1. Общая характеристика проектирования

Проектирование – это разработка комплекса технических и экономических решений, направленных на создание более прогрессивного (по сравнению с существующими) объектами (цеха отделения), или на совершенствование действующего объекта (проект реконструкции). Результатом завершения проектирования является проект, который представляет собой полный комплект проектной документации, по которой может быть построен новый объект, или перестоен (усовершенствован) действующий объект.

Проектирование выполняется по определенным правилам, которые выработаны длительным опытом разработки проектов и их реализации. Эти правила в отношении зданий и сооружений во времена СССР регламентировались государственными строительными стандартами, которые называются строительными нормами, например, СН-202-81. Требования, изложенные в СН, необходимо соблюдать и при проектировании в настоящее время.

Естественно, различные проекты имеют свои особенности, рассматривать которые не представляется возможным. Отметим лишь исключительно большие отличия в выполнении реальных и учебных проектов. Первые разрабатываются специальными проектными институтами, в которых работают большие коллективы проектировщиков разных специальностей (печники, механики, электрики, энергетики, строители и др.). Дипломный же проект выполняет каждый студент индивидуально, поэтому он может быть лишь миниатюрой реального проекта. Тем не менее, в дипломном проекте студент разрабатывает все те же вопросы, которые решаются в реальном проекте, конечно же, с гораздо меньшей широтой проработки.

Проектирование выполняется в несколько стадий (в 3 или 2).

Если проект не имеет близких аналогов, то проектирование ведется в 3 стадии. Они называются: 1-я – технико-экономическое обоснование (ТЭО); 2-я – технический проект (ТП) и 3-я – рабочие чертежи (РЧ).

ТЭО имеет целью показать техническую возможность и экономическую целесообразность постройки и эксплуатации проектируемого объекта, т.е. цех (отделение) может быть построен, запущен в работу и будет давать прибыль.

2-я стадия (ТП) содержит решение всех необходимых технических, организационных и экономических вопросов. Их перечень и методика решения будут рассмотрены в разделе 2. Отметим лишь, что дипломный проект в основном содержит разработки по этой стадии.

3-я стадия – рабочее проектирование – это вычерчивание всех необходимых чертежей, схем, графиков. По этой стадии наиболее сильно отличаются учебные проекты, от реальных. Дипломные проекты содержат 7-10 чертежей на листах формата А1, а реальные проекты – сотни, а не редко и тысячи чертежей.

2 СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРОЕКТА

2.1 Разработка технико-экономического обоснования проекта

Технико-экономическое обоснование (ТЭО) должно показать техническую возможность и экономическую целесообразность осуществления реконструкции базового термического подразделения. Только при достаточно обоснованном доказательстве того, что реконструкция обеспечит существенный положительный эффект, может разрабатываться проект. Чтобы выполнить необходимое обоснование нужно провести краткий, но предметный критический анализ работы предприятия и базового термического подразделения, основываясь на собранном во время преддипломной практики материале.

Начинать технико-экономический анализ следует с характеристики основных направлений деятельности предприятия, так как термическое подразделение является частью предприятия, и результаты его работы во многом зависят от состояния дел на предприятии. В целом по предприятию необходимо рассмотреть следующие вопросы: общая характеристика предприятия и особенности его работы в условиях перехода к рыночной экономике; форма собственности и структура управления предприятием; характер производства (массовое, серийное, единичное); основные виды товарной продукции и краткая ее характеристика; рынки сбыта и работа маркетинговых служб предприятия по их расширению; перспективы повышения качества продукции, снижения ее себестоимости и увеличения объема производства и реализации; роль термической обработки в обеспечении требований заказчиков и в дальнейшем повышении качества товарной и внутризаводской продукции.

При рассмотрении работы базового термического подразделения необходимо критически проанализировать: используемые марки стали и технологию термической обработки; уровень качества термообрабатываемой продукции и его стабильность; основное, дополнительное, вспомогательное оборудование и его планировку; удельные энергозатраты на термическую обработку и их обоснованность; долю затрат на термообработку в общезаводской себестоимости продукции. В результате этого анализа необходимо сделать заключение о том, что необходимо изменить (заменить, усовершенствовать). Например, если базой практики было термическое отделение листопрокатного цеха ЛП-4500, то такое заключение может быть примерно таким:

1) Камерные печи с выкатным подом используются для нагрева толстых стальных листов под нормализацию, закалку и высокий отпуск. Они имеют невысокий КПД, низкую удельную производительность. Повышенную трудоемкость загрузки и выгрузки изделий, существенную неравномерность температуры по длине, ширине и высоте рабочего пространства и садки печи. Учитывая, что производство массовое, эти печи, вероятно, будет целесообразно заменить роликовыми печами или другими печами непрерывного действия.

2) Для закалки используются обычные закалочные ванны, в которых листы охлаждаются в свободном состоянии холодной водой и при этом сильно коробятся. В связи в этим после высокого отпуска изделия правятся на ролико-правильной машине и прессе с значительной пластической деформацией, что приводит к возникновению больших остаточных напряжений и ухудшению качества изделий. Следовательно, закалочные ванны необходимо заменить на такие закалочные устройства, которые обеспечат быстрое охлаждение и минимальное коробление листов.

3) Технико-экономические расчеты, приведенные в экономической части данного проекта, показывают, что реконструкция термического отделения с заменой камерных печей и закалочных ванн обеспечит получение следующих положительных результатов:

а – уменьшатся энергетические затраты на….КДж на одну тонну термообрабатываемых листов;

б – снизятся затраты на термообработку одной тонны листов на…грн.;

в – снизится себестоимость термообработки на ….грн/т;

г – срок окупаемости затрат на реконструкцию составит….лет, (месяцев);

д – повысится качество и конкурентоспособность продукции.

Таким образом, реконструкция термического отделения цеха ЛП-4500 технически возможна и экономически целесообразна, в связи с чем разработка проекта реконструкции также целесообразна.

При выполнении проекта по другому базовому термическому подразделению заключение в ТЭО в пунктах 1 и 2 может значительно отличаться. Однако в главном (в пункте 3) оно должно быть примерно таким же.

2.2 Номенклатура (сортамент) обрабатываемых изделий и составление расчетной годовой программы

Номенклатура (сортамент) это перечень всех изделий (деталей), которые должны будут согласно дипломному заданию термообрабатываться в реконструируемом отделении. Например, если заданием предусмотрено реконструировать отделение для термической обработки толстого стального листа для судостроения, то в перечень должны быть включены все типо-размеры этих изделий, обрабатываемых в базовом отделении. Каждое изделие, отличающееся от других по размерам, марке стали или какому-либо другому параметру, должно быть внесено в перечень отдельной строкой.

Номенклатура составляется в табличной форме (таблица 2.1) и содержит сведения об изделиях, которые будут необходимы при решении различных задач проекта.

При составлении номенклатуры необходимо изделия вносить в таблицу в такой последовательности, чтобы они составляли однотипные группы по марке стали и процессу термообработки. Например, в данном случае в таблицу сначала нужно внести все листы из стали 09Г2, а затем – из стали 10ХСНД. Такая группировка облегчает работу по составлению расчетной годовой программы

Расчет годовой программы проектируемого отделения производится на основе заданной программы, которая предусматривает выпуск годных изделий. Так как в производстве всегда часть изделий бракуется (условно или окончательно), то объем термообработки изделий должен быть увеличен, чтобы компенсировать потери от брака. Например, заданием предусматривается выпустить 1000 тонн термообработанных изделий. Если брак (условный и окончательный вместе) составляет 2 %, то для выполнения задания потребуется термообработать не 1000 тонн, а 1000 + 0,02·1000 = 1020 тонн изделий. Данные об условном и окончательном браке необходимо взять во время практики в базовом цехе.

Расчетная программа составляется в табличной форме (таблица 2.2). В дипломных проектах обычно в таблицу вносятся не все изделия, а только изделия-представители по одному от каждой группы однотипных изделий. В качестве изделия-представителя выбирается то,

Расчетная программа составляется в табличной форме (таблица 2.2). В дипломных проектах обычно в таблицу вносятся не все изделия, а только изделия-представители по одному от каждой группы однотипных изделий. В качестве изделия-представителя выбирается то, которое наиболее типично для данной группы. Однако в случае обработки крупногабаритных изделий в графу «размеры изделия» дополнительно вносятся размеры наиболее крупногабаритного изделия данной группы, что в дальнейшем позволит выбрать такое оборудование, которое обеспечит обработку всех изделий, в том числе и наиболее крупных. Масса изделий всей группы в расчетной программе приписывается изделию-представителю.

Иногда, например, при термообработке рельсов, сортамент обрабатываемых изделий небольшой, поэтому в таблицу 2.2 вносят все изделия.

Таблица 2.1 – Номенклатура изделий (деталей), обрабатываемых

в реконструируемом термическом отделении

№ п/п	Наименование изделия и номер стандарта	Марка стали	Размеры изделия, мм			Масса, кг	Массовая* доля в производстве, %
			длина	ширина, диаметр	толщина
1	2	3	4	5	6	7	8
1.	Лист категории Е36, ГОСТ…	09Г2	9000	3000	20	4200	3,4
2.	Лист категории Е36, ГОСТ…	09Г2	6000	3000	20	2800	2,6
.	--------	---	---	---	---	---	---
.	--------	---	---	---	---	---	---
26.	Лист категории Е40, ГОСТ…	10ХСНД	6000	2500	30	3510	3,2

* Определяется из условия, что все изделия, подлежащие термообработке по дипломному заданию, составляют 100 %.

Таблица 2.2 – Расчетная программа термообработки толстолистовой судостали

№ п/п	Наименование изделия- представителя	Габаритные размеры, мм*			Масса изделия, кг	Годовой выпуск изделий данной группы, т	Брак, %		Расчетный годовой объем термообработки изделий, т
		длина	ширина	толщина			Условный	Оконча- тельный
1 .	Лист категории Д36, ГОСТ…….	9000 (12000)	3000 (3400)	20 (40)	4200	10000	1,2	0,8	10200
2.	Лист категории Д36, ГОСТ…….	8000 (12000)	2800 (3200)	20 (32)	2200	15000	1,4	0,6	15300
.	……………	---	---	---	---	---	---	---	---
.	…………...	---	---	---	---	---	---	---	---

• В скобках приведены максимальные габаритные размеры изделий в каждой группе.

2.3 Анализ условий работы изделий и выбор марок стали

Изделия подвергают термообработке с целью получения таких структуры и свойств, которые обеспечивают им надежную и длительную эксплуатационную стойкость, или определенные технологические свойства. Условия эксплуатации различных изделий (деталей) чрезвычайно разнообразны. В связи с этим в каждой конкретной детали, работающей в определенных условиях, необходимо получить определенную структуру и свойства. Формирование же структуры и свойств предопределяется химическим составом стали и термической обработкой, поэтому для того, чтобы осознанно выбрать и обосновать марку стали и вид термообработки, необходимо четко представлять и описать по литературным данным условия эксплуатации изделия и их особенности (специфичность).

Описание условий работы должно быть детальным и конкретным, а не состоять из общих фраз типа: подвергаются интенсивному износу, высоким ударным нагрузкам, высоким…. и т.д. Если заданием предусмотрено изделие, которое должно подвергаться окончательной термообработке, то рекомендуется провести анализ по следующей схеме:

1) Выявить характер приложения нагрузки (статическая, динамическая, знакопостоянная, знакопеременная, сосредоточенная, равномерно распределенная и т.п.) и ее предельную величину.

2) Величина и характер действующих напряжений (растягивающие, сжимающие, касательные, всестороннего растяжения, смешанная схема напряженного состояния и т.д.).

3) Особые условия работы (повышенная или высокая температура, агрессивная среда, условия износа и др.).

4) Особенности воздействия различных факторов в конкретной их совокупности на надежность работы детали и длительность ее эксплуатации.

5) Какой химический состав стали всей детали или определенного ее слоя, и в каком структурном состоянии обеспечит необходимые механические и эксплуатационные свойства.

Нахождение необходимых литературных данных для описания условий эксплуатации обычно вызывает существенные затруднения, поэтому руководителю еще при выдаче задания необходимо учесть, как будет решаться вопрос по подбору литературы. В качестве первого источника можно рекомендовать учебник [1], в котором рассматриваются условия эксплуатации многих изделий, хотя и без необходимой детализации. Затем необходимо попытаться найти литературу, специально посвященную рассмотрению работы данного изделия, или машины (узла), в которой работает данная деталь. Например, если заданием предусмотрена термообработка валка горячей прокатки, то необходимо найти специальную литературу по производству и обработке этих валков.

По завершению анализа условий эксплуатации надо оценить, как соответствуют этим условиям требования ТУ. Очень часто для нестандартных изделий заводские ТУ регламентируют только твердость, тогда как для обоснованного выбора марки стали и разработки технологического процесса термообработки необходимы развернутые требования, т.е. требования по многим механическим характеристикам, например, σ_в, σ_т, δ, КСU (KCV) и другим. В таких случаях, руководствуясь рекомендациями технической литературы, материалами конструкторских бюро и ЦЗЛ завода, студент должен сам сформулировать развернутые требования ТУ.

В случае обработки стандартных изделий ТУ соответствующих стандартов (ГОСТов, ДСТУ и др.) содержат развернутые требования, которые не допускается ни расширять, ни сужать.

На основе проведенного анализа условий эксплуатации изделия и требований ТУ или ГОСТа, предъявляемых к нему, по рекомендациям справочной литературы выбирается для рассмотрения несколько марок стали, которые предположительно могут удовлетворять предъявляемым требованиям. Далее составляется таблица, в которую вносят цифровые данные требований ТУ или ГОСТа и фактические значения механических характеристик, которые могут быть получены в изделии данного сечения после соответствующей термообработки. Рекомендуется следующая форма таблицы:*

Сопоставляя данные механических характеристик, делается заключение, какие стали с достаточной гарантией удовлетворяют требованиям ТУ. Если таких сталей несколько, то производится сопоставление по цене, хотя бы качественно, а затем делается заключение, какая из рассматриваемых сталей является оптимальной для данного изделия, т.е. обеспечивает требуемые свойства и наиболее дешевая.

После выбора марки стали приводится ее химсостав, и описывается роль элементов, входящих в состав этой стали.

Таблица 2.3 – Рекомендуемая форма сопоставления сталей

Марка стали и вид термообработки	Сечение (толщина изделия), мм	σв, МПа	σт, МПа	δ, %	KCV при tоС, МДж			Цена 1 т стали
					+ 20	– 20	– 40
Требования ТУ	100	≥ 700	≥ 500	≥ 12	≥ 0,6		≥ 0,3
40Х, з+о
45Г2, з+о
40ХН, з+о

* В таблице приводятся только те свойства, которые регламентируются ТУ.

При этом необходимо рассматривать влияние элементов до тех концентраций, которые примерно соответствуют, или незначительно превышают содержание элементов в выбранной стали. При этом основные данные необходимо иллюстрировать графиками, а иногда – и таблицами. Эти графики приводятся в пояснительной записке и на демонстрационном листе формата А1.