деятельности берутся показатели, отражающие ее эффективность, и затем сравниваются со средними по отрасли или наилучшими показателями за анализируемый период. 3. Метод "производственной функции". Производство рассматривается как система, которая характеризуется устойчивой функциональной зависимостью между затратами ресурсов на производство и выпуском продукции. Производственной функцией называется функциональная связь между допустимым уровнем затрат и соответствующим ему максимальным выпуском продукции. Все существующие способы производства некоторого продукта характеризуются соответствующей производственной функцией. Поэтому она может быть использована для выбора наиболее эффективного варианта. 4. Метод оценки производства с помощью параметра приведенных затрат. Все затраты приводятся к единице продукции, что упрощает экономические расчеты. Тот вариант нововведения считается лучшим, который характеризуется минимумом приведенных затрат. Технократический подход основан на анализе технологических процессов с помощью изобретательской деятельности. Для определения конкретного содержания научно-технического развития производства используют показатели: • количество единиц новой техники; • число изобретений; • число статей, опубликованных в данной области; • объем внедрения технических мероприятий и др. Учет этих показателей способствует технологическому развитию производства. Однако трудно определить экономическую эффективность новой техники, так как в начале ее применения она имеет более низкие показатели по сравнению с базовой. Только в процессе распространения опыта использования новой техники начинают проявляться ее преимущества. Таким образом, технократический подход больше характеризует процесс возникновения, а не развития новой технологии. Системный подход. При данном подходе считается, что материальное производство представляет собой сложную систему взаимосвязанных элементов. Технологическое состояние производства определяется по уровню развития 23 технологического процесса. Поэтому проблема развития производства решается путем усовершенствования технологического процесса. Модели оценки развития технологических процессов: 1. Модель научно-технического развития В. А. Трапез-никова. Особенность предлагаемой модели состоит в учете влияния на рост производительности труда двух производственных факторов: уровня организационных и технических решений, заложенных в производство и величины затрат на технологическое оснащение рабочего места (фондовооруженность). В этой модели большое значение придается и нематериальной стороне производственного процесса: обладании информацией, навыками как необходимым условием любого развития. Действительно, в производственной деятельности важно не только иметь высокую технологическую оснащенность, но и уметь эффективно ее использовать. Эффективность использования имеющихся производственных фондов достигается в настоящее время внедрением на предприятиях автоматизированных систем управления технологическими процессами и автоматизированных систем управления производством и предприятием. 2. Модель динамического оптимума А. И. Каца. В этой модели вводится критерий динамического оптимума развития производства, который определяется по экономической эффективности капитальных вложений как основного источника роста производительности труда и роста объема получаемого общественного продукта. Целью использования общего критерия является обеспечение минимума полных затрат труда на единицу продукции, но не в первый период внедрения техники, а в непрерывной динамике за несколько лет. Динамическая оценка затрат на производство имеет существенное преимущество перед статической оптимизацией затрат. Действительно, прогрессивная техника, несмотря на большие вложения в начале, дает большой эффект в динамике за ряд лет, приводя в последующем к снижению самой фондоемкости продукции. (Например, автомобилестроение). Необходимо отметить, что и Трапезникову В. А. и Кацу А. И. удалось увидеть важнейшие стороны технологических процессов. Во-первых, что существенным фактором производства является умение использовать имеющееся оборудование, сырье, энергию. Во-вторых, что новая техника и технология на стадии внедрения (по экономическим методам оценки) часто неконкурентоспособна со старой существующей техникой и технологией. Поэтому необходимо использовать динамические критерии оценки. 3. Модель М. Д. Дворицына. В этой модели результаты технологической деятельности связываются со структурой технологического процесса. Изменение параметров технологического процесса есть результат изменений в его структуре. М. Д. Дворицын показал, какие изменения необходимо произвести в структуре, чтобы обеспечить эволюционное или революционное развитие технологического процесса. Кроме методов и методик оценки развития производства существуют показатели технологичности создания изделий. 6.2. Показатели технологичности создания изделий Технологичность (по ГОСТ14.205 – 83) рассматривается как совокупность свойств конструкции изделия, проявляемых в возможности оптимизации затрат труда, материальных и финансовых средств, времени и др. ресурсов. Эти показатели применяются при технологической подготовке производства, при изготовлении, эксплуатации и ремонте. 24 Методы оценки и обеспечения технологичности конструкций регламентируются стандартами Единой системы конструкторской документации (ЕСКД) и Единой системы технологической документации (ЕСТД), которые наиболее подробно разработаны для изделий машиностроения и приборостроения. Показатели технологичности подразделяются на основные и дополнительные. К основным показателям относят трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость и себестоимость. Эти показатели бывают суммарные (общие), структурные, удельные, сравнительные и относительные. Кроме того, существуют: базовые показатели технологичности изделий, которые имеют общие конструкторские признаки с оцениваемыми; показатели технологичности оцениваемого изделия; показатели уровня технологичности. Все эти показатели заносят в карту технического уровня или в контрольную карту качества продукции. Трудоемкость – это количество труда в человеко-часах, затрачиваемое на технологический процесс изготовления продукции. Суммарную трудоемкость изготовления изделия, а также суммарную трудоемкость производства продукции, выполняемую с помощью данного изделия, рассчитывают по общей формуле: n = t 1 + t 2 + ... + t n = ∑ t i i =1 Т , где ti – трудоемкость по отдельным видам работ, входящих в технологический процесс изготовления данного изделия, нормо-ч; n – количество видов работ. Сравнительная трудоемкость характеризует уровень трудозатрат при изготовлении изделия Утр и определяется по формуле: У ТР = Тф Т баз , где Тф – трудоемкость изделия при данном уровне технологичности, нормо-ч; Тбаз – базовая трудоемкость, принятая для сравнения, нормо-ч. Относительная трудоемкость Тотн характеризует долю трудозатрат отдельного вида работ в суммарной трудоемкости и определяется по формуле: tk Т отн = T , где tk – трудоемкость k-го вида работ, нормо-ч; T – суммарная трудоемкость, нормо-ч. Показатели материалоемкости изделия характеризуют количество материала, затраченного на его изготовление. Суммарная материалоемкость изделия определяется по формуле: M = m1 + m2 +…mn, где mi – материалоемкость i–й составной части изделия, кг; n – число составных частей. Сравнительная материалоемкость Уm определяется по формуле: Уm = Мф / Мбаз, где Мф – материалоемкость изделия при данном уровне технологичности, кг; 25 Мбаз – базовая материалоемкость, принятая для сравнения. Относительная материалоемкость Мотн определяется как отношение массы данного материала mk к суммарной материалоемкости изделия М: Мотн = mk / M, где mk – материалоемкость k – того вида материала, кг; М – суммарная материалоемкость, кг. Энергоемкость изделия Эи характеризует количество энергии, затраченной на его изготовление: Эи = Эо / В, где Эи – затраченная энергия на выпуск всех изделий в единицу времени, Дж; В – выпуск изделий в единицу времени, шт. Суммарная себестоимость изготовления изделия, в зависимости от целей и условий оценки технологичности, определяется как полная, проектная, плановая или отчетная. Способ определения суммарной себестоимости изделия и степень детализации ее расчетов определяется инструкциями и методическими указаниями предприятия, а также руководящими документами. 6.3. Оценка организационно-технического уровня производства Оценка организационно-технического уровня производства производится с помощью системы показателей, охватывающих все основные стороны производственной деятельности предприятия. Значения достигнутых предприятием показателей сравниваются с базовыми, характеризующими лучший отечественный и производственный опыт. Прогрессивность технологических процессов характеризуется показателем производительности, показателем применения прогрессивного оборудования, показателем охвата рабочих механизированным и автоматизированным трудом, коэффициентом использования сырья и материалов, показателем уровня развития производства. Они определяются по формулам: 1. Показатель производительности труда ПП = Т / Ч, где Т – суммарная трудоемкость, нормо-ч, Ч – численность промышленно-производственного персонала, чел. 2. Показатель применения прогрессивного технологи-ческого оборудования По = Тпр / Т, где Тпр – трудоемкость технологических процессов на прогрессивном оборудовании, нормо-ч. 3. Показатель охвата рабочих механизированным и автоматизированным трудом Пм = Чма / Чр, численность рабочих занятых механизированным и где Чма автоматизированным трудом, чел.; ЧР, – общая численность рабочих, чел. 4. Коэффициент использования сырья и материалов Пим. является важнейшим относительным показателем технологичности, который характеризует эффективность использования материальных ресурсов при производстве изделий 26 П им = Миз / Н, где Миз – количество материала в готовом изделии, кг; Н – количество материала, введенного в технологический процесс согласно нормативу, кг. 5. Показатель уровня технологии производства УТ является важнейшим относительным показателем, по которому технологии присваивается высшая, первая или вторая категория. Пi П П П ПТ ⋅ Кi = ⋅ К1 + 0 ⋅ К2 + М ⋅ К3 + им ⋅ К4 , ППН П0Н ПМН ПимН i=1 ПiН n УТ = ∑ где Кi – коэффициент весомости i–го показателя уровня технологии производства; Пi – показатель, характеризующий i–е свойство технологического процесса; ПiH – нормативное значение показателя. 27 ГЛАВА 7. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И МИНЕРАЛЬНОСЫРЬЕВАЯ БАЗЫ ПРОИЗВОДСТВА 7.1. Топливно-энергетический комплекс и перспективы его развития Состояние экономики любой страны определяется, в первую очередь, энергообеспечением народного хозяйства и рациональным использованием энергии. Развитие отраслей топливно-энергетического комплекса подчиняется задаче устойчивого (полного и бесперебойного) обеспечения потребностей народного хозяйства во всех видах топлива и энергии. Развитие направляется: 1) увеличением добычи всех видов топлива и производства энергии; 2) проведением энергосберегающей политики; 3) поиском альтернативных источников энергии. В соответствии с видами энергии различают гидроэнергетику, теплоэнергетику, ядерную энергетику, ветровую и гелиоэнергетику. В настоящее время ведущее место в энергетике занимает теплоэнергетика, что связано с промышленной добычей топлива: нефти, угля, природного газа, торфа, горючих сланцев. Практическая ценность топлива определяется количеством теплоты, выделяющимся при его сгорании. Например, при сжигании 1 кг древесины выделяется теплота, равная 10,2 МДж/кг, каменного угля – 22 МДж/кг, бензина – 44 МДж/кг. Другая важная характеристика топлива – его жаропроизводительность. Ее оценивают по максимальной температуре, которую теоретически можно получить при полном сгорании топлива в воздухе. При сгорании древесины, например, максимальная температура не превышает 1600 оС, каменный уголь дает 2050 оС, бензин – 2100 оС. По существу, все добываемое топливо сжигается, только 10 % нефти и газа используется в качестве сырья для химической промышленности. Наибольшее количество топлива расходуется на тепловых электростанциях, в различного рода тепловых двигателях, на технологические нужды (например, при выплавке металла, для нагрева заготовок в кузнечных и прокатных цехах), а также на отопление жилых, общественных и производственных помещений. При сжигании топлива образуются продукты сгорания (сажа, оксиды серы и азота, диоксид углерода), которые обычно выбрасываются в атмосферу. Для защиты окружающей среды от загрязнения продуктами сгорания топлива используются различные фильтры и другие устройства, улавливающие или разлагающие вредные выбросы. 7.2. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии Основной недостаток природного топлива – его крайне медленная восполняемость. Существующие в настоящее время запасы образовались десятки и сотни миллионов лет назад. В то же время добыча топлива непрерывно увеличивается. Некоторые государства свои месторождения газа не разрабатывают, а оставляют как стратегический запас. Потребности народного хозяйства в газе обеспечивают за счет поставок из-за рубежа. Ограниченные запасы газа и нефти и, значит, повышение их стоимости являются причиной того, что в ряде стран наступает "топливный голод" – острая нехватка топливных энергоресурсов, выражающаяся в энергетическом кризисе. Истощение не грозит гидроэнергетическим ресурсам, т. к. они непрерывно возобновляются. Однако и здесь есть ограничения, связанные в основном с 28 экономичностью их использования. Для строительства гидроэлектростанции необходимы определенные природные условия. Вот почему важнейшей проблемой энергетики стало изыскание новых источников энергии: ядерной энергии, энергии солнечного излучения, внутреннего тепла земли. Одним из перспективных ресурсов является водород. Одного резервуара, например, емкостью 3500 м3 хватило бы для снабжения энергией в течение года города с населением в 20 тысяч человек. Однако стоимость производства водорода из воды в широких масштабах очень высока. 7.3. Классификация минерально-сырьевых ресурсов В зависимости от первоначального происхождения все виды сырья можно разделить на две основные группы: 1) промышленное, которое добывают или производят в промышленности; 2) сельскохозяйственное – растительное и животное. По запасам различают возобновляемое и невозобновляемое сырье. Возобновляемое – вода, воздух, животное и растительное сырье. Невозобновляемое – руды, минералы, горючие ископаемые. По химическому составу сырье разделяют на неорганическое (минералы) и органическое (нефть, газ, уголь). По агрегатному состоянию сырье разделяют на твердое (минералы, торф, руды), жидкое (вода, нефть), газообразное (воздух, природный газ). Минеральное сырье включает рудное, нерудное, горючее сырье. Рудное сырье – железные, медные, хромовые и другие руды, использующиеся для производства металлов. Руды, в состав которых входят соединения разных металлов, называют полиметаллическими. Нерудное сырье – гипс, известняк, фосфатиты, апатиты, глина, сера, асбест, поваренная соль и другие ископаемые. Горючее ископаемое – торф, каменный и бурый уголь, природный газ, горючие сланцы. Вторичные материальные ресурсы Существенным дополнительным источником сырья являются вторичные материальные ресурсы. К ним относятся отходы производства, отходы потребления, побочные продукты. Отходы производства – это остатки сырья, материалов и полуфабрикатов, образующихся в процессе производства продукции, которые полностью или частично утратили свои качества и не соответствуют стандартам или техническим условиям. Например, обрезки металла от штамповки или металлическая стружка, получающаяся в процессе обработки резанием. Отходами потребления называют различные бывшие в употреблении изделия и вещества, восстановление которых экономически нецелесообразно. Например, полностью изношенные машины, изделия из резины, пластмассы, стекла и т. д. Побочные продукты – это продукты, которые образуются в процессе переработки сырья наряду с основными продуктами, но не являются целью технологического процесса. Например, шлаки черной металлургии. 7.4. Комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов Эффективное использование сырья и энергии в технологических процессах является важнейшей задачей любого производства. Качество и вид сырья определяют 29 качество выпускаемой продукции и основные технико-экономические показатели технологического процесса всего производства. Развитие сырьевой базы происходит в направлении более полного и по возможности комплексного использования сырья, вовлечение в переработку вторичных материальных ресурсов, сырья с низким содержанием основного вещества. Обогащение сырья – это совокупность физических и физико-химических методов обработки минерального сырья для удаления пустой породы и повышения содержания основного компонента. Обогащенное сырье называют концентратом. Для обогащения твердого сырья применяют такие методы, как флотация, методы магнитного и гравитационного обогащения и др. Чаще всего для обогащения рудного и нерудного сырья используется флотация. Этот способ основан на различной смачиваемости частиц руды и пустой породы. Не смачивающиеся водой гидрофобные частицы собирают вокруг себя пузырьки воздуха и поднимаются на поверхность, а гидрофильные частицы смачиваются водой и осаждаются на дно. На этом свойстве и основана работа флотационной машины. Руда измельчается в мощных дробилках, измельченную руду смешивают с водой, в которую добавляют особые вещества – пенообразователи. Сквозь эту смесь прогоняют воздух. Образуется огромное количество пены – мельчайших воздушных пузырьков. Они прилипают к частицам меди, серебра или свинца, но не прилипают к зернам примесей. Пустая порода смачивается и тонет, а нужные частицы всплывают вместе с пеной. Главное достоинство флотации в том, что она позволяет выделить из руды любые содержащиеся в ней минералы. Технико-экономических показатели обогащения Выход готового продукта (концентрата) γ будет определяться отношением количества полученного концентрата (Gк) к количеству взятой руды (Gр) в процентах: GК γ = 100 % GР Содержание полезного компонента в исходной руде в процентах обозначим α (альфа), а в полученном продукте β–(бетта). Степень извлечения (ε) находится отношением количества извлеченного элемента в концентрат (γβ) к его содержанию в исходной руде (α): ε = γ·β/ α Степень обогащения k выражается отношением массовой доли (процентного содержания) полезного компонента в концентрате к массовой доле (процентному содержанию) его в исходной руде: k =β / α Многие металлические руды обогащают магнитной сепарацией, используя способность металлов притягиваться к магниту. Гравитационный способ. Различные по плотности минералы разделяют в центрифуге. Таким способом, например, отделяют алмазы. Комплексное использование добытого минерального сырья заключается в извлечении всех полезных компонентов и утилизации отходов. 7.5. Воздух и вода в промышленности Наиболее крупными потребителями воды являются химическая промышленность, металлургические и нефтеперерабатывающие заводы, бумажные фабрики и 30 теплоэлектростанции. Современные технологические предприятия расходуют до одного миллиона м3 воды в сутки. Вода используется для нагревания и охлаждения аппаратуры и веществ, для образования пульп и суспензий, в качестве растворителя, для промывки различных продуктов, для очистки оборудования и др. Воду берут из рек, озер, водохранилищ или из-под земли. Подземные воды значительно чище поверхностных, но их недостаточно для снабжения крупных городов. В зависимости от назначения, потребляемая вода условно делится на промышленную и питьевую. Одним из важнейших показателей воды является ее жесткость, обусловленная наличием в воде солей Ca и Mg. Промышленные воды проходят в связи с этим ряд операций водоподготовки: фильтрация, обеззараживание, осветление, умягчение, ионный обмен, дегазацию и др. Умягчением воды называют очистку ее от солей Ca и Mg. Если этого не делать, то в аппаратуре будет образовываться накипь. Показатели качества (ПК) питьевой воды делятся на три группы: 1. Микробиологические ПК – обеспечивают безопасность воды в эпидемическом отношении, контролируют общее число микроорганизмов и бактерий в воде. 2. Токсикологические ПК – характеризуют безвредность ее химического состава и предотвращают массовые отравления питьевой водой. Анализ устанавливает содержание отравляющих веществ: мышьяка, свинца, стронция, фтора, нитратов и др. вредных веществ. 3. Органолептические ПК – обеспечивают благоприятные вкусовые свойства воды. Они включают такие показатели, как запах, вкус, цвет, мутность, жесткость, водородный показатель. Воздух также широко применяется в современных технологических предприятиях химической и металлургической промышленности, на транспорте. Без сжатого воздуха немыслимы многие производства. Им приводятся в действие инструменты и машины во взрывоопасных местах и в шахтах, распыляется вода в системах увлажнения ткацкого производства, удаляется шлак, осевший на водотрубные паровые котлы и т.д. Устройство для сжатия и подачи воздуха называется компрессором. Это одна из самых распространенных машин на производствах. На нефтеперерабатывающих заводах имеются компрессорные цеха, которые обеспечивают сжатым воздухом техпроцессы нефтепереработки. 31 ГЛАВА 8. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ 8.1. Химическая промышленность Химическая промышленность (ХП) объединяет производства, в которых получение и переработка сырья производится химическими методами. ХП является одной из ведущих отраслей народного хозяйства, ей принадлежит определяющая роль в создании предпосылок для комплексного развития всех отраслей промышленности. Научной основой химической и смежных с ней отраслей является химическая технология. Химическая технология – это наука о наиболее экономичных методах массовой химической переработки природных материалов в продукты потребления и средства производства. Химическое машиностроение создает базу для технологического прогресса в ХП. Химическая промышленность производит для народного хозяйства продукцию, которую можно разделить на следующие группы: 1) неорганические вещества (кислоты; содовые продукты, щелочи; минеральные удобрения, ядохимикаты, силикаты); 2) органические вещества (продукция переработки твердого, жидкого и газообразного топлива); 3) продукты органического синтеза (пластмассы, лакокрасочные материалы, химические волокна, каучук и резина; 4) химические реактивы и особо чистые вещества; 5) медикаменты и химико-фармацевтическая продукция. Эта продукция используется практически во всех отраслях народного хозяйства: в машиностроении, полиграфии, сельском хозяйстве, здравоохранении и т. д. Качество химических продуктов должно соответствовать требованиям стандартов. Обеспечение качества продукции – важнейшая задача химической технологии. 8.2. Особенности химико-технологических процессов Основу химико-технологического процесса (ХТП) составляют химические процессы, но наряду с ними обязательно происходят и физические процессы. Химико-технологический процесс можно рассматривать как разновидность производственного технологического процесса, включающего стадию химического превращения веществ. Любой ХТП (рис. 8.1.) состоит из трех основных стадий: 1) подготовки сырья; 2) химического превращения; 3) выделения целевого продукта. A+B A+B Подготовка сырья C+F Химическое превращение Выделение целевого продукта Рис. 8.1. Блок–схема химико-технологического процесса A, B – исходные продукты, C – целевой продукт, F – побочный продукт 32 Первая и третья стадии ХТП не включают химических превращений. Вторая стадия непременно является химическим превращением, в ходе которого происходит изменение структуры, состава и свойств веществ, участвующих в нем. Обобщенная технологическая схема ХТП (А + В = С) показана на рис. 8.2. Это пример безотходного технологического процесса. Рис. 8.2. Обобщенная технологическая схема получения продукта по реакции А + В = С А и В – исходные жидкие компоненты – проходят через фильтр 1, в котором очищаются от твердых частиц. Затем насосом 2 они подаются в теплообменник 3, где нагреваются до температуры реакции, а затем подаются в реактор 4. Продукты реакции, состоящие из смеси целевого продукта С и примесей не прореагировавших компонентов исходных веществ направляются на разделение в ректификационную колонну 5. Из верхней части колонны выходят пары компонентов А и В, которые затем конденсируются в дефлегматоре 7 и возвращаются в реактор. Чистый продукт С выводится из кипятильника 6 через теплообменник 8, где он охлаждается до нормальной температуры. 8.3. Основные технологические понятия и определения ХТП Показателем, характеризующим эффективность работы аппаратов, цехов и заводов, служит производительность. Производительность – это количество выработанного продукта или переработанного сырья в единицу времени. Она измеряется в килограммах в час (кг/ч), в тоннах в сутки (т/сут.) или в кубических метрах в сутки (м3/сут.). Максимально возможная производительность называется мощностью. 33 Расход сырья, воды, энергии и различных реагентов, отнесенный к единице целевого продукта, называют расходным коэффициентом. Расходные коэффициенты выражают в тоннах на тонну, кубических метрах на тонну, киловатт-часах на тонну. Степень превращения – это отношение количества реагента, вступившего в реакцию, к его исходному количеству, введенному в технологический процесс. Например, для простой необратимой реакции типа А Î C степень превращения реагента А выражается уравнением XA = (NA0 – NA)/ NA0,, где NA0, NA – количество исходного реагента А в начале и конце процесса. Степень превращения исходных веществ за один проход через реактор, выраженная в процентах, называется конверсией сырья. 8.4. Классификация химико-технологических процессов Различные стадии ХТП протекают в соответствующих аппаратах. Это, например, химические реакторы, ректификационные колонны, теплообменники, насосы, фильтры и др. Для проведения ХТП оборудование соединяют в технологическую схему. Технологической схемой химического производства называют описание и/или графическое изображение процессов и соответствующих им аппаратов. Технологические схемы химического производства составляются в зависимости: 1) от способа организации процесса; 2) от кратности обработки сырья. Способ организации процесса является общим критерием классификации всех технологических процессов (см. гл. 3), в том числе и ХТП. Кратность обработки сырья зависит от конверсии сырья в ХТП, поэтому и этот критерий является важнейшим для классификации ХТП. Особенностью химико-технологического процесса является наличие стадии химического превращения веществ, поэтому тип и условия протекания основой химической реакции также являются критериями классификации ХТП. Таким образом, основой классификации ХТП являются: способ организации процесса, кратность обработки сырья, тип и условия протекания основной химической реакции. 1. По способу организации ХТП могут быть дискретными (периодическими), непрерывными и комбинированными. В периодических процессах сырье вводится в реактор определенными порциями и так же дискретно из реактора извлекается целевой продукт после завершения цикла. В непрерывных процессах сырье подается в реактор постоянным потоком. Целевой продукт выводится из реактора тоже непрерывно. Комбинированные процессы могут характеризоваться непрерывным поступлением сырья и периодическим отводом продукта, или периодическим поступлением сырья и непрерывным отводом продукта. 2. По кратности обработки сырья различают процессы: с открытой, закрытой (циклической) и комбинированной схемами компоновки технологического оборудования. В процессах с открытой схемой сырье за один цикл пребывания в реакторе превращается в целевой продукт. Такие схемы применяются для ХТП с высокой конверсией сырья. В процессах с закрытой схемой требуется многократное пребывание сырья в реакторе до того, как оно полностью превратится в конечный продукт. На рис. 8.2 при34 ведена структура ХТП, который функционирует по циклической схеме. Циклические схемы более компактны, требуют меньших затрат на оборудование, обеспечивают полную переработку сырья в процессах с низкой конверсией. В комбинированных процессах основное сырье может превращаться в целевой продукт за один цикл, а вспомогательные материалы использоваться многократно. 3. По типу химической реакции. Основу ХТП составляют различные химические реакции – простые и сложные, обратимые и необратимые, гомогенные и гетерогенные, экзотермические и эндотермические. Протекание простых реакций может быть описано с помощью одного уравнения, для описания сложной реакции требуются как минимум два уравнения. К обратимым относятся реакции, протекающие в противоположных направлениях со сравнимыми скоростями. Если скорость реакции в одном направлении велика по сравнению со скоростью ее протекания в обратном направлении, реакцию считают необратимой. Гомогенными называются реакции между веществами, находящимися в одной фазе, гетерогенными – между веществами в различных фазах. Экзотермическими называют реакции, протекающие с выделением тепла. Эндотермическими называют реакции, протекающие с поглощением тепла. 4. По условиям протекания реакции классифицируют на: • высокотемпературные, протекающие при температуре выше 500 оС; • электрохимические, происходящие под действием электрического тока; • фотохимические, вызываемые действием света; • радиационно-химические, происходящие под действием ионизирующих излучений; • каталитические, протекающие с участием катализаторов. Например, технологические процессы получения серной кислоты нитрозным способом, где оксиды серы обрабатываются открытым способом, а оксиды азота – циркулируют по замкнутой схеме. 8.5. Материальный и энергетический балансы химико-технологических процессов Материальный и тепловой (энергетический) балансы составляют для анализа работы аппарата, установки или производства. Материальный баланс химико-технологического процесса составляют на основе закона сохранения массы вещества, согласно которому масса веществ, поступивших на технологическую операцию – приход, равна массе полученных веществ – расход. Для реакции aA + bB + sS = rR + cC + Q, где A, B, S – исходные реагенты; C – целевой и R – побочный продукты. Уравнение материального баланса будет иметь вид: mA + mB + mS = mR + mC. Материальный баланс чаще всего составляют на единицу массы целевого продукта (R), т. е. получают зависимость, показывающую, какова масса исходных реагентов А, В, S, необходимая для получения единичной массы C, а также масса образующегося при этом побочного продукта R. Материальный баланс служит основой для составления теплового и экономического балансов, и поэтому его составляют первым. Из материального баланса можно вычислить практические расходные коэффициенты на сырье. 35 ХТП связаны с преобразованием различных видов энергии (тепловой, механической, электрической). Так как в ХТП тепловая энергия имеет наибольшее значение, для них обычно составляют тепловые балансы. В этом случае закон сохранения энергии формулируется так: суммарный приход теплоты в данной технологической операции равен суммарному расходу теплоты в той же операции. Тепловой баланс составляют по данным материального баланса с учетом тепловых эффектов химических реакций и физических превращений, протекающих в аппаратах, а также с учетом подвода или отвода теплоты. 8.6. Экономическая эффективность химического производства Экономическая эффективность является самым важным показателем, характеризующим совершенство ХТП. Она характеризуется тремя основными показателями: капитальными затратами, себестоимостью продукции и производительностью труда. Капитальные затраты – это сумма всех затрат, произведенных при строительстве данного цеха или предприятия в целом. Применение новой, более совершенной аппаратуры, коррозионно-устойчивых материалов, автоматических методов контроля и регулирования ХТП связано с увеличением материальных затрат, но приводит к снижению эксплуатационных затрат и себестоимости продукции. Удельные капитальные затраты – более наглядный показатель, чем капитальные затраты, они получаются от деления общей стоимости установки (цеха) на ее годовую мощность Р = К/Q, где Р – удельные капитальные затраты; К – капитальные затраты, руб.; Q – мощность установки, т/год. Максимально возможная производительность называется мощностью. С увеличением единичной мощности установки удельные капитальные затраты снижаются. Эмпирическое уравнение для выражения зависимости удельных капитальных затрат от единичной мощности установки, т. е. одного производственного агрегата, имеет вид Р = аQ-0.4, где а – коэффициент, зависящий от характера химического производства. Полной себестоимостью называется денежное выражение затрат данного предприятия на изготовление и сбыт единицы продукции. Зависимость между себестоимостью ХТП и единичной мощностью производственного агрегата приближенно выражается уравнением S = mQ n, где S – себестоимость продукции; Q - мощность цеха (установки); m, n –параметры. Расход сырья, воды, энергии и различных реагентов, отнесенный к единице целевого продукта, называют расходным коэффициентом. Производительность труда – это количество рабочего времени, затрачиваемого на выработку единицы продукции. Так же как и удельные капитальные затраты и себестоимость продукции, производительность труда зависит, главным образом, от техники производства и мощности установки. С увеличением единичной мощности 36 вдвое производительность труда для многих химических производств возрастает на 60–80 %. Для технологических процессов показателем абсолютной экономической эффективности Э является отношение разности между оптовой ценой предприятия Ц и себестоимостью С продукции к капитальным вложениям К, которые необходимы для реализации этого технологического процесса: Э = (Ц-С)/К. Чем меньше себестоимость, тем выше эффективность капитальных вложений. 37 ГЛАВА 9. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ 9.1. Применение серной кислоты Производство неорганических кислот (серной, азотной, соляной) относится к важнейшим процессам химической неорганической технологии. Серная кислота является самой дешевой из всех минеральных кислот. Безводная серная кислота H2SO4 – это бесцветная маслянистая жидкость с удельным весом 1,84 кг/см3. По химическому составу серная кислота представляет собой соединение серного ангидрида SO3 с водой. В зависимости от их соотношения серная кислота может быть разбавленной, концентрированной или в виде олеума (15–20 % раствор серного ангидрида в серной кислоте), которые и производятся в промышленности. По объему производства `и области применения она занимает одно из первых мест среди продукции ХП. Серная кислота используется: • в химической промышленности для производства удобрений (суперфосфата и сульфата аммония), получения красителей, пластмасс, химических волокон, при производстве нефтепродуктов (для их очистки); • в металлургии цветных металлов при выделении металлов из руд; • в машиностроении при травлении (обработка поверхностей металлов перед нанесением различных покрытий для повышения прочности сцепления); • в пищевой промышленности при получении крахмала, спирта, патоки; • в текстильной промышленности при отбеливании тканей, дублении кож; • для изготовления взрывчатых веществ; • для сушки различных газов (серная кислота обладает высоким водопоглощающим действием, т. е способностью поглощать пары воды из газов). 9.2. Сырье для производства серной кислоты Сырьем для производства серной кислоты служат: 1. Элементарная сера. Лучшее сырье для производства. При ее сжигании образуется чистый концентрированный сернистый газ, незагрязненный примесями, что значительно упрощает производство серной кислоты. В настоящее время получают из серы 48–49 % серной кислоты. Но это дорогое сырье. Себестоимость серной кислоты в два раза выше, чем при производстве из серного колчедана. На предприятия сера поступает в железнодорожных цистернах. При обычной температуре сера находится в твердом состоянии. Т плавления =113-120оС. Для разгрузки серу разогревают до Т = 135–140 оС перегретым паром под давлением около 6 атмосфер. Могут применяться также электронагревательные приборы. Жидкая разогретая сера разгружается с помощью специальных насосов в складской сборник. На складе предусматривается запас серы до 15 суток. 2. Серный колчедан FeS2 (пирит) широко распространен в природе. Содержание серы в нем составляет от 40 до 50 %. Около 30 % серной кислоты получают из колчедана. 3. Сероводород – значительное количество выделяется из газов нефтеперерабатывающей промышленности. 4. Отходящие газы цветной металлургии, образующиеся при переработке сернистых руд. 38 Следует отметить, что с отходящими газами тепловых электростанций и металлургических заводов выбрасывается SO2 значительно больше, чем употребляется для производства H2SO4. Это самое дешевое сырье, но концентрация в них сернистого газа мала, поэтому переработка отходящих газов не всегда ведется. 9.3. Технология серной кислоты Серную кислоту в промышленности получают двумя способами – нитрозным и контактным. В обоих случаях сущность процесса сводится к окислению сернистого газа SO2 до серного SO3 и соединению трехокиси с водой. В обычных условиях сернистый газ кислородом воздуха не окисляется, поэтому процесс окисления реализуют либо при помощи азота (нитрозный способ), либо в присутствии твердого катализатора (контактный способ). Способ окисления и определяет технологию производства. Характеристика нитрозного способа производства серной кислоты Нитрозный способ производства серной кислоты (башенный метод) является более старым. Двуокись серы окисляют до SO3 при помощи нитрозной смеси, состоящей из окиси и двуокиси азота, взятых в соотношении 1:1. Процесс протекает в несколько стадий. Этот способ имеет ряд недостатков: • он трудно поддается автоматизации; • кислота имеет концентрацию не более 75–77 %; • получаемая кислота загрязнена примесями. Характеристика контактного способа производства серной кислоты Контактный способ производства серной кислоты применяется в настоящее время во всем мире более широко. Это объясняется более высоким уровнем технологии данного способа производства, возможностью автоматизации процесса, более низким содержанием SO3 и SO2 в выхлопных газах. В качестве катализатора для окисления сернистого газа применяют твердые катализаторы (например, пятиокись ванадия.). Причем, серный газ SO3 переводят в серную кислоту H2SO4 на последней стадии процесса путем абсорбции серного газа. При этом способе производства может быть получена серная кислота любой концентрации и высокой степени чистоты. Контактный способ производства серной кислоты осуществляется двумя методами: 1. Одинарного контактирования со степенью окисления SO3 и SO2 до 98–97 %. В этом случае в атмосферу выбрасываются вместе с выхлопными газами SO3 и SO2, что требует дополнительных затрат на сооружение систем очистки выхлопных газов. 2. Двойного контактирования – в этом случае степень окисления SO3 и SO2 достигает 99,8 %, при этом содержание SO3 и SO2 в выхлопных газах соответствует предельно допустимой концентрации. Технология производства серной кислоты способом двойного контактирования состоит из следующих стадий: подготовки сырья, получения диоксида серы, очистки газа, окисления сернистого ангидрида в серный, абсорбции серного ангидрида серной кислотой, очистки выхлопных газов. 1. Подготовка жидкой серы, поступающей на склад из цистерн, заключается в ее фильтрации. Подготовка серного колчедана заключается в его обогащении методом флотации. 39 2. Сернистый газ получают путем окисления сырья (обжига на воздухе). Поскольку в обжиговом газе содержатся примеси мышьяка, фтора, селена, необходима его очистка. Если реакционный газ получают сжиганием элементной серы, то необходимость очистки от примесей отпадает. 3. Обжиговый газ имеет высокую Т = 1050 Со, поэтому перед очисткой его температуру снижают, а затем пропускают через сухие электрофильтры или очищают от пыли в циклопах. 4. После очистки газ направляется на окисление в контактные аппараты. В промышленности основным катализатором является пятиокись ванадия, которая располагается на специальных решетках. Реакция окисления SO2 является экзотермической, и после окисления газа возникает необходимость в его охлаждении, которое протекает в теплообменниках и холодильниках. 5. Абсорбцию серного ангидрида производят безводной серной кислотой или олеумом, так как в присутствии воды идет экзотермическая реакция, что приводит к образованию сернокислого тумана. Туман плохо улавливается в этих условиях и уносится в атмосферу. Виды продукции товарной серной кислоты Промышленность выпускает три вида товарной H2SO4: 1) башенная кислота с концентрацией 75 %; 2) контактная кислота с концентрацией 92,5 %; 3) олеум – 20 % раствор серного ангидрида в серной кислоте. Зависимость свойств H2SO4 от концентрации учитывают при установлении технологического режима ее переработки, при выборе условий транспортировки и хранения на складах. 40 ГЛАВА 10. ТЕХНОЛОГИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ 10.1. Классификация и применение минеральных удобрений Минеральные удобрения – это вещества, ускоряющие биохимические процессы формирования и роста растений в почвах, бедных питательными элементами. Минеральные удобрения классифицируются: 1. По видам питательных элементов: • азотные. Распространенные азотные удобрения: безводный аммиак, мочевина, аммиачная селитра, сульфат аммония; • калийные. Распространенные калийные удобрения: сульфат калия, хлористый калий, сильвинит и т. д.; • фосфорные Распространенные фосфорные удобрения: простой и двойной суперфосфат, фосфоритная мука. В этих удобрениях действующими веществами являются N, K2O, P2O5. Поэтому расчеты между производителями и поставщиками выполняются с учетом их содержания в удобрениях. Азотные удобрения пересчитываются на элементарный азот N, калийные – на K2O, фосфорные – на P2O5. 2. По числу главных питательных элементов: • простые; • комплексные, содержащие несколько питательных элементов. Кроме того, используются минеральные удобрения, которые содержат микроэлементы (йод, бор, марганец, медь). Они же могут входить в состав комплексных удобрений. По способу производства комплексные минеральные удобрения подразделяются на смешанные и сложные. Смешанные получают механическим смешиванием нескольких простых удобрений. Сложные получаются при химическом взаимодействии полуфабрикатов. Смешанные удобрения характеризуются универсальностью применения. Сложные удобрения имеют меньшую себестоимость, высокое качество и равномерно усваиваются. 3. По агрохимическому значению: • ускоряющие рост растений; • ускоряющие развитие корневой системы; • ускоряющие созревание плодов; • оказывающие комплексное воздействие на растения. Внесение минеральных удобрений в почву: • предотвращает ее истощение и способствует повышению урожайности. При правильном их использовании они обеспечивают прирост урожая на 30–70 %; • улучшает качество продукции – повышает содержание сахара в свекле и винограде, крахмала в картофеле, белка в зерне, увеличивает прочность волокон хлопка и льна; • повышает устойчивость растений к болезням, холоду и засухе; • снижает общие затраты труда на выращивание урожая на 35–40 %; • снижает себестоимость зерна на 20 %. Показателем качества удобрений является содержание в нем полезного вещества и их гигроскопичность, т. е. способность впитывать воду из воздуха. Это определяет условия хранения и транспортирования, тип тары. 41 10.2. Технология удобрений Фосфорные удобрения. В качестве фосфорсодержащего сырья используются следующие минеральные ископаемые: фосфориты Ca3(PO4)2 и апатиты Ca5F(PO4)3. Запасы фосфоритов и апатитов находятся в основном на Хибинах. Эти соединения содержат фосфор в малорастворимой форме, поэтому использовать их в качестве удобрений без переработки неэффективно. Для получения фосфорных удобрений фосфорсодержащее сырье необходимо перевести в растворимую форму, что способствует лучшему усвоению их растениями. Простой суперфосфат получают при смешивании природного фосфата с серной кислотой. Тогда нерастворимая фосфорная соль переходит в растворимую, при этом в качестве побочного продукта образуется гипс: Ca3 (PO4)2 +H2SO4 + H2O = Ca (H2PO4)2* H2O + CaSO4 * 2 H2O Эта реакция протекает достаточно медленно, для ее завершения необходимо от 6 до 20 суток. Этот процесс называется дозреванием суперфосфата, и он заканчивается при хранении его на складе. Для получения двойного суперфосфата природные фосфаты разлагают фосфорной кислотой. Двойной суперфосфат содержит действующего вещества (P2O5) – 42–48 %. Суперфосфат выпускают в гранулированном виде, т. к. иначе его мелкие частицы быстро растворяются и уносятся в глубинные слои почвы, где нет корневой системы. Калийные удобрения. В качестве удобрений используют природные калийные соли и продукты их переработки. В настоящее время 90 % добываемых калийных солей используют в качестве удобрений. Их наиболее мощными месторождениями являются Солигорская и Верхнекамская области. В нашей республике в качестве калийсодержащего сырья используют сильвинит и корналит. Сильвинит (KCl*NaCl) содержит 30 % KCl и 70 % NaCl). Переработка сильвинита заключается в разделении содержащихся в нем солей. Это производится галургическим методом (или методом выщелачивания), который основан на различной растворимости солей в горячей и холодной воде. Растворимость KCl с повышением температуры увеличивается, а растворимость NaCl практически не изменяется. Поэтому охлаждение насыщенного раствора, полученного при Т = Ткип сопровождается кристаллизацией KCl, а NaCl остается в растворе. Такой раствор называется маточным и используется для дальнейшего растворения сильвинита. При этом при Т = Ткип в маточный раствор из сильвинита будет переходить только KCl, поскольку этот раствор солями Na уже насыщен. Извлечение отдельных компонентов твердого вещества путем перевода в раствор с помощью растворителя (обычно водного) и называется выщелачиванием. Пустая порода: глина, песок NaCl направляются в отвалы, а калийные соли после их сушки упаковываются в 4-слойные бумажные мешки и отправляются потребителям. Азотные удобрения. Их получают искусственным путем с помощью реакций химического синтеза из аммиака, азотной или серной кислот и др соединений. Промышленность выпускает следующие основные виды азотных удобрений: сульфат аммония (NH4)2SO4, аммиачную селитру, или нитрат аммония, безводный аммиак, мочевину или карбамид. Сульфат аммония получают в результате нейтрализации серной кислоты газообразным аммиаком: H2SO4 + 2 NH3 = (NH4)2SO4 . Для этого используются башенная серная кислота и аммиак, содержащийся в коксовом газе. 42 Нитрат аммония получают в результате нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком: NH3 + HNO3 = NH4 NO3. Это более концентрированное азотное удобрение. Серьезным недостатком этих удобрений является их слеживаемость при длительном хранении и гигроскопичность. Поэтому при хранении на складе необходимо избегать больших объемов удобрений и следить за влажностью воздуха в помещении. Гранулирование удобрений уменьшает их слеживаемость. Белорусские производители минеральных удобрений: 1. ОАО «Гомельский химический завод» выпускает фосфорные, сложные и комплексные удобрения. 2. Производственное объединение «Беларуськалий» выпускает калийные удобрения. 3. Гродненское производственное объединение «Азот» выпускает азотные удобрения. 43 ГЛАВА 11. ОСНОВЫ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА 11.1. Виды топлива и их применение Топливом называют твердые, жидкие и газообразные горючие вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической промышленности. В результате химической переработки различных топлив получают углеводородное сырье для производства пластмасс, химических волокон, лаков, красителей, растворителей и т. п. Например, при коксовании углей получают: бензол, толуол, фенол, нафталин, антрацит, водород, метан и др. продукты. В качестве сырья используют газы, выделяемые при добыче нефти и ее переработке. Эти газы содержат метан, этан, пропан, бутан, этилен, пропилен и др. Все топлива делятся (табл.1): 1) по агрегатному состоянию – на твердые, жидкие и газообразные топлива; 2) по происхождению – на естественные и искусственные топлива. Таблица 1 Классификация топлива Агрегатное состояТопливо ние топлива естественное искусственное Твердое Древесина, торф, уголь, Кокс, полукокс, древесный сланцы уголь Жидкое Нефть Бензин, керосин, мазут, лигроин и др. Газообразное Природный газ, попутКоксовый газ генераторные ные газы газы, газы нефтепереработки Искусственные топлива получают в результате переработки естественных топлив. Одним из важнейших видов химического сырья является природный газ, который содержит до 98 % метана. Древесина является источником получения целлюлозы, этилового спирта, уксусной кислоты и других продуктов. Из сланцев и торфа производят горючие газы, сырье для производства масел, моторных топлив, сырье для производства полимеров. По существу все добываемое топливо сжигается, только 10 % нефти и газа используется в качестве сырья для химической промышленности. Наибольшее количество топлива расходуется на тепловых электростанциях, в различного рода тепловых двигателях, на технологические нужды (например, при выплавке металла, для нагрева заготовок в кузнечных и прокатных цехах), а также на отопление жилых, общественных и производственных помещений. 11.2. Методы переработки твердого топлива Твердое топливо подвергают химической переработке следующими способами: • пиролизом; • газификацией; • гидрированием. Пиролиз – это разложение топлива при нагревании без доступа воздуха с целью получения кокса. В результате протекают физические процессы (испарение влаги) и химические процессы – превращение компонентов топлива с получением ряда химических продуктов. Эти процессы требуют подвода тепла извне. 44 Газификация – это процесс переработки топлива в горючий газ. Процесс происходит в присутствии воздуха, водяного пара, кислорода и др. газов. В газ превращается до 90 % органической массы топлива. Газификация производится в газогенераторах, поэтому получающийся газ называют газогенераторным. Процесс экзотермический, температура газификации составляет 900–1100 0С. В последнее время в связи с экономией углеводородных топлив, разрабатываются и внедряются технологии переработки низкосортных твердых топлив, основанные на газификации. Гидрирование – это обработка твердого топлива водородом для получения жидкого топлива. Процесс происходит в присутствии катализаторов под действием высокой температуры. В результате образуются продукты более богатые водородом, чем исходное сырье. Например, переработка угля в бензин. Промышленность искусственного жидкого топлива достигла наибольшего объема в 1940–1943 гг. (7–8 млн т в год). Расход угля на 1 т жидкого топлива составлял 7–8 т, соответственно, стоимость такого бензина была гораздо дороже угля. В настоящее время наиболее крупным производителем сравнительно дешевого бензина является ЮАР, т.к. в качестве сырья там используют дешевые бурые угли, которые добывают открытым способом. 11.3. Технология коксохимического производства Коксохимическое производство является одним из основных в химической переработке ископаемых углей. Состав, свойства и классификация углей Ископаемые угли делятся на бурые с содержанием углерода 55–78 %; каменные (75–92 %) и антрациты (92–97 % углерода). Кроме углерода в состав углей входят: водород (1–6 %), кислород (2–20 %),азот (1–2 %) и сера (0,5–6 %), связанные с ним в различные органические соединения и образующие группу смолистых веществ. Содержание последних оценивается выходом летучих веществ, выделяющихся при нагревании угля без доступа воздуха. С повышением содержания углерода в угле выход летучих веществ уменьшается. Сырьем для коксохимического производства является каменный уголь. Промышленная классификация углей по маркам основана по принципу их возрастающей углефикации. Марки углей стандартизованы: Д – длиннопламенные, Г – газовые, Ж – жирные, К – коксовые, ОС – отощенные спекающиеся, Т – тощие. Содержание летучих веществ в этом ряду убывает, а углерода возрастает. Технологические процессы получения кокса Технологический процесс коксохимического производства начинается с подготовки сырья и приготовления шихты. Наибольшее применение при составлении шихты для выработки металлургического кокса находят угли следующих марок: Г, К, Ж, ОС. Процесс подготовки сырья должен обеспечивать получение шихты заданного химического состава с учетом допускаемого содержания примесей и заданного размера угольных частиц. Готовая шихта определенными дозами высыпается в бункеры загрузочного вагона, который доставляет ее в камеры коксовой батареи. Процесс коксования начинается сразу после подачи загрузочным вагоном отмеренной дозы шихты в камеру. Загрузочные люки закрываются, и включаются подогревающие устройства. Процесс коксования длится 14–17 часов. 45 Коксование – процесс переработки каменных углей при их нагревании до 900– 1100 0С без доступа воздуха. Несмотря на высокую температуру в обогревательных простенках печи (1300–1700 0С), уголь прогревается постепенно. Поэтому в коксуемой массе длительно находятся одновременно слой кокса, полукокса, пластической массы, сухой и влажный уголь. К концу процесса температура во всех слоях выравнивается, кокс формируется в виде монолита, который затем в процесс выгрузки растрескивается. Цель пиролиза – отделение углерода от остальных веществ, содержащихся в углях. Продуктами коксования являются летучие вещества и твердый остаток – кокс. В ходе процесса коксования последовательно ведется отгон и сбор коксового газа, надсмольной воды и каменноугольной смолы, которые используются как сырье в химической промышленности. По окончании процесса коксования нагревающие устройства выключаются, а к дверям камеры подводится выталкиватель, который выгружает коксовый пирог в тушильный вагон, а загрузочный вагон открывает загрузочные люки и производит загрузку новой дозы шихты. Выгруженный кокс подвергается тушению в среде инертного газа. Производительность одной коксовой батареи составляет около 1500 т кокса в сутки. Методом коксования в мире перерабатывается более 500 млн. т каменного угля в год. 11.4. Продукты коксования В результате коксования углей получают следующие продукты: 1. Кокс – продукт темно-серого цвета, пористость которого достигает 45–55 %, содержит 97–98 % углерода. Каменноугольный кокс является высококачественным бездымным топливом. В зависимости от назначения и размера выделяют следующие разновидности кокса: • доменный кокс (диаметр более 40 мм); • литейный кокс (диаметр от 25 мм); • коксовый орешек (диаметр 10–25 мм) применяется для производства ферросплавов; • коксовая мелочь (диаметр менее 40 мм) применяется для агломерации; • кокс, не пригодный для технических нужд из-за содержания серы, золы и низких механических свойств, используется в качестве топлива. 2. Обратный коксовый газ содержит 60 % водорода и 25 % метана, остальные 15 % – азот, углекислый газ, кислород, непредельные углеводороды. Служит сырьем для производства водорода и аммиака, а также применяется для подогрева воздушного дутья в доменных печах и для обогрева сталеплавильных и коксовых печей. 3. Сырой бензол состоит из бензола, толуола, сероуглерода, фенолов и др. Вещества, входящие в состав сырого бензола, широко применяются в производстве полимеров, красителей, лекарственных препаратов, взрывчатых веществ, ядохимикатов и др. 4. Каменноугольная смола является смесью ароматических углеводородов. Ее используют для производства красителей, химических волокон, пластических масс, в фармацевтической промышленности, а также для производства различных технических масел. 46 ГЛАВА 12 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ 12.1. Добыча и транспортирование нефти Нефть – "черное золото" – маслянистая темно-коричневая жидкость со специфическим запахом является одним из важнейших полезных ископаемых и топливноэнергетических ресурсов. По химическому составу нефть является сложной смесью углеводородов (до 90 %), а также содержит S, N2, O2. По содержанию серы нефти подразделяют на малосернистые, сернистые (до 3 %) и высокосернистые (до 5 %). Добываемая из скважин сырая нефть содержит растворенные в ней попутные газы, воду, водные растворы минеральных солей, механические примеси – песок, глину. Большая часть нефти добывается через нефтяные скважины из резервуаров в земной коре, образуемых складками твердых пород. Для подъема нефти и сопутствующих ей газов и воды на поверхность применяют следующие способы: 1) фонтанный способ (компрессорная добыча нефти) – за счет энергии сжатого природного газа или воздуха, который подается компрессором в скважину и вытесняет нефть на поверхность, производительность этого способа 2–40 т нефти в сутки; этот способ применим в начальный период эксплуатации скважины, когда в пласте высокое давление; 2) глубинно-насосный способ – когда нефть откачивают с помощью гидропоршневых и др. насосов. На последней стадии эксплуатации скважин в них производят закачку воды, в пласте создается высокое давление и нефть, как более легкий продукт, вытесняется на поверхность. Сырую нефть на специальных установках отделяют от воды и газов, сопутствующих нефтяным месторождениям, а затем по трубопроводам перекачивают в специальные нефтехранилища – огромные стальные резервуары. Отсюда нефть транспортируют на нефтеперерабатывающие заводы различными методами: • перекачкой по трубопроводам на тысячи км; • перевозкой в цистернах по железной дороге; • перевозкой в танкерах (нефтеналивных судах) по морю. 12.2. Методы переработки нефти Методы переработки нефти делятся на две группы: физические и химические. Физические методы переработки основаны на использовании физических свойств компонентов (фракций), из которых состоит нефть. Наиболее распространенным физическим методом переработки нефти является перегонка. Перегонка (или дистилляция) – это процесс разделения смеси взаиморастворимых жидкостей на фракции, которые отличаются между собой по температуре кипения. При перегонке смесь нагревается до кипения и частично испаряется, после чего получают дистиллят и остаток. Однако, достичь необходимого разделения компонентов нефти с помощью одной перегонки невозможно. На установках первичной перегонки нефти однократное испарение и ректификация совмещаются. Первичная перегонка нефти (рис. 12.1) включает следующие этапы: 1. Перед первичной перегонкой товарную нефть обезвоживают и обессоливают. Содержание солей в нефти снижают до 0,5–5 мг/л, а воды до 0,05–0,2 %. 47 2. Прямая перегонка (атмосферная ректификация). Процесс проводится при атмосферном давлении. Прямая перегонка проводится на установках трубчатого типа, которые включают трубчатые печи, ректификационные колонны, теплообменники, сепараторы, холодильники. Продуктами атмосферной ректификации нефти являются бензин, лигроин, керосин, дизельное топливо и остаток – мазут, выход которого достигает 55 % от исходной нефти. Мазут служит сырьем для вакуумной перегонки. 3. Вакуумная перегонка мазута проводится при давлении 5–8 кПа. В результате получают масляные дистилляты и остаток – гудрон (выход которого 27 %). Таким образом, продукты первичной перегонки нефти – топливные фракции, масляные дистилляты и остаток – гудрон. Топливные фракции – это бензины, лигроины, керосины, газойль и мазут, они кипят при температурах от 150 до 400 оС. Масляные дистилляты – это фракции с температурой кипения от 350 до 550 оС – применяются для получения смазочных и специальных масел. Гудрон используется для производства битумов и кокса. Химические методы переработки – термический и каталитический крекинги. Крекинг – это расщепление длинных молекул тяжелых углеводородов, имеющих высокую температуру кипения, на более короткие молекулы легких веществ с низкой температурой кипения. При крекинге различных фракций первичной перегонки нефти – от лигроина до мазута, углеводороды, содержащиеся в нефти и нефтепродуктах, претерпевают химические превращения под влиянием высоких температур и давления, и/или в присутствии катализаторов. В результате образуются новые вещества. Термический крекинг (низкотемпературный крекинг) протекает при температурах 450–500 оС `и повышенном давлении 1,9–3 МПа, длительность процесса 90– 200 с. Этот вид крекинга используется для получения топлива из мазута и гудрона. Высокотемпературный крекинг протекает при высоких температурах 530– о 600 С, давлении 0,12–0,6 МПа, длительности процесса 0,5–3 с. Этот вид крекинга используется для получения бензинов и непредельных газов из дистиллятных фракций. Каталитический крекинг – это расщепление тяжелых углеводородов в присутствии катализаторов Катализаторами служат глины типа бокситов, а также синтетические алюмосиликаты. Процесс идет при температурах 450–500 оС `и повышенном давлении. Преимущества каталитического крекинга: 1) высокая скорость процесса, которая в 500–4000 раз больше скорости термического крекинга; 2) снижение температуры крекинга; 3) увеличение количества и улучшение качества получаемых продуктов: – увеличение выхода бензинов с высоким октановым числом и большей стабильностью при хранении; – увеличение выхода непредельных газообразных углеводородов (крекинг газов), которые являются сырьем для основного органического синтеза. 12.3. Важнейшие нефтепродукты и их применение Перегонка нефти производится в крупном масштабе для получения всех видов топлива и для получения широкого ряда химических веществ. Это ароматические углеводороды (бензол, толуол, нафталин), парафины, олефины. Самые распространен48 ные конечные продукты перегонки нефти – это этан и пропан, которые. широко применяются в химической и пластмассовой промышленностях (рис. 12.1). Нефтяные топлива подразделяют на светлые (моторные), которые применяют для двигателей, и котельные. Котельное топливо применяют для сжигания в промышленных печах, в тепловых электростанциях. Моторное топливо делится на карбюраторное и дизельное. Карбюраторное топливо включает в себя авиационные и автомобильные бензины, которые характеризуются октановым числом. Чем больше ОЧ, тем в большей степени может быть сжата горючая смесь в цилиндрах, что и определяет его экономичность. Рис.12.1. Экономическая важность переработки нефти для народного хозяйства Дизельное топливо включает в себя газойль и соляровые фракции. Производство этого вида топлива возрастает в связи с увеличением выпуска дизельных двигате49 лей. К важнейшим нефтепродуктам относятся также масляные дистилляты, которые представляют собой различные смазочные масла. Смазочные масла уменьшают трение между деталями, защищают поверхность от износа, охлаждают трущиеся детали (при фрезеровании или сверлении). По применению они подразделяются на индустриальные, компрессорные, трансмиссионные и специальные масла, которые применяются не для смазки, а в качестве рабочей жидкости тормозных систем, в гидравлических устройствах, в трансформаторах и конденсаторах в качестве электроизоляционной среды. Важнейшими эксплуатационными характеристиками масел являются их вязкость, температура застывания, химическая стабильность, смазочная способность, коррозионные свойства. Консистентные смазки также относятся к смазочным маслам. Они представляют собой нефтяные масла, в которые добавлены загустители (мыла, твердые углеводороды или др.). Из нефтяных масел получают сажу, которая широко применяется для производства резины в шинной промышленности. Сажу получают посредством сжигания нефтяных масел при недостатке воздуха. Нефтяные битумы широко используются в дорожном строительстве. Их получают из гудронов – остатков вакуумной перегонки нефти. Битумы используют также в качестве электро- и гидроизоляционного материала (например, для аккумуляторных батарей). При крекинге получают крекинг-бензины, крекинг-газы и крекинг-остаток (смолистые и асфальтовые вещества). Причем, главная цель крекинга – это получение большого количества газов – этана, этилена, пропилена и др. легких углеводородов. На них имеется большой спрос, т. к. они, в свою очередь, являются сырьем для основного органического синтеза. 50 ГЛАВА 13. ПЛАСТМАССЫ И ИХ ПЕРЕРАБОТКА 13.1. Общие сведения о полимерных материалах и способах их получения Полимерами называют высокомолекулярные соединения (ВМС), молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся одинаковых или различных атомных группировок, соединяемых химическими связями. Основными видами полимерных материалов являются: пластмассы, волокна, целлюлоза, каучуки, лаки, клеи и др. Они могут применяться самостоятельно или служить основой для получения различных композиционных материалов. По происхождению полимеры делятся на природные, искусственные и синтетические. Природные полимеры – целлюлоза, крахмал, натуральный каучук. Природные ВМС органического происхождения образуются в процессе биосинтеза в клетках растений и живых организмов. Для использования их выделяют из растительного или животного сырья различными физико-химическими методами (экстракция, фракционное осаждение и др.). Искусственные полимеры получают путем обработки или химической модификации природных ВМС (нитроцеллюлоза, ацетат целлюлоза, вискоза). Так, путем обработки древесины или хлопковой целлюлозы смесью азотной и серной кислот получают нитраты целлюлозы. Синтетические полимеры синтезируют из мономеров. Мономеры – это простые веществ низкомолекулярные вещества, молекулы которых вступают в реакцию друг с другом. Наиболее широко для этого применяются реакции полимеризации и поликонденсации. По типу реакций получения синтетические полимеры делят на полимеризационные и поликонденсационные. Полимеризацией называется процесс получения полимеров путем последовательного присоединения мономеров за счет раскрытия в них двойных или тройных связей. Полимеризация происходит под действием тепла, света, радиационного облучения, катализаторов и др. факторов. Сополимеризация – полимеризация мономеров различного типа. Она позволяет получать полимерные материалы с заданными свойствами, т. к. сополимер в той или иной степени сочетает достоинства гомополимеров. Таким образом, можно изменять химические, термические, механические и др. свойства в заданном направлении. Поликонденсацией называется процесс получения полимеров в результате взаимодействия мономеров, содержащих две и более функциональных групп. Этот процесс сопровождается выделением побочных низкомолекулярных продуктов (воды, аммиака, соляной кислоты). По химическому составу различают органические, неорганические и элементоорганические полимеры. К органическим полимерам относят соединения, молекулы которых содержат атомы углерода, водорода, азота, кислорода, серы. Это белки, полиолефины, поливинилхлорид, фенолформальдегидные и эпоксидные смолы. Неорганические полимеры – это соединения, которые не содержат в составе макромолекул атомов углерода. Это соединения на основе серы, кремния, фосфора, и др. неметаллов, таких как кварц, тальк, корунд и др. По характеру строения полимерных цепей различают полимеры линейного, разветвленного, и пространственного (сетчатого, трехмерного) строения. Линейные полимеры наиболее часто используются для получения волокон и пленок. 51 По термическим свойствам различают термореактивные и термопластичные полимеры. Термореактивные полимеры (реактопласты) при нагревании выше определенных температур становятся неплавкими и практически нерастворимыми. Например, фенолформальдегидные и эпоксидные смолы. Термопластичные полимеры (термопласты) обладают свойством многократно переходить при нагревании в состояние расплава. Например, полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид. Полимеры характеризуются эксплуатационными свойствами. Это: фрикционные свойства, износоустойчивость, коррозионная стойкость, ползучесть, старение и др. Этими свойствами определяется область применения тех или иных полимеров. Технологические свойства полимеров: Тпереработки, усадка, удельное давление прессования или литья под давлением, содержание летучих веществ и др. Этими свойствами определяется способ переработки полимеров в изделия и технологический режим. Так, например, реактопласты можно перерабатывать в изделия методом прессования и нельзя литьем под давлением. 13.2. Состав пластмасс Пластическими массами называют материалы, основу которых составляют полимеры, которые в период формования изделий находятся в вязкотекучем или высокоэластическом состоянии, а в процессе эксплуатации в твердом – кристаллическом или стеклообразном. В состав пластмасс входят связующее, наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, красители, отвердители, структурообразователи и др. Связующее является главной составной частью пластмассы. Оно определяет все основные технологические и эксплуатационные свойства пластмасс, их способность формоваться при повышенных температурах и давлении, а также сохранять форму изделия. В качестве связующего применяются синтетические полимеры. Наполнители применяют для получения пластмасс с заданным уровнем потребительских свойств, которые в равной степени зависят как от свойств связующего полимера, так и от количества и вида наполнителя. Введение наполнителей облегчает переработку пластмасс в изделия, способствует устранению усадки и предотвращает образование трещин при формовании изделий. Наполнители бывают твердые, жидкие, газообразные. Наибольшее распространение получили твердые наполнители – порошковые, слоистые и волокнистые. Они придают пластмассам стабильность размеров, повышенную твердость и жесткость, а также электроизоляционные свойства. При введении в пластмассу армирующих волокон или тканей (углеродных, стеклянных) получают материалы с анизотропными свойствами. Порошки металлов придают пластмассам тепло- и электропроводность. В качестве жидких наполнителей применяют минеральные масла (для сохранения слоя смазки на поверхности трения). Газообразные наполнители (порообразователи) применяют для получения газонаполненных пластмасс – пенопластов и поропластов, которые используются в качестве упаковочно-защитного материала. Пластификаторы вводят для придания пластмассам повышенной эластичности, свето- и морозостойкости, снижения хрупкости. 52 Стабилизаторы – это вещества, замедляющие процесс деструкции или старения полимеров. Деструкция приводит к потере гибкости, прочности, снижению эластичности, изменению цвета, растрескиванию. Красители – это тонкоизмельченные минеральные пигменты и органические красители, стойкие к температурам, при которых формуются изделия. При их выборе учитывается способность красителей ускорять или замедлять старение пластмассы. Отвердители вводят в отдельные пластмассы для перевода полимера в процессе формования изделий в неплавкое и нерастворимое состояние. 13.3. Технология получения изделий из пластмасс Все методы переработки делятся на группы: - переработка в высокоэластическом состоянии – формование изделий из подогретых листов и труб пневматическими методами (вакуумным формованием, раздуванием) и горячим штампованием; - переработка в вязкотекучем состоянии – формование изделий из литьевых и прессовочных композиций литьем под давлением, экструзией, каландрированием, горячим прессованием; - переработка в твердом состоянии – механическая обработка на станках; - химическое формование – изготовление изделий непосредственно из жидкого мономера в плоских формах; – другие методы – склеивание, пламенное напыление. Выбор метода переработки обусловлен конструкцией изделия и характером изменений пластмассы при нагреве. Термопласты (обратимые пластмассы) могут быть переработаны любым методом пластической деформации, а термореактивные пластмассы (необратимые пластмассы) – в основном методом горячего прессования. Изделия из пластмасс наиболее часто получают методами горячего прессования, литья под давлением, экструзии, выдувания, обработки резанием. Литье под давлением – один из современных способов переработки в вязкотекучем состоянии. Современные предприятия оснащены высокопроизводительными полуавтоматическими или автоматическими литьевыми машинами, которые позволяют отливать изделия весом от 10 г до 100 кг. Цикл изготовления одного изделия составляет 20–60 с. Технология состоит в следующем: термопластичный материал в виде порошка или гранул загружается через бункер в нагретый цилиндр разогретой машины. Там он разогревается до вязкотекучего состояния и плунжером передавливается через литник в холодную форму, охлаждается и приобретает форму изделия. Этим методом получают изделия сложной формы, высокой чистоты и точности. Экструзия – частный случай литья под давлением – непрерывный процесс получения профильных изделий путем выдавливания разогретого полимера через сопло, имеющее различные профили. Прессование применяется для переработки термореактивных пластмасс. Полимер в виде порошка или таблетки загружается в нагретую до 130–190 °С металлическую форму и прессуется под давлением. Процесс прессования протекает в две стадии: вначале при нагреве до 100 – 120 °С термореактивная смола переводится в плавкое состояние, при котором происходит вторая стадия процесса формования, затем происходит реакция поликонденсации и пластмасса отверждается. 53 13.4 Основные направления технологического прогресса в химической промышленности Как следует из экономической теории, – это эволюционный и революционный пути технологического развития. Эволюционная форма развития предполагает постепенное развитие и изменение техники и технологии. Революционная форма развития – качественный скачок, переход к новому типу средств труда. Планировать целесообразно технические преобразования эволюционного типа, так как революционные изменения не могут быть выполнены по приказу. При увеличении уровня технологии за счет более умелого использования факторов затрат может быть обеспечен рост объема выпуска. Снижению себестоимости способствуют увеличение мощности установки, увеличение производитель-ности труда, уменьшение затрат на сырье, материалы, энергию. Поэтому основные тенденции технологического прогресса в химической промышленности направлены, в первую очередь, на улучшение следующих показателей: 1. Увеличение масштабов аппаратов. Обеспечивает повышение мощности. 2. Интенсификация работы аппаратов. Необходима для совершенствования и улучшения режимов работы аппаратов, связана с реконструкцией и модернизацией производства. Обеспечивает увеличение производительности труда. 3. Механизация трудоемких процессов. Увеличивает производительность труда. 4. Автоматизация и дистанционное управление процессами. Повышает уровень технологии, т. к. увеличивает производительность труда и улучшает качество продукции и условия труда. 5. Замена периодических процессов непрерывными или комбинированными. Обеспечивает повышение мощности установок. 6. Использование теплоты реакции. Приводит к созданию энергосберегающих технологических процессов, основанных на рекуперации энергии. 7. Создание безотходных производств. Приводит к созданию ресурсосберегающих технологических процессов, в которых уменьшаются затраты на сырье и материалы. 8. Применение прогрессивных химико-технологических процессов. К ним относятся плазмохимические процессы, фотохимические реакции, радиационнохимические процессы и биотехнологии. 54 ГЛАВА 14. ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ 14.1 Основные понятия биотехнологии Биотехнология – использование биологических процессов для целей медицины, промышленности или производства. Биотехнология представляет собой совокупность промышленных методов, в которых используются живые организмы и биологические процессы для производства различных продуктов или моделируются процессы, протекающие в живой клетке. Современная биотехнология – это новый этап синтеза современных биологических знаний и технологического опыта. Она возникла на стыке различных направлений – микробиологии, биохимии, биофизики, генетики – и базируется на фундаментальных исследованиях в этих областях. Биотехнология стала одним из факторов развития общественного производства. Это многопрофильная и комплексная отрасль народного хозяйства, включающая в себя промышленную биотехнологию (микробиологический синтез), генетическую клеточную и белковую инженерию. Промышленная биотехнология – это промышленное получение веществ с помощью микроорганизмов. Она производит сотни тысяч тонн кормовых дрожжей и пищевых белков, тысячи тонн аминокислот, биологических средств защиты растений; ферменты, витамины, антибиотики, этанол (этиловый спирт), органические кислоты (например, лимонную, изолимонную, уксусную и др.), регуляторы роста растений, многие пестициды, лечебные и иммунные препараты для человека и животных. Генетическая инженерия – научное направление биотехнологии, которая позволяет создавать искусственные генетические структуры. Это делается путем целенаправленного воздействия на молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота – 4 м в одной клетке человека) – носители наследственности. Генетическая инженерия позволяет получать ферменты, аминокислоты, стимуляторы иммунитета, исправлять наследственные заболевания у человека. Стимуляторы регенерации тканей можно использовать при лечении ран, ожогов, переломов. Клонирование – расщепление и смешение генов. Клеточная инженерия – позволяет создавать необходимые организму вещества, выводить гибридные сорта овощей и фруктов, ягод, продвигать развитие иммунологии. Иммунология – это изучение иммунитета и всех механизмов иммунных систем, созданных организмом для своей защиты. Сюда относятся такие родственные явления, как аллергические реакции, отторжение трансплантированных органов и аутоиммунные заболевания (вызываются выработкой в теле человека антител, поражающих собственные ткани человека). Иммунитет – это способность человеческого организма сопротивляться болезнетворным микроорганизмам. Может быть приобретен естественным путем, как, например, от инфекций, которые стимулируют организм к выработке защитных антител (новорожденный младенец имеет некоторые антитела от матери). Также может быть получен путем иммунизации. Система, при помощи которой организм защищается от болезней, называется иммунной системой. Она включает разные виды лейкоцитов крови, лимфу и костный мозг. Некоторые клетки ИС вырабатывают антитела против попавших в организм 55 микробов и всяких чужеродных веществ, а также нейтрализует токсины, вырабатываемые патогенными организмами. Другой тип клеток – Т-клетки – обеспечивают целый ряд других функций иммунной системы. Белковая инженерия (инженерная энзимология) – наука, разрабатывающая основы создания высокоэффективных ферментов для промышленного использования с целью снижения энергоемкости и материалоемкости технологических процессов. Ферменты широко применяются при производстве сахара для диабетиков, некоторых гормональных препаратов, при производстве тканей, кож, бумаги, для получения крахмала, улучшения качества молока и пр. 14.2. Сырьевая база и отдельные примеры биотехнологических процессов Биологические процессы связаны либо с использованием живых микроорганизмов для переработки сырья в готовую продукцию, либо с реализацией в искусственных условиях производства процессов, протекающих в живой клетке. Достоинством биологических процессов является то, что они используют возобновляемое сырье (биомассу). Это злаки, овощи и фрукты – натуральные продукты, производимые в сельском хозяйстве. Процессы протекают, как правило, в естественных условиях – при комнатной температуре и нормальном давлении. К важнейшим процессам биотехнологии относятся брожение (ферментация), микробиологический синтез (промышленная биотехнология), термическая обработка и др. Новые же направления физико-химической биологии, получившие развитие во второй половине XX в., значительно расширили возможности процессов биотехнологии, особенно генной и клеточной инженерии. Последняя получила распространение в сельскохозяйственном производстве при выведении, например, безвирусных растений, получении кормов и т. п. Брожение (ферментация) – процесс расщепления органических веществ (преимущественно углеводов) на более простые соединения под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. Известны различные типы брожения. Они классифицируются или по субстратам, которые подвергаются разложению (например, пектиновое брожение клетчатки и др.), или по конечным продуктам: спиртовое, молочнокислое, пропионовокислое, метановое брожение и др., протекающие в основном, без доступа кислорода (анаэробно). Одним из основных субстратов многих типов брожения служат углеводы, которые многостадийно расщепляются под действием ферментов в анаэробных условиях. Такова начальная стадия многих типов брожения. Далее процессы ферментации протекают уже различно. Спиртовое брожение для промышленного получения этила из зерна ржи осуществляется с помощью дрожжей ряда Saccharomyces и бактерий ряда Zimmonas. Спиртовое брожение применяется для получения алкогольных напитков, в виноделии, пивоварении и при подготовке теста в хлебопекарной промышленности. Молочнокислое брожение вызывается бактериями Lactobacillus и Streptococcus. Этот процесс имеет большое значение для получения различных молочных продуктов (кефира и простокваши), при квашении овощей, силосовании кормов для животных. 56 Для изготовления твердых сыров в молочной промышленности используется пропионовокислое брожение, которое протекает под действием пропионовокислых бактерий. Маслянокислое брожение является причиной порчи пищевых продуктов –. вспучивания банок с консервами или твердых сыров. Метановое брожение приводит к разложению сложных веществ, например, целлюлозы до углекислого газа, метана и др. простых веществ. В народном хозяйстве оно широко используется для очистки промышленных и бытовых сточных вод. В природе метановое брожение наблюдается в заболоченных водоемах. 57 ГЛАВА 15. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ Строительное производство (СП) является отраслью материального производства, которая выполняет строительство, капитальный ремонт и реконструкцию зданий и сооружений. Оно играет значительную роль в повышении технического уровня общественного производства, так как создает недвижимые основные фонды. Проектирование и строительство во всех отраслях народного хозяйства регламентируется СНБ – Строительными нормами Беларуси, которые содержат основные нормативные требования и правила. Промышленность строительных материалов производит разнообразные строительные материалы и сборные железобетонные конструкции, определяя, тем самым, успешное развитие жилищного, промышленного, гидротехнического и др. видов строительства. Суммарная стоимость строительных материалов достаточно велика и составляет более 50 % от стоимости всех строительно-монтажных работ. Экономичное применение материалов и их целесообразное использование позволяет значительно снизить стоимость строительства. 15.1 Классификация и свойства строительных материалов и изделий Большое количество наименований строительных материалов можно представить в виде системных классификаций: по производственному назначению строительных материалов, по виду исходного сырья или др. признакам. По применению в строительстве, т. е. по производственному назначению, различают конструкционные материалы (материалы для стеновых конструкций), вяжущие, отделочные, теплоизоляционные, звукоизоляционные, кровельные, материалы для полов, остекления и др. По виду исходного сырья и технологии получения материалов выделяют: • естественные каменные материалы; • строительную керамику; • вяжущие вещества; • безобжиговые каменные материалы; • строительные растворы и бетоны; • стекло. Природные или естественные строительные материалы и изделия получают непосредственно из недр земли или путем переработки. Так, например, лесные материалы перерабатывают в так называемый деловой лес или деловую древесину. Это, в частности, доски, брусья, балки и др. Из известняков, гипса, гранита получают различные отделочные материалы. По природе различают минеральные и органические строительные материалы. Органические строительные материалы в большинстве случаев не обладают достаточной прочностью и огнестойкостью. Их используют в качестве теплоизоляционных, отделочных, гидроизоляционных материалов. Технические требования к материалам и строительным деталям приводятся в соответствующих стандартах или технических условиях. Соблюдение требований стандартов позволяет обеспечить высокое качество, сохранность и лучшее использование строительных материалов. Основные свойства строительных материалов 58 При проектировании и возведении зданий строительные материалы выбирают в зависимости от назначения здания, особенностей его конструкции, условий эксплуатации. Качество строительных материалов зависит от их физических и механических свойств, свойств по отношению к действию воды, растворов и тепла. Физические свойства строительных материалов характеризуются удельной и объемной массой материала, плотностью и пористостью. Удельная масса материала (истинная плотность) – физическая величина, за которую принимают массу единицы объема абсолютно плотного материала: ρ = m / V, где m – масса материала, кг, г; V – объем материала в плотном состоянии, 3 3 м , см . Объемная масса материала (средняя плотность) – физическая величина, определяемая отношением массы материала ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем пустоты и поры: ρm = m / Vo, где m – масса материала, кг, г; Vo – объем материала с учетом пустот и пор, 3 3 м , см . Объемная масса большинства материалов меньше его удельной массы, например, для глиняного кирпича ρm=1,7 г/см3, в то время как ρ=2,5 г/см3. Плотность материала – это степень заполнения его объема тем веществом, из которого состоит материал. Почти у всех строительных материалов плотность меньше 100 %, из-за наличия в них пор. Под пористостью материала понимают степень заполнения его объема порами. От величины плотности и пористости зависят такие важные свойства строительных материалов, как прочность, водопоглощение, теплопроводность, акустические свойства, теплопроводность. Свойства по отношению к действию воды и растворов К этой группе свойств относятся водопоглощение, влажность, влагоотдача, водопроницаемость, водостойкость, гигроскопичность. Под влажностью материалов, которые не находятся постоянно в воде, понимают массовое содержание воды в них. Влажность всегда ниже полного водопоглощения. Этим термином определяют способность материала поглощать и удерживать влагу при непосредственном соприкосновении с ней. Водопоглощение: W = 100 % ⋅ (m2 − m1 ) / m1 , m2 – масса образца, насыщенного водой; m1 – масса сухого образца. где Влагоотдача – это способность материала выделять воду при наличии соответствующих условий в окружающей среде. Например, при понижении влажности, повышении Т, движении воздуха. Влагоотдачу выражают скоростью высыхания материалов, т. е. количеством воды, которое теряется за одни сутки при Т=20 °С и влажности воздуха 60 %. Водопроницаемость – это способность материала пропускать воду под давлением. Характеристикой водопроницаемости служит количество воды в граммах, которое проходит в течение 1 часа через 1 см2 поверхности материала при постоянном 59 давлении. Давление устанавливается стандартом в зависимости от вида материала. Это характеристика определяется для гидроизоляционных и кровельных материалов. Гигроскопичностью называют способность материала поглощать влагу из влажного воздуха или паровоздушной смеси. Характеристикой гигроскопичности является величина отношения массы поглощенной влаги при относительной влажности воздуха 100 % и Т=20 °С к массе сухого материала. Водостойкость – это способность материала сохранять в той или иной мере свои прочностные свойства при увлажнении. Она характеризуется коэффициентом размягчения, который определяется как отношение прочностей насыщенного водой и сухого материалов при сжатии. Если коэффициент больше 0,8, материал считается водостойким. Это, например, бетон, цемент, асбест, строительные растворы. Строительные материалы находятся в условиях резких перепадов температуры. Они могут снижать свою прочность вследствии возможного возникновения микротрещин и разрушения структуры. Способность материала, насыщенного водой, выдерживать переменное многократное замораживание и оттаивание без видимых признаков разрушения в пределах допустимого понижения прочности называется морозостойкостью. Морозостойкими считаются те материалы, которые после установленного для них числа циклов замораживания и оттаивания, не имеют выкрашиваний, трещин, расслаиваний и не теряют в массе более 5 %. Прочность образцов при этом не должна понижаться более чем на 25 %. Свойства по отношению к действию тепла К этой группе свойств относятся теплопроводность, теплостойкость, огнестойкость, термостойкость. Теплопроводность – это способность материала передавать тепло через свою толщу при наличии разности температур на его поверхностях. Она зависит от характера пор, вида материала, его пористости, влажности и средней температуре, при которой происходит передача тепла. Это свойство изменяется при увеличении влажности материала, увеличении размера пор и их сообщаемости. Теплоемкость характеризует способность материала поглощать теплоту при нагревании. Огнестойкость характеризует способность строительных материалов выдерживать без разрушения воздействие высоких температур в течение сравнительно короткого промежутка времени. Термостойкость – это способность материала выдерживать длительное чередование резких температурных перепадов, от плюсовых к минусовым температурам. Этот показатель зависит в основном от однородности материала и его природы. Механические свойства: прочность, твердость, истираемость, хрупкость, пластичность, упругость. Прочностью называют способность материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих в теле под нагрузкой, при изменении температуры, под влиянием атмосферных осадков и др. факторов. Наиболее важным свойством строительных материалов является прочность на сжатие и на изгиб. Твердость – это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела. Истираемость – это уменьшение линейных размеров тела под действием сил трения. Упругость – это способность материала к обратимым 60 деформациям. Упругими являются стальные конструкции, менее упруги бетонные и каменные материалы. Все строительные материалы отличаются низкой упругостью. 15.2. Основы технологии керамических изделий Керамические материалы Керамическими называют искусственные каменные материалы и изделия, получаемые обжигом сырца, отформованного из глинистых пород. Достоинствами этих материалов является доступность сырья, возможность придавать изделиям любую форму, химическую стойкость, прочность, долговечность и др. Однако на обжиг требуется большой расход энергии, а изделия имеют высокую хрупкость. В зависимости от области применения в строительстве различают следующие виды керамических материалов: • стеновые (кирпичи, камни керамические, стеновые блоки); • кровельные (черепица); • для полов (плитки); • облицовочные (лицевые кирпичи, камни, керамические граниты, плитки); • теплоизоляционные (керамзит, пенокерамические блоки, пенокерамические кирпичи); • санитарно-техническое оборудование. Сырье для производства керамических материалов Основным сырьем для производства керамических материалов являются глинистые породы, а также добавки, уменьшающие усадку при сушке и при обжиге. Это шлам, кварц, а также выгорающие добавки (древесные опилки, угольная пыль). В производстве каменных керамических изделий (керамические граниты) используют тугоплавкие и огнеупорные глины. В виде наполнителя применяют природные материалы (гранит, базальт и др.). Технология производства строительной керамики состоит из следующих операций: подготовка сырья, формование изделий, сушка отформованных изделий, обжиг, глазурирование, декорирование или полирование. Подготовку сырья проводят сухим или мокрым способом. При сухом способе сырьевые материалы высушивают при температуре 100–110 оС до полного удаления влаги, затем измельчают на дробилках, тщательно перемешивают и увлажняют до получения однородной массы формовочной влажности и отправляют на вылеживание. При мокром помоле сырьевые компоненты после дозирования подвергают тонкому помолу с последующим обезвоживанием до получения необходимой влажности и также вылеживают. Формование строительной керамики производят методами литья, выдавливанием ( экструзией), штампованием и прессованием. Шликерное литье – основной способ формования санитарно-технического оборудования. Причем применяют наливное литье под давлением, чтобы не образовывались пустоты в стенках изделия. Формование способом выдавливания применяется для производства кирпичей, черепицы и др. изделий в основном вытянутой формы. Производится на вакуумных прессах, где керамическая масса, перемещаемая внутри пресса шнеком, усредняется и 61 уплотняется, затем формуется продавливанием через мундштук в виде бруса, который разрезается затем на отдельные изделия. Формование способом штамповки производят из керамических масс влажностью 18–20 % в металлических формах при небольшом давлении. Так формуют кирпич, плоскую черепицу. Полусухим прессованием называют процесс уплотнения порошкообразной массы в металлических формах под действием внешнего давления. Пресс–порошок должен обладать хорошей сыпучестью для быстрого заполнения формы и содержать мало воздуха. Этим способом формуют изделия простой формы: кирпичи, керамические плитки. В этом случае сушка становится ненужной или значительно упрощается. Сушку изделий проводят в сушилках периодического или непрерывного действия. На современных автоматизированных линиях сушка строительной керамики совмещается с обжигом. Обжиг – наиболее ответственная часть технологической схемы производства строительной керамики. Различают три периода обжига: прогрев изделий при Т = 100– 650 оС, обжиг Т = 800–1000 оС для спекания массы, охлаждение. Глазуруют облицовочные керамические изделия и санитарно-техническое оборудование. Для этого применяют разнообразные глазури по химическому составу и внешнему виду. Глазури наносят поливом пульверизацией и присыпкой полуфабриката слоем сухого глазурного порошка. Сухие способы нанесения глазурного порошка весьма экономичны и перспективны, но пока распространены лишь в некоторых технологиях изготовления керамических плиток. Санитарно-техническое оборудование допустимо глазуровать в сыром виде поливом и окунанием, а затем однократно обжигать, если выделяющиеся при обжиге газообразные продукты не приводят к появлению дефектов глазури. Сернокислый кобальт и клей дают чистый белый цвет и способствуют укреплению покрытия. Для декорирования облицовочных плиток в современном производстве применяют набрызгивание глазури различных цветов, при этом получают мраморовидное покрытие. 15.3. Основы технологии стекла и изделий из него Стеклом называют материал, полученный расплавлением неорганических материалов с последующим переохлаждением расплава. При повышении температуры стекло постепенно размягчается и переходит в жидкое состояние, а при охлаждении постепенно отвердевает и превращается в твердое тело с присущими ему механическими свойствами. Этот переход является обратимым. Стекло не имеет строго ориентированного расположения частиц, его структура по всем направлениям однородна. В образовании стекла принимают участие: • щелочные оксиды одновалентных металлов, оксиды натрия (Na2O), калия (K2O), лития (Li2O); • оксиды двухвалентных металлов, такие, как кальция (CaO), магния (MgO), цинка (ZnO), свинца (PbO), бария, (BaO); 62 • кислотные оксиды, из которых важнейшим является оксид кремния или кремнезем (Si2O). Его содержание в стекле составляет 72–75 %. Для образования основных видов стекол требуется не менее, чем пять окислов, главными из которых являются Si2O, CaO, Na2O. Добавляя или заменяя один из окислов, можно получать стекла с заданными свойствами. Так, при замене натрия окисью калия, стекло приобретает повышенный блеск и чистый оттенок. При введении в калиево-известковое стекло окислов свинца или бария, получают хрустальное стекло. Таким образом, химический состав стекла меняется в зависимости от требований, предъявляемых к стеклоизделиям, от условий их эксплуатации, а также способа их выработки. Виды стекол Стекла подразделяют по следующим признакам: 1. По назначению стекло может быть: • бытовое – для производства товаров народного потребления; • оптическое – для производства приборов и точной оптики; • химико-лабораторное – для производства химической и лабораторной посуды; • строительное – оконное, витринное, для стен и перегородок. По типу стеклообразователя и особенностям состава выделяют: • силикатные (стеклообразователь Si2O) – бессвинцовое и свинцовое; • боратные (стеклообразователь B2O3); • фосфатные (стеклообразователь P2O5); • смешанные (боросиликатное); • кристаллические – ситалловые и ювелирные. Ситалловые стекла или стеклокерамика – особый вид смешанных стекол кристаллической структуры. Их получают двумя способами. Первый предусматривает варку и кристаллизацию стекла непосредственно в тигле. В результате получают глыбу, которая обрабатывается аналогично природному камню. По второму – изделия получают обычным способом, а затем подвергают термической обработке в печах с целью кристаллизации. Ювелирные стекла. К ним относятся природные и синтетические минералы. К синтетическим ювелирным стеклам относят: • стразы – содержат 40–50 % PbO и молотый горный хрусталь; • фианиты – синтетические алмазы с большим количеством обработанных граней, обеспечивающих высокую игру света; • сапфиры – хрустальные стекла, окрашенные оксидом кобальта; • изумруды – хрустальные стекла, окрашенные оксидами меди и кобальта; • аквамарин – хрустальные стекла, окрашенные оксидами меди; • аметист – хрустальные стекла, окрашенные оксидами марганца; • рубин – хрустальные стекла, окрашенные золотом; • гранат – хрустальные стекла, окрашенные кадмиевым пигментом. Технология стекольного производства Технологический процесс стекольного производства состоит: 2. 63 1) из приготовления шихты; 2) из варки стекла; 3) из изготовления стекольных изделий. 1. Сырьевые материалы для получения стекольных изделий делят на основные, или стеклообразующие, и вспомогательные. К основным материалам относят вещества, обеспечивающие получение необходимых физико-химических свойств. Это – кварцевый песок, борная кислота, сода, поташ, известняк, мел, доломит, оксиды металлов, стекольный бой и др. соединения. Вспомогательные материалы обеспечивают придание готовым изделиям определенного цвета, необходимые условия для получения изделий высокого качества, а также ускорение процессов варки и осветления стекломассы. Это – красители, глушители, осветлители, окислители, восстановители и др. Перед приготовлением шихты исходные материалы промывают, сушат, размалывают и тщательно перемешивают. 2. Варка стекла. Варку стекла производят в печах непрерывного или периодического действия. Процесс варки стекла можно разделить на следующие основные этапы: силикатообразование, стеклообразование, осветление, гомогенизация и охлаждение стекломассы до рабочей вязкости. Силикатообразование – начальный период стеклообразования. Процесс начинается при Т свыше 500 оС и активно протекает при Т = 865–1000 оС. Стеклообразование – процесс взаимного растворения силикатов и образования жидкого прозрачного стекла с воздушными газовыми включениями. Процесс протекает при Т = 1150–1500 . оС. Осветление проводят при Т = 1450–1500 оС для удаления пузырй из стекломассы. Гомогенизация проводится одновременно с осветлением стекломассы. Она выдерживается в спокойном состоянии, выравнивается по химическому составу, освобождается от нитевидных включений. Охлаждение стекломассы. Температура в печи снижается до 200–300 оС. Стекломассу охлаждают до состояния, при котором из нее можно формовать изделия. 3. Изготовление стекольных изделий производят формованием ручным или машинным способом. Ручным способом изготавливают сложные высокохудожественные изделия. Машинным способом получают изделия простой формы, в том числе некоторые предметы стеклянной бытовой посуды. Оборудование – стеклоформующие автоматы. 15.4. Основы технологии минеральных вяжущих веществ (цемента, извести) Минеральными вяжущими веществами называются минеральные вяжущие порошки, которые при смешивании их с водой или водными растворами солей образуют пластичную массу, способную со временем затвердевать на воздухе и превращаться в камнеобразное состояние. Минеральные вяжущие вещества делятся на две группы: воздушные и гидравлические. 1. Воздушные вяжущие вещества твердеют и длительно сохраняют свою прочность только на воздухе. К ним относят воздушную известь, строительный гипс, магнезиальные вяжущие вещества. Воздушную известь получают из различных природных минералов – известняков, доломита, мела, ракушечника путем их обжига при Т = 1100–1000 оС. Например, при обжиге известняка получают комовую известь, в которой активным 64 действующим веществом является CaO. При реакции с водой она превращается в известь-пушонку, если гашение производится молярным количеством воды. При гашении извести избыточным количеством, воды требуется в 2–3 раза больше, при этом получают так называемое известковое тесто. Твердеет известь достаточно медленно, при этом происходит два процесса: 1) вначале испаряется влага и образуются кристаллы Са(ОН)2, которые срастаются и образуют камневидное тело. Этот процесс называется гидратным твердением; 2) при более длительных процессах строительные растворы на основе извести под влиянием воды и углекислоты воздуха постепенно теряют свои вяжущие свойства. Происходит реакция Са(ОН)2 с углекислым газом воздуха и образуется CaCO3. Таким образом, хранить и транспортировать комовую известь и известь-пушонку необходимо в таре и крытых вагонах, предохранять от соприкосновения с водой и воздухом. Хранится негашеная известь не более 15 дней со дня ее приготовления в герметичной таре. Применяют воздушную известь для производства силикатного кирпича, силикатных бетонов, а также для крепления строительных отделочных растворов и растворов для каменной кладки в наземных сооружениях. Гипсовые вяжущие – строительный гипс и высокопрочный гипс. Строительный гипс получают из природного гипса обжигом при Т = 120–180 оС. Его применяют для изготовления стеновых панелей, плит для внутренних перегородок зданий, для сухой штукатурки. Высокопрочный гипс получают путем обработки природного гипса в автоклавах под давлением до 1,5 атмосфер и Т = 125 оС. Этот гипс имеет прочность в 2–3 раза больше строительного. Прочность на сжатие достигается на 7-й день твердения. Магнезиальные вяжущие вещества служат для изготовления различных растворов и бетонов. Активным действующим веществом в них является MgO. Твердеют магнезиальные вяжущие вещества при затворении их водными растворами солей MgCl2 и MgSO4. Различают два вида этих веществ – акаустический доломит и каустический магнезит. 2. Гидравлические вяжущие вещества твердеют на воздухе и длительно сохраняют свою прочность, в том числе и в воде. К ним относятся портландцемент и его разновидности, глиноземистый цемент. Портландцемент получают тонким помолом смеси клинкера с добавлением природного гипса. Клинкер – это продукт обжига до спекания сырьевой смеси из известняка и глины. Технология цемента состоит из двух основных стадий: 1) получение клинкера; 2) тонкий помол клинкера совместно с природным гипсом. Технология производства клинкера наиболее сложный и энергоемкий процесс, который требует больших капитальных вложений и эксплуатационных затрат. Стоимость клинкера составляет 70–80 % от всей стоимости цемента. Технология получения клинкера включает стадии: – добыча сырья; – дробление сырья; – приготовление сырьевой смеси; – обжиг сырьевой смеси. 65 Сырьевую смесь составляют из 75–78 % известняка и 25–22 % глины. В качестве природного сырья для получения портланд-цемента используют природный минерал мергель, который содержит известняк и глину в необходимых соотношениях. Подготовку сырьевой смеси проводят сухим и мокрым способом. Наибольшее распространение получил мокрый способ, при котором сырье дробят, перемешивают в специальных глиноболтушках, а затем подвергают тонкому измельчению в мельницах мокрого помола и получают шлам. Однако, ввиду необходимости экономии топливноэнергетических ресурсов, цементная промышленность переориентирована на сухой способ производства. Обжиг шлама производят во вращающихся длинных печах при Т от 500, 800– 900, 1000–1300, 1450 оС. Тонкий помол клинкера. После охлаждения клинкер направляют в шаровую мельницу, куда добавляется 1,5–3,5 % природного гипса для регулирования сроков схватывания. 15.5. Специальные виды портландцемента и их технико-экономические показатели В настоящее время применяется свыше 30 видов и разновидностей цемента. Специальные виды портландцемента: пластифицирован-ный, гидрофобный, сульфатостойкий, тампонажный, быстротвер-деющий, белый и цветной. Пластифицированный цемент – бетон на его основе имеет большую морозостойкость. Гидрофобный цемент – бетон на его основе имеет пониженную гигроскопичность, однако прочность его ниже. Сульфатостойкий цемент применяют для гидротехничес-ких сооружений, подвергающихся действию минерализованных вод с сульфатной агрессией. Тампонажный применяют для заливки нефтяных и газовых скважин, имеет высокую прочность уже на начальных стадиях твердения. Быстротвердеющий применяется для изготовления сборного железобетона, а также для квартирных работ. Его прочность быстро нарастает в начальный период твердения. Белый и цветной – служат для отделочных работ. Технико-экономические показатели цемента В стоимостном выражении затраты на материалы для получения бетонной смеси составляют 60 %. Расход цемента на 1 м3 бетона составляет 300–350 кг. Себестоимость цемента зависит от вида исходного сырья, топлива, техпроцесса и объема производства. Наиболее трудоемкими процессами являются добыча, транспортировка и подготовка сырьевой смеси и занимают они 30 % всех рабочих предприятия. Себестоимость цемента снижается, если в качестве сырья используются металлургические и топливные шлаки. Расход топлива на лучших предприятиях составляет 230–240 кг на 1 т цемента, а из общего количества потребляемой электроэнергии 40 % расходуется на помол клинкера. Затраты на амортизацию составляют 13 %. На качество цемента большое влияние оказывают условия и продолжительность его хранения. Хранение в благоприятных условиях (сухое и проветриваемое помеще66 ние) в течение трех месяцев снижает его активность на 10 %, а в течение года – на 35– 40 %. 15.6. Получение бетона Бетоном называется искусственный камень, полученный в результате твердения смеси, состоящей из вяжущего вещества, воды и наполнителей. В качестве заполнителей используют песок, щебень или гравий. Смесь этих материалов до затвердения называется бетонной смесью. Легкие бетоны производят на пористых заполнителях: керамзите, пемзе, туфе, вспученном шлаке и др. Особо легкие ячеистые бетоны содержат в качестве заполнителя воздух. Вяжущее вещество является главной составляющей бетона, от которого зависят его свойства. Больше всего применяются бетоны на основе портландцемента, они составляют 60 % от общего объема производства. Бетоны классифицируют: – по объемному весу – особо тяжелые (2500 кг/м3), тяжелые (1800 кг/м3), легкие (500 кг/м3); – по виду вяжущего вещества – цементные, силикатные, гипсовые; – по показателям прочности на сжатие – тяжелые марок 100–600, легкие марок 25–300, плотные силикатные марок 100–400. При получении бетона марка цемента по прочности должна быть в 1,5–2 раза выше проектируемой марки бетонного изделия, это позволяет экономить расход цемента; – по назначению: • обычный – для бетонных несущих конструкций; • гидротехнический – для плотин, шлюзов; облицовки каналов; • бетон для полов и дорожных покрытий; • бетон специального назначения (кислотоупорный, жароупорный, особотяжелый для биологической защиты). Основные технологические операции приготовления бетонной смеси: 1. Дозирование исходных материалов. 2. Перемешивание исходных материалов. Бетонную смесь приготавливают как в условиях строительной площадки, так и на заводах в бетоносмесительных установках. Материалы дозируют дозаторами периодического или непрерывного действия, которые бывают объемные или весовые. Состав бетонной смеси выражают в виде весового соотношения между количеством цемента, песка, щебня с указанием водоцементного соотношения. Сырьевые материалы дозируются по массе на 1 м3 уложенной и уплотненной смеси, например, соотношение компонентов (кг) в бетонной смеси показано в табл. 2: Таблица 2 Состав бетонной смеси Цемент Песок Щебень Вода Итого 280 700 1250 170 2400 Перемешивают бетонную смесь в бетономешалках периодического или непрерывного действия. Однократное перемешивание длится 3 мин, его объем – 0,8 м3. Процессы дозирования составляющих, перемешивания и выгрузки полностью компьютеризированы. Распечатка сопроводительной документации содержит сведения о 67 марке цемента, данные о продукции, времени доставки, адрес и маршрут движения автобетоновоза. Один автобетоновоз перевозит в год примерно 5 тыс. кубометров бетонной смеси. Транспортировка производится на расстояния не более 20 км. Бетон набирает прочность постепенно по мере твердения цементного камня. Оптимальная температура твердения Т = 20 оС, при относительной влажности 90– 100 %. В процессе твердения должен быть организован уход за бетоном, т. е. обеспечение оптимальных условий. 15.7. Применение железобетона Бетон, как и любой каменный материал, плохо работает на изгиб, поэтому его армируют стальной арматурой. Бетон в сочетании с железной арматурой называется железобетоном. Он имеет высокую прочность при сжатии, растяжении и изгибе. По влиянию на развитие мировой цивилизации, изобретение бетона и железобетона можно ставить в ряд наиболее выдающихся открытий. Из монолитного железобетона выполняют несущие конструкции промышленных зданий, элеваторы, бункеры, емкости и подземные сооружения. Железобетонные конструкции широко применяются для перекрытий, покрытий, стен промышленных, жилых и общественных зданий, в транспортном, мелиоративном, гидротехническом и др. строительстве. В Республике Беларусь около 80 % общего объема выпуска сборного железобетона составляют различные виды плоских и линейных конструкций (стеновые панели, плиты перекрытий и кровли, перегородки, площадки и т. д.); около 20 % – мостовые конструкции, опоры ЛЭП, шпалы, трубы, фундаменты и т. д. В жилищном строительстве сборный железобетон применяют для строительства крупнопанельных зданий высотой до 16 этажей. При строительстве более высоких зданий рекомендуется использовать легкие и ячеистые бетоны для ограждающих конструкций, плит перекрытий и покрытий, лестниц и др. элементов. Производство сборного железобетона расширяется, так как в стационарных условиях легче обеспечить: • высокое качество изделий; • применение новых полимерных материалов; • разнообразие видов изделий и вариантов их архитектурной отделки; • массовое применение средств механизации и автоматизации. 68 ГЛАВА 16. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА НА СОВРЕМЕННОЕ ОБЩЕСТВО При переходе к рыночной экономике конкуренция заставляет предприятия использовать последние научно-технические достижения в процессе производства продукции. Освоение принципиально новых технологий – это предпосылка эффективного использования новых средств и предметов труда. Таким образом, роль технологии служит определяющим фактором повышения качества выпускаемых изделий в достижении максимальной прибыли. Так как предприятие отвечает за результаты своей деятельности своим капиталом, то оно стремится совершенствовать, развивать свои технологии, чтобы повысить эффективность производства. Это способствует наращиванию выпуска конкурентоспособных изделий на основе наукоемких, ресурсосберегающих и экологически безопасных техпроцессов. Технологическое развитие производства основано на НТП. 16.1. Сущность технологического прогресса НТП – это процесс совершенствования материальной базы и продуктов производства на основе создания и внедрения результатов научно-исследовательских разработок. Цели НТП: • лучшее и полное удовлетворение общественных потребностей; • экономия рабочего времени; • всестороннее развитие личности работников. Задачи НТП: • совершенствование производства в целом; • совершенствование форм и методов управления; • совершенствование хозяйственного механизма; • совершенствование работников как главной производственной силы. Историческое развитие НТП может происходить эволюционным или революционным путем, или их попеременным чередованием на отдельных стадиях развития. Эволюционная форма развития предполагает постепенное развитие и изменение техники и технологии. Революционная форма развития – качественный скачок, переход к новому типу средств труда – научно-техническая революция. Одним из составляющих ее этапов является технологическая революция. Нынешний этап НТП получил название информационно-технологической революции. Для него характерны следующие особенности: 1) развитие новейших наукоемких отраслей – в наукоемких отраслях экономики до 40 % занятых связано не непосредственно с производством, а с его подготовкой, обеспечением, контролем; 2) модернизация базисных отраслей экономики – металлургии, химической промышленности, машиностроения. Не создание новых мощностей, а модернизация и реконструкция действующих производств; 3) развитие экономики происходит в условиях дефицита – исчерпания топливноэнергетических ресурсов; 69 4) нависла угроза необратимого изменения окружающей среды – Чернобыльская катастрофа, разливы нефти танкером, утечка фенола в Амур и т. д.; 5) большое влияние политического фактора и неодинакового уровня экономического развития в разных странах. Терроризм заставляет тратить большие деньги на борьбу с ним и на ликвидацию последствий террактов. Технологическая революция связана с переходом от преимущественно механической обработки предметов труда к комплексному использованию физических, химических и биологических процессов. Технология определяет не только порядок выполнения операций, но и выбор предметов труда и средств воздействия на них, оснащение производства оборудованием, инструментом, средствами контроля и т.д. 16.2. Основные направления и перспективы научно-технологического развития Освоение принципиально новых технологий – это предпосылка эффективного использования новых средств и предметов труда. Во-первых, это переход от дискретных многооперационных процессов к малооперационным и непрерывным процессам. Так, в машиностроении развитие технологий связывается не столько с ростом мощностей и рабочих скоростей, сколько с переходом к обрабатывающим центрам и агрегатным станкам. В них несколько исполнительных органов объединены для одновременного выполнения основных операций по заданной программе при сокращении вспомогательных и транспортных операций. Во-вторых, механическая обработка предметов труда уступает место непрерывным физико-химическим и биологическим процессам. Добыча полезных ископаемых на основе биотехнологии, ультразвуковая обработка, порошковая металлургия, получение готовых изделий методами точной пластической деформации, применение прогрессивных способов литья заготовок. В третьих, начинается переход к замкнутым технологическим схемам с полной переработкой полупродуктов (безотходная технология). В четвертых, в технологических процессах все чаще используются экстремальные условия воздействия – сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, глубокий вакуум, электроимпульсные разряды, ядерные излучения (радиационная модификация полимеров, плазменная технология напыления и наплавления твердых порошковых сплавов). В пятых, новые техпроцессы связаны с использованием электроэнергии для обработки предметов труда – электрохимические, электрофизические и лазерные технологии. В шестых, новейшие технологии (лазеры, ультразвук) имеют межотраслевой характер, например, они применяются в медицине и машиностроении. Поскольку уровень технологического развития определяет уровень благосостояния общества, выделяются приоритетные направления НТП, ускоренное развитие которых является определяющим фактором достижения наивысшего уровня научно-технического развития. 70 ГЛАВА 17. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ 17.1. Сущность и виды обработки материалов давлением В технологии машиностроения под обработкой металлов давлением понимаются различные технологические процессы получения заготовок, полуфабрикатов и готовых изделий пластическим формованием металла в холодном и горячем состоянии. К обработке металлов давлением относятся процессы прокатки, волочения, прессования, свободной ковки, горячей и холодной штамповки. Большинство процессов обработки металлов давлением отличается высокой производительностью, небольшими отходами, а также возможностью значительного улучшения физико-механических свойств деформируемого металла. 17.2. Производство металлоизделий прокаткой Металлопрокат преимущественно выпускают металлургические заводы. Однако прокатка металлоизделий в последние годы широко применяется и на машиностроительных и приборостроительных предприятиях, так как является прогрессивным способом металлообработки. 80 % всех выплавляемых сталей и около 50 % цветных металлов прокатывается. Сортамент прокатных изделий очень разнообразен: листы, сортовой прокат (профили круглого, квадратного, шестигранного сечений, уголок, швеллер, тавр, двутавр, балки), трубы, специальный прокат. Совокупность профилей и их размеров, а также сплавов, из которых изготавливают прокат, называют сортаментом. Исходным материалом для проката служат стальные слитки массой до 25 т. На обжимных прокатных станах получают заготовки квадратного профиля. Их называют блюмы и используют для изготовления сортового проката. Слябы – заготовки прямоугольного профиля, из которых получают листы и полосы. Сущность процесса прокатки заключается в деформации металла между вращающимися валками. Причем, как показано на рис. 17.1, зазор между валками меньше толщины обжимаемой заготовки. Рис. 17.1. Схема валков различных станов: дуо (блюминг); трио (сортовой стан); кварто (листопрокатный стан) 71 Заготовка толщиной Н захватывается вращающимися валками и за счет сил трения втягивается в зазор между ними. При прокатке подвергается пластической деформации не весь объем материала, а лишь его часть, находящаяся в очаге деформации. Это позволяет обрабатывать большие массы материала при оптимальных энергозатратах и размерах оборудования, производить обработку с огромными скоростями (скорость выхода заготовки из валков может достигать 100 м/с), обеспечивать высокую точность получаемых изделий при минимальном износе инструмента. Различают три основных способа прокатки: продольная, поперечная и винтовая. Каждый из них можно производить при нагреве обрабатываемых заготовок (горячая) и без нагрева (холодная прокатка). Продольная прокатка (дуо) наиболее распространена и, как правило, предшествует остальным способам. После прокатывания толщина заготовки уменьшается до величины h. Разность (H–h) между начальным Н и конечным h размерами называется абсолютным обжатием, а отношение – называется степенью обжатия (деформации) или относительным обжатием. Обычно, величина относительного обжатия за один проход не превышает даже для горячего металла 70– 80 %, поэтому получение окончательного профиля достигают многократным прокатыванием заготовки между валками при постепенном уменьшении зазора между ними. При каждом пропуске площадь поперечного сечения постепенно уменьшается, а его форма и размеры приближаются к требуемому профилю. Различают прокат горячекатаный и холоднокатаный. Если при пластической деформации успевает проходить рекристаллизация (во время нагрева), то такая деформации называется горячей. Обработка металлов давлением в условиях, при которых рекристаллизация не успевает произойти, называется холодной, и металл упрочняется. Холодной прокаткой получают изделия, у которых площади поперечного сечения относительно небольшие (тонкие листы, тонкостенные трубы и т. д.). Холодная прокатка отличается высокой точностью геометрических размеров металлоизделий и соответствующим качеством поверхностей. Технологический процесс прокатки Технологический процесс прокатки включает в себя следующие операции: • подготовка заготовки к деформации; • нагрев заготовки (800–1250 оС); • многократная деформация в прокатных валках; • резка проката на мерные длины; • охлаждение и термообработка; • правка; • отделка; • контроль качества; • упаковка. Прокатка нагретой заготовки обеспечивает высокое качество проката, минимальный расход энергии, увеличивает обжатие за проход, сокращает аварийные остановки оборудования. Основным деформирующим инструментом прокатки металлоизделий являются прокатные валки. Они работают в условиях высоких нагрузок, температур и 72 трения скольжения. Валки изготавливают из чугуна, стали и твердых сплавов. Рабочая поверхность валков должна иметь высокую твердость, особенно при холодной прокатке. Диаметр рабочей поверхности валка, в зависимости от назначения прокатного оборудования, может равняться от 1 мм до 1800 мм. Малые диаметры применяют при холодной прокатке изделий из высокопрочных сплавов. Специальное оборудование для прокатки называют прокатным станом, который включает комплекс технологических машин и устройств. Оборудование прокатного стана подразделяют на основное и вспомогательное. Основное оборудование – главная линия прокатного стана – предназначено для прокатки. На вспомогательном оборудовании прокатного стана выполняют операции, которые делят на четыре основные группы: подготовка металла к прокатке; нагрев металла; транспортировка; отделка и контроль. Технико-экономические показатели прокатных станов: производительность (часовая, годовая), число часов работы стана в год, расход металла (выход годного %), расходный коэффициент, расход электроэнергии на тонну проката (кВт/т), расход топлива (кДж/т), расход воды (м3/т), расход технологической смазки (кг/т), расход валков (кг/т), количество валков прокатной клети, количество прокатных клетей и их расположение в главной линии, диаметр и длина бочки валков, скорость прокатки (м/с). 17.3. Технология и оборудование процессов волочения и прессования Волочением называется процесс обжатия металла при протаскивании заготовки через волоку – инструмент с отверстием, сечение которого меньше исходного сечения заготовки. В результате волочения поперечное сечение заготовки уменьшается, а длина увеличивается. Процесс волочения проводят в холодном состоянии заготовки и используется для получения тонкой проволоки (от 4 мм до 0,002 мм), калиброванных прутков различного профиля и тонкостенных труб. Изделия имеют точные размеры, заданную геометрическую форму и чистую гладкую поверхность. Заготовками для волочения служит прокат (катаная проволока, прутки, трубы), а также прессованные профили (прутки, трубы). Для придания изделиям окончательного размера заготовку волочат через несколько последовательно расположенных волок, так как величина обжатия за один проход сравнительно невелика. Волока (фильер) представляет собой кольцо. Материал волоки выбирается в зависимости от твердости обрабатываемого металла (технический алмаз, металлокерамический сплав или инструментальная сталь). Технологический процесс волочения состоит из следующих основных стадий: – подготовки металла (очистка от окалины, нанесение смазки и заделка концов); – термообработки материала заготовки – для повышения эластичности; – волочения по определенному режиму; – отделки (удаление дефектов, правка, резка на мерные длины, маркировка, консервационная смазка). Оборудованием для волочения служат волочильные станы двух основных типов: с прямолинейным движением протягиваемых изделий (приводные) и с круговым (барабанные). Различают машины для сухого и мокрого волочения. По 73 количеству одновременно протягиваемых прутков станы бывают однониточные и многониточные. Прессованием называется процесс выдавливания металла через отверстие матрицы, сечение которого меньше площади сечения исходного металла. Форма отверстия соответствует форме готового изделия. Процесс прессования проводят при температурах горячей обработки давлением в условиях высокой пластичности металла. Заготовкой для прессования служит либо слиток, либо прокат круглого сечения. Прессованием изготавливают профили сложной формы, которые показаны на рис. 17.2. Рис. 17.2. Профили прессования Прессованием получают разнообразные профили из специальных сталей, титановых сплавов и других малопластичных материалов, которые не могут быть получены другим способом обработки давлением. Прессование производится на горизонтальных и вертикальных гидравлических прессах. Процесс отличается высокой производительностью, точностью профиля получаемых изделий, простотой замены инструмента (матрицы). К инструменту предъявляются высокие требования, так как он работает в условиях высоких температур и больших нагрузок, его изготавливают из высоколегированных твердых сталей и сплавов. Метод прессования из-за сложности оборудования и высокой стоимости инструмента применим, в основном, в условиях массового производства сложных профилей. 17.4 Производство металлоизделий ковкой и штамповкой Свободной ковкой называют способ горячей обработки металлов давлением, при котором нужную форму заготовки получают ударами кувалды, бойка молота или нажатием бойка пресса. Заготовками служат слитки или прокат (круглый, квадратный, прямоугольный). В большинстве случаев поковка служит заготовкой для дальнейшей механической обработки. Различают ручную и машинную свободную ковку. Ручная ковка для получения мелких штучных поковок производится на наковальне с помощью кувалды и различного вспомогательного инструмента и 74 применяется в основном при ремонтных работах. Машинная ковка производится на кузнечно-прессовых машинах и позволяет получать поковки массой до 250 т. Мелкие и средние поковки (до 2 т) куют на молотах, а тяжелые на прессах. В чертеже поковки предусматривают по ГОСТу припуски, допуски и напуски, т. е. заведомое увеличение размеров поковки по сравнению с размерами детали. Припуск – превышение размеров поковки над предельными размерами детали, обеспечивающее после обработки резанием необходимые размеры и чистоту поверхности. Свободной ковкой изготавливают поковки разнообразной формы и размеров. Точность размеров и чистота поверхности поковок невысока, это усложняет и удорожает последующую механическую обработку. Кроме того, сам процесс трудоемок и малопроизводителен. Тем не менее, свободная ковка пока является единственным способом изготовления крупногабаритных поковок для ответственных деталей гидрогенераторов, турбин, прокатного оборудования и т. п. Листовой штамповкой называют процессы получения изделий или заготовок из листового материала путем деформации его на прессах с помощью штампов. Холодная листовая штамповка – один из наиболее экономичных и прогрессивных методов изготовления деталей. Детали, полученные листовой штамповкой, отличаются точностью, взаимозаменяемостью и в большинстве случаев не требуют механической обработки. Экономичность процесса обусловлена его высокой производительностью и высоким коэффициентом использования металла (85– 90 %). Холодной листовой штамповкой изготавливают детали для обшивки вагонов, самолетов, кузова автомобилей и кабины тракторов. Операции технологического процесса листовой штамповки делятся на два вида: разделительные и формообразующие. К разделительным операциям относятся: отрезка, вырубка, пробивка, надрезка. К формообразующим операциям относятся: вытяжка, формовка, закатка и гибка. Исходным материалом для листовой штамповки служат листы, полосы и ленты из низкоуглеродистых сталей, цветных металлов и сплавов. Для резки листового металла, поставляемого на предприятия обычно в рулонах или в крупноразмерных листах, применяют ножницы или прессы различных типов. С целью экономии металла, перед вырубкой и закладкой листа в штамп составляется карта раскроя листового металла, на которой указывается наиболее рациональное расположение деталей. При этом все поле листа должно быть использовано. Штампы (рабочие инструменты) для листовой штамповки бывают простыми для выполнения одной операции и сложными, в которых последовательно или одновременно выполняется несколько операций. Основные рабочие части штампа – пуансон и матрицу (верхняя и нижняя части штампа, соответственно), изготавливают из инструментальных углеродистых или легированных сталей. Оборудование. Для листовой штамповки применяются гидравлические и механические прессы, листоштамповочные автоматы. Механизация и автоматизация штамповочных работ позволяют повысить производительность труда, избавить рабочих от однообразного труда и полностью его обезопасить. В связи с внедрением прогрессивных способов формообразования (ОМД) в промышленном производстве непрерывно увеличивается удельный вес кузнечнопрессового оборудования. 75 ГЛАВА 18. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА 18.1. Литейное производство – основная заготовительная база машиностроения Литейным производством называют процессы получения заготовок деталей машин и разнообразных металлических изделий заливкой жидкого металла в заранее приготовленные формы, где он затвердевает. Полученное изделие называют отливкой. Отливки можно получать массой от нескольких граммов до сотен тонн, простые и сложные по форме. Особенно эффективно применение литья для получения фасонных отливок, отливок из малопластичных, трудно деформируемых металлов и сплавов. Литые детали сложной внешней и внутренней конфигурации стоят намного дешевле, чем такие же детали, изготовленные другими способами. В современных машинах литые детали занимают более 50 % по массе. Основными потребителями отливок являются транспортное, тяжелое и энергетическое машиностроение, станкостроение, производство сельхозмашин. Характерной особенностью способа получения заготовок литьем является техническая и экономическая целесообразность его применения при единичном, серийном и массовом производстве. Отливки могут быть готовыми деталями или заготовками для последующей обработки резанием. В последнем случае предусматриваются припуски на обработку. Литейные формы могут использоваться один раз или многократно, в связи с этим различают разовые и постоянные литейные формы. Разовые формы разрушаются при извлечении из них отливок. Эти формы могут быть объемными или оболочковыми, их изготавливают из песчано-глинистых или песчано-керамических формовочных смесей. Постоянные формы выдерживают многократную заливку, их делают металлическими (из чугуна, стали или цветных металлов). 18.2. Виды, свойства и получение литейных сплавов Сплавы, которые используются в литейном производстве, должны обладать высокими литейными свойствами. К литейным свойствам металлов относятся: жидкотекучесть, усадка, ликвация, газопоглощение. Жидкотекучесть – это способность расплавленного металла заполнять самые тонкие полости формы и образовывать плотные, без внутренних дефектов, отливки. Усадка – это уменьшение в объеме металла при его затвердевании. Она составляет от 1,5 до 2 % и отрицательно сказывается на свойствах отливок. Ликвация – это неоднородность химического состава отливки в различных ее зонах. Наибольшая ликвация проявляется у легированных сталей. Газопоглощение – это способность расплавленного металла вступать в химическую реакцию с кислородом воздуха. Сплавы, которые используются в литейном производстве, должны обладать высокой жидкотекучестью, минимальной усадкой, наименьшей ликвацией, небольшим газопоглощением и сравнительно невысокой температурой плавления. Этим требованиям отвечают: • чугун (серый, высокопрочный, ковкий); • сталь (углеродистая, легированная); • медные (бронза, латунь), алюминиевые, цинковые, магниевые сплавы. 76 Наилучшим комплексом литейных свойств обладают серый чугун, бронзы, силумины. Литейные сплавы получают вторичным переплавом в литейном производстве. Плавка чугуна производится преимущественно в вагранках. Вагранка – это вертикальная шахта-печь непрерывного действия, которая работает на литейном каменноугольном коксе и воздушном дутье. Выплавка стали производится в плавильных агрегатах литейных цехов, температура плавки достигает 800 оС. В цехах крупного и среднего литья из углеродистой и легированной стали применяются мартеновские печи, электродуговые печи, индукционные высокочастотные печи. 18.3. Способы литья В зависимости от массовости производства, размеров отливок и требований, предъявляемых к литым деталям, они могут быть изготовлены: 1) литьем в песчано-глинистые формы; 2) литьем по выплавляемым моделям; 3) литьем в постоянные металлические формы; 4) литьем в оболочковые формы; 5) литьем под давлением; 6) центробежным литьем. Литье в песчано-глинистые формы Песчано-глинистые формы являются разовыми, объемными. Их получают путем уплотнения специальных материалов, называемых формовочными смесями. Для приготовления этих смесей используют формовочные кварцевые пески, особые формовочные глины и вспомогательные материалы (древесные опилки, мазут, угольную пыль, тальк). В процессе заливки расплавленного металла органические добавки выгорают и, тем самым, обеспечивают газопроницаемость формовочной смеси. Отверстия и различные полости в отливках получают с помощью специальных фасонных вставок, которые называют стержнями. Их изготавливают из специальных стержневых смесей. Технологический процесс литья в земляные формы состоит из следующих стадий: 1) приготовление формовочных и стержневых смесей; 2) изготовление модельных комплектов; 3) изготовление форм и стержней; 4) сборка форм; 5) получение литейного сплава; 6) заливка форм; 7) выбивка отливок из форм; 8) обрубка; 9) очистка форм. Формовочные и стержневые смеси готовят в землеприготовительных отделениях литейного цеха. Модельным комплектом называют технологическую оснастку, которая включает литейную модель, стержневой ящик, модельные плиты. Модель служит для образования отпечатка, соответствующего наружной конфигурации отливки. В 77 большинстве случаев модели выполняются из двух половинок. В единичном производстве модели выполняются деревянными, а в крупносерийном и массовом – вся модельная оснастка выполняется металлической. Модельная плита предназначена для закрепления на ней одной или нескольких моделей и элементов литниковой системы. Литниковая система – это система каналов, через которые форма заполняется жидким металлом. Для вывода газов из полостей формы и контроля ее заполнения устраиваются вертикальные каналы на самых высоких частях отливки, которые называются выпорами. Для предотвращения образования усадочных раковин в литьевых формах предусматривают специальные полости или прибыли. Изготовление форм, набивку и уплотнение смеси производят в специальных рамках, называемых опоками. Для заливки металла применяют ручные и механизированные ковши. После затвердевания металла и охлаждения отливок производят их выбивку из форм, очистку и обрубку. Отработанная формовочная смесь транспортируется на переработку в землеприготовительные отделения литейного цеха. Выбивка отливок из форм – одна из самых тяжелых операций литейного производства. Она сопровождается выделением большого количества тепла и пыли. Сущность процесса выбивки заключается в разрушении формы, освобождении отливок от формовочной земли. Стержни выбиваются пневматическими зубилами на вибрационных машинах. Обрубка литников и выпоров производят с помощью пневматических зубил ленточных и дисковых пил, газовой резки и пр. Очистка отливок от пригоревшей земли и окалины, мелких заусениц производят, чтобы уменьшить трудоемкость последующей механической обработки. Литье по выплавляемым (вытапливаемым) моделям Литье по выплавляемым моделям относится к точному литью. Оно состоит в том, что металл заливают в разовую тонкостенную керамическую форму, изготовленную по моделям (тоже разовым) из легкоплавящейся восковой массы, как правило, из смеси парафина со стеарином. Точность размеров и чистота поверхности отливок сокращают объем механической обработки. Технология производства отливок по выплавляемым моделям включает следующие этапы: • изготовление пресс-форм для моделей; • получение восковых моделей запрессовкой модельной массы в пресс-формы; • сборка блока моделей; • нанесение огнеупорного покрытия на поверхность модели или блока; • вытапливание моделей из огнеупорных (керамических) оболочек-форм; • прокаливание форм; • заливка металла в горячие формы. Разъемные пресс-формы изготавливают из стали или других сплавов по чертежу детали с учетом усадки модельной массы и металла отливки. Восковые модели получают запрессовкой модельной массы в пресс-формы с помощью шприца или на запрессовочном станке. Полученные модели извлекают из пресс-форм и облицовывают в несколько слоев огнеупорным покрытием. Вытапливание восковых моделей из огнеупорных (керамических) оболочек-форм производится горячим воздухом или горячей водой. Прокаливание необходимо для придания форме механической прочности и окончательного удаления восковой массы. Заливка металла производится в горячую форму, что улучшает жидкотекучесть металла и позволяет получать сложные тонкостенные отливки. 78 Внедрения литья по выплавляемым моделям взамен поковок или отливок, полученных другими способами, дает значительный экономический эффект, если в структуре себестоимости деталей большую долю составляют затраты на металл и фрезерную обработку, особенно при применении трудно обрабатываемых конструкционных материалов. Литье в кокиль (постоянные металлические формы) Кокилем называют цельную или разъемную металлическую форму, изготовленную из чугуна, стали, сплавов алюминия или других сплавов. Кокили предназначены для получения большого количества одинаковых отливок из цветных и железоуглеродистых сплавов. Литье в постоянные металлические формы относится к точному литью. Этот метод наиболее прогрессивен. Применяют его в серийном и массовом производстве для изготовления отливок сравнительно несложной формы. Чаще всего его используют для получения цветного литья. Перед заливкой металла кокиль подогревают до температуры 100–300 оС, а рабочие поверхности окрашивают защитными обмазками. Окрашивание удлиняет срок службы кокиля, так как устраняет приваривание металла к стенкам и облегчает извлечение отливок. Подогрев кокиля облегчает заполнение формы металлом. Литье в металлические формы позволяет снизить расход металла на прибыли и выпоры, получать отливки более высокой точности и чистоты поверхности, улучшить их физико-механические свойства. К недостатком этого способа следует отнести высокую трудоемкость изготовления металлических форм, особенно для производства фасонных отливок. Кроме того, быстрое охлаждение металла затрудняет получение тонкостенных отливок сложной формы. Схематично процесс литья в кокиль приведен на рис. 18.1. Рис. 18.1. Литье в кокиль Литье под давлением Литье под давлением – способ точного литья, когда жидкий металл заполняет полость металлической формы под давлением. Это один из наиболее производительных методов получения точных фасонных отливок из цветных 79 металлов. Для этой цели применяют машины поршневого действия, которые позволяют получать отливки сложных очертаний и толщиной стенок от 1 до 3-х мм. Отливки часто не требуют дальнейшей механической обработки, в них можно получать отверстия, наружную и внутреннюю резьбу, надписи. Схематично процесс литья под давлением приведен на рис. 18.2. Рис. 18.2. Литье под давлением Литьем под давлением можно снизить трудоемкость изготовления отливок в 10–12 раз. Этим способом получают корпусные детали массой до 50 кг, вес которых существенно снижен по сравнению с отливками, полученными литьем в песчаноглинистые формы (в четыре раза) или в кокиль (на 30 %). Литье в оболочковые формы Литье в оболочковые формы применяется, главным образом, для получения тонкостенных отливок повышенной точности. Оболочковые формы получают на основе специальных составов, содержащих в качестве отвердителя какой-либо термореактивный полимер, а в качестве наполнителя кварцевый песок. Такая смесь твердеет при 200–250 °С. Поэтому приготовленную смесь наносят на нагретую до этой температуры металлическую модель. Состав отвердевает и получается оболочковая форма. Для повышения механических свойств полученной оболочки ее помещают в печь на 2–3 минуты при температуре 300–350 °С. После извлечения из печи оболочку с модели снимают и направляют на сборку формы. Отливки, полученные в оболочковых формах, отличаются большой точностью и чистотой поверхности. Этим способом получают ответственные детали машин: коленчатые и кулачковые валы, шатуны, ребристые цилиндры. Высокая точность и чистота поверхности позволяют на 20– 40 % снизить массу отливок, на 40–60 % объем механической обработки. 18.4. Важнейшие проблемы и задачи литейного производства Проблемы технологии литейного производства: 1. Необходимость плавки или переплавки металлов. 80 2. Необходимость конструирования литниковой системы для заливки металла, которая обеспечивает получение плотной структуры металла отливки. 3. Быстрое охлаждение металла – чем сложнее и тоньше форма, тем труднее получить плотные, без внутренних дефектов отливки (без пустот и раковин). 4. Усадка – уменьшение в объеме металла при его затвердевании – образование усадочных раковин. Чтобы компенсировать усадку, необходимо предусмотреть в литейных формах прибыли. 5. 80 % всех отливок получают литьем в песчано-глинистые формы, технологический процесс которого создает тяжелые условия труда: • выбивка отливок из форм – одна из самых тяжелых операций литейного производства. Она сопровождается выделением большого количества тепла и пыли. Сущность процесса выбивки заключается в разрушении формы, освобождении отливок от формовочной земли. Стержни выбиваются пневматическими зубилами на вибрационных машинах; • обрубку литников и выпоров производят с помощью пневматических зубил ленточных и дисковых пил, газовой резки и пр.; • очистку отливок от пригоревшей земли и окалины, мелких заусениц производят, чтобы уменьшить трудоемкость последующей механической обработки. Важнейшими задачами, стоящими перед литейным производством, являются повышение размерной точности отливок, снижение припусков на обработку, повышение производительности и улучшение условий труда. 81 ГЛАВА 19. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА 19.1. Общая характеристика машиностроительного комплекса Технический прогресс народного хозяйства зависит, главным образом, от уровня развития машиностроения. Различают главные отрасли машиностроения: станкостроение, тяжелое и транспортное машиностроение, химическое и нефтяное машиностроение, тракторное и сельскохозяйственное машиностроение, а также многие группы отраслей машиностроения, производящие оборудование для различных видов промышленности. Основным видом продукции этих отраслей являются средства производства, машины и изделия: от уникальных особо крупных машин и оборудования до подшипников, велосипедов и стиральных машин. Машиностроительная промышленность наиболее сложная и отличается большим разнообразием производственных процессов. В современном машиностроении машины собираются поточно-массовым способом без дополнительной обработки деталей. Это обеспечивается благодаря принципу взаимозаменяемости, на котором базируется современное машиностроение. Взаимозаменяемость – это свойство совокупности независимо изготовленных деталей занимать предназначенные им места при сборке или ремонте без дополнительной подгонки, при этом все эксплуатационные показатели машины должны сохраняться. Взаимозаменяемость бывает полная и ограниченная, внешняя и внутренняя. Неполная взаимозаменяемость – это взаимозаменяемость, при которой для получения требуемой точности сборки применяются дополнительные технологические операции, в том числе доводка и пригонка, так называемая селективная сборка или групповой подбор деталей и др. методы Внутренняя взаимозаменяемость – взаимозаменяемость всех или некоторых деталей, составляющих сборочные единицы, механизмы, входящие в изделие. Например, в подшипниках качения внутреннюю взаимозаменяемость имеют кольца и тела качения (шарики, ролики). Внешняя взаимозаменяемость – взаимозаменяемость сборочных единиц, а также кооперируемых и покупных изделий (монтируемых в более сложные изделия) по размерам и форме присоединительных поверхностей, эксплуатационным показателям, параметрам. Например, для подшипников качения – это размеры наружного и внутреннего колец; для электродвигателей – мощность, частота вращения вала, размеры и форма присоединительных поверхностей. Взаимозаменяемость позволила создать массовое и серийное производство, сделала возможным создание специализированных производств. Она предполагает независимую обработку деталей на всех стадиях изготовления без последующей их пригонки в процессе окончательной сборки машины. При этом взаимозаменяемыми могут быть как отдельные детали, так и их соединения, узлы, машины. Взаимозаменяемость деталей позволяет: 1) упростить процесс сборки, повысить производительность; 2) точно нормировать сборочный процесс во времени; 82 3) автоматизировать технологические процессы сборки и изготовления изделий; 4) широко применять при сборке машин специализацию и кооперирование производства; 5) упростить ремонт изделий; 6) упростить и удешевить работы по проектированию. 19.2. Системный характер машиностроительного производства Основное звено машиностроительной отрасли – машиностроительное предприятие – является сложной технологической человеко-машинной системой, из которой можно выделить технологические процессы основного производства. Основные производственные процессы: • ЗГ – подсистема изготовления заготовок; • ОБ – подсистема изготовления деталей; • СБ – подсистема сборки машин; • КК – подсистема контроля качества продукции. УПР МТПП СКЛ ЗГ ИТПП ОБ СБ КК Рис. 19.1. Схема машиностроительного предприятия На рис. 19.1 приведена схема машиностроительного предприятия. УПР – подсистема управления предприятием; МТПП – подсистема материально-технической подготовки производства; ИТПП – подсистема информационно- технологической подготовки производства; СКЛ – подсистема складирования. В заготовительных, обрабатывающих и сборочных цехах реализуются основные производственные функции предприятия, а в остальных выполняются вспомогательные и обслуживающие функции, которые необходимы для того, чтобы можно было реализовать рабочие функции. Заготовительные процессы происходят в литейных, кузнечных и других заготовительных цехах, где из исходных материалов изготавливают заготовки деталей машин: литые, кованные, штампованные, сварные, вырезанные из проката. Вид заготовительного процесса определяет характер технологических операций на следующих стадиях производственного процесса. От выбора рационального типа заготовки зависит себестоимость продукции и величина расхода материалов, поэтому предварительно рассчитываются стоимость получения заготовки и норма расхода материала. Обрабатывающие процессы предназначены для того, чтобы придать заготовкам нужные форму, точность размеров, шероховатость поверхностей и физико83 механические свойства, т. е. сделать из заготовки деталь в соответствии с требованиями чертежа. В обрабатывающее производство входит обработка заготовок на металлорежущих станках, термическая и химико-термическая обработка, окрасочные и др. работы. Эти процессы происходят в механических, термических и гальванических цехах. Часто обработка резанием происходит в два этапа: обработка до операций упрочнения (закалка, улучшение, хромирование) и в заключение абразивная обработка, с помощью которой достигают нужную точность и шероховатость. Сборочные процессы происходят в сборочных цехах или на участках механосборочных работ, где из деталей машин, изготовленных на предприятии, и покупных изделий собирают машины. К технологическому процессу относят также контроль качества, очистку, а иногда и транспортировку, которые тесно связаны с процессами обработки и сборки или входят в них составной частью. К вспомогательным процессам относят: – материально-техническую подготовку производства; – информационно-технологическую подготовку производства; – ремонт технологического оборудования; – изготовление технологической оснастки, тары и т. д. К обслуживающим процессам относят: – энерго- и теплоснабжение; – транспортировку и складирование. Центральное место в этой группе отводится информационно-технологической подготовке производства ИТПП, так как от ее своевременности и качества зависят качество управления производством и эффективность технологических процессов. Технологическая подготовка производства – это комплекс организационных и инженерных работ по разработке технологии, по изготовлению необходимой технологической оснастки, инструмента, по освоению нового вида оборудования и отладке всех операций техпроцесса изготовления нового изделия. В соответствии с ЕСТД (Единая система технологической документации) изготавливается технологическая документация. На основе содержащейся в ней информации строится система технико-экономических и планово-нормативных расчетов, которые способствуют оперативному планированию и материально-техническому снабжению производства. В связи со сложностью и разнообразием технологических процессов машиностроения в технологических службах предприятия существует разделение труда. Технологи отдела главного металлурга занимаются литейным и кузнечным производством, сваркой, термической обработкой и нанесением покрытий. Технологимашиностроители (отдела главного технолога) занимаются механической обработкой и сборкой. Технологические службы предприятия обеспечивают поток технологической информации, записанной в технологических картах, инструкциях, управляющих программах для технологического оборудования с ЧПУ и отраженной в трудовых и материальных нормативах и чертежах. Цеховые технологи проводят внедрение технологических процессов и оснастки. Контролируют соблюдение технологической дисциплины, проводят анализ причин брака и разрабатывают мероприятия по повышению качества и эффективности технологических процессов. 84 19.3. Характеристика основных типов производств В машиностроении выбор того или иного технологического процесса зависит от типа производства, который определяется по уровню специализации рабочих мест. Различают три основных типа производства: единичное, серийное и массовое, которые определяются производственной программой и характером изготовляемой продукции. Единичное производство характеризуется широкой номенклатурой изготовляемой продукции и малым объёмом выпуска одинаковых машин, повторное изготовление которых не предусматривается. Это производство прокатных станов, тепловых и гидравлических турбин, прессов, ремонт автомобилей, оборудования. Применяемые станки, инструмент, приспособления, как правило, универсальные, что требует применения труда рабочих высокой квалификации. Продукция имеет высокую себестоимость. Серийное производство обеспечивает изготовление продукции или ремонт изделий периодически повторяющимися партиями или сериями. В зависимости от объема и частоты повторения выпуска партий различают мелкосерийное, серийное и крупносерийное производство. Серийным производством выпускаются машины и изделия ограниченного применения: компрессоры, насосы, металлорежущие станки, тепловозы и электровозы, летательные аппараты, подъемно-транспортные машины. Применяемые станки, инструмент, приспособления, как правило, универсальные и специализированные, что требует применения труда рабочих высокой и средней квалификации. Периодически повторяющиеся операции приводят к специализации рабочих мест. Продукция имеет среднюю себестоимость. Массовое производство характеризуется большим объёмом выпуска одинаковых машин, непрерывно изготовляемых в течение 5–10 лет. Массовым производством выпускаются машины и изделия широкого применения: автомобили, комбайны, подшипники, велосипеды и т. д. На большинстве рабочих мест выполняется одна рабочая операция, поэтому используются специальные станки, инструмент, приспособления. Широко применяются станки-автоматы, автоматические линии. Это не требует применения труда рабочих высокой квалификации. Продукция имеет низкую себестоимость. Тип производства определяет характер технологического процесса и его построение. Производство можно отнести к тому или иному типу по количеству, сложности и качеству обрабатываемых в год деталей и их массе. Такт производства tв определяется из выражения: tв = Fд/N, где Fд – фонд времени в планируемый период в час; N – годовой объём выпуска деталей в шт. Для серийного производства необходимо определять величину партии деталей n: n = N ⋅ a / 254 , где N – количество деталей одного наименования в шт.; a – периодичность запуска в днях. Рекомендуется следующая периодичность запуска изделий: крупные детали – 3 дня; средние детали – 6 дней; мелкие детали – 24 дня. После составления техпроцесса механической обработки, расчёта режимов резания, нормирования операций и загрузки оборудования, тип производства может быть уточнён по коэффициенту закрепления операций Кзо. Коэффициент закрепления операций является характеристи85 кой уровня специализации машиностроительного комплекса, определяется по формуле: Кзо = О/Р, где О – общее количество различных технологических операций, подлежащих выполнению в течении месяца; Р – число рабочих мест. • Если Кзо = 20÷40 ед., то коэффициент соответствует мелкосерийному производству. • Если Кзо = 10÷20 ед., то производство является среднесерийным. • Если Кзо = 1÷10 ед., то производство является крупносерийным. • Если Кзо = 1 ед., то производство является массовым. 19.4. Основы технологии и способы обработки металлов резанием Процесс обработки материалов резанием является распространённым технологическим приёмом производства деталей машин из различных материалов: дерева, металлов и сплавов, пластмасс, стекла, керамики. В результате обработки резанием обеспечиваются заданные чертежами форма, размеры, точность и качество поверхностей деталей. В настоящее время трудоёмкость обработки на металлорежущих станках составляет 30–40 % общей трудоёмкости изготовления машин и приборов. Это объясняется тем, что современное машиностроение предъявляет высокие требования к точности и состоянию поверхностей деталей машин, которые обеспечиваются в основном механической обработкой. Сущность процесса заключается в том, что с помощью режущего инструмента с заготовки удаляют в определенных местах так называемые припуски и последовательно приближают ее формы и размеры к требуемой детали. Наиболее распространенными способами обработки металлов резанием являются точение, сверление, строгание, фрезерование, шлифование. На рис. 19.2 представлены основные способы обработки металлов резанием. Точение является основным способом обработки тел вращения. С помощью точения выполняют операции: – обтачивание – обработка наружных поверхностей; – растачивание – обработка внутренних поверхностей; – подрезание – обработка торцевых поверхностей; – резка – разрезание заготовок на части; – резьбонарезание – нарезание резьбы. Сверление служит для получения и обработки отверстий различными способами. Фрезерование является высокопроизводительным способом обработки наружных и внутренних фасонных поверхностей. Строгание применяется при обработке плоских и фасонных линейчатых поверхностей и канавок в условиях мелкосерийного производства. Основная область применения шлифования – чистовая и отделочная обработка деталей для обеспечения высокой точности размеров и малой шероховатости поверхности. Для обработки резанием необходимо сочетание двух видов движения: главного движения и движения подачи. 86 При точении заготовке сообщается главное движение, а инструменту – движение подачи. При сверлении оба движения, как правило, сообщаются сверлу. При фрезеровании главное движение осуществляется фрезой, а движение подачи – заготовкой. При строгании на поперечно-строгальных станках главное движение осуществляется резцом, а движение подачи –заготовкой, а на продольно-строгальных станках – наоборот. При шлифовании главное движение осуществляется шлифовальным кругом. Продольная подача при плоском шлифовании производится обычно заготовкой, а поперечная – заготовкой или шлифовальным кругом. На рис. 19.2 показаны различные способы обработки металлов резанием. Рис. 19.2. - Способы обработки металлов резанием: а – точение; б – фрезерование; в – сверление; г – строгание; д – шлифование 87 19 5. Технико-экономическое значение припуска на обработку Припуском называют слой металла, снимаемый с поверхности заготовки в процессе ее обработки для обеспечения форм и размеров, заданных на чертеже. Припуски подразделяются на общие, т. е. удаляемые в процессе всей обработки детали, и межоперационные – удаляемые при выполнении отдельных операций. Общий припуск на обработку равен сумме межоперационных припусков по всем технологическим операциям. От правильного расчета и выбора припуска зависят себестоимость обработки и качество поверхности детали. Завышенные припуски увеличивают трудоемкость обработки, что приводит к увеличению станочного парка и перерасходу металлорежущих инструментов, электроэнергии, к увеличению расходов на ремонт и обслуживание оборудования. Заниженные припуски не обеспечивают возможности удаления дефектных слоев металла, включающих в себя выпуклости, вмятины, раковины, трещины, погрешности формы и размеров. Глубина дефектного слоя зависит от способа изготовления заготовок. Минимально необходимая величина припуска должна обеспечить удаление микро- и макро неровностей дефектного слоя, имеющего отличные от основного металла физико-механические свойства и структуру. Справочные данные для расчета припусков разрабатывают по отраслям машиностроения в виде нормативных таблиц, при этом учитывают способ обработки, вид заготовки, требуемую точность и другие производственные и технологические факторы. 19.6. Элементы режима резания При любом способе обработки процесс резания характеризуется элементами режима резания: скоростью, подачей, глубиной, поперечным сечением среза, машинным и штучным временем. Путь, проходимый режущей кромкой резца относительно обрабатываемой поверхности по направлению главного движения в единицу времени, называется скоростью резания и обозначается V. V = π D1 n/1000, м/мин, где D1 – диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм; n – частота вращения заготовки, об/мин. Подача sо – поступательное перемещение режущей кромки резца в мм за один оборот обрабатываемой заготовки. Глубина резания t – толщина стружки, снимаемая резцом за один проход. t = (D1 – D2) / 2, где D1, D2 – диаметры до и после обработки. Поперечное сечение среза f представляет площадь срезаемого слоя и равно произведению глубины резания на подачу: f = t sо Время Tо, затраченное непосредственно на процесс отделения стружки, называют основным (технологическим): Tо = (L I)/(n sо) = (L h)/(n t sо), мин, где L – путь резца в направлении подачи, мм; i – число проходов резца на данной операции; n, t, sо – элементы режима резания; 88 h – припуск на одну сторону, мм. По основному технологическому времени рассчитываются нормы выработки на данном виде оборудования. 19.7. Структура и нормирование технологического процесса обработки резанием Структура технологического процесса обработки резанием определяет организацию производства. Технологический процесс механической обработки – это часть производственного процесса, связанная с последовательным изменением размеров и формы заготовки до превращения ее в готовую деталь. Для выполнения технологического процесса создаются рабочие места, которые представляют собой часть площади цеха для работы каждого рабочего. На этой площади размещено технологическое оборудование, инструмент, подъемно-транспортные устройства, стеллажи для хранения заготовок и готовых деталей. Законченная часть технологического процесса, выполненная на одном рабочем месте, называется операцией. Операция является основным элементом производственного планирования и учета. На нее составляют всю учетную и технологическую документацию. Операция называется по виду обработки: токарная, фрезерная и т. д. Рациональная последовательность выполнения операций, т. е. указание, каким способом и в каком порядке производить обработку, записывается в операционную карту, которая представляет маршрутный технологический процесс. Структура операции предполагает разделение ее на составные элементы. Это – установ, позиция, переход. Установ – это часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки. При каждом повторном снятии детали и последующем ее закреплении или повороте для обработки новой поверхности происходит новый установ. Первый установ обозначается буквой А и записывается, например, так: установить деталь в патроне, закрепить. Установленная и закрепленная заготовка может изменять свое положение на станке относительно инструмента под воздействием перемещающих или поворотных устройств, занимая новую позицию. Позиция – это фиксированное положение, которое занимает неизменно закрепленная заготовка относительно инструмента для выполнения определенной части операции. Технологический переход – это законченная часть технологической операции, выполняемая одним и тем же режущим инструментом при постоянном технологическом режиме. Переход при обработке может состоять из нескольких рабочих ходов. Рабочий ход – это законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного снятия инструментом слоя стружки. Если припуск снимается за один раз, т. е. глубина резания равна припуску, то количество рабочих ходов, как и количество переходов, равно 1. В общем случае при механической обработке резанием вначале проводят черновую или обдирочную обработку, затем чистовую и в заключение – отделочную обработку, обеспечивающую высокую точность размера и чистоту поверхности. 89 Нормирование технологического процесса Одной из задач, которая решается при разработке технологического процесса изготовления детали, является определение технически обоснованной нормы времени, т. е. времени, которое необходимо затратить на выполнение той или иной технологической операции. В основе расчета технически обоснованной нормы на станочные работы лежит определение штучного времени Тшт, т. е. времени, которое необходимо на изготовление одной детали. Это время состоит из следующих составляющих: Тшт = То + Тв + Тоб +Тл, где То – основное (технологическое) время, т.е. время непосредственного выполнения операции; Тв – вспомогательное время, время на различные вспомогательные действия, например, ознакомление с чертежом; Тоб – время обслуживания рабочего места; Тл, - личное время (на отдых и свои потребности); Тв + Тоб +Тл составляет 15–20 % от То. Основное время на операцию определяется, исходя из оптимальных режимов обработки. Это время можно определить аналитически: То = (L i) / (n s), где L – длина хода инструмента в направлении подачи. При сверлении i = 1 (т к отверстие сверлится за один раз). Тогда То = L / (n s), где L – глубина отверстия. Зная Тшт, можно определить норму выработки деталей за смену: Nсм = Фсм / Тшт., где Фсм – продолжительность рабочей смены в мин. Нормы затрат труда имеют большое экономическое и социальное значение, так как определяют потребную численность работающих, их квалификационный и рабочий состав. Кроме того, нормирование труда лежит в основе организации оперативного планирования, в частности, расчета загрузки оборудования, рабочего места, участка и цеха. 19.8. Режущий инструмент Обработку металлов резанием производят с помощью режущего инструмента. Основными видами токарных резцов являются: проходные (правые или левые), отрезные, подрезные (правые или левые), расточные, резьбонарезные, фасонные. Для выполнения отверстий требуются: сверла, зенкеры, развертки. При фрезеровании пользуются фрезами: дисковыми или цилиндрическими и т. д. Все инструменты подразделяются на две группы: однолезвийные (например, резцы) и многолезвийные с двумя и более кромками (например, фреза, сверло, шлифовальный круг). Производительность всякого режущего инструмента, в основном, определяется его материалом, способностью сохранять режущие свойства продолжительное время. В современном машиностроении применяются следующие виды инструментальных материалов: 90 углеродистые инструментальные стали (У7, У8,…У13). Эти стали сохраняют работоспособность до 200–250 оС. Поэтому они находят ограниченное применение, главным образом, для обработки мягких материалов, а также для изготовления плашек и метчиков; 2) легированные инструментальные стали (9ХС, 13Х, ХВГ) сохраняют работоспособность до 300–350 оС. Их применяют для изготовления сверл, разверток, фрез, плашек и метчиков; 3) быстрорежущие стали Р9, Р18, Р6М5. Эти стали сохраняют работоспособность до 600–650 оС, они используются для изготовления сверл, крупных метчиков, разверток и др.; 4) твердые сплавы, их получают методом порошковой металлургии на основе карбидов тугоплавких металлов, эти сплавы сохраняют работоспособность до 800– 900 оС в зоне резания; 5) алмазный инструмент применяется, главным образом, для изготовления различных шлифовальных кругов, алмазные порошки в виде паст применяют для отделочных операций. Основное качество режущего инструмента – его стойкость, т. е. способность сохранять режущую кромку достаточно острой в течение определенного времени работы. Стойкость инструмента, при которой станок дает наибольшую производительность, называется стойкостью наибольшей производительности станка. 1) 19.9. Классификация металлорежущих станков В настоящее время на отечественных заводах металлорежущие станки составляют 50–80 % от общего количества оборудования. Станки можно классифицировать по отдельным признакам или по группе признаков. В частности: 1) по степени универсальности различают станки: • универсальные, предназначенные для выполнения разнообразных операций; • специализированные, предназначенные для обработки деталей одного наименования, но разных размеров; • специальные, которые применяются для обработки деталей определенной группы; 2) по степени точности: • нормальной точности, • высокоточные (прецизионные). Для обозначения моделей станков разработана система, согласно которой все станки разбиваются на 9 групп, а каждая группа на 9 типов: • I гр. – токарные станки; • II гр. – сверлильные и расточные; • III гр. – шлифовальные и полировальные; • IV гр. – комбинированные; • V гр. – зубообрабатывающие; • VI гр. – фрезерные; • VII гр. – строгальные; • VIII гр. – разрезные; 91 • IX гр. – разные станки. Токарные станки составляют до 50 % всего станочного парка механических цехов машиностроительных заводов. Сверлильные и расточные станки служат для обработки отверстий различными способами. Фрезерные станки делятся на две основные группы: универсальные общего назначения и специализированные. К первой группе относятся горизонтально-фрезерные, вертикально-фрезерные, и продольно-фрезерные. Ко второй группе относятся: зубофрезерные, резьбофрезерные, копировально-фрезерные и др. Строгальные станки делятся на продольно-строгальные, поперечно-строгальные и долбежные. В группу шлифовальных станков входят круглошлифовальные, плоскошлифовальные, внутришлифовальные, обдирочно-шлифовальные, специализированные, заточные станки для режущих инструментов, притирочные и полировальные. Перспективы развития технологической структуры применяемого оборудования В связи с внедрением прогрессивных способов формообразования (ОМД) в промышленном производстве непрерывно увеличивается удельный вес кузнечнопрессового оборудования при одновременном сокращении количества металлорежущих станков. В будущем их доля должна составлять 20–30 %. Причем среди них увеличится число высокоточных станков с программным управлением. 19.10. Точность обработки и шероховатость поверхности Тенденция развития современного машиностроения характеризуется повышением производительности, увеличением нагрузочной способности деталей и узлов и снижением материалоемкости конструкций. При этом точность машины в целом, а также ее эксплуатационная надежность и долговечность определяются точностью изготовления и сборки отдельных деталей. Точность изготовления деталей определяется наличием тех или иных погрешностей, возникающих на разных этапах технологического процесса. При любом виде технологического процесса изготовления нельзя получить деталь определенного заданного размера. Размер может быть получен лишь с большей или меньшей степенью приближения в пределах, предусмотренных допуском. Точностью обработки называют степень соответствия обработанной детали требованиям чертежа. Трудоемкость и себестоимость изготовления деталей в значительной мере зависят от точности их обработки. Деталь изготавливают не с достижимой точностью, а с экономически целесообразной точностью. Это предполагает выпуск годных деталей с минимальными трудоемкостью и себестоимостью. Каждому виду операции и оборудования соответствует определенная экономически целесообразная точность. Основными причинами погрешностей, возникающих при обработке, являются несовершенства системы "станок – приспособление – инструмент – деталь". Это, например, износ инструмента, жесткость станка, погрешности технологической оснастки и т. д. Полностью устранить их невозможно, можно только свести погрешности к минимуму, применяя более совершенные приемы и процессы. Точность изготовления деталей характеризуется: 1) точностью размеров; 92 2) точностью формы; 3) точностью взаимного расположения поверхностей; 4) шероховатостью поверхностей. Точность размера определяется величиной допуска размера. Стандартами установлены допуски размеров, величина которых зависит от квалитета и номинального размера. Точность формы. Реальная форма поверхностей деталей всегда отличается от идеальной, т. е. заданной чертежом. К отклонениям формы относятся: отклонения от прямолинейности, отклонения от плоскостности, отклонения от круглости, отклонения от цилиндричности, отклонения профиля продольного сечения. Чтобы погрешности формы не ухудшали работоспособности деталей, их ограничивают допусками формы. Стандартами установлены допуски формы поверхностей, величина допусков формы зависит от степени точности и номинального размера обрабатываемой поверхности. Точность расположения поверхностей. Реальное расположение поверхностей деталей всегда отличается от номинального, т. е. заданного чертежом. К отклонениям расположения поверхностей относятся отклонения от параллельности, перпендикулярности, угла наклона, соосности, позиционного расположения, симметричности, пересечения. Чтобы погрешности расположения поверхностей не ухудшали работоспособности деталей, их ограничивают допусками расположения. Стандартами установлены допуски расположения поверхностей, величина допусков расположения зависит от степени точности и номинального размера обрабатываемой поверхности. Суммарные отклонения формы и расположения поверхностей – радиальное или торцевое биение ограничивают соответствующими допусками. Шероховатостью поверхности называется совокупность микронеровностей, шаг которых значительно меньше базовой длины. Состояние поверхностного слоя, характеризуемое его физико-механическими свойствами и шероховатостью, называют качеством поверхности. Именно от качества поверхности зависит износостойкость детали, ее коррозионная стойкость и прочность, особенно в условиях знакопеременных нагрузок. Шероховатость поверхности оценивается следующими параметрами: Rz – среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля от средней линии по десяти точкам: пяти наибольшим выступам и пяти наибольшим впадинам. Параметр Rz применяют для указания шероховатости грубо обработанных поверхностей, величина его может быть в пределах от 0,025 до 1600 мкм; Ra – среднее арифметическое отклонений профиля от средней линии в пределах базовой длины. Величина Ra может быть в пределах от 0,008 ( при полировке) до 100 мкм (при строгании). Параметр Ra является предпочтительным, так как дает более точное представление об истинной величине микро неровностей, поскольку определяется по всем отклонениям профиля; Sm – средний шаг микронеровностей, определяется по средней линии; S – шаг микронеровностей по вершинам, определяется как среднее арифметическое всех шагов неровностей профиля по вершинам; tp – относительная опорная длина профиля, определяется на уровне сечения р. Уровень сечения выражается в процентах от Rmax – расстояния между линией выступов и линией впадин. Относительная опорная длина профиля – очень важная 93 характеристика поверхности, от которой зависит стойкость рабочей поверхности к действию контактных напряжений. В производственных условиях оценку шероховатости поверхности проводят качественно, сравнением с рабочими образцами шероховатости (ОШС). В ответственных случаях производится количественная дифференциальная оценка параметров шероховатости на специальных приборах: профилографах, профилометрах, растровых микроскопах и др. 19.11. Общие сведения о допусках и посадках гладких цилиндрических соединений Две детали, элементы которых входят друг в друга, образуют соединение. Соединения бывают гладкие цилиндрические, плоскопараллельные и специальные: резьбовые, шпоночные, шлицевые, зубчатые. Системы допусков и посадок всех типов соединений имеют много общего, так как базируются на Единой системе допусков и посадок (ЕСДП). Единая система допусков и посадок является основой взаимозаменяемости. Вал – это термин, применяемый для обозначения охватываемых элементов поверхности. Отверстие – это термин, применяемый для обозначения охватывающих элементов поверхности. Размеры валов и отверстий обозначаются d или D, соответственно. Действительный (реальный) размер детали (dr или Dr) – это размер, полученный при измерении изготовленной детали с известной точностью измерения (т. е. с известной погрешностью измерения). Номинальный размер – это размер, который получается конструкторским расчетом и округляется по ГОСТ 6636-69. На чертежах указываются только номинальные размеры. Наибольший и наименьший предельные размеры (dmin и dmax для вала или Dmin и Dmax для отверстия) – это размеры, между которыми должен находиться действительный размер вала или отверстия, соответственно: dmax ≥ dr ≥ dmin, Dmax ≥ Dr ≥ Dmin. Допуск (Т)– это разность предельных значений величины. Допуск на размер вала Td определяется по формуле: Td = dmax – dmin. Допуск на размер отверстия TD: TD = Dmax – Dmin. Допуск зависит от величины и точности изготовления размера. Совокупность допусков, отвечающих одинаковой степени точности, называется квалитетом. Стандартом установлено 19 квалитетов: 01, 0, 1, 2,…17 в порядке убывания точности. Если говорят о деталях, находящихся в соединении, то применяют термин «посадка». Посадкой называется характер соединения деталей, определяемый получающимися в нем зазорами или натягами. Посадка характеризует свободу перемещения деталей в соединении или степень сопротивления их взаимному перемещению. Различают посадки с зазором, с натягом и переходные, в которых возможен как зазор, так и натяг. 94 Зазор S – разность размеров отверстия и вала, если размеры вала меньше размеров отверстия. Собранное с зазором соединение допускает перемещение деталей друг относительно друга. Натяг N – разность размеров вала и отверстия до сборки соединения, если размер вала больше размера отверстия. Собранное с натягом соединение обеспечивает неподвижность деталей после их сборки. Системы допусков ИСО и ЕСДП построены по единому принципу и характеризуются следующими признаками. Основание системы. Стандарты предусматривают две равноправные системы посадок: систему посадок отверстия и систему посадок вала. Примеры расположения полей допусков для посадок в системе отверстия и в системе вала приведены на рис. 19.3. Рис.. 19.3. Примеры расположения полей допусков для посадок в системе отверстия и вала Посадки в системе отверстия – это посадки с различными зазорами и натягами, получающимися в результате соединения различных валов с основным отверстием, поле допуска которого характеризуется основным отклонением H (ES = 0). Посадки в системе вала – это посадки с различными зазорами и натягами, получающимися соединением различных отверстий с основным валом, поле допуска которого характеризуется основным отклонением h (es = 0). Особенно широкое распространение получила система отверстия. Это объясняется тем, что точное отверстие получают, используя дорогостоящий режущий инструмент, предназначенный только для одного размера с определенным полем допуска. Вал же, независимо от размера, в основном обрабатывается одним и тем же инструментом (резцом или шлифовальным кругом). В некоторых случаях из конструктивных соображений применяется система вала (например, если нужно чередовать соединения нескольких отверстий одного номинального размера с различными посадками на одном валу). 19.12. Типовые соединения деталей машин Множество деталей становится машиной с помощью различных соединений. На рис. 19.4 приводятся виды основных разъемных и неразъемных соединений. Все 95 приведенные на рисунке виды соединений являются неподвижными. Это означает, что при действии нагрузки они не проворачиваются друг относительно друга. Резьбовые соединения – шпоночные и шлицевые – это разъемные соединения, так как их можно разобрать без повреждения составляющих его элементов. Сварные и заклепочные – неразъемные. Рис. 19.4. Виды разъемных и неразъемных соединений Основные способы получения неразъемных соединений Сварка металлов – это технологический процесс получения неразъемных соединений в результате создания межатомных сил связи на контактных поверхностях соединяемых заготовок. Процесс происходит при плавлении или пластическом деформировании свариваемых частей. Сварка применяется в различных областях народного хозяйства: машиностроении, судостроении, строительстве и др. Все многообразие способов сварки можно разделить на два вида – на сварку в твердом и жидком состоянии, на сварку давлением и сварку плавлением. Сварка давлением происходит в два этапа: соединяемые поверхности заготовок сближают до образования физического контакта; на контактной поверхности появляются активные центры химического взаимодействия; устанавливаются межатомные металлические связи. К этому виду сварки относят сварку взрывом, сварку трением, диффузионную сварку. Сварка плавлением происходит также в два этапа: расплавление кромок заготовок и присадочного материала (электродной проволоки) и образование общего объема жидкого металла; затвердевание расплава и образование прочного сварного шва. К этому виду сварки относят электродуговую, газопламенную, электрошлаковую, электроконтактную сварку. 96 Наибольшее распространение в машиностроении получила электроконтактная сварка. Соединение заготовок происходит благодаря нагреву и пластической деформации места их контакта. Широко применяются на практике следующие виды контактной сварки: стыковая, точечная и шовная. Оборудованием для этих видов сварки служат специальные сварочные электроконтактные машины, которые состоят из механической и электрической частей. Таким способом можно сваривать валы и оси, листовые штамповки, различные емкости. Специальные виды сварки (сварка взрывом, плазмой, лазером) могут эффективно использоваться в особых случаях при изготовлении уникальных изделий. 97 ГЛАВА 20. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 20.1. Задачи метрологического обеспечения Метрологическое обеспечение технологического процесса является одной из важнейших составляющих технологической подготовки производства (ТПП). Под метрологическим обеспечением понимается комплекс мероприятий по обеспечению достоверности измерений характеристик изготавливаемых деталей, параметров технологического процесса, оборудования, инструмента. Основной задачей метрологического обеспечения ТПП является установление оптимального объема технологических параметров, которые подлежат контролю в процессе производства, установление оптимальных норм точности этих измерений; обеспечение производства исправными контрольно-измерительными инструментами. Организационной основой метрологического обеспечения является метрологическая служба предприятия. 20.2. Основные понятия процесса измерения Измерение – процесс сравнения какой-либо величины с помощью специальных технических средств с однородной величиной, условно принятой за единицу. Результатом измерения является число, выражающее отношение измеряемой величины к величине, принятой за единицу. К техническим измерениям в машиностроении относят линейные и угловые измерения, т. е. измерения геометрических параметров деталей, сборочных единиц и изделий, отклонения расположения и формы, волнистость и шероховатость поверхностей. Контроль – более широкое понятие, охватывающее как количественную, так и качественную оценку годности продукции. Различают контроль точности изготовленной продукции и контроль точности технологических процессов. При выполнении контроля точности изготовленной продукции определяется соответствие действительных значений параметров качества продукции (геометрических, механических и др.) допустимым значениям этих параметров, которые установлены техническими условиями и заданными допусками (как правило, без определения числовых значений контролируемой физической величины). Задачей контроля точности технологических процессов является технологическое обеспечение требуемой точности, т. е. профилактика брака. 20.3. Выбор средств измерения Все применяемые в машиностроении средства измерений и контроля делятся на три группы: меры, воспроизводящие заданные размеры длин и углов; калибры, контролирующие годность действительных размеров; универсальные измерительные инструменты. Выбор средств измерения определяется объемом выпуска измеряемой детали, ее конструктивными особенностями (габаритными размерами, массой, материалом детали, жесткостью конструкции); необходимой точностью изготовления детали; экономическими показателями средств измерения (стоимостью и надежностью прибора, стоимостью его ремонта и эксплуатации, продолжительностью работы до ремонта, временем, затрачиваемым на настройку и процесс измерения, необходимой квалификацией контролера). 98 Перед выбором средства измерения или контроля следует решить вопросы целесообразности контроля того или иного вида параметров и производительности средств измерения (универсальных или специальных, автоматизированных или автоматических). Как правило, одну метрологическую задачу можно решить с помощью различных измерительных средств, которые имеют не только разную стоимость, но и разные точность и другие метрологические показатели, а, следовательно, дают неодинаковые результаты измерений. Это объясняется отличием точности результатов наблюдения от точности измерения самих измерительных средств, различием методов использования измерительных средств и дополнительных приспособлений, применяемых в сочетании с универсальными или специализированными средствами (стойками, штативами, элементами крепления и базирования). В условиях единичного производства специальная контрольно-измерительная оснастка не применяется, а поэтому контроль размеров изделий производится преимущественно при помощи универсально-измерительных средств и приборов (штангенциркулей, микрометров, индикаторных нутромеров и т. п.). При серийном производстве основными средствами контроля размеров являются предельные калибры (см. рис. 20.1) и шаблоны, а также полуавтоматические контрольные измерительные устройства. Рис.20.1. Предельные калибры для контроля гладкого цилиндрического соединения: ∅60 H7/f7 99 ГЛАВА 21. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ОБРАБОТКИ НОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ Каждая отрасль промышленности на определенном этапе своего развития применяет достаточно много различных прогрессивных технологических процессов, инструментов и оборудования. Однако есть такие технологические процессы, которые произвели революционные изменения во многих отраслях деятельности человека. Это – информационные технологии, лазерные и ультразвуковые, порошковая металлургия, электрофизические и электрохимические технологии. 21.1. Современные конструкционные материалы Научно-технический прогресс в машиностроении и других отраслях промышленности во многом связан с разработкой и совершенствованием конструкционных материалов, снижением материалоемкости изделий, рациональным использованием материальных ресурсов. В качестве конструкционных материалов в машиностроении применяют углеродистые и легированные стали, чугуны, сплавы цветных металлов, а также неметаллические материалы и композиты на их основе.По масштабам производства и многообразию применения стали и чугуны имеют наибольшее распространение в технике. Применяемые в машиностроении стали классифицируются: 1) по способу производства – конвертерная, мартеновская (кислая и основная), электросталь (кислая и основная); 2) по химическому составу – углеродистая и легированная; 3) по назначению конструкционная, инструментальная и специальная; 4) по качеству изготовления – сталь обыкновенного качества, качественная и высококачественная. Углеродистые конструкционные стали содержат до 0,70 % углерода. В соответствии с принятыми ГОСТами она подразделяется на два вида: 1. Cталь обыкновенного качества применяется для изготовления строительных конструкций, крепежных деталей, заклепок, проволоки, листового и профильного проката, труб, арматуры и др. 2. Cталь качественная. Эти стали имеют пониженное содержание фосфора и серы. Они используются для изготовления ответственных деталей различных машин и механизмов (валы, оси, зубчатые колеса, шатуны, шпиндели и т. д.) Легированные стали – это сплавы, которые получают посредством добавления к углеродистым сталям различных легирующих элементов (хрома, никеля, вольфрама, кобальта) или повышенных количеств марганца или кремния. Можно получать стали с более высокими механическими свойствами, а также придавать им специальные свойства (жаростойкость, коррозионную стойкость и др.). В основе маркировки легированных сталей лежит буквенно-цифровая система, в которой принято следующее обозначение легирующих элементов: Г – марганец, С – кремний, К – кобальт, Х – хром, Ф – ванадий, Н – никель, Т – титан, В – вольфрам, Ю – алюминий, М – молибден, Д – медь. 100 Первые цифры перед буквами обозначают среднее содержание углерода: две цифры – сотые доли процента, а одна – десятые. При содержании углерода выше 1 % цифры перед буквами не ставятся. Цифры после букв показывают примерное содержание легирующих элементов в целых процентах. Если содержание легирующего элемента меньше или около одного процента, цифра после буквы не ставится. Например, 18Х3НЮ, 25ХГТ3, 18Х13Т. 1 – 0,18 % углерода, хрома 3 %, содержание никеля и алюминия меньше 1 %; 2 – 0,25 % углерода, содержание хрома и марганца меньше 1 %, титана 3 %; 3 – 0,18 % углерода, хрома 13 %, титана меньше 1 %. Стали специального назначения выделяются в отдельные группы и имеют особую маркировку: Р – быстрорежущая; Ш – шарикоподшипниковая; Е – электротехническая. Марка стали указывается в документе, присланном с металлом, и, кроме того, обозначается клеймом на ярлычке, прикрепленном к металлу. Легированные стали классифицируются: 1) по содержанию легирующих элементов – на низколегированные стали, содержащие до 2,5 % легирующих элементов, среднелегированные – от 2,5 до 10 % и высоколегированные – более 10 %; 2) по назначению – на конструкционные, инструментальные и специальные легированные стали. Внедрение легированных сталей дает возможность уменьшить вес машин, конструкций (за счет большей прочности стали), увеличивает их надежность и долговечность. Однако стоимость легированных сталей по сравнению с углеродистыми выше, особенно, когда в них вводят дорогие редкие элементы: молибден, вольфрам, титан и др. Производство их также сложнее. Поэтому стремятся применять низколегированные стали, которые при сравнительно небольших дополнительных расходах дают возможность сэкономить до 18–20 % металла. 21.2. Классификация, строение и свойства композиционных материалов Широкие возможности для разработки оптимальных технических решений представляют композиционные материалы, которые отличаются высокими удельными прочностными характеристиками, коррозионной стойкостью, технологичностью в переработке. Композиционные материалы (композиты) представляют собой системы, состоящие из двух и более разнородных компонентов, имеющих границы раздела между ними. Компонент, непрерывный по всему объему материала, обеспечивающий его монолитность, называется матрицей или связующим. Компоненты, распределенные в матрице, называются наполнителями. По типу матрицы различают композиционные материалы на полимерной (органической и неорганической), металлической и керамической основе. Матричный материал более вязкий и обеспечивает перераспределение действующей нагрузки по объему, защиту наполнителя от воздействия внешней окружающей среды, определяет теплофизические и электрические свойства, стойкость к старению, технологические и др. свойства композита. 101 Современные композиционные материалы содержат в качестве наполнителей угольные и графитовые волокна, волокна бора и др., благодаря которым достигается значительное повышение прочности и надежности в выделенных направлениях. Различные сочетания матричного материала и наполнителя позволяют получать гибридные композиты с широким диапазоном характеристик, чего невозможно достичь на металлах и сплавах. Композиты имеют высокую удельную прочность и высокий удельный модуль упругости. Композиты на основе полимерной матрицы обеспечивают работоспособность изделий при температурах до 200 оС, композиты на основе алюминия и магния, армированные углеродными, борными и др. волокнами – до 400–500 оС. Особенностью композитов является удачное сочетание высокой прочности с низкой плотностью и высокой химической стойкостью. Широкий спектр армирующих и связующих материалов позволяет создавать композиты с заданными свойствами. Технология получения материалов зависит от типа связующего. Материалы на основе полимерной матрицы получают путем полимеризации, отверждения или спекания пропитанных этим связующим армирующих волокон. При использовании металлической матрицы волокна погружают в жидкий металл. При создании таких материалов возможна ориентация упрочняющих волокон в оптимальном направлении с учетом действующих нагрузок в реальной конструкции. 21.3. Технология порошковой металлургии Технологические процессы порошковой металлургии нашли применение при производстве различных металлоизделий, которые известными традиционными способами изготовить было невозможно. Это твердые сплавы, пористые металлические подшипники и фильтры, фрикционные и антифрикционные материалы. Технологические процессы порошковой металлургии позволяют максимально эффективно использовать материалы, получать композиционные материалы с уникальными свойствами. Сущность технологического процесса изготовления деталей и заготовок порошковой металлургией заключается в том, что металлы, сплавы или химические соединения металлов превращают в порошки или гранулы различной фракции. Затем их смешивают в определенной пропорции, прессуют в пресс-формах, извлекают спрессованную заготовку и в специальных печах в условиях инертной среды или вакуума спекают в течение определенного времени и получают достаточно прочное соединение порошков или гранул в виде соответствующей формы полуфабриката или уже готового изделия. Часто для придания прессованным и спеченным порошковым заготовкам определенных свойств проводят дополнительную термообработку или пластическую деформацию, а затем обрабатывают резанием. В машиностроительной и инструментальной промышленности порошковой металлургией изготавливают твердосплавные инструменты, подшипники, зубчатые колеса, направляющие втулки, тормозные колодки и т. д. Важным преимуществом порошковой технологии является возможность изготавливать металлоизделия практически без отходов. Экономическая целесообразность применения порошковой металлургии для изготовления многих металлоизделий обоснована в следующих случаях: 102 • когда необходимо металлоизделиям придать особые свойства, которые невозможно получить другими способами; • когда расход дорогостоящего материала недопустим; • когда трудоемкость порошкового металлоизделия ниже альтернативного; • когда сложность геометрической формы детали требует для ее выполнения сложных и дорогостоящих инструментов. 21.4. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов В современном машиностроении получают все большее распространение материалы, которые отличаются высокой твердостью, хрупкостью и вязкостью и трудно поддаются традиционным способам обработки. Все возрастающее количество применяемых штампов и пресс-форм отличается высокой сложностью внутренних полостей. Это послужило основанием для создания и внедрения в производство высокоэффективных электрофизических и электрохимических методов обработки. Их сущность заключается в том, что обработка облегчается благодаря ослаблению связей между элементарными объемами заготовки. Электрофизические методы основаны на тепловом или механическом действии электрического тока; электрохимические методы основаны на химическом действии электрического тока. Электрофизические методы обработки При электроэрозионной обработке используют инструмент – электрод, который может быть изготовлен из легко-обрабатываемого материала (меди, графита и т. п.). При сближении в жидком диэлектрике электродов: инструмента и заготовки возникает электрический разряд, и через зазор между ними начинает течь электрический ток. Электроны, соударяясь с анодом (заготовкой), интенсивно его разогревают и расплавляют микрообъемы заготовки. Температура в месте воздействия электрических разрядов достигает 5000 оС. Расплавленные частички сплава охлаждаются жидким диэлектриком и удаляются из зазора между инструментом и заготовкой. Электрофизические методы отличаются высокой концентрацией энергии на локальных участках обрабатываемой заготовки. Частицы материала удаляются с поверхности в расплавленном или парообразном состоянии. Электроэрозионный метод позволяет обрабатывать токопроводящие материалы любой механической прочности, хрупкости и вязкости, получать детали сложной формы и производить операции, которые невозможно выполнить другими методами. Однако этот способ обработки имеет высокий расход энергии и низкую производительность. Электрохимические методы обработки Электрохимические методы обработки основываются на принципе электролиза. Известно, что если в сосуд с электропроводящей жидкостью (электролитом) ввести твердые проводящие пластины (электроды) и подать на них напряжение, возникает электрический ток. Анод под действием электрического тока в среде электролита растворяется, и продукты растворения удаляются протекающим через зону обработки электролитом. При электрохимической размерной обработке металлов электроды (заготовка – анод и инструмент – катод) располагаются на очень близком расстоянии друг от друга (50–500 мкм). Между ними под давлением прокачивается электролит. Так как зазор между электродами очень мал, напряженность электрического поля велика и 103 обработка металла происходит быстро (0,5–2 мм/мин). Если при этом поддерживать постоянным расстояние между электродами, то на заготовке можно получить достаточно точное зеркальное изображение формы инструмента. Таким образом, с помощью электролиза можно сравнительно быстро обрабатывать заготовку, делать в деталях отверстия, пазы или полости любой сложной формы. К преимуществам электрохимической размерной обработки, по сравнению с другими методами, следует отнести возможность обрабатывать любые металлы и сплавы, независимо от их свойств. Твердые, а также жаропрочные и другие специальные сплавы обрабатываются с той же скоростью, что и обычные стали; электрод – инструмент при этом не изнашивается. Все это дает большую экономию материала и снижает трудоемкость изготовления деталей. Достоинства обоих методов обработки: • практическая независимость скорости и качества обработки от физикомеханических свойств обрабатываемых материалов; • отсутствие необходимости в специальных инструментах более твердых, чем обрабатываемый материал; • сокращение расхода материалов; • высокая точность изготовления деталей; • осуществление операций, не выполняемых механическими методами; • возможность полной механизации и автоматизации процессов обработки; • улучшение условий труда и сохранение окружающей среды. 21.5. Лазерные технологии Лазер – источник оптического излучения с высокой монохроматичностью, а также исключительной направленностью светового луча. Источником лазерного луча является оптический квантовый генератор. Лазеры нашли широкое применение в промышленности для различных видов обработки материалов: металлов, бетона, стекла, тканей, кож и т. д. Лазерная технология является одной из самых перспективных. Благодаря направленности и высокой концентрации лазерного луча, удается выполнять технологические операции, невыполнимые каким-либо другим способом. С помощью лазера можно вырезать из любого материала детали сложнейшей конфигурации с точностью до сотых долей миллиметра, раскраивать композиционные и керамические материалы, тугоплавкие сплавы. Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два вида. Первый из них использует возможность точной фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии как в импульсном, так и в непрерывном режиме. В таких технологических процессах применяют маломощные лазеры (до 1 кВт). Это небольшие газовые лазеры импульсного периодического действия и твердотельные лазеры на кристаллах. С помощью этой группы лазеров разработаны технологии сверления тонких отверстий (диаметром 1–10 мкм и глубиной до 10–100 мкм) в рубиновых и алмазных камнях для часовой промышленности и изготовления волок для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности; с маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием 104 цифр, букв, изображений в полиграфической промышленности. В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники – фотолитографии, без применения которой практически невозможно получение сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов микроэлектронной техники, обычные источники света заменяют на лазерные. Это дает возможность получить разрешение до 0,15–0,2 мкм. Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой мощностью (свыше 1 кВт). К этой группе относятся мощные газовые лазеры. Их используют в энергоемких технологических процессах при резке и сварке толстых стальных листов, поверхностной закалке, наплавлении и легировании крупногабаритных деталей, очистке от поверхностных загрязнений и т. д. При лазерной сварке металлов достигается высокое качество шва. Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении, автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить техникоэкономические показатели производственных процессов. Применение лазерной технологии дает большой эффект при изготовлении деталей с особо высокими требованиями к качеству и точности и с особыми характеристиками. 21.6. Ультразвуковая интенсификация технологических процессов Ультразвуком называют упругие механические колебания с частотой свыше 18 кГц, которые находятся за пределами слышимости человека. Ультразвук характеризуется частотой, амплитудой и интенсивностью колебаний. Ультразвуковые колебания получают с помощью преобразователей, в которых высокочастотные электрические колебания преобразуются в механические. Ультразвуковые колебания различной интенсивности применяют в промышленности для проведения и интенсификации технологических процессов. Ультразвук широко используют для мойки различных материалов и деталей. Очистка деталей от загрязнений происходит вследствие явления кавитации жидкости – возникновения и захлопывания пузырьков под действием ультразвуковых колебаний. С помощью ультразвука можно значительно ускорить растворение различных веществ. Ультразвуковые колебания применяют в дефектоскопии для определения размеров и количества дефектов в твердых телах (метод неразрушающего контроля). 105 ГЛАВА 22. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА И ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА 22.1 Роботизация промышленного производства Доля ручного труда в технологических процессах, особенно на вспомогательных участках, во вредных и опасных производствах, может быть уменьшена за счет роботизации промышленного производства [4]. Промышленный робот – это многократно программируемое многофункциональное устройство, предназначенное для манипулирования и транспортирования деталей, инструментов, технологической оснастки посредством программируемых движений для выполнения разнообразных задач. Робот состоит из рабочего органа (механическая рука), механического привода и контроллера (управляющей части). Механическая рука, в зависимости от вида продукции, может быть вакуумной, адгезионной, прокалывающей, электромагнитной, гидравлической, пневмомеханической и пр. Источником питания является электрическая энергия, а контроллером – микрокомпьютер. По роду деятельности промышленные роботы делятся на три группы: технологические; подъемно-транспортные; комбинированные. Роботизированные производства широко применяют в машиностроении при получении литьевых, прессованных и кованных заготовок и изделий. В последнее время роботы начинают применяться при производстве пластмассовых изделий, строительных материалов, в легкой и пищевой промышленности. Достоинства роботизированных производств: высокая производительность и качество выпускаемой продукции, мобильность, точность, надежность, способность к повторяемости. Однако, для создания роботов требуются большие капитальные затраты. 22.2. Роторно-конвейерные линии Высокой формой автоматизации и механизации технологических процессов является комплексная автоматизация производства, которая основывается на применении роторной технологии обработки. В роторной машине основным элементом является ротор с инструментальными блоками. При вращении технологического ротора вокруг вертикальной оси происходит непрерывная обработка деталей, подаваемых транспортером.. Схема роторной машины приведена на рис. 22.1. Транспортный ротор обеспечивает передачу деталей на обработку в инструментальные блоки; съем обработанных изделий и передачу их на другие технологические роторы. Наилучшие возможности такой автоматизации имеют процессы, у которых: • высокая степень концентрации технологических операций за счет многопозиционной и мало инструментальной обработки, которую можно совместить во времени; • непрерывное транспортирование обрабатываемых объектов, совмещенное с их технологической обработкой. Принципиальные возможности автоматизации таких технологических процессов обеспечивают роторно-конвейерные технологии обработки. Схема роторноконвейерной линии приведена на рис. 22.2. Отдельные операции выполняются в обслуживающих роторах. Для этого инструментальные блоки монтируют в гнездах гибкого цепного конвейера, который огибает обслуживающие роторы. 106 Рис. 22.1. Схема роторной машины: 1 – технологический ротор; 2 – транспортный ротор Рис. 22.2. Схема роторно-конвейерной линии: 1 – ротор загрузки; 2 – ротор сборки; 3 – технологический ротор обработки; 4 – ротор КК; 5 – ГЦ конвейер 107 В массовом производстве широко применяются конвейеры различных типов: ленточные транспортеры, пластинчатые и цепные конвейеры. В роторной машине основным элементом является ротор с инструментальными блоками. При вращении технологического ротора вокруг вертикальной оси происходит непрерывная обработка деталей, подаваемых транспортером. Наибольшее применение роторные технологии нашли при производстве гаек, кольцевых деталей с резьбой, инъекционных игл, при разливе молока, соков, лимонада, упаковке пищевых продуктов и пр. Комплексная автоматизация производства на основе роторных и роторноконвейерных линий в десятки раз повышает производительность труда; в сотни раз сокращает длительность производственного цикла изготовления продукции. Капитальные затраты окупаются в течение одного–двух лет. 22.3. Система автоматизированного проектирования Система автоматизированного проектирования (САПР) позволяет автоматизировать большинство элементов технической подготовки производства. В промышленности технический уровень новых видов изделий и сроки освоения их выпуска в значительной мере определяются технической подготовкой производства (ТПП). ТПП – это комплекс организационных, технологических и конструкторских работ по проектированию механизма и его деталей, по изготовлению необходимой технологической оснастки, инструмента, установке и освоению нового оборудования, по разработке и отладке всех операций технологического процесса изготовления нового изделия. Система технической подготовки производства функционально подразделяется на две системы – конструкторской подготовки (что производить) и технологической подготовки (как производить). Спроектированный технологический процесс при соблюдении его требований должен обеспечить нормальную работу собранной машины или механизма. Нормативной базой для ТПП является система стандартов: • Единая система технологической документации (ЕСТД); • Единая система конструкторской документации (ЕСКД); ЕСТД представляет собой комплекс стандартов, устанавливающих взаимосвязанные правила и положения о порядке разработки, оформления и обращения технологической документации для всех предприятий машиностроения и приборостроения. В соответствии с ЕСТД основными технологическими документами являются: маршрутная карта, операционная карта, карта эскизов, карта контроля. В маршрутную карту записывается технически и экономически обоснованная последовательность выполнения всех операций, а также оборудование, применяемые приспособления, профессия рабочего и т. д. Операционная карта обработки составляется на каждую операцию. В этой карте записывается рациональная последовательность выполнения технологической операции. В карте эскизов вычерчивается эскиз детали, которая обрабатывается на станке. На карте контроля указываются поверхности, которые подлежат контролю, и инструмент, который при этом используется. Результатом работы САПР является изготовление конструкторской и технологической документации вплоть до разработки маршрутных и операционных карт, карт эскизов и контроля. 108 ГЛАВА 23. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В УПРАВЛЕНИИ ПРЕДПРИЯТИЕМ 23.1 Автоматизированные системы управления производством Современное представление об управлении процессом дискретного материального производства предполагает выделение в общей системе управления предприятием организационного управления производством, которое решает следующие задачи: • пространственно-временная координация производ-ственного процесса; • оптимальное планирование материальных потребнос-тей; • повышение эффективности используемого оборудова-ния; • контроль хода производства. Автоматизированная система управления производством (АСУП – АСУ ТП) является составной частью автоматизированной системы управления предприятием. Основные положения этой системы: • производственная деятельность описывается как поток взаимосвязанных заказов; • при выполнении заказов учитываются ограничения ресурсов; • обеспечивается минимизация производственных циклов и запасов; • заказы снабжения и производства формируются на основе заказов реализации и производственных графиков; • движение заказов увязывается с экономическими показателями; • выполнение заказа совершается к тому моменту, когда он необходим. Система призвана повысить экономическую эффективность производств, в частности, за счет снижения производственных издержек или/и повышения качества продукции. 23.2 Автоматизированные системы управления предприятием (АСУП) Своевременное владение руководством полной и достоверной информацией о протекании производственных и экономических процессов стало решающим фактором в управлении предприятием. Предприятие, т. е. производственная система, производящая продукты, рассматривается как совокупность бизнес-процессов. "Бизнес-процессы" или другими словами "организационно-производственные процессы" – это логические серии взаимозависимых действий, которые используют ресурсы предприятия для создания или получения в обозримом будущем полезного для заказчика выхода, Продукта или Услуги [17]. Примеры бизнес-процессов: оформление отгрузки готовой продукции, закупка оборудования, обеспечение производства необходимыми материалами, учет поставок по предоплате, проведение взаимозачета и т. д. С точки зрения охвата бизнес-процессов автоматизированные системы управления предприятием (АСУП) можно разделить на три класса: 1) комплекс автоматизированных рабочих мест (АРМов); 2) ограниченно-интегрированные автоматизированные системы; 3) компьютерные интегрированные системы (КИС). 109 К первому из указанных классов мы относим АСУП, созданные на основе отдельных АРМов специалистов, которые спроектированы для автоматизации "коротких" бизнес-процессов (расчет зарплаты в бухгалтерии, учет движения техникоматериальных ценностей (ТМЦ) на складе, учет движения средств на расчетном счете предприятия и т.д.). Как правило, проектирование таких АРМ, а точнее, комплексов АРМ, производится в разное время и с разным качеством. В основе указанных проектов лежат либо результаты обследования информационных потоков в отдельных подразделениях предприятия, либо ранее внедренные на других предприятиях программные комплексы разработчиков. Ко второму классу относятся системы, автоматизирующие крупные бизнеспроцессы предприятия (сбыт, снабжение, баланс, планирование основного производства, финансово-экономическое планирование и т. д.). Другими словами, ограниченноинтегрированные автоматизированные системы нацелены на объекты автоматизации предприятия. В основе проекта рассматриваемого класса систем лежат модели объектов автоматизации предприятия, составляемые крупными фирмами. Примерами могут являться продукты фирмы "1С". Такие системы имеют аппарат настроек, позволяющий адаптировать систему к реальным условиям практически любого конкретного предприятия. К третьему классу относятся компьютерные интегрированные системы (КИС), которые еще называют корпоративными или комплексными информационными системами. 23.3. Международные стандарты управления предприятием Существенной особенностью КИС является то, что в ее основе лежит модель всего предприятия, настроенная на принятые в мировой практике концепции управления: • MRP (планирование материальных потребностей). Система класса MRP позволяет точно определять потребности производства в отдельных производственных единицах с учетом складских запасов. Таким образом, MRP-системы обеспечивают информацией две подсистемы – материально-техническое снабжение и планирование производства предприятия. • MRP.II (планирование производственных ресурсов). Системы класса MRP II представляют интеграцию большого количества отдельных модулей, таких как планирование бизнес-процессов, планирование потребностей в материалах, производственных мощностей, планирование финансов, управление инвестициями и т. д. • ERP (планирование ресурсов предприятия) включает в себя несколько модулей, обслуживающих основные функции управления предприятием: снабжение, производство, продажу, финансы. В отличие от систем класса MRP II и других, предназначенных только для отдельной сферы деятельности (например, для управления производством либо финансами), она содержит интегрированные модули. Интегрирование наиболее заметно между финансовыми модулями и модулями, управляющими движением материалов. Его суть состоит в том, что в финансовый модуль поступают данные, генерированные в остальных модулях. Благодаря интегрированию отдельных модулей, система поддерживает осуществление полного хозяйственного процесса, начиная с планирования продаж до контроля поступления платежей. • ERPII. Интегрированная система управления охватывает все существенные для предприятия сферы деятельности. Главной задачей системы управления является 110 оперативное предоставление руководству точных данных, необходимых для принятия решений. Это позволяет контролировать взаимодействие людей, материалов, машин и денежных средств, что способствует эффективному достижению поставленных перед предприятием задач. Примерами таких систем являются SAP R/3, Oracle Application, BAAN, AVALON, Конкорд, Парус, Галактика. 111 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Производственные технологии : учеб. пособие / Н. Г. Сычев, С. А. Хмель, А. В. Руцкий. – Минск : ОДО «Равноденствие», 2004.–153 с. 2. Общая экономическая теория технологического развития производства: монография / Н. П. Кохно. – Минск : БГЭУ, 2003. – 248 с. 3. Садовский, В. В. Производственные технологии /В. В. Садовский [и др.]. – Минск : Дизайн ПРО, 2002.– 528 с., ил. 4. Самойлов, М. В. Производственные технологии (об-щие основы) : учеб.практ. пособие. В 2 ч. / М. В. Самойлов [и др.]. – Минск : БГЭУ, 2003. - 96 с. (Система дистанционного обучения). 5. Основы технологии важнейших отраслей промышленности: учеб. пособие для вузов. В 2 ч. /под ред. И. В. Ченцова. – Минск : Выш. шк., 1989. – 325 с. 6. Самойлов, М. В. Производственные технологии : лаб. практикум /М. В. Самойлов [и др.] Минск : БГЭУ, 1999. – 163 с. 7. Миронович, И. М. Производственные технологии. Основы технологии производства продукции химического комплекса : учеб. пособие /И. М. Миронович. – Минск : ОДО «Равноденствие», 2005. – 375 с. 8. Зайцев, С. А. Допуски, посадки и технические измерения в машиностроении : учебник для нач. профобразования /С. А. Зайцев, А. Д. Куранов, А. Н. Толстов. – Москва : Издательский центр «Академия», 2002. – 240 с. 9. Глазьев, С. Ю. Экономическая теория технологическо-го развития /С. Ю. Глазьев. – Москва : Наука, 1990. – 232 с. 10. Мосталыгин, Г. П. Технология машиностроения. /Г. П. Мосталыгин, Н. Н. Толмачевский. – Москва : Машино-строение, 1990. – 288 с. 11. Махаринский, Е. И. Основы технологии машинострое-ния /Е. И. Махаринский, В. А. Горохов. – Минск : Выш. шк., 1997. – 423 с. 12. Соколов, Р. С. Химическая технология : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. В 2 т. /Р. С. Соколов. – Москва : Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000. 13. Комар, А. Г. Технология производства строительных материалов : учебник для вузов по спец. «Экономика и управление в строительстве». – 2-е изд., перераб. и доп. /А. Г. Комар, Ю. М. Баженов, Л. М. Сулименко. – Москва : Высш. шк., 1990. – 446 с. 14. Флерова, Л. Н. Технология трикотажно-швейного производства /Л. Н. Флерова, Т. В. Голикова, Л. В. Золотцева. – Москва : Легкая индустрия, 1976. – 499 с. 15. Автоматизация проектно-конструкторских работ и технологической подготовки производства в машиностроении. Т. 1 / под общ. ред. О. И. Семенкова. – Минск : Выш. шк., 1976. –352 с., ил. 16. Зиндер, Е. З. Новое системное проектирование : информационные технологии и бизнес-реинжениринг / Е. З. Зиндер. // Системы управления базами данных. – 1995.– № 4.– С. 37–49; 1996.– № 1.– С .55–67; 1996.– № 2.– С. 61–76. 17. Наро, Ж. Система управленческого контроля. /Ж. Наро, В. И. Евдокимович, С. М. Мовшович. – Минск : БГЭУ, 2003. – 133 с. (Серия "Экономика", вып. 8). 18. Прокопюк, А. Использование ERP-систем в бизнесе /Проблемы развития предпринимательства в Гомельском регионе : материалы республиканской научнопрактической конференции (22–23 декабря 2004 года, г. Гомель); под общ. ред. А. А. Наумчик.— Гомель : УО БТЭУ ПК, 2004.— 349 с. 112 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................3 ГЛАВА 1. МЕСТО ТЕХНОЛОГИИ В ОБЩЕСТВЕ И ПРОИЗВОДСТВЕ ................4 1.1. Понятие технологии. Характеристика разновидностей технологии ......................4 1.2. Роль производственной деятельности в современном обществе и производстве 4 1.3. Связь технологии и экономики в производственном процессе ..............................5 1.4. Основные направления НТП в современных условиях ...........................................6 ГЛАВА 2. ЕСТЕСТВЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ КАК ОСНОВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ .......................................................................................8 2.1. Типизация технологических процессов............................................................................8 2.2. Механические процессы, используемые в технологии............................................8 2.3. Гидромеханические процессы в технологии ..........................................................10 2.4. Тепловые процессы....................................................................................................10 2.5. Массобменные процессы в технологии...................................................................11 2.6. Химические процессы, используемые в технологии .............................................12 2.7. Биологические процессы, используемые в технологии.........................................12 ГЛАВА 3. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА................................................................................13 3.1. Классификация технологических процессов по способу организации 13 3.2. Классификация технологических процессов по кратности обработки сырья .....13 3.3. Классификация технологических процессов по виду используемого сырья, уровню автоматизации, отношению к используемым ресурсам ..........................14 ГЛАВА 4. ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ .....................................................................................16 4.1. Основные параметры технологических процессов ................................................16 4.2. Анализ технологических процессов ........................................................................16 ГЛАВА 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ, ФОРМИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ......................................18 5.1. Законы формирования технологических процессов ..............................................18 5.2. Законы функционирования технологических процессов ......................................18 5.3. Законы развития технологических процессов ........................................................19 5.4. Закономерности формирования и развития технологических систем .................20 ГЛАВА 6. ОЦЕНКА НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА .......................................................................................................................23 6.1. Анализ и характеристика существующих моделей оценки научнотехнологического развития производства...............................................................23 6.2. Показатели технологичности создания изделий ....................................................24 6.3. Оценка организационно-технического уровня производства ...............................26 ГЛАВА 7. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ И МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВАЯ БАЗЫ ПРОИЗВОДСТВА ...........................................................................................................28 7.1. Топливно-энергетический комплекс и перспективы его развития.......................28 7.2. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии...................................28 7.3. Классификация минерально-сырьевых ресурсов ...................................................29 7.4. Комплексное использование минерально-сырьевых ресурсов .............................29 7.5. Воздух и вода в промышленности ...........................................................................30 ГЛАВА 8. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ ..............32 8.1. Химическая промышленность..................................................................................32 8.2. Особенности химико-технологических процессов ................................................32 8.3. Основные технологические понятия и определения ХТП ....................................33 113 8.4. Классификация химико-технологических процессов ............................................34 8.5. Материальный и энергетический балансы химико-технологических процессов35 8.6. Экономическая эффективность химического производства .................................36 ГЛАВА 9. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ .....................38 9.1. Применение серной кислоты ....................................................................................38 9.2. Сырье для производства серной кислоты................................................................38 9.3. Технология серной кислоты .....................................................................................39 ГЛАВА 10. ТЕХНОЛОГИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ...................................41 10.1. Классификация и применение минеральных удобрений.......................................41 10.2. Технология удобрений ..............................................................................................42 ГЛАВА 11. ОСНОВЫ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ..............................44 11.1. Виды топлива и их применение ...............................................................................44 11.2. Методы переработки твердого топлива...................................................................44 11.3. Технология коксохимического производства.........................................................45 11.4. Продукты коксования................................................................................................46 ГЛАВА 12 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ............47 12.1. Добыча и транспортирование нефти........................................................................47 12.2. Методы переработки нефти ......................................................................................47 12.3. Важнейшие нефтепродукты и их применение........................................................48 ГЛАВА 13. ПЛАСТМАССЫ И ИХ ПЕРЕРАБОТКА ..................................................51 13.1. Общие сведения о полимерных материалах и способах их получения ...............51 13.2. Состав пластмасс .......................................................................................................52 13.3. Технология получения изделий из пластмасс.........................................................53 13.4 Основные направления технологического прогресса в химической промышленности .......................................................................................................54 ГЛАВА 14. ОСНОВЫ БИОТЕХНОЛОГИИ .................................................................55 14.1 Основные понятия биотехнологии...........................................................................55 14.2. Сырьевая база и отдельные примеры биотехнологических процессов................56 ГЛАВА 15. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ...........58 15.1 Классификация и свойства строительных материалов и изделий ........................58 15.2. Основы технологии керамических изделий ............................................................61 15.3. Основы технологии стекла и изделий из него ........................................................62 15.4. Основы технологии минеральных вяжущих веществ (цемента, извести) ...........64 15.5. Специальные виды портландцемента и их технико-экономические показатели.....66 15.6. Получение бетона ......................................................................................................67 15.7. Применение железобетона........................................................................................68 ГЛАВА 16. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА НА СОВРЕМЕННОЕ ОБЩЕСТВО .................................................................................................69 16.1. Сущность технологического прогресса...................................................................69 16.2. Основные направления и перспективы научно-технологического развития ......70 ГЛАВА 17. ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ДАВЛЕНИЕМ.........................................71 17.1. Сущность и виды обработки материалов давлением .............................................71 17.2. Производство металлоизделий прокаткой ..............................................................71 17.3. Технология и оборудование процессов волочения и прессования.......................73 17.4 Производство металлоизделий ковкой и штамповкой...........................................74 ГЛАВА 18. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ...............76 18.1. Литейное производство – основная заготовительная база машиностроения ......76 18.2. Виды, свойства и получение литейных сплавов.....................................................76 18.3. Способы литья............................................................................................................77 18.4. Важнейшие проблемы и задачи литейного производства .....................................80 114 ГЛАВА 19. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА .......................................................................................................................82 19.1. Общая характеристика машиностроительного комплекса ....................................82 19.2. Системный характер машиностроительного производства ..................................83 19.3. Характеристика основных типов производств .......................................................85 19.4. Основы технологии и способы обработки металлов резанием.............................86 19 5. Технико-экономическое значение припуска на обработку ...................................88 19.6. Элементы режима резания ........................................................................................88 19.7. Структура и нормирование технологического процесса обработки резанием ...89 19.8. Режущий инструмент ................................................................................................90 19.9. Классификация металлорежущих станков ..............................................................91 19.10. Точность обработки и шероховатость поверхности ..............................................92 19.11. Общие сведения о допусках и посадках гладких цилиндрических соединений.94 19.12. Типовые соединения деталей машин.......................................................................95 ГЛАВА 20.МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ......................................................................................................................98 20.1. Задачи метрологического обеспечения ...................................................................98 20.2. Основные понятия процесса измерения ..................................................................98 20.3. Выбор средств измерения .........................................................................................98 ГЛАВА 21. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ОБРАБОТКИ НОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ..............100 21.1. Современные конструкционные материалы .........................................................100 21.2. Классификация, строение и свойства композиционных материалов .................101 21.3. Технология порошковой металлургии...................................................................102 21.4. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов.......103 21.5. Лазерные технологии ..............................................................................................104 21.6. Ультразвуковая интенсификация технологических процессов ..........................105 ГЛАВА 22. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА И ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ....................................................106 22.1 Роботизация промышленного производства.........................................................106 22.2. Роторно-конвейерные линии ..................................................................................106 22.3. Система автоматизированного проектирования...................................................108 ГЛАВА 23. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В УПРАВЛЕНИИ ПРЕДПРИЯТИЕМ.....................................................................................................................109 23.1 Автоматизированные системы управления производством................................109 23.2 Автоматизированные системы управления предприятием (АСУП) ..................109 23.3. Международные стандарты управления предприятием ......................................110 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .......................................................112 115 Учебное издание Мовшович Анна Васильевна ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ Пособие Редактор Л. Ф. Теплякова Тираж _______экз. 116
