Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

Для управления комбинированными производствами, их проектирования, проведения комплексных исследований необходимо готовить специалистов, хорошо знающих общие научные основы и типовые этапы проектирования цехов, основы расчета оборудования и составления балансов материальных потоков. Эту задачу выполняет курс «Основы проектирования и оборудования цехов».

Рост металлургического производства и необходимость решения важнейших задач, которые возникли перед российской металлургией при переходе к рыночной экономике в условиях глобализации, интеграции в мировую металлургию, требуют от отрасли серьезной модернизации и крупных инвестиций. Все это осложняется высоким физическим и моральным износом технологического оборудования, относительно малой долей продукции с высокой добавленной стоимостью. Поэтому металлургическая отрасль России нуждается в серьезной реструктуризации, для которой необходимы качественные проекты, соответствующие требованиям постиндустриального общества. Металлургия остается основным поставщиком композиционных материалов, без которых невозможно возрождение всей российской экономики. Новый импульс развития металлургии дают начавшиеся процессы вертикальной и горизонтальной интеграции предприятий, диверсификация продукции и производственных связей, информатизация инвестиционного менеджмента, в том числе принятия проектных решений, в условиях жесткой конкуренции всех видов инжиниринга. Таким образом, необходимость изучения курса «Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов» связана, с одной стороны, с теми объективными кардинальными изменениями, которые произошли в стране, с другой − с новизной самого подхода к проектированию производств, определяемого оригинальными требованиями принятия инвестиционного решения в условиях рынка. С учетом предлагаемого к освоению объема материала курс ««Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов» занимает одну из важнейших позиций в подготовке специалистов-металлургов.

Курс лекций рассчитан на студентов, обучающихся по специальности «Порошковая металлургия, композиционные материалы, покрытия», и состоит из трех разделов. Первый раздел посвящен основам проектирования металлургических цехов, второй раздел призван ознакомить обучающихся с основами технологического проектирования. В третьем разделе курса отражены вопросы выбора оборудования и применения различных аппаратов в

ВВЕДЕНИЕ

цехах порошковой металлурги. Так как курс рассчитан на аудиторию, обучающихся по специализации «Композиционные материалы на основе полупроводников» и «Композиционные материалы на основе керамики», авторы посчитали необходимым также посвятить часть лекционного материала вопросам проектирования особочистых помещений, проектированию керамических производств. Параллельно в третьем разделе курса лекций рассматриваются примеры оборудования, применяющегося в керамической промышленности и при получении особочистых полупроводниковых материалов.

Авторы сделали попытку в относительно небольшом объеме учебного пособия изложить основные сведения о современном типовом оборудовании общехимического назначения.

Учитывая весьма обширные сведения и сжатые сроки освоения материала, по некоторым видам оборудования авторы сочли возможным остановиться только на особенностях конструкции, эксплуатации и специфических расчетах. Знакомство с некоторыми расчетами по оборудованию вынесено на практические занятия.

Ккаждому разделу курса приведен рекомендательный список основной

идополнительной литературы. Ссылки на сайты помогут студенту более оперативно и углубленно ознакомиться с дополнительными данными по оборудованию, применяющемуся к настоящему времени на отечественных и зарубежных металлургических заводах.

Также в конце издания даются список основных терминов и перечень нормативных документов, используемых при строительном и технологическом проектировании (см. прил.).

РАЗДЕЛ I

ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ1 Введение в курс. Основные направления

развития порошковой металлургии

План лекции

1.Аналоги и конкуренты технологии порошковой металлургии.

2.Узловые точки научно-технического прогресса.

3.Назначение и состав завода.

4.Проектное (документальное) представление завода.

5.Проектная мощность и производительность производственных це-

хов.

Порошковая металлургия − новый технологический метод, применяемый для производства порошков металлов, металлических и металлоподобных соединений (с углеродом, бором, азотом, кремнием); различных сплавов; металлокерамических изделий на основе вышеперечисленных порошков формованием и спеканием при температурах ниже точки плавления основного металла композиции.

В научном аспекте отрасль порошковой металлургии объединяет соб-

ственно порошковую металлургию, композиционные материалы и порошковые покрытия.

Номенклатура продукции порошковой металлургии сложна и разнооб-

разна. Из порошков железа, цветных металлов, тугоплавких соединений и редкоземельных элементов на их основе получают: конструкционные спеченные материалы; магнитомягкие и магнитотвердые материалы; пористые проницаемые материалы; пористый, многослойный прокат; электродную наплавочную ленту; резисторные, термоэлектрические, полупроводниковые, термоэмиссионные материалы; электроконтактные материалы и т. д.

Номенклатура композиционных материалов включает:

•высокомодульные армирующие элементы;

•армированные металлические материалы;

•композиционные эрозионностойкие и термостойкие огнеупорные материалы;

•теплоизоляционные и теплозащитные материалы;

•эластичные нагревательные элементы.

Номенклатура порошковых покрытий представлена:

•однокомпонентными порошками (алюминия, бора, ванадия и т. д.);

•оксидами (оксиды алюминия, гафния, бериллия, кремния и т. д.);

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 1 Введение в курс. Основные направления развития порошковой металлургии

•порошками тугоплавких соединений (бориды вольфрама, ванадия, ниобия и др.);

•порошковыми смесями (карбиды титана, хрома, никеля и т. д.);

•композиционными порошками (никель−алюминий, никель−графит, никель−хром−бор−кремний и т. д.).

Основными направлениями развития отрасли являются:

– создание и освоение технологических процессов и оборудования для формирования и спекания машиностроительных деталей сложной формы с использованием холодного, а также статического и горячего динамического прессования, штамповки, прокатки, электроразрядного спекания и энергии взрыва;

– создание и освоение производства спеченных дисперсно-упрочнен- ных и армированных волокнами жаропрочных композиционных и огнеупорных материалов на основе безкислородных тугоплавких соединений, порошков металлов и сплавов;

– создание и освоение производства спеченных материалов для деталей машин, приборов, оснастки, работающей при высоких напряжениях и температурах;

– создание и освоение новых электроконтактных материалов для разрывных и скользящих контактов, приборов и агрегатов с высокими характеристиками надежности, магнитомягких материалов для работы в полях постоянного и переменного тока с минимальными магнитными потерями и магнитной проницаемостью.

Аналоги и конкуренты технологии порошковой металлургии

Развитие порошковой металлургии в машиностроении и приборостроении обусловливается непрерывно растущей потребностью в изделиях и материалах, которые невозможно получить другими методами, и необходимостью улучшения и удешевления выпускаемой продукции.

Получение однородных сплавов из металлов, взаимно не растворяющихся в жидком состоянии, весьма затруднительно, так как различие в удельных весах вызывает расслоение этих металлов при расплавлении. Такие компоненты, как вольфрам и медь, медь и графит, вольфрам и серебро, сурьма и графит, железо и свинец и другие, более сложные композиции, не удается сплавить между собой и получить однородные сплавы. Порошковая металлургия позволяет изготовить указанные сплавы и такие, которые содержат наряду с металлами и неметаллические компоненты: графит, кремнекислоту, асбест, оксид алюминия. Отдельные зерна металлокерамических материалов могут входить в состав более крупных структурных комплексов (агрегатов, гранул), в силу чего такие материалы более термостойки, лучше переносят воздействие циклических колебаний температур, напряжений и ядерных облучений. На этих материалах меньше сказывается неблагоприятное влияние предпочтительной ориентации зёрен (текстура). Метод порошковой метал-

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 1 Введение в курс. Основные направления развития порошковой металлургии

лургии позволяет изготовлять пористые изделия и материалы, которые затем подвергаются пропитке машинным маслом, легкоплавкими металлами и т. д.

Благодаря высокой производительности автоматического оборудования, особенно при прессовании, экономному использованию металлов, повышенной точности изготовляемых изделий, оказалось возможным получать методами порошковой металлургии отдельные изделия быстрее, дешевле и качественнее, чем методами технологии машиностроения: литьём по выплавляемым моделям, в оболочковые формы, под давлением, холодной и горячей штамповкой, свободной ковкой или обработкой резанием на металлорежущих станках.

Методы литья в оболочковые формы, по выплавляемым моделям и под давлением являются прогрессивными методами, но при их использовании применяются дорогостоящие материалы и высококвалифицированная рабочая сила, наблюдаются значительные потери металлов. Поэтому указанные методы нередко оказываются дороже метода порошковой металлургии.

Отливки, получаемые литьём под давлением, обычно менее прочны, чем металлокерамические изделия, кроме того, этим методом ещё не удается изготовлять стальные отливки.

Себестоимость же изделий при горячей штамповке и порошковой металлургии приблизительно одинакова, но точность металлокерамических изделий выше.

Свободной ковке в большинстве случаев подвергаются изделия с формой и размерами, неблагоприятными для изготовления их методами порошковой металлургии, поэтому заменить кованые изделия металлокерамическими можно только в редких случаях.

Основными недостатками механической обработки металлов резанием являются большие потери металлов в стружку, необходимость применения разнообразных и дорогостоящих металлорежущих станков, инструмента и использование рабочих высокой квалификации. Преимущество этого метода заключается в том, что прочность изделий из литого и подвергнутого обработке металла выше прочности изделий из металлокерамических материалов. Производительность обоих методов приблизительно одинакова.

Узловые точки научно-технического прогресса

Цикл глобальной эволюции техники и технологии (техноэволюции) в индустриальную и постиндустриальную эпохи можно представить в виде схемы закона информационного отбора. Цикл можно рассматривать, начиная с любого этапа. По традиции началом считается открытие, завершающееся научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами (НИОКР) по созданию новой материальной и нематериальной продукции − изделий, включая виртуальные их формы. Это могут быть новые виды техники; технологии; материалы; изобретательская инженерная деятельность.

Различают полный, ускоренный и виртуальный типы техноэволюции

(рис. 1).

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 1 Введение в курс. Основные направления развития порошковой металлургии

Рис. 1. Схема техноэволюции

Основными этапами полной техноэволюции являются: документ, отбор генотипов, реализация фенотипов, построение техноценоза, воздействие популяции, борьба за существование, воздействие экосистемы, информационный отбор, закрепление информации.

Основными этапами ускоренной техноэволюции считают документ, отбор генотипов, реализацию фенотипов, обратную связь на документ.

Основными этапами виртуальной техноэволюции являются: озарение, машинная реализация продукта (в частности, устройства, процесса, материала) или экологической опасности, моделирование жизнедеятельности в машинном мире, модельная оценка свойств и параметров продукта.

Этап создания документации на изделие (в том числе и на создание единицы техники в целом) называется конструированием. Состав и объем конструкторской документации оговорен системой стандартов ЕСКД. При конструировании устанавливаются следующие виды изделий детали, сборочные единицы, комплексы, комплекты.

Конструкторские документы подразделяются на чертежи деталей, схемы, спецификации, ведомости, пояснительную записку, технические условия, программу и методику испытаний, таблицы, расчет, эксплуатационные, ремонтные документы, патентный формуляр, карту технического уровня и качества изделия, инструкции.

По разработанной конструкторской документации осуществляется изготовление изделия на основе документации по технической подготовке производства и проектной документации, обеспечивающей выпуск продукции.

Таким образом, первый этап техноэволюции (НИОКР, изготовление изделия и его доводка) документально опирается на конструкторскотехнологическую деятельность − конструирование, которое и обеспечивает

первую узловую точку научно-технического прогресса.

Ключевая роль в материализации новейших достижений науки и техники отведена машиностроению во всех его видах, которое призвано выпускать системы и комплексы машин, оборудования и приборов.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 1 Введение в курс. Основные направления развития порошковой металлургии

Организации НИОКР осуществляют:

1)научные исследования в соответствующих областях промышленности;

2)разработку принципиально новых видов продукции и процессов, новых машин, приборов, механизмов и другого оборудования;

3)разработку научных, научно-технических и экономических прогнозов и предложений по основным направлениям развития науки, техники, технологии на перспективный период;

4)разработку новых материалов, конструкций, машин и оборудования будущего с целью перехода на новые технологические процессы;

5)анализ технико-экономического уровня производства и выпускаемой предприятиями отрасли продукции с целью повышения ее техникоэкономических показателей и разработку мероприятий по улучшению качества, повышению надежности и долговечности продукции;

6)авторский надзор за освоением в производстве новых разработок и технических процессов;

7)разработку опытных образцов продукции и технологических процессов производства, пусконаладочные работы и техническую помощь в освоении новых технологических процессов и промышленного производства новых видов продукции.

Вторая узловая точка научно-технического прогресса − создание и обеспечение функционирования цехов, производств, промышленных предприятий (организаций), отраслей, городов, регионов и других систем этого типа − построение техноценозов, что документально обеспечивается проектной деятельностью − проектированием.

Процесс собственно проектирования объекта строительства в общем случае состоит из двух этапов: 1) разработки проектной документации в составе технико-экономического обоснования (проекта, утверждаемой части рабочего проекта, бейсик-проекта) строительства и 2) составления рабочей документации для строительства.

Таким образом, проектирование подразделяется:

•на конструирование, обеспечивающее проектно-конструкторскую и технологическую документацию, обусловливающую выпуск изделия (техники, технологии, материала, продукции, отхода);

•проектирование, обеспечивающее выпуск проектно-сметной доку-

ментации для объектов инвестиций − капитального строительства, реконструкции и технического перевооружения;

• прогнозное проектирование, решающее перспективные вопросы развития отрасли (предприятия), города (региона) и сбалансировано определяющее необходимые ресурсы для функционирования каждого предприятия (производства, цеха).

Рост выпускаемых видов и разновидностей новых изделий, замена новых изделий новейшими являются одним из следствий научно-технической революции. Есть несколько причин этого явления, называемого вариофикацией: выпуск принципиально нового, занимающего незанятую «экологиче-

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 1 Введение в курс. Основные направления развития порошковой металлургии

скую» нишу; замена выпускаемой продукции, существующей технологии на новую и новейшую (наиболее типичный случай); увеличение разнообразия изделий внутри изготавливаемого семейства и выделение в нем новых рядов; усложнение самого изделия и его составляющих − комплектующих узлов и деталей; качественное изменение уровня технологии, необходимой для вы-

пуска продукции; ужесточение и увеличение разнообразия требований к исходным материалам (например, особо чистые); жесткие ресурсные, особенно энергетические и экологические, ограничения, вынуждающие разнообразить выпуск.

Назначение и состав завода

Металлургия − область науки и техники получения металлов из руд и других материалов с направленным изменением их химического состава, свойств, структуры и формы. Традиционно металлургию подразделяют на черную и цветную.

Металлургический завод (комбинат) − сложное многофункциональное предприятие, где взаимодействуют объекты основного технологического производства и обеспечивающие его вспомогательные службы и хозяйства, объекты и сооружения.

К объектам основного производства металлургического комбината относятся цехи по изготовлению полупродукта или готовой продукции. Вспомогательные хозяйства и службы должны обеспечить нормальное функционирование объектов основного производства. К ним относятся объекты и сооружения информационного сопровождения и обеспечения; внутризаводского транспорта; ремонтно-инструменталъного хозяйства; энергообеспечения и электроснабжения; складирования сырья и материалов; экологические и другие службы обеспечения надзора и безопасности; административно-бытовые корпуса, здания и помещения.

Основными объектами заводов металлургии являются производственные цехи, в которых изготовляется металлургическая продукция: промежуточная и готовые изделия. Современные цехи металлургического производства − сложные промышленные комплексы.

Их успешная работа зависит от технических и технологических, информационных и организационных, экономических и социальных факторов.

Решающее влияние на состав и экономические результаты работы современных цехов оказывает технология производства.

При нормальном функционировании комплекс основного производства должен обеспечивать:

• выпуск продукции требуемого качества в заданных номенклатуре и объемах при минимальных отходах обрабатываемого материала и минимальных затратах на функционирование системы (расходах по переделу);

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 1 Введение в курс. Основные направления развития порошковой металлургии

•эффективную производительность труда, сочетаемую с нормальными условиями работы обслуживающего персонала и требованиями техники безопасности;

•отсутствие (сверх нормированных) вредных выделений, как внутрицеховых, так и в окружающую среду (водный и воздушный бассейны).

Металлургический завод занимает ключевое место в существующей

5) производство; 6) цех; 7) отделение; 8) участок; 9) единичное оборудование (машина, механизм и другая техника; единичная установка), единичная технология; 10) единичный используемый материал (сырье); 11) единичная продукция; 12) единичный выброс (экологическое воздействие).

Проектировщика, принимающего технические решения по заводу в целом, называют главным инженером проекта (ГИП). ГИПу, как и любому специалисту, может быть рекомендовано правило: «Пять и ты посредине», т. е. во всех случаях для принятия эффективного решения необходимо владеть максимально полной информацией, соответствующей двум уровням вверх и двум вниз по приведенной иерархии.

Проектное (документальное) представление завода

Особенность недокументального представления завода (индивидуальность образа) в значительной степени определяется профессиональным уровнем специалиста.

Сам образ завода от образа отдельной единицы оборудования, агрегата, сооружения отличается размытостью. Отдельная единица оборудования (машина) как вид паспортно определена заводом-изготовителем.

Ее образ рождается в результате непосредственного наблюдения, рассмотрения, созерцания. Металлургический же завод, вообще говоря, не обойдешь и не осмотришь. Получить образ функционирующего (действующего) завода непосредственным осмотром может квалифицированный специалист (каждый − в своей области). И лишь квалифицированный специалист, точнее менеджер высокого уровня, представляет образ данного завода в целом и встраивает его в систему уже существующих у него образов, отмечая различия в известных ему областях (технологии, технике, компоновках, организации управления, качестве и сортаменте готовой продукции и др.).

Способ повышения квалификации − выстраивание для себя системы образов.

Проектное видение завода с технологической позиции может быть представлено схемой движения материалов (в частности, балансовой).

Следующим шагом в представлении более ясного образа завода является приведение основных показателей по агрегатам (установкам, сооружениям).

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 1 Введение в курс. Основные направления развития порошковой металлургии

Проектная мощность и производительность производственных цехов

Важнейшие показатели, характеризующие производственные цехи, − их проектная мощность и производительность.

Проектная мощность цеха − расчетное количество готовой продукции заданного сортамента и качества, которое может быть получено в цехе

втечение календарного года при освоении запроектированной технологии производства и оборудования, бесперебойном снабжении исходным сырьем, энергоносителями, материалами и сменным инструментом при организации современного менеджмента и высокой квалификации обслуживающего персонала.

Качественное соотношение разных видов и размеров готовой продукции, приведённое в задании на проектирование и принятое в расчете проект-

ной мощности, представляет программу производства цеха.

Производительность цеха определяется объемом готовой продукции, выпускаемой в единицу времени. Обычно рассчитывают часовую (или сменную) производительность цеха по заданному сортаменту как суммарную производительность установленных в цехе агрегатов (или комплексов оборудования), на которых осуществляется полный технологический процесс производства готовой продукции из поступающей в цех исходной заготовки.

Производительность агрегата или суммы агрегатов, установленных в цехе, зависит от разных факторов.

Выделим основные факторы:

1)орудия труда (собственно техника) и обеспечивающие производство здания, сооружения, сети;

2)материалы − исходное сырье во всех его видах;

3)технологию, характеризующую режимы обработки предметов труда,

втом числе по массе, размерам и качеству сырья, скорости протекания про-

цессов и режиму обработки, разбиваемую на технологические операции − выделенный технологический процесс изменения во времени свойств обрабатываемого материального продукта на технологических агрегатах, фиксируемых посредством контролируемых параметров;

4)готовую продукцию (по сортаменту, химическому составу, размерам, требованиям к качеству и т. п.);

5)выбросы (экологическое воздействие).

Технология является результатом научно-исследовательских разработок и для проектировщика, принявшего её, становится ключевым фактором, определяющим проектные решения (включая компоновку и планировку).

Контрольные вопросы

1.Назовите область применения метода порошковой металлургии.

2.Укажите виды номенклатуры продукции порошковой металлургии.

3.Укажите виды номенклатуры композиционных материалов.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 1 Введение в курс. Основные направления развития порошковой металлургии

4.Охарактеризуйте виды номенклатуры порошковых покрытий.

5.Сформулируйте основные направления развития отрасли.

6.Охарактеризуйте аналоги и конкурентов технологии порошковой металлургии.

7.Каковы этапы техноэволюции?

8.Охарактеризуйте узловые точки научно-технического прогресса.

9.Обоснуйте место металлургического завода в существующей иерархии.

10.Дайте определение проектной мощности цеха и производительно-

сти

ЛЕКЦИЯ2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

План лекции

1.Проектное дело и его эволюция.

2.Жизненный цикл инвестиционного проекта и этапы проектирования.

3.Организация проектирования и программа качества.

4.Задание на проектирование.

5.Порядок разработки и состав бизнес-плана.

По Далю, «проект − план, предположенье, предначертанье, задуманное, предположенное дело и само изложенье его на письме или в чертеже». Уже 200 лет назад стали различать, что проектировать − значит, предлагать чтолибо для последующего рассмотрения; набрасывать на бумагу планы построек или сооружений; чертить проекции на плоскость.

В XX в. понятие проектировать трансформировалось в деятельность:

•по оценке реализованных технических (иных) решений, прогнозу перспективы, тактике и стратегии развития производства и услуг;

•по проведению научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию образцов (серийного производства) техники, технологии, материалов;

•по выпуску проектно-сметной документации на капитальное строительство (инвестиционное проектирование, проектирование техноценозов).

Инвестиционное предложение (проект) может иметь отраслевой, ре-

гиональный или локальный (цеховой, заводской) характер.

Согласно ISO 9000, проект − ограниченное во времени целенаправленное изменение отдельной системы с установленными требованиями качества результатов, возможными рамками расхода средств и специфической организацией.

Проект можно классифицировать по следующим направлениям:

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

1)по основным сферам деятельности,

2)составу и структуре предметной области,

3)масштабу, длительности, сложности, характеру предметной области,

4)временной ограниченности продолжительности проекта (краткосрочный до трех, среднесрочный до пяти, долгосрочный свыше пяти лет),

5)отношению к финансированию, ограниченности ресурсов, неповторимости, новизне, комплексности, правовому и организационному обеспечению, разграниченности.

Инвестицией называют долгосрочные вложения капитала в отрасли экономики внутри страны и за границей.

Сфинансовой и экономической позиций инвестирование может быть определено как единовременное вложение экономических ресурсов в материальные активы и информационное обеспечение с целью создания и получения выгоды в течение длительного периода в будущем. Основной смысл

инвестирования − в преобразовании финансовых ресурсов (ликвидности) инвестора − собственных и заемных средств в производительные активы в виде основного и оборотного капиталов, а также в создании новой ликвидности при прибыльном использовании этих активов.

К инвестиционным проектам относят проекты, в которых главной целью является создание или реновация основных фондов. Цель инновационных проектов − разработка и применение новых технологий, ноу-хау и других нововведений.

Инвестиционный строительный проект есть совокупность организа-

ционно-технических мероприятий по реализации инвестиций в объекты капитального строительства в форме предпроектных, проектных, строительных, пусконаладочных работ по вводу объекта в эксплуатацию.

Проектное дело и его эволюция

Разделение на архитекторов и строителей, механиков и конструкторов уходит вглубь веков. В ходе процесса проектирования осуществлялись геологические изыскания, геодезические работы, экономические и математические расчеты площадей и объемов. Судя по раскопкам, в V−IV вв. до н.э. техника рисунка была высока, планировка зданий была четкой и выполнялась с указанием размеров. До конца XVII в. в чертежах отсутствует перспективное изображение и разрез. Основные требования к исполнению сооружения формулировались в тексте, а не в чертеже, имеющем поясняющее значение.

В эпоху Возрождения нормативная база проектных работ отсутствовала, но были эмпирические правила, альбомы с эскизами архитектурных форм, указаниями о конструктивных приемах, планировочных решениях, с записями о методах и последовательности выполнения работ, качестве и свойствах материалов.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

Инженерная строительная наука в современном ее понимании родилась в конце XVIII − начале XIX вв. Создавалась строительная механика, которая опиралась на труды Галилея (теория прочности тел), Гука (закон пропорциональности нагрузки и деформации), Мариотта (гипотеза о разрушении), Бернулли (пропорциональность изгибающего момента и прогиба балки), Эйлера (задачи по продольному изгибу), Лагранжа (нагрузка и стрела прогиба), Кулона (касательные напряжения и задача о кручении).

До начала XIX в. проектирование зданий и сооружений велось по эмпирическим формулам. В XIX − начале XX вв. родились стили: модерн, функционализм, конструктивизм. Решение конструктивных задач начинает основываться на расчетах и нормативной базе. Строительное дело у славянских племен, заселявших центральные районы России и Украины, находилось на сравнительно высоком уровне. При Ярославе Мудром в XI в. был издан «Строительный устав», который можно считать первым русским нормативным документом, отразившим технику и технологию строительства, высокий уровень которых отразился в применении в XII в. типовых конструкций (каждый венец сруба имел засечки − порядковый номер в стене снизу вверх). Идея сборного строительства в царствование Ивана III широко использовалась после пожаров 1472, 1476, 1488 гг., в восстановлении Москвы при Иване Грозном (после пожара 1551 г. за 28 дней собрали 3 км крепостных стен из 27,8 тыс. м3 древесины при объеме земляных работ 150 тыс. м3). Петр I использовал деревянные сборные дома, заготовлявшиеся на р. Тосне под надзором специальной канцелярии. В XVI−XVII вв. в России вообще широко применялось деревянное строительство. Указания о составлении чертежей заводов можно встретить в грамотах XVII в. Появляются государственные нормативы, используемые в проектах и сметах. В XVII в. зарождается рабочее проектирование.

При возникновении в 30-х гг. VII в. металлургических заводов под Тулой стали составляться чертежи и описания заводов. К середине XVII в. строительные чертежи уже подразделялись на проектные (со сметами, по ним выполнялись работы) и съемочные (на них изображались существующие здания).

В конце XIX − начале XX вв. роль научно-технических знаний в проектировании начинает преобладать. В России возникает несколько частных фирм, занимающихся проектированием: фирма Бари − в области стальных конструкций, Чаплина − в области сантехники, Ю. Гука − по железобетону, Линдлея − в области водоснабжения. Были организованы совмещенные фирмы по проектированию, строительству и эксплуатации зданий и сооружений: «Строитель», «Архитектор», «Инженер» и др.

К середине XIX в. строительная наука завоевывает твердые позиции: без инженера не проектируются значительные здания и сооружения. В инженерных учебных заведениях начинают готовить специалистов, которые обучаются чертежному и сметному делу.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

Получает развитие типовое (образцовое) проектирование. В 1843 г. утверждается альбом нормальных чертежей мостов разных конструкций, общественных, жилых, военных зданий и сооружений. Важнейшим элементом совершенствования проектного дела является развитие системы нормативных документов. Одновременно с изданием официальных нормативных документов в помощь проектировщикам и строителям выпускаются книги справочноинструктивного характера (Строительный устав, 1857).

Таким образом, к концу XIX − началу XX вв. в России складываются все элементы проектного дела: проектные отделы и конторы, инженерные изыскания, типовое проектирование, объемно-планировочные и конструкторские решения, инженерная проработка всех элементов строительства, сметная часть проектов.

Вначале 1920-х гг. в нашей стране были созданы первые комплексные проектно-изыскательские организации. Инженерные, архитектурные, экономические решения носили индивидуальный характер, что, собственно, и отражало зарождающиеся техноценологические свойства цехов, производств, заводов. Отсутствовали унификация технологических, объемнопланировочных и конструктивных проработок, сметные нормативы и методика определения сметных цен на строительные материалы и ресурсы.

В1926 г. был создан Государственный институт по проектированию

металлических заводов − Гипромез (Ленинград). Проектирование до 90-х гг. эволюционировало концептуально на основе первой научной картины мира, с лишь в малой степени учетом вероятностных отношений, интуитивным применением техноценологического подхода. Поэтому считалось, что в условиях планового хозяйства открываются широчайшие возможности рационализации проектного дела. Тем самым игнорировалось проявление одного из основных техноценологических свойств − индивидуальность каждого металлургического предприятия. Считалось, что все жилищное и социальнокультурное строительство, безусловно, должно быть стандартизовано.

Уже в начале 30-х гг. темпы проектирования стали отставать от темпов промышленного строительства. К началу 1950-х гг. проектирование складывалось из последовательных процессов: сбора исходных данных и изысканий, задания на проектирование; технорабочего проекта и рабочих чертежей (трех стадий: проектного задания, технического проекта и рабочих чертежей). Технический проект состоял из общей пояснительной записки и частей: технологической, энергетической, строительной, генплана, транспортной, экономической, сметной, спецификаций на оборудование, расходов по управлению производством, оргстроительству, а также паспорта проекта. Рабочие чертежи включали весь набор документации для заказа оборудования, материалов и строительно-монтажных работ.

После 1945 г. стало быстро расти количество и меняться качество всех видов оборудования и приборов. Вещественные, информационные, управляющие связи стали возрастать кратно: цехи, производства, заводы и отрасль

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

стали все в большей степени проявлять техноценологические самоорганизующиеся свойства в подтверждение того, что решение «в точке» не может быть оптимальным без соотнесения соответствующего проектного или иного решения с требованиями техноценоза в целом.

Теоретически эти положения не были восприняты (главным образом из-за неприемлемости ценологических взглядов по политическим мотивам). В то время как страны Запада в широких масштабах начали структурную перестройку экономики с упором на ресурсосбережение, использование новейших технологий и других достижений науки и техники, у нас научнотехнический прогресс затормозился. Сама система требовала перестройки, но путь, по которому мы пошли в 1991 г., нельзя, увы, признать оптимальным. В проектном деле произошли некоторые качественные изменения, которые потребовали анализа всего жизненного цикла строительной продукции, изменения организации проектирования (как стадийной, так и сущностной).

Жизненный цикл инвестиционного проекта и этапы проектирования

Основные этапы проектного обеспечения инвестиций (рис. 2, рис. 3), включая предпроектную и проектную подготовку строительства, и соответствующие виды проектной деятельности, установлены следующими нормативными и организационно-методическими документами Госстроя России:

1.СНиП 11-01-95. Инструкция о порядке разработки, согласования, утверждения и составе проектной документации на строительство предприятий, зданий и сооружений.

2.СП 11-101-95. Порядок разработки, согласования, утверждения и состав обоснований инвестиций в строительство предприятий, зданий и сооружений.

3.Типовое положение по разработке и составу ходатайства (декларации) о намерениях инвестирования в строительство предприятий, зданий и сооружений, утвержденное зам. министра строительства РФ 17 марта 1997 г.

4.Рекомендации по формированию инвестиционного замысла (целей инвестирования), одобренные письмом зам. министра строительства РФ от

13 марта 1997 г. № 9-4/31.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

Рис. 2. Основные виды проектной деятельности по обеспечению строительного объекта

Основные виды проектного обеспечения инвестиций (названные циклами), установленные этими документами, приведены на рис. 3.

Первый этап − определение цели инвестирования, номенклатуры проектируемой к выпуску продукции (услуг), назначения и мощности объекта строительства, места (района) размещения объекта инвестиций.

Второй этап − разработка заказчиком с учетом принятых на предыдущем этапе решений декларации (ходатайства) о намерениях инвестирования.

Третий этап − разработка обоснования инвестиций в строительство с участием проектно-изыскательской организации (проектировщика).

Четвертый этап − разработка проектной документации на строительство в составе его технико-экономического обоснования.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

Пятый этап − разработка проектировщиком рабочей документации для строительства.

Шестой этап − реализация инвестиционного проекта, в ходе которой происходит возведение (строительство, комплектация, монтаж и установка оборудования) объекта в соответствии с утвержденной проектной документацией, требованиями строительных норм, правил и других нормативов

Седьмой этап − выпуск намечаемой продукции и(или) оказание услуг в соответствии с общими целями инвестиционного проекта.

Восьмой этап − ликвидация и утилизация либо перепрофилирование данного предприятия, здания, сооружения на выпуск иной продукции и/или оказание других услуг вследствие такого уровня основных фондов (материального и(или) морального износа), который не обеспечивает необходимой эффективности инвестиционного проекта.

Рис. 3. Основные виды проектного обеспечения инвестиций

Организация работ в этом случае, как правило, начинается с первого этапа инвестиционного цикла.

Цикл разработки и реализации инвестиционного проекта, называемый инвестиционным циклом, состоит из трех основных фаз: прединвестиционной, инвестиционной и производственной.

Прединвестиционная фаза состоит из нескольких стадий:

первая − исследование возможностей инвестирования: формулируется проблема, исследуется рынок, определяются требования к продукту (услугам), формируется предварительный сортамент;

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

вторая − предварительное технико-экономическое исследование: оценивается жизнеспособность предлагаемого решения, т. е. формулируются и оцениваются альтернативные подходы (по разным критериям), выбирается и принимается рациональное решение;

третья − формулирование проекта или собственно техникоэкономическое исследование: предварительное планирование инвестиций, расчет эффективности проекта, документирование рационального решения, составление структуры закупок, формирование команды проекта;

четвертая − окончательная оценка проекта и принятие решения об инвестициях: апробируются разработанная концепция и проектные решения, анализируются и оцениваются риски, связанные с принятыми решениями;

пятая − проведение после принятия окончательного инвестиционного решения необходимых согласований и получение разрешения на строительство от местных и других уполномоченных на это учреждений.

Результирующие материалы прединвестиционной фазы находят отражение в технико-экономическом обосновании или в бизнес-плане. Инвестиционная фаза − подготовка структурного плана и проектно-сметных материалов. В условиях рыночной экономики, когда поставщиков (подрядчиков) выбирают, как правило, на конкурсной основе с проведением подрядных торгов, разрабатывают бейсик-проект, включая тендерные спецификации, которые становятся необходимой составляющей при организации подрядных торгов.

Организация проектирования и программа качества

Переход к рыночным отношениям изменил содержание проектной деятельности, потребовал ее расширения как ключевой проблемы качества. Виды деятельности, влияющие на качество проектной продукции (рис. 4), образовали неоканчивающийся цикл.

К основным требованиям качества строительного объекта необходимо отнести:

1)соответствие действующим стандартам, нормам и правилам;

2)соответствие обоснованным требованиям и ожиданиям потребителя строительного объекта;

3)стоимость возведения и функционирования объекта на протяжении всего жизненного цикла;

4)удобство для пользователя и населения эксплуатационных характеристик объекта (в том числе экологические характеристики, архитектурная

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

эстетика и функциональность, транспортные услуги, акустика и защита от шума, удобство для инвалидов и т. п.);

внутренняя

Рис. 4. Виды деятельности, влияющие на качество проектной продукции

5)технологическая осуществимость строительства и возможность применения указанных в проекте материалов, конструкций и узлов;

6)другие меры, обеспечивающие реализацию поставленных программой качества целей.

При разработке программ качества следует руководствоваться ISO 10005−95 «Административное управление качеством. Руководящие указания по программам качества».

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

-

Рис. 5. Схема организации группы, ведущей работы по инвестиционному проекту:

линии административного подчинения линии связи (информационного взаимодействия)

Организация работ по инвестиционному проекту обеспечивается полноценным участием и позитивным взаимодействием специалистов, представляющих интересы заказчика (инвестора), проектировщика и подрядчика (строителя). Типичная схема современной организации группы инвестиционного проекта представлена на рис. 5.

Задание на проектирование

Задание на проектирование объектов производственного назначе-

ния является неотъемлемой частью юридического соглашения (договора, контракта) на проектирование или на выполнение отдельных видов проектных работ (услуг) и представляет форму документированных входных дан-

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

ных проекта, включая исходные данные, требования к качеству и показатели качества проектной продукции.

Перечень основных данных и требований на разработку обоснований инвестиций в строительство включает основные данные о заказчикеинвесторе; местоположение предприятия, здания, сооружения; цели, источники, объем инвестирования.

На качество проектной продукции влияют:

1.Номенклатура и объем продукции (услуг).

2.Основные требования к технологии, производству, продукции и основному технологическому оборудованию.

3.Требования к архитектурно-планировочным, конструктивным и инженерным решениям.

4.Технические условия на присоединение.

5.Требования к окружающей среде.

6.Особые условия строительства (сейсмичность, группа грунтов и

проч.).

7.Намечаемые основные технико-экономические характеристики и показатели объекта.

Проектная документация разрабатывается в соответствии со СНиП 11-01-

95.

Задание на проектирование выполняет потребитель (заказчик проектной документации).

Рабочая документация должна соответствовать государственным стандартам системы СПДС и СТП Г 1.401. Обоснование инвестиций разрабатывают в соответствии с СП 11-101 и СТПГ 1.201.

Технологическое задание на проектирование. Для разработки обосно-

ваний инвестиций, проекта и проектной документации на строительство предприятий, зданий, сооружений (новое строительство, расширение, реконструкция, техническое перевооружение) необходима подготовка и выдача заявки и технического задания на выполнение технологических работ по соз-

данию основного технологического документа − технологического задания (ТЛЗ) на проектирование. ТЛЗ − это текстовый документ, в котором содержатся технические и технологические требования к исходному сырью, технологическим процессам и оборудованию, производимой продукции и состоянию поставки продукции, безопасности, экологической оценке и метрологическому обеспечению технологического процесса. Технологическое задание на проектирование является также основанием для выполнения технического задания (исходных требований) на разработку и изготовление оборудования.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

Техническое задание (ТЗ) на создание оборудования единичного про-

изводства − основной исходный документ для вновь создаваемого оборудования единичного и мелкосерийного производства, определяющий процесс разработки, изготовления и приемки в эксплуатацию первого экземпляра оборудования.

ТЗ разрабатывает, как правило, заказчик в соответствии с ГОСТ 15.005-

86.

ТЗ должно определять экономически обоснованные требования на создание комплектного оборудования, включающего комплекс взаимосвязанных агрегатов, машин и механизмов, обеспечивающих выполнение заданного технологического процесса для производства продукции, удовлетворяющей требованиям заказчика и действующих стандартов, конкурентоспособной на рынке сбыта.

В нем указываются полное наименование оборудования, для выполнения каких функций оно предназначается, основные задачи, решаемые в результате его использования (освоение технологии, выпуск новой продукции, повышение производительности, качества продукции, улучшение условий труда и др.).

Приводятся показатели оборудования (основные технические характеристики и параметры), характеристика объекта; данные об отечественных и зарубежных аналогах, соответствующих высшим мировым достижениям; результаты патентных исследований; выбор и обоснование базового оборудования из числа приведенных аналогов.

Порядок разработки и состав бизнес-плана

В общем случае инвестиционный процесс на своих ранних (предпроектных) этапах развивается следующим образом.

Первый этап − определение цели инвестирования, номенклатуры проектируемой к выпуску продукции (услуг), назначения и мощности объекта строительства, места (района) размещения объекта инвестиций.

На втором этапе инвестиционного процесса заказчик с учетом принятых на предыдущем этапе решений разрабатывает ходатайство (декларацию) о намерениях инвестирования (как правило, с привлечением консультанта на договорной основе).

На данном этапе могут также разрабатываться бизнес-план, осуществляться привлечение необходимых инвесторов, проводиться разработка и обоснование методов и схем финансирования инвестиционного проекта.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности

Бизнес-план − документ, разрабатываемый с целью уточнения сроков реализации отдельных инвестиционных проектов в рамках общей инвестиционной политики предприятия и обеспечения их финансовыми ресурсами. Бизнес-план разрабатывают на основании утвержденных обоснований инвестиций или проектной документации (проекта, рабочего проекта).

Бизнес-план включает анализ рынка продукции, производственную мощность и ее обеспеченность материальными, энергетическими, инвестиционными ресурсами, политику по использованию накоплений, источники собственных и заемных средств, оценку коммерческой и бюджетной эффективности.

Стандартный бизнес-план содержит следующие разделы: 1. Краткая характеристика состояния дел и принципиальные положения проекта. 2. Вид деятельности и анализ продукции (оказываемых услуг). 3. Анализ рынка сбыта. 4. План действий, намечаемых для реализации проекта. 5. Финансовая характеристика проекта.

Контрольные вопросы и задания

1.Дайте определение проекта согласно ISO 9000.

2.Каковы основы классификации проекта?

3.Дайте определение понятиям: инвестиционный проект и инвестиция.

4.Изложите основные этапы развития проектной деятельности

5.Каковы основные этапы проектирования?

6.Укажите основные фазы инвестиционного цикла.

7.Сформулируйте основные требования к качеству строительного объекта.

8.Что необходимо знать для разработки обоснований инвестиций в строительство?

9.Дайте определение понятиям: техническое и технологическое задание на проектирование

10.Какие разделы содержит стандартный бизнес-план?

ЛЕКЦИЯ3 Предпроектный и проектный периоды

проектирования

План лекции

1.Выбор площадки для строительства.

2.Технико-экономическое обоснование целесообразности строительства.

3.Проектный период.

4.Техно-рабочий проект.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 3 Предпроектный и проектный периоды проектирования

5.Технический проект.

6.Особенности реконструкции цехов.

Различают два периода проектирования − предпроектный и проектный. Проектирование нового строительства, расширение или реконструкция действующего предприятия осуществляется в соответствии с Генеральной схемой развития и размещения соответствующей отрасли промышленности. Генеральная схема позволяет согласовывать материальные, энергетические, трудовые, экономические и социальные параметры проектируемых

предприятий.

В предпроектный период выбирают площадку для строительства, разрабатывают технико-экономическое обоснование и составляют задание на проектирование.

Выбор площадки для строительства

Выбор площадки производится с соблюдением земельного, водного, лесного и других законодательств, связанных с охраной окружающей природной среды, с учетом проектов районной планировки городов страны, с учетом развития железных и автомобильных дорог, газопроводов, энергосистем, сетей связи.

При выборе площадки руководствуются следующими положениями:

1.Для размещения предприятий следует использовать малопродуктивные, не пригодные для сельского хозяйства земли.

2.Площадка должна быть относительно ровной и иметь уклон, обеспечивающий отвод вешних и дождевых вод.

3.Необходимо наличие достаточной мощности местных источников топлива, сырья, энергии, воды.

4.Должны быть гарантированы: наличие свободной рабочей силы в данном пункте и в ближайших населенных пунктах, удачное расселение ее недалеко от предприятия.

5.Грунты площадки должны допускать строительство зданий и сооружений без устройства дорогостоящих оснований. Уровень грунтовых вод на площадке должен быть по возможности ниже глубины устройства фундаментов, подвалов, тоннелей и т. п.

Ответственным за организацию выбора площадки, подготовку необходимых материалов, полноту согласований намеченных проектных решений является заказчик проекта. Он создает комиссию, в состав которой входят компетентные представители генеральной проектной организации, архитекторов, геологов, санитарной службы, водного хозяйства, землеустроители, лесоводы, Госпожнадзор, Гостехнадзор, автомобильных и железных дорог и др. Комиссия определяет пригодность площадки и составляет акт.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 3 Предпроектный и проектный периоды проектирования

От выбора площадки часто зависит возможность не только удачного решения вопросов, касающихся проектируемого предприятия, но и рационального использования всего экономического района. Поэтому выбирают несколько площадок в данном районе, производят технико-экономический анализ каждой площадки и выбирают наиболее экономичную.

Технико-экономическое обоснование целесообразности строительства

При проведении технико-экономического обоснования (ТЭО) целесообразности строительства (расширения, реконструкции) металлургического завода устанавливаются необходимость, возможность и эффективность осуществления строительства (расширения, реконструкции).

Необходимость строительства (расширения, реконструкции) металлургического завода обосновывается положением экономического характера − перспективной потребностью народного хозяйства в металлопродукции данного экономического района.

Установление возможности строительства (расширения, реконструкции) металлургического завода обосновывается положениями технического характера − наличием достаточных запасов и технических средств производства; наличием наиболее прогрессивных технических решений в области металлургического производства, планировочных архитектурно-строительных и санитарно-технических решений; наличием строительных площадок в данном экономическом районе для размещения металлургического завода.

Эффективность строительства (расширения, реконструкции) металлургического завода обосновывается положением технического характера − степенью повышения технического уровня производства, степенью непрерывности, интенсификацией производства, автоматизацией управления технологическими процессами, показателями качества готовой продукции.

Заключительной частью ТЭО является характеристика хозяйственного значения проектируемого металлургического предприятия.

Проектный период

После утверждения задания на проектирование начинают собственно проектирование. Различают проектирование в одну или две стадии.

При одностадийном проектировании разрабатывается техно-рабочий проект (технический проект, совмещенный с рабочими чертежами), при двухстадийном − первая стадия − технический проект и после его утверждения − вторая стадия − рабочие чертежи.

В настоящее время основным является одностадийное проектирование. Это позволяет сократить сроки и удешевляет проектирование. Проектирование в одну стадию обязательно для объектов, строительство которых произ-

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 3 Предпроектный и проектный периоды проектирования

водится по типовым или повторно применяемым экономичным, индивидуальным проектам.

Двухстадийное проектирование допускается для крупных и сложных строительных комплексов, когда требуется применение новой неосвоенной технологии, сложного технологического оборудования, и при особо сложных условиях строительства.

Стадийность разработки проектно-сметной документации устанавливается заказчиком в задании на проектирование. Металлургические предприятия проектируются в две стадии.

Техно-рабочий проект

При одностадийном проектировании основой является техно-рабочий проект. Его целью является установление технической возможности и экономической целесообразности предполагаемого строительства в данном месте и в намеченные сроки.

Техно-рабочий проект состоит из девяти основных разделов.

Всводной пояснительной записке приводятся краткое содержание проекта, представление и основные сведения о предприятии, его местоположение, вид строительства (новой, расширение, реконструкция); мощность и состав предприятия; сортамент основной продукции. Дается краткое изложение основных проектных решений и соответствие их действующим нормам и правилам.

Вэкономическом разделе приводится обоснование места строительства; указываются производственные связи предприятия; определение потребности в основных категориях рабочих и ИТР; рассчитывается производительность труда; энерговооруженность, себестоимость основных изделий; рентабельность предприятия; основные технико-экономические показатели и сравнение их с лучшими показателями отечественных и зарубежных предприятий;

Втретьем разделе дается характеристика площадки для строительства

итранспортного хозяйства, приводится генеральный план.

Технологическая часть является основой при проектировании. В ней рассматриваются следующие вопросы: характеристика выпускаемой продукции, оценка ее качества, прогрессивность и эффективность в народном хозяйстве, программа выпуска, состав предприятия и схема производства, характеристика и обоснование принятых технических решений и новых технологических процессов. Для всех основных цехов приводится программа выпуска, режим работы, схема технологического процесса цеха, выбор и количество основного оборудования и транспортных средств, обоснование принятого уровня средств механизации и автоматизации, управление качеством и организация контроля ка-

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 3 Предпроектный и проектный периоды проектирования

чества продукции, обоснование принимаемых площадей складского хозяйства, организация ремонтной и инструментальной служб и др.

Вэнергетическом разделе приводятся данные об установленной мощности потребителей электроэнергии, источники и схемы электроснабжения, выбор и определение количества основного оборудования, техникоэкономические показатели. Включаются данные по тепло- и газоснабжению, снабжению воздухом: о потребителях и источниках снабжения, выборе основного оборудования.

Встроительном разделе на основе применяемых типовых проектов должна быть дана характеристика основных зданий и сооружений, архитек- турно-планировочных решений, рассчитаны и спланированы бытовые помещения. При проектировании зданий и сооружений должны применяться единые строительные конструкции заводского изготовления.

Вразделе, посвященном водоснабжению (в том числе горячему), канализации, отоплению и вентиляции, рассчитывается расход воды и сточных жидкостей, выбор источников водоснабжения, очистных сооружений и места спуска сточных вод, применяемые способы очистки сточных вод, схемы водоснабжения, канализации, выбор основного оборудования.

Вразделе «Жилищное и культурно-бытовое строительство» указы-

ваются местоположение жилого района и потребность в жилом фонде, его расположение по отношению к проектируемому предприятию.

Вразделе по организации строительства приводится ориентировочный план осуществления строительства по годам, дается описание принятых методов производства работ по площадке в целом, и по крупным объектам, устанавливается потребность по годам в основных строительных материалах, полуфабрикатах, рабочих кадрах и др. Составляется строительный генеральный план с расположением постоянных и временных зданий, сооружений, дорог и др.

Законченные проекты рассматриваются на секции научно-технического совета генеральной проектной организации с участием представителей всех соисполнителей, строителей и заказчика. Затем проекты согласуются с органами государственного надзора и представляют на рассмотрение в отраслевое министерство.

Вотделе экспертизы проектов и смет экспертная комиссия проводит тщательное рассмотрение проектных материалов и составляет экспертное заключение на проект. После утверждения техно-рабочий проект выдается заказчику.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 3 Предпроектный и проектный периоды проектирования

Технический проект

Технический проект с генеральным планом и сметой разрабатывают с учетом очереди строительства (расширения, реконструкции), а также предельного развития металлургического завода при двухстадийном проектировании.

Проектно-сметные материалы технического проекта металлургического завода представляют собой совокупность взаимно увязанных между собой технических проектов отдельных основных производств, вспомогательных обслуживающих цехов:

1.Технические проекты отдельных общезаводских служб и организа- ционно-технических мероприятий, организации производства, организации труда и управления, организации строительства, создания необходимых условий труда, всестороннего обслуживания трудящихся, защиты окружающей среды, обеспечения трудящихся жильем, культурно-бытовыми и коммунальными предприятиями.

2.Схема генерального плана завода и генерального плана первой очереди строительства, схема генерального плана промышленного комплекса,

образуемого проектируемым − металлургическим заводом, предприятиями других отраслей промышленности и поселком для них.

3.Сметная документация (сметы отдельных цехов и служб, сводная смета завода в целом).

4.Сводная пояснительная записка обобщающего характера.

Технический проект − это документ, в котором на основании утвержденного ТЭО уточняются объемы строительства металлургического завода и его технико-экономические показатели. В техническом проекте детально разрабатываются технологические процессы для новых, неосвоенных еще видов производства, а также решения строительной части сложных зданий и сооружений.

Рассматриваются:

Технические вопросы: параметры основных производственных агрегатов и вспомогательного оборудования; технологический процесс производства − исходные материалы, операции технологического процесса производства продукции от подачи исходных материалов до получения готовых изделий, включая интенсификацию процессов и автоматизацию управления ими, качество готовой продукции; конструктивные решения основных производственных агрегатов и вспомогательного оборудования, включая механизацию процесса в целом и отдельные его операции; объемно-планировочные решения основных производственных агрегатов, вспомогательного оборудования, сооружений и коммуникаций; архитектурно-строительные решения

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 3 Предпроектный и проектный периоды проектирования

агрегатов, зданий, сооружений и коммуникаций; санитарно-технические решения зданий и сооружений − отопление, вентиляция, аэрация, кондиционирование, холодоснабжение, теплоизоляция, снижение уровня шума, улавливание пыли и газов; технические показатели производства − мощность и коэффициенты использования агрегатов, расходные коэффициенты сырья, расходы топлива, энергии, вспомогательных материалов, воды, коэффициенты использования площадей и объемы производственных и вспомогательных зданий и складов.

Организационные вопросы: структура производства и состав цеха − состав агрегатов и оборудования, производственное и хозяйственное кооперирование; организация производства − режим работы цеха и агрегатов, графики работы агрегатов и оборудования, техническая дисциплина и технический контроль; организация труда − штаты и численность работающих по категориям, нормы выработки и система оплаты труда, фонд заработной платы; организация управления − структура управления, автоматизированная система управления производством и технические средства ее осуществления; показатели организационного характера − степень механо- и энерговооруженности труда, производительность труда, уровень заработной платы.

Социальные вопросы: условия труда работающих − безопасность (охрана труда и техника безопасности), безвредность (охрана здоровья, напряженность труда); бытовые условия на производстве − санитарное обслуживание, общественное питание, медицинское обслуживание, культурное обслуживание, учебные помещения; защита окружающей среды − воздушного бассейна, водоемов и почвы, пылеулавливание, газоулавливание и использование газа, улавливание и очистка кислотных и щелочных растворов; промышленная эстетика; показатели социального характера − уровень квалификации рабочих, уровень техники безопасности, степень загрязнения окружающей среды, степень озеленения территории.

Экономического вопросы: сметная стоимость строительства цеха и удельные капитальные вложения, стоимость основных производственных фондов, структура капитальных вложений; смета производства, себестоимость продукции, расходы по переделу; отпускная стоимость продукции; экономические показатели − размер прибыли, рентабельность производства, срок окупаемости капитальных вложений, затраты производства на единицу товарной продукции.

Ниже приведены основные отличия технического проекта от технорабочего.

В необходимых случаях при разработке технического проекта могут быть пересмотрены и уточнены некоторые решения, принятые в ТЭО, что не допускается в техно-рабочем проекте.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 3 Предпроектный и проектный периоды проектирования

Если для намечаемого техническим проектом строительства потребуются дополнительные научно-исследовательские, экспериментальные или опытные работы, то должен быть приведен перечень этих работ с краткой их характеристикой.

Если при разработке технического проекта технико-экономические показатели будут ухудшены и стоимость строительства окажется выше, чем предусмотрено в технико-экономическом обосновании и задании на проектирование, то эти показатели и стоимость строительства подлежат переутверждению соответствующими министерствами и ведомствами.

На основе утвержденного технического проекта проводят подготовку ко второй стадии проектирования − изготовлению рабочих чертежей с одновременным составлением спецификаций на оборудование, разрабатывают документацию на пусковые строительные комплексы; осуществляют планирование и финансирование капитального строительства. По рабочим чертежам осуществляют строительные и монтажные работы, включая установку оборудования и устройство коммуникаций.

При разработке чертежей на фундаменты под оборудование обязательно должна быть дана их «привязка», т. е. расположение по отношению к строительным конструкциям. Фундаменты под оборудование не должны задевать башмаков колонн.

Общая сметная стоимость строительства предприятия устанавливается на основе сметно-финансовых расчетов на отдельные объекты, работы, затраты, объем основных строительных и монтажных работ с кратким описанием рекомендуемых методов производства работ по крупным объектам. В сметно-финансовом расчете устанавливается общая сметная стоимость строительства (расширения, реконструкции) металлургического завода, цеха и его сооружения.

Особенности реконструкции цехов

Наиболее эффективным способом повышения производительности и улучшения качества выпускаемой продукции в старых цехах является их реконструкция. Однако прежде чем приступить к реконструкции того или иного цеха, следует решить вопрос о том, целесообразна ли реконструкция вообще и не рациональнее ли просто закрыть устаревшее производство.

По форме реконструкцию подразделяют на неизбежную и директивную.

Экономически или социально неизбежная реконструкция диктуется не-

обходимостью резкого улучшения технико-экономических показателей, улучшения условий труда и покрытия дефицита рабочей силы.

Директивная реконструкция обуславливается общегосударственными интересами, необходимостью выпуска новой продукции и производится приказом сверху.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 3 Предпроектный и проектный периоды проектирования

По степени обновления основных фондов реконструкцию подразделяют на частичную и комплексную. Показателем, разделяющим эти виды реконструкции, является величина коэффициента обновления kоб основных производственных фондов. Коэффициент обновления − это отношение стоимости вводимых в действие основных фондов Фв к общей сумме основных фондов после реконструкции Фр

kоб = Фв .

Фр

Считают, что реконструкция является частичной, если этот коэффициент не превышает 0,5, и комплексной, когда коэффициент обновления больше 0,5.

Разновидностью частичной реконструкции является техническое перевооружение производства, т. е. комплекс мероприятий, направленных на повышение технического уровня отдельных участков производства, отдельных агрегатов.

Контрольные вопросы

1.Какие задачи выполняются в предпроектный период?

2.Какие аспекты учитываются при выборе площадки для строительства?

3.В чем разница одно- и двухстадийного проектирования?

4.Какие вопросы освещаются в техно-рабочем проекте?

5.Что представляет из себя технический проект?

6.Каковы особенности реконструкции цехов?

ЛЕКЦИЯ4 Характеристика генерального плана.

Схемы генеральных планов

План лекции

1.Принципы проектирования и порядок разработки генеральных планов.

2.Коэффициент застройки и использования площади.

3.Грузооборот и транспорт. Принципы проектирования транспортного обеспечения завода.

4.Совершенствование транспортных схем завода.

5.Энергообеспечение, энергосбережение, энергоменеджмент.

6.Водоснабжение, канализация и шламоудаление.

7.Структура и организация ремонтных служб отрасли.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

Генеральным планом промышленного предприятия называется план участка, отведенного под предприятие.

Рис. 6. Генеральный план промышленного предприятия

На плане должно быть показано расположение всех зданий, сооружений, рельсовых и безрельсовых дорог, подземных и надземных сетей, энергетических устройств, зеленых насаждений и ограждений с изображением рельефа территории площадки (рис. 6).

В основу классификации генеральных планов положен учёт направления технологического процесса, отраженного на схеме размещением основных цехов. Размещение цехов может быть последовательным, параллельным, более сложным, комбинированным (последовательно-параллельным, парал- лельно-последовательным), перпендикулярным, косоугольным (цехи располагают под углом и последовательно друг к другу).

Принципы проектирования и порядок разработки генеральных планов

На основе анализа опыта проектирования выработаны основные принципы построения генерального плана.

1. Расположение цехов должно соответствовать требованиям производственного процесса, обеспечивая его поточность, рациональные транспортные связи и условия для их автоматизации.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

2.Должно быть проведено зонирование территории. Необходимо обеспечивать компактные решения, что позволяет рационально использовать территорию.

3.Решения генплана должны предусматривать очерёдность строительства, возможность удобного, поэтапного расширения предприятия с использованием ранее построенных сооружений и основной идеи генерального плана (в рыночных условиях очерёдность и расширение видятся по-иному).

4.В проекте генплана должны быть учтены климатические, инженер- но-геологические и топографические особенности площадки.

5.Проект генплана должен обеспечивать благоприятные условия труда людей, включая решения по организации пассажирского транспорта, благоустройству, озеленению территории. Проектирование генеральных планов определяется в основном технологическими, транспортными и планировочными факторами.

После окончательного выбора площадки и технико-экономического обоснования разрабатывается ее генеральный план. Генеральный план вы-

полняют в масштабе 1:500, 1:1 000, 1:2 000, 1:5 000 и 1:10 000 в зависимости от размеров и сложности предприятия.

Генеральный план является комплексным инженерным документом, в котором представлены технические, организационные, социальные и экономические проектные решения, охватывающие проблемы как строительства, так и эксплуатации металлургического завода.

Кгенеральному плану прилагаются вертикальные геологические разрезы, приводятся данные о геологическом строении площадки, характере и свойствах грунта, уровне грунтовых вод, глубине промерзания, метеорологические условия.

Проектируемое предприятие должно быть обеспечено электроэнергией

(или иметь собственную теплоили электростанцию), водой, газом, иметь место для очистных сооружений, спуска сточных вод и производственных отходов, обеспечено телефонной и телеграфной связью. Поэтому наряду с генеральным планом составляют ситуационный план.

Ситуационный план − это карта местности в крупном масштабе, охватывающая промышленный район населенного пункта или территорию вне его, где должно быть размещено предприятие с нанесенными на него необходимыми коммуникациями.

Создание наиболее благоприятных микроклиматических условий достигается путем наиболее целесообразного взаимного расположения производственных цехов, выделяющих пыль и газы, с учетом характера «розы ветров» на площадке завода. Для построения «розы ветров» используют восьмирумбовую шкалу, т. е. шкалу, на которой различают север, юг, запад, восток и четыре промежуточных направления. На такой диаграмме показывают по-

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

вторяемость ветров по направлениям, %; скорость ветров по направлениям, м/с; температуру воздуха при ветрах различных направлений.

При разработке генерального плана взаимное расположение зданий и сооружений, разрывы между ними и другими близлежащими предприятиями, жилыми массивами должны приниматься в соответствии с санитарными нормами проектирования промышленных предприятий и противопожарными требованиями.

Коэффициент застройки и использования площади

Для оценки степени использования площади застройки Fз служат два технико-экономических показателя: коэффициент застройки и коэффициент использования площади.

Площадь застройки Fз − это сумма площадей, занятых зданиями, сооружениями, навесами, открытыми технологическими, энергетическими, са- нитарно-техническими устройствами, открытыми складами или площадками для хранения готовой продукции, эстакадами, подземными сооружениями, погрузочно-разгрузочными площадками и др.

Коэффициент застройки kз представляет собой отношение площади застройки к общей площади предприятия в ограде Fоб. Для новых заводов он составляет 0,35–0,45,

kз = Fз .

Fоб

Коэффициент использования площади kис − это отношение площади за-

стройки с добавлением площади под рельсовые и безрельсовые дороги, мощеные, бетонированные или асфальтированные площадки Fд к общей площади предприятия в ограде. Для новых заводов он составляет 0,45–0,55,

kис = FзF+обFд .

Чем выше эти коэффициенты, тем экономичнее генеральный план. Однако увеличение коэффициентов приводит к трудности реконструкции и расширения предприятия, озеленения его и создает ненормальные условия для работающего на нем персонала.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

Грузооборот и транспорт.

Принципы проектирования транспортного обеспечения завода

Важную роль в проектировании генерального плана играет транспорт, расходы на который составляют до 10 % капиталовложений.

Проектирование транспортного обслуживания предприятия производят на основании исходных данных на проектирование генерального плана завода в целом. При этом проектирование транспортного хозяйства базируется на следующих основных принципах:

1.Выбор кратчайших транспортных путей и, по возможности, исключение встречного движения и пересечения транспортных потоков.

2.Назначение минимального количества пунктов перевалки грузов.

3.Экономическая обоснованность выбора вида транспортных средств. Все перевозки металлургического завода делятся на три категории:

внешние; внутризаводские; внутрицеховые.

Основными данными для проектирования заводского транспорта является грузооборот и план расположения пунктов отправления и прибытия грузов.

Грузооборотом называется количество грузов, которое необходимо переместить за определенный период времени (год, квартал, месяц, сутки, час) в тоннах, штуках, кубических метрах. Расчет необходимого количества транспорта обычно производят по максимальному суточному грузообороту.

Внешний транспорт. Внешний транспорт − железнодорожный, автомобильный, водный, авиационный − осуществляет все перевозки вне заводской территории.

Железнодорожный транспорт нормальной колеи применяется для подвозки сырья, вспомогательных материалов, вывозки готовой продукции и является основным видом внешнего транспорта предприятия, особенно при большом удалении предприятия-поставщика и предприятия-заказчика.

Применение железнодорожного транспорта эффективно при суточном обороте предприятия, составляющем не менее 10 условных вагонов.

Автомобильный транспорт широко применяется при внешних перевозках. Его целесообразно применять в том случае, если отгружаемые партии готовых изделий относительно невелики, а заказчик и поставщик продукции связаны автотрассами. Автомобильные перевозки рентабельны при удаленности потребителя от заказчика на 150−400 км.

При разработке генерального плана необходимо ввод автомобильного транспорта на территорию завода располагать с противоположной стороны железнодорожному транспорту.

Водный транспорт является одним из самых эффективных видов при большом объеме перевозок или значительных габаритах перевозимой продукции. Его используют только для внешних перевозок: транспортировки

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

сырья, вспомогательных материалов, готовой продукции. Стоимость перевозки грузов водным транспортом в несколько раз дешевле, чем железнодорожным. Недостатком водного транспорта является сезонность его работы, что влечет за собой дополнительные капитальные вложения на строительство складских помещений.

Авиационный транспорт служит вспомогательным внешним видом транспорта. Применяется в основном для перевозки грузов в определенные и труднодоступные для других видов транспорта районы. В связи с постройкой большегрузных самолетов он находит все большее применение в качестве основного вид транспорта, что ускоряет доставку грузов потребителям и уменьшает стоимость.

Внутризаводской транспорт является либо продолжением внешних перевозок от пунктов примыкания транспортных коммуникаций или сортировочных станций до цехов и складов завода, либо межцеховыми перевозками.

Для внутризаводских перевозок применяются следующие виды транспорта: железнодорожный нормальной и узкой колеи; автомобильный; электрокарный; конвейерный.

Конвейерный транспорт − это экологически чистый, наиболее совершенный вид транспорта, основным преимуществом которого являются возможность полной механизации и автоматизации, высокая производительность.

В последнее время все большее применение в качестве внутризаводского транспорта находят электрокары и электропогрузчики различной грузоподъемности (до 80 т) и скорости продвижения (до 60 км/ч). Они практически вытесняют автомобильный транспорт.

Совершенствование транспортных схем завода

Для достижения экономичности, бесперебойности и надёжности в обслуживании основного производства транспортные схемы должны:

•полностью соответствовать генеральному плану завода, рациональному сочетанию разных видов внешнего и внутризаводского транспорта и обеспечивать наиболее короткие и удобные транспортные связи;

•обеспечивать поточность технологического процесса и возможность параллельного выполнения операций;

•на крупных заводах с полным циклом при значительных объёмах перевозок обеспечивать возможность кольцевого движения;

•учитывать требования маневренности и возможности организации дублирующих подъездов к основным грузовым фронтам и металлургическим агрегатам, предусматривать, как правило, изолированные пути на перегонах;

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

•проектироваться в увязке с количеством и перерабатывающей способностью фронтов погрузки-выгрузки с учётом возможного расширения завода;

•обеспечивать безопасность движения поездов и маневровой работы;

•обеспечивать высокую эффективность всех транспортных средств. Для осуществления технологического процесса в цехах порошковой

металлургии применяют транспортные средства как периодического действия (верхние и напольные), так и непрерывного (конвейеры).

Мостовые краны относят к верхнему транспортному оборудованию периодического действия. Их широко используют в цехах по обслуживанию технологического процесса. Основными параметрами работы мостовых кранов являются: грузоподъемность, пролет крана, высота подъема груза.

Данные краны работают в следующих режимах: легком: Кисп = 0,2;

среднем: Кисп = 0,2−0,4; тяжелом: Кисп = 0,4−0,7;

очень тяжелом: Кисп > 0,7.

По режиму работы крана определяют тип механизма главного подъема и рассчитывают несущую конструкцию крана. Крановая нагрузка является основным показателем, определяющим конструкцию главных элементов каркаса производственного здания − фундаментов и колонн.

Условно различают краны технологические и ремонтно-монтажные.

Технологические краны работают в среднем режиме. Их грузоподъемность определяется массой транспортируемой партии: контейнера со слитками, стопки листов металла и т. д.

Грузоподъемность в цехах порошковой металлургии не превышает 30−35 т. Ремонтно-монтажные краны работают в легком режиме (0,15−0,2). Их устанавливают в торце пролета во избежание сбоев в технологии. Грузоподъемность таких кранов определяется максимальной массой основных узлов оборудования: контейнер гидравлического пресса, комплект валков и т. д.

Для более эффективного использования кранов грузоподъемностью свыше 15 т их часто снабжают двумя лебедками главного и вспомогательного подъема и обозначают на плане дробным индексом: 30/5т. Кроме того, на плане цеха мостовой кран должен быть обозначен римскими цифрами. В цехах ПМ обычно применяют мостовые краны со следующей грузоподъемно-

стью: 5, 10, 15/3, 20/5, 30/5, 50/10, 80/20.

С целью уменьшения нагрузки на строительные конструкции цеха целесообразнее вместо одного тяжелого крана предусмотреть в проекте два крана меньшей грузоподъемности.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

Краны могут быть оснащены крюком, грейдером, клещами, лапами и т. д. Скорость передвижения моста типового мостового крана составляет 30−160 м/мин, крановой тележки − 10−60 м/мин, скорость подъема груза − до 60 м/мин. Между верхней отметкой крана и нижней отметкой стропильной фермы просвет должен составлять не менее 1,8 м.

Укрупненный расчет потребного числа мостовых кранов обычно проводят из расчета один кран на 80−100 м длины пролета для прокатного цеха, на 100−120 м для трубопрессового цеха и на 40−80 м для складов заготовок и готовой продукции.

Для проектируемого цеха общее потребное число кранов (М) условной грузоподъемности более точно определяют по формуле

M = Nкр.оп Топ /Ф kр kс,

где Nкр.оп − число крановых операций; [Nкр.оп = (Q·n)/g], Q − годовое число груза, т; n − число перемещений крана; g − средняя масса партии груза, т; Топ − среднее время на одну крановую операцию (Топ = 3−5 мин); Ф − годовой фонд времени работы крана при 41-часовой особой рабочей неделе (при работе в две смены Ф = 248 400 мин, в три смены − 372 600 мин); kр − коэффициент простоя крана при ремонте (kр = 0,95); kс − коэффициент совмещения операций (одновременный подъем и перемещение груза, kс = 1,1);

Подвесные краны могут быть однопролетными и многопролетными грузоподъемностью 0,25; 0,5; 1,0; 2,0; 3,2; 5 т общая длина многоопорных кранов достигает 100 м, высота подъема 18 м. Подвесные однобалочные краны значительно дешевле опорных, менее металлоемки, их легче ремонтировать.

Консольные краны выполняют стационарными, на колонне и настенными (стационарными и передвижными). Краны этого типа могут быть с электрической талью и ручные. Они предназначены для обслуживания отдельных агрегатов в сравнительно небольшой рабочей зоне, например там, где требуется частое перемещение груза (пилы, отрезные станки). Электрические и ручные тали используют в инструментальных и ремонтных мастерских.

Напольный транспорт предназначен для передачи грузов из пролета в пролет или из зоны действия одного крана в зону действия другого, а также для перемещения мелких партий грузов, для которых использовать краны нерационально.

К основным видам цехового напольного транспорта относятся авто- и электропогрузчики, электротягачи, самоходные аккумуляторные тележки (электрокары), электрические рельсовые тележки и тележки-штабеллеры. Напольный транспорт обладает высокой маневренностью, применение его снижает материалоемкость конструкции производственных зданий и сокра-

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

щает сроки строительства цеха, поэтому применение мостовых кранов в цехе должно быть в каждом проекте экономически и технологически обосновано.

В проектах новых цехов целесообразно предусматривать осуществление 50−70 % объема транспортных операций с помощью напольного транспорта. Для перемещений по цеху небольших партий грузов (до 5 т) используют электропогрузчики грузоподъемностью от 0,6 до 2 т марок ЭП-103 и ЭП−201 и автопогрузчики 4022, 4013, 4046 грузоподъемностью, соответственно, 2,0; 3,2 и 5,0 т, обладающие высокой маневренностью, что особенно важно на участках с ограниченной площадью. Для работы во взрывоопасных помещениях применяют электропогрузчики ЭПВ-104 (грузоподъемностью 1,25 т).

Непрерывный транспорт в цехах порошковой металлургии состоит из различных конвейеров (ленточных, роликовых, подвесных и т. д.) с непрерывным перемещением грузов по заданной трассе. Ленточные конвейеры служат для передачи вспомогательных штучных и насыпных материалов. Роликовые конвейеры применяют для перемещения штучных грузов на небольшие расстояния, в частности, для междупролетной передачи полуфабрикатов. Подвесные конвейеры выполняют кроме транспортной операции и технологические функции: подвесное складирование и т. д. При этом трассы таких конвейеров могут быть изогнуты в любой плоскости. Конструктивные особенности подвесных конвейеров позволяют при помощи специальных устройств подвешивать груз на конвейер на любом участке, не меняя скорость тяговой цепи. Расчетная скорость движения подвесных конвейеров принимают обычно до 3−4 м/мин.

Энергообеспечение, энергосбережение, энергоменеджмент

Металлургии присущи особенности технологических процессов и энергетических балансов, усложняющие поиск оптимальных решений:

•преобладание высокотемпературных и силовых процессов (потребление энергии в среднем низкотемпературных процессах составляет лишь около 9 % ее общего годового потребления на предприятии);

•многообразие видов энергоносителей, используемых одновременно;

•многократность последовательных (цепных) преобразований и использования энергии при наличии обратных связей в этих цепях;

•переход части носителей химической энергии в состав металлургических продуктов и ее дальнейшее использование в технологическом цикле;

•нестабильность составляющих прихода и расхода энергии из-за текущей производственной динамики по видам, количествам, параметрам и направлениям энергопотоков;

•энергетическая и экономическая неравноценность энергопотоков, связывающих предприятие с регионом.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

Мероприятия по дальнейшему повышению эффективности использова-

ния топлива в металлургии разрабатываются в трех направлениях: экономия топлива в металлургическом агрегате; создание энергосберегающих технологий и менее энергоемких технологических производств, автоматизация тепловых режимов; максимальное использование тепловых и горючих отходов и их использование в смежных производствах. Основные направления энергосбережения должны учитывать особенности производств.

Эффективное использование ВЭР (вторичных энергетических ресурсов) дает значительное сокращение покупных энергоносителей в первую очередь за счет вторичных горючих газов.

Возврат отходящего тепла − эффективное средство экономии энергии. Энергетическое хозяйство крупных предприятий состоит из трех

групп:

•собственные источники энергоресурсов: тепловые, паровоздуходувные, электрические, кислородные станции (некоторые из них − комбинированные);

•цехи − распределители энергоресурсов для передачи их от источника (водоснабжения, газового, паросилового, электрических сетей и подстанций)

кпотребителю;

•технологические цехи или производства, имеющие в своем составе энергоисточники: котлы-утилизаторы, теплообменники и другое оборудование.

Энергобаланс в металлургии формируется из объемов энергопотребления, производства и утилизации как покупных, так и собственных энергоносителей и топлива для выпуска основной и побочной продукции промышленного предприятия.

Одна из целевых функций энергобаланса − оценка достижения предельно возможного энергосберегающего эффекта.

Водоснабжение, канализация и шламоудаление

Водное хозяйство металлургии необходимо рассматривать как подсистему, во многом определяемую внешними условиями. Эта особенность проявляется при разработке проектных решений и проектной документации на всех этапах ее создания и касается следующих объектов:

•водного хозяйства предприятий отрасли;

•системы водного хозяйства металлургических предприятий в целом в части взаимоотношений с водной инспекцией;

•систем снабжения подпиточной водой, условно чистой водой, окалиномаслосодержащей водой, хозяйственно-питьевой водой; производственной;

•канализации химически загрязненных вод, ливневой дождевой канализации, бытовой канализации;

•внутрицеховых систем;

•внутриплощадочных и внеплощадочных систем.

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

Отдельными объектами проектирования могут являться: сети трубопроводов, насосные станции, водоохладители поверхностного типа (радиаторные градирни, агрегаты воздушного охлаждения, водо-водяные теплообменники и т. п.), сооружения для осветления, стабилизационной обработки воды.

Система водоснабжения и водоотведения цеха порошковой металлургии обеспечивает: забор воды; очистку; обработку при необходимости; подачу потребителю; отведение использованной воды; ее очистку; обезвреживание и подготовку для повторного использования.

Система состоит из водозаборного устройства; насосной станции; водопроводов и водонапорных сетей; водоочистных и водоохладительных сооружений; устройств для управления водоснабжением.

Система водоснабжения должна представлять собой замкнутый цикл. Укрупненно, на 1 тонну продукции цехов порошковой металлургии при сточном водоснабжении расходуется до 700 м3 свежей воды, при оборотном

−

только 30−40 м3, причем при оборотном водоснабжении сохраняются многие ценные отходы производства.

Различают сети технического (производственного) и хозяйственнопитьевого водоснабжения. Для технических сетей используют, как правило, поверхностные воды, для хозяйственно-питьевых − подземные. Вода для душей и умывальников, вентиляции, охлаждения воздуха не должна быть вредной для здоровья и не вызывать коррозию выше установленных норм: 0,09 г/(м2·ч). Водный баланс в системе оборотного водоснабжения характеризуется следующим равенством:

Qдоп = ∑Qпроизв + Qсбр,

где Qдоп − количество свежей воды, добавляемой в систему водоснаб-

жения, м3; ∑Qпроизв − сумма безвозвратных производственных потерь, м3;

∑Qпроизв = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 +… Qi (потери при испарении в охладителе оборотной воды, потери при уносе воды с продуктами и отходами, потери при

фильтрации и т. д.); Qсбр −количество сбрасываемой воды, м3.

Сети внутрицехового хозяйственного водопровода монтируют из стальных оцинкованных труб, а сети производственного водопровода − из

i ≥ 0,005. Предпочтительна открытая прокладка сетей водоснабжения. Диаметр трубопровода при расходе воды до 1 л/с составляет 25 мм, до 5 л/с − 70 мм, до 20 л/с − 125 мм. Скорость движения воды принимают до 2,5 м/с.

В цехах ПМ, как правило, применяют оборотное водоснабжение. Незагрязненную воду только охлаждают, а загрязненную − отстаивают, охлаждают и очищают. Для охлаждения производственного и вспомогательного оборудования используют оборотную воду грязного цикла с температурой 25−30 °С. Потребление хозяйственно-питьевой воды на одного человека со-

Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -45-

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

ставляет 25 л в смену и 45 л, если тепловыделение в цехе превышает 83,7 кДж/(м3·ч). Коэффициент часовой неравномерности потребления принимают 2,5−3.

Структура и организация ремонтных служб отрасли

Предусматриваются два вида плановых ремонтов механооборудования: текущие и капитальные.

Текущий ремонт является основным видом ремонта, проводимого для восстановления работоспособности оборудования. В ходе текущих ремонтов заменяют быстроизнашивающиеся детали и узлы, проверяют крепления и заменяют вышедшие из строя крепёжные детали, проверяют и ремонтируют трубопроводы, заменяют воздухоохлаждаемую арматуру, масло в ёмкостях систем смазки.

Капитальный ремонт выполняется для восстановления исправности и полного ресурса оборудования с заменой или восстановлением любых его частей, включая базовые. При капитальных ремонтах также модернизируется оборудование с целью повышения его эффективности (производительности, экономичности, уровня автоматизации, механизации, качества продукции).

Все виды ремонтного обслуживания осуществляются ремонтными службами отрасли, которые включают:

а) централизованные ремонтные тресты, специализированные на ремонте механического, энергетического, электрического оборудования, зданий и сооружений и обслуживающие определённые территориальные зоны (регионы).

б) специализированные ремонтные заводы для централизованного изготовления и ремонта запасных частей и узлов оборудования, сменного оборудования и инструмента, в основном унифицированной номенклатуры;

в) централизованные ремонтные службы главного механика и главного энергетика отдельных предприятий;

г) децентрализованный ремонтный персонал отдельных цехов. Повышение уровня централизации ремонтного обслуживания в преде-

лах предприятия позволяет, как правило, улучшить планирование ремонтных работ, повысить качество и сократить сроки их проведения, устранить неувязки в ремонтном обслуживании основных и вспомогательных цехов, сетей и сооружений. При этом достигаются более устойчивая работа предприятия в целом и снижение затрат на ремонтное обслуживание.

Привлечение к ремонтному обслуживанию специализированных ремонтных трестов необходимо и оправдано в случаях, когда предстоит в короткие сроки выполнить большие объёмы ремонтных работ, что имеет место при большинстве капитальных и части текущих ремонтов сложного металлургического оборудования, капитальном ремонте металлургических печей, зданий и сооружений.

Оптимальный уровень внутризаводской и межзаводской централизации ремонтного обслуживания для каждого конкретного предприятия зави-

РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов

сит от ряда местных условий, в том числе от мощности предприятия, возрастного состава и состояния основных фондов, территориального расположения.

Нормы технологического проектирования можно разделить на четыре группы:

•определения потребности в запасных частях и сменном оборудовании;

•определения основных технических решений и показателей ремонтных цехов (площади, штатов, производительности оборудования, параметров зданий, расхода основных и вспомогательных материалов и энергоносителей);

•техники безопасности и промсанитарии;

•строительные нормы и правила (СНиП).

Техноценологические свойства ремонтного хозяйства вынудили отказаться от отраслевых норм, ориентированных на среднее. Фактически произошел переход к индивидуальным нормам планирования для ремонта трудовых, материальных и энергетических ресурсов.

Контрольные вопросы

1.Каков порядок разработки генерального плана?

2.В каком масштабе может быть представлен генеральный план?

3.Как рассчитать площадь застройки и коэффициент использования площади?

4.В каких пределах должна находиться величина коэффициента застройки?

5.Какие виды транспорта относятся к внутризаводским?

6.Какие виды непрерывного транспорта могут быть использованы в цехах порошковой металлургии?

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ5 Типытехнологическихсхем

План лекции

1.Тип схемы без разветвления.

2.Типы схем с разветвлением технологического процесса.

3.Обоснование и выбор способа производства.

4.Разработка технологической схемы производства.

На стадии технологического проектирования рассматриваются вопросы разработки технологической схемы производства, обоснования и выбора способа производства, выбора исходных сырьевых материалов. Выполняются пооперационный и общий материальные балансы производства. Производят обоснование мощности и режима работы предприятия, проводят расчеты количества основного и вспомогательного оборудования, выявляют уровень их использования. Рассматриваются различные варианты компоновочных решений с соблюдением соответствующих норм технологического проектирования.

Тип схемы без разветвления

Можно выделить пять типов технологических схем производства. Каждый из них имеет определенные особенности в технике расчета материального баланса.

Для иллюстрации как самих схем различных типов, так и методов их расчета целесообразно воспользоваться блок-схемами.

В отличие от обычных схем, блок-схемы характеризуются тем, что на них группы последовательных операций, соединяющие любые две ближайшие точки разветвления, а также начала и окончания технологического процесса, объединяются в единые блоки. Операции, объединенные в блок, связаны единым материальным потоком. В точках разделения и соединения потоков на схеме показаны узлы, что позволяет более четко выявить связи между отдельными группами операций и узловые элементы расчета баланса. Порядок расчета для каждого типа схемы имеет свои особенности.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем

а

б

Рис. 7. Блок-схемы технологических процессов:

а− без разветвления технологического потока и оборотов; б − с оборотами

Кпервому типу относятся схемы, не предусматривающие разветвления технологического потока и использование оборотных продуктов (рис. 7, а). Ко второму типу относятся схемы, предусматривающие использование оборотных продуктов (рис. 7, б). При этом в схеме появляется поток циркуляции между операцией, на которой оборотные продукты выводятся из основной технологической цепи, и операцией, на которой они возвращаются в основную цепь.

Типы схем с разветвлением технологического процесса

К оставшимся трем типам схем относятся схемы с разветвлением технологического потока. Наибольшее распространение имеют схемы с разветвлением технологического потока в конце, характерные для переработки комплексного сырья с разделением извлекаемых компонентов и выпуском каждого из них в виде самостоятельного продукта (рис. 8, а). При переработке однокомпонентного сырья схемы такого типа возможны при необходимости получения продукции одновременно в двух или нескольких различных формах (металл, окисел, соль). Иногда разветвление технологического потока в конце схемы вызывается тем, что на одной из операций значительная часть извлекаемого компонента оказывается связанной в продукт, переработать который по основной технологии невозможно. Такой продукт перерабатывается на вспомогательной технологической ветви с получением той же продукции, что и в основной ветви.

Четвертый тип технологической схемы − схема с разветвлением технологического потока в голове процесса (рис. 8, б). Этот тип схемы характерен для производств, производящих один вид продукции из нескольких видов сырья. В голове процесса каждый из видов сырья перерабатывается по особой технологии. На определенной стадии, когда в каждой из самостоятель-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем

ных ветвей получаются близкие по свойствам промежуточные продукты, их объединяют и далее обрабатывают совместно.

Рис. 8. Блок-схемы с разветвлением технологического потока в конце, начале и середине процесса

Пятым, относительно редко встречающимся типом технологической схемы является схема с разветвлением технологического потока в средней части (рис. 8, в). Такая схема характеризуется тем, что из-за получения на одной из операций извлекаемого компонента в двух продуктах, требующих переработки по различным технологиям, на этой операции технологический поток разделяется на две ветви.

Однако после того как в обеих ветвях технологического потока будут получены продукты, допускающие дальнейшую совместную обработку, ветви технологического потока вновь объединяются. В принципе технологический поток можно разделить не только на две, но и на большее число самостоятельных ветвей.

Обоснование и выбор способа производства

Технологическая схема производства материалов в порошковой металлургии может изменяться, вследствие чего количество операций в ней непостоянно (рис. 9). Формование является наиболее важной операцией и определяет технические возможности порошковой металлургии в целом. Формование заготовок производится в заранее приготовленных формах под внешним давлением (в холодном состоянии, а иногда при нагреве до определенных температур). Процесс формования характеризуется величиной давления, прилагаемого к прессуемому порошку до получения заданной степени обжатия. Чем меньше затрачиваемое давление на обжатие, тем дешевле операция формования. Обычно величина давления достигает 20−100 МН/м2.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем

Основные, исходные и вспомогательные материалы

Перемешивание

Формование

Формование

Рис. 9. Основная технологическая схема метода порошковой металлургии

Методы формования подразделяются:

1)на прерывные (прессование) и непрерывные (прокатка, мундштучное прессование и др.);

2)осуществляемые при постоянной и при измененной площади формуемого брикета;

3)холодные, протекающие при комнатной температуре и горячие − при температурах выше температуры рекристаллизации;

4)в вакууме или атмосферном давлении;

5)с постоянным, с непрерывно возрастающим, мгновенно возрастающим давлением и с вибрационным приложением давления;

6)с односторонним, двухсторонним, всесторонним и центробежным приложением давления.

Внастоящее время известны следующие технологические варианты формования металлокерамических деталей: прессование в закрытых или открытых пресс-формах, мундштучное прессование, прессование с использованием сил трения, гидростатическое, вакуумное, горячее, вибрационное прессование, прокатка свободно насыпанных порошков, прокатка прессованных

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем

брикетов, прокатка порошков в оболочках, шликерное формование, прессование взрывом.

Выбор метода формования зависит от различных факторов. К ним относятся форма и размеры детали, материал, масштабы производства, требуемые классы точности и чистоты поверхности, вид и количество допускаемых примесей в материале, свойства порошков, возможность изготовления детали без дополнительной механической обработки, необходимость в термической обработке или гальванических покрытиях, пористость (размер и форма пор), наличие оборудования, экономические соображения. Наиболее рациональный способ формования может быть выбран только после тщательного анализа перечисленных выше факторов.

Для каждого вида детали отдельные факторы являются определяющими при выборе метода её изготовления. Например, детали, у которых длина во много раз больше их поперечного сечения, можно изготовлять только методами мундштучного прессования, гидростатического прессования или прессования пуансоном скошенной формы. Выбор метода прессования производится также в зависимости от наличия оборудования и экономических показателей процесса. Наиболее распространенным методом формования является метод холодного прессования в закрытых пресс-формах. Следующей операцией после формования является спекание изделий в печи с восстановительной средой при температурах ниже точки плавления основного металла спекаемой композиции. В некоторых случаях спекание производится несколько раз для получения особых свойств, но в большинстве случаев бывает достаточно одного спекания. Обычно процесс изготовления деталей заканчивается после спекания. Если необходимо получить специальные свойства или более точные размеры, которых нельзя достигнуть при прессовании порошка, то все спеченные изделия подвергают повторному прессованию, калиброванию.

Для получения более точных размеров прессование изделий после спекания производится в специальных пресс-формах. Спекание сопровождается изменениями размеров изделий. Для получения требуемой точности изделие необходимо калибровать (обычно на быстроходных прессах). Подобная операция часто производится для повышения прочности металла и сопровождается увеличением удельного веса изделий. Иногда после спекания детали подвергаются двухили трёхкратному обжатию с последующим спеканием или отжигом. В некоторых случаях предварительное спекание изделия производится при низких температурах с кратковременной выдержкой для придания большей жесткости прессованному порошку при выполнении последующих операций. Предварительное спекание производится иногда для выжигания смазочных веществ (стеарата цинка, машинного масла, стеарата лития), добавляемых для облегчения прессования. После этого следует окончательное спекание для придания изделию требуемой плотности, твёрдости и прочности.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем

Разработка технологической схемы производства

Начальной стадией проектирования цеха является разработка технологической схемы изготовления того или иного металлокерамического изделия. Из разнообразных вариантов технологических схем порошковой металлургии следует выбрать технически рациональный и экономически рентабельный вариант.

Технологическая схема в техническом проекте отличается от принципиальной схемы большей детализацией. Основной целью является выбор варианта технологии, который обеспечивает получение изделий высокого качества при наиболее коротком цикле производства и при наименьшей себестоимости.

Технологический процесс оформляется сначала графически в виде схемы, далее на каждый вид изделия составляется подробная технологическая карта, в которой перечисляются все операции производства с указанием состава смеси порошков, удельного давления прессования, температуры спекания, времени выдержки, контролируемой атмосферы и других технологических параметров. Технологические карты рекомендуется составлять на несколько однотипных изделий. Пример принципиальной схемы производства представлен на рис. 10.

После утверждения окончательного варианта технологической схемы устанавливается, какое количество материалов подлежит переработке на основе расчета материального баланса. Основной задачей материального баланса является расчет количества исходных материалов, подлежащих переработке для данной технологической схемы при планируемом объеме выпуска готовых изделий. Найденное количество исходных материалов является определяющим фактором для расчета количества необходимого оборудования на различных переделах производства.

При технологическом проектировании проводят подготовительную работу, сбор и обработку информации об условиях строительства; изучают и подготавливают документацию на вероятные технологические процессы, которые могут быть заложены в проект цеха.

В процессе проектирования разрабатывают технологические схемы производственных процессов проектируемого цеха; рассчитывают пооперационный и общий материальные балансы производства по цеху; разрабатывают предварительный план компоновки оборудования.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем

Рис. 10. Принципиальная технологическая схема порошковой металлургии

В утвержденной технологии цеха должны быть освещены следующие основные вопросы:

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем

1)программа выпуска, режим работы, сменность;

2)полная технологическая схема производства с обоснованиями и расчетами по технологическим режимам;

3)физическая характеристика обрабатываемых материалов;

4)выбор и расчет количества основного оборудования, его краткая характеристика;

5)технология ведения процесса;

6)складские помещения и технология складирования, расчет площадей складов, транспортные средства цеха;

7)план расположения оборудования со спецификациями;

8)расход воды, пара, газа, сжатого воздуха, кислот, масел, эмульсии;

9)габариты фундаментов под оборудование, маслоподвалов, тоннелей;

10)вспомогательные отделения и службы, потребность во вспомогательных материалах;

11)нормативно-технологические карты.

Уточненный план расположения технологического и транспортного оборудования цеха согласовывают в процессе работы по основным проектным решениям. При реконструкции действующего цеха проект разрабатывают с учетом существующего оборудования, коммуникаций, сантехнического и энергетического обеспечения. По окончанию проектирования технологической части составляется расчетно-пояснительная записка, которая является итоговым этапом работы технологов-проектировщиков по разработке технологической части проекта нового или реконструируемого цеха. Вместе с запиской прилагается заказная спецификация основного и вспомогательного оборудования, на основании которой осуществляется заказ оборудования на заводах-изготовителях.

В начале проектирования цехов порошковой металлургии чрезвычайно важным является правильный выбор расчетных видоразмеров и их группировка.

Расчетными называют видоразмеры из широкой номенклатуры изделий порошковой металлургии, по условиям получения которых определяют технологию и характеристики оборудования: основные параметры, установленную мощность, номинальную скорость и пределы ее регулирования, производительность, нормы расхода ресурсов и услуг, себестоимость и приведенные затраты.

Обычно производство в цехах порошковой металлургии среднеили мелкосерийное, т. е. в одном цехе имеют весьма обширный и разнообразный сортамент, насчитывающий несколько сотен наименований изделий с малой массой партий. Производить по такому громоздкому сортаменту проектные, а в действующих цехах различные планово-экономические расчеты не представляется возможным. Поэтому, прежде чем приступить к окончательному установлению производственных режимов, выбору и расчету количества необходимого оборудования, весь заданный сортамент делят на группы изделий, обрабатываемых на одном и том же комплексе основного оборудования

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем

или, как иногда говорят, по одной и той же технологической «цепочке». Для каждой такой группы выбирается расчетный видоразмер.

Если в качестве расчетных будут выбраны «трудные» в получении видоразмеры, доля которых в сортаменте невелика, при выпуске основной массы продукции оборудование окажется недогруженным. Выбор слишком «легких» видоразмеров может привести к тому, что получение трудных окажется невозможным.

Расчетные видоразмеры должны удовлетворять нескольким требованиям.

Изделия должны быть представлены со средними, максимальными и минимальными характеристиками − размерами, объемами переработки и др.

Расчетному видоразмеру приписывается не собственная доля в сортаменте, а доля представляемой им группы.

Для оборудования, работающего в потоке, принимают одни и те же расчетные видоразмеры.

Все дальнейшие операции, связанные с комплектацией технологических цепочек, выбором оборудования, определением его количества и расчету режимов обжатий ведутся применительно к расчетному сортаменту. Выбрав расчетные видоразмеры, дают краткую характеристику им согласно требованиям стандартов, составляют несколько принципиальных схем обработки и производят технико-экономический анализ по укрупненным показателям. Причем технико-экономический анализ необходимо вести с позиции потребителя качества продукции. В этом случае продукция найдет сбыт. Выбирают наиболее оптимальную схему производства.

По такой схеме выбирают основное оборудование с учетом достижений науки и техники. Для выбора прогрессивного, передового оборудования необходим анализ научно-технической литературы, изучение номенклатурных справочников и каталогов оборудования, в которых содержится техническая характеристика, ориентировочная стоимость, информация заводаизготовителя.

При проектировании технологического процесса может быть выбрано действующее оборудование, если оно отвечает современному уровню, но значительно модернизировано, автоматизировано и механизировано с указанием схем модернизации.

После выбора основного оборудования приступают к разработке режимов технологического процесса.

Все виды вспомогательного оборудования должны выбираться с учетом достижений отечественной и зарубежной практики. Вспомогательное оборудование размещают в цехе после размещения основного.

После установления производственной технологии, выбора основного оборудования на каждый расчетный видоразмер составляют нормативнотехнологическую карту.

Нормативно-технологическая карта является основным документом в цехе, согласно которому изготавливается та или иная продукция. Кроме того,

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем

это основной источник нормативно-справочной информации цеха. В ней последовательно указываются все технологические операции, дается их технологическая характеристика, указывается оборудование, приводятся данные о рациональных нормах отходов и потерь на каждой операции, определяется заправочный коэффициент и процент выхода годного.

На основании данных технического нормирования указываются нормы выработки и исчисляются расходы станко- и человеко-часов и расценки на тонну годной продукции.

Нормативно-технологическая карта позволяет на уровне отраслевого планирования вести расчет производственных мощностей предприятия при заданной структуре; расчет загрузки оборудования цехов порошковой металлургии; прикреплять заводы-потребители к заводам-поставщикам; вести расчет плановых показателей по себестоимости, прибыли, рентабельности.

Кроме того, нормативно-технологическая карта дает возможность на уровне заводского планирования вести расчет коэффициентов загрузки оборудования; выбрать оптимальную технологическую схему; вести расчет потребности в материалах на смену, сутки, декаду, месяц, квартал.

Нормативно-технологическая карта позволяет анализировать нормы отходов и осуществлять научно-обоснованное планирование коэффициентов выхода годного.

При составлении нормативно-технологической карты необходимо руководствоваться следующими положениями: на каждую подгруппу выпускаемой продукции должна быть рассчитана отдельная карта; если на несколько подгрупп выбран один общий представитель и эти подгруппы изготавливаются по одной технологической схеме, то НТК должна быть подготовлена в количестве экземпляров, соответствующем числу подгрупп, для которых она действует; если одно изделие-представитель производится в двух и более цехах, то для таких изделий рассчитывается единая НТК, в которую включается передел первого цеха и передел второго.

Контрольные вопросы и задания

1.Назовите пять основных схем формирования технологической схемы производства.

2.На какой из технологических схем присутствует поток циркуляции?

3.Какими факторами определяется выбор метода формования изделий?

4.Опишите принципиальную технологическую схему известного вам производства.

5.Что понимается под расчетными типоразмерами?

6.Для чего составляется нормативно-технологическая карта?

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ6 Расчеты материальных балансов

План лекции

1.Типы материальных балансов.

2.Основные понятия и терминология при расчете потоков производства.

3.Основные определения и закономерности при расчете материальных балансов.

4.Общие закономерности расчета балансовых операций.

5.Определение количества и состава продуктов.

6.Порядок расчета балансовой операции.

Расчет материального баланса при проектировании направлен на решение двух основных задач.

Первая задача − обеспечить согласование проектируемого производства с поставщиками сырья и материалов и потребителями готовой продукции, основной и попутной. При расчете материального баланса устанавливается количество всех продуктов, потребляемых в процессе производства; количество и состав всех продуктов, получающихся в процессе производства в виде готовой продукции или не используемых в проектируемом производстве отходов.

Вторая задача − обеспечить процесс проектирования материалами, необходимыми для расчета оборудования и оценки качественных показателей принятой схемы. При этом устанавливаются все материальные потоки внутри проектируемого производства; состав всех промежуточных продуктов производства, пределы накопления примесей в этих продуктах и, следовательно, возможность обеспечения заданного качества конечной продукции.

Исходные данные для расчета могут быть выбраны под влиянием случайных субъективных факторов. Но результат правильно выполненного расчета всегда объективен. Этот результат определяет показатели процесса, которые могут быть достигнуты при заданных исходных данных.

Если результаты расчета будут резко отличаться от показателей существующей практики, они будут объективно свидетельствовать о неполноте или даже неправильности исходных данных, принятых для расчета материального баланса.

Материальный баланс так же объективен, как и технологическая схема. Более того, баланс является количественным выражением схемы.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 6 Расчеты материальных балансов

Типы материальных балансов

Материальные балансы могут быть двух основных типов − полные материальные балансы и материальные балансы по элементу или химическому соединению. В первом случае баланс составляется с точным определением количеств и составов всех без исключения продуктов, поступающих в процесс и выходящих из него. Во втором случае баланс составляется только по одному основному полезному компоненту или соединению, извлечение которого и является обычно задачей производства.

Внекоторых случаях баланс по элементу составляется не для извлекаемого элемента или соединения. При этом баланс показывает использование реагента, вводимого в процесс, а в случае, когда этот реагент токсичен, выявляет опасные в санитарном отношении узлы технологической схемы.

Вбалансе по элементу обычно не показывается полное количество перерабатываемых и получаемых продуктов, а только содержащийся в них излучаемый компонент. В балансе по элементу могут вообще не фигурировать продукты, реально участвующие в процессе производства, но не содержащие соответствующего компонента. Однако целесообразнее в баланс по элементу включать все без исключения продукты, участвующие в процессе производства. В тех же случаях, когда какой-либо продукт не содержит извлекаемого полезного компонента, в записи баланса по элементу следует фиксировать нулевое поступление или выход полезного компонента с рассматриваемым продуктом.

Полный материальный баланс производства позволяет получить ответы на все вопросы, необходимые для увязки проектируемого производства со смежными производствами в части количества и состава всех, потребляемых

ивыпускаемых продуктов, а также для процесса проектирования, в частности расчета оборудования.

Однако затраты рабочего времени на составление полного материального баланса весьма велики и могут в десятки раз превышать затраты времени на составление баланса по элементу.

Баланс по элементу значительно менее трудоемок, что позволяет при необходимости оперативно выполнить несколько вариантов расчетов. Харак-

терная особенность баланса по элементу − его наглядность.

В ряде случаев, которые будут рассмотрены, выполнение расчета полного материального баланса невозможно без предварительного расчета баланса по элементу. Это относится ко всем схемам, предусматривающим использование в процессе оборотных продуктов. В некоторых частных случаях создается обратное положение, когда невозможно составить баланс по элементу без расчета полного материального баланса.

Особенности каждого вида материального баланса определяют и области их применения. Баланс по элементу принимается для предварительных расчетов, для анализа потерь и определения основных показателей, в частности потребности в сырье по производству в целом. Полный материальный

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 6 Расчеты материальных балансов

баланс служит для всестороннего анализа проектируемой схемы, в том числе для определения всех материальных потоков производства и качественной характеристики всей выпускаемой продукции, полупродуктов и отходов производства.

Полный материальный баланс и баланс по элементу являются расчетными балансами. Их рассчитывают непосредственно на основе принятых выходов, распределения потерь и в случае полного баланса составов исходного сырья и материалов. На основе расчетных балансов можно составлять балансы демонстрационные. Это, как правило, балансы материального потока, в которых показаны полные количества всех продуктов, потребляемых или производимых в процессе производства, но не приведен их состав.

Балансы такого рода принято называть «материальный поток производства» и составлять применительно к единице времени − суточный материальный поток производства, годовой материальный поток производства и т. п. Иногда материальный поток производства относится к единице выпуска продукции или потребления сырья − материальный поток производства на 1 т концентрата, на 1 т конечной продукции и т. п.

Основные понятия и терминология при расчете материальных потоков производства

Для рассмотрения методов расчета материального баланса необходимо дать определения основным терминам и понятиям, используемым при расчетах: извлечение, выход и операция (или балансовая операция).

Извлечение. Понятие «извлечение» применимо к элементу, а также химическому соединению, не претерпевающему изменений в проектируемом процессе. Величина извлечения показывает, какая часть от исходного количества элемента или соединения, поступающего в производство, извлекается

впроцессе производства в конечный, выходящий из производства продукт. Понятие «извлечение» можно применить как к отдельной операции, так и к группе операций и всему проектируемому производству в целом. Как правило, в составе исходных данных для проектирования извлечение задается для каждой отдельной операции. Извлечение для всего производства в целом получается как результат расчета.

Вобщем случае извлечение для производства в целом рассчитывают, деля количество элемента или соединения, перешедшего в конечную продукцию производства, на количество этого элемента или соединения в исходном сырье.

Внекоторых случаях применительно как к отдельной операции, так и к производству в целом пользуются термином «прямое извлечение». Применительно, к отдельной операции этот термин совпадает с понятием извлечение

вполезный продукт.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 6 Расчеты материальных балансов

Применительно к производству в целом этот термин подразумевает извлечение без учета использования в процессе производства оборотов. Повторная переработка оборотных продуктов, позволяющая извлечь дополнительное количество полезного компонента в конечную продукцию производства, не находит отражения в показателе прямого извлечения. Вычисление прямого извлечения сводится к нахождению произведения показателей извлечения для каждой из цепи последовательных операций, от исходного сырья до конечной продукции. Для производств, технологические схемы которых не предусматривают получения и использования оборотных продуктов, понятия извлечения и прямого извлечения совпадают.

Понятие «извлечение» характеризует полноту перехода извлекаемого компонента в основной полезный продукт операции или производства. Поэтому при определении степени перехода извлекаемого компонента в другие продукты приняты другие термины. Степень перехода в оборотные продукты, возвращаемые в процесс производства, можно называть возвратными потерями, а иногда извлечением в оборотные продукты. Степень перехода в отвальные и отбросные продукты называют просто потерями. Извлечение обычно выражается в процентах, но может быть также выражено в любых других долях от целого.

Выход. Понятие выхода, в отличие от понятия извлечения, применяется к фактически получаемым продуктам, а не к отдельным их компонентам. Величина выхода для операции или группы операций показывает количество какого-либо конечного продукта, получаемого на единицу количества исходного продукта. Под исходным продуктом подразумевается обычно сырье, содержащее извлекаемый ценный компонент. Выход может определяться для основного полезного продукта, оборотного продукта, отвального продукта. В каждом конкретном случае говорится о выходе конкретного продукта (выход осадка, выход конденсата, выход раствора и т. д.).

Для различных процессов возможны различные формы выражения выхода. Наиболее простая форма − через количество по массе. Размерность может быть различной − тонны на тонну (т/т), килограмм на тонну (кг/т) и т. п. Если продукт, выход которого определяют, − жидкость или газ, можно ввести объемные характеристики, такие как литры или кубические метры на тонну (л/т, м3/т). Возможно и обратное сочетание, например килограмм на кубический метр (кг/м3).

В некоторых случаях говорят о выходе, отнесенном к единице времени − часу, суткам и т. п. Выход, отнесенный к единице времени, служит для определения объема материального потока производства и характеристики производительности оборудования, а в расчете материального баланса не используется.

Операция, или балансовая операция, − это элементарная ячейка любого материального баланса производства. Балансовой операцией называется часть технологического процесса, состоящая из операции, части ее или груп-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 6 Расчеты материальных балансов

пы нескольких реальных производственных операций, для которых известны составы, могут быть определены количества исходных продуктов, состав и количество всех конечных продуктов, получающихся в процессе.

Главное условие выделения операции − возможность четкого определения по составу и количеству продуктов, поступающих на балансовую операцию и выходящих с нее. Такая возможность позволяет выделить ее в проектируемом производстве как объект самостоятельного рассмотрения.

Основные определения и закономерности при расчете материальных балансов

При расчетах всех видов балансовых операций целесообразно использовать единую номенклатуру продуктов, поступающих на операцию и выходящих с нее.

Кисходным продуктам относят:

1.Сырье, содержащее ценный компонент. Комплексное сырье включает несколько ценных компонентов. В процесс может вводиться не один, а два

иболее видов сырья, перерабатываемых совместно. Для операций, не находящихся в начале процесса, в качестве сырья используются полупродукты, произведенные на предшествующих операциях.

2.Материалы, необходимые для протекания процесса. Как правило, они не содержат извлекаемых компонентов. К таким материалам относятся химические реагенты (восстановители, окислители, растворители, флюсы и т. п.), материалы-носители, служащие для транспортирования извлекаемых элементов, технологическое топливо, входящее в непосредственный контакт

сперерабатываемыми материалами.

3.Оборотные материалы, которые могут или содержать извлекаемый полезный компонент, или не содержать его. Оборотные материалы вводятся в процесс для повышения общего извлечения полезного компонента, уменьшения расхода свежих материалов или для улучшения условий протекания процесса.

Конечными продуктами балансовой операции называют:

1.Основной продукт, содержащий ценный извлекаемый компонент. При комплексном сырье, если на операции происходит разделение полезных компонентов, таких продуктов может быть два или несколько.

2.Отбросные или отвальные материалы. Эти продукты могут и содержать и не содержать ценные компоненты.

Частный случай такого рода продуктов − попутно выпускаемая продукция. Такой продукцией является любой продукт, выпуск которого − неизбежное следствие осуществления технологии производства заданного материала и который используется для целей, не связанных с проектируемым производством. К отвальным продуктам не предъявляется каких-либо требований по качеству, за исключением их общей санитарной безопасности. По-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 6 Расчеты материальных балансов

путно выпускаемая продукция должна соответствовать определенным кондициям. Если извлекаемый компонент переходит в каком-то количестве в отвальные продукты или попутную продукцию, то это уже безвозвратные потери полезного компонента на данной операции.

Частный случай отвальных продуктов − временные отвальные продукты. Их складируют до пуска производства по технологии, делающей эффективной их переработку, которая должна быть реализована во второй очереди строительства предприятия или разработка которой не завершена в момент проектирования.

3. Оборотные материалы. Эти материалы без дополнительной обработки или с такой обработкой возвращают для повторной переработки на операцию, где они были получены, или на одну из предшествующих ей операций. Эти материалы также могут содержать извлекаемый компонент. Если они его содержат, то это количество компонента относят к потерям с оборотами или возвратным потерям полезного компонента на данной операции.

Приведенным видам исходных и конечных продуктов балансовой операции может в каждом конкретном случае соответствовать широкая номенклатура конкретных продуктов. Количество исходных для данной операции продуктов может быть очень большим.

Наоборот, на операциях ректификации и иногда электролиза материалы не потребляются, и в процесс вводится только сырье. Число и номенклатура конечных продуктов балансовой операции также могут меняться в широких пределах.

Общие закономерности расчета балансовых операций

Расчетам балансовых операций присущи некоторые общие закономерности. Первая из них предполагает обязательность балансирования продуктов и их отдельных компонентов. Общее количество (по массе) продуктов и каждого их компонента, поступающих на операцию, равно общему количеству (по массе) продуктов или соответствующего компонента, выводимых из нее.

При проведении прямых замеров на производстве обнаруживается, что в продуктах, выводимых с операции, количество рассматриваемого компонента всегда меньше, чем в продуктах, поступающих на операцию. Это связано с тем, что в условиях производства практически невозможно учесть все виды отвальных продуктов. Часть продукта теряется механически в виде пыли, паров, брызг и т. д., попадающих в производственное помещение по случайным причинам, уносимых воздухом или газами через систему вентиляции, выносится из аппарата на инструменте, поглощается футеровкой и т. п. Эти потери нельзя прямо относить к каким-либо видам отвальных продуктов, так как их движение невозможно контролировать. Потери такого рода вклю-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 6 Расчеты материальных балансов

чаются в расчет материального баланса как особая статья − неучтенные потери. При расчете эти потери относят к отвальным продуктам.

Помимо неучтенных потерь, причиной неувязки баланса между продуктами, поступающими на операцию и выходящими с него, при снятии материального баланса действующего производства может явиться неизбежная погрешность при замере потоков, отборе проб и анализе соответствующих продуктов. Однако эта погрешность может относительно уменьшать или увеличивать количество как конечных, так и исходных продуктов балансовой операции.

Составление материального баланса с полным соответствием количества продуктов и компонентов, поступающих на операцию, количеству продуктов и компонентов, выходящих с операции, необходимо для решения вопросов не только технологии, но и охраны природы. Значительная часть продуктов, перерабатываемых в производстве, представляет санитарную опасность. Необходимо в ходе проектирования достаточно точно определить объем и точки их вывода из процесса и предусмотреть меры по обезвреживанию.

Извлечение в полезный продукт, извлечение в оборотный продукт (возвратные потери), потери с отвалами (безвозвратные потери) и неучтенные потери, выраженные в процентах от количества компонентов, поступившего на операцию, в сумме составляют 100,00 %.

Рассмотренные показатели позволяют рассчитать распределение полезного компонента по продуктам реакции, т. е. составить для операции баланс по извлекаемому элементу. Для расчета полного материального баланса необходимы дополнительные данные, которые позволили бы сделать такой расчет для всех без исключения компонентов всех продуктов, поступающих на операцию, а также определить относительное или абсолютное количество всех продуктов, поступающих на операцию или выводимых с нее.

Определение количества и состава продуктов

Данные для определения потребных количеств всех исходных продуктов должны включать состав всех продуктов и коэффициенты использования в ходе операции входящих в состав этих продуктов отдельных компонентов.

Для определения состава и количеств конечных продуктов могут использоваться три метода.

При первом для каждого компонента исходных продуктов задаются извлечения во все конечные продукты операции. Состав и количество любого конечного продукта операции определяют, суммируя компоненты, составляющие данный продукт.

При втором задаются составы конечных продуктов. Абсолютное содержание в них извлекаемого компонента известно. Это позволяет определить абсолютные содержания всех остальных компонентов и количества самих продуктов. Если в каком-либо конечном продукте полезный компонент

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 6 Расчеты материальных балансов

не содержится, необходимо иметь сведения о количестве содержащегося в нем любого другого компонента.

При третьем задается выход и состав конечного продукта. Это позволяет определить абсолютное количество самого продукта и любого его компонента. На практике эти методы часто совмещают. Количества одних компонентов в конечных продуктах определяют на основе данных о составе, количества других − на основе заданных выходов и т. д.

Каждое задаваемое исходное положение для расчета баланса является ограничивающим условием. Число таких ограничений не может быть произвольным. При расчете могут изменяться три величины: извлечение индивидуального компонента в конечный продукт, выход этого конечного продукта и содержание извлекаемого компонента в этом продукте. Величины эти взаимно связаны, и свободно изменяться могут только две из них. Третья жестко определяется двумя первыми и не может принимать произвольные значения. Если известны выход конечного продукта, извлечение в этот продукт полезного компонента и содержание в продукте полезного компонента, одно из этих трех условий для расчета излишне. Его нельзя использовать для проведения расчета. Третье условие можно использовать только для контроля проведенного расчета. Если третье условие не соответствует результатам расчета, то это показывает, что или в исходных данных для расчета, или в самом расчете имеется ошибка.

Порядок расчета балансовой операции

Иногда при расчете балансовой операции величиной извлечения и потерь можно задаваться в процентах не от количества компонента, поступающего на данную операцию, а от исходного количества соответствующего компонента, поступающего в процесс производства вместе с сырьем. В этом случае необходимо определить, какая доля от исходного материала поступает на данную операцию, с учетом потерь на предыдущих переделах. После этого определяют потери относительно поступления на данную операцию, по которым ведут расчет операции.

Порядок расчета балансовой операции определяется способом задания требуемого объема производства:

1)задан объем потребления исходного продукта, содержащего полезный компонент (сырья);

2)задано количество получаемого в ходе операции продукта;

3)задано количество материала, потребляемого в процессе переработки

сырья.

Если задан объем потребления исходного продукта, на основе данных по распределению компонентов и составам продуктов устанавливают количества исходных материалов и конечных продуктов. Определяют состав ко-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 6 Расчеты материальных балансов

нечных продуктов. Расчет ведут в одну стадию как расчет полного материального баланса.

Если задано количество продукта, получаемого в ходе операции, сначала рассчитывают баланс по элементу (или соединению). На основе заданного количества и состава конечного продукта определяют количество элемента в нем. По известному извлечению вычисляют количество элемента в исходном продукте, а на основе данных о составе − полное количество исходного продукта. Затем выполняют расчет полного баланса. В практике проектирования иногда избирают другой путь расчета. Баланс по элементу не рассчитывают, а сразу просчитывают полный баланс, но на условное количество исходного продукта (100 кг, 1 т и т. п.). После расчета полного баланса сравнением заданного количества конечного продукта и полученного при условном расчете определяют коэффициент пересчета на проектируемый объем производства. Однако этот путь расчета более трудоемок.

Если задано количество материала, потребляемого в процессе производства, сначала рассчитывают полный материальный баланс на условное количество сырья (100 кг, 1 т и т. п.). После того как установлены точные количественные соотношения между всеми исходными и конечными продуктами операции, пересчитывают баланс на заданный объем потребления соответствующего материала.

Расчет балансовой операции может относиться к одному из трех принципиально отличных видов расчета: расчету процесса, основанному на уравнении химической реакции; расчету массообмена между различными фазами; расчету механического распределения.

Контрольные вопросы и задания

1.Какие задачи проектирования решаются с помощью материального баланса производства?

2.Какие типы материальных балансов вам известны?

3.В каких случаях составляется баланс по элементу?

4.Поясните разницу в расчетах материальных балансов для извлечения

ипрямого извлечения.

5.Применимо ли понятие «балансовая операция» к группе технологических операций?

6.Какие материалы относятся к исходным, конечным, оборотным?

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ7 Расчет материального баланса

полной технологической схемы

План лекции

1.Порядок расчета для схем первого и второго типа.

2.Порядок расчета схемы с разветвлением технологического потока в

конце.

3.Расчет схем с разветвлением технологического потока в голове.

4.Формы записи материальных балансов.

5.План расположения оборудования, расчет мощности и числа единиц оборудования.

6.Планировка цеха и размещение в нём оборудования.

7.Мощность и режим работы предприятия.

8.Компоновочные решения цехов порошковой металлургии.

Расчет материальных балансов отдельных операций − только первая ступень в разработке материального баланса проектируемого производства. Вторая ступень, которая позволяет получить суммарные итоговые показатели материального баланса, это расчет материального баланса технологической схемы в целом. Особенностью такого расчета является то обстоятельство, что он выполняется только на стадии проектирования. Материальные балансы отдельных операций изучаются в ходе научно-исследовательской разработки; это обязательный элемент такой разработки. В целом проектируемое производство на стадии научно-исследовательской разработки, как правило, не рассматривают.

Порядок расчета для схем первого и второго типа

Порядок расчета для схем первого типа показан на блок-схеме (рис. 11, а). В данном случае расчет близок к расчету отдельной балансовой операции. Если задано количество исходного сырья, последовательно рассчитывают по операциям полный материальный баланс. При расчете на заданное количество продукции по содержанию в ней извлекаемого компонента, если известно суммарное извлечение, определяют количество извлекаемого элемента, поступающее в процесс с сырьем. Для схемы этого типа суммарное извлечение равно произведению извлечений на отдельных операциях.

Таким образом, сначала ведут расчет по элементу от продукции к сырью. Затем определяют необходимое количество сырья и выполняют

Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -67-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

расчет полного материального баланса последовательно по операциям от сырья к продукции.

При заданном объеме потребления материала первоначально ведут расчет полного материального баланса на условный поток от начала схемы до операции, где этот материал потребляется.

После этого устанавливают отношение между заданным объемом производства и принятым условным потоком и определяют требуемое количество сырья. Затем рассчитывают полный материальный баланс от сырья до конечной продукции.

Схема процесса второго типа (рис. 11, б) включает основную технологическую линию и линию циркуляции оборотных продуктов. Линия циркуляции может включать, если это необходимо, операции по обработке оборотов или только чисто транспортные операции.

Рис. 11. Схема расчета баланса с оборотами

Если материальный поток проектируемого производства задан выпуском конечной продукции, первоначально ведут расчет по элементу от конечной продукции до операции, на которой получается оборотный продукт. Расчет по элементу этой операции позволяет узнать, какое количество извлекаемого элемента переходит в обороты. После этого от операции, на которой получаются оборотные продукты, до операции, на которой они возвращаются в основной производственный поток, ведут параллельный расчет по элементу по основной технологической линии и по линии циркуляции оборотов. Расчет по основной линии позволяет определить, какое общее количество элемента должно быть введено на операцию. Расчет по линии циркуляции оборотов позволяет установить, какое количество извлекаемого элемента будет введено на операцию с оборотами. По разности этих величин определяют, какое количество элемента должно поступить на операцию из основной линии переработки сырья.

После определения этого количества производят расчет по элементу для части схемы от операции, на которой обороты возвращаются в основной технологический поток, до операции ввода сырья. Далее устанавливают ко-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

личество исходного сырья и рассчитывают полный материальный баланс в порядке, противоположном порядку расчета по элементу. Первоначально от начала процесса до готовой продукции просчитывают основной технологический поток. При этом на операции возврата оборотов в производство состав оборотов будет задан, а количество определяют на основе баланса по элементу. После расчета баланса основного производственного потока рассчитывают полный материальный баланс линии циркуляции оборотов. Если объем производства зависит от количества потребляемого сырья, расчет отличается от предыдущего тем, что первоначальный расчет по элементу проводят на условное количество. Затем этот расчет корректируют в соответствии с заданным количеством извлекаемого элемента в исходном сырье.

Порядок расчета схемы

сразветвлением технологического потока в конце

Вотличие от простой схемы, не имеющей разветвления технологического потока, суммарное извлечение для схемы, предусматривающей использование оборотных продуктов, может быть выражено только через отношение количества извлекаемого компонента в конечной продукции к количеству его в исходном сырье.

Блок-схему производства третьего типа можно рассматривать как сочетание трех схем первого типа. Соответственно строится порядок расчета (рис. 12). Если задано количество перерабатываемого сырья, последовательно рассчитывают, начиная с операции ввода сырья, полный материальный баланс. Если задано количество конечной продукции, по одному из ее видов предварительно рассчитывают баланс по элементу. Определяют исходное количество сырья и затем опять рассчитывают полный баланс. При этом объем производства продукции, получаемой по другой ветви схемы, зависит от исходного соотношения содержания полезных компонентов в сырье и технологических возможностей по их извлечению.

Один из вариантов схемы с разветвлением потока в конце − это производство, в котором однокомпонентное сырье перерабатывается на два различных вида конечной продукции. При этом должно быть задано количественное соотношение этих видов продукции. Если заданы абсолютные количества всех видов продукции, то идет обыкновенный расчет по элементу от конечной продукции до сырья, а затем полный расчет материального баланса от сырья до конечной продукции. При прямом задании распределения извлекаемого компонента между ветвями схемы, выпускающими различные виды продукции, и при известном количестве сырья сразу рассчитывают полный материальный баланс от головных операций до конечной продукции.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

Рис. 12. Схема расчета баланса с разветвлением технологического потока в конце

Следует учитывать, что для технологической схемы в целом, в отличие от отдельной операции, материальный поток может быть задан не только количеством исходного сырья или конечной продукции. Возможен случай, когда материальный поток производства задается количеством одного из промежуточных продуктов. Применительно к рассматриваемой схеме таким продуктом может быть продукт, производимый на операции, после которой технологический поток делится на две ветви. Для этого случая первоначально ведут расчет по элементу от операции, на которой производится заданный промежуточный продукт, до головы процесса. И затем от сырья до конечной продукции рассчитывают полный материальный баланс.

Расчет схем с разветвлением технологического потока в голове

Расчет схем четвертого типа (рис. 13) имеет ту особенность, что в качестве обязательной заданной величины исходные данные должны содержать соотношение материальных потоков двух сырьевых ветвей.

Если материальный поток задан через количество исходного сырья, то это предопределяет соотношение материальных потоков для отдельных ветвей. Расчет полного материального баланса ведут от головных операций до операции объединения потоков.

Затем полный материальный баланс для общего технологического потока рассчитывают от операции объединения потоков до конечной продукции. При задании количества конечной продукции расчет, как и в ранее разобранных случаях, первоначально проводят по элементу от конечной продукции до операции, на которой объединяются сырьевые потоки. Распределение потока по сырьевым ветвям производится различными методами в зависимости от способа задания соотношения материальных потоков в этих ветвях. При задании масштаба потребления одного из видов сырья вторая ветвь материального потока считается по разности между количеством извлекаемого

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

элемента, необходимого для заключительных операций объединенного потока, и количеством этого элемента, поступающим из ветви, объем производства для которой задан. После расчета баланса по элементу объединенной части схемы рассчитывают полный материальный баланс ветви с заданным потреблением сырья. По разности определяют количество элемента, которое должно поступать с другой ветви. Затем проводят расчет по элементу второй ветви от операции объединения потоков до сырья. После того как количество сырья для второй ветви определено, рассчитывают полный материальный баланс для всей схемы от сырья до конечной продукции, за исключением первой сырьевой ветви, для которой этот расчет был проведен ранее.

Рис. 13. Схема расчета баланса с разветвлением технологического потока в голове

Если соотношение материальных потоков сырьевых ветвей схемы задано количеством полезного компонента, поступающего из каждой ветви, расчет несколько упрощается. В этом случае первоначально ведут расчет по элементу от конечной продукции до операции объединения сырьевых ветвей. На этой операции общее количество элемента, которое должно быть введено, делят в соответствии с заданным соотношением. Полученные в результате деления количества являются отправной точкой для расчета по элементу каждой из ветвей. Расчет ведут от операции объединения потоков к началу процесса. В результате расчетов по элементу определяют необходимое количество сырья для каждой из ветвей схемы. После этого рассчитывают полный материальный баланс от сырья до конечной продукции.

Формы записи материальных балансов

Для материальных балансов применяются различные формы записи. Формы записи определяются типом и назначением баланса.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

Ниже приведена (табл. 1) наиболее подробная форма записи на примере расчета материального баланса технологической операции отгонки германия из шлака путем восстановления двуокиси германия цинком:

GeO2(в шлаке) + Zn = GeO + ZnO (в шлаке)

Таблица 1

Полный материальный баланс операции восстановления двуокиси германия цинком

По аналогичной форме может быть составлена запись материального баланса по элементам.

На основе полного материального баланса составляется баланс материального потока или, иначе, просто материальный поток. В отличие от таблиц полного материального баланса и баланса по элементу таблица материального потока составляется на несколько операций или на весь проектируемый объект в целом. Образец записи материального потока показан в табл. 2.

Особо следует отметить часто применяемую графическую форму изображения баланса по элементу или соединению. При использовании этой формы количество элемента показывается в масштабе шириной линии материального потока, что делает схему весьма наглядной. Примером может служить образец такой схемы, составленной для упрощения применительно к производству с небольшим числом укрупненных операций (рис. 14).

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

Сырье Передел 1

Потери

Потери

Передел 3

Потери

Годный продукт

Рис. 14. Схема материального потока в масштабе

Расчет материального баланса является разделом технологического проектирования и в значительно большей степени, чем другие разделы, формализован, что создает возможности для использования при его выполнении современной вычислительной техники. Специфическое значение расчета материального баланса в проекте связано с тем, что при расчете материального баланса выявляются полнота использования полезных компонентов минерального сырья, перерабатываемого на проектируемом предприятии, и комплексность использования сырья. Выявление при расчете материального баланса номенклатуры, количества и состава отходов позволяет количественно определить возможность опасного воздействия проектируемого предприятия на природу и предусмотреть необходимые защитные мероприятия.

План расположения оборудования, расчет мощности и числа единиц оборудования

На основе принятой принципиальной технологической схемы разрабатывается аппаратурно-технологическая схема (рис. 15, рис. 16), компонуется поточная автоматическая линия, выбираются тип и количество оборудования.

Затем разрабатывается план расположения оборудования и составляется общий компоновочный план цеха в соответствующем масштабе (1:100, 1:200 и т. д.).

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

Рис. 15. Аппаратурно-технологическая схема получения пентакарбонила железа: 1 − емкость, 2 − фильтр, 3 − дозатор, 4 − испаритель, 5 − трубопровод, 6 − аппарат разложения, 7 − циклон, 8 − рукавный фильтр, 9 − скруббер,

10 − газгольдер , 11 − магнитный фильтр, 12 − компрессор, 13 − теплообменник

После разработки строительной схемы и компоновки на план корпуса наносятся сетка колонн, основные въезды, главные проезды и проходы, уточненные границы отдельных помещений и участков, трансформаторные подстанции и основные вентиляционные установки, а также намечаются пути передвижения механизированного транспорта.

Далее производится выполнение рабочих чертежей на основе утвержденного технического проекта. Рабочие чертежи изготавливаются в соответствии с утвержденным техническим проектом, они являются основным документом для выполнения строительно-монтажных работ. При разработке рабочих чертежей уточняются и детализируются принятые в техническом

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

проекте решения в объёме и составе, необходимом для осуществления строи- тельно-монтажных работ.

Разработка рабочих чертежей начинается с разработки генерального плана, наружных инженерных сетей, рельсовых и безрельсовых дорог.

10

Рис. 16. Аппаратурно-технологическая схема получения порошка железа разложением пентакарбонила железа:

1 − колонна синтеза, 2 − газгольдер, 3 − насос, 4 − маслоотделитель, 5 − теплообменник, 6 − фильтр, 7 − конденсатор, 8 − сепаратор, 9 − сборник, 10 − емкость, 11 − сборник

Если применяются типовые проекты, разрабатываются рабочие чертежи, необходимые для привязки этих проектов к местным условиям.

В комплект рабочих чертежей входят:

• планировка цеха, отделений и участков с размещением оборудова-

ния;

•монтажные планы и разрезы; чертежи нестандартного оборудования, инструментов и приспособлений;

•схемы организации рабочих мест;

•схема оборудования цеха ограждениями, согласно требованиям охраны труда и техники безопасности;

•схема размещения санитарно-технических и энергетических установок, фундаментов;

•строительные чертежи, увязанные с фундаментом и расположением всех типов оборудования. План цеха выполняется в масштабе 1:100 или 1:200, а разрезы, соответственно, 1:50 или 1:25.

Планировка цеха и размещение в нём оборудования

Планировка цеха − наиболее сложный и принципиальный вопрос проектирования. При решении этого вопроса учитываются применяемые мате-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

риалы и способы их хранения; типы и количество оборудования, и удобство их обслуживания; условия труда рабочих; наличие грузопотоков и т. д.

Цех порошковой металлургии обычно состоит из следующих участков или отделений:

1.Склад металлических порошков и других материалов.

2.Размольно-смесительное отделение.

3.Отделение смешивания порошков и грануляции.

4.Прессовое отделение или отделение формования заготовок изделий.

5.Отделение спекания и производства защитных газов.

6.Отделение калибровки, доводки, пропитки или других видов дополнительной обработки готовых изделий.

7.Склад готовой продукции.

8.Лаборатория, участок ОТК, конторские и бытовые помещения. Предприятия порошковой металлургии должны располагаться на про-

мышленной площадке в соответствии с требованиями строительных норм и правил, санитарных и противопожарных норм проектирования промышленных предприятий.

Ниже приводятся некоторые правила размещения оборудования и отдельных переделов производства, которые необходимо учитывать при выполнении планировки.

Отделение приема сырья и склады добавок должны располагаться со стороны поступления сырья.

Склад готовой продукции размещается со стороны отправки продукции во избежание пересечения грузовых потоков.

При компоновке и расположении производственного корпуса на промышленной площадке рекомендуется в отдельных случаях предусматривать возможность его расширения.

Расположение цеха и его участков должно предусматривать максимальную поточность производства с сокращением холостых пробегов внутрицехового транспорта.

При расположении отдельных машин и агрегатов следует учитывать применение минимального количества передающих транспортных устройств (конвейеров, элеваторов) с минимальной их протяженностью.

Основные агрегаты рекомендуется устанавливать на уровне пола здания (линейная схема размещения оборудования).

Размещение оборудования в производственных помещениях и на рабочих местах не должно представлять опасности для обслуживания персонала.

Движение людей к рабочим местам должно производиться по наиболее коротким маршрутам с наименьшим количеством пересечений транспортных потоков.

Оборудование следует располагать, по возможности, в зоне действия эксплуатационных подъёмно-транспортных средств.

Размещение технологического оборудования должно обеспечивать безопасность и удобство его эксплуатации, обслуживания, ремонта, а также монтаж и демонтаж в любой последовательности.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

При размещении оборудования необходимо руководствоваться его габаритными и монтажными чертежами, разрабатываемыми заводамиизготовителями.

При наличии внутрицехового транспорта необходимо предусмотреть для него проезды, обеспечив при этом проходы не менее 1 м.

Конструкция и размещение конвейеров в производственных помещениях, галереях, эстакадах, приямках должны соответствовать требованиям безопасности.

Для механизации ремонтных работ необходимо предусматривать приспособления для съема, установки и транспортировки отдельных деталей массой более 50 кг.

При штучном и малосерийном характере производства пересечение грузопотоков возможно, но не желательно.

По возможности, материалы с одной операции на другую необходимо передавать самотеком, что обуславливает близкое расположение агрегатов между собой.

Взрывоопасные, пылящие агрегаты и агрегаты, работа которых сопровождается большим шумом, необходимо устанавливать в изолированных помещениях.

Печи и прессовое оборудование размещают на расстоянии 1−1,5 м от

стен.

При планировке расположения оборудования необходимо исходить из возможности строительства здания цеха прямоугольной формы.

В процессе хранения металлические порошки окисляются, что, в конечном счете, приводит к снижению качества изделий. Поэтому в цехе предусматривается отделение довосстановления металлических порошков, которое в некоторых случаях совмещается с отделением спекания. Расположение цеха порошковой металлургии средней и малой мощности на действующем предприятии в отдельном здании, находящемся на некотором расстоянии от других цехов, не всегда целесообразно. Этот цех может быть расположен в общем пролете, но обязательно отделен от него капитальной стеной.

Если принята многоэтажная схема здания, то технологический процесс проектируется сверху вниз. На верхнем этаже устанавливаются бункеры для шихтовых материалов и оборудование для подготовки и смешения порошков, ниже − отделение формования и спекания. Все основное технологическое оборудование цехов и участков небольшой мощности может быть расположено в общем корпусе. Исключение составляет отделение смесительноразмольного оборудования, которое должно быть отделено от остальных помещений перегородками из-за шума и пыли, создаваемых в процессе размола и смешения порошков. Установка для получения контролируемых атмосфер (водорода, эндотермического газа, окиси углерода, диссоциированного аммиака) должна, как правило, находиться вне основного помещения и быть отгороженной от него капитальными стенками.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

Мощность и режим работы предприятия

Производственная мощность предприятия устанавливается на основании задания на проектирование, выдаваемого заказчиком. Режим работы предприятия по основным и вспомогательным участкам обосновывается проектом. Количество рабочих дней в году при пятидневной рабочей неделе − 260, при шестидневной − 305, при семидневной рабочей неделе − 365. Продолжительность смены, как правило, − 8 часов. Пятидневная рабочая неделя рекомендуется для вспомогательных производств (ремонтно-механические мастерские, материальные склады), шести- и семидневные рабочие недели − для основного производства.

Номинальный годовой фонд рабочего времени определяется по формуле

Тг = N·n·t,

где Тг − фонд рабочего времени, ч; N − количество рабочих дней в году; n − количество рабочих смен в сутки; t − продолжительность рабочей смены, ч.

Расчетное рабочее время оборудования в год находят по формуле

Тр = Тг ·Кти,

где Тр − расчетное рабочее время, ч; Кти − коэффициент технического использования,

Кти = К1·К2,

где К1 − коэффициент использования внутрисменного времени работы технологического оборудования, предусматривающий потери времени на чистку, смазку, подналадку оборудования внутри смены, потери времени по передаче смены и уборке рабочего места; К1 = 0,9 (при трехсменной работе оборудования), К1 = 0,97(при двухсменной работе оборудования); К2 − коэффициент использования оборудования с учетом планово-предупредительных ремонтов; К2 = 0,93 (при прерываемой работе оборудования; К2 = 0,90 (при непрерывной работе оборудования). Коэффициент использования тепловых агрегатов к плановому времени их работы соответствует 0,95.

Расчетная часовая производительность отдельных единиц оборудования и технологических линий отдельных переделов производства, ограниченных буферными емкостями, обеспечивающими независимую работу смежных переделов на определенный период времени, находится по формуле

Пч = Пп·Кти·Кгу,

где Пч − часовая производительность оборудования и технологических линий отдельных переделов, шт/ч(т/ч); Пп −паспортная часовая производительность оборудования, т/ч (для расчетов по технологической линии принимается наименее производительная машина или механизм); Кти − коэффициент технического использования оборудования; Кгу − коэффициент готовности от-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

дельных единиц оборудования и всего оборудования данного участка, равный произведению коэффициента готовности всех машин, входящих в состав линии,

Кгу = Кг1·Кг2·Кгi.

Коэффициент готовности питателей и дозаторов соответствует 0,985; смесителей − 0,97; дробильно-помольного оборудования − 0,97; прессов − 0,97; автоматов укладчиков, садчиков, пакетировщиков − 0,97; толкателей, передаточных тележек − 0,985, печей − 0,985. При проектировании необходимо обеспечить максимальное значение Кгу за счет устройства в технологической линии промежуточных буферных емкостей. Количество единиц оборудования и принимаемых технологических линий для обеспечения годовой производительности определяется по формуле:

N = Пг/Пч·Тг,

где Пг −годовая производительность, шт (т); Пч −часовая производительность технологических линий, шт (т); Тр − расчетное рабочее время работы оборудования в год, ч.

Годовую производительность единиц оборудования и технологической линии в целом определяют на основе расчета материального баланса. Коэффициент загрузки каждого агрегата определяется по соотношению

Кз = nрасч/nфакт,

где в числителе − количество необходимых агрегатов, а в знаменателе − реально включенных в технологический процесс.

Компоновочные решения цехов порошковой металлургии

Расстановка основного оборудования в цехе является одной из важнейших и в то же время сложных операций технологического проектирования.

Важность этой операции состоит в том, что расположение оборудования определяет производственные потоки, которые оказывают решающее влияние на технико-экономические результаты работы цеха или участка, большого или малого.

Сложность этой операции состоит в том, что при проектировании новых предприятий приходится одновременно решать две взаимосвязанных задачи, а именно: выбрать форму здания с количеством и размерами пролетов

иприменительно к ним сделать расстановку оборудования (табл. 3). Решение каждой из этих задач в большинстве случаев допускает несколько возможных вариантов. Поэтому для выбора оптимального варианта приходится намечать и исследовать несколько возможных, кажущихся на первый взгляд наиболее подходящими, равноценных вариантов с тем, чтобы из них выбрать

иобосновать оптимальный. В одном пролете располагают, как правило, одну или две технологические линии. Размеры пролетов определяются габаритами

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

оборудования, компоновкой с учетом проходов, проездов и условиями работы транспортного оборудования (табл. 4).

К рациональному размещению оборудования в цехе предъявляются определенные требования.

Производственные потоки должны быть минимальными, без значительных возвратных движений и, по возможности, непересекающимися.

Должны быть исключены или, в крайнем случае, сведены до минимума, передачи обрабатываемого материала из пролета в пролет, если для такой передачи необходимы перегрузки или специальные передаточные устройства.

Должно иметь место простое территориальное объединение (близкие к прямоугольным) отдельных рабочих мест в производственные отделения, участки, пролеты с родственными видо-размерами, технологическими процессами.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

Должны быть обеспечены проходы, проезды, места для складирования обрабатываемого материала до и после обработки на каждой установке и агрегате (у машин, печей, поточных линий и т. д.), места для складирования страховых запасов материала, места разворота электрокаров и электропогрузчиков. Проезды и проходы занимают 5 % общей площади и до 30 % производственной площади цеха.

Размеры пролетов и расстояния между колоннами должны быть подобраны так, чтобы при минимальной стоимости здания были обеспечены удобства на рабочих местах и транспорте, соответствовали стандарту. Пролеты рекомендуется задавать без перепада по высоте, которые неизбежно ухудшают условия строительства.

Участки с вредными выделениями должны быть расположены с учетом наиболее легкой возможности удаления этих выделений, утилизации их и исключения распространения по цеху.

Участки вспомогательного назначения должны быть расположены, по возможности, вблизи обслуживаемых производственных или рабочих мест.

Установки, подающие сжатый воздух, жидкое топливо, жидкость высокого давления для гидроприводов и т. п. должны быть расположены так, чтобы соответствующие коммуникации имели минимальную протяженность, создавали наименьшее сопротивление движению этих сред и были отделены от основного цеха капитальными стенами или вынесены за пределы цеха.

Должны быть намечены места для разных обязательных коммуникаций и устройств для них (электроэнергия, водоканализация, кислотоотводы и др.).

Должна быть исключена возможность смешения обрабатываемых материалов и их отходов с различными свойствами.

Должны быть обеспечены требования технической и противопожарной безопасности, изложенные в соответствующих инструкциях, особенно при обработке металлов и сплавов с самовозгорающейся стружкой (алюминий, магний и их сплавы и т. п.).

Расстояние между оборудованием должно соответствовать нормам техники безопасности и промсанитарии.

В зависимости от заданных производственных условий, габаритов основного оборудования и организации рабочих мест, расположение оборудования может быть:

1)продольным, при котором длинная сторона габаритного прямоугольника оборудования параллельна оси пролета. Такое расположение применяется, когда длина габарита много больше половины ширины пролета;

2)поперечным, при котором длинная сторона этого прямоугольника перпендикулярна оси пролета. Такое расположение применяется при малых длинах габаритов оборудования по сравнению с шириной пролета, а также в тех случаях, когда становится целесообразной установка одной или нескольких машин одновременно в двух пролетах с тем, чтобы производственная операция начиналась в одном пролете и заканчивалась в другом. При этом обрабатываемый материал из пролета в пролет попадает без специальной транспортной операции;

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы

изводится в печах 21−25, расположенных в помещении спекания 11. После спекания и антифрикционные детали поступают в агрегат на сульфидирование 26.

На схеме слева размещены участки, на которых изготовляются изделия мелкими сериями или экспериментальными партиями. Участок калибрования 27−31 оборудован пятью калибровочными прессами различной мощности. Данный участок расположен в конце технологического потока производства. Участок текущего ремонта и переналадки прессов 32 расположен непосредственно у прессов. Из плана цеха видно, что отделение 1 приемки, хранения и обработки порошков внутри разделено на отдельные помещения. Цех оборудован системой транспортеров и конвейеров, расположенных в направлении движения грузопотоков. Тип и размеры здания выбираются исходя из требований, предъявляемых к технологическому процессу, и уточняются после утверждения окончательного варианта расстановки оборудования согласно аппаратурно-технологической схеме. Наиболее целесообразно ширину пролетов брать равной 12−36 м, шаг колонн − 6 м. На высоте более 1,5 м и до верхней продольной балки пролеты между колоннами выполняются в виде окон стандартной ширины, нижняя и боковые части пролетов заполняются кирпичной кладкой толщиной 510 или 385 мм. Цех до затяжки стропильный ферм имеет высоту 7−10 м, меньшую высоту рекомендуется брать при наличии относительно небольшого печного хозяйства. При отсутствии мостовых кранов высота цеха принимается 7−8 м, при их наличии − 9−10 м. Крыша выполняется из жаростойких и теплоизоляционных материалов.

Контрольные вопросы

1.От каких параметров зависит порядок расчета материального потока производства полной технологической схемы?

2.В какой форме может быть представлен материальный баланс производства?

3.Какие участки входят в состав цехов порошковой металлургии?

4.Какие исходные данные необходимы для расчета числа единиц оборудования?

5.Как рассчитать коэффициент загрузки оборудования?

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция8 Особенности проектирования производства

полупроводниковых материалов

План лекции

1.Чистые помещения

2.Очистка воздуха внутри помещения

3.Основы проектирования систем очистки воздуха внутри зданий

4.Устройство чистых помещений

Современный подход к обеспечению качества продукции предусматривает наличие таких технологий и организации производства, чтобы невозможно было выпустить продукцию низкого качества и надежности. Важной частью этого подхода является технология чистоты. Без нее немыслимо производство микроэлектронных схем, современное приборостроение и точная механика, изготовление лекарственных средств, во многих случаях эффективное лечение больных, приготовление пищевых продуктов и т. д.

Чистые помещения

Чистым помещением или чистой комнатой называется помещение, в

котором счётная концентрация взвешенных в воздухе (аэрозольных) частиц и, при необходимости, число микроорганизмов в воздухе поддерживаются в определённых пределах. Под частицей понимается твёрдый, жидкий или многофазный объект или микроорганизм с размерами от 0,005 до 100 мкм. При классификации чистых помещений рассматриваются частицы с нижними пороговыми размерами от 0,1 до 5 мкм. Ключевым фактором является то, что чистые помещения характеризуются именно счётной концентрацией частиц, т. е. числом частиц в единице объёма воздуха, размеры которых равны или превышают определенную величину (0,3; 0,5 мкм и т. д.) Этим они отличаются от обычных помещений, в которых чистота воздуха оценивается по массовой концентрации загрязнений в воздухе. Отсюда вытекают особенности поддержания и определения показателей чистоты, специфические требования к контрольным приборам, счётчикам частиц в воздухе и пр. Важной характеристикой чистого помещения является его класс. Класс чистого помещения характеризуется классификационным числом, определяющим максимально допустимую счётную концентрацию аэрозольных частиц определённых размеров в 1 м3 воздуха. В табл. 5 показаны основные области применения чистых помещений.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

На диаграмме (рис. 19) видно, что проблема чистых помещений носит комплексный характер. Недостаточно создать собственно чистое помещение, которое обеспечивает нужный класс чистоты при отсутствии технологического оборудования и персонала. Нужно одновременно применять оборудование, выделяющее минимум загрязнений или не выделяющее их вообще,

решений.

Это особенно важно при реконструкции производств, когда в стесненных условиях старых зданий приходится создавать чистые помещения высоких классов. Проектирование ведется в соответствии со стандартами ИСО по чистым помещениям: ГОСТ ИСО 14644-1-2002 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 1. Классификация чистоты воздуха»; ГОСТ Р ИСО 14644-4-2002 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 4. Проектирование, строительство и ввод в

эксплуатацию»; ГОСТ Р ИСО 14644-5-2005 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 5. Эксплуатация»; ИСО 14644-7-2004 «Чистые помещения и связанные с ними контролируемые среды. Часть 7. Специальные устройства обеспечения чистоты» и с другими нормативными документами.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

Чистое помещение − сложное, дорогостоящее и ответственное инженерное сооружение

Для обеспечения заданного класса чистоты важен комплексный подход. Нужно следовать основным принципам обеспечения чистоты на всех этапах создания чистого помещения, которые включают: разработку концепции обеспечения чистоты; проектирование; строительство; аттестацию; эксплуатацию.

Важно знать требования к материалам, конструкциям, оборудованию и приборам, уметь их правильно выбрать и применить. Обеспечить требуемый класс чистоты и поддерживать его во время эксплуатации можно только четким выполнением основных принципов, соблюдением технологии строительства и последовательной аттестацией помещения на всех этапах его создания. При этом важно находить наиболее экономичные решения.

Можно условно выделить следующие основные подходы к созданию чистых помещений:

1.Определение принципа разделения зон с различными классами чистоты. Разработка планировочных решений чистых помещений.

2.Формирование потоков воздуха. Обеспечение необходимых характеристик однонаправленного потока воздуха.

3.Обеспечение баланса воздухообмена, необходимой доли наружного

воздуха, а для помещений класса 5 ИСО − 9 ИСО − кратности воздухообмена. Построение системы вентиляции и кондиционирования.

4.Применение фильтров HEPA и ULPA и многоступенчатой фильтрации воздуха.

5.Обеспечение необходимого перепада давления (если требуется).

6.Разработка эффективных проектно-конструкторских решений, использование надлежащих материалов и оборудования. Правильный выбор подрядчика. Строительство и монтаж в соответствии с «протоколом чистоты».

7.Контроль параметров воздуха: концентрации частиц, однонаправленности и скорости однонаправленного потока воздуха, перепада давления, целостности фильтров HEPA и ULPA, времени восстановления параметров чистого помещения и пр.

8.Правильная эксплуатация чистых помещений, включая требования к одежде, порядку очистки, дезинфекции и пр.

9.Обучение персонала, выполнение им требований личной гигиены, правильного поведения, переодевание и пр.

10.Аттестация проекта и самого чистого помещения на всех этапах его создания.

Процессы изготовления изделий электроники протекают в определенной среде, сопутствующей технологическим операциям. Для исключения вредного воздействия неблагоприятных факторов на изделия электроники в процессе производства технологическая среда должна обладать определен-

ными заданными параметрами − чистотой, температурой, влажностью и под-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

вижностью воздуха, чистотой широко применяемых в этом производстве газов и жидкостей.

Важнейший параметр чистоты воздуха − запыленность (рис. 20). По техническим условиям, разработанными управлением военно-воздушных сил США для предприятий электронной промышленности, предусмотрены четыре класса чистоты воздуха в производственных помещениях (табл. 6).

Рис. 20. Природа микрозагрязнений в воздухе и характерные для них размеры

Таблица 6

Классификация запыленности воздуха производственных помещений

Помещения первого класса по чистоте предназначены для сборки аппаратуры, калибровки приборов и т. д., где не требуется особой точности.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

Помещения второго класса предназначены для сборки и калибровки электронной аппаратуры и приборов, где требуется повышенная точность. Помещения третьего и четвертого классов предназначены для технологических операций с электронными приборами, когда требуется высокая и наивысшая степень точности.

В США разработан стандарт на условия чистоты атмосферы в специальных помещениях. Согласно этому стандарту производственные помещения подразделяются по чистоте на три класса (табл. 7).

Эти три класса степени обеспыливания воздуха удовлетворяли требованиям производства изделий электроники в недалеком прошлом. В настоящее время в связи с повысившимися требованиями к качеству продукции такая классификация не обеспечивает условий технологической гигиены. Сфера применения чистых помещений широка и к настоящему времени охватывает многие области техники, жизни и деятельности человека.

Таблица 7

Американский стандарт чистоты воздуха в производственных помещениях

Температура воздуха производственного помещения играет существенную роль как элемент технологической среды; от температурной стабильности воздуха зависит качество технологических операций, поскольку изделия электронной промышленности имеют весьма малые допуски и их параметры могут изменяться от колебаний температуры. Американский стандарт предусматривает температуру воздуха в чистом помещении в пределах от 20 до 25 °С с колебаниями ± 0,5 °С для помещений с очень ответственными производственными операциями и ± 2 °С для менее важных процессов. Весьма существенно, что скорость изменения температуры воздуха в чистом помещении не должна превышать 2 °С в час. Перепад температур между внутренним и подаваемым воздухом обеспечивается в пределах 14−16 °С.

Существенное значение в технологической гигиене имеет влажность воздуха. Условия технологической гигиены требуют, чтобы влажность воздуха в производственном помещении была порядка 45 %. В герметизированных объемах, в которых технологические процессы осуществляются без человека, влажность воздуха понижается до 3 % и даже меньше, что влияет на изделия более благоприятно.

Скорости движения воздуха лимитируются исключением возможности образования сквозняков и габаритами обрабатываемых деталей (чтобы исключить их сдувание с рабочих мест); подвижность воздуха − до 30 м/мин.

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

Технологическая гигиена в производстве электронных изделий предполагает широкое применение газов высокой чистоты: азота, аргона, гелия, водорода и других.

Установлено, что при наличии в технологической среде примесей кислорода и влаги резко снижается процент выхода годных изделий, ухудшается надежность и стабильность параметров приборов. Поэтому к чистоте газов предъявляются весьма высокие требования: доля примесей кислорода в водороде, азоте, аргоне должна составлять не более 4·10−4 %, паров воды − не более 7·10−4

%.

В производстве для промывки многих приборов после травления нужна вода высокой чистоты. Она очищается от ионов до удельного сопротивления 18−20 мОм и больше.

Размещение предприятий. В системе мероприятий по обеспечению чистоты производства важнейшее значение имеет сооружение специальных помещений и решение вопросов, связанных с выбором района размещения предприятий и типа промышленных зданий.

При строительстве заводов электронных изделий стараются не использовать местности с такими источниками загрязнений воздуха, как дымовые трубы, цементные заводы, установки для сортировки песка и гравия, заводы искусственных удобрений, зернохранилища и т. д. Окончательный вариант проекта появляется в результате творческого поиска и анализа множества возможных решений. Это особенно важно при реконструкции производств, когда в стесненных условиях старых зданий приходится создавать чистые помещения высоких классов.

Очистка воздуха внутри помещения

Взависимости от требуемой степени чистоты и способа вентиляции системы очистки воздуха можно разделить на 4 типа: местной вытяжки, вентиляционные, очистки воздуха диффузионного типа, чистых помещений.

Втех случаях, когда велика концентрация загрязняющих веществ внутри чистого помещения или в нем выделяются высокотоксичные химические вещества, которые нужно удалить, не допуская их распространения,

применяются местные вытяжные системы.

Вентиляционные системы используют при малой загрязненности атмосферного воздуха, допускающей его использование внутри помещений. Концентрация загрязняющих веществ в воздухе внутри помещения снижается вследствие разбавления его атмосферным воздухом.

Вентиляционные системы подразделяются на системы с естественной и принудительной циркуляцией воздуха. Во-первых, циркуляция воздуха возникает из-за различия в направлении и скорости воздушных потоков, а также вследствие разности температур и, следовательно, плотности воздуха внутри

ивне здания. Системы с принудительной циркуляцией, в которых воздух в помещении вентилируется воздуходувками и вытяжными вентиляторами, обеспечивают проектируемый уровень вентиляции с гораздо большей на-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

дежностью, чем системы с естественной циркуляцией. Выделяют следующие типы систем с принудительной циркуляцией воздуха (рис. 21): принудительный приток − принудительная вытяжка, принудительный приток − естественная вытяжка, естественный приток − принудительная вытяжка.

Рис. 21. Системы с принудительной циркуляцией воздуха в помещении

Для непосредственного измерения расхода в приточных и вытяжных диффузорах в потолке и стенах помещения используется прибор − балометр. Преде-

лы измерения расхода воздуха: 0−425, 118−850, 680−1 700, 1 360−3 400 м3/ч; вы-

пускается с различными размерами входного отверстия. Для чистых помещений рекомендуется размер 61×61 см.

Рис. 22. Общий вид чистого помещения (слева), шлюз материальный с системой звуковой и световой сигнализации (в центре),

чистый коридор (справа)

Для систем очистки воздуха диффузионного типа характерны большие скорости перемещения микрочастиц в воздухе. В помещении устанавливается оборудование для очистки воздуха с производительностью, обеспечивающей заданную концентрацию микрочастиц в воздухе. Такой тип систем применяют в чистых помещениях с турбулентной циркуляцией воздуха (классы выше

1000).

Системы чистых помещений характеризуются повышенными требованиями в отношении соблюдения чистоты в помещении за счет установки воздушных высокоэффективных фильтров, что позволяет поддерживать высокую степень чистоты воздуха. Помещения, в которых поддерживается вы-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

сокая биологическая степень чистоты, называют биологически чистыми помещениями (рис. 22).

Основы проектирования систем очистки воздуха внутри зданий

Цели очистки воздуха и высокочистые объекты внутри помещения весьма разнообразны и определяются назначением помещения.

Локализация вредных выделений. Если на предприятии имеются уча-

стки с большим выделением газообразных химически активных веществ, тепла, водяных паров, при проектировании зданий должны быть предусмотрены меры, препятствующие распространению выделяющихся веществ по всему зданию. К ним следует отнести планировку здания с выделением чистых зон, установку местных вытяжек, установку перегородок, создание воздушных завес, подачу очищенного воздуха в здание. Кроме этого необходимо предусматривать эффективный отбор загрязненного воздуха непосредственно в месте выделений и его очистку с последующим выбросом в атмосферу. Эффективность очистного оборудования должна быть достаточной для того, чтобы не нанести ущерба окружающей среде. В проекте следует предусмотреть средства для сбора и нейтрализации улавливаемых примесей.

Расчет вентиляционных систем и давления в помещении. Весьма важным с точки зрения чистоты воздуха является величина давления воздуха в отдельных помещениях и во всем здании. В загрязненных помещениях для предупреждения распространения загрязненного воздуха по зданию создается небольшое разрежение по отношению к остальным помещениям, в чистых помещениях − некоторое избыточное давление. При этом следует учитывать влияние естественной циркуляции воздуха. В частности, при проектировании чистых помещений целесообразно предварительно исследовать возможности различных схем циркуляции воздуха с целью увеличения давления внутри помещения по сравнению с внешними зонами, придавая особое значение предотвращению попадания загрязненного воздуха внутрь помещения. Кроме этого необходим анализ распределения воздушных потоков по всему объему здания и объемного оптимального соотношения чистых помещений и соприкасающихся с ними непроизводственных зон (коридоры, лестничные проемы и т. д.). Общая тенденция состоит в создании направленных потоков воздуха от участков с малой загрязненностью в места с большей загрязненностью.

Оборудование для очистки воздуха. Наиболее простым и эффектив-

ным методом поддержания требуемых санитарно-гигиенических условий и чистых производственных сред в зданиях является вентиляция с вводом в

помещение свежего атмосферного воздуха и выводом загрязненного воздуха. Поскольку атмосферный воздух крупных городов сильно загрязнен аэрозолями и токсичными газами, обычно предусматривается очистка приточного атмосферного воздуха очистным оборудованием. Кроме этого в зданиях сле-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

дует предусматривать размещение оборудования для регенерации воздуха, загрязняемого внутри помещений. Воздух внутри помещений обычно загрязняется аэрозолями, токсичными газами, взвешенными биологическими микроорганизмами. В настоящее время в Японии производится большое количество разнообразных кондиционеров. Для очистки от аэрозолей используются воздушные фильтры, электростатические отстойники. Токсичные газы удаляют преимущественно фильтрами с активированным углем (этот метод эффективен и для поглощения радиоактивных примесей). Микроорганизмы уничтожают в основном бактерицидными лампами, а также удаляют воздушными фильтрами с высокой эффективностью. Обычно блоки очистки монтируют внутри кондиционеров.

Оборудование для пылеулавливания. Известны несколько наиболее распространенных типов пылеуловителей.

Вгравитационных пылеуловителях пыль осаждается на стенках под действием силы тяжести.

Вцентробежных пылеуловителях пыль осаждается под действием центробежной силы (циклоны и т. д.).

Высокоэффективные воздушные фильтры используются для пыле-

улавливания различных физических эффектов − слипания частиц при столкновении во время диффузии, электростатических сил, адгезии при контакте под действием молекулярных силы др.

Вжидкостных конденсаторах микрочастицы поглощаются каплями воды (скрубберы Вентури).

Наиболее эффективными по коэффициентам фильтрации, стоимости, габаритам и надежности в эксплуатации следует признать фильтры и элек-

тростатические отстойники.

Впроцессе эксплуатации очистных систем и кондиционеров обычно контролируются три параметра: потери давления, коэффициент фильтрации, количество отфильтрованной пыли.

Потери давления, т. е. снижение давления во время прохождения воздуха через очистное оборудование выражают обычно в мм вод. ст. При увеличении расхода очищаемого воздуха потери давления возрастают. Они увеличиваются также и по мере увеличения количества осаждающейся на фильтрах пыли. Поэтому часто потери давления в фильтрах служат критерием работоспособности фильтров и срока их службы.

Коэффициент фильтрации определяют, измеряя концентрацию пыли в воздушном потоке до и после фильтра. Для определения концентрации

обычно используется весовой метод − измерение количества пыли в воздухе до и после фильтра или измерение количества отфильтрованной пыли.

Количество отфильтрованной пыли оценивают по потерям давления на фильтре. Обычно принимают, что предельное количество пыли на фильтре, когда еще не происходит уноса отфильтрованных частиц потоком прохо-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

дящего воздуха, соответствует двукратному увеличению потерь давления по сравнению с начальными потерями.

При выборе очистного оборудования руководствуются в первую очередь техническим описанием и правилами эксплуатации оборудования. При этом должен быть проведен всеобъемлющий анализ условий эксплуатации оборудования, включающий следующие параметры:

•цель очистки воздуха (назначение чистого помещения);

•объем нагнетаемого атмосферного воздуха и концентрация в нем аэрозолей;

•объем циркулирующего воздуха и концентрация микрочастиц в помещении;

•количество выделяющейся в помещении пыли;

•габариты и вес вентиляторов;

•производительность и мощность очистного оборудования;

•эксплуатационные расходы.

Каких-то определенных правил выбора очистного оборудования не существует, однако целесообразно придерживаться программы выбора.

Удаление частиц размером около 0,1 мкм.

Коэффициент фильтрации монодисперсных аэрозолей с размером микрочастиц 0,3 мкм НЕРА-фильтрами превышает 99,97 %. Однако в настоящее время в полупроводниковой технологии возникла проблема удаления микрочастиц с размерами около 0,1 мкм. Возможные пути решения этой проблемы сводятся к следующему: многократная фильтрация воздуха; применение комбинированных методов фильтрации; многократная фильтрация с одновременным электростатическим осаждением; многократная рециркуляция; фильтрация с малым расходом воздуха.

Устройство чистых помещений

Высокочистый воздух для чистых помещений до сих пор получают фильтрацией, используя НЕРА-фильтры (коэффициент фильтрации, определенный для монодисперсных аэрозолей с размерами частиц 0,3 мкм, выше 99,97 %). В НЕРА-фильтрах коэффициент фильтрации Р = 10−4, но при введении в вентиляционную систему промежуточных фильтров его можно довести до 10−5. НЕРА-фильтры позволяют снизить концентрацию взвешенных микрочастиц размером более 0,5 мкм с 107−108 м−3 до 102−103 м−3. На практике, с учетом частой смены, эти фильтры обеспечивают снабжение высокочистым воздухом с уровнем чистоты несколько сотен частиц на кубический метр.

Усовершенствованные ULPА-фильтры характеризуются коэффициентом фильтрации Р =10−5−10−6; при использовании промежуточных фильтров его можно довести до 10−6−10−7 Фильтры этого типа снижают концентрацию

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

взвешенных частиц размером более 0,1 мкм с 10−8 до 10−2 м−3. С учетом частой смены можно получить сверхчистый воздух с уровнем чистоты порядка десятков частиц на кубический метр

Таким образом, HЕРА- и ULРА-фильтры позволяют практически решить проблему получения воздуха высокой чистоты (не решенными до конца остаются вопросы измерения коэффициентов фильтрации частиц размером менее 0,3 мкм и повышения надежности фильтров).

До сих пор для поддержания высокой чистоты среды внутри чистых помещений применялись ламинарная (вертикальная или горизонтальная) и турбулентная циркуляции. На практике во многих случаях реализуются смешанные режимы.

Очевидно, что турбулентный режим непригоден для сверхчистых помещений и для поддержания сверхвысокой чистоты необходима ламинарная циркуляция. Проблема сверхчистых помещений сводится к тому, чтобы при полной вертикальной или горизонтальной ламинарной циркуляции повысить чистоту помещений с класса 100 до классов 10 или 1. Очевидно, что ее нельзя решить увеличением средней скорости воздушных потоков, т. е. кратности воздухообмена, поскольку в этом случае частицы диффундируют в воздушный поток от источников загрязнения и степень чистоты вентилируемого воздуха снижается. Положительный эффект дает комбинированное применение следующих мер:

–поддержание достаточно низкой концентрации частиц в воздушном потоке по сравнению с их концентрацией в помещении (соотношение поряд-

ка 1 к 100);

–уменьшение поступления частиц от источников загрязнения к поверхности изделия или удаление источников загрязнения от изделия;

–всемерное снижение количества пыли, выделяемой источниками, или

еелокальный отбор и удаление.

Внастоящее время существует 7 основных типов систем чистых производственных помещений:

• система с турбулентной циркуляцией (один НЕРА-фильтр на всю

систему);

•система с турбулентной циркуляцией (несколько НЕРА-фильтров, встроенных в каждую приточную линию);

•смешанная циркуляция (чистое рабочее место или чистый коридор);

•смешанная циркуляция (пылезащитная камера);

•смешанная циркуляция (чистый бокс);

•вертикальная ламинарная циркуляция;

•горизонтальная ламинарная циркуляция.

Существуют три эффективных метода формирования воздушной сверхчистой среды в сверхчистых помещениях:

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

–смывание ламинарным потоком воздуха микрочастиц, выделяющихся из источника загрязнений, вниз для предотвращения проникновения частиц в область у поверхности изделия;

–формирование в области у поверхности изделия потока высокочистого воздуха, параллельного поверхности, для предотвращения проникновения микрочастиц из объема помещения к поверхности;

–герметизация изделия с введением в герметизированный объем высокочистого воздуха или газа или вакуумирование этого объема.

Фильтровентиляционные модули (рис. 23) являются автономными бло-

ками, обеспечивающими чистоту рабочей зоны для классов 5 ИСО − 4 ИСО. Модуль состоит из предфильтра, вентилятора и НЕРАфильтра. Компактные модули FFU-Compact имеют следующие характеристики: расход воздуха: 780 м3/ч при скорости воздушного потока 0,3 м/с, давлении 80 Па; 1 166 м3/ч при скорости воздушного потока 0,45 м/с и давлении 120 Па. На основе модулей могут создаваться локальные чистые зоны различной площади с установкой модулей на столе, с опорами на полу, подвешиванием к потолку. Могут также конструироваться чистые помещения с рециркуляцией воздуха с помощью фильтровентиляционных модулей.

Рис. 23. Ламинарная зона на основе фильтровентиляционных модулей и настольная модульная установка с однонаправленным потоком воздуха

Метод формирования ламинарного потока принципиально не отличается от метода формирования ламинарного воздушного потока в современных чистых помещениях класса 100 и представляет собой его дальнейшее развитие применительно к сверхчистым помещениям. Практически он осуществим при вертикальной ламинарной циркуляции во всем объеме помещения и в варианте чистого коридора.

Метод чистого коридора обеспечивает точный контроль температуры и влажности воздуха у каждой установки и более экономичен, но менее удобен в отношении размещения и монтажа оборудования.

Положительными чертами полного ламинарного вертикального потока являются простота размещения оборудования, свободный доступ, легкость

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов

перестановки и монтажа оборудования. Недостатками являются распространение по всему помещению газов и паров, выделяющихся на отдельных технологических участках и пожароопасность.

При производстве СБИС эффективная защита поверхности изделий от пыли осуществима в относительно малом пространстве с особо чистой средой. Это позволяет отказаться от сверхчистых помещений.

К характерным чертам метода локального чистого пространства (пылезащитная камера) относят то, что в зависимости от способа вентиляции класс помещения, в котором расположена пылезащитная камера, может быть понижен на один−два порядка. Если пылезащитная камера размещается в помещении класса 1000 с турбулентной циркуляцией, то по сравнению со сверхчистыми помещениями с полной ламинарной циркуляцией существенно снижается энергопотребление с одновременным увеличением эффективности затрат. Этот метод эффективен, когда каждая камера снабжена собственной автономной вентиляционной системой.

Контрольные вопросы

1.Какие помещения относятся к «чистым»?

2.Какой параметр является ключевым при определении класса чистоты помещения?

3.Какие типы систем очистки воздуха вы можете назвать?

4.Какое оборудование используется для очистки воздуха чистых помещений?

5.Какие методы формирования воздушной сверхчистой среды в помещениях существуют?

6.Где применяется метод локального чистого пространства?

ЛЕКЦИЯ9 Сверхчистые помещения

в полупроводниковой технологии

План лекции

1.Расчет параметров сверхчистых помещений.

2.Аттестация чистых помещений.

Быстрое развитие полупроводниковой промышленности в значительной степени сдерживается и количеством и качеством современных чистых помещений. Действующие в настоящее время стандарты на чистые помеще-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии

ния не отражают возросших требований по чистоте, ощущается необходимость в стандартизации помещений с воздушной сверхчистой средой.

В 1982 году, отмеченном быстрым ростом производства БИС с высокой степенью интеграции, суммарная стоимость произведенных ИС достигла 1 триллиона иен, увеличившись на 40 % по сравнению с предыдущим годом. Созданные ИС с динамической информационной емкостью 256 Кбит на одном кристалле. Несколькими фирмами разрабатываются БИС на 1 мбит.

Рис. 24. Характеристика производстваполупроводниковыхмикросхем и класса чистоты

Дальнейшие темпы увеличения степени интеграции будут определяться совершенствованием микроэлектронной технологи; увеличением площади кремниевых пластин; развитием схемотехники.

И в микроэлектронной технологии, и в технологии получения кремниевых пластин прогресс немыслим без значительного улучшения производственных сред по чистоте.

Миниатюризация кремниевых пластин влечет за собой необходимость удаления из производственной среды все более мелких частиц аэрозолей. Обычно считается, что размер микрочастиц, подлежащих контролю и удалению, составляет 1/10 от ширины линии. Поэтому если размер элемента составляет 1 мкм, то минимальный размер контролируемых частиц должен составлять 0,1 мкм.

Следует отметить, что увеличение размера кремниевой пластины при неизменном коэффициенте адгезии микрочастиц к поверхности из-за повышения вероятности адгезии частиц ведет к снижению выхода годных схем. Поэтому без соответствующего улучшения степени чистоты производственной среды увеличивать размер пластины нецелесообразно. Увеличение пло-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии

щади подложки требует повышения класса чистоты помещения, т. е. перехода к помещениям со сверхчистой средой (рис. 24).

Расчет параметров сверхчистых помещений

Степень чистоты атмосферного воздуха на высоте 4 км от поверхности Земли соответствует классу 100. У поверхности Земли без вентиляции и фильтрации воздуха создать подобную чистую воздушную среду в производственных помещениях практически невозможно.

Условие ламинарности. В чистых помещениях существует и ламинарная, и турбулентная циркуляция воздуха, но в помещениях с чистотой воздуха выше класса 100 необходим только ламинарный режим циркуляции.

Для расчета чистоты помещений с ламинарной циркуляцией воздуха используется уравнение

М − количество пыли, выделяющейся в помещении; Q − количество нагнетаемого воздуха, м3/ч.

Источники микрочастиц М1 и М2 непосредственно не загрязняют помещения (М1 + М2 = М). Их влияние сказывается на чистоте в помещении через циркулирующий воздух, поступающий в ULPA-фильтр.

Как известно из аэродинамики, турбулизация усиливается с увеличением числа Рейнольдса:

Re = u·p·d/m = u·d/v,

где u − средняя скорость воздушного потока; d − размер трубопровода; р − плотность потока; m − кинематическая вязкость; v = m/p − динамическая вязкость.

Во многих случаях увеличение числа Рейнольдса ведет к появлению завихрений.

Естественно, что в чистых производственных помещениях должен быть предел, ограничивающий максимальную скорость воздушного потока. Но имеется также и нижний предел скорости, не связанный с турбулизацией потока. Очевидно, что при средних скоростях воздушных потоков менее 0,2 м/с малые скорости восстановления создают весьма существенные трудности во время эксплуатации помещения.

Анализ воздушных потоков и движение микрочастиц. Для повыше-

ния чистоты воздуха в помещении необходимо снижать количество выделяющейся в помещении пыли (М), увеличивать расход циркулирующего воз-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии

духа (Q) и использовать фильтры с большими коэффициентами фильтрации (n). Вместе с тем важным является выполнение условия ламинарности движения воздуха в помещении.

Для подтверждения большей эффективности ламинарного режима движения по сравнению с турбулентным укажем, что при типичных значениях первого слагаемого С0 (Y = 0,5, n = 0,997) второе слагаемое в уравнении для ламинарного режима примерно в 104 раз меньше, чем для турбулентного. Поэтому условия движения воздуха в помещении и определяемый ими характер распространения микрочастиц в помещении нуждаются в серьезном теоретическом и экспериментальном исследовании.

Рассмотрим основные теоретические положения.

Макроскопическое движение газов описывается фундаментальными уравнениями движения Навье−Стокса, представляющими собой приложение законов механики Ньютона к движению газов и жидкостей:

du/dt + u·du/dx + v·du/dy + w·du/dz = −1dp/pdx + vD2u,

dv/dt + u·dv/dx + v·dv/dy + w·dv/dz = −1dp/pdy + vD2 v,

dw/dt + u·dw/dx + v·dw/dy + w·dw/dz = −1dp/pdz + vD2w.

Здесь u, v, w − компоненты скорости по трем осям координат; р − статическое давление; v − динамическая вязкость; D2 = d2/dx2 + d2/dy2 + d2/dz2.

Приведенные уравнения − это система нелинейных дифференциальных уравнений с независимыми переменными х, у, z, t. В левой части первый член определяет ускорение, второй, третий, четвертый − инерционные силы. В правой части первым членом определяется статическое давление (зависящее от координаты z), вторым − вязкостные силы.

Движение микрочастиц в воздушном потоке описывается уравнением трехмерной диффузии:

dC/dt + u·dC/dx + v·dC/dy + w·dC/dz = Dd2C,

где С − концентрация микрочастиц; D − коэффициент диффузии микрочастиц, зависящий от формы, размера, концентрации микрочастиц и температуры воздуха.

При постоянном коэффициенте диффузии компьютерное решение уравнений диффузии и Навье−Стокса дает полную картину распределения микрочастиц в пространстве помещения.

Локальные сверхчистые помещения. Расход циркулирующего возду-

ха в чистых помещениях в несколько десятков раз больше, чем в жилых зданиях, что приводит к многократному увеличению потребляемой энергии. Поэтому в ряде случаев отказываются от высокого уровня чистоты во всем по-

РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии

мещении, выделяя внутри помещения отдельные зоны, в которых создают сверхвысокую степень чистоты, например, чистые коридорные секции, пылезащитные кабины, камеры, боксы. Если исходить из основной начальной задачи создания чистых помещений − увеличения выхода годной продукции, то, в общем, решить ее можно двумя способами − созданием пространств с чистой средой и пространств, из которых быстро отводится выделяющаяся пыль.

При выводе воздуха через решетчатый пол (фальшпол) сложно устранить вибрацию.

При выводе воздуха через заднюю вибрация легко устранима, но при этом возникают сложности с предотвращением диффузии микрочастиц из зоны прохода в чистую зону.

При выходе воздуха через заднюю стенку и пол одновременно решаются обе проблемы, поэтому этот способ, вероятно, наиболее приемлем.

Основные регулируемые параметры и пределы регулирования. Ос-

новными целями применения чистых помещений на промышленных предприятиях и в исследовательских институтах являются в первом случае повышение качества и надежности изделий за счет их большей однородности и во втором − улучшение воспроизводимости результатов научных исследований. Неадекватность целей определяет различный подход к созданию высокочистых сред в заводских и исследовательских помещениях.

Состояние среды в помещении в значительной мере определяется свойствами объекта и свойствами применяемых внутри помещения веществ. Эти вещества могут оказывать влияние на состояние среды как при контакте с технологическим и исследовательским оборудованием, так и без него.

Условия в чистом помещении определяют следующие факторы: воздух; вода; химические реактивы; производственные газы; персонал; электромагнитные поля; статическое электричество; свет; радиоактивное излучение; магнетизм; тепло; вибрации.

В чистом помещении создаются такие условия, при которых указанные параметры не выходят за пределы заданных границ. В этих условиях ограничивается количество выделяющихся и перемещающихся к изделию веществ, лимитируется концентрация вредных веществ и чистота применяемых реактивов. Кроме того, принимаются меры защиты от электромагнитных полей. Пределы значения параметров определяются заданной точностью обработки изделий и функциональными особенностями изделий. Контролируемый уровень чистоты в сверхчистых помещениях, вероятно, должен превышать класс 3 японского промышленного стандарта (класс 100 федерального стандарта США), однако условие однородности в сверхчистых помещениях требует также высокой точности контроля всех остальных параметров. Требова-