Справочник от Автор24
Металлургия

Конспект лекции
«Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов»

Справочник / Лекторий Справочник / Лекционные и методические материалы по металлургии / Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов

Выбери формат для чтения

pdf

Конспект лекции по дисциплине «Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов», pdf

Файл загружается

Файл загружается

Благодарим за ожидание, осталось немного.

Конспект лекции по дисциплине «Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов». pdf

txt

Конспект лекции по дисциплине «Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов», текстовый формат

Электронный учебно-методический комплекс ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ОБОРУДОВАНИЕ ЦЕХОВ ПО ПРОИЗВОДСТВУ ПОРОШКОВЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Учебная программа дисциплины Курс лекций Методические указания по практическим занятиям Методические указания по самостоятельной работе Методические указания к выполнению курсового проекта Банк тестовых заданий в системе UniTest Красноярск ИПК СФУ 2008 УДК 621.762 ББК 30.63 Н62 Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов» подготовлен в рамках инновационной образовательной программы «Материаловедческое образование при подготовке бакалавров, инженеров и магистров по укрупненной группе образовательных направлений и специальностей "Материаловедение, металлургия и машиностроение"», реализованной в ФГОУ ВПО СФУ в 2007 г. Рецензенты: Красноярский краевой фонд науки; Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин Н62 Никифорова, Э. М. Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов. Версия 1.0 [Электронный ресурс] : курс лекций / Э. М. Никифорова, Е. Д. Кравцова. – Электрон. дан. (12 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – (Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов : УМКД № 65-2007 / рук. творч. коллектива Э. М. Никифорова). – 1 электрон. опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 12 Мб свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows 2000 SP 4 / XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf). ISBN 978-5-7638-1060-8 (комплекса) ISBN 978-5-7638-1426-2 (курса лекций) Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320802369 от 21.11.2008 г. (комплекса) Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов», включающего учебную программу, методические указания по самостоятельной работе, методические указания по практическим занятиям, методические указания к выполнению курсового проекта, контрольно-измерительные материалы «Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов. Банк тестовых заданий», наглядное пособие «Проектирование и оборудование цехов по производству порошковых и композиционных материалов. Презентационные материалы». Рассмотрены общие вопросы инвестиционного проектирования в современных условиях, структура и состав проекта. Приведены этапы технологического и строительного проектирования цехов порошковой металлургии, а также предприятий по производству керамических и полупроводниковых материалов. Обобщены сведения об основном оборудовании цехов, методах их расчета и технических характеристиках. Предназначен для студентов направления подготовки бакалавров 150100.62 «Металлургия» укрупненной группы 150000 «Материаловедение, металлургия и машиностроение». © Сибирский федеральный университет, 2008 Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ Редакторы: Л. Г. Семухина, И. Н. Байкина Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения информационно-аналитического департамента СФУ; лаборатория по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм. Подп. к использованию 13.10.2008 Объем 12 Мб Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 Оглавление Введение.................................................................... 5 Раздел I Основы проектной деятельности ........... 7 ЛЕКЦИЯ 1 Введение в курс. Основные направления развития порошковой металлургии...................................................................................................................... 7 ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности ............... 15 ЛЕКЦИЯ 3 Предпроектный и проектный периоды проектирования ................ 27 ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов35 Раздел II Основные вопросы технологического проектирования....................................................... 48 ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем ..................................................................... 48 ЛЕКЦИЯ 6 Расчеты материальных балансов ........................................................ 58 ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы 67 Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов ..................................................................................................................... 85 ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии ........ 97 ЛЕКЦИЯ 10 Особенности ПРОЕКТИРОВАНИИ керамических производств ... 113 ЛЕКЦИЯ 11 Система нормативных документов в строительстве ................. 122 ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий промышленных предприятий............ 129 ЛЕКЦИЯ 13 Классификация и функциональные схемы зданий ................... 140 ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий ................................................... 149 ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий ............................................................................................. 166 ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов.................................... 184 Раздел III Оборудование цехов для производства порошковых и композиционных материалов . 195 ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование ........................................................ 195 ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы ....................................... 207 ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование ............................................................ 229 ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование ................................................................... 242 ЛЕКЦИЯ 21 Смесительное оборудование.............................................................. 259 ЛЕКЦИЯ 22 Оборудование для измельчения....................................................... 269 ЛЕКЦИЯ 23 Формообразующее оборудование ..................................................... 291 ЛЕКЦИЯ 24 Нагревательное оборудование для получения порошковых и композиционных материалов .................................................................................. 314 ЛЕКЦИЯ 25 Специальное оборудование для производства керамических изделий .......................................................................................................................... 329 ЛЕКЦИЯ 26 Специальное оборудование для получения полупроводниковых материалов ................................................................................................................... 340  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -3- ОГЛАВЛЕНИЕ Заключение ........................................................... 351 Рекомендательный библиографический список352 Словарь основных терминов ............................... 355 Приложение .......................................................... 359  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -4- 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -5- 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. К каждому разделу курса приведен рекомендательный список основной и дополнительной 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.).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -6- РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛЕКЦИЯ 1 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 цехов. 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 собственно порошковую металлургию, композиционные материалы и порошковые покрытия. Номенклатура продукции порошковой металлургии сложна и разнообразна. 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.);  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -7- 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-упрочненных 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -8- 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).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -9- 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -10- 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 документации 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -11- 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 выпуска 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);  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -12- 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 иерархии: 1) мировое производство; 2) металлургия России (отрасль); 3) подотрасль; 4) предприятие (организация, комбинат, завод, фабрика); 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).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -13- 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 в течение 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 проектной 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, в том числе по массе, размерам и качеству сырья, скорости протекания процессов 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -14- 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 производительности ЛЕКЦИЯ 2 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, региональный 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:  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -15- 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. С финансовой 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 организационно-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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -16- 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -17- 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. В начале 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. В 1926 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -18- 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -19- РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности • Формирование инвестиционного замысла • Составление ходатайства о намерениях инвестора • Разработка оснований инвестиций • Выбор и согласование участка для строительства • Проектирование перепрофилирования, ликвидации строительного объекта • Планирование утилизации строительного объекта • Разработка ТЭО строительства • Разработка рабочей документации на строительство • Проектирование капитального ремонта • Проектирование реконструкции, расширения, перевооружения • Авторский надзор • Технический надзор • Приемка объекта в эксплуатацию • Подготовка исполнительной документации • Помощь при выводе завода на проектную мощность 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -20- 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. • Проектное Строительство обеспечение строительства (авторский и технический надзор за строительством) • Составление Проектирование Предпроектные работы рабочей программы для строительства • Разработка ТЭО (проекта, утверждаемой части рабочего проекта) строительства • Разработка оснований инвестиций • Разработка ходатайства (декларации) о намерениях инвестиций инвестиционного замысла • Формирование 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;  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -21- 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -22- 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».  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -23- 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 назначения является неотъемлемой частью юридического соглашения (договора, контракта) на проектирование или на выполнение отдельных видов проектных работ (услуг) и представляет форму документированных входных дан-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -24- 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 11-0195. 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 обоснований 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 созданию 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -25- РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛЕКЦИЯ 2 Проектирование как вид инвестиционной деятельности Техническое задание (ТЗ) на создание оборудования единичного производства − 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 15.00586. 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -26- 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? ЛЕКЦИЯ 3 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -27- 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -28- 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -29- 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. В сводной 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. В экономическом 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; В третьем разделе дается характеристика площадки для строительства и транспортного 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -30- 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. В энергетическом 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. В строительном разделе на основе применяемых типовых проектов должна быть дана характеристика основных зданий и сооружений, архитектурно-планировочных решений, рассчитаны и спланированы бытовые помещения. При проектировании зданий и сооружений должны применяться единые строительные конструкции заводского изготовления. В разделе, 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. В разделе «Жилищное и культурно-бытовое строительство» указываются местоположение жилого района и потребность в жилом фонде, его расположение по отношению к проектируемому предприятию. В разделе 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. В отделе экспертизы проектов и смет экспертная комиссия проводит тщательное рассмотрение проектных материалов и составляет экспертное заключение на проект. После утверждения техно-рабочий проект выдается заказчику.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -31- 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 организационно-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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -32- 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -33- 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 необходимостью 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -34- 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? ЛЕКЦИЯ 4 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -35- 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, параллельно-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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -36- 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, инженерно-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 выполняют 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. К генеральному 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 тепло- или 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -37- 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, санитарно-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 застройки 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, k ис = Fз + Fд Fоб . 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -38- 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -39- 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;  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -40- 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 грузоподъемностью: 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. •  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -41- 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -42- 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -43- РАЗДЕЛ I ОСНОВЫ ПРОЕКТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛЕКЦИЯ 4 Характеристика генерального плана. Схемы генеральных планов Мероприятия по дальнейшему повышению эффективности использования 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) к потребителю; • 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -44- 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 водоснабжения, 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 стальных труб. Вводы сетей в здания цехов прокладывают с подъемом i ≥ 0,003, а магистральные трубопроводы должны иметь уклон к вводу 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 пределах 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 Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -46- 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?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -47- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -48- 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 К первому 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -49- 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. а б в 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -50- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 5 Типы технологических схем Основные, исходные и вспомогательные материалы Перемешивание Формование Предварительное спекание (в некоторых случаях) Спекание Формование Спекание Формование Формование Спекание Готовое изделие Спекание Формование Готовое изделие Готовое изделие Готовое изделие 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. В настоящее 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -51- 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 двух- или 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -52- 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -53- 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:  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -54- 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 средне- или 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -55- 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,  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -56- 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?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -57- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 6 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -58- 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. В некоторых 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. В балансе 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 и выпускаемых 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. Характерная 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -59- 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 в процессе 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. В общем 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. В некоторых 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 в полезный продукт.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -60- 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -61- 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. К исходным продуктам относят: 1. Сырье, содержащее ценный компонент. Комплексное сырье включает несколько ценных компонентов. В процесс может вводиться не один, а два и более 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 с перерабатываемыми 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -62- 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -63- 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -64- 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -65- 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 и прямого извлечения. 5. Применимо ли понятие «балансовая операция» к группе технологических операций? 6. Какие материалы относятся к исходным, конечным, оборотным?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -66- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 7 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. Задан выпуск продукции Задано потребление сырья а б 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -68- 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 с разветвлением технологического потока в конце В отличие 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -69- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы Задано потребление сырья Задан выпуск одного из видов продукции Задан выпуск двух видов продукции 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -70- 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. Задано потребление двух видов сырья Заданы потребление одного вида сырья и соотношения между видами сырья Заданы выпуск продукции и соотношение видов сырья 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -71- 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 Статьи прихода продукта Шлак GeO2 Примеси Цинк кг % 500 5 904 37 507 100,0 13,6 86,4 12 155 100,0 Статьи выхода продукта GeO Шлак ZnO Цинк Примеси кг % 5000 100,0 100,0 9,1 16,7 74,2 4 576 8 483 37 507 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. Таблица 2 Таблица часового материального потока Номер операции 5 6 Операция Хлорирование Конденсация Поступление продукта Лопаритовый концентрат Хлор испаренный Кокс Всего Масса, кг 500,00 577,72 61,54 1 139,26 Выход продукта Паро-газовая смесь Плав хлоридов Потери Всего Масса, кг 727,50 404,20 7,74 1 139,26 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).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -72- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы Сырье Передел 1 Потери Передел 2 Переработка оборотов 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.).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -73- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы Fe(CO)3 2 13 1 12 11 5 3 HN3 Ввод газов 9 Вода 10 СО 4 8 6 7 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -74- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы проекте решения в объёме и составе, необходимом для осуществления строительно-монтажных работ. Разработка рабочих чертежей начинается с разработки генерального плана, наружных инженерных сетей, рельсовых и безрельсовых дорог. Железосодержащее сырье 6 N2 7 9 5 СО Fe(СO)3 10 4 СО 4 3 2 1 11 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 оборудования; • 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -75- 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 промышленной 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -76- 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -77- 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -78- 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 и применительно 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 и обосновать оптимальный. В одном пролете располагают, как правило, одну или две технологические линии. Размеры пролетов определяются габаритами  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -79- 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). Таблица 3 Нормы расстояний между оборудованием Расстояние Между агрегатами по фронту Между тыльными сторонами агрегатов Между агрегатами при поперечном положении к проезду При расположении агрегатов фронтом друг к другу От стен или колонн здания: до тыльной или боковой стороны до фронта агрегата Размеры оборудования в плане, м 1,8×0,8 4,0×2,0 8,0×4,0 16,0×6,0 0,7 0,9 1,5 2,0 0,7 0,8 1,2 1,5 1,3 1,5 2,0 − 2,0 2,5 3,0 − 0,7 0,8 0,8 1,5 0,9 2,0 1,0 − Таблица 4 Нормы ширины проходов и проездов для цеховых транспортных средств Назначение прохода или проезда Проход рабочих Проезд электрокар: при одностороннем движении при двухстороннем движении Проезд электропогрузчиков с подъемными вилами: при одностороннем движении при двухстороннем движении Проезд грузовых автомашин или пожарный проезд Проезд или ввод железнодорожных путей широкой колеи Грузоподъемность транспортных средств, т − Ширина прохода или проезда, м 1,2−1,6 1−5 1−5 2,2−2,5 3,0−4,0 0,5−30 0,5−30 1−5 − 2,5−3,0 3,5−5,0 5,0−5,5 5,0 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -80- 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;  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -81- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы 3) косым, при котором длинная сторона габаритного прямоугольника наклонена к оси пролета. Такое расположение иногда применяют, когда эта сторона близка к рабочей ширине пролета (за исключением проходов и проездов), а также при передаче металла из пролета в пролет без специальных транспортных устройств; 4) комбинированным, при котором на разных или на одном и том же участке имеет место продольное и поперечное, а иногда и косое расположение оборудования. Комбинированное расположение часто применяется на одном и том же рабочем месте, если оно состоит из группы машин, обслуживаемых одним рабочим или одной бригадой, и создает лучшие условия для обслуживания (укорочение пути передвижения рабочих, облегчение транспортных операций и др.). Такое расположение часто применяют для волочильных машин тонкого и тончайшего волочения и др. Мелкое массовое производственное оборудование часто группируется и устанавливается группами на отдельных рамах или столах. В зависимости от способа транспортировки готовых изделий решается вопрос о расположении склада готовой продукции. Склад готовой продукции располагают так, чтобы он имел выход к железной дороге и имел выезд для автотранспорта. Размольно-смесильное отделение 1 2 2 1 2 3 3 4 4 4 5 Прессовое отделение 4 1 Помещение ОТК Отделение упаковки и промежуточный склад Отделение довосстановления порошков 11 5 6 15 000 Кладовая порошков Кладовая для хранения прессовки Отделение спекания 10 9 8 8 8 8 8 7 10 30 000 Рис. 17. Типовая планировка металлокерамического цеха небольшой мощности Типовая планировка цеха (рис. 17) порошковой металлургии небольшой мощности (100−300 т мелких изделий в год) включает в себя несколько технологических переделов. Печи довосстановления 1 расположены на расстоянии 2 м от склада порошков. Через 3 м от него находится размольносмесительное отделение со звуко- и пыленепроницаемыми стенками. Отделение оснащено дробилками и мельницами 2, механическим смесителем 3, многодечными ситами 4.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -82- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 7 Расчет материального баланса полной технологической схемы Смесь поступает на прессование в механические 5 или гидравлические 6 прессы. Рядом с участком прессования располагается склад прессформ. На противоположной стороне цеха в непосредственной близости от прессового участка расположено отделение спекания, оборудованное различными печами, например, колокольного типа 7 и сопротивления 8 для термической обработки деталей после спекания 11. Кроме того, оно оснащено ванной маслопропитки 10 и калибровочным прессом 9. Отделение ОТК находится в отдельном помещении. Сушилка Верстак 20 32 27 11 Проезд 28 29 30 12 17 13 31 14 3 15 16 24 23 22 6 7 21 18 26 1 5 2 25 4 19 8 9 10 Рис. 18. Планировка металлокерамического цеха на заводе с крупносерийным характером производства При планировке цеха большой мощности (рис. 18) поступающие с завода-поставщика металлические порошки выгружаются из металлической тары над бункерным устройством 1 и по элеватору транспортируются в конусный смеситель-усреднитель 2, далее попадают в бункер хранения 3. Рядом с ним расположены бункеры, содержащие различные смеси. Из них, через весовые дозаторы порошки поступают в смесители 4−8, например, центробежного типа и смесители 9, 10 барабанного типа. В отдельном помещении установлены печи 18, 19 для отжига порошков. Из смесителей 4−7 шихта поступает по конвейеру к конвейерным печам восстановления 11, 12. Восстановленная шихта по конвейеру 13 транспортируется на измельчение в дробилку 14 и бегуны 15, из которых элеватором подается на сито 16, 17. Просеянный порошок поступает на временное хранение в один из бункеров, а затем на вторичное смешение с добавками. Из склада шихта поступает на автоматические прессы 20. Спекание и термическая обработка деталей про Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -83- 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?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -84- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Лекция 8 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -85- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ Лекция 8 Особенности проектирования производства полупроводниковых материалов Таблица 5 Примеры применения чистых помещений в промышленности Область применения Микроэлектроника Приборостроение, вычислительная техника Оптика и лазеры Космическая промышленность Точная механика, гидравлика и пневматика Прецизионные подшипники Автомобильная промышленность Парфюмерия и косметика 3 + Класс чистого помещения по ГОСТ ИСО 14644-1 4 5 6 7 8 + + Вспомогательные зоны + + + + + + + + + + + + + + + + + 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, одеть людей в «непылящую» одежду, научить их правильно вести себя и т. д. Человек Иначе значительные затраты на создание чистых помещений попросту бессмысленны. Создание чистого помещения − это поиск оптимального решения, сочетающего выполнение требований стандартов и правил для высокотехнологичОкружающая ного производства и стремления сокраОборудование среда тить капитальные и эксплуатационные затраты. Окончательный вариант проекта Рис. 19. Диаграмма обеспечения чистоты производственных помещений 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. 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -86- 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 определенными заданными параметрами − чистотой, температурой, влажностью и под-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -87- 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 Класс чистого помещения 1 2 3 4 Максимально допустимое количество пылинок в 1 м3 8 750 000 2 975 000 525 000 1 225 000 175 000 70 000 Размер частиц, мкм 0,3−10 Свыше 10 0,3−10 Свыше 1 0,3−10 0,5−10 Помещения первого класса по чистоте предназначены для сборки аппаратуры, калибровки приборов и т. д., где не требуется особой точности.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -88- 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 Классы 1 2 3 Допустимое количество пылинок в 1 м3 3 500 350 000 3 500 000 Размер пылинок, мкм 0,5 0,5 5,0 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.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -89- 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 В зависимости от требуемой степени чистоты и способа вентиляции системы очистки воздуха можно разделить на 4 типа: местной вытяжки, вентиляционные, очистки воздуха диффузионного типа, чистых помещений. В тех 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 и вне здания. Системы с принудительной циркуляцией, в которых воздух в помещении вентилируется воздуходувками и вытяжными вентиляторами, обеспечивают проектируемый уровень вентиляции с гораздо большей на-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -90- 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. Принудительный приток − естественная вытяжка Принудительный приток − принудительная 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. Пределы измерения расхода воздуха: 0−425, 118−850, 680−1 700, 1 360−3 400 м3/ч; выпускается 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 Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -91- 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 участки 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 эффективным 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 Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -92- 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. В гравитационных пылеуловителях пыль осаждается на стенках под действием силы тяжести. В центробежных пылеуловителях пыль осаждается под действием центробежной силы (циклоны и т. д.). Высокоэффективные воздушные фильтры используются для пылеулавливания различных физических эффектов − слипания частиц при столкновении во время диффузии, электростатических сил, адгезии при контакте под действием молекулярных силы др. В жидкостных конденсаторах микрочастицы поглощаются каплями воды (скрубберы Вентури). Наиболее эффективными по коэффициентам фильтрации, стоимости, габаритам и надежности в эксплуатации следует признать фильтры и электростатические отстойники. В процессе 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -93- 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -94- 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 порядка 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 ее локальный отбор и удаление. В настоящее 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:  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -95- 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 блоками, обеспечивающими чистоту рабочей зоны для классов 5 ИСО − 4 ИСО. Модуль состоит из предфильтра, вентилятора и НЕРА- фильтра. 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  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -96- 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? ЛЕКЦИЯ 9 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -97- 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 производства полупроводниковых микросхем 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -98- 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 Сs = C0 + Y (1 − n)M/Q, где Сs − концентрация частиц в воздухе, выходящих из фильтра, м−3; C0 − концентрация аэрозолей в атмосферном воздухе, м−3; Y − коэффициент рециркуляции воздуха; n − коэффициент фильтрации НЕРА-фильтра; 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 повышения чистоты воздуха в помещении необходимо снижать количество выделяющейся в помещении пыли (М), увеличивать расход циркулирующего воз-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -99- 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 воздуха 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 Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -100- 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. Основными 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-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -101- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии ния, предъявляемые в настоящее время к сверхчистым помещениям, и точность контроля параметров среды приведены в табл. 8. Таблица 8 Характеристика среды в сверхчистых помещениях при производстве полупроводниковых приборов Параметры среды Температура Относительная влажность Класс чистоты Скорость воздушного потока Химически активные газы Напряженность электромагнитного поля Статическое электричество Вибрация пола здания Концентрация микрочастиц в растворах, в чистой воде Номинальное значение Максимальная точность контроля 22 ± 1,5 °С ± 0,1 °С 40 ± 5 % ±3% Контролируемые зоны помещений Оборудование для фотолитографии, измерительные приборы Оборудование для фотолитографии, оборудование для осаждения паровой фазы Менее 350 Фотолитография, процессы частиц размером осаждения паровой фазы 0,1 мкм в 1м3 Зоны с ламинарным режи0,25-0,5 м/с 0,25-0,5 м/с мом движения Предел Предел обнару- Все технологические прообнаружения жения цессы изготовления ИС Электронно-лучевые устаНиже 85 дБ Ниже 35 дБ новки, измерительная аппаратура Применение за− − щиты Измерительная аппаратура, Амплитуда 1 мкм; основание оборудования, колебания −2 установки пошагового экс0,01 м·с менее 5 мкм понирования Уровень аналоУровень аналогичен уровню гичен уровню − чистоты воздуха чистоты воздуха в помещении в помещении 3−4 (японский промышленный стандарт) В сверхчистых помещениях точность контроля концентрации микрочастиц размером 0,1 м−3 составляет 350 м−3, а контроля колебаний температуры − (± 0,1 °С). Такие условия требуются на всех технологических этапах изготовления кремниевых микросхем, в том числе для операций подготовки кремниевых пластин перед первым окислением. В промышленном автоматизированном производстве с производственными линиями зона высокой чистоты и точного контроля охватывает все установки, принимая форму производственной линии. В табл. 9 приведены требуемые в полупроводниковой технологии степени чистоты на отдельных технологических операциях и относительная доля площадей, отводимых под каждую операцию. Первым этапом проектиро-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -102- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии вания является выделение участков с высокой степенью чистоты и участков с высокой точностью контроля температуры и влажности воздуха. Затем необходимо с учетом капитальных и эксплуатационных расходов выбрать способ и систему вентиляции, обеспечивающие требуемые условия в среде. Из всех систем сверхчистых помещений оптимальными по этим факторам являются системы коридорного типа. Таблица 9 Выбор производственной площади в зависимости от класса частоты и технологического процесса Класс чистоты (японский промышленный стандарт) 1−2 3−4 4−5 6 Технологический процесс Линии предварительной обработки − высокотемпературные процессы, химическое осаждение из газовой фазы Область действия операторов Основное оборудование и управление Прочие участки Удельная площадь, % Примечание 10 Концентрация частиц размером 0,1 мкм составляет 350−3 500 м−3 30 Концентрация частиц размером 0,1 мкм составляет 3 500−350 000 м−3 50 − 10 − Форма чистых помещений выбирается таким образом, чтобы она максимально отвечала технологическому процессу. Среди современных сверхчистых помещений системы с турбулентной циркуляцией относятся к третьему поколению − чистый коридор, а системы с однонаправленным ламинарным потоком − ко второму поколению − пылезащитные кабины. К перспективным системам, которые, вероятно, будут интенсивно развиваться в дальнейшем, относятся системы компактных пылезащитных объемов в виде кабин и пылезащитных камер и боксов. В этих системах степень чистоты, температура и влажность контролируются только на отдельных участках. Тем не менее, пока еще нет возможности широко внедрять системы пылезащитных камер из-за больших габаритов и неодинаковой формы технологического оборудования. Для того чтобы автоматизировать транспортировку пластин между установками, на практике применяют контейнеры или капсулы. Основные элементы и оборудование чистых помещений. В полупроводниковом производстве повышение степени интеграции схем и переходов от БИС к СБИС сопровождается усилением влияния условий производственной среды − температуры, влажности, чистоты воздуха, содержания примесей газов − на процент выхода годных изделий, их качество и надежность. Из перечисленных факторов наибольшее влияние на процент выхода годных изделий в производстве имеет чистота воздуха. Поэтому не будет преувеличе-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -103- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии нием сказать, что повышение чистоты воздуха путем использования чистых комнат является главной задачей. Материалы, применяемые внутри чистых производственных помещений (ЧПП), должны удовлетворять следующим требованиям: • не создавать загрязнений; • быть стойкими к воздействию химических реактивов; • быть долговечными; • быть устойчивыми к термическим и вибрационным нагрузкам; • пыль должна легко удаляться с поверхности материалов, а не прилипать к ней; • на материалах не должна образовываться плесень; • материалы не должны выделять токсичных веществ, они не должны иметь запаха и сорбировать сильно пахнущие вещества; • они должны обладать влагостойкостью и влагонепроницаемостью и не должны создавать статических зарядов и электризоваться. С учетом вышеперечисленных требований в качестве облицовочного материала панелей для использования в чистых комнатах на базе системы панелей могут применяться алюминиевые и стальные листы, листы из других металлов и нержавеющей стали. Однако поскольку персонал находится в производственном помещении длительное время, оно должно иметь жилой вид. Поэтому в настоящее время для облицовки панелей применяют металлические листы с нанесенным на поверхность окрашивающим слоем. Конструкция ЧПП на базе панелей, в которых для облицовки использованы материалы, удовлетворяющие вышеперечисленным требованиям, должна также соответствовать следующим условиям: • быть герметичной и не иметь щелей; • обеспечивать непрерывную подачу воздуха в помещение; • не создавать условий для накопления загрязнений; • быть удобной для уборки; • обеспечивать при необходимости мытье и дезинфекцию помещения; • обладать достаточной прочностью по отношению к изменениям давления внутри помещения и удовлетворять требованиям, предъявляемым к жилым помещениям; • обладать теплоизолирующими свойствами для поддержания стабильной температуры и влажности в помещении; • обладать гибкостью к изменению планировки и расположения оборудования; • позволять достройку и внесение конструктивных изменений; • быть удобной в эксплуатации и уходе. Были перечислены требования, которым должно удовлетворять ЧПП в конструктивном отношении. Но при этом нельзя забывать о необходимости снижения первоначальной стоимости чистой комнаты, которая складывается из затрат на материалы и на монтаж. Кроме того, важно учитывать условие минимизации эксплуатационных расходов, куда входят затраты на эксплуатацию чистых комнат и затраты на электроэнергию. Не последнюю роль в  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -104- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии выборе конструкции имеют простота монтажа ЧПП и возможность его осуществления за короткое время, малый вес конструктивных элементов чистой комнаты и их прочность. Важнейшие требования, предъявляемые к полу в чистом помещении, состоят в следующем: он должен быть не пылящим, светлым, эластичным, гигиеничным, бесшумным, не иметь швов, стойким к кислотам и другим агрессивным средам, огнестойким. Поскольку в чистом помещении больше всего загрязняются именно полы, выбору материалов для их покрытия придается большое значение. Все материалы, применяемые для покрытия полов чистых помещений, можно разделить на три основные группы: мастичные составы; листовые или плиточные покрытия; изоляционные составы. Мастичные составы, вырабатываемые на основе эпоксидных, полиэфирных, поливинилхлоридных смол, дают монолитные бесшовные покрытия для полов, образуют гладкую, плотную, не пылящую поверхность. За рубежом широко применяются мастичные составы на основе эпоксидных смол. Их с успехом используют более 10 лет в США, Англии, Франции. Покрытия, образуемые этими составами, имеют не пылящие и не собирающие пыль поверхности, гладкие, плотные, нескользящие во влажном состоянии, теплые, износоустойчивые, упругие, водостойкие, устойчивые против действия кислот, щелочей, растворителей, смазочных масел. Уборка таких полов − влажная протирка. Покрытия могут иметь любой цвет и хорошо сцепляются с бетоном и другими основаниями. Мастичные составы на основе эпоксидных смол состоят из двух или трех компонентов. Двухкомпонентные составы содержат смолу и инертный заполнитель с пигментами. Трехкомпонентные составы содержат еще ускоритель отвердения. Разновидности эпоксидных покрытий отличаются друг от друга соотношением смолы и наполнителя. Покрытие швейцарской фирмы Forbo Giubiasco (рис. 25) широко применяется в электронной промышленности, оно имеет гладкую поверхность, не выделяет частиц и газов. Технология укладки обеспечивает отсутствие неровностей, в том числе у плинтусов, во внутренних и внешних углах. Покрытие обладает высокой ремонтопригодностью (повреждения устраняются бесшовной сваркой), химически инертно. Пролитые химикаты, краска и пр. с него удаляются без следа. Оно имеет широкую цветовую гамму, благодаря своей плотной структуре долговечно при эксплуатации в условиях интенсивного движения людей и технологического транспорта.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -105- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии Рис. 25. Фрагмент покрытии пола чистого помещения «ColoRex» и «Dycem» Представленное выше покрытие укладывают перед входом в чистое помещение (в воздушных шлюзах, комнатах переодевания и пр.), оно удерживает загрязнения с обуви, колес. Покрытие выпускают в виде ковриков, дорожек, сплошных защитных зон. Оно удерживает даже мельчайшие частицы и имеет антибактериальный эффект, легко укладывается и обслуживается (моется, дезинфицируется). Не выделяет газы, не содержит токсических веществ. Срок службы 2−4 года. Для покрытия полов в весьма чистых помещениях применяются листовые или плиточные материалы из винипласта, поливинилхлорида, виниласбеста, синтетического каучука. Виниласбестовые плитки на основе виниловой смолы с заполнителем из асбеста с удельным весом 2,1−2,2 г/см имеют пылеотталкивающую, износостойкую, упругую, химически стойкую и гигиеничную поверхность. Созданы чистые помещения, в которых полы выполнены из стальных решеток. С помощью всасывающих вентиляторов частицы пыли попадают сквозь решетку в фильтры-уловители, расположенные ниже уровня пола. Решетки пола периодически снимаются и освобождаются пылесосами от пылевых осадков. Оборудование устанавливается на бетонном основании, поднимающемся через вырезы в решетке. В помещениях с такими полами соблюдается высокая чистота. Перфорация панелей фальшпола (рис. 26) должна достигать не менее 70 % от поверхности решетки.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -106- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии Рис. 26. Фрагменты перфорированных плиток (600×600 мм) и обустройство фальшполов Для отделки стен чистых помещений применяются износостойкие, гладкие, плотные, пылеотталкивающие, водостойкие, легко очищаемые материалы: однородные листовые и плиточные, листовые с лицевым облицовочным слоем, слоистые панели, защитные смоляные и лакокрасочные покрытия. К однородным листовым материалам относятся акриловые, поливинилхлоридные, полистирольные листы. Для отделки стен производственных помещений применяются также твердые древесноволокнистые плиты с различными покрытиями и панели из керамических плиток. Облицованные керамической глазурованной плиткой панели площадью 1,85 м2, толщиной 3 см, весом 20 кг делают из легкого алюминиевого каркаса и заполнителя из жесткого пористого пластика. Одна из английских фирм применяет эмалевую краску, представляющую собой химическое соединение алкидной и виниловой смол, сохраняющих их лучшие свойства. Поверхность, покрытая этой краской, высыхает в течение часа; она защищена от пыли, не растекается и не расслаивается, долговечна, обладает высокой эластичностью. Сложность технологических процессов с широким применением химических веществ и высокие гигиенические требования производства делают защиту поверхностей чистых помещений актуальной проблемой. В чистых помещениях устраиваются подвесные потолки. Они предназначены для изоляции чистого помещения от таких возможных источников загрязнений, как элементы перекрытий, светильники, диффузоры различные коммуникации. Конструкция потолков отличается легкостью и сборностью. Для подвесных потолков применяют сборно-разборный металлический штампованный настил, изготовленный из тонкого листа с отбортовкой, древесноволокнистые плиты, которые крепятся к системе легких профилей. Потолок подвешивается к несущим конструкциям на подвесках.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -107- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии Для потолка (и перегородок) используются панели из твердого картона с облицовкой из нержавеющей стали, алюминия, виниловой пластмассы, стали, покрытой эпоксидной краской или фарфоровой эмалью, или панели из сухой штукатурки, покрытые либо эпоксидной краской, либо облицованные листами из виниловой пластмассы. Существует несколько систем подвесных потолков. Но для всех характерно то, что в основе имеется легкая решетчатая конструкция, по которой укладывают различные легкие панели и плиты, в случае необходимости легко снимающиеся независимо одна от другой. В акустическом и противопожарном отношении наиболее рациональным является применение металлических подвесных потолков. Обычно они состоят из сетки, образуемой металлическими рейками таврового сечения, по которой укладываются лотковые плиты из мягкой листовой стали с теплоизоляционной прокладкой, отделанные методом горячего эмалирования. Плиты легко снимаются и хорошо очищаются слабым раствором дезинфицирующего состава. Для равномерного рассеянного освещения применяются подвесные светящиеся потолки из светопрозрачных материалов (стекла, стеклопластиков, жесткого поливинилхлорида, поливинилхлоридных пленок). Чаще всего светопрозрачные потолки делаются из жесткого листового поливинилхлорида и пленки. В чистых помещениях число входов и выходов, а также мест подачи материалов и изделий сводится к минимуму. Но и этот минимум входных проемов может способствовать такому интенсивному проникновению загрязнений в чистое помещение, что элементарные требования технологической гигиены не будут выполнены. В связи с этим вход и выход персонала и подача материала, инструментов, деталей в чистое помещение осуществляются через так называемые шлюзы или воздушные камеры, в которые подается очищенный воздух. Струи этого воздуха обдувают людей и предметы, удаляя с них пылевые частицы. Шлюзы бывают открытые и герметизированные. Открытые шлюзы характеризуются тем, что струи чистого воздуха «омывают» проходящих в чистое помещение людей, сдувая пыль с их одежды, обуви и открытых участков кожи. Открытые шлюзы не изолированы от чистых помещений; для предотвращения проникновения пыли из шлюзов в чистое помещение в них поддерживается несколько меньшее давление, чем в чистом помещении. Для закрытого шлюза характерно то, что воздух подается либо тонкими струями, либо массированным потоком и активно обдувает неподвижно стоящего или поворачивающегося человека. Поверхность шлюзов для подачи материалов и деталей выполняют либо из нержавеющей стали, либо из других износоустойчивых и «не пыля-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -108- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии щих» материалов. Между зонами разного класса чистоты обустраивают тамбур-шлюзы. Широко применяются для обустройства чистых помещений НЕРА- и ULPA-фильтры. Согласно стандарту IES, фильтры по своим характеристикам подразделяются на несколько основных видов. 1. Фильтры А-типа. При стандартном расходе воздуха эффективность фильтрации этих фильтров для 0,3 мкм DOP-частиц превышает 99,97 %. 2. Фильтры В-типа. При стандартном расходе воздуха, а также при учете 20 % рециркулируемого воздуха от стандартной величины эффективность фильтрации этих фильтров для 0,3 мкм DOP-частиц превышает 99,97 %. 3. Фильтры С-типа. В условиях испытания, применяемых для фильтров А-типа, для полидисперсных DOP-частиц при обдувке всей поверхности фильтра допустимое число просачивающихся частиц составляет менее одной. 4. Фильтры D-типа. При стандартном расходе воздуха для DOP-частиц диаметром 0,3 мкм эффективность фильтрации этих фильтров превышает 99,999 %. В условиях испытания по всей поверхности фильтра утечка составляет менее 1 частицы. 5. Фильтры Е-типа. Эти фильтры подробно определены в Американском военно-промышленном стандарте MIL−L−51477. Фильтры А-типа и В-типа широко используются в обычном производстве, в оборудовании приточно-вытяжной вентиляции. Фильтры Е-типа применяются в устройствах, предназначенных для работы с биологически опасными, канцерогенными веществами. В сверхчистых комнатах используются фильтры типа C и D, причем фильтры D-типа − это ULPA-фильтры, поскольку в настоящее время способ измерения эффективности фильтрации частиц размером 0,1 мкм еще не установлен стандартом. Далее будет показано, что для 0,1 мкм частиц эффективность фильтрации этих фильтров обычно выше 99,999 %. По конструкции фильтры подразделяются на два типа: Тип 1 − весь фильтр изготавливается из невоспламеняющегося материала, и относится к классу 1 стандартов UL 586 и UL 900. Тип 2 − фильтрующая часть фильтра изготавливается из невоспламеняющегося материала, однако сепаратор и рамка могут выполняться из воспламеняющихся материалов. Этот тип фильтров соответствует классу 2 стандарта UL 900. Стандарт IES рекомендует использовать для чистых комнат фильтры типа 1. Упрощенно фильтр (рис. 27) состоит из фильтрующего листового материала, сложенного (гармошкой) и уложенного в жестком каркасе. Первая упаковка − это наиболее распространенная конструкция, в которой фильтрующие прокладки разделены гофрированными сепараторами.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -109- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии Во второй конструкции фильтрующие прокладки разделены сепараторной нитью или лентой и образуют мини-плиссировку. Скорость фильтрации воздуха через фильтрующие прокладки при стандартной скорости подачи воздушного потока не превышает 2,5 см/с. При одинаковых размерах поперечного сечения в фильтрах с мини-плиссировкой уменьшается в 2−2,5 раза число фильтрующих прокладок, чем в конструкции с сепараторами. При равной общей площади фильтрующих прокладок толщина фильтра с мини-плиссировкой получается в два раза меньше. Сепаратор Воздушный поток Рамка Фильтрующий элемент Воздушный поток Фильтрующий элемент Рамка Уплотняющая прокладка Уплотняющая прокладка Сепараторный жгут или лента Рис. 27. Конструкция фильтра с сепараторными прокладками (слева) и фильтра типа мини-плиссировка (справа) Таким образом, можно сделать вывод о том, что применение конструкций типа мини-плиссировки позволяет уменьшить габаритные размеры фильтров. Благодаря этой полезной особенности, фильтры типа мини-плиссировки используются в самых различных системах чистых комнат. Третья форма упаковки фильтрующих прокладок, в которой гофрированные прокладки укладываются без сепараторов, представляет собой бессепараторную конструкцию. Подобные конструкции фильтров при тех же размерах позволяют вместить большую площадь фильтрующих прокладок по сравнению с конструкцией фильтра с сепараторными прокладками. Фильтры бессепараторной конструкции применяются в США в атомной энергетике. Фильтры состоят из рамки, уплотняющей прокладки, клеящего вещества, сепаратора и фильтрующих элементов. Источником загрязнений в чистых комнатах могут быть персонал и оборудование, причем люди оказывают наибольшее влияние на уровень чистоты. Спецодежда персонала (рис. 28) играет большую роль, являясь непосредственным источником внесения загрязнений в чистую комнату извне, поэтому спецодежда персонала должна храниться в особо чистом отсеке производственного помещения. Кроме того, весь комплект спецодежды, а  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -110- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии именно колпаки, маски, бахилы, щетки и другие принадлежности следует поддерживать в чистом состоянии. Рис. 28. Отдельные элементы комплекта одежды для чистых помещений (слева), комбинезон (в центре), костюм (справа). Конструкция, технология пошива и функциональные свойства одежды соответствуют требованиям: ГОСТ 11518-88, ГОСТ Р ИСО 14644-1-2000, ГОСТ ИСО 14644-1, ГОСТ Р 52249, Правилам GMP. При производстве технологической одежды для чистых помещений используются специальные ткани (состав: полиэфирные волокна 97−99 %, углеродная нить 1−3 %). Они обладают минимальным пыле- и ворсоотделением, антистатичностью, выдерживают не менее 50 циклов «стирка-стерилизация». Аттестация чистых помещений ГОСТ Р ИСО 14644-4 и другие документы выделяют следующие этапы аттестации чистых помещений: аттестация проекта (включая концепцию) − Design qualification (DQ); аттестация построенного чистого помещения − Installation qualification (IQ); аттестация оснащенного чистого помещения − Operational qualification (OQ); аттестация эксплуатируемого чистого помещения − Performance qualification (PQ). В ходе строительства ведется контроль соответствия выполняемых работ проекту, стандартам и протоколу чистоты и проверяются все материалы, конструкции, оборудование и пр., поступающие на строительную площадку. Если объект не соответствует предъявляемым к нему требованиям на какомлибо этапе, бессмысленно проводить дальнейшую работу без выяснения  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -111- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии причин этого несоответствия и принятия необходимых мер. Это иногда требует значительных затрат времени и средств. Насколько успешно проходит аттестация на каждом из этапов, определяется качеством выполнения работ, предшествовавших этому этапу, от концепции и проекта до квалификации лиц, занимающихся аттестацией. Аттестация концепции, контроль поставляемого оборудования Аттестация построенного чистого помещения Аттестация оснащенного чистого помещения Аттестация эксплуатируемого чистого помещения Рис. 29. Схема аттестации чистых помещений Этапы аттестации чистых помещений приведены на схеме (рис. 29). Контрольные вопросы 1. Чему должен быть равен минимальный размер контролируемых частиц в полупроводниковой технологии? 2. Как рассчитать концентрацию частиц, выходящих из фильтра?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -112- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 9 Сверхчистые помещения в полупроводниковой технологии 3. Каким требованиям должна удовлетворять форма чистых помещений? 4. Какие материалы допустимо использовать при отделке чистых помещений? 5. Как устроен фальшпол? 6. Какую функцию выполняет воздушный шлюз чистых помещений? 7. Какие требования предъявляются к специальной одежде в чистых помещениях? ЛЕКЦИЯ 10 Особенности ПРОЕКТИРОВАНИИ керамических производств План лекции 1. Склады сырья. Нормы запасов сырьевых материалов. 2. Отделение приготовления добавок. 3. Отделение приема и подготовки сырья. 4. Шихтозапасник. 5. Формовочно-перегрузочное отделение. 6. Сушильное отделение. 7. Печное отделение. 8. Отделение разгрузки и пакетирования готовой продукции. 9. Склад готовой продукции. 10. Нормы использования и хранения отходов. Рекомендации по технологическому проектированию разработаны в соответствии с обобщенным опытом создания проектов заводов по производству керамического кирпича и в соответствии с нормами технологического проектирования. Рекомендуются следующие способы производства керамических изделий: пластический способ подготовки сырья с последующим пластическим или жестким способом; полусухой способ подготовки сырья с последующим пластическим или жестким способом прессования изделий; полусухой способ производства. Шликерный способ подготовки сырья, как дорогостоящий, допускается применять в исключительных случаях после соответствующего техникоэкономического обоснования. Склады сырья. Нормы запасов сырьевых материалов Для приема и хранения сырья рекомендуется применять открытый (конус) склад в случае сезонного режима карьера; закрытый склад, как правило, блокируемый с основным производством. Тип и емкость склада добавок  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -113- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 10 Особенности ПРОЕКТИРОВАНИИ керамических производств должна определяться в зависимости от вида используемых добавок и их потребного количества. Запас сырья на холодный период года создается в виде конуса или запасника вблизи производственного корпуса при удаленности карьера на расстояние более 3 км от промплощадки завода или малой мощности полезного ископаемого. При круглогодичном режиме работы карьера для бесперебойного обеспечения производства сырьем в осенне-весенний и зимний периоды необходимо предусматривать теплый запасник в составе производственного корпуса. Нормы запасов сырья, добавок, топлива и готовой продукции регламентируются (табл. 10). Таблица 10 Нормы запасов сырьевых материалов Наименование Запас сырья и добавок: в конусе в отдельно стоящем запаснике в запаснике в составе производственного корпуса на открытой площадке в силосах в приемных и промежуточных бункерах, расчетные рабочие часы в расходных бункерах, расчетные рабочие часы Нормы запаса, расчетных суток 90−180 До 30 7−10 15−30 5−15 8−32 4−12 Запас жидкого и твердого топлива 15 Склад готовой продукции 7 Площадь склада готовой продукции рассчитывается с учетом следующих коэффициентов: при обслуживании склада погрузчиками автотранспорта К = 1,3; при обслуживании склада козловым краном, погрузчиком и автотранспортом К = 1,7. Отделение приготовления добавок Отделение предназначено для приема добавок, измельчения их до заданного зернового состава и рассева. Дробильно-сортировочное оборудование выбирается исходя из характеристики сырья, требования к готовому продукту, заданной производительности. В зависимости от требуемой крупности материала и размеров исходного сырья дробление производится в одну − две стадии. Для первичного крупного дробления пород высокой и средней прочности и абразивности применяют щековые, роторные, конусные дробилки. Для вторичного мелкого дробления в зависимости от требуемой крупности и физико-механических свойств материала применяют молотковые дробилки, шаровые и стержневые мельницы и др. Для рассева и классификации дробленого материала применяют грохоты барабанного инерционного и вибрационного типа. Подачу материала на дробление осуществляют ленточными,  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -114- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 10 Особенности ПРОЕКТИРОВАНИИ керамических производств конвейерными, пластинчатыми питателями. Подачу материала на рассев осуществляют ленточными конвейерами, элеваторами. Распределение фракционированного материала по бункерам запаса производится ленточными укрытыми конвейерами (абразивных материалов); конвейерами с погруженными скребками, конвейерами винтовыми (неабразивных пылящих материалов); пневмотранспортом (неабразивных пылящих материалов). Выдача материала из бункеров в производство осуществляют питателями дисковыми, ленточными − для зернистых материалов, винтовыми − для порошковых материалов. Отделение приема и подготовки сырья Это отделение предназначено для приема сырья, а также добавок, не требующих специальной подготовки; рыхления или дробления и питания сырьем технологических линий. Отделение проектируется отдельно стоящим, соединяющимся с производственным корпусом конвейерной галереей; в составе производственного корпуса. Отделение оборудуется бункерами запаса добавок с дозирующими устройствами; рыхлителями для предварительного рыхления крупных и плотных кусков сырья; ящичными питателями с резиновой и пластинчатой лентой. Предназначено для переработки сырья, разрушения его структуры, получения однородной по влажности и по составу массы с приданием ей надлежащих формовочных свойств. Переработка сырья при пластическом способе подготовки и пластическом формовании включает в себя следующие операции: грубое измельчение сырья с выделением из него недробных каменистых включений; подсушку сырья (при повышенной карьерной влажности); смешение и растирание компонентов шихты с увлажнением массы; первичное измельчение массы; вторичное тонкое измельчение массы после вылеживания (при необходимости); дополнительное перемешивание массы с пароувлажнением. Сухой способ подготовки сырья применяется в соответствии с регламентом, выданным исследовательской организацией, а также в случаях повышенного содержания карбонатных и других включений и при использовании сухого трудноразмокаемого каменистого сырья (например, аргиллитов и алевролитов). Подготовка сырья при сухом способе подготовки массы и последующем пластическом формовании включает следующие операции: дробление сырья; грубое измельчение глинистого сырья с выделением из него крупных включений и гранулирование его (при необходимости); сушка; измельчение сухой глины в порошок; просеивание; интенсивное смешение глинистого порошка с добавками и увлажнение водой и паром до пластического состояния. Подготовка сырья при полусухом способе прессования изделий аналогична предыдущему способу подготовки сырья, но без дальнейшего увлажнения полученного глинистого порошка (возможна корректировка влажности порошка).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -115- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 10 Особенности ПРОЕКТИРОВАНИИ керамических производств 1 2 3 6 4 9 5 8 7 Рис. 30. Компоновочная схема завода по производству керамического кирпича: 1 − первичная обработка шихты, 2 − склад гомогенезации, 3 − вторичная переработка и формование, 4 − автоматическая транспортировка продукции, 5 − перегрузка на вагонетки, 6 − туннельная сушка, 7 − туннельная печь, 8 − возврат вагонеток, 9 − упаковка Основное оборудование, используемое для переработки глинистого сырья, включает ящичные питатели − для равномерного и непрерывного питания сырьем перерабатывающего оборудования; вальцы камневыделительные, дезинтеграторные, дырчатые − для первичного измельчения сырья, выделения камней, растительных и других включений; двухвальные смесители без пароувлажнения и с пароувлажнением − для смешения сырьевых компонентов; бегуны мокрого помола − для измельчения и растирания плотной, медленно набухающей глины; глинорастиратели − для улучшения обработки глины преимущественно при производстве пустотелой продукции; вальцы тонкого помола − для вторичного измельчения и дальнейшей обработки глинистой массы, при наличии карбонатных включений в сырье; двухвальные смесители с фильтрующей решеткой − для дополнительного перемешивания глиняной массы и выделения из сырья растительных включений и других отходов; сушильные барабаны − для сушки глины; молотковые (шахтные) мельницы с подачей теплоносителя − для совместного помола и сушки глины; грохоты − для просеивания высушенной глины; железоотделители − для извлечения металлических включений из сырья; стержневые мельницы − для помола плотных материалов; стержневые смесители − для обработки массы при полусухом способе прессования сырца. Пример компоновочного решения по производству керамического кирпича представлен на рис. 30. Шихтозапасник Вылеживание переработанной массы рекомендуется с целью повышения качества готовой продукции при медленно набухающих глинах. Для вы-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -116- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 10 Особенности ПРОЕКТИРОВАНИИ керамических производств леживания переработанной массы используются шихтозапасники ямного типа, оснащенные загрузочным конвейером со сбрасывающей тележкой, многоковшовыми экскаваторами на рельсовом ходу с управлением из кабины; ямного типа, оснащенные самоходными загрузочными и разгрузочными мостами, работающими в автоматическом режиме; силосного типа, совмещающие процесс вылеживания с паровым подогревом, что дает возможность получить массу высокого качества. Шихтозапасники ямного типа проектируются в закрытом выгороженном помещении с соблюдением определенного температурно-влажностного режима (Т = 5 °С; ϕ = 80 %) с боковым верхним ленточным остеклением, без общеобменной принудительной вентиляции. Ввиду возможности подсыхания в шихтозапаснике верхнего слоя переработанной шихты рекомендуется легкое поверхностное увлажнение и вторичная переработка массы перед прессом на вальцах тонкого помола. Таблица 11 Нормы запаса сырья в шихтозапасниках Тип шихтозапасника Шихтозапасник ямного типа, расчетные рабочие сутки с загрузочным конвейером со сбрасывающей тележкой с загрузочными и разгрузочными самоходными мостами Шихтозапасник силосного типа, расчетные рабочие часы с паропрогревом без паропрогрева Норма запаса 7−14 7−14 4−8 8−12 Силосные шихтозапасники устанавливаются перед прессами для создания запаса и обеспечения их ритмичной работы. Вторичная переработка массы в этом случае обычно не требуется. Нормы запаса шихты в зависимости от типа шихтозапасника регламентированы (табл. 11). Формовочно-перегрузочное отделение Формование сырца может производиться пластическим способом (из масс с нормальной формовочной влажностью), жестким способом (из масс с пониженной формовочной влажностью), полусухим способом (из порошков). Безвакуумные шнековые прессы используются при пластическом формовании полнотелых изделий на заводах малой мощности. Относительная влажность глинистой массы при пластическом способе формования изделий соответствует 16−23 %, при жестком формовании изделий − 12−16 %. Относительная влажность порошка при полусухом способе прессования соответствует − 8−12 %. Формовочно-перегрузочное отделение при пластическом способе формования оснащается прессовым оборудованием с резательным устройством и комплексом оборудования, состоящим из автомата-укладчика для укладки сырца на сушильные вагонетки или палеты, системы передви-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -117- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 10 Особенности ПРОЕКТИРОВАНИИ керамических производств жения сушильных и печных вагонеток и автомата-садчика для укладки высушенного сырца на печные вагонетки. Между автоматами-укладчиками и автоматами-садчиками предусматриваются пути накопления сушильных и печных вагонеток, обеспечивающих независимую работу этих автоматов, а также накопители реек, рамок, палет − перед автоматами-укладчиками. Формовочно-перегрузочное отделение при жестком формовании или полусухом прессовании оснащается прессовым оборудованием с резательным устройством (только для жесткого формования), автоматом-садчиком для укладки сырца на печные вагонетки и системой спецтранспортных средств для передвижения вагонеток. Сушильное отделение Для сушки свежеотформованных изделий применяются искусственные сушилки туннельного, камерного и конвейерного типов. Выбор того или иного типа сушилок обуславливается результатами испытаний и свойствами сырья, номенклатурой изделий, режимом сушки и другими предпосылками. Туннельные сушилки (однозонные, многозонные и полунепрерывного действия) являются основным сушильным агрегатом. Камерные сушилки рекомендуется применять на заводах малой мощности при односменной работе формовочного отделения и при высокочувствительной к сушке шихте. Конвейерные сушилки рекомендуются при сушке изделия с высокой пустотностью, а также при сушке сырья не более 8 часов. Режим сушки керамических изделий устанавливается при испытании сырья специализированными организациями. В качестве агента сушки принимается: • при туннельных печах, работающих на природном газе, − горячий воздух из зоны охлаждения межсводового пространства и отходящие дымовые газы, не засоренные сернистыми включениями и продуктами горения выгорающих добавок; • при туннельных печах, работающих на жидком или твердом топливе, − горячий воздух из зон охлаждения печей, межсводового пространства, горячий воздух из паровых калориферов, теплогенераторов и других источников, обеспечивающих сушку без примесей продуктов горения. При этом отходящие газы печей выбрасываются в атмосферу. В этом случае возможна запрессовка топлива и других топливосодержащих добавок в шихту; • при реконстукции предприятий с кольцевыми печами, работающими на природном газе, без запрессовки топлива в шихту, − отходящие дымовые газы и смесь наружного воздуха с продуктами сгорания природного газа в подтопках. При реконструкции предприятий с туннельными печами, работающими на твердом или жидком топливе, все действующие сушилки, работающие ра-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -118- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 10 Особенности ПРОЕКТИРОВАНИИ керамических производств нее на отходящих газах печей, должны быть переведены на сушку чистым воздухом, получаемым от калориферов или теплогенераторов. Использование дымовых газов печей при сжигании твердого или жидкого топлива в качестве агента сушки запрещается. Для более экономичного использования производственных площадей допускается оборудование сушилок (вентиляторы, калориферы, смесительные камеры, трубопроводы, коллекторы раздачи теплоносителя и т. п.) располагать на перекрытиях сушильных туннелей и камер. Печное отделение При обжиге изделий следует применять туннельные печи унифицированного ряда с шириной канала: 2,5 м; 4,7 м; 7,0 м. Отделение оборудуется краном подвесным электрическим для обеспечения их монтажа механизированным способом. При реконструкции и расширении цехов, оснащенных туннельными печами с каналом шириной 1,74, 2,0 и 3,0 м, использование указанных тепловых агрегатов допускается при условии модернизации тепловой и аэродинамической схем. Проектирование кольцевых печей и их применение для заводов любых мощностей запрещается Исключение составляют кольцевые печи со съемным покрытием при реконструкции действующих заводов и строительства заводов малой мощности. При отсутствии конкретных рекомендаций по срокам обжига научноисследовательских организацией, проводившей испытания сырья, принимать сроки обжига для полнотелой продукции − 48 часов; для пустотелой продукции − 40 часов. При исчислении мощности печей их производительность принимается по выходу годной продукции, за вычетом брака обжига. При проектировании необходимо предусматривать тепловую блокировку печей и сушилок с целью экономии топлива. Утилизацию дымовых газов туннельных печей для нужд сушки, необходимо осуществлять при соблюдении следующих условий: использование природного газа в качестве технологического топлива; отсутствие в топливе и сырье сернистых включений; отсутствие в продуктах горения пылеуносов; обеспечение требуемого начального влагосодержания при смешении продуктов горения с остальными источниками сушильного агента. Отделение разгрузки и пакетирования готовой продукции Отделение предназначено для запаса обожженной продукции на печных вагонетках, устанавливаемых после печей на путях запаса (при несоответствии режимов работы печного отделения и склада готовой продукции), разгрузки и перекладки готовой продукции на поддоны.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -119- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 10 Особенности ПРОЕКТИРОВАНИИ керамических производств Для разгрузки обожженной продукции с печных вагонеток и формирования транспортных пакетов применяются автоматы-пакетировщики. Формирование транспортных пакетов производится на поддонах (деревянных, деревометаллических и металлических), соответствующих нормативно-технической документации. В зависимости от способа садки на печную вагонетку и типа автомата-пакетировщика пакет бывает плотный и разреженный. Упаковка пакетов производится методом: • обвязки лентой металлической b = 6 мм; δ = 0,5 мм, норма расхода, например, для керамического кирпича, 80 погонных метров на 1 000 шт; • упаковки в термоусадочную пленку L =1,6 м; δ = 0,15 мм. Норма расхода − 2,6 кг на 1 000 шт. Плотные пакеты упаковывают обвязкой лентой металлической или в термоусадочную пленку. Разреженные пакеты − только в термоусадочную пленку. На реконструируемых керамических заводах как временное решение возможна ручная разгрузка печных вагонеток с перекладкой обожженной продукции на поддоны с возможностью последующей установки автоматов-пакетировщиков в отделении. Для частичной механизации этого передела предусматриваются подвесные электрические краны с управлением с пола для перемещения груженых поддонов от мест укладки к краю рампы; специальные транспортные средства для перемещения печных вагонеток к местам погрузки; самоходные тележки и электропогрузчики для вывоза груженых поддонов на склад. Склад готовой продукции Для складирования готовой продукции проектируется открытая площадка, оборудованная необходимым подъемно-транспортным оборудованием. Все операции по разгрузке, перемещению и погрузке готовой продукции на транспорт должны быть механизированы. Склад оборудуется козловыми кранами, погрузчиками для погрузки готовой продукции в авто- и железнодорожный транспорт. Подача поддонов с готовой продукцией в транспорт может производиться кранами с помощью траверс или подхватов-футляров, рассчитанных на одновременное транспортирование двух груженых поддонов, а также погрузчиками. Нормы использования и хранения отходов Потери сырья, топлива и отходы производства не должны превышать величин, приведенных в табл. 12.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -120- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 10 Особенности ПРОЕКТИРОВАНИИ керамических производств Таблица 12 Нормы потерь сырья, топлива и отходов производства Потери и отходы Величина, % Потери сырья при транспортировке по переделам производства 1,0 Отходы при сушке сырца 3,0 Отходы при обжиге 2,0 Потери твердого топлива при хранении на складе и транспортировке в производство 1,0 Отходы, получаемые при сушке, ленточными конвейерами транспортируются в бункер отходов и периодически вывозятся в конус или карьер, возвращаясь в производство вместе с сырьем. Отходы, получаемые при обжиге, могут перерабатываться в отделении приготовления добавок и использоваться как добавка к основному сырью или отпускаться потребителю с готовой продукцией без разбраковки, соответственно, с учетом нормативного количества отходов обжига. Пыль, уносимая из тепловых агрегатов и мельниц после улавливания, должна возвращаться в производство. Уровень автоматизации производства, представляющий собой отношение количества автоматизированного и полуавтоматизированного оборудования к общему количеству единиц установленного оборудования, должен быть не менее: 80−90 % − для заводов, оснащенных комплексными технологическими линиями производительностью 30 млн шт. усл. кирпича в год и выше; не менее 70−80 % − для всех остальных производств. Контрольные вопросы 1. От каких параметров зависят нормы запасов сырьевых материалов? 2. Какие виды сырьевых материалов поступают в отделение приема и подготовки сырья? 3. Какие типы шихтозапасников применяются в керамическом производстве? 4. Какие типы сушилок применяются в керамическом производстве? 5. Где и как должны храниться отходы, получаемые при сушке и обжиге?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -121- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 11 Система нормативных документов в строительстве План лекции 1. Основные цели, принципы и структура системы 2. Нормативные документы 3. Термины и определения (в соответствии с ИСО/МЭК) 4. Объекты нормирования и стандартизации в строительстве 5. Унифицированные параметры зданий 6. Единая модульная система, типизация и унификация Система нормативных документов Российской Федерации в строительстве создана в соответствии с новыми экономическими условиями, законодательством и структурой управления на базе действующих в России строительных норм, правил и государственных стандартов в этой области. Главная направленность нормативных документов системы − защита прав и интересов потребителей строительной продукции. Одним из основных средств решения этой задачи является переход к новым методическим принципам, которые находят все большее распространение в практике международной стандартизации. Система нормативных документов в строительстве базируется на требованиях СНиП 10-01-94. Основные цели, принципы и структура системы Исходя из общих целей стандартизации, система должна способствовать решению стоящих перед строительством задач с тем, чтобы обеспечить: ƒ соответствие строительной продукции своему назначению и создание благоприятных условий жизнедеятельности населения; ƒ безопасность строительной продукции для жизни и здоровья людей в процессе ее производства и эксплуатации; ƒ защиту строительной продукции и людей от неблагоприятных воздействий с учетом риска возникновения чрезвычайных ситуаций; ƒ надежность и качество строительных конструкций и оснований, систем инженерного оборудования, зданий и сооружений; ƒ выполнение экологических требований, рациональное использование природных, материальных, топливно-энергетических и трудовых ресурсов; ƒ взаимопонимание при осуществлении всех видов строительной деятельности и устранение технических барьеров в международном сотрудничестве.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -122- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 11 Система нормативных документов в строительстве Объектами стандартизации и нормирования в системе являются: • организационно-методические и общие технические правила и нормы, необходимые для разработки, производства и применения строительной продукции; • объекты градостроительной деятельности и строительная продукция − здания и сооружения и их комплексы; • промышленная продукция, применяемая в строительстве, строительные изделия и материалы, инженерное оборудование, средства оснащения строительных организаций и предприятий стройиндустрии; • экономические нормативы, необходимые для определения эффективности инвестиций, стоимости строительства, материальных и трудовых затрат. Нормативные документы Нормативные документы системы подразделяют на государственные федеральные документы, документы субъектов Российской Федерации и производственно-отраслевые документы субъектов хозяйственной деятельности. С учетом требований ГОСТ Р 1.0 в составе системы разрабатывают федеральные документы, документы субъектов Российской Федерации и производственно-отраслевые документы. К федеральным нормативным документам относят: • строительные нормы и правила Российской Федерации (СНиП); • государственные стандарты Российской Федерации в области строительства (ГОСТ Р); • своды правил по проектированию и строительству (СП); • руководящие документы системы (РДС); Нормативные документы субъектов Российской Федерации включают территориальные строительные нормы (ТСН). В производственно-отраслевые нормативные документы входят стандарты предприятий (объединений) строительного комплекса и стандарты общественных объединений (СТП и СТО). Строительные нормы и правила (СНиПы) Российской Федерации устанавливают обязательные требования, определяющие цели, которые должны быть достигнуты, и принципы, которыми необходимо руководствоваться в процессе создания строительной продукции. Государственные стандарты Российской Федерации (ГОСТ Р) в области строительства устанавливают обязательные и рекомендуемые положения, определяющие конкретные параметры и характеристики отдельных частей зданий и сооружений, строительных изделий и материалов и обеспечивающие техническое единство при разработке, производстве и эксплуатации этой продукции. Своды правил по проектированию (СП) и строительству устанавливают рекомендуемые положения в развитие и обеспечение обязательных требований строительных норм, правил и общетехнических стандартов системы или по отдельным самостоятельным вопросам, не регламентированным обязательными нормами.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -123- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 11 Система нормативных документов в строительстве Руководящие документы системы (РДС) устанавливают обязательные и рекомендуемые организационно-методические процедуры по осуществлению деятельности в области разработки и по применению нормативных документов в строительстве, архитектуре, градостроительстве, проектировании и изысканиях. Территориальные строительные нормы (ТСН) устанавливают обязательные для применения в пределах соответствующих территорий и рекомендуемые положения, учитывающие природно-климатические и социальные особенности, национальные традиции и экономические возможности республик, краев и областей России. Стандарты предприятий (объединений) (СТП и СТО) устанавливают для применения на данном предприятии или в объединении положения по организации и технологии производства, а также обеспечению качества продукции. Строительные нормы и правила содержат основные организационнометодические требования, направленные на обеспечение необходимого уровня качества строительной продукции, общие технические требования по инженерным изысканиям для строительства, проектированию и строительству, а также требования к планировке и застройке, зданиям и сооружениям, строительным конструкциям, основаниям и системам инженерного оборудования. Эти требования определяют: • надежность зданий и сооружений и их систем в расчетных условиях эксплуатации, прочность и устойчивость строительных конструкций и оснований; • устойчивость зданий и сооружений и безопасность людей при землетрясениях, обвалах, оползнях и в других расчетных условиях опасных природных воздействий; • устойчивость зданий и сооружений и безопасность людей при пожарах и в других расчетных аварийных ситуациях; • охрану здоровья людей в процессе эксплуатации, необходимый тепловой, воздушно-влажностный, акустический и световой режимы помещений; • эксплуатационные характеристики и параметры зданий и сооружений различного назначения и правила их размещения с учетом санитарных, экологических и других норм; • сокращение расхода топливно-энергетических ресурсов и уменьшение потерь теплоты в зданиях и сооружениях. Термины и определения (в соответствии с ИСО/МЭК − 2:1991) Строительные нормы и правила − нормативный документ в области строительства, принятый органом исполнительной власти и содержащий обязательные требования.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -124- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 11 Система нормативных документов в строительстве Свод правил (по проектированию и строительству) − нормативный документ, рекомендующий технические решения или процедуры инженерных изысканий для строительства, проектирования, строительно-монтажных работ и изготовления строительных изделий, а также эксплуатации строительной продукции и определяющий способы достижения ее соответствия обязательным требованиям строительных норм, правил и стандартов. Территориальные строительные нормы − нормативный документ в области строительства, принятый на уровне одной территориальной единицы страны. Технические условия − документ, устанавливающий технические требования, которым должны удовлетворять продукция, процесс или услуга. Строительная продукция − это законченные строительные здания и другие сооружения, а также их комплексы. Строительное сооружение − единичный результат строительной деятельности, предназначенный для осуществления определенных потребительских функций. Здание − наземное строительное сооружение с помещениями для проживания и (или) деятельности людей, размещения производств, хранения продукции или содержания животных. Помещение − пространство внутри здания, имеющее определенное функциональное назначение и ограниченное строительными конструкциями. Строительная конструкция − это часть здания или другого строительного сооружения, выполняющая определенные несущие, ограждающие и (или) эстетические функции. Строительное изделие − изделие, предназначенное для применения в качестве элемента строительных конструкций зданий и сооружений. Строительный материал − материал (в том числе штучный), предназначенный для создания строительных конструкций зданий и сооружений и изготовления строительных изделий. Унифицированные параметры зданий Характерной особенностью промышленного строительства в нашей стране является массовое внедрение системы унификации строительных объектов промышленных предприятий. На основании результатов унификации осуществляется постоянное повышение уровня индустриализации промышленного строительства, за счет которой все более значительная часть затрат труда на возведение зданий переносится в сферу промышленного производства, в результате чего сокращается трудоемкость работ, выполняемых непосредственно на строительной площадке. Важнейшими элементами созданной в нашей стране системы унификации являются: правила назначения основных размеров массовых промышленных зданий и их элементов, а также градации размеров на основе ряда укрупненных модулей; принципы универсального решения первичных объемно-планировочных элементов зданий; правила расположения разбивочных  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -125- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 11 Система нормативных документов в строительстве осей зданий и привязок к ним основных несущих и ограждающих конструкций, обеспечивающие оптимальные взаимосочетания последних. Современное индустриальное строительство в основном базируется на применении типовых сборных деталей и конструкций. Типовыми называют детали и конструкции, имеющие для данного момента времени наиболее рациональное решение и предназначенные для широкого применения. Количество типов и размеров сборных деталей конструкций должно быть, возможно, меньшим, что существенно облегчает их изготовление, монтаж и уменьшает стоимость строительства. Уменьшение количества типов и размеров может быть достигнуто на основе унификации архитектурно-планировочных решений зданий, основными параметрами которых являются шаг, пролет и высота этажа. Шагом называют расстояние между координационными осями стен и отдельных опор, предусмотренное при проектировании плана здания. В зависимости от направления в плане здания шаг может быть продольным и поперечным. Пролетом здания называют расстояние между координационными осями несущих стен или отдельных опор в направлении, соответствующем продольным размерам основных несущих конструкций перекрытия или покрытия. В зависимости от конструктивно-планировочной схемы, пролет совпадает по направлению с поперечным или продольным шагом, а в отдельных случаях (например, в железобетонных безбалочных перекрытиях) − с тем и другим. В большинстве случаев шаг представляет собой меньшее расстояние между осями, а пролет − большее. Высотой этажа называют расстояние по вертикали от уровня пола данного этажа до уровня пола вышележащего этажа, в верхних этажах и одноэтажных чердачных зданиях − расстояние от уровня пола до отметки верха чердачного перекрытия, а в бесчердачных зданиях − до низа основной несущей конструкции. Унификацию архитектурно-планировочных параметров зданий и геометрических размеров конструкций в нашей стране осуществляют на основе единой модульной системы (ЕМС), представляющей собой совокупность правил назначения размеров шага, пролета, высоты этажа, размеров конструктивных элементов, строительных изделий и оборудования на базе единого модуля 100 мм, который обозначают буквой М. В строительной практике чаще всего используют производные модули (ПМ), которые подразделяют на укрупненные и дробные. К укрупненным относят модули (мм): 6000, 3000, 1500, 1200, 600, 300 и 200. Обозначаются они, соответственно, 60М, ЗОМ, 15М, 12М, 6М, 3М, 2М и применяются при назначении размеров здания, высоты этажа, размеров конструкции или деталей, а также оборудования. Дробные модули (мм): 50, 20, 10, 5, 2, 1 обозначают, соответственно, 1/2М, 1/5М, 1/10М, 1/20М, 1/50М, 1/100М и применяют при назначении толщины отдельных деталей или назначении размеров зазоров и допусков. Согласно принятым в ЕМС правилам, пролеты промышленных зданий могут быть приняты равными 9, 12, 18, 24, 30, 36 м и т. д., т. е. до 18 м они  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -126- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 11 Система нормативных документов в строительстве принимаются кратными 30М, а больше 18 м − кратными 60М. Высота этажей промышленных зданий принимается кратной 60М, а именно: 3,0; 3,6; 4,2; 4,8; 5,4; 6,0 м и т. д. Проектное расстояние между координационными осями здания, или условный размер конструктивного элемента его, включающий соответствующие части швов и зазоров, называется номинальным модульным размером. Кроме номинального, различают конструктивные и натурные размеры (рис. 31). 1 δ 2 Lк Lн а δ 1 δ±с 2 Lф δ±с Lн б Рис. 31. Размеры конструктивных элементов: а − номинальный и конструктивный; б − натурный или фактический; 1 − конструктивные элементы; 2 − зазор Конструктивным называют проектный размер конструктивных элементов, строительных изделий и оборудования, отличающийся от номинального на величину нормированного зазора или шва (5, 10, 20 мм и т. д.). Натурный размер − фактический размер детали, конструктивного элемента, оборудования, отличающийся от проектного на величину, находящуюся в пределах допуска. Унификация промышленных зданий осуществляется на основе разработанных «Унифицированных габаритных схем», «Унифицированных типовых секций» (УТС), «Унифицированных типовых пролетов» (УТП) и схем блокировки УТС и УТП. В габаритных схемах содержатся данные о планировке, шаге колонн, пролетах, высоте и этажности зданий, крановых нагрузках и т. п. Наличие габаритных схем позволяет существенно упростить конструктивные схемы и сократить количество типоразмеров архитектурнопланировочных и конструктивных элементов зданий. Одну и ту же габаритную схему можно рационально применять для различных производственных зданий массового строительства. В настоящее время при разработке проектов зданий предприятий всех отраслей промышленности обязательно применение сборных железобетонных изделий и конструкций заводского изготовления, номенклатура которых содержится в каталогах сборных конструкций, утвержденных Госстроем России.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -127- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 11 Система нормативных документов в строительстве Двухпролетных 6 6 6хn 3,6 4,8 6,0 4,8 3,6 4,8 6,0 4,8 3,6 4,8 6,0 6,0 6 3,6 3,6 3,6 3,6 4,8 4,8 4,8 4,8 Многопролетных 6,0 6,0 6,0 6,0 6 3,6 4,8 6,0 4,8 6,0 3,6 4,8 6,0 4,8 6,0 3,6 4,8 6,0 6,0 7,2 6 6хn 4,8 4,8 4,8 6,0 3,6 3,6 3,6 3,6 4,8 4,8 4,8 4,8 6,0 6,0 6,0 6,0 Трехпролетных с подвесными кранами 6,0 6,0 6,0 7,2 6 7,2 7,2 4,8 6,0 4,8 6,0 6 4,8 4,8 4,8 6,0 6 Трехпролетных с мостовыми кранами 7,2 4,8 4,8 4,8 6 6 7,2 6,0 6,0 6,0 6 6 6 10,8 10,8 4,8 6,0 4,8 6,0 6 6 6 10,8 10,8 4,8 6,0 4,8 6,0 4,8 6,0 Рис. 32. Примеры унифицированных габаритных схем многоэтажных промышленных зданий с сеткой 6×6 Типовые унифицированные габаритные схемы показаны на рис. 32. Контрольные вопросы 1. Какие виды нормативных документов относятся к федеральным? 2. Какие виды нормативных документов относятся к производственноотраслевым? 3. Что является объектом нормирования и стандартизации в строительстве? 4. Для чего нужна единая модульная система? 5. Что такое номинальный и модульный размер?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -128- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий промышленных предприятий План лекции 1. Планировка промышленных зданий. 2. Основные типы зданий. Первая и наиболее ответственная стадия работы проектировщика предусматривает последовательное определение плана здания и его вертикальных размеров. Для разрешения строительных задач планировки и высоты здания в проекте должны быть подготовлены следующие материалы: 1. Схема технического процесса со всеми производственными агрегатами и размерами габаритов, как в плане, так и по высоте. Если некоторые вспомогательные элементы оборудования должны быть поставлены в цехе выше уровня пола, то для каждого из них должна быть выяснена отметка высоты и положение в плане. Потому что все эти объекты придется ставить на специальные несущие конструкции, которые надо запроектировать в виде площадок или высоких фундаментов. 2. Данные о внутрицеховом транспорте: наземном и, особенно важно, подвесном или крановом. Для мостовых кранов должны быть выяснены: место нахождения, груз на крюке и отметка высоты на уровне головки подкранового пути. 3. Сведения о производственном режиме работы: влажности воздуха, его температуре, чистоте воздуха, так как в этом случае нужны строительные меры для обеспечения аэрации и локализации этих выделений. 4. Сведения о подвалах, приямках, галереях в цехе, их местонахождение, размеры в плане и в глубине, их увязка с фундаментами оборудования и колонн. 5. Сведения об особых условиях производства, санитарных или технологических, особых агрегатах или процессах (глубоких колодцах, высоких башнях, печах и др.). 6. Кроме данных о производственных условиях, к началу проектирования зданий будут необходимы сведения о местных условиях в районе строительства: место постройки, объект проектирования, климатологические данные (зимняя расчетная температура, продолжительность отопительного периода, роза ветров, характеристика снегопадов и заносов, глубина промерза-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -129- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий пром. предприятий ния грунтов, геологические данные о грунтах, строительные условия, строительные материалы и др.). От качества проекта строительной части во многом зависит уровень проектных разработок, объемно-планировочных решений, условий монтажа и эксплуатации оборудования, санитарно-бытовые условия проектируемого цеха, в то же время стоимость производственных зданий и сооружений представляет значительную пассивную часть основных фондов предприятия. В строительной части должны быть представлены проектные решения типа и конструкции здания, их архитектурного оформления, конструкции фундаментов и др. При разработке строительной части проекта необходимо учитывать нормы, порядок и последовательность проектирования. Выполнение приведенных рекомендаций способствует сокращению стоимости строительства за счет максимального сокращения территории промышленных предприятий, за счет применения наиболее экономичных конструктивных решений, эффективных материалов, максимально снижающих массу зданий, сокращающих расходы строительных материалов, за счет применения высокопроизводительных агрегатов, передовых технологических процессов и методов производства на уровне современных достижений техники. Планировка промышленных зданий Производственные здания цехов порошковой металлургии относятся ко 2-му классу по долговечности (50 лет эксплуатации). Корпуса цехов проектируются однопролетными и многопролетными, одноэтажными прямоугольной формы, по возможности без перепада высот между пролетами. При проектировании зданий цехов необходимо учитывать природноклиматические условия местности: средняя годовая температура, направление и скорость господствующих ветров (роза ветров), количество осадков. В условиях сурового климата с преобладанием низкой температуры применяют морозостойкие конструкции, усиленное остекление, усиленную теплоизоляцию и др. При проектировании производственных зданий большое внимание уделяют экономичности проектных решений по строительной части, созданию наилучших условий труда. В процессе планировки производственного здания должны быть последовательно отражены следующие основные элементы: 1) форма и геометрические размеры здания в плане; 2) число пролетов, их взаимное расположение, размеры и шаг колонн, эстакады и площадки в пролетах; 3) средства внутрицехового транспорта и их расположение;  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -130- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий пром. предприятий 4) размеры, состав и местонахождение административно-бытовых помещений. По форме здания в плане и его геометрическии размерам рекомендуются следующие решения: контуры здания должны быть прямолинейными, а план в целом должен быть составлен из правильных прямоугольников, примыкающих друг к другу. Нежелательны пристройки, нарушающие прямолинейность фасада и затрудняющие проезд. Геометрические размеры одноэтажных огнестойких зданий с безопасными в пожарном отношении производственными процессами не ограничиваются. Однако длина зданий лимитируется длиной технологической цепочки. При длине свыше 60−90 м в зданиях надо предусматривать устройство температурных швов. Общая длина цеха может достигать 300−400 м, ширина пролета может быть 18−36 м и зависит от габаритов устанавливаемого оборудования. Высоту пролета определяют по формуле Н ≥ Н1 + Н2 + 100 мм, где Н1 − отметка уровня головки подкранового пути; Н2 − высота крана от уровня головки подкранового пути до наиболее выступающих частей тележки. Размер Н1 находят по формуле Н1 = Н3 + Н4 + Н5, где Н3 − отметка от верха наиболее высокого оборудования; Н4 − наиболее высокие детали, которые переносятся краном; Н5 − размер между максимальным подъемом крюка и головкой подкранового пути. Размеры Н2 и Н5 находят по ГОСТ 25711-83 и ГОСТ 6711-81. Высоту зданий (до уровня головки подкранового пути) принимают 8, 10 и 12 м, т. е. кратной 2. По числу пролетов, их взаимному расположению, размерам, шагу колонн и др. предлагается следующее решение: определение количества и размеров пролетов при проектировании плана промышленных зданий завершается выбором «сетки разбивочных осей», которая служит основой строительного решения плана здания: все несущие конструкции здания размещаются в плане посредством «привязки» к разбивочным осям: положение колонн, стен, подкрановых путей, фундаментов фиксируется определенным размером привязки к осям. Число пролетов в цехе зависит от мощности цеха. В настоящее время применяются цехи 2−3 пролетные шириной каждого пролета 24−30 м (рис. 33). Строительная конструкция − часть здания или другого строительного сооружения, выполняющая определённые несущие, ограждающие и (или) эстетические функции.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -131- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий пром. предприятий Требования к производственным зданиям регламентируются СНиП 3103-2001. 9 8 9 6 5 7 4 2 3 1 Рис. 33. Схема одноэтажного здания: 1 − фундамент под внутренние колонны; 2 − колонны наружного ряда; 3 − подкладка; 4 − фундаментная балка; 5 − стеновые плиты; 6 − консоли колонн; 7− подкрановая балка; 8 − плиты покрытия; 9 − балки покрытия; 10 − внутренние колонны Общая площадь здания определяется как сумма площадей всех этажей (надземных, включая технические, цокольного и подвальных), измеренных в пределах внутренних поверхностей наружных стен (или осей крайних колонн, где нет наружных стен), тоннелей, внутренних площадок, антресолей, всех ярусов внутренних этажерок, рамп, галерей (горизонтальной проекции) и переходов в другие здания. При определении этажности здания учитываются площадки, ярусы этажерок и антресоли, площадь которых на любой отметке составляет более 40 % площади этажа здания. В помещениях высота от пола до низа выступающих конструкций перекрытия (покрытия) должна быть не менее 2,2 м, высота от пола до низа выступающих частей коммуникаций и оборудования в местах регулярного прохода людей и на путях эвакуации − не менее 2 м, а в местах нерегулярного прохода людей − не менее 1,8 м. При необходимости въезда в здание автомобилей высота проезда должна быть не менее 4,2 м до низа конструкций, выступающих частей коммуникаций и оборудования, для пожарных автомобилей − не менее 4,5 м.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -132- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий пром. предприятий В производственных зданиях и помещениях, требующих по условиям технологии поддержания в них стабильных параметров воздушной среды и размещения инженерного оборудования и коммуникаций, допускается предусматривать: • подвесные (подшивные) потолки и фальшполы − когда для доступа к коммуникациям не требуется предусматривать проход для обслуживающего персонала. Для обслуживания указанных коммуникаций допускается проектировать люки и вертикальные стальные лестницы; • технические этажи − когда по условиям технологии для обслуживания инженерного оборудования, коммуникаций и вспомогательных технологических устройств, размещаемых в этих этажах, требуется устройство проходов. В помещениях категорий А и Б следует предусматривать наружные легкосбрасываемые ограждающие конструкции. В качестве легкосбрасываемых конструкций следует, как правило, использовать остекление окон и фонарей. При недостаточной площади остекления допускается в качестве легкосбрасываемых конструкций использовать конструкции покрытий из стальных, алюминиевых и асбестоцементных листов и эффективного утеплителя. Площадь легкосбрасываемых конструкций следует определять расчетом. При отсутствии расчетных данных площадь легкосбрасываемых конструкций должна составлять не менее 0,05 м2 на 1 м3 объёма помещения категории А и не менее 0,03 м2 − помещения категории Б. Оконное стекло относится к легкосбрасываемым конструкциям при толщине 3, 4 и 5 мм и площади не менее (соответственно) 0,8, 1 и 1,5 м2. Армированное стекло к легкосбрасываемым конструкциям не относится. Рулонный ковер на участках легкосбрасываемых конструкций покрытия следует разрезать на карты площадью не более 180 м2 каждая. Расчётная нагрузка от массы легкосбрасываемых конструкций покрытия должна составлять не более 0,7 кПа (70 кгс/м2). Необходимость устройства фонарей и их тип (зенитные, П-образные, световые, светоаэрационные и пр.) устанавливаются проектом в зависимости от особенностей технологического процесса, санитарно-гигиенических и экологических требований с учетом климатических условий района строительства. Фонари должны быть незадуваемыми. Длина фонарей должна составлять не более 120 м. Расстояние между торцами фонарей и между торцом фонаря и наружной стеной должно быть не менее 6 м. Открывание створок фонарей должно быть механизированным (с включением механизмов открывания у выходов из помещений), дублированным ручным управлением. При дистанционном и автоматическом открывании ворот должна быть обеспечена также возможность открывания их во всех случаях вручную. Размеры ворот в свету для наземного транспорта следует принимать с превышением габаритов транспортных средств (в загруженном состоянии) не менее чем на 0,2 м по высоте и 0,6 м по ширине. Уклон маршей в лестничных клетках следует принимать не менее 1:2 при ширине проступи 0,3 м; для подвальных этажей и чердаков допускается принимать уклон маршей лестниц 1:1,5 при ширине проступи 0,26 м.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -133- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий пром. предприятий Внутренние открытые лестницы (при отсутствии стен лестничных клеток) должны иметь уклон не более 1:1. Уклон открытых лестниц для прохода к одиночным рабочим местам допускается увеличивать до 2:1. Для осмотра оборудования при высоте подъема не более 10 м допускается проектировать вертикальные лестницы шириной 0,6 м. Производственные здания должны иметь выходы, обеспечивающие безопасную эвакуацию находящихся в здании людей в случае возникновения пожара или в других аварийных случаях. Проходы, двери и ворота считаются эвакуационными выходами, если они ведут: из помещений первого этажа непосредственно наружу; из помещений на лестничную клетку с непосредственным выходом наружу или через вестибюль, из помещений в проход или коридор с непосредственным выходом наружу или выходом на лестничную клетку; в соседние помещения того же этажа, обладающие огнестойкостью не ниже II степени, не содержащие производств, относящихся по пожарной опасности к категориям А, Б, В, и имеющие выходы наружу непосредственно или через лестничные клетки. Число эвакуационных выходов из производственного здания или помещения должно быть не менее двух. Устройство одного выхода разрешается для помещений производств категорий А, Б и В площадью не более 100 м и производств категорий Г, Д площадью до 200 м. Для одноэтажных производственных зданий наибольшее расстояние от рабочего места до эвакуационного выхода колеблется от 30 до 100 м; а в многоэтажных − от 25 до 75 м. При этом в любом случае расстояние от дверей производственного помещения, выходящего в тупиковый коридор, до ближайшего выхода или лестницы не может быть более 25 м. Допускаемые расстояния от наиболее удаленного рабочего места до эвакуационного выхода приводятся в табл. 13. Таблица 13 Классификация категорий производственных помещений Расстояние Расстояние Степень до эвакуационного Степень до эвакуационного выхода, м выхода, м Категория огнестойКатегория огнестойпроизводства кости кости в одно- в много- производства в одно- в многозданий этажных этажных зданий этажных этажных зданиях зданиях зданиях зданиях А Б В Ι и ΙΙ Ι и ΙΙ Ι и ΙΙ ΙΙΙ IV V  50 100 100 80 50 50 40 75 75 60 Г − − Д Ι и ΙΙ III IV V Ι и ΙΙ III IV V Не нормируется Не ограничено 100 60 50 − 50 − Не ограничено 100 75 60 − 50 − 100 Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций 75 -134- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий пром. предприятий К зданиям и сооружениям по всей их длине должен быть обеспечен подъезд пожарных автомашин: с одной стороны − при ширине здания до 18 м и с двух сторон − при ширине более 18 м. К зданиям шириной более 100 м подъезд пожарных автомашин необходимо обеспечивать со всех сторон. В случаях, когда по производственным условиям не требуется устройство дорог, подъезд пожарных машин должен быть обеспечен по спланированной поверхности с укреплением ее по ширине 3,5 м в местах проезда при глинистых и пылевидных грунтах растительным покровом, шлаком или гравием. Расстояние от края проезжей части или спланированной поверхности, обеспечивающей подъезд пожарных машин, до стены здания не должно превышать 25 м. В промышленном строительстве наибольшее распространение находят одноэтажные промышленные здания. Основные типы зданий Одноэтажные здания. Различные климатические условия в нашей стране, наличие местных строительных материалов и степень механовооруженности территориальных строительных организаций обусловливают разнообразные архитектурно-планировочные решения зданий. Однако благодаря унификации строительных параметров зданий количество типов зданий, применяемых в проектах, резко сократилось. Форма здания проектируется в зависимости от технологического процесса производства и увязывается с санитарно-техническими, противопожарными, экономическими требованиями. Его проектируют, используя унифицированные секции и конструкции, а также блокирование производства, что повышает степень индустриализации строительно-монтажных работ (рис. 34).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -135- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий пром. предприятий а б Рис. 34. Сблокированные из унифицированных секций промышленные здания: а − с плоской кровлей; б − со скатной Одноэтажные здания, по сравнению с многоэтажными, обладают некоторыми преимуществами: в них можно организовать поточность любого производства с тяжелым и легким оборудованием, большой маневренностью технологического процесса без изменения строительных конструкций. Под одной кровлей можно разместить целые производственные объединения, включая склады и все службы. К недостаткам одноэтажных зданий относятся: большие наружные ограждающие поверхности, вызывающие излишнее охлаждение помещений зимой и перегрев солнечной радиацией летом и поэтому требующие дополнительных затрат на строительство и на увеличение эксплуатационных расходов на отопление и вентиляцию их; значительное увеличение территории участка и протяженности внутренних, более разветвленных магистральных инженерных сетей. Одноэтажные здания могут быть узкими, широкими и со сплошной застройкой, без фонарей и с фонарями, с малыми и большими пролетами и шагами. Наиболее рациональными для одноэтажных зданий со сплошной застройкой являются сетки колонн 18×12, 24×12, 30×12, 36×12 м; из них 18×12 м считается основной, которую как наиболее экономичную рекомендуется принимать в массовом строительстве (сетки 18×6, 24×6, 18×12 или 24×12 и 30×12, 36×12 м применяются в узких зданиях или зданиях павильонного типа, а сетки 12×12 и 12×6 м − в зданиях небольших размеров). Высота производственных помещений в одноэтажных зданиях без мостовых кранов принимается кратной 0,6 или 1,2 м и равна 3,6−4,2; 4,8; 5,4; 6,0; 7,2; 8,4; 9,6; 10,8 и 12,0 м, причем малые высоты (3,6−6 м) − только для пролетов до 12 м, а для пролетов 18 и 24 м − начиная с 5,4 м и выше.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -136- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий пром. предприятий Малоэтажные здания. Здания в два этажа по технико-экономическим и прочим показателям занимают промежуточное место между одноэтажными и многоэтажными. Узкие двухэтажные здания (18−54 м) применяются для предприятий с вертикальным технологическим процессом, а также других аналогичных производств, требующих усиленного притока свежего воздуха. Широкие и со сплошной застройкой двухэтажные производственные здания, бесфонарные с верхним техническим этажом над вторым этажом и без него, а также с фонарями над вторым этажом предпочтительны для размещения производств, требующих тяжелого оборудования для изготовления деталей и легкого конвейерного оборудования для сборки готовых изделий из этих деталей. Для размещения многих видов производств легкой промышленности с категорией по пожарной опасности В, требующих устройства большого количества лестничных клеток для эвакуации работающих со второго этажа, двухэтажные здания сплошной застройки неэкономичны. Однако широкие двухэтажные здания с сеткой колонн 9×6 м с зенитными фонарями, остекленными светорассеивающими стеклянными блоками, стеклопластиками или теплопоглощающими стеклами для уменьшения инсоляции помещений, вполне рентабельны для размещения в них производств, требующих повышенного естественного освещения и поддержания постоянного микроклимата. В этом случае на первом этаже размещаются все вспомогательные производства и подсобные помещения, включая склады, бытовые и административные помещения, не требующие большого освещения, а на втором − основное производство. Многоэтажные промышленные здания. В них хорошо размещаются многие виды (как правило, трудоемких с большим количеством занятых рабочих) производств (с нормативной нагрузкой 5−10 кПа). Многоэтажные здания (рис. 35) по сравнению с одноэтажными имеют меньшую площадь наружных ограждающих поверхностей, особенно верхних покрытий, вследствие чего они меньше охлаждаются зимой и перегреваются летом. В таких зданиях хорошо сочетается естественное и искусственное освещение. Сетка колонн для многоэтажных зданий принимается при нормативных нагрузках на междуэтажных перекрытиях 5 и 10 кПа 6×6, 9×6, 12×6 м; при нагрузках 15 кПа − 6×6 и 9×6 м; при нагрузках 20 и 25 кПа − 6×6 м. Другие сетки колонн допускаются лишь при наличии специального обоснования, с согласия заводов, изготовляющих сборные изделия для междуэтажных перекрытий, и разрешения утверждающих проект организаций.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -137- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий пром. предприятий Рис. 35. Многоэтажное промышленное здание В перспективе по мере дальнейшей индустриализации и совершенствования строительной техники элементы междуэтажных перекрытий будут укрупняться, а сетка колонн − увеличиваться. Наиболее эффективными в перспективе разбивочными сетками многоэтажных зданий для нормативных нагрузок 5 и 10 кПа будут 9×9 и 12×9 м без технических этажей и 18×6, 24×6, 18×9 и 24×9 м с промежуточными в междуферменном пространстве техническими этажами для размещения инженерных сетей, бытовых и вспомогательных помещений, межцеховых кладовых, вентиляционных каналов и прочих устройств. Узкие многоэтажные производственные здания шириной 18−30 м с сетками колонн 6×6, 9×6 и 12×6 м строятся для размещения производств, требующих повышенной (по зрительным условиям работы первого и второго разрядов) естественной освещенности, таких, как мебельные, отделочные и др. Широкие многоэтажные здания шириной 30−48 м устраивают для организации производств, допускающих меньшую естественную освещенность (по зрительным условиям 3-, 4- и 5-й разряды работ). Кроме того, их применяют для производств, требующих повышенной освещенности, допускающих усиление естественного света искусственным (люминесцентными лампами), но не требующих различать при работе оттенки расцветок и фактуры материалов. Как в узких, так и в широких многоэтажных зданиях с применением для междуэтажных перекрытий крупнопанельных ребристых плит настилов  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -138- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 12 Архитектурно-строительное проектирование производственных и административно-бытовых зданий пром. предприятий по единой конструктивной серии не создаются условия для устройства гладких потолков и свободного объёма помещений от подвесок линий коммуникаций, вентиляционных коробов, ламп освещения и прочих устройств. Беспыльность и повышенную гигиеничность в таких зданиях возможно поддерживать только с применением дорогостоящих дополнительных подшивок потолка, устройства коробов, лотков и т. д. Поэтому в настоящее время разрабатываются более технически совершенные многоэтажные здания с крупноразмерными сетками, с техническими этажами, размещаемыми в межферменном пространстве. Многоэтажные здания с крупноразмерными сетками 18×6, 18×9, 24×6 и 24×9 м, с техническими чердаками в межферменном пространстве между каждым рабочим этажом для предприятий различных видов промышленности, с нормативными нагрузками 5 и 10 кПа создают условия повышенной гигиеничности и беспыльности помещений и большей маневренности для организации технологического потока и его сменности. Такие здания являются перспективными. После освоения и внедрения их в массовое строительство из серийных сборных железобетонных и крупноразмерных элементов будет возможен переход к универсальным зданиям, пригодным для многих видов производств. В технических этажах размещаются все сети коммуникаций, вентиляционные каналы, вытяжные вентиляционные устройства, сети освещения и светильники люминесцентного освещения, промежуточные межцеховые кладовые, вспомогательные производственные помещения, цеховые ремонтные мастерские и помещения − бытовые, для культурно-санитарного обслуживания рабочих и других служб. Контрольные вопросы и задания 1. Какие данные необходимы для составления архитектурного плана цеха? 2. Какие природно-климатические условия местности необходимо учитывать при проектировании зданий? 3. На основании чего выбирается сетка разбивочных осей? 4. От чего зависит число пролетов в цехе? 5. В помещениях какого класса проектируются легкосбрасываемые ограждающие конструкции? 6. Охарактеризуйте достоинства и недостатки одноэтажного промышленного строительства.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -139- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 13 Классификация и функциональные схемы зданий План лекции 1. Классификация зданий. 2. Расчёт строительных конструкций. 3. Функциональные схемы как основа объемно-планировочного решения. В практике проектирования и строительства встречаются самые разнообразные виды зданий, поэтому классифицировать их можно по большому количеству признаков. Классификация зданий При проектировании, финансировании и планировании строительства наиболее важной является классификация по назначению и по классам капитальности сооружений. По назначению здания делятся: 1) гражданские (жилые дома, больницы, школы, театры, дворцы культуры и прочие общественные здания); 2) промышленные (заводы, фабрики, ТЭЦ, котельные и др.); 3) сельскохозяйственные (птицефермы, овощехранилища, скотные дворы и т. д.). В данной главе рассматриваются только промышленные здания, строящиеся и применяемые для размещения производства лесной и деревообрабатывающей промышленности. В свою очередь промышленные здания по назначению делятся: 1) на здания основного производственного назначения (например, здания мебельных фабрик, лесопильных, фанерных и других деревообрабатывающих предприятий, цехи по производству древесностружечных и древесноволокнистых плит, арболита, фибролита и др.); 2) подсобно-производственные, складские и вспомогательные здания, относящиеся к объектам подсобного производственного и обслуживающего назначения (центральные лаборатории и экспериментальные цехи, склады сырья и готовых изделий, ремонтные мастерские, фабричные управления, проходные, здравпункты, столовые, бытовые помещения для рабочих и др.); 3) здания и сооружения энергетического хозяйства (трансформаторные подстанции и линии электропередачи, котельные, холодильные, компрессорные, газогенераторные и др.); 4) здания и инженерные сооружения транспортного хозяйства и связи (гаражи для электрокаров и автопогрузчиков, автоматические и телевизион Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -140- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 13 Классификация и функциональные схемы зданий ные станции управления производством, телефонные и радиостанции или узлы связи); 5) объекты санитарно-технического назначения (сооружения для водоснабжения, канализации, теплофикации и газификации и др.). По капитальности здания и инженерные сооружения делятся на четыре класса в зависимости от прочности, капитальности, наружной и внутренней отделки, внешнего архитектурно-художественного оформления и внутреннего благоустройства, а также эксплуатационных требований к ним. Класс зданий и сооружений определяется в зависимости от народнохозяйственного значения и мощности предприятия в целом и от назначения каждого из зданий в комплексе этого предприятия, от градостроительных требований, от концентрации материальных ценностей и уникальности оборудования, устанавливаемого в этих сооружениях, а следовательно, и от запаса сырьевых ресурсов, от фактора нормальной амортизации сооружений. К 1-му классу относятся здания и сооружения, имеющие важнейшую народнохозяйственную значимость (здания с непрерывным производством большой мощности, государственные электростанции, метрополитены, большие мосты и др.). К ним предъявляются повышенные требования и проектируют их по индивидуальным техническим условиям и нормам, огнестойкостью не ниже 2 степени и долговечности не ниже 1 степени. Ко 2-му классу относится большинство зданий основного и подсобновспомогательного производственного назначения (склады с ценным сырьем, готовых изделий и оборудования). К ним предъявляются следующие требования: огнестойкость не ниже 3 степени, долговечность − не ниже 2 степени. К 3-му классу относятся сооружения с пониженными требованиями качества − производственные здания малой мощности с недорогим оборудованием, здания складов с малоценным сырьем и все деревянные сооружения. Долговечность их должна быть не ниже 3 степени, огнестойкость не нормируется. К 4-му классу относятся все сооружения, к которым не предъявляются требования долговечности и огнестойкости. Класс зданий или основной группы их в предприятии назначается организацией (заказчиком), выдающей задание на проектирование. Прочность здания зависит от физико-механических свойств ограждающих и несущих нагрузку конструктивных элементов и отдельных частей, из которых оно состоит, от надежности их связей между собой, которые должны обеспечивать зданию пространственную жесткость, а следовательно, неизменяемость под воздействием расчетных нагрузок и устойчивость в течение заданного срока службы. Капитальность здания определяется степенью огнестойкости и степенью долговечности его в заданных условиях эксплуатации. Под долговечностью зданий и сооружений понимается срок их службы, т. е. способность в течение  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -141- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 13 Классификация и функциональные схемы зданий этого времени сохранять прочность и устойчивость основных конструкций (фундаментов, наружных и внутренних стен, колонн, перекрытий и покрытий, лестничных клеток) и возможность нормальной эксплуатации их. Долговечность сооружений в свою очередь зависит от долговечности строительных материалов, из которых изготовлены их конструктивные элементы. Поэтому при назначении строительных материалов для ограждающих конструкций зданий или сооружений с заданным сроком службы учитывается сопротивляемость их физическим, химическим, атмосферным, агрессивным средам и прочим разрушающим воздействиям в заданных условиях эксплуатации. Строительными нормами установлены три степени долговечности зданий и инженерных сооружений: I степень с ориентировочным сроком службы более 100 лет, II − 50−100 лет, III − 20−50 лет. Конструкции со сроком службы менее 20 лет применяются только для временных сооружений. Согласно противопожарным требованиям, здания и инженерные сооружения по огнестойкости подразделяются на пять степеней. Здания, относящиеся к 1-й степени, выполняют исключительно из несгораемых материалов. С повышением степени требования к несгораемости уменьшаются. Здания металлургических предприятий относятся чаще всего ко 2-й степени огнестойкости. По конструктивному и архитектурному решению различают здания: каркасные; с несущими стенами и комбинированными; одноэтажные, многоэтажные и многопролетные; со светоаэрационными фонарями и бесфонарные; с мостовыми кранами и бескрановые. Расчёт строительных конструкций Чтобы обеспечить безопасные условия эксплуатации зданий и сооружений, производят расчет конструкций. Строительные конструкции рассчитывают в два этапа. Статический (или динамический) расчет заключается в составлении расчетных схем, наиболее близко отвечающих работе конструкции в реальных условиях и определении внутренних усилий (изгибающих моментов М, поперечных Q и продольных N сил и др.) в опасных сечениях проектируемых конструкций. Этот расчет производится по формулам сопромата и общим правилам строительной механики. Конструктивный расчет предусматривает выбор материала, рациональных форм и размеров сечения, марок и класса материала (камня, бетона), класса стали, породы и качества древесины и т. д. Известны три метода конструктивного расчета: по допускаемым напряжениям; по разрушающим нагрузкам; по предельным состояниям. В настоящее время применяют третий метод расчёта. Цель такого расчёта − не допускать предельных состояний при эксплуатации в течение всего  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -142- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 13 Классификация и функциональные схемы зданий срока службы конструкции, здания или сооружения. Расчёт выполняют с учетом того, чтобы значения усилий, напряжений, деформаций, перемещений не превышали предельных значений, устанавливаемых СНиПами. Значения нагрузок, действующих на конструкции, прочностные характеристики материалов, из которых они сделаны, и условия их эксплуатации обладают определенной изменчивостью и могут отличаться от установленных нормами. В расчете по методу предельных состояний это учитывается введением ряда коэффициентов перегрузки n, условий работы mв, надежности и др. Числовые значения этих коэффициентов приводятся в СНиПах. Нормативные и расчетные нагрузки из теории сопротивления материалов. Наибольшие нагрузки, которые могут действовать на конструкцию при ее нормальной эксплуатации, называют нормативными. Произведение нормативной нагрузки qн на коэффициент перегрузки n называется расчётной нагрузкой qрас: qрас = q⋅n. Основной характеристикой прочности материала является его нормативное сопротивление Rн, устанавливаемое Гостами на соответствующие материалы. Так, за нормативные сопротивления принимаются: для древесины − среднее значение пределов прочности при различных напряженных состояниях; для бетона − сопротивления осевому сжатию кубов (кубиковая прочность Rкуб), осевому сжатию призм Rпр или осевому растяжению Rр; для стали − значение предела прочности или временного сопротивления. Прочностные свойства любого материала изменяются, в результате чего их числовые величины могут отличаться от нормативных. Эти отклонения учитываются коэффициентами изменчивости материалов (коэффициентами безопасности). Расчетное сопротивление получают в результате деления нормативного сопротивления на коэффициент надежности К: Rрас = Rн/K. Расчетные и нормативные сопротивления материалов приводятся в СНиПах. Как отмечалось выше, расчет строительных конструкций осуществляется по двум группам предельных состояний: по несущей способности и по деформациям. Сущность расчета по несущей способности заключается в том, что наибольшее расчетное усилие, которое может действовать на конструкцию, не должно превышать наименьшую ее несущую способность Nсеч при самых неблагоприятных условиях, т. е. должно быть соблюдено условие N ≤ Nсеч.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -143- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 13 Классификация и функциональные схемы зданий Расчет по деформациям сводится к тому, чтобы теоретически вычисленные по нормативным нагрузкам деформации (прогибы) не превышали предельного значения деформаций [f], установленных СHиПами, т. е. должно быть соблюдено условие f ≤ [f]. Функциональная схема как основа объёмно-планировочного решения Функциональная или производственная технологическая схема, отражающая состав, последовательность, взаимосвязь технологических операций, направление перемещения сырья, полупродуктов, комплектующих изделий, материалов, готовой продукции, является основой для разработки архитектурно-строительной части проектируемого здания. Анализ функциональной технологической схемы производства наряду с учетом условий труда, особенностей внешней и внутренней среды, местных условий, требований унификации и типизации, градостроительного значения объекта, природоохранных мероприятий позволяет обоснованно подойти к выбору объемнопланировочного решения и его реализации в строительных конструкциях. Укрупнённые технологические схемы предприятия стройиндустрии (производство керамзита) и химии (производство олефинов) дают примерное представление о характере основного технологического оборудования, направленности технологического процесса (рис. 36, рис. 37). В первом случае развитие процессов по вертикали с использованием массы сыпучего материала для его перемещения, значительные пыле- и тепловыделения предопределили размещение производства в нескольких разноэтажных зданиях, связанных наклонными транспортерными галереями. Часть оборудования размещена вне зданий на открытых площадках. На предприятии по производству олефинов применение отделённых друг от друга производственных зданий объясняется также повышенной взрывной и пожарной опасностью технологического процесса. Крупногабаритная аппаратура (колонны, теплообменники, емкости) размещается на открытых площадках, а также на многоэтажных этажерках без наружных ограждающих конструкций. На машиностроительных предприятиях одним из наиболее трудоемких и ответственных технологических процессов является сборка готовой продукции.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -144- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 13 Классификация и функциональные схемы зданий 1 1−1 4 5 3 2 6 б 7 13 8 11 9 10 12 14 15 1 1 а в Рис. 36. Предприятие по производству керамзита: а − технологическая схема; б − схема разреза; в − схема плана; 1 − глиноподготовка; 2 − ящичный подаватель; 3 − вальцы; 4 − циклон; 5 − элеватор; 6 − дозатор; 7 − сушильный барабан; 8 − печь; 9 − холодильник; 10 − отделение сортировки; 11 − отделение приема сырья; 12 − отделение переработки сырья; 13 − блок газоочистки; 14 − сушильное отделение; 15 − печное отделение 1–1 3 1 5 4 2 7 б 6 1 1 8 9 10 11 12 а в Рис. 37. Предприятие производства олефинов: а − технологическая схема; б − схема разреза; в − схема плана 1 − компрессия; 2 − абсорбция; 3 − охлаждение; 4 − реакторный зал; 5 − десорбция; 6 − перекачка; 7 − ректификация; 8 − блок контроля и энергетики; 9 − теплообменники и емкости; 10 − этажерка абсорбции; 11 − компрессорная; 12 − колонная аппаратура  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -145- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 13 Классификация и функциональные схемы зданий При мелкосерийном и единичном производстве сборка осуществляется, как правило, в комплексных механосборочных корпусах; при серийном, поточном производстве для сборочных работ возможно выделение специализированного объекта − сборочного корпуса. Условная схема сборочного процесса (рис. 38, а) позволяет выделить несколько уровней сборочных операций: сборка подузлов, узлов, агрегатов, готовых изделий. Количество уровней зависит от степени сложности выпускаемой продукции. 1–1 6 7 б 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 4 4 1 3 4 5 а 7 1 в Рис. 38. Механосборочный корпуса автозавода: а − принципиальная технологическая схема организации сборочного процесса; б − схема разреза; в − схема плана; 1 − комплектующие детали и полуфабрикаты; 2 − сборка подузлов; 3 − сборка узлов; 4 − сборка агрегатов (механизмов); 5 − окончательная сборка готовых изделий; 6 − сборочный корпус; 7 − административно-бытовой корпус Сборка может осуществляться стендовым методом, когда к месту сборки доставляются все комплектующие элементы, или конвейерным методом, наиболее часто применяемым в серийном поточном производстве. Планировка цеха должна обеспечивать кратчайший путь деталей с участков механической  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -146- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 13 Классификация и функциональные схемы зданий обработки или с промежуточных складов к местам сборки. На одну линию окончательной сборки, как правило, приходится несколько линий поточной обработки деталей, их предварительной сборки в подузлы, узлы, агрегаты. Поэтому с целью непрерывности сборочного процесса линию окончательной сборки часто размещают перпендикулярно линиям обработки и предварительной сборки. Если сборочный или сборочно-механический корпус имеет крупную, близкую к квадрату сетку колонн, главный сборочный конвейер может быть размещен в торцевой части пролетов. В этом случае удается избежать применения взаимно перпендикулярных пролетов. Возможно решение, когда в торце многопролётного корпуса размещают крупный промежуточный склад деталей, узлов, комплектующих изделий, агрегатов, а сборочный конвейер располагается вдоль одного из крайних пролётов в направлении, обратном линиям обработки и предварительной сборки. Но наиболее часто применяют решение, когда к торцам параллельных пролётов, в которых размещены линии механообработки и предварительной сборки, пристраивают специальный перпендикулярный сборочный пролёт. Это позволяет предельно сократить маршрут движения узла, детали от места их обработки и комплектации до места сборки. При размещении механосборочного производства в двухэтажном здании нижний этаж с меньшей сеткой колонн отводят для складов, заготовительных, подсобно-производственных, ремонтных, энергетических служб, а также частично для отделений механообработки и предварительной сборки. Основные сборочные операции осуществляют на верхнем этаже с крупной сеткой колонн. В целом для предприятий машиностроения и металлообработки характерно строительство крупных сблокированных одно- и двухэтажных зданий сплошной застройки с чёткой прямоугольной конфигурацией плана, без перепадов высот смежных пролётов и без подвалов. Вынос инженерного оборудования и коммуникаций в особые зоны вне основной производственной площади позволяет использовать здание универсально, гибко, с учётом возможного изменения функциональной технологической схемы. В практике учебного проектирования в качестве исходного материала, используемого для разработки объёмно-планировочного решения или для подтверждения и обоснования заданного решения, целесообразно применять укрупненные производственные технологические схемы. Степень детализации схем соответствует составу цехов, отделений, переделов, которые должны войти в экспликацию по данному проекту (рис. 39).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -147- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 13 Классификация и функциональные схемы зданий а д б е в г ж Рис. 39. Одноэтажные механосборочные корпуса: а − укрупнённая технологическая схема, вариант 1; б − схема плана при наличии перпендикулярного пролета; в, г − схемы разрезов; д − укрупненная технологическая схема, вариант 2; е − схема плана при параллельных пролетах; ж − схема разреза; 1 − склад заготовок; 2 − отделение механообработки; 3 − отделение спецобработки, окраски, укрупнительной сборки; 4 − сборочное отделение; 5 − отделение испытания готовой продукции; 6 − инструментальный цех Схемы ориентируют на разработку проекта производственного здания пролётного типа с компактной прямоугольной, близкой к квадрату формой плана таким образом, чтобы разделительные и выгораживающие перегородки были ориентированы по рядам колонн. Контрольные вопросы цеха? 1. Как здания классифицируют по назначению? 2. Какие здания имеют первую степень долговечности? 3. Перечислите основные положения расчета строительных конструкций. 4. Какие требования предъявляются к размещению механосборочного 5. Какими методами может осуществляться сборка комплектующих в цехе, как это должно отражаться на планировке цеха?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -148- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий План лекции 1. Основные правила привязки колонн и стен к координационным осям. 2. Общие сведения об основных конструктивных элементах зданий. 3. Конструктивные схемы зданий. Основные размеры здания в плане измеряются между координационными осями, которые образуют геометрическую основу плана здания. Оси, идущие вдоль пролетов здания и располагаемые параллельно нижней кромке чертежа, называются продольными и обозначаются заглавными буквами русского алфавита (рис. 40). Оси, пересекающие пролеты, называются поперечными и обозначаются цифрами; система пересекающихся осей здания в плане образует сетку координационных осей, которая служит системой координат для плана здания. Применение при строительстве зданий типовых конструкций требует строго определенного их расположения (привязки) по отношению к координационным осям. Под привязкой понимают расстояние от координационной оси (продольной, поперечной) до грани или геометрической оси конструктивного элемента. Все виды оборудования привязываются на плане цеха размерами к этим же координационным осям здания. Основные правила привязки колонн и стен к координационным осям Для унификации и взаимозаменяемости конструкций колонны и стены располагают относительно координационных осей с соблюдением определенных правил привязки. Наружные грани крайних колонн и внутренние поверхности стен совмещают с продольными координационными осями. Такая привязка называется нулевой и осуществляется в зданиях без мостовых кранов (рис. 41, а) и в зданиях, оборудованных мостовыми кранами грузоподъемностью до 30 т, при шаге колонн 6 м и высоте от пола до низа несущих конструкций покрытия менее 16,2 м (рис. 41, б). Наружные грани колонн крайнего ряда, и внутренние поверхности стен смещают относительно продольных координационных осей на 250 мм в зданиях, оборудованных мостовыми кранами грузоподъемностью до 50 т (рис. 41, в).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -149- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий Рис. 40. План одноэтажного промышленного здания с разбивочными осями и их маркировками 750 L а L б 250 L в Рис. 41. Привязка крайних колонн и наружных стен к продольным разбивочным осям в зданиях  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -150- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий Привязку к поперечным координационным осям колонн и торцовых стен осуществляют по следующим правилам: геометрические оси сечения колонн, за исключением колонн в торцах здания и колонн, примыкающих к температурным швам, должны совмещаться с поперечными координационными осями (нулевая привязка), геометрические оси торцовых колонн основного каркаса нужно смещать с поперечных координационных осей внутрь здания на 500 мм, внутренние поверхности торцовых стен должны совпадать с поперечными координационными осями. Общие сведения об основных конструктивных элементах зданий Здания и сооружения состоят из отдельных конструктивных элементов, которые подразделяют на несущие и ограждающие. Несущие элементы (фундаменты, стены, каркасы, перекрытия и покрытия) воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки, возникающие от массы оборудования, людей, снега, собственной массы конструкций, действия ветра и т. д. Ограждающие элементы (наружные и внутренние стены, полы, перегородки, заполнения оконных и дверных проемов) защищают внутренние помещения от атмосферных воздействий. Они позволяют поддерживать внутри зданий требуемые температурно-влажностные и акустические условия. Кроме того, встречаются конструктивные элементы, которые одновременно совмещают несущие и ограждающие функции, например стены и покрытия. К основным конструктивным элементам каркасных зданий различного назначения (рис. 42) относятся: фундаменты, наружные стены и перегородки, колонны, перекрытия, покрытия, лестницы, окна, двери и т. п. Фундаменты − подземные конструкции, воспринимающие нагрузки от здания и передающие их на основание. Основанием служат слои грунта, располагающиеся под зданием и обладающие необходимой несущей способностью. Наружные стены − это вертикальные ограждающие конструкции. Внутренние стены разделяют здание на отдельные помещения. Перегородки − легкие стены, разделяющие помещения на отдельные части − комнаты, коридоры и т. п. Колонны − отдельно стоящие опоры, воспринимающие нагрузки от вышележащих элементов здания. Междуэтажные перекрытия − конструкции, разделяющие здание по высоте на этажи; непосредственно воспринимают полезные (функциональные) нагрузки. Покрытие − верхняя ограждающая конструкция, предохраняющая здание от атмосферных осадков.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -151- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий 5 6 16 13 15 14 4 7 11 10 3 7 2 8 2 1 9 а б 13 3 2 7 12 11 10 9 в Рис. 42. Основные конструктивные элементы зданий: а − гражданского; б − многоэтажного производственного; в − одноэтажного производственного; 1 − ленточные фундаменты; 2 − стены; 3 − перекрытия; 4 − перегородки; 5 − бесчердачная крыша (вариант); 6 − чердачная крыша; 7 − окно; 8 − дверь; 9 − столбчатые фундаменты; 10 − фундаментные балки; 11 − колонны; 12 − ригели; 13 − покрытие; 14 − подкрановые балки; 15 − фермы; 16 − фонарь  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -152- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий Конструктивные схемы зданий Несущие конструкции здания фундаменты, стены, колонны, перекрытия, соединяясь в пространстве друг с другом, образуют несущий остов здания. По особенностям пространственного расположения несущих элементов остова различают следующие конструктивные типы зданий: бескаркасный (с несущими стенами), который представляет собой жесткую и устойчивую коробку из взаимосвязанных стен и перекрытий (рис. 43) и каркасный (рис. 42). Наружные и внутренние стены здания воспринимают нагрузки от междуэтажных перекрытий и покрытия. 4 4 6 5 3 7 2 1 1 а б 4 3 2 1 в Рис. 43. Конструктивные схемы бескаркасных зданий: а − с продольным расположением стен; б − то же, с поперечным; в − совмещенные; 1 − фундаменты; 2 − внутренние несущие стены; 3 − то же, наружные; 4 − панели междуэтажного перекрытия; 5 − внутренняя несущая стена; 6 − наружная самонесущая стена; 7 − торцовая наружная стена Бескаркасный конструктивный тип зданий (рис. 43) широко распространен при возведении жилых домов, школ и других общественных зданий. Каркасный представляет собой пространственную систему (каркас), образованную колоннами, подкрановыми балками, стропильными и подстропильными фермами или же колоннами, ригелями и плитами междуэтажных перекрытий и покрытий, которая воспринимает все нагрузки, действующие на здание (рис. 44).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -153- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий Каждый конструктивный тип здания имеет несколько конструктивных схем, отличающихся расположением и взаимосвязью несущих элементов. Для типов бескаркасных зданий характерны схемы (рис. 43, а, б) с продольным расположением несущих стен, на которые опираются плиты междуэтажных перекрытий; с поперечным расположением несущих стен, где наружные стены, за исключением торцовых, самонесущие, на них не передается нагрузка от перекрытий; совмещенная с опиранием плит перекрытий на продольные и поперечные стены. 6 4 5 3 3 2 5 2 1 1 а 4 5 б 6 5 3 3 2 2 1 1 в г Рис. 44. Конструктивные схемы каркасных зданий: а − с поперечным расположением ригелей; б − то же, с продольным; в − то же, с перекрестным; г − безригельное решение; 1 − столбчатый фундамент; 2 − наружная самонесущая стена; 3 − колонны; 4, 5 − панели перекрытия; 6 − ригели Каркас одноэтажных промышленных зданий. Железобетонные каркасы одноэтажных производственных зданий проектируют как плоскостные стоечно-балочные системы, монтируемые из сборных железобетонных элементов заводского изготовления. Они должны обладать необходимой прочностью и пространственной устойчивостью. В поперечном направлении прочность и устойчивость обеспечиваются системой одно- или многопролетных рам, стойки которых чаще всего жестко  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -154- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий защемлены в фундамент, а вверху имеют шарнирную связь с несущими элементами покрытия − ригелями. Шарнирное крепление вверху обусловливается тем, что обеспечить жесткую связь ригеля с колонной значительно сложнее, чем шарнирную, и, кроме того, возникают большие возможности типизации элементов каркаса. В продольную раму каркаса включаются все колонны поперечных рам температурного блока, находящиеся на одной оси с расположенными по ним подкрановыми балками или распорками и вертикальными связями, установленными между колоннами. На устойчивость каркаса в продольном направлении оказывают влияние высота здания, наличие мостовых кранов, а также высота несущего элемента покрытия (ригеля) на опоре. Для придания покрытию свойств жесткого диска, обеспечивающего равномерное распределение горизонтальных усилий, возникающих при ветре и торможении мостовых кранов, железобетонные настилы, укладываемые по ригелям рам температурного блока, привариваются к их верхнему поясу. Швы между настилами замоноличиваются. Устойчивость железобетонного каркаса должна обеспечиваться в пределах каждого температурного блока или секции, имеющей одинаковую высоту и направление пролетов. Предельная длина температурного блока зависит от температурных условий внутри и вне здания, но должна быть не более 72 м, а ширина в поперечном направлении − не более 144 м. При больших размерах необходима проверка прочностных параметров колонн и в первую очередь сечения арматуры. Каркас − несущая основа здания, состоит из продольных и поперечных элементов. Поперечные элементы − рамы − воспринимают нагрузки от стен, покрытий, перекрытий, а также нагрузки от навесных стен. Основные элементы каркаса − рамы. Они состоят из колонн и несущих конструкций покрытий − балок или ферм, длинномерных настилов и пр. Эти элементы соединяют в узлах шарнирно с помощью металлических закладных деталей, анкерных болтов и сварки. Рамы собирают из типовых элементов заводского изготовления. Другие элементы каркаса − фундаментные, обвязочные и подкрановые балки и подстропильные конструкции. Они обеспечивают устойчивость рам и воспринимают нагрузки от ветра, а также нагрузки от кранов. Каркасы проектируют железобетонными, металлическими и смешанными. Фундаменты. Каркасная конструкция производственного здания обусловливает необходимость устройства самостоятельного фундамента под каждую колонну. Размер его определяется нагрузкой, приходящейся на колонну, предельно допустимым давлением на грунт под подошвой фундамента и глубиной промерзания грунта. В одноэтажных производственных зданиях сетка колонн обычно не бывает меньше 6×6 м. Поэтому фундамен-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -155- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий ты под колонны получаются в виде столбчатых опор. Сравнительно редко, при больших нагрузках и слабых грунтах, подушка столбчатых фундаментов вырастает до таких размеров, что их становится целесообразным слить в одну сплошную ленту. Сплошная лента может возникнуть в случае неоднородных грунтов по оси колонн для выравнивания неравномерных осадков основания или тогда, когда фундаменты колонн служат одновременно стеной примыкающего подвала. Если ленточные фундаменты не обеспечивают необходимой прочности и устойчивости, то устраивают сплошную плиту под всем сооружением. В большинстве случаев (около 75 %) фундаменты производственных зданий устраивают на естественном основании. Если грунты слабые и не в состоянии воспринять передающееся на них давление, то устраивают искусственное основание (чаще всего свайное), существенно увеличивающее стоимость фундамента. Наибольшее распространение в промышленном строительстве получили монолитные и сборные железобетонные фундаменты стаканного типа. Монолитные фундаменты обычно оказываются ниже по стоимости. Однако они более трудоемки (до 65% рабочего времени тратится на ручные работы), что приводит к увеличению сроков их возведения. Несомненным преимуществом монолитных фундаментов является возможность придания им нужной формы и размеров, диктуемых местными условиями, что особенно важно при реконструкции зданий. Непременным условием индустриализации монолитных фундаментов является унификация опалубочных размеров. Это обусловливается необходимостью строгого ограничения размеров опалубочных щитов, имеющих многократную оборачиваемость, и четкую градацию арматурных изделий (длина и ширина сеток и каркасов). На практике наибольшее распространение получил модуль 300 мм, хорошо согласующийся с наземными конструкциями. Это приводит в некоторых случаях к увеличению объемов фундаментов, но в то же время, к удешевлению строительства за счет сокращения числа типоразмеров опалубочных форм. Кроме того, снижение затрат ручного труда должно достигаться за счет замены стержневой арматуры готовыми сетками, сваренными в заводских условиях. Конструктивное решение столбчатого фундамента в первую очередь определяется способом обеспечения жесткого соединения колонны с фундаментом, способного передать на него изгибающий момент. Такое решение достигается заделкой нижнего конца колонны в специальный стакан фундамента (рис. 45). Форма и размер фундамента и глубина стакана определяются расчетом, а также глубиной заложения подошвы фундамента.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -156- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий Рис. 45. Железобетонный фундамент стаканного типа: 1 − стакан; 2 − обрез фундамента; 3 − подколонник стаканного типа; 4 − плитная часть одно-, двух- или трехступенчатая Фундамент состоит из подколонника стаканного типа, под который для распределения давления на большую площадь укладывают один или несколько рядов плит-блоков. Для сокращения общей номенклатуры унифицированы не только размеры фундаментов под колонны, но и отметка их заложения (верх стакана на отметке −0,15 м). Если вблизи фундаментов под колонны должны располагаться подвалы, технологические приямки или возникают другие причины, требующие установки подколонника на большую глубину, то в стакан устанавливают короткий отрезок колонны − пенёк и на него сверху устанавливают колонну. Стыковое соединение пенька с колонной в этом случае должно быть жестким, чтобы воспринимать возможное возникновение изгибающего момента. Стаканы поверху на 150 мм, а внизу на 100 мм больше размеров колонны. Это обеспечивает удобство монтажа и лучшую центровку колонны. Глубину стакана принимают на 50 мм больше заводимой в стакан части колонны. При установке колонны на дно стакана на 50 мм подсыпают песок, а после установки и раскрепления колонны оставшееся свободное место в стакане заполняют цементно-песчаным раствором. Наиболее широко в практике строительства используют сборные железобетонные фундаменты, отличающиеся меньшей трудоемкостью, большей индустриальностью. В целях снижения затрат на их возведение верхний элемент фундамента − подколонник, имеющий стакан для заделки колонн, опи Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -157- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий рают на один, два или три ряда фундаментных блоков. Нижний ряд блоков укладывают на песчаную подготовку, располагая их на расстоянии 600 мм один от другого. При этом расчетное давление принимают как для сплошной подошвы по ее внешним габаритам. Такое допущение обусловливается распределяющей способностью грунтов основания и арочным эффектом между боками прерывистого фундамента. После установки подколонника в пазы фундаментных плит боковые вертикальные швы между подколонником и плитами зачеканиваются, так как они являются расчетными. Рис. 46. Сборный (слева) и сборно-монолитный (справа) фундамент под железобетонные колонны: 1 − плита фундамента; 2 − центрифугированная труба; 3 − заполнение трубы; 4 − подушка из бетона; 5 − цементный раствор; 6 − колонна Высота подколонника в зависимости от глубины заложения фундамента может меняться. При значительной ее величине рассматривается вариант устройства фундамента в сборно-монолитном исполнении. В этом случае он состоит из монолитной подошвенной части и сборного подколонника, выполненного из центрифугированной трубы, внутреннее пространство которой заполняется песком и тощим бетоном для образования стакана (рис. 46). Заводимый в него конец колонны (прямоугольный, тавровый или круглый) заливается цементным раствором. Жесткое соединение колонн с фундаментом в необходимых случаях может достигаться заанкериванием арматуры колонны в гнездо, оставляемое в подколоннике, или заанкериванием стальной плиты, приваренной к арматуре колонны (рис. 47).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -158- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий 400; 520 450 1 2 200 5050; 4450 200; 260; 300 2 300; 400 300; 450 100 5050; 4450 3–3 2–2 400; 600 1–1 1 160 200 240 250 3 10700; 10200 3 Рис. 47. Типы фундаментных балок по размерам и форме сечения Фундаменты под колонны проектируют из бетона классов В10, В 12,5, В15. Армирование их осуществляют в соответствии с расчетом. В качестве рабочей арматуры применяют чаще всего горячекатаную сталь класса А-ІІ, а также низколегированную конструкционную. В состав легированных сталей специально вводят один или несколько компонентов, улучшающих их физико-механические свойства. Снижение расхода бетона на подколонник может достигаться устройством в нем полостей. Это, однако, усложняет изготовление подколонника, а наличие в нем полостей нежелательно при водонасыщенных грунтах. Свайные основания применяют в случаях, когда с поверхности залегают насыпные или слабые грунты естественного сложения. В практике строительства хорошо себя зарекомендовали буронабивные сваи, представляющие собой заполненные железобетоном скважины, высверленные в грунте специальной буровой установкой. Сваи могут иметь разные диаметры, уширение ствола или пяты и поэтому пригодны для разных условий грунта и нагрузок. Существенным их преимуществом является возможность замены одной набивной сваей диаметром около 1 000 мм 4−6 забивных свай. Поэтому ростверки на буронабивных сваях меньше по габаритам, чем на забивных, что очень важно для производственных зданий из-за насыщенности подземного хозяйства цехов инженерными коммуникациями и фундаментами под оборудование. Это одновременно дает возможность закладывать ростверки на небольшой глубине, определяемой только условиями заделки колонн каркаса. Для опирания стен по подколонникам укладывают железобетонные фундаментные балки, имеющие номинальную длину 6 и 12 м, соответствующую шагу колонн. В зависимости от размера подколонника и способа опирания, длина балок может меняться. Сечение и армирование балок определяются величиной пролета и передающейся от стен нагрузки. При расположении над фундаментной балкой ворот необходима проверка балки на на Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -159- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий грузки, возникающие при проезде транспортных средств, или балка заменяется монолитной подбетонкой с соответствующим армированием. Для опирания фундаментных балок у подколонника к стенкам стакана устраивают бетонные приливы или на выступы нижележащей плиты устанавливают специальные столбики. Балки устанавливают так, чтобы верхняя их плоскость оказалась на отметке −0,030. Это дает возможность после укладки по ней гидроизоляции толщиной 30 мм выйти на отметку чистого пола. Опирание фундаментных балок непосредственно на верхнюю грань подколонника освободит от необходимости устройства специально для них опор в виде столбиков или приливов, но потребует заглубления подколонника до отметки −0,350 м и более. Фундаменты для железобетонных колонн устраивают ступенчатой формы стаканного типа, фундаменты под стальные колонны − ступенчатые. Сопряжение колонн с фундаментом выполняют замоноличиванием ее в стакане; сваркой выпусков арматуры из колонны фундамента; заделкой выпусков арматуры колонны в тело фундамента с помощью анкерных болтов и металлических закладных частей. Глубину заделки колонн принимают: для фундамента одиночных колонн − не менее большего размера поперечного сечения; для фундаментов двухветвевых колонн − не менее 1,5Нв и не менее 1/3 Нн, где Нв − больший размер поперечного сечения ветви и Нн − больший размер сечения всей колонны. Металлические колонны устанавливают на сборные железобетонные банкеты. Размеры фундаментов в плане принимают модульными, кратными 100 мм для монолитных и кратными 600 мм для сборных; глубину заложения подошв принимают кратной 600 и 300 мм. Под колонны каркаса зданий устраивают фундаменты из железобетона в сборном или монолитном исполнении. Проектируют их, как правило, ступенчатой формы. Колонны. Номенклатура колонн достаточно многообразна (рис. 48). Она определяется местом колонны в составе здания, ее высотой, нагрузкой от перекрытия и стен, от опирающегося на каркас кранового оборудования и других технологических обустройств. Под влиянием этих факторов сформировались и находят преимущественное применение унифицированные типы колонн прямоугольного сечения, двухветвевые и круглые. Высота колонн соответствует высоте производственного помещения, измеряемой от отметки чистого пола до низа несущей конструкции покрытия, кратной модулю 600 мм. Высота колонн среднего ряда в тех случаях, когда на них опираются подстропильные конструкции, принимается на 600 мм меньшей. Нижние части колонн, заводимые в стаканы, в ее общую номинальную высоту не включаются. Для опирания железобетонных конструкций покрытия колонны сверху имеют закладные детали в виде металлических листов, к которым эти конст-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -160- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий рукции крепятся монтажной сваркой. При установке стальных несущих конструкций покрытия колонны имеют дополнительные анкерные болты. Закладные металлические детали устанавливают также для приварки столиков, на которые опираются навесные панели наружных стен, для крепления элементов самих стен, подкрановых балок, вертикальных связей, а также приколонных стоек фахверка торцевых стен. Характер закладных деталей в пределах серии определяется маркой изделия. Для зданий без мостовых кранов все колонны по высоте имеют прямоугольное сечение. При высоте сечения 400 мм средние колонны вверху имеют двусторонние консоли, увеличивающие верхнюю плоскость их до 600 мм, что необходимо для опирания несущих элементов двух смежных пролетов. Для зданий с мостовыми кранами колонны имеют прямоугольное и двухветвевое сечение. Надкрановая часть колонн, не требующих прохода для обслуживающего персонала, прямоугольная. Размер прямоугольного сечения надкрановой части крайних колонн по высоте (в направлении расчетного пролета рамы) унифицирован и составляет 380 и 600 мм. Поскольку ось подкранового пути также имеет унифицированную привязку к крайним продольным координационным осям 750 мм, нулевая привязка самих колонн возможна только при высоте сечения 380 мм. При высоте сечения 600 мм приходится принимать привязку «250». При устройстве в надкрановой части прохода (его ширина 400 мм) ось подкранового пути имеет привязку 1 000 мм, а привязку самой колонны приходится увеличивать до «500». У двухветвевых колонн ветви подкрановой части колонн связаны распорками через 1,5−3 м. Нижняя распорка, заводимая в стакан колонны, имеет отверстия для удобства бетонирования стакана. В новых разработках распорку опускают на дно стакана, что обеспечит лучшую заделку колонны и большее удобство бетонирования. Количество типоразмеров колонн в каждой серии значительно и размер зависит от действующих на здание нагрузок, наличия подвесных кранов, количества пролетов и т. д., что определяет марку колонны. Нужная для каждого конкретного случая марка колонны подбирается по действующему каталогу. Колонны, предназначенные для крепления к ним вертикальных связей, обеспечивающих устойчивость каркаса, в продольном направлении должны иметь с боковых сторон металлические закладные части. В цехах с мостовыми кранами грузоподъемностью до 20 т и высотой 8,4 и 9,6 м металлические колонны имеют постоянное сечение, при более значительных нагрузках − ступенчатое сечение.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -161- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий Рис. 48. Вид колонн Для каркасов зданий, оборудованных мостовыми кранами, применяют колонны прямоугольного и двухветвевого сечений. Они состоят из двух частей: надкрановой и подкрановой. Надкрановая часть − надколонник − служит для опирания несущей конструкции покрытия. Подкрановая часть передает нагрузку на фундамент от надколонника, а также от подкрановых балок, которые опираются на выступы консоли колонн. Крайние колонны крановых пролетов имеют односторонний выступ − консоль, средние − двусторонние консоли. Колонны изготавливают из бетона классов В20, В30, В40, армируют их сборными каркасами из горячекатаной стали периодического профиля класса А-3. Для крепления связей в колоннах предусматривают закладные металлические детали. Несущие конструкции покрытия. Основные несущие конструкции покрытий в зависимости от величины перекрываемых пролетов состоят из железобетонных односкатных и двухскатных балок, ферм, арок, пространственных конструкций и плит. По виду армирования несущие конструкции делят на обычно армированные и на предварительно напряженные. Их выполняют цельными − на всю длину пролета, а также из отдельных блоков, собираемых в элементы путем укрупнительной сборки перед монтажом. Для небольших пролетов (6 000, 9 000, 12 000 и 18 000 мм) в качестве несущих конструкций можно использовать железобетонные стропильные балки. Их изготовляют односкатными, двухскатными и с параллельными поясами.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -162- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий Односкатные балки применяют в покрытиях одноэтажных промышленных зданий пролетом 6 000−12 000 мм, с шагом колонн 6 м и наружным водостоком. Двускатные балки используют в покрытиях одноэтажных промышленных зданий при пролетах 6 000−18 000 мм, шаге колонны 60 000 и 12 000 мм с наружным и внутренним водостоком. Балки с параллельными поясами применяют в покрытиях промышленных зданий с плоской кровлей при пролетах 12 000 и 18 000 мм и шаге колонн 6000 и 12 000 м. Стропильные балки имеют тавровое или двутавровое сечение. Для уменьшения массы балок и пропуска коммуникаций в их стенках устраивают отверстия различного очертания. Одно- и двускатные балки можно собирать из отдельных блоков с последующим натяжением пропущенной через них арматуры. Балки устанавливают на железобетонные колонны или на несущие стены с устройством железобетонных подушек, а балки пролетом 18 000 мм также и на подстропильные балки. К колоннам балки покрытия прикрепляют анкерными болтами, выпущенными из колонн и проходящими через опорный лист, приваренный к закладной детали балки. Опорный лист балки прикрепляют к листу, заложенному в колонну. Балки изготовляют из бетона классов ВЗО, В40, В50, армируют высокопрочной проволокой класса Вр-ΙΙ или стержневой арматурой из стали марки A-IV и А-ΙΙΙ в. Стропильные фермы (рис. 49, рис. 50). Такие конструкции состоят из отдельных соединенных между собой стержней, образующих каркас. Стержни фермы, расположенные по ее верхнему контуру, составляют верхний пояс, а по нижнему контуру − нижний пояс. Вертикальные стержни фермы называют стойками, наклонные − раскосами. Стойки и раскосы, расположенные между верхними и нижними поясами, образуют решётку фермы, а точки (места), в которых сходятся концы стоек и раскосов, − узлы фермы. Участок между двумя соседними узлами называется панелью. В зависимости от очертания верхнего пояса фермы делят на сегментные, безраскосные и с параллельными поясам. Их применяют в скатных и плоских покрытиях одноэтажных промышленных зданий пролетом 18 000 и более. Устанавливают стропильные фермы на железобетонные колонны или подстропильные фермы. Для крепления ферм к колоннам (подстропильным фермам), а также к фермам плит покрытия, рам фонаря, связей в них предусмотрены соответствующие стальные закладные детали. Фермы выполняют с предварительным напряжением нижнего пояса. Изготовляют их из бетона классов В30−В50, рабочую арматуру − из высокопрочной проволоки Вр-ΙΙ и стержней из стали марки A-IV и др.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -163- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий а б в г д Рис. 49. Стропильные фермы: а, б − сегментные; в, г − безраскосные; д − с параллельными поясами Подстропильные фермы (балки) применяют в покрытиях одноэтажных многопролетных промышленных зданий. Их используют в средних рядах зданий для опирания ферм или балок покрытия в тех случаях, когда шаг крайних колонн составляет 6 000 мм, а шаг колонн средних рядов −12 000 мм. Их устанавливают и закрепляют путем сварки закладных деталей. Все фермы (балки) имеют одинаковый пролёт − 12 000 мм, кроме ферм, устанавливаемых в торцах здания и у поперечных температурных швов, пролет которых составляет 11 500 мм (в соответствие с расположением колонн). По концам и посредине (в нижнем узле) подстропильных ферм (балок) предусмотрены площадки для опирания стропильных ферм (балок). В площадках имеются закладные листы с приваренными к ним анкерными болтами.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -164- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 14 Конструктивные элементы зданий Рис. 50. Фрагмент покрытия с различными стропильными фермами: 1 − плиты покрытия; 2 − стропильные фермы; 3 − подстропильные фермы Фермы (балки) изготовляют с предварительным напряжением нижнего пояса из бетона классов В40...В50. Основная напрягаемая арматура − из высокопрочной стальной проволоки марки Вр-ΙΙ и стали марки A-IV и др. Контрольные вопросы и задания 1. Охарактеризуйте правила привязки колонн. 2. Из каких конструктивных элементов состоят производственные здания? 3. Как устроено бескаркасное здание? 4. Из каких элементов состоит каркас одноэтажного здания? 5. Какие типы фундаментов применяются для строительства промышленных зданий? 6. Какие типы несущих покрытий применяются для строительства промышленных зданий?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -165- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий План лекции 1. Стены. Факторы, определяющие выбор конструкции стен. 2. Перегородки. 3. Покрытия и факторы, определяющие их выбор. 4. Покрытия по железобетонному настилу. 5. Лёгкие покрытия. 6. Фонари. 7. Лестницы. 8. Полы. 9. Административно-бытовые помещения. Многоэтажные промышленные здания, как правило, сооружают каркасными из сборного железобетона. По конструкции многоэтажные промышленные здания могут быть с полным сборным железобетонным каркасом, самонесущими или навесными стенами. Сборные конструкции перекрытий применяют двух типов − балочные и безбалочные. Основными элементами каркаса многоэтажного промышленного здания являются колонны и ригели перекрытий, образующие железобетонные рамы, ригели прямоугольного и таврового сечения. Конструкции балочных перекрытий (междуэтажных) могут быть двух типов: с опиранием плит на полки ригеля; с опиранием плит сверху на прямоугольные ригели. В зданиях небольшой этажности часто применяют схему неполного каркаса, например, кирпичные наружные стены (несущие) и внутренние кирпичные столбы. При больших нагрузках целесообразно применение железобетонных колонн. Вместе с железобетонными ригелями они образуют каркас здания. Наряду с железобетонными каркасами в строительстве применяют стальные каркасы. Стальной каркас − основная несущая конструкция здания, поддерживающая покрытие, стены, подкрановые балки. Преимущества стального каркаса − быстрый монтаж, однако он дороже железобетонного каркаса. Стены. Факторы, определяющие выбор конструкции стен Конструктивное решение наружных стен определяется характером возложенных на них функций несущего элемента здания, ограждающего элемента и архитектурно-художественного элемента, формирующего внешний облик здания. По характеру выполнения несущих функций наружные стены разделяются на несущие, самонесущие и ненесущие (навесные). Несущие стены  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -166- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий производственных зданий благодаря наличию в них, как правило, полного каркаса применяют крайне редко. При самонесущих стенах собственная их масса по всей высоте передается непосредственно на фундамент. На фасаде здания в этом случае могут возникать только отдельные проемы, перемычки которых опираются на межоконные простенки. При ненесущих стенах собственная их масса поярусно передается на элементы каркаса. Поэтому светопрозрачные ограждения в необходимых случаях могут иметь вид лент, не имеющих несущих простенков. Во всех случаях площадь окон должна быть минимально необходимой по условиям освещенности. Элементы ненесущих стен, опирающиеся непосредственно на каркас, надежно с ним связаны и обладают поэтому повышенной устойчивостью. Такие стены находят более широкое применение в зданиях со значительными динамическими нагрузками, большими перепадами температур и в других случаях, когда имеется вероятность возникновения повышенных или знакопеременных деформаций. Для стен из мелкоразмерных элементов (кирпич, легкобетонные камни) типична самонесущая система. Стены с использованием крупных панелей из легких или ячеистых бетонов, многослойных панелей могут быть как самонесущими, так и ненесущими. Стены облегченных зданий, устраиваемые из облегченных материалов (стальные, алюминиевые, асбестоцементные листы), выполняют ненесущими. Важнейшим качеством наружных стен является их теплозащитная способность. Она оценивается в первую очередь нормируемым температурным перепадом между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности наружной стены для холодного времени года и допустимой величиной амплитуды колебания температуры внутренней поверхности стены для жаркого периода времени. Оценивается также воздухопроницаемость наружных стен, способная повлиять на эффективность теплозащиты. Заданные качества достигаются подбором материала, обладающего необходимыми теплозащитными качествами, теплотехническим расчетом параметров одно- или многослойных преград и герметизацией стыковых соединений. В зависимости от установленной для здания степени огнестойкости минимальный предел огнестойкости стены должен составлять для самонесущих стен 1−1,25 ч, а для ненесущих − 0,25−0,5 ч. Развитие индустриального строительства с применением изделий высокой заводской готовности обусловливает необходимость членения стены разрезкой ее на удобные для заводского изготовления, транспортировки и монтажа крупные панели, навешиваемые или прикрепляемые к каркасу здания. Панели доставляют на площадку строительства в готовом виде.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -167- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий Перегородки Перегородки в производственных зданиях устраивают разделительные и выгораживающие. Разделительные предназначены для полного разделения помещений, существенно отличающихся по своему функциональному назначению. Выгораживающие перегородки имеют небольшую высоту и предназначены для выделения участков производства, на которые доступ людей должен быть ограничен. В одноэтажных производственных зданиях разделительные перегородки доходят до нижней плоскости покрытия. Поэтому они имеют большую высоту, что вызывает необходимость крепления их вверху к элементам каркаса. Это определяет целесообразность расположения продольных перегородок непосредственно у продольного ряда колонн, а поперечных − по оси ригелей рам. Такое расположение позволяет избежать пересечений ригелей перегородками и крепить последние непосредственно к несущим элементам здания. Выгораживающие перегородки, имеющие высоту обычно не более 2,4 м, делают консольными по возможности сборно-разборной конструкции, допускающей их перемещение. В настоящее время на практике в большепролетных зданиях широкое применение находят крупнопанельные разделительные перегородки, монтируемые по железобетонным или стальным фахверковым колоннам. Панели из тяжелого, легкого или ячеистого бетона имеют толщину 70 мм, длину 6 м, высоту 1,2 и 1,8 м. Аналогичные панели устраивают из гипсобетона или фибролита. В пределах высоты фермы, где использование подъемных кранов для монтажа панелей затруднено, помещения разделяют асбестоцементными или металлическими листами, прикрепляемыми к стальным надколонникам (рис. 51). Перспективно применение легких каркасно-обшивных перегородок, которые можно монтировать и демонтировать в эксплуатируемых зданиях с помощью средств малой механизации. Перегородки часто выполняют из профилированного оцинкованного стального листа, прикрепленного к каркасу. Их применяют в зданиях высотой до 10,8 м при неагрессивной среде и влажности воздуха внутри помещения не более 65 %. Такие перегородки делают как разделительными, так и выгораживающими. Конструкция перегородок состоит из стоек, ригелей и обшивки из стального листа с высотой гофра 40 мм. Внизу стойки крепят к подстилающему слою пола самозаанкеривающимися болтами. Вверху перегородки крепятся к конструкции покрытия. Находят также применение перегородки из асбестоцементных листов в стальном каркасе. Они состоят из панелей размером 6×2,4 м и 6×1,2 м, стоек и ригелей. Рама панелей состоит из тонкостенных труб, к которым с помощью штапиков из стальных гнутых уголков крепят асбестоцементные плоские листы. При необходимости изоляции от шума, проникающего из соседних помещений, разделительные перегородки устраивают с повышенными звуко Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -168- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий изолирующими качествами. Такие перегородки состоят из металлического или деревянного каркаса, обшитого с двух сторон листами асбестоцемента или гипсовой сухой штукатурки, между которыми устанавливают полужесткие минераловатные плиты толщиной 50 мм на синтетическом связующем. Рис. 51. Разделительная перегородка из железобетонных панелей: 1 − асбестоцементные листы; 2 − железобетонные панели; 3 − ригель рамы; 4 − кирпичная стенка; 5 − оцинкованная сталь; 6 − крепежный крюк; 7 − вспомогательная стойка, прикрепленная к ферме Помещения, нуждающиеся в освещении вторым светом, а также помещения, в которых должен соблюдаться повышенный режим чистоты, отделяются перегородками из профильного стекла коробчатого сечения в обвязке из гнутого швеллера или двух гнутых уголков. Кирпичные перегородки из-за большой их трудоёмкости применяют редко. Покрытия и факторы, определяющие их выбор Конструкция покрытия определяется его профилем, заданным теплозащитными качествами, материалами, используемыми в качестве несущего его основания и кровли, а также способом отвода атмосферных вод. На практике находят применение плоские кровли (уклон до 2,5 %), малоуклонные (уклон 2,5−10 %), с переменным уклоном и крутоуклонные. Для устройства наиболее распространённых малоуклонных кровель используют различные виды рулонных и мастичных материалов, укладываемых в 2−4 слоя в зависимости от уклона. Работа по устройству кровли из этих материалов лучше всего поддается механизации, кровля из них долговечна, легко поддается ремонту. Переменный уклон кровли возникает в случаях, когда несущие элементы покрытия имеют криволинейное очертание. К ним относятся сегментные фер-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -169- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий мы (без выравнивающих столбиков), арки, оболочки и др. В этих случаях при устройстве кровли применяют эластичные материалы, способные следовать кривизне покрытия. Однако при переменном уклоне труднее механизировать работы и возникает необходимость изменять марку мастик, применяя менее теплоустойчивые на участках малого уклона, что способствует самозалечиванию кровли в летний период, и более теплоустойчивые на участках с крутым уклоном, исключающим опасность сползания кровли в жаркий период года. Крутоуклонные кровли применяют обычно в зданиях, имеющих двускатное покрытие с неорганизованным стоком дождевых вод и свободным сползанием снега. По условиям теплозащиты покрытия разделяют на теплые и холодные. При теплых покрытиях перепад между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности покрытия должен быть не ниже установленного по санитарным требованиям (7−8 °С). Холодные покрытия теплозащитными качествами не обладают. Такие покрытия типичны для неотапливаемых зданий, а также для цехов, покрытия которых нагреваются до высоких температур, вызывающих таяние попадающего на них снега. Материалом для таких покрытий может быть асбестоцемент, стальной лист. В зависимости от конструкции основания покрытия разделяют на так называемые традиционные и лёгкие. В первом случае их основанием служат железобетонные настилы, укладываемые непосредственно по ригелям рам, во втором − профилированный настил, укладываемый по прогонам, уложенным на ригели рам. Выбор материала утеплителя обычно связан с материалом несущего слоя покрытия. При железобетонных настилах находят применение легкие и ячеистые бетоны, минераловатные и стекловолокнистые материалы, фибролит. При легких покрытиях целесообразнее применение более эффективного утеплителя − пенополистирола, пенополиуретана и других полимерных материалов, имеющих малую плотность. Покрытия по железобетонному настилу Покрытия, основанием которых служат железобетонные панели, включают пароизоляционный слой, укладываемый по выровненному железобетонному основанию, теплоизоляционный слой, выравнивающую стяжку и гидроизоляционный ковер с защитным слоем. Такие покрытия достаточно надежны, долговечны, но обладают значительной массой (до 350−400 кг/м3 и больше), а их многослойность при строительстве требует многократного подхода к одному и тому же месту. Снижение построечной трудоемкости успешно достигается применением комплексных плит заводского изготовления. В этом случае на заводе по железобетонному основанию наклеивают пароизоляционный слой. На него укладывают эффективный утеплитель из пенопласта или плиты из минеральной ваты, не требующие устройства стяжки. Непосредственно по утеплителю наносят один слой гидроизоляционного ковра, защищающий утеплитель от попадания на него атмосферных осадков в период строительно-монтажных  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -170- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий работ. Остальные слои устраивают уже на месте. Такие комплексные плиты в два раза менее трудоемки и на 15 % дешевле. Стремление сократить число слоев в покрытии за счет совмещения в одном слое разнородных функций привело к созданию плит, включающих несущую основу из легкого бетона, выполняющего одновременно и теплоизоляционные функции, и наклеенного на него одного слоя рубероида для защиты от попадания атмосферных осадков. Последующие слои кровельного покрытия укладывают уже на месте. Использование таких плит позволяет заметно снизить массу покрытия. Однако при этом возникают трудности, связанные с устройством пароизоляции. Ее можно делать только приклеиванием пароизоляционной пленки к нижней поверхности плиты или окрашиванием ее влагоустойчивой краской. Особое место в индустриальном строительстве занимают кровли с применением наплавляемых рубероидов. Применение его снижает трудоемкость работ при устройстве кровель на 10−12 % по сравнению с устройством кровель из традиционных материалов. Однако производство такого рубероида еще не получило должного развития. Над взрывоопасными участками производства устраивают легкосбрасываемые кровли из асбестоцементных листов с утеплителем из трудносгораемых материалов. Эти листы укладывают над отверстиями, оставляемыми в железобетонных ребристых настилах (рис. 52), или поверх интервалов между плитами шириной 1,5 м. Для безопасности работ оставляемые проемы накрывают рулонной арматурной сеткой. Рис. 52. Легкосбрасываемая кровля: 1 − дополнительный сбой рубероида; 2 − основной кровельный ковер; 3 − плитный полистирол с защитным слоем рубероида; 4 − пароизоляция; 5 − волнистый асбестоцементный лист; 6 − арматурная сетка 200×200 из стержней 0 5; 7 − железобетонный настил с отверстиями; 8 − цементный раствор М 50 Над взрывоопасными участками производства устраивают легкосбрасываемые кровли из асбестоцементных листов с утеплителем из трудносгораемых материалов.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -171- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий Лёгкие покрытия Наиболее распространенным видом легких покрытий для отапливаемых зданий являются покрытия с основанием из профилированного стального оцинкованного листа. Алюминиевые профилированные листы из-за ограниченной их поставки используют значительно реже. Оцинкованные стальные листы выпускают с одно- или двусторонним антикоррозийным покрытием. Покрытия устраивают чаще всего полистовым набором. Несущим элементом покрытия является профилированный лист с высотой волны в зависимости от расчетной нагрузки 60 или 80 мм, выпускаемый длиной 3−12 м, толщиной 0,8−1 мм. Настил укладывают по прогонам, которые располагают с шагом 3 м, и закрепляют к узлам ферм. Прогоны при шаге ферм 6 м устраивают из швеллеров, а при шаге 12 м − сквозными. В ендовах, где ожидается повышенная снеговая нагрузка, прогоны ставят усиленными. По настилу укладывают пароизоляцию, теплоизоляцию, при необходимости стяжку, гидроизоляционный ковер и защитный слой. Фонари Фонари, устраиваемые на покрытиях производственных зданий, по своему назначению бывают световые, светоаэрационные и аэрационные. Световые фонари предназначают для освещения помещений естественным светом в соответствии с заданным коэффициентом естественной освещенности (к.е.о). Светоаэрационные − для освещения и организации нужного воздухообмена − аэрации помещений. Аэрационные − только для организации воздухообмена. Световая активность фонарей достигается надлежащим их расположением, формой, размером, прозрачностью светопропускающего материала, конструктивным решением. Фонари должны обеспечивать необходимую освещенность помещения (в зависимости от разряда работы), требуемые теплотехнические качества, защиту помещений от вредного воздействия солнечной радиации, художественную выразительность, удобство обслуживания, экономическую эффективность. Световые и светоаэрационные фонари по своей конструкции могут быть в виде фонарей-надстроек над покрытием, чаще всего прямоугольных, и в виде зенитных фонарей различного профиля. Прямоугольные фонари при пролетах 18 м устраивают шириной 6 м, обычно с одним ярусом остекленных переплетов высотой 1,8 м; при больших пролетах фонари могут иметь ширину 12 м и иметь один ярус остекленных переплётов высотой 1,8 м или два яруса − высотой по 1,2 м каждый. Аэрация помещений достигается устройством у таких фонарей открывающихся оконных переплетов. При необходимости обеспечения незадуваемости перед открывающимися фрамугами устанавливают щиты.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -172- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий Длину прямоугольных фонарей рекомендуется принимать не более 84 м, по условиям удобства передвижения по крыше здания, а расстояние от торца фонаря до наружной стены или между торцами фонарей − равное шагу стропильных конструкций. Для остекления переплетов фонарей используют оконное стекло, толщину которого принимают по расчету, но не менее 4 мм. Крепление стекла к переплету осуществляют на упругих прокладках. Для предохранения от несчастных случаев в плоскости несущих элементов покрытия при использовании неармированного стекла устанавливают защитную сетку. Доступ на крышу фонаря достигается установкой по торцам фонаря стальных стремянок. Несущим остовом фонаря является стальной каркас, включающий в себя продольные фонарные и торцевые панели, фермы. Фонарные панели, образующие световой фронт фонаря, состоят из несущего борта в виде специального гнутого профиля, стоек, верхнего и среднего обвязочных швеллеров, к которым подвешиваются переплеты. Фонарные фермы, устанавливающиеся на верхний пояс стропильной конструкции, включает в себя верхний пояс, стойки и раскосы. Торцевые панели совмещают в себе функции фонарных ферм и панелей, которые закрываются остекленными переплетами или обшиваются листовыми материалами (рис. 53). Оконные переплёты фонарей изготовляют из спаренных тонкостенных труб или холодногнутых профилей. Наибольшее распространение получили переплеты из спаренных труб, отличающиеся большой индустриальностью и меньшей металлоёмкостью. Они имеют размеры 1,2×6 и 1,8×6 с шагом горбылей 1,2 м. Верхнеподвесные переплеты с шарнирами располагают внутри фонаря. Болтовые соединения, имеющие овальные отверстия, позволяют регулировать подвеску переплетов. Глухие и открывающиеся переплеты стыкуют с помощью специальных профилей, запрессованных в сопрягаемые элементы. Стекла крепят с помощью морозо-, озоно- и светостойких резиновых профилей. Безопасность мойщиков стекла обеспечивается тремя ограждающими стержнями, продетыми сквозь отверстия в стойках фонарной панели. Зенитные фонари устраивают точечными и панельными. Точечные фонари имеют площадь, не превышающую 3 м2, панельные могут достигать значительно больших размеров. В зданиях высотой до 6 м рекомендуется применять точечные зенитные фонари, что позволяет обеспечить большую равномерность освещения. В качестве светопропускающего элемента в зенитных фонарях используют все виды стекла и изделий из него. Наибольшее распространение получили зенитные фонари с использованием стеклопакетов, профильного стекла и полимерных материалов (органического стекла, полиэфирных стеклопластиков и др.). При использовании стеклопакетов и профильного стекла под фонарем устанавливают металлические сетки безопасности. Зенитные фонари в необходимых случаях устраивают открывающимися и оборудуются солнцезащитными устройствами. Во всех случаях  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -173- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий часть зенитных фонарей общей площадью 0,2 % площади пола должна оборудоваться устройствами их открывания с уровня пола для выпуска дыма в случае пожара. а б Рис. 53. Прямоугольный фонарь при железобетонном настиле: а − продольная сторона; б − торцевая сторона; 1 − верхний пояс фермы; 2 − железобетонный настил; 3 − зона усиленного ковра; 4 − волнистый асбестоцементный лист; 5 − открывающийся переплёт; 6 − шарнир для поворота переплёта; 7 − поперечная рама фонаря; 8 − гнутый стальной профиль Стенки опорных контуров зенитных фонарей − стаканы − должны возвышаться над кровлей не менее чем на 0,3 м. При наличии подвесного потолка под зенитным фонарем устраивают световую шахту. Угол наклона стенки шахты к вертикали не должен превышать 30°. Внутренние поверхности опорного контура зенитного фонаря и шахты должны быть покрашены светлой краской (коэффициент отражения не менее 0,7).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -174- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий Наибольшее распространение в практике промышленного строительства нашли применение зенитные фонари с использованием стеклопакетов (рис. 54) и с использованием полимерных материалов. 4 1 6 1 1 6 8 12 7 2 9 11 2 6 12 15 12 13 14 3 1 4 2 1 4 4 5 3 10 5 3 10 1 6 11 12 13 14 2 2 6 15 Рис. 54. Зенитный фонарь с использованием стеклопакетов 1 − стеклопакет; 2 − опорный контур; 3 − нащельник; 4 − уплотнительная резиновая прокладка; 5 − болт; 6 − защитная металлическая сетка; 7 − уплотнитель; 8 − прижимной элемент; 9 − упорный элемент; 10 − герметизирующая мастика; 11 − винт; 12 − фартук; 13 − гидроизоляционный ковер; 14 − утеплитель; 15 − пароизоляция Аэрационные фонари предназначены для обеспечения заданного воздухообмена в горячих цехах. Они выполняют только аэрационные функции, поэтому незадуваемость является важным фактором их решения. По своему очертанию, методу обеспечения незадуваемости, удаления атмосферных осадков и выносимой из цеха пыли они могут быть разделены на три основные группы: П-образные со стальными фонарными створками, поворачивающимися вокруг вертикальной оси, и с ветроотбойными щитами; с раздельными надстройками и обращенными друг к другу вытяжными отверстиями, оборудованными такими же металлическими поворачивающимися створками и внутренним водоотводом; фонари без надстроек, со впадиной, находящейся в межферменном пространстве, с поворотными жалюзийными лентами, расположенными в плоскости кровли, и поддоном, находящимся в уровне нижнего пояса фермы, имеющего воронки внутреннего водостока. Фонари П-образные менее экономичны по расходу металла, но более удобны для уборки пыли при большом выносе её из помещения. Лестницы Лестницы производственных зданий, предназначенные для сообщения между этажами и эвакуации людей, могут размещаться в пределах основного  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -175- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий контура здания или быть вынесены за его пределы. Вынос лестниц за пределы здания особенно целесообразен при больших нагрузках на перекрытия, что позволяет полнее использовать рабочую площадь здания и дает большую маневренность с размещением оборудования. Стены лестничных клеток должны иметь предел огнестойкости в зданиях I степени огнестойкости не менее 2,5 ч, II степени − не менее 2 ч, а маршей и площадок − не менее 1 ч. По своему конструктивному решению они могут быть как не связанные с конструкцией многоэтажного каркаса, так и иметь с ним органическую связь. Рис. 55. Лестничная клетка в виде самостоятельной шахты: 1 − кирпичная шахта; 2 − лестничная площадка; 3 − марш Рис. 56. Лестничная клетка с опиранием на ригели: 1 − ригель лестничного марша; 2 − марш с полуплощадками В первом случае лестничную клетку выполняют в виде самостоятельной шахты, вписанной в зависимости от конкретных планировочных условий в сетку колонн каркаса здания (рис. 55), во втором лестницы опирают на ригели или другие элементы каркаса самого здания (рис. 56). Стены шахты могут быть кирпичными или из сборных железобетонных панелей. Марши используют обычно бескосоурные с размером ступеней  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -176- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий 150×300 мм; высота подъема 1200 мм, кратная высоте этажа. Ширина марша 1150, 1350 и 1750 мм. Ограждения у маршей металлические. Полы Полы состоят из основания и покрытия. Покрытием пола называет его верхний слой, непосредственно подверженный эксплуатационным воздействиям. К полам предъявляют ряд конструктивных, эксплуатационных, санитарно-гигиенических и художественно-эстетических требований, зависящих от назначения и характера помещения. Полы любых помещений должны хорошо сопротивляться механическим воздействиям (истиранию, удару, продавливанию и др.), обладать достаточной жесткостью и упругостью, иметь малую теплопроводность, быть гладкими (но нескользкими), бесшумными при ходьбе, иметь малое количество швов и легко очищаться. В мокрых помещениях полы должны быть водостойкими и водонепроницаемыми, а в пожароопасных помещениях − несгораемыми. Кроме того, полы должны быть экономичными и индустриальными. В одноэтажных производственных зданиях полы обычно настилают по грунту, в многоэтажных − на перекрытия. В состав конструкции пола на грунте входят следующие элементы: основание, подстилающий слой и покрытие (рис. 57). Основанием под полы служит обычно естественный грунт. Слабые грунты основания усиливают путем введения добавок песка, щебня, гравия с последующим тщательным уплотнением катками. Подстилающий слой, или подготовка, располагается поверх основания и предназначается для распределения нагрузки, действующей на основание. Тип подстилающего слоя выбирают в зависимости от характера механических нагрузок, агрессивности среды и вида покрытия пола. Подстилающий слой по грунту выполняют из бетона, железобетонных плит, щебня, гравия или шлака. В зависимости от устройства покрытия полы производственных зданий разделяют на полы со сплошным покрытием, с покрытием из штучных и рулонных материалов. К полам со сплошным покрытием относятся земляные и глинобитные полы, гравийные, шлаковые и щебеночные, бетонные, цементно-песчаные и мозаичные, асфальто- и дегтебетонные, ксилолитовые и поливинилацетатные. Полы с покрытием из штучных материалов (рис. 57) выполняют из искусственных плит и естественных камней, из досок и деревянных шашек, а также из полимерных плиток.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -177- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий I а б в г д е ж з и к II Рис. 57. Конструкции полов производственных зданий: Ι − полы из плит: а − бетонные с мозаичным покрытием; б − фенольные; в − шлакоситалловые; г − брусчатые; д − клинкерные кирпичные; е −деревянные торцовые; ж − дощатые; з − из линолеума; ΙΙ − сплошные: и − гравийные (щебеночные); к − бетонные Конструктивными элементами полов являются примыкания друг к другу полов с различными типами покрытий, деформационные швы, устройства полов в зоне прохождения железнодорожных путей, примыкания полов в мокрых цехах к стенам и колоннам и др.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -178- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий Административно-бытовые помещения Административно-бытовые помещения предназначены для санитарногигиенического обслуживания, управления производством, технических служб, учебных занятий и массовых мероприятий. Вспомогательные здания и помещения проектируют из условий наименьшего влияния на работающих вредных выделений. Высота этих помещений обычно составляет 3,3 м. У наружных входов в помещения делают тамбур глубиной не менее 1,2 м. Уровень пола первого этажа вспомогательных зданий располагают не менее чем на 0,15 м выше уровня тротуара у входа в здание. Ширина коридоров вспомогательных помещений составляет не менее 1,4 м, ширина навесных дверей 0,8−0,9 м, высота 2,0−2,1 м. В помещениях с постоянным пребыванием производственного персонала, а также в столовых, здравпунктах, комнатах для собраний и др. следует обязательно предусматривать естественное освещение, солнцезащитные устройства на окнах и звукоизоляцию стен. Для планировки бытовых помещений необходимы следующие сведения о кадрах: • санитарная группа основных рабочих; • количество мужчин и женщин по списку; • число смен и состав наибольшей смены; • специальные санитарного назначения помещения, предусмотренные нормами для данного производства (сушка, прачечная и др.). Гардеробные блоки (рис. 58) должны обеспечивать раздельное хранение рабочей и повседневной одежды в двух отдельных шкафах в одном или разных помещениях. Типовые шкафы для одежды имеют высоту 1,65 м, ширину и глубину 0,5 м. Расстояние между рядами шкафов со скамейками составляет 2 м. При входе в гардеробный блок следует предусматривать помещение для отдыха, оснащенное кондиционерами. Число мест в гардеробных принимают равным списочному составу рабочих. Умывальные комнаты размещают в отдельных помещениях или смежных с гардеробами. Расстояние между кранами настенных умывальников составляет 0,65 м, ширина прохода между рядами умывальников 2 м и 1,5 м между рядом умывальников и стеной. Число кранов определяют из расчета − один кран на 15−20 человек, или 0,15−0,20 м2 помещения на одного работающего. Душевые чаще всего делают групповыми. Кабины открытого душа в плане составляют 0,9×0,9 м; число кабин определяется из расчета − одна кабина на 3−5 рабочих.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -179- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий В последнее время сборные конструкции индивидуальных кабин размером 1,2×0,9×1,8 м. Такие блоки полностью укомплектованы сантехническим оборудованием на заводе-изготовителе. а б в Рис. 58. Планировка гардеробно-душевых блоков: а − с продольным размещением душевой; б − с поперечным размещением душевой; в − с одним гардеробным помещением; 1 − вентиляционная камера; 2 − инвентарная; 3 − кладовая чистой одежды; 4 − гардероб рабочей одежды; 5 − холл; 6 − уборная; 7 − преддушевая; 8 − санитарный блок; 9 − душевая; 10 − помещение для глажения одежды, сушки волос, бритья; 11 − гардеробная уличной и домашней одежды; 12 − место для обслуживающего персонала; 13 − кладовая грязной одежды; 14 − подсобная площадь; 15 − ножная ванна; 16 − умывальная Площадь гардеробно-душевого блока укрупненно определяют из расчета 1,8−2,0 м2 на одного работающего. Санузлы размещают на расстоянии не более 85 м от рабочих мест и проектируют из расчета один прибор на 15 женщин и 30 мужчин по наиболее  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -180- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий многочисленной смене. Проход между рядами кабин должен быть равен 2 м, размер кабин в плане составляет 1,2×0,9 м. Помещения для личной гигиены женщин делают смежными с женскими туалетами, они должны иметь шлюз перед входом и места для раздевания. Размер индивидуальных кабин в плане 1,8×1,2 м; их оборудуют гигиеническими душами с педальным управлением. Число кабин должно составлять 1 % от общего количества женщин, работающих в наиболее многочисленной смене. Ширина прохода между рядами кабин равна 2 м, а между рядом кабин и стеной 1,4 м. Сатураторные установки для раздачи газированной воды, фонтанчики располагают на расстоянии 70 м от рабочего места из расчета одна питьевая точка на 100 человек. Помещения для отдыха в рабочее время располагают непосредственно в цехе, их площадь определяют из расчета 0,2 м2 на одного работающего в наиболее многочисленной смене. Расстояние от этих помещений до рабочих мест должно быть не более 75 м и должна быть прямая видимость рабочих мест. Здравпункты располагают, как правило, на первом этаже бытовых помещений вблизи входа в здание цеха; категория здравпункта зависит от списочного состава работающих (табл. 14). Таблица 14 Категория здравпунктов промышленных предприятий Списочный состав работающих Более 3000 От 2000 до 3000 От 1200 до 2000 Менее 1200 Категория здравпункта I II III IV Тип здравпункта Врачебный, 3-4 врача Врачебный, 2 врача Врачебный , 1 врач Фельдшерский, 1 фельдшер В состав здравпункта обязательно должны входить: вестибюль с регистратурой (12−24 м2), перевязочная (12−24 м2), кабинеты для приема больных (12 м2 каждый), комната дежурного персонала, гардероб, подсобные помещения. Общая площадь здравпункта должна быть не менее 80 м2, расстояние от рабочих мест до здравпункта не должно превышать 1 000 м. Цеховые столовые получают полуфабрикаты с заводской фабрики-кухни. Расстояние от рабочих мест до столовых и буфетов должно быть не более 300 м, поэтому в крупных цехах часть столовых и буфетов располагают во встроенных внутрицеховых помещениях. В небольших цехах (до 200 человек) устраивают только буфеты с наличием горячих блюд. Общее время на принятие пищи рассчитывают 25−30 мин, число посадочных мест − одно на 4 человека в наиболее нагруженной смене, площадь одного посадочного места − 1 м2, ширина основных проходов − не менее 1,2 м. Столовые оборудуют умывальниками  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -181- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий из расчета один кран на 10 посадочных мест и санузлами. Примерный план столовой и буфета показан на рис. 59. а б Рис. 59. Планировка столовой на 120 мест (а) и буфета на 24 места (б) 1 − торговый зал; 2 − доготовочная; 3 − моечная; 4 − кладовая; 5 − туалеты Помещения для хранения и раздачи молока проектируют из расчета 0,015 м2 на каждого списочного работающего, получающего молоко. Большое внимание в интерьере столовой следует уделять декоративной отделке стен, освещению. Цеховые конторские помещения располагают на втором или, чаще, на третьем этаже. Площадь этих помещений определяют из расчета 4 м2 на одного служащего и 6 м2 на одного проектировщика или конструктора. Личные кабинеты цехового руководящего состава занимают 9−24 м2. Помещения для технической учебы рассчитывают по норме 1,75 м2 на одного учащегося. Оптимальные размеры комнат административно-управленческого и инженернотехнического персонала составляют 15−24 м2 (рис. 60).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -182- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий Рис. 60. Планировка конторского помещения (а) и кабинета начальника цеха (б) Рис. 61. План 1-го этажа административно-бытового здания: 1 − гардероб уличной и домашней одежды; мужской на 144 чел., 108 м2; 2 − душевая 2 х 18 = 36 м2; 3 − преддушевая, 16 м2; 4 − гардероб рабочей одежды, мужской, на 144 чел., 108 м2; 5 − медицинская комната, 16 м2; 6 − подсобное помещение, 6 м2; 7 − буфет на 30 пос. мест, 90 м2 Зал собраний располагают на одном этаже со столовой. Площадь зала рассчитывают по норме 1,2 м2 на одно место в наиболее многочисленной смене. Контрольные вопросы 1. Какие факторы определяют выбор конструкции стен?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -183- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 15 Конструктивные элементы каркаса многоэтажных промышленных зданий 2. Какую функцию выполняют перегородки производственного здания? 3. Какие факторы определяют выбор конструкции кровли? 4. Где и для чего применяются легкие покрытия? 5. Какую функцию выполняют светоаэрационные фонари? ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов План лекции 1. Каменные материалы. 2. Минеральные вяжущие вещества. 3. Классификация бетонов. 4. Лесные строительные материалы. Материалы, из которых изготовляют строительные детали и конструкции, возводят здания и сооружения различного назначения, называются строительными. Стоимость строительных материалов и изделий составляет свыше 50 % от общих капитальных затрат на строительство. Строительные материалы по сходным признакам делят на группы. В качестве классификационных признаков выбирают: производственное назначение строительных материалов; вид исходного сырья; основной показатель качества (например, их масса, прочность) и др. В настоящее время в классификации учитывают также и функциональное назначение (например, теплоизоляционные материалы, акустические материалы и др.) в дополнение к делению на группы по признаку сырья − керамические, полимерные, металлические и т. п. Одна часть материалов, объединенных в группы, относится к природным, а другая их часть − к искусственным. Природные (естественные) строительные материалы и изделия получают непосредственно из недр Земли или путём переработки лесных массивов в «деловой лес». Этим материалам придают определённую форму и рациональные размеры, но не изменяют их внутреннего строения, состава, например химического. Искусственные строительные материалы и изделия производят в основном из природных сырьевых материалов, реже − из побочных продуктов промышленности, сельского хозяйства или сырья, получаемого искусственным путем. Искусственные строительные материалы разделяют по главному признаку их отвердевания:  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -184- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов на материалы, отвердевание которых происходит при обычных сравнительно невысоких температурах с кристаллизацией новообразований из растворов (их нередко относят к безобжиговым материалам); • материалы, отвердевание которых происходит в основном в условиях автоклавов, т. е. повышения температур и давлений пара с синтезированием цементирующих и кристаллизирующихся соединений непосредственно в автоклавах; • материалы, отвердевание которых происходит главным образом при остывании огненно-жидких расплавов, выполняющих функцию вяжущего вещества, или «цемента высоких температур» (их нередко относят к обжиговым материалам). В конгломератах безобжигового типа цементирующую часть представляют неорганические, органические, полимерные и комплексные вяжущие вещества. В конгломератах обжигового типа по разновидности цементов высоких температур выделяют расплавы керамические, стекломассы, шлаковые, каменного литья и комплексные. В конгломератах автоклавного типа наиболее типичными являются вяжущие, синтезированные из исходных сырьевых компонентов в условиях автоклавной обработки. • Каменные материалы Природными каменными материалами называют материалы, получаемые из различных горных пород. Под горными породами понимают природные агрегаты минералов, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. По своему происхождению горные породы подразделяются на три группы: 1) изверженные (первичные); 2) осадочные (вторичные); 3) метаморфические (видоизмененные). Керамическими называются искусственные каменные материалы и изделия, получаемые из глин и их смесей с минеральными добавками путем их формования, сушки, обжига. Сырьем для керамических материалов служат различные глины. Керамические материалы и изделия объединяют в группы по назначению и свойствам, по основному используемому сырью или его фазовому составу. По назначению строительные керамические материалы и изделия классифицируются: • на стеновые материалы; • пустотелые изделия для перекрытий; • облицовочные материалы для наружной и внутренней отделки зданий; • кровельные материалы; • трубы; • огнеупорные материалы; • заполнители для легких бетонов; • санитарно-технические изделия;  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -185- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов специальные изделия. В строительной индустрии применяется кирпич марок М75, 100, 125, 150, 200. • Минеральные вяжущие вещества Минеральными вяжущими называются порошкообразные вещества, которые при смешивании (затворении) с водой дают пластичное тесто, способное с течением времени под влиянием физико-химических процессов затвердевать и переходить в камневидное состояние. При способности твердеть минеральные вяжущие вещества классифицируют на воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие могут затвердевать и длительно сохранять прочность только на воздухе. К ним относятся воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие, а также жидкое стекло. Гидравлические вяжущие твердеют и сохраняют свою прочность как на воздухе, так и в воде. Однако начальный период твердения (процесс схватывания), как правило, должен протекать на воздухе или в среде, изолированной от воды. К гидравлическим вяжущим относятся все виды цементов, гидравлическая известь, гипсоцементно-пуццолановое вяжущее и др. Кроме указанных воздушных и гидравлических вяжущих веществ, существуют кислотостойкие вяжущие вещества, а также вяжущие автоклавного твердения, твердеющие при температуре 170−200 °С и давлении 0,9−1,2 МН/м, изготовляемые на основе извести. Ангидритовый цемент − это медленно твердеющее вяжущее вещество марок 60, 100, 150, 200. Получают его из природного ангидрита (CaSO4) совместным помолом с катализаторами. Применяют для устройства бесшовных полов, оснований под рулонные материалы, приготовления легких и тяжёлых бетонов низких марок и искусственного мрамора. Изделия из ангидритового цемента не водостойки, поэтому используются только в сухих помещениях. К магнезиальным вяжущим веществам относятся каустический магнезит (MgO) и каустический доломит (MgO · СаСО3). Это порошкообразные материалы, получаемые обжигом при 650−850 °С дроблёных природных магнезитов и доломитов. Каустический магнезит и каустический доломит при затворении водой твердеют медленно и имеют небольшую прочность, вследствие чего их затворяют растворами хлористого или сернокислого магния. В этом случае процесс твердения протекает значительно быстрее, а полученный искусственный камень характеризуется большей прочностью. Каустический магнезит имеет марки 400, 500, 600, а каустический доломит − 100, 150, 200 и 300. Магнезиальные вяжущие используют при устройстве ксилолитовых полов (магнезиальные вяжущие в смеси с древесными опилками), изготовлении магнезиального фибролита, арболита и цементно-стружечных плит. Транспортируют и хранят вяжущие в мешках или емкостях, предохраняющих их от увлажнения.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -186- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов Жидким стеклом называют растворимые соли кремниевой кислоты − Na2O · nSiO2 и К2О · nSiO2. Величина n указывает отношение числа молекул кремнезема к числу молекул щелочного оксида и называется силикатным модулем стекла. Значения его колеблются от 2,31 до 3,5. В практике чаще используют силикат натрия. Получают его расплавлением в стекловаренных печах при температуре 1 350−1 400 °С тщательно перемешанной смеси размолотых кварцевого песка, кальцинированной соды, или поташа, или сульфата натрия с образованием силикат-глыбы, которую впоследствии подвергают помолу. Тонкомолотые порошки, получаемые помолом силикат-глыбы, могут медленно растворяться в воде. Однако чаще всего жидкое стекло как вяжущее получают обработкой дробленой силикат-глыбы паром в автоклавах при давлении 0,5−0,6 МПа. При твердении под действием углекислого газа силикаты разлагаются. Однако на воздухе этот процесс протекает медленно. Для ускорения твердения вводят добавки кремнефтористого натрия (Na2SiF6). Он вступает в химическую реакцию с жидким стеклом, быстро образуя гель кремниевой кислоты. Кислотоупорный цемент получают совместным помолом кварцевого песка и кремнефтористого натрия. Вяжущим веществом в таких цементах является водный раствор жидкого стекла. Растворы и бетоны, приготовленные на кислотоупорном цементе, обладают высокой стойкостью против действия многих минеральных и органических кислот, но разрушаются под действием щелочей. Кислотоупорный цемент применяют для футеровки химической аппаратуры, возведения резервуаров и других сооружений химической промышленности. Портландцемент и его разновидности являются основным вяжущим материалом в современном строительстве. Портландцемент представляет собой порошкообразное гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, состоящее преимущественно из силикатов кальция. Получают портландцемент тонким измельчением клинкера с гипсом (3−7 %), допускается введение в смесь активных минеральных добавок (10−15 %). Клинкер − продукт обжига (до полного спекания) искусственной сырьевой смеси, состоящей приблизительно из 75 % карбоната кальция (обычно известняка) и 25 % глины. Основные свойства портландцемента обусловливаются составом клинкера. Классификация бетонов Бетонами называются искусственные каменные материалы, получаемые при затвердевании тщательно перемешанной и уплотненной смеси из вяжущего вещества, мелкого и крупного заполнителей, затворителя (воды), взятых в определенных количествах. До затвердевания эта смесь называется бетонной. В строительстве широко используются бетоны, приготовленные на цементах и других минеральных вяжущих веществах. В качестве заполни-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -187- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов телей используются преимущественно местные горные породы, отходы производства (шлак и т. п.), искусственные заполнители (керамзит, аглопорит, шунгизит и т. п.). Применение заполнителей исключает большие усадки цементного камня и снижает стоимость бетона, так как заполнитель и вода составляют 85−90 % массы бетона, а цемент − 10−15 %. Для придания бетонной смеси и бетону некоторых дополнительных свойств в их состав при приготовлении вводят различные химические и поверхностно-активные добавки, которые ускоряют или замедляют процессы схватывания и твердения, делают бетонную смесь более пластичной и удобоукладываемой, повышают прочность, морозостойкость, водонепроницаемость или придают бетону какие-либо другие свойства. Бетоны классифицируются по следующим признакам: основному назначению, виду вяжущего, виду заполнителей, структуре. По назначению бетоны подразделяют на конструкционные и специальные. Конструкционные − большая часть бетонов, используемых для изготовления несущих и ограждающих конструкций всех зданий и сооружений. Они должны обладать определенными механическими свойствами, а в необходимых случаях и такими свойствами, как морозостойкость, водонепроницаемость и др., характеризующими стойкость против климатических воздействий и воздействий внешней среды. Специальные − жаростойкие, химически стойкие, декоративные, радиационно-защитные, теплоизоляционные и др. − используются для возведения специальных конструкций или элементов конструкций. К ним, как можно судить по названию, в первую очередь предъявляются специальные требования, требования к механическим свойствам являются сопутствующими. По виду вяжущего различают следующие виды бетонов: • на цементном вяжущем − бетоны на основе клинкерных цементов − портландцемента и шлакопортландцемента, пуццоланового, белого и цветного цементов, глиноземистого и расширяющегося цементов, включая композиции цементов с полимерными и другими добавками, улучшающими свойства бетона; • на шлаковых вяжущих − бетоны на основе молотых шлаков и зол, с активизаторами твердения (соединениями щелочных металлов); • на известковых вяжущих − на основе извести в сочетании с гидравлическими активными кремнеземистыми компонентами (шлаки, золы, кварцевый песок и активные минеральные добавки). Бетон на известковых вяжущих автоклавного твердения называют «силикатным»; • на гипсовых вяжущих − бетоны на основе полуводного гипса или ангидрита (включая гипсоцементно-пуццолановые и другие вяжущие);  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -188- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов на специальных вяжущих − на основе органических и неорганических химических связующих, придающих им специальные свойства (полимерные, фосфатные, магнезиальные, жидкое стекло и др.). По виду заполнителя выделяют бетоны: • на плотных заполнителях − заполнителях из плотных горных пород или шлаков (крупных − щебень из естественного камня, гравий, щебень из гравия, щебень из доменного шлака; мелких − песок природный или получаемый дроблением плотных пород); • на пористых заполнителях, получаемых искусственным путём (керамзитовый, зольный или трепельный гравий, аглопорит, шлаковая пемза из вспученных доменных шлаков, вермикулит, перлит, шунгизит и др.) или из природных пористых горных пород (вулканические туфы, вулканические пеплы, вулканические шлаки, пемзы, известняки, ракушечники), а также на пористых крупных и плотных мелких заполнителях; • на специальных заполнителях, придающих ему специальные свойства (рудосодержащие горные породы, чугунный скрап, шамот и др.). К бетонам на специальных заполнителях можно отнести арболит − бетон на цементном вяжущем и органических заполнителях (измельченная древесина из отходов производства, стебли хлопчатника или рисовой соломы, костра конопли и льна и т. п.). По структуре бетоны могут быть плотными, поризованными, ячеистыми и крупнопористыми. Бетоны плотной структуры (плотные) − это бетоны, у которых всё пространство между зернами крупного и мелкого или только мелкого заполнителя заполнено затвердевшим вяжущим и порами вовлеченного вяжущего, в том числе образующихся за счёт применения добавок, регулирующих пористость бетонной смеси и бетона. Бетоны поризованной структуры (поризованные) − это бетоны, у которых всё пространство между зёрнами крупного заполнителя заполнено затвердевшим вяжущим, поризованными пено- или газообразующими добавками. Бетоны ячеистой структуры (ячеистые) состоят из затвердевшей смеси вяжущего и кремнеземистого компонентов и искусственных равномерно распределённых пор в виде ячеек, образованных газо- и пенообразователями. Бетоны крупнопористой структуры (крупнопористые) − это бетоны, у которых пространство между зёрнами крупного заполнителя не полностью заполнено мелким заполнителем и затвердевшим вяжущим. Наименование бетона должно включать все признаки, за исключением не являющихся определяющими. В наименованиях специальных видов бетонов указывается их основное назначение, а в наименованиях конструкционных бетонов слово «конструкционный» может быть опущено. •  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -189- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов Требования к качеству бетонов устанавливаются стандартами на разновидности бетонов, стандартами и техническими условиями на сборные бетонные и железобетонные изделия, указываются в рабочих чертежах монолитных бетонных и железобетонных конструкций. Регламентируются показатели прочности, плотности, стойкости к различным воздействиям − упругопластическим, теплофизическим, защитным и др. По показателям прочности бетона устанавливаются их гарантированные значения − классы в соответствии со стандартом, однако для ранее запроектированных конструкций в качестве показателей прочности существуют марки бетона. Марками бетона пользуются для характеристики других свойств бетона: плотности, морозостойкости, водонепроницаемости и др. Марка бетона − это одно из нормируемых значений унифицированного ряда данного показателя качества бетона, принимаемого по его среднему значению, в то время как класс бетона − это также одно из нормируемых значений унифицированного ряда данного показателя качества бетона, принимаемого с гарантированной обеспеченностью (0,95). Марка или класс бетона по прочности при сжатии определяется прочностью контрольных образцов размером 150×150×150 мм, при этом класс бетона, кроме того, устанавливается ещё и методом расчета. Конструкционные бетоны класса 100 и выше со средней плотностью 1 400 кг/м применяют в мостостроении при изготовлении ферм, балок, плит покрытий и перекрытий. Они обладают несколько большей деформативностью, но существенно легче. Указанные свойства делают их использование предпочтительным, особенно в сейсмостойком строительстве. Конструкционно-теплоизоляционные бетоны классов В 2,5 и выше со средней плотностью до 1 400 кг/м и коэффициентом теплопроводности 0,18−0,64 Вт/(м·°С) удачно сочетают способность нести небольшую нагрузку с хорошими теплоизоляционными свойствами. Эти качества предопределили их широкое использование в крупнопанельном гражданском и промышленном строительстве в виде ограждающих конструкций (панели наружных стен). Теплоизоляционные бетоны классов до В 2,5 плотностью 500−800 кг/м применяют сравнительно ограниченно в совмещенных покрытиях в виде теплоизоляционных плит, блоков, при устройстве подготовки под полы в гражданских зданиях. Лёгкие бетоны на пористых заполнителях изготовляют, используя минеральные вяжущие вещества, воду, добавки, крупные и мелкие заполнители. В качестве заполнителей, как указывалось ранее, применяются природные и искусственные пористые заполнители. Природные пористые заполнители получают дроблением и последующим рассевом исходных горных пород. Искусственные − в результате термической обработки сырья или горных пород с последующим рассевом или дроблением и рассевом, при этом они специально изготовляются или являются отходами промышленности. К специально изготовленным заполнителям относят керамзитовый, зольный и тре Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -190- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов пельный гравий, щебень из вспученных сланцевых пород, аглопорит, шлаковую пемзу, вспученный перлит, вермикулит, шунгизит и др. Из отходов промышленности в качестве пористых заполнителей используют топливные шлаки и золы, пористые металлургические шлаки, бой глиняного кирпича и других пористых керамических материалов, иногда шлаки от сжигания торфа. Пористые заполнители из отходов промышленности, учитывая их неоднородность, применяют для изготовления малоответственных конструкций. Ячеистые бетоны представляют собой искусственный пористый камень с равномерно распределенными порами, крупность которых не превышает 2 мм. Ячеистые бетоны получают из смеси вяжущего, воды, тонкомолотого кремнеземистого компонента и порообразователя. Поризация смеси осуществляется либо химическим путем, либо смешиванием с пеной, приготовленной ранее механическим путем. В первом случае в смесь вводят газообразующие добавки (алюминиевую пудру), которые, реагируя с компонентами вяжущего (известью), образуют газ, более или менее равномерно вспучивающий всю массу. Так получают газобетон. Во втором случае в специальных смесителях с быстровращающимися лопастями из воды с пенообразователем (СНВ, ЦНИИПС-1, 1К и др.) получается устойчивая пена, которая далее, смешиваясь с указанной выше смесью вяжущего, тонкомолотого кремнеземистого компонента и воды, образует ячеистую массу, а затвердевая − пенобетон. В зависимости от условий твердения ячеистые бетоны бывают автоклавные и безавтоклавные, а по области применения − теплоизоляционные (средняя плотность в сухом состоянии до 500 кг/м); конструкционно-теплоизоляционные (500−900 кг/м) и конструкционные (900−1 200 кг/м3). Железобетон представляет собой строительный материал, в котором выгодно сочетается совместная работа бетона и арматурной стали. Идея сочетания в железобетоне двух крайне различающихся своими свойствами материалов основана на том, что прочность бетона при растяжении значительно (в 10−20 раз) меньше, чем при сжатии, поэтому в железобетонных конструкциях он предназначается для восприятия сжимающих усилий; сталь же, обладающая высоким временным сопротивлением при растяжении и вводимая в бетон в виде арматуры, используется главным образом для восприятия растягивающих усилий. Наиболее выгодно применять железобетон для строительных конструкций, работающих на изгиб (рис. 62). При работе таких элементов возникают два противоположных напряжения − растягивающее, воспринимаемое сталью, и сжимающее, воспринимаемое бетоном, и железобетонная конструкция в целом успешно противостоит изгибающим нагрузкам.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -191- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов Сжатие Нейтральный слой Растяжение Рис. 62. Схема работы железобетонного элемента на изгиб Конструкция рассчитывается и изготовляется так, чтобы в растянутой зоне бетон либо вообще не испытывал растягивающих усилий, либо имели место растягивающие усилия, не приводящие к появлению трещин. В предварительно напряжённых конструкциях растянутая арматура и сжатый бетон испытывают более значительные нагрузки, но материал работает полнее, что позволяет изготовлять более лёгкие и экономичные конструкции. Арматура − это стальные стержни, проволока, пряди, канаты или прокатные профили, закладываемые в бетон для получения железобетонных конструкций необходимой прочности, жёсткости, трещиностойкости. По своему назначению в бетоне арматура подразделяется на рабочую и монтажную. Рабочая воспринимает нагрузки, монтажная необходима для обеспечения правильного расположения рабочей арматуры. Для улучшения свойств арматуры её иногда подвергают упрочнению. Упрочнение может достигаться вытяжкой, протяжкой, обжатием, посредством нагревания и охлаждения (термически упрочненная арматура). Лесные строительные материалы Круглые лесоматериалы − отрезки древесного ствола разных пород и размеров, очищенные от коры и сучьев. В целом виде круглые лесоматериалы применяют в строительстве в качестве стенового материала, опор и столбов для воздушных линий связи и линий электропередачи и настила при строительстве мостов, дорог, для ограждения территорий и т. д. Выработанные из круглых материалов, сохранившие природную структуру древесины пиломатериалы, колотые лесоматериалы (клепка для бочек), строганый и лущеный шпон и другие относятся к группе обработанных. Пиломатериалы − продукция, получаемая при раскрое бревен, имеющая стандартные размеры и качество, используемая в целом виде или для выработки заготовок, деталей и изделий из древесины. В пиломатериалах продольные и широкие стороны называют пластями, продольные узкие − кромками, а перпендикулярные им − торцами. Линии пересечения пластей и кромок пиленой продукции называются ребрами. Часть поверхности бревна, оставшаяся на пиломатериалах, называется обзолом.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -192- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов По породам древесины пиломатериалы делятся на две основные группы: хвойные и лиственные. По размерам поперечного сечения они разделяются на брусья, бруски и доски (рис. 63). а г б д в е Рис. 63. Виды пиломатериалов: а − двухкантный брус; б − трёхкантный брус; в − четырехбитный брус; г − брусок; д − обрезная доска; е − необрезная доска Брусья − пиломатериалы толщиной и шириной 100 мм и более. По числу пропиленных пластей различают двух-, трёх- и четырёхкантные брусья. Бруски − пиломатериалы толщиной до 100 мм и шириной не более двойной толщины. Доски − пиломатериалы толщиной до 100 мм и шириной более двойной толщины. Пиломатериалы могут быть обрезными (рис. 63, в−д) и необрезными (рис. 63, а, б, е). У обрезных пиломатериалов пласти и кромки пропилены по всей длине; у необрезных пласти пропилены, а кромки не пропилены или пропилены частично, и величина непропиленной части превышает допустимые размеры для обрезных пиломатериалов. При выработке пиломатериалов образуется попутная пилопродукция в виде обапола. Обапол − пилопродукция, получаемая из боковой части бревна и имеющая одну пропиленную, а другую непропиленную или частично пропиленную поверхность. Из пиломатериалов изготовляются для нужд строительной индустрии различные изделия и конструкции. Полуфабрикаты и заготовки − это доски или бруски, прирезанные применительно к заданным размерам, с соответствующими припусками на механическую обработку и усушку. К ним относятся шпунтованные доски для полов, плинтусы, галтели для заделки пространства между полом и стенками, наличники для обшивки оконных и дверных коробок. Древесно-стружечные плиты изготовляют путём горячего прессования древесных частиц, смешанных со связующим. Древесные частицы обычно  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -193- РАЗДЕЛ II ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕКЦИЯ 16 Классификация строительных материалов называют древесными стружками. При этом применяют специально изготовленную стружку определенной формы и размеров, полученную на специальных стружечных станках. Связующее − это смесь различных веществ, обладающих способностью взаимно связывать частицы древесно-стружечной плиты. В соответствии с ГОСТ 10632−89 плиты плоского прессования выпускают трёх марок: П-1, П-2, П-3. Средняя плотность плит составляет 550−850 кг/м, прочность при статическом изгибе − 13,37−24,51 МПа. Размеры плит по длине равняются 2 440, 2 750, 3 500, 3 660, 5 500 мм, по ширине − 1 220−2 400 и по толщине − 10−25 мм (преимущественно 19 мм). Древесно-волокнистые плиты представляют собой листовой материал, изготовленный в процессе горячего прессования или сушки массы из древесного волокна, сформированный в виде ковра. Формование ковра может осуществляться как мокрым, так и сухим способами. Мокрым способом изготовляют плиты мягкие, ПТ-100, твёрдые, сверхтвёрдые, требования к которым определены ГОСТ 4598−86. Сухим способом изготовляют плиты твёрдые и сверхтвёрдые, требования к которым определены ТУ 13-444−79. Контрольные вопросы 1. Какие виды каменных материалов могут применяться в промышленном строительстве? 2. Какую функцию выполняют минеральные вяжущие вещества? 3. Какие виды бетонов используются в промышленном строительстве? 4. Где используются тяжелые сорта бетонов? 5. Из каких элементов состоит железобетон? 6. Какие виды лесных строительных материалов вам известны?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -194- РАЗДЕЛ III ОБОРУДОВАНИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование План лекции 1. Газоструйные распылители. 2. Жидкоструйные распылители. 3. Центробежные распылители. 4. Расчеты технологических характеристик машин газоструйного распыления. Основным физико-химическим процессом в рабочей зоне диспергирующего оборудования является процесс разрушения сплошной среды, жидкой или твердой, на фрагменты, которые становятся частицами порошка, пройдя стадию затвердевания (конденсации) в случае разрушения жидких сред или непосредственно после разрушения − в случае разрушения твердых сред (тел). 2 1 4 5 3 6 7 Рис. 64. Принципиальные схемы устройств для распыления расплавов: 1 − струей энергоносителя; 2 − из вращающегося тигля; 3 − с поверхности оплавляемого электрода; 4 − лопастями высокоскоростной турбинки; 5 − экстрагированием из ванны с жидким металлом; 6 − из перфорированного стакана; 7 − с помощью плазмы  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -195- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование Разновидностью диспергирующего оборудования являются распылители расплавов. Работа распылителей расплавов основана на разрушении струи расплава струей газообразного или жидкого энергоносителя, под действием центробежных, вибрационных, электростатических или электродинамических сил, импульсного нагрева, при совместном использовании двух или нескольких из перечисленных способов внешнего воздействия на расплав (рис. 64). В промышленности реализованы схемы 1−3, остальные находятся в стадии экспериментальной отработки. Газоструйные распылители Типовая технологическая (структурная) схема газоструйного распылителя расплавов (на примере машины газоструйного распыления сплавов модели МРС (г)-3800) представлена на рис. 65. Распылитель (машина) включает в себя плавильное оборудование, камеру распыления, систему газового питания и рециркуляции, гидро- и пневмопривод, систему водоохлаждения, контрольно-измерительную аппаратуру, аппаратуру управления. Все подсистемы распылителя (машины) связаны между собой схемой электроуправления, что позволяет ему работать в полуавтоматическом режиме. Плавильное оборудование состоит из двух специализированных сталеплавильных плазменных печей. Печи снабжены футерованными крышками, обеспечивающими выплавку и разливку металла в защитной атмосфере плазмообразующего газа и уменьшающими тепловые потери металла при подготовке к сливу и сливе его в металлоприемник. Печи установлены на подвижной платформе, что позволяет осуществлять выплавку металла при отводе печи от камеры распыления на расстояние 3 000 мм, что обеспечивает безопасность и удобство работы на машине распыления. Камера распыления является основным агрегатом машины, в котором осуществляются: • процесс разливки металла; • формирование металлической струи и распыление ее высокоскоростными газовыми потоками; • кристаллизация распыленных частиц; • их охлаждение; • сбор порошкового продукта. Камера распыления представляет собой конструкцию, состоящую из четырех двустенных водоохлаждаемых обечаек, верхней крышки и смонтированных в нижней части камеры узла вторичного охлаждения и шлюзовой камеры. Три обечайки образуют цилиндрическую часть камеры с внутренним диаметром 2 100 мм, четвертая обечайка предусмотрена конической и является переходной частью к узлу охлаждения.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -196- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование Машина распыления MРC (г)-3800 предназначена для производства порошков инструментальных сталей и сплавов, магнитных и наплавочных материалов, технического железа и цветных металлов и их сплавов. Рис. 65. Структурная схема машины распыления МРС (г)-3800: 1 − плавильная печь; 2 − форсунка; 3 − металлоприемник; 4 − буферный баллон; 5 − устройство охлаждения порошка; 6 − вакуумный насос; 7 − порошкосборник; 8 − компрессоры; 9 − фильтр тонкой очистки газа; 10 − шлюзовая камера; 11 − фильтр грубой очистки газа; 12 − теплообменники; 13 − камера распыления Тип плавильного агрегата машины на базе плазменной сталеплавильной печи − ПСП-0.6/0.7-И1 (установлена па подвижной платформе). Техническая характеристика машины МРС (г)-3800 приведена в табл. 15.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -197- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование Таблица 15 Техническая характеристика машины МРС (г)-3800 Параметр Значение Плавильный агрегат Число плавильных агрегатов Вместимость плавильного тигля (по стали), кг Максимальная температура расплава, К Время расплавления и перегрева металла до 1 923 К, ч Установленная мощность плавильного агрегата, кВт Плазмообразующий газ Расход плазмообразующего газа, м3/ч Время слива металла из печи в металлоприемник, мин Машина распыления Метод распыления Рабочий газ Давление рабочего газа перед форсуночным устройством, МПа Расход рабочего газа на распыление, м3/мин Производительность (по стали), кг/мин Размеры машины распыления, мм Масса машины распыления (без плавильных агрегатов), т 2 600 2 073 0,66 1 054 50 % N2 + 50 % Аr 3 3 Газоструйный Азот ≤2 18−24 30−40 15 000х15 000х15 000 120 Жидкоструйные распылители Применение жидких энергоносителей для получения порошков распылением расплавов обусловлено значительно более низкой стоимостью, доступностью, более широкими возможностями соответствующих установок при получении порошков с частицами несферической формы, наибольшей в сравнении с другими способами экономичностью по потреблению энергии (2−4 кВт на 1 т жидкости), простотой и надежностью оборудования. К недостаткам жидкоструйного распыления относятся неоднородность распыла, сложность регулирования расхода жидкости при заданном качестве дробления и диспергирования вязких жидкостей. Порошки, полученные с помощью жидкоструйных распылителей, характеризуются хорошей прессуемостью и спекаемостью и не требуют использования гидро- и газостатов для формования. Распыление жидкими энергоносителями позволяет в широких пределах изменять исходный состав расплава, осуществляя, например, его обезуглероживание (распыление расплава чугуна водой) или науглероживание (распыление расплавов углеводородными жидкостями). Гидравлическое распыление определяется давлением подачи жидкости (0,35−70 МПа). Типовая конструкция установки для распыления расплавов водой представлена на рис. 66.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -198- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование Одним из преимуществ жидкоструйных распылительных установок является то, что струя жидкости сохраняет свою скорость, давление и разрушающую способность на относительно более протяженном участке, чем газовая струя. Рассмотрим принцип работы жидкоструйной распылительной установки. 1 2 Плавильное оборудование состоит из двух индукционных печей (рис. 66) Воздух вместимостью 160 кг расплава каждая. Вода Камера распыления цилиндрическая, диа- В атмосферу 3 метром 2 м, общая высота 5,2 м. В нижней части камеры имеется приемник порошка, оканчивающийся выпускным отверстием 4 10 диаметром 100 мм с запорным вентилем. В верхней части камеры располагают люки для наблюдения за процессом распыле9 ния и доступа внутрь камеры при ремонте, 5 6 7 а также устройство для орошения водой 8 стенок камеры. Для предотвращения изГодный продукт быточного волнения поверхности воды в Отсев на переплав камере устанавливают волногасящее устройство. На верхней крышке камеры над Рис. 66. Схема установки для распыления расплавов водой: форсункой располагают металлоприем1 − индукционная печь; ник, подогреваемый газовыми горелка2 − металлоприемник; 3 − форсунка; ми до 973−1 173 К. Под металлоприемником на крышке камеры крепят рас- 4 − цилиндрическая камера распыления; 5 − гидроциклон; 6 − центрифуга; пыливающую форсунку, на выходе из 7 − сушилка; 8 − бак-отстойник; которой формируется струя воды под 9 − насос высокого давления; давлением 10 МПа. Установка снабжена 10 − циклон насосом высокого давления, трубопроводами и баком-отстойником. Пульпу, выходящую из выходного отверстия, направляют в гидроциклон, отделенный от воды порошок − в центрифугу и сушилку, а воду − в бак-отстойник. Гидравлические форсунки подразделяют на следующие основные группы (рис. 67): струйные, ударно-струйные, центробежные, центробежноструйные и с соударением струй. Струйные форсунки (рис. 67, а) − насадки с цилиндрическими или другой формы отверстиями, из которых под действием перепада давления вытекают распадающиеся на капли струи. В ударноструйных форсунках (рис. 67, б) распыление происходит за счет удара струи о расположенный напротив сопла отражательный элемент. Центробежные форсунки (рис. 67, в) имеют тангенциальные входные отверстия, шнековый либо иной завихритель или спиралевидный сопловый канал, что приводит подаваемую жидкость во вращательное движение вдоль  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -199- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование его стенок в виде пленки, а центр заполняет так называемый воздушный вихрь; при истечении из сопла пленка распадается на капли. а б г в д Рис. 67. Гидравлические форсунки: а − струйные; б − ударно-струйные; в − центробежные; г − центробежно-струйные; д − с соударением струй Центробежно-струйные форсунки (рис. 67, г) отличаются от центробежных наличием двух потоков − центральной осевой струи и периферийного вращающегося, смешиваемых в специальной камере; за пределами соплового канала результирующий поток разрушается на капли. Работа форсунок с соударением струй (рис. 67, д) основана на взаимном разбивании на капли нескольких сталкивающихся струй, вытекающих из соответствующих насадок. Центробежные распылители Получение порошков в центробежных распылителях основано на разрушении массы расплава под действием центробежных сил. Основными типами центробежных распылителей являются: тигельные, в которых распыляемый расплав получают в плавильном агрегате или оплавляют (электронным лучом, плазменной струей и т. д.) заготовку из соответствующего материала, а затем периодически или непрерывно направляют расплав во вращающийся тигель (рис. 68); бестигельные, в которых распылению подвергают расплав, находящийся на торце вращающейся заготовки, непрерывно оплавляемой внешним источником нагрева (см. рис. 64, схема 3); с перфорированным стаканом (см. рис. 64, схема 6); экстракторы, в которых расплав извлекают (экстрагируют) из ванны с помощью быстро вращающегося диска (см. рис. 64, схема 5).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -200- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование В качестве плавильных устройств используют в основном индукционные, дуговые или электронно-лучевые печи. Источниками нагрева оплавляемых неподвижных или вращающихся заготовок являются электронные пушки или плазмотроны. Рис. 68. Технологическая схема установки с вращающимся тиглем: 1 − плавильная камера; 2 − оплавляемая заготовка-электрод; 3 − средства нагрева оплавляемой заготовки; 4 − вращающийся тигель; 5 − экран; 6 − камера охлаждения; 7 − емкость для сбора порошка; 8 − механический вакуумный насос; 9 − источник питания средств нагрева; 10 − паромасляный вакуумный насос; 11 − пульт управления; 12 − система водяного охлаждении В центробежных распылителях происходит образование системы капель, по размерному составу приближающихся к монодисперсным; диспергирование продукта распыления; конфигурация факела распыла и плотность орошения создаются распыливающими дисками с различными элементами проточной части и разными окружными скоростями вращения (за счет изменения наружного диаметра распыливающего диска). Центробежное гранулирование может осуществляться за счет дробления вращающимся перфорированным (с отверстиями) стаканом; распыления с кромки вращающегося диска или чаши; распыления оплавленного слоя вращающейся заготовки. Гранулирование через перфорированный стакан, при известных достоинствах (высокая производительность, однородность частиц по размерам), имеет и существенный недостаток − невозможность получения мелких частиц (менее 200−300 мкм) или их невысокий выход (менее 10 %). Способ гранулирования расплава позволяет при сохранении достоинств известного метода значительно (до 95 %) увеличить выход мелких частиц. Гранулирование может выполняться в воду, керосин (или другую инертную жидкую среду), при этом значительно уменьшаются требуемые производственные площади, однако появляется операция сушки гранул. Гранулирование в воздухе или инертном газе (аргон, азот) приводит к увеличению размеров камеры  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -201- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование распыления. Однако здесь возможно получение гранул со сферической формой. Методом центробежного гранулирования можно получать гранулы и дробь алюминия, магния, свинца, цинка, олова и других металлов и сплавов с температурой плавления до 700 °С. ЦенН2О тробежное гранулирование, осуществляемое дроблением расплава вращающимся перфорированным стаканом, представлено на рис. 69. Одним из современных методов получения порошков является электроРис. 69. Схема центробежного импульсное распыление расплавов (ЭИР). гранулирования Электроимпульсное распыление расплавов предназначено для получения порошков и гранул из химически активных металлов и сплавов. Этот метод, обладая достоинствами метода распыления расплавов инертными газами (высокая производительность, получение чистых порошков и др.), позволяет, кроме того, снизить стоимость порошков благодаря применению для диспергирования дешевой и доступной электрической энергии. Метод заключается в том, что через струю жидкого металла 3 1 пропускается импульсный ток от генератора импульсов. Электромагнитные и тепловые 2 процессы в струе вызывают деление ее на капли, которые, застывая, образуют порошки и гранулы. Метод имеет несколько конст4 руктивных вариантов реализации. Согласно 5 первому варианту (рис. 70) в тигель 1 с жидким металлом 2 погружают электрод 3. Металл выпускают струёй 5 на другой электрод 6. Оба электрода подключены к специальному генератору электрических импульсов 4, 6 подача которых на струю синхронизирована с замыканием жидким металлом межэлекРис. 70. Вариант электроимпульсного распыления тродного промежутка. В соответствии со вторым вариантом между огнеупорной трубкой 6 и отверстием тигля формируется полая струя. Расталкивающее электромагнитное взаимодействие тока в струе и электрода приводит к дроблению расплава на капли. ЭИР позволяет получать чистые порошки и гранулы с размерами частиц 100−500 мкм, а также порошкообразные окислы металлов с размерами частиц 0,01−30 мкм. При механическом распылении жидкость получает энергию вследствие трения о быстровращающийся рабочий элемент (дисковый, чашечный, звездочный, конусный, сопловый и реактивный), приобретая вместе с ним вращательное движение. Под действием центробежных сил жидкость срывается  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -202- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование с распылителя (в виде пленок или струй) и дробится на капли. Достоинства механического распыления заключаются в возможности диспергирования высоковязких и загрязненных жидкостей и суспензий, регулирования их расхода без изменения дисперсности. Существенным недостатком механического распыления является значительная энергоемкость (15 кВт на 1 т жидкости), сложность изготовления и эксплуатации распылителей. Различают механические распылители двух групп: с непосредственной подачей жидкости на рабочий элемент и погружные (рис. 71). К первой группе относятся распылители, имеющие дисковые, чашечные, звездочные, сопловые и реактивные элементы, ко второй − дисковые и конусные. Жидкость Жидкость а б в г е ж д з Рис. 71. Механические распылители: а − с подачей жидкости на рабочий элемент; б − погружные; в−з − рабочие элементы (соответственно, дисковые, чашечные, звездочный, сопловый, реактивный, конусный) Пневматическое распыление обусловлено взаимодействием жидкости с распыливающим газом, а также образовавшейся смеси с окружающей средой. Достоинствами пневматического распыления являются малая зависимость качества диспергирования от расхода жидкости, надежность распылителей, возможность дробления высоковязких жидкостей. Недостатки пневматического распыления сводятся к высокой энергоемкости (50−60 кВт на 1 т жидкости), необходимости в распыливающем газе и оборудовании для его подачи. Форсунки этого типа разделяются на группы: по перепаду давления, по месту контакта (внешнее или внутреннее перемешивание), по характеру  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -203- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование движения потоков (прямоструйные или вихревые с закруткой газа либо жидкости) и т. д. (рис. 72). Жидкость Газ а Жидкость Газ Жидкость Газ Жидкость Газ б Рис. 72. Пневматические форсунки: а − внутреннего перемешивания с закруткой газа; б − внешнего перемешивания с закруткой жидкости а б Рис. 73. Акустические форсунки: а − со стержневым звуковым излучателем Гартмана; б − с газоструйным излучателем без стержня Акустическое распыление во многом сходно с пневматическим. Жидкость получает энергию при взаимодействии с потоком газа. Однако при этом газу сообщаются звуковые колебания, что обеспечивает более тонкое и однородное дробление. Данный способ экономичнее, чем пневматический, но распылители (конструктивное соединение источника колебаний генератора-излучателя и устройства для подачи жидкости) сложнее (рис. 73). При электростатическом распылении жидкости сообщают электростатический заряд. Под его действием струя (пленка) распадается на капли таких размеров, при которых силы взаимного отталкивания уравновешиваются силами поверхностного натяжения. Этот способ применяют в некоторых распылительных сушилках. При ультразвуковом распылении жидкость подается на колеблющийся с ультразвуковой частотой элемент пьезоэлектрического генератора и срывается с него в виде мелких капель. Недостатки обоих способов: дорогостоящее и сложное для обслуживания оборудование и малая производительность форсунок (0,5−6,0 кг/ч). Разработаны также иные, весьма перспективные способы распыления: пульсационный (дробление жидкости усиливается дополнительно создаваемыми пульсациями); с предварительным газонасыщением (для увеличения  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -204- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование поверхностной энергии жидкости в нее вводят инертный газ); электрогидравлический (при помощи высоковольтного электрического разряда); комбинированные (пневмогидравлический). Расчет технологических характеристик машин газоструйного распыления Для расчетного оценочного определения технологических характеристик машин газоструйного распыления необходимо знать основные химические свойства расплава (в том числе характер взаимодействия с огнеупорными материалами и газовыми энергоносителями), основные физические характеристики расплава (температуру плавления металла или сплава, температурные зависимости величин вязкости, поверхностного натяжения, плотности), требуемую форму частиц получаемого порошка, их дисперсность, дисперсность элементов внутренней структуры частиц, производительность машины. В зависимости от химических свойств, температуры расплава и требований к чистоте получаемого порошка (прежде всего по газовым и неметаллическим примесям) определяют: 1) тип плавильного агрегата и материал его футеровки; 2) атмосферу, в которой должен быть получен расплав; 3) способ герметизации плавильного агрегата и узла распыления (в случае не воздушной атмосферы); 4) распыляющий газ и требования к его чистоте. Поскольку машина должна обслуживаться не более чем двумя плавильными агрегатами, их производительность выбирается либо равной производительности узла распыления (при одном плавильном агрегате), либо вдвое меньшей (при двух агрегатах). Исходя из производительности определяют емкость тигля плавильного агрегата, емкость металлоприемника, его внутренние размеры, высоту столба металла относительно нижнего торца металлопровода. Зная высоту столба металла и требуемую часовую производительность (скорость истечения или массовый расход металла из отверстия металлоприемника), вычисляют необходимую для обеспечения требуемой производительности площадь сечения металлопровода для цилиндрических тиглей S0 по формуле S0 =  2SH , τμ 2 gh Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -205- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование где S − площадь поверхности расплава в тигле, м2; Н − высота столба расплава в тигле относительно нижнего среза металлопровода в начале истечения, м; τ − продолжительность опорожнения тигля, с; μ − коэффициент расхода; g − ускорение свободного падения, м/с2; h − текущая (уменьшающаяся по мере истечения) высота столба металла, м. Коэффициент расхода принимается равным 0,8 для цилиндрических металлопроводов и 1,2 − для металлопроводов типа диффузивного насадка. Размер d0 первичных капель (продуктов первичного распада струи расплава) определяют по формуле d0 = 1,2R0, где R0 − радиус металлопровода. Зная размер первичных капель, рассчитывают критическую скорость газовой струи vкр, м/с, необходимую для обеспечения их дальнейшего диспергирования: vкр = 1,25 16σ d 0ρг , где σ − поверхностное натяжение расплава в момент встречи с газовой струей, Н/м; d0 − диаметр первичной капли, м; ρг − плотность распыляющего газа, кг/м3. Определив величину М (число Маха) − отношение скорости газа к скорости звука в этом газе, находят давление Р, Н/м2, в критическом сечении газового сопла по формуле [ Р = Р0 1 + 0,5(К − 1)М 2 ] К −1 К , где P0 − давление в среде истечения газа (внутри камеры распыления), Па; K − показатель адиабаты − отношение величины теплоемкости газа при постоянном давлении Ср к теплоемкости при постоянном объеме Cv (для двухатомных газов К = 1,4). Зная величину М, можно определить также размеры и конфигурацию сопла (рис. 74): ( Fв = 1 + 0,2 М 2 Fкр ) 3 1,73М , где Fв − площадь выходного сечения сопла, м2; Fкр − площадь критического сечения сопла, м2.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -206- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 17 Диспергирующее оборудование Рис. 74. Распылительный узел форсунки со сверхзвуковым соплом и центральным телом: 1 − диффузор внутренней камеры; 2 − центральное тело сопла Секундный расход газа Gг, кг, рассчитывают по формуле Gг = vкр Fв ρг. . Среднюю дисперсность продуктов вторичного диспергирования вычисляют по формуле 585 ⎛ σ ⎞ ⎜ ⎟ dср = vкр ⎜⎝ ρм ⎟⎠ 0, 5 ⎛ h ⎞ ⎟ + 600⎜⎜ ⎟ ⎝ ρм ⎠ 0, 45 103 Gг , Gм где dcр − диаметр продукта вторичного диспергирования − пряди с длиной t = (5−10)dcр, м; ρм − плотность расплава, кг/м3; Gм − секундный расход расплава, кг/с. Контрольные вопросы и задания 1. Какие существуют схемы распылительных устройств? 2. Объясните принцип работы жидкоструйных распылителей. 3. Как работают центробежные распылители? 4. Как осуществляется пневматическое распыление? 5. Какие исходные данные необходимы для расчета установки центробежного распыления? 6. Как устроен распылительный узел? ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы План лекции 1. Плазмохимические реакторы. 2. Реакторы металлотермического восстановления. 3. Реакторы разложения-восстановления химических соединений. 4. Гидрометаллургические реакторы-автоклавы.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -207- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы 5. Газофазные реакторы (испарители-конденсаторы) для получения порошков). 6. Реакторы для нанесения покрытий на частицы порошков. Наиболее широко применяемыми в порошковой металлургии видами химических реакторов являются: высокотемпературные плазмохимические реакторы, реакторы для получения порошков методами металлотермического восстановления химических соединений, реакторы для получения порошков разложением-восстановлением химических соединений в газовой фазе, гидрометаллургические реакторы-автоклавы для получения порошков методами химического осаждения из растворов и нанесения покрытий на частицы порошков тем же методом. К химическим реакторам может быть отнесено также оборудование для получения порошков методами восстановления химических соединений газообразными (Н2, NH3, CO и др.) и твердыми (углерод) восстановителями и синтеза порошков сплавов и соединений из элементов, а также химикотермической обработки порошков, однако это оборудование может рассматриваться и как печное. Основными видами массообменных реакторов являются газофазные реакторы (испарители-конденсаторы), сушильные устройства, смесители и сепараторы. Плазмохимические реакторы Плазмохимические реакторы в порошковой металлургии применяются для получения порошков методами восстановления химических соединений и синтеза соединений из элементов; термической обработки порошков с целью изменения формы частиц (в частности, получения порошков с частицами сферической формы); нанесения покрытий на частицы порошков. В реакторе для получения порошков тугоплавких металлов плазменным восстановлением их оксидов основными узлами являются корпус, плазмотрон, реакционная камера, труба отжига порошка, устройство ввода восстанавливаемого продукта в плазменную струю, системы поджига дуги, электропитания, газоснабжения, водоохлаждения, разгрузочное устройство, рукавные фильтры (рис. 75). Корпус − базовый узел установки, представляющий собой водоохлаждаемую цилиндрическую обечайку диаметром 1 500 мм с коническим дном и плоской верхней съемной крышкой. Внутри корпуса расположен ряд устройств, назначение которых будет пояснено ниже.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -208- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы 5 Система электропитания Система поджига дуги Система газоснабжения 4 3 6 Система водоохлаждения 2 1 7 Рис. 75. Структурная схема установки для получения порошков тугоплавких металлов плазменным восстановлением оксидов: 1 − корпус; 2 − рукавные фильтры; 3 − реакционная камера; 4 − плазмотрон; 5 − плазменная струя; 6 − труба отжига порошка; 7 − разгрузочное устройство На верхней крышке корпуса устанавливают дуговой плазмотрон (плазмогенератор) струйно-коаксиального типа (рис. 76). Плазмотрон состоит из массивного медного корпуса 4, катода 1, в качестве которого используют стержень из торированного вольфрама, анода 2, представляющего собой медную толстостенную трубку, соленоида 3, магнитопровода 5, изолятора 6, патрубков подвода и отвода охлаждающей воды. Принцип работы. Межэлектродное пространство (разрядная камера) продувают инертным газом, после чего туда подают водород из системы газоснабжения. Из системы водоснабжения поступает вода, охлаждающая детали плазмотрона. На электроды плазмотрона подается высокое Рис. 76. Струйно-коаксиальный напряжение от блока поджига дуги, происдуговой плазмотрон ходят пробои межэлектродного промежутка, электроды отключаются от блока поджига и подключаются к блоку силового питания. В результате в межэлектродном пространстве формируется стационарный дуговой разряд. С помощью соленоида в межэлектродном пространстве создается магнитное поле, стабилизирующее дугу и заставляющее анодное пятно дуги перемещаться по поверхности анода, чем предотвращается его проплавление. Магнитопровод, внутри которого заклю-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -209- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы чен соленоид, служит средством концентрации магнитного потока в межэлектродном пространстве. Все детали плазмотрона охлаждаются водой, поток которой внутри плазмотрона распределяется коллектором. Питание плазмотрона технологическим током осуществляется от тиристорного выпрямителя, высокое напряжение поджига подается на электроды с батареи конденсаторов. В качестве генераторов плазмы могут использоваться также высокочастотные плазмотроны. Восстанавливаемый продукт вводится из бункера в струю транспортирующего газа (водорода) дозирующим шнековым питателем, проходит сквозь каналы в теле магнитопровода и вводится в плазменную струю в точке, расположенной несколько ниже среза анода плазмотрона − «под срез сопла». Расход порошка составляет 10−60 кг/ч. Оксид, введенный в плазменную струю в виде порошка, нагревается, переводится в парообразное состояние, перемешивается с газомвосстановителем и восстанавливается до металла в объеме, называемом реакционной камерой. На выходе из реакционной камеры температура струи резко падает, что приводит к закалке продуктов реакции и предотвращению обратных реакций окисления полученного металлического порошка. Под действием газовых потоков, циркулирующих внутри корпуса, порошок, покинувший зону закалки, разделяется на две фракции: крупная попадает в донную часть корпуса, а мелкая оседает на поверхности десяти рукавных фильтров из нержавеющей сетки (металлоткани), установленных внутри корпуса и соединенных с отсасывающим вентилятором системы регенерации восстановительного газа. Фильтры периодически встряхиваются импульсным противотоком водорода, благодаря чему мелкая фракция также направляется в донную часть корпуса. Из донной части порошок шнековым транспортером направляется в водоохлаждаемые емкости, заполненные инертным газом. Система водоснабжения включает емкость с умягченной водой, блок теплообменников, водяной насос, напорный и сливной коллекторы. Охлаждение воды в теплообменниках осуществляется рассолом, который, в свою очередь, охлаждается в холодильной машине и перекачивается специальным насосом. Основными контролируемыми параметрами являются расход воды, давление воды на входе в плазмотрон и температура воды на выходе из плазмотрона (табл. 16).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -210- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы Таблица 16 Техническая характеристика установки Параметр Значение Мощность, кВт: установленная номинальная 370 300 Предельный ток дуги, А 800 Напряжение на дуге, В: номинальное поджига 400 540 Номинальный расход водорода, г/с: общий через плазмотрон 2,5 1,5 Избыточное давление водорода в сети, МПа 0,05 Температура водорода на выходе из плазмотрона, К 3400 Давление охлаждающей воды, МПа 0,95 Температура охлаждающей воды, °С 35 Номинальная производительность (по триоксиду вольфрама), кг/ч 60 Размеры, мм Масса, т 2 800x2 800x5 000 6,5 Создание плазмохимических реакторов возможно также на основе безэлектродных высокочастотных плазмотронов. Основными преимуществами таких реакторов являются отсутствие продуктов эрозии электродов, загрязняющих получаемые продукты, и большая долговечность. Струйные плазменные реакторы, в которых плазму получают в виде сформированной струи, подразделяются на прямоточные и со встречными струями (рис. 77). Увеличение времени контакта реагирующих веществ и интенсификация тепло- и массообмена по сравнению с простейшими струйными прямоточными плазменными реакторами достигается в реакторах, работающих по схеме встречных струй, в реакторах открытого типа, в реакторах циклонного типа, а также при наложении на объёмный высокочастотный разряд постоянных электрического и (или) магнитного поля. Для создания равномерного температурного поля плазменного потока, повышения его мощности, улучшения смешения реагентов и интенсификации тепло- и массообмена перспективны многодуговые плазмохимические реакторы.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -211- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы 1 1 2 3 2 3 4 4 5 5 а б Рис. 77. Схемы плазмохимических агрегатов со струйным реактором: а − прямоточного типа; б − со встречными струями; 1 − плазмотрон; 2 − узел подачи сырья; 3 − плазменный реактор; 4 − закалочный агент; 5 − узел улавливания и обработки продуктов Расчет технологических характеристик. Основой технологического расчета плазмохимического реактора являются уравнения энергетического баланса. Плазменный энергоноситель (ионизированные газы и их смеси) из генератора направляется в реактор, куда вводится также сырье для переработки. В проточном генераторе плазмы единичная масса энергоносителя получает энергию, Дж/кг: hг = Nг − Qг Nг = ηг , Mэ Mэ где Nг − мощность энергии, введенной в генератор, Вт; Qг − теплопотери в генераторе, Вт; Мэ − поток массы энергоносителя, кг/с; ηг − коэффициент полезного действия плазменного генератора, ηг = 1 − (Qг/Nг). Оценка энергоносителя по усредненной среднемассовой энтальпии, введенной в генератор Δhг , является приближенной. Усредненная полная энтальпия единичной массы энергоносителя Δh , поступающего из генератора плазмы в реактор, составит, Дж/кг: Δh = h1 + Δh2 ,  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -212- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы где h1 − полная энтальпия единичной массы энергоносителя на входе в генератор. Баланс энергии в плазмохимической установке в условиях квазистационарного режима представляет равенство M э h1 + N г ηг + M c hc = ( M э + M c ) ∑ g j h j + Qp , где Мэ, Мс − потоки масс энергоносителя и сырья, кг/с; h1 , hc , h j − усредненные полные энтальпии, соответственно, энергоносителя при входе в генератор, сырья при входе в реактор и продуктов при выходе из реактора; Qp − теплопередача стенкам реактора; gj − массовые доли компонентов в потоке при выходе из реактора. Энергию, расходуемую для получения целевых продуктов в плазмохимической установке, Дж/кг, определяют по формуле Nг 1 Nг , = ⋅ M ц gц M с где gц − массовая доля целевых продуктов, получаемых в реакторе, gц = Мц/Мс. Энергию, расходуемую на переработку сырья, Дж/кг, рассчитывают следующим образом: Nг 1 = M с ηг ( ) ⎡ М ⋅ ⎢ ∑ g j h j − hс + э Мс ⎣ (∑ g j ) h j − h1 + Qр ⎤ . М с ⎥⎦ Для уменьшения расхода энергии на получение целевых продуктов в плазмохимической установке необходим высокий КПД генератора плазмы и минимальные потери энергии на охлаждаемые стенки реактора. Для переработки заданного количества сырья Мс при известной энергии, вкладываемой генератором плазмы hг , находится расход массы энергоносителя: Qр Мэ Мс , = Мс h1 + Δhг − ∑ g j h j ∑gj h j − hс + где Δhг − усредненная среднемассовая энтальпия. При этом во всех случаях должно выполняться условие: Δhг ∑ g j h j − h1  > 1. Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -213- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы Требуемая температура в реакционной зоне, которая должна отвечать составу продуктов с целевыми компонентами, оценивается предварительным термодинамическим расчетом реагирующей системы веществ. Реальные показатели зависят от физико-химической кинетики процессов, протекающих в реакторе. Высокий потенциал энергоносителя, вводимого в реактор ( h1 + Δhг ), способствует ускорению процессов физико-химических превращений и переработки сырья в реакторе. Возможность получения энергии высокого потенциала в плазменных генераторах и использование этой энергии для технологии является большим преимуществом плазмохимических установок. Реакторы металлотермического восстановления Реакторы этого типа рассматриваются на примере аппарата для получения порошка титана магнийтермическим восстановлением его тетрахлорида (рис. 78). Реактор представляет собой шахтную печь 2, в рабочем пространстве которой размещена реторта 7, выполненная из биметаллического листа: внутренний слой − углеродистая сталь, наружный − жаропрочная хромоникелевая сталь. На крышке реактора 6, обеспечивающей его вакуум-плотную герметизацию, располагают патрубок вакуумирования 1 и ввода аргона 3, узлы ввода жидкого магния 4 и паров тетрахлорида титана 5. Хлористый магний, накапливающийся в реакторе, периодически сливают через узел слива, включающий перфорированную мембрану 13, запорную иглу 12, песочный затвор 11 и привод запорной иглы 10. Регулирование теплового режима аппарата осуществляют путем включения-выключения нагревателей 9 и обдува реторты сжатым воздухом, подаваемым через коллекторы. Температуру стенок реторты измеряют с помощью термопар 8. Работа аппарата обеспечивается системой автоматического регулирования. Поддержание заданного температурного режима в нижней зоне печи осуществляют при помощи регулятора, управляющего работой нагревателей нижней зоны по сигналу термопары. Сигналы от термопар поступают на релейное устройство, которое управляет работой нагревателей верхней зоны, а также приводом поворотных заслонок. Достижение в одной из зон максимально допустимой температуры приводит к включению вентилятора, а перекидные заслонки с помощью электропневматических клапанов приводятся и положение, обеспечивающее обдув зоны реторты с повышенной температурой. При приближении температуры в верхней части реторты к предельно допустимому значению по сигналу одной из термопар, расположенных на крышке, электропневматический клапан прекращает подачу тетрахлорида. Программное регулирование расхода тетрахлорида осуществляется задатчиком, устанавливаемым в линии, и клапаном, а измерение и интегрирование его расхода − ротаметрическим датчиком прибора. Давление в реторте измеряют и регулируют датчиком давления и электроконтактным манометром. Подачу аргона для поддержания нужного избыточного давления регулируют пневматическим клапаном и элек-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -214- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы тропневматическим клапаном, связанным с манометром через релейный блок. Масса, образующаяся в реторте к концу восстановления, содержит 55−60 % титана, 25−35 % магния и 9−12 % дихлорида магния. 2 3 4 5 6 7 1 8 13 9 12 11 10 Рис. 78. Аппарат магнийтермического восстановления титана Основной узел установки − шахтную печь рассчитывают по общей методике расчета электротермических печей периодического действия с косвенным нагревом. Реакторы разложения-восстановления химических соединений Основными областями применения реакторов этого типа являются получение высокодисперсных и высокочистых порошков железа, кобальта, никеля и их сплавов, нанесение покрытий из этих металлов на частицы порошков других металлов, сплавов и соединений, получение порошков тугоплавких металлов разложением (восстановлением) их галогенидов в водороде. Реакторы первой группы эксплуатируют в составе технологических линий, включающих блоки получения карбонилов и их разложения с получением порошка. Типовые конструкции испарителей диаметром и высотой 0,5 м приведены на рис. 79. Аппарат разложения представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд высотой до 5 м, диаметром до 1 м с газовым или электрическим наружным обогревом. Основной контролируемый параметр − температура в фиксированных точках рабочего объема аппарата.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -215- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы а б в Рис. 79. Испарители пентакарбонила с наружной рубашкой (а), с внутренним змеевиком (б), с барботером (в), через который подается оксид углерода: 1 − ввод карбонила; 2 − ввод продувочного газа; 3 − обогреваемый змеевик; 4 − обогреваемая рубашка; 5 − штуцер ввода пара и вывода конденсата; 6 − пористый барботер; 7 − уровнемер мембранного типа Главными направлениями развития технологических линий получения карбонильных порошков являются оснащение их устройствами для разделения порошков по фракциям непосредственно в процессе получения и применение подачи в аппарат разложения жидкого карбонила, распыленного с помощью форсунок (рис. 80). К преимуществам последнего метода относятся возможность более полной автоматизации процесса, увеличение точности дозировки карбонила и соответствующая стабилизация качества порошка, упрощение технологической схемы за счет изъятия из нее напорных баков, испарителей, обогреваемых трубопроводов. Производительность технологической линии получения карбонильного железа составляет 5−10 кг/ч. При эксплуатации оборудования по получению карбонильных порошков необходимо принимать во внимание очень сильную токсичность паров карбонилов. Восстановление галогенидов металлов (например, WF6, WC15, MoF6, MoCl5) водородом осуществляют на установках кипящего слоя (рис. 81). Пары галогенида из испарителя 1 потоком аргона при помощи газодувки или вентилятора высокого давления 3 переносятся в реактор кипящего слоя 4. Реактор представляет собой цилиндрический обогреваемый снаружи сосуд из нержавеющей стали, плакированный изнутри слоем получаемого металла. Нижняя часть сосуда − пористая подина, спеченная из крупного порошка того же металла. На подине располагается слой тонкого порошка получаемого металла − затравка.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -216- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы 2 5 3 4 1 Рис. 80. Схема блока разделения карбонильных порошков на фракции непосредственно в процессе получения: 1 − испаритель карбонила; 2 − обогреваемый трубопровод; 3 − аппарат разложения; 4 − циклоны; 5 − рукавный фильтр H2 Вода Ar + H2 + HF 7 5 6 4 9 8 Ar + H2 3 1 2 HCl или HF Рис. 81. Схема установки для получения порошков восстановлением галогенидов в кипящем слое Под подину вводят смесь водорода и аргона со скоростью, необходимой для перевода порошка-затравки в псевдоожиженное состояние, после чего реактор разогревают до требуемой температуры. Полученный порошок более крупный, чем порошок затравки, оседает па подине и периодически выводится из реактора при помощи трубки 2. Смесь аргона, водорода и непрореагировавшего галогенида, прошедшую фильтр 5 и холодильник 6, направляют в скруббер 8. Кислоту, образовавшуюся в результате поглощения галогенида водой, выводят из нижней части скруббера,  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -217- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы смесь газов поднимается в его верхнюю часть и выводится отсюда в осушительные колонки 7. Осушенную смесь направляют в реактор 9, где водород поглощается нагретой титановой губкой, а непоглощенный аргон направляется в систему. Губку периодически дегидрируют, получая водород, который также направляют в систему. При технологическом проектировании оборудования по заданной производительности, степени извлечения металла из галогенида и составу восстановительного газа определяют объем реактора, его температуру, параметры газовых потоков (давление, расход) и соответствующие им параметры побудителей расхода. Гидрометаллургические реакторы-автоклавы Реакторы-автоклавы применяют в порошковой металлургии для получения порошков методом восстановления их соединений в растворах при повышенном давлении газообразными восстановителями (химическим осаждением), для нанесения покрытий на частицы порошков тем же методом либо в условиях, когда материал покрываемых частиц сам является твердым восстановителем, для рафинирования порошков путем избирательного растворения примесей. Основными процессами в рабочем объеме автоклавов являются перемешивание реагентов, их контактирование и осуществление реакции между ними. Основными элементами конструкции автоклава вертикальной компоновки (рис. 82) являются корпус 1 − цилиндрическая оболочка с рубашкой (рис. 82, а) или без нее, крышка 2, присоединяемая к корпусу (через уплотнительную прокладку) при помощи болтов, привод мешалки 3, мешалка 4, перегородки 5. Температурный режим автоклавов с двухслойным корпусом (рубашкой) обеспечивается циркулирующей в рубашке холодной (горячей) водой или паром. Автоклавы с двухслойным корпусом размещают в рабочем пространстве шахтной печи 6 (рис. 82, б). На корпусе автоклава располагаются штуцера для ввода сырья и вывода продуктов реакции, ввода и вывода газа, с помощью которого внутри автоклава создают избыточное давление, предохранительный клапан, манометр, датчик температуры, патрубки ввода и вывода среды, циркулирующей в рубашке, и ряд других. На корпусе находятся также смотровое окно и люк для доступа внутрь автоклава без снятия крышки. Автоклавы вертикальной конструкции работают при давлениях внутри корпуса до 10 МПа при вместимости корпуса до 630 л и используются в основном в экспериментальных, малотоннажных и многономенклатурных производствах.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -218- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы 3 2 4 5 1 а 6 б Рис. 82. Вертикальные автоклавы с однослойным (а) и двухслойным (б) корпусами Рис. 83. Схема горизонтального крупногабаритного автоклава В крупнотоннажных производствах порошков меди, никеля, кобальта эксплуатируют многокамерные горизонтальные автоклавы (рис. 83), основными элементами которых являются привод перемешивающего устройства 1, межкамерная перегородка 2, регулирующий затвор 3, патрубок для ввода сырья 4, отражатели 5, змеевик 6, патрубок для ввода газов 7, патрубок для выгрузки продуктов реакции 8. Длина автоклавов достигает 13 м, диаметр − 3 м, вместимость − 120 м3. Горизонтальные автоклавы работают при давлениях до 7 МПа и температурах до 523 К. Газофазные реакторы (испарители-конденсаторы) для получения порошков Порошки многих металлов и сплавов могут быть получены путем испарения металла с поверхности расплава с последующей конденсацией паров  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -219- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы в газовом объеме или на твердой поверхности с пониженной температурой. По тому же принципу могут быть получены покрытия на поверхности порошков. На рис. 84 представлена схема установки с конденсацией паров в газовой фазе. Процесс получения порошков на примере алюминия осуществляют следующим образом. Тигель с металлом помещают в герметичный корпус аппарата, создают разряжение, заполняют аппарат аргоном или гелием до давления 6,25−62,5 Па. Температуру тигля повышают (нагрев индукционный) до 1 520−1 770 К, при этом происходит испарение алюминия и образование в объеме над тиглем порошка, Рис. 84. Аппарат для получения порошков который оседает на стенки, а затем испарением-конденсацией в вакууме: ссыпается в бункер, расположенный в 1 − тигель с расплавом; 2 − пруток, нижней части аппарата. Процесс ведут подаваемый в тигель; 3 − вакуумные непрерывно, алюминий подают в насосы; 4 − источник питания; гель в виде прутка, протягиваемого с 5 − емкость с нейтральным газом; определенной скоростью через 6 − бункер никовое уплотнение. Бункер с ком периодически отсекают от объема аппарата и заполняют нейтральным газом до атмосферного давления; порошок заливают жидкостью, щей его от окисления, например бензином или парафином, и извлекают. лученный этим способом порошок алюминия абсолютно черного цвета имеет размер частиц 0,03 мкм, насыпную плотность 0,08 г/см3, не содержит примесей. Достоинством установок с конденсацией паров в газовой фазе является простота их конструкции, недостатком − ограниченные возможности регулирования свойств получаемого порошка, поскольку такое регулирование может осуществляться всего лишь двумя управляющими воздействиями: регулированием температуры расплава и глубины вакуума. Более широкие технологические возможности имеет аппарат, в котором конденсация паров происходит в основном на твердой охлаждаемой поверхности (рис. 85).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -220- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы Аппарат представляет собой кальную реторту длиной 1 370 и диаметром 200 мм из жаропрочной стали с наружным обогревом. Кристаллизатор выполнен в виде двух автономно охлаждаемых горизонтальных полок, расположенных одна под другой перпендикулярно потоку парогазовой смеси. К поверхности каждой полки прилегают вращающиеся танталовые ножи. В верхней части аппарата располагается испаритель, состоящий из 6 тарелей в форме сегментов, укрепленных на общих металлических стержнях. Реторта снабжена боковым бункером для порошка (кристаллов) и ворошителем. Аппарат используют для получения порошков магния и кальция в режиме принудительной подачи парогазовой Рис. 85. Аппарат для получения смеси при атмосферном давлении. Маккрупнозернистых порошков: симальная температура испарителя со1 − реторта; 2 − полка кристаллизатора; ставляет 1 373 К, кристаллизатора − 3 − вращающиеся ножи; 4 − тепло303−353 К. Производительность аппарата изоляция нагревателя; 5 − нагреватель; равна 80 кг крупнокристаллического по6 − тарелки испарителя; 7 − механизм рошка магния в сутки. привода ножей; 8 − бункер; Принцип работы. Тарели испари9 − ворошитель теля заполняют кусочками металла и помещают в реторту, которую затем герметизируют, эвакуируют из нее воздух, неоднократно заполняют и промывают нейтральным газом. Включают обогрев, систему охлаждения кристаллизатора и приводят во вращение ножи. По достижении рабочей температуры начинают принудительную подачу газа с заданной скоростью. По окончании технологического цикла процесс останавливают в обратной последовательности. Газ, проходя над тарельчатым испарителем, насыщается паром, который затем претерпевает превращение непосредственно на поверхности полочного кристаллизатора, осаждаясь в виде множества кристаллов, легко удаляемых с поверхности ножом и ссыпающихся в бункер. Скапливание их в верхней части бункера предотвращается ворошителем, приводимым в движение извне. Дисперсность кристаллов регулируется режимом процесса и длительностью их пребывания на поверхности полок, определяемой скоростью вращения ножа. Размер кристаллов может составлять от 100 мкм до нескольких миллиметров. Форма их преимущественно дендритная, пластинчатая, частицы монокристалличны. Работу установки можно вести в двух режимах − нестационарном и стационарном. Нестационарный режим характеризуется относительно боль-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -221- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы шим перепадом температур и парциальных давлений пара в направлении от поверхности испарителя к поверхности кристаллизатора. Конденсация пара осуществляется в основном в газовой фазе над поверхностью кристаллизатора. По мере роста толщины слоя порошка на поверхности кристаллизатора температура фронта кристаллизации повышается, кристаллизация протекает на твердой поверхности, градиент температур и парциальных давлений уменьшается и достигает равновесного значения − работа установки переходит в стационарный режим. Чем толще слой порошка на поверхности кристаллизатора, тем более полидисперсным является получаемый порошок. Установка для получения высокодисперсных порошков в непрерывном режиме (рис. 86) состоит из герметичного водоохлаждаемого корпуса 1 со смотровыми окнами объемом около 13 м3. Внутри него размещены графитовый тигель 2 с центральным патрубком для ввода нейтрального газа и индуктор 3. Нижняя часть тигля используется в качестве испарителя, верхняя − служит камерой конденсации. Максимальная мощность индуктора составляет 100 кВт. Источником питания служит механический преобразователь марки ВПЧ-100-2400-4. Рис. 86. Установка непрерывного действия для получения высокодисперсных порошков В пространство между забетонированным индуктором и графитовым тиглем засыпана теплоизолирующая графитовая крошка 4. Для заполнения испарителя жидким металлом снизу в корпус аппарата вводится обогреваемая снаружи барометрическая труба 5, соединяющая плавильную печь 6 и испаритель. Выше тигля расположен кристаллизатор 12, непосредственно охлаждаемый изнутри водой, с прилегающим к нему съемным устройством 11. Порошок с ножа по лотку 10 ссыпается в нижнюю коническую часть аппарата, откуда через шлюз 9 поступает в разгрузочный бункер 8, имеющий герметичный люк 7. Разгрузка ведется без нарушения технологического цикла:  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -222- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы бункер отсекается от верхней части аппарата, автономно заполняется газом, происходит пассивация и выгрузка продукта через люк. Расчет технологических характеристик. При технологическом проектировании газофазных реакторов необходимо определить основные технологические параметры установки с учетом заданной ее производительности и дисперсности получаемого порошка. Гh d2 Фронт роста xt d1 Приемник Г1 б Гt d1 а xh Г2 h h α Источник u1 x Источник в Г1 d2 h x Источник u2 г Рис. 87. Схема к расчету основных технологических параметров газофазного реактора для цилиндрических (а, в) и сферических (б, г) моделей: а, б − нестационарная задача; в, г − стационарная задача Производительность (массовая скорость кристаллизации) описывается уравнением Мг ( Р1 − Р2 ) 2 π RТ , G= μF Мп 1 + αс Кк Р G 2πRТ αc Kк где αс − коэффициент конденсации, для большинства металлов близкий к единице; Кк − размерная константа, позволяющая пользоваться системой единиц СИ; Мп − молекулярная масса испаряемого вещества; R − универсальная газовая постоянная; Т − средняя температура в рабочем пространстве реактора, равная средней арифметической температур испаряемого расплава и поверхности кристаллизации; Р1 − парциальное давление пара у источника; является функцией степени нестационарности процесса (рис. 87); Р2 − парциальное давление пара у поверхности кристаллизации, является функцией равновесного давления пара и степени разбавления паров транспортирующим газом; Р − общее давление внутри рабочего пространства; μ − парциальная доля паров испаряемого вещества; F − геометрический параметр ячейки, рассчитываемый при d2 ≤ d1 + 2h по формуле  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -223- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы F= 2d 2 , ⎡ ( d 2 − d1 ) 2 ⎤ d1 ⎢1 + 1 − ⎥ 4h 2 ⎥⎦ ⎢⎣ при других соотношениях d1, d2, h − по формуле F = 2(1 + 2 h/d1), здесь d1 − диаметр кристаллизатора; d2 − диаметр источника пара; h − расстояние между источником пара и кристаллизатором. а б Рис. 88. Зависимость степени стационарности поля парциальных давлений пара от продолжительности процесса и координаты точки: а − массообмен по механизму молекулярной диффузии при ρ1 = 0,05; б − массообмен для различных по составу смесей при ρ1 = 0,55 (поле давлений вблизи приемника при ρ = 1) Зависимость крупности порошков от условий осаждения описывается уравнениями: при использовании в качестве транспортирующего газа гелия ⎛ 28 ⎞ ∑кр = 0,076exp⎜⎜ ⎟⎟Т иτ , ⎝ Tк ⎠ при использовании в качестве транспортирующего газа аргона ⎛ 74 ⎞ ∑ кр = 0,025 exp ⎜⎜ ⎟⎟Т и τ , ⎝ Tк ⎠ где ∑кр − суммарное относительное содержание фракции +0,1 мм в получаемом порошке; Тн, Тк − температуры испаряемого расплава и кристаллизатора соответственно; τ − безразмерная (относительная) продолжительность осаждения. Зависимость степени стационарности поля парциальных давлений пара от продолжительности процесса и координаты точки представлена на рис. 88, где ρ = r/r2,  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -224- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы ⎛ V − V∞ ⎞ ⎟⎟ ⋅ θ ⋅ 100 , у = ⎜⎜1 − ⎝ V0 − V∞ ⎠ где V = Р/Р2 (Р − среднее парциальное давление пара); V∞ − давление пара в данной точке в установившемся режиме; V0 − то же в начальный момент времени; θ − безразмерное время, D0 P0T 1,5 θ= t, hP2T01,5 где t − реальное время; D0, P0, Т0 − коэффициент диффузии, общее давление и температура при нормальных условиях, ρ1 = r1/r2. Реакторы для нанесения покрытий на частицы порошков Оборудование для нанесения покрытий на поверхность частиц методом вакуумной металлизации состоит из трех основных блоков: испарителя, который генерирует поток паров осаждаемого материала, перемешивателя порошка, обеспечивающего многократное контактирование каждой частицы с парами осаждаемого материала, и вакуумной системы. По типу перемешивающего устройства металлизационные установки разделяются на установки центробежного (барабанного) типа, вибрационного типа и на установки со свободным падением частиц. В установке барабанного типа перемешивание порошка происходит благодаря циклическому изменению скорости вращения барабана: при увеличении скорости частицы движутся по стенке барабана снизу вверх, при уменьшении − скатываются на дно (рис. 89). Для металлизации высокодисперсных порошков используют установки со свободным падением частиц, схема одной из которых представлена на рис. 90. Порошок из верхнего вибробункера свободно ссыпается в нижний, проходя при этом сквозь облако паров осаждаемого металла. После того, как весь порошок пересыпается в нижний бункер, его вновь возвращают в верхний, и цикл повторяется. Испарители материала покрытия представляют собой лодочки или тигли, заполненные этим материалом и нагреваемые прямым пропусканием тока или электронным пучком. В некоторых установках используют принцип катодного распыления или комбинацию нескольких способов.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -225- Система откачки РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы Рис. 89. Установка вакуумной металлизации порошков барабанного типа: 1 − катод испарителя; 2 − вакуумная камера; 3 − блок контроля; 4 − тигель испарителя; 5 − датчик толщины покрытия; 6 − барабан; 7 − нагреватель порошка; 8 − водоохлаждаемое уплотнение; 9 − двигатель Рис. 90. Установка вакуумной металлизации порошка в состоянии свободного падения: 1 − вакуумная камера; 2 − вибропривод; 3 − верхний бункер; 4 − испаритель; 5 − нижний бункер; 6 − электроввод нагревателя Технологический расчет установки для нанесения покрытий на порошки включает в себя определение длительности пребывания частицы порошка в зоне осаждения покрытия, выбор типа и вычисление мощности испарителя, установление температуры покрываемого порошка, глубины вакуума, расстояния между испарителем и поверхностью порошка, способа перемешивания и режимов работы перемешивающих устройств. Заданными величинами при расчете являются материалы порошка и покрытия, дисперсность порошка, толщина покрытия, технологические свойства порошка, производительность. Ниже представлена техническая характеристика отечественной опытно-промышленной установки «Эликон-5» для металлизации порошков (табл. 17). Таблица 17 Технические характеристики металлизационной установки «Эликон-5» Параметр Дисперсность покрываемых порошков, мм Значение 2−0,02 3 Вместимость, см : камеры предварительного обезгаживания порошка перемешивателя Тип перемешивателя  1500 50 Вибрационный Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -226- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы Продолжение табл. 17 Параметр Максимальная температура в перемешивателе, К Источник вибраций Тип испарителя Мощность испарителя, кВт Объем вакуумной камеры, м3 Значение 773 Электродинамический привод ВЭДС-100 Электронно-лучевой 20 0,7 1,33·10−2 Рабочий вакуум, Па Производительность, мз/ч, при нанесении слоя покрытия толщиной 1 мкм: титана меди Режим работы 60 480 Полунепрерывный Рис. 91. Универсальная установка для плазменно-порошковой наплавки ПМ-300А  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -227- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы Рис. 92. Компоновочная схема установки ПМ-300: 1 − плазмотрон; 2 − механизм колебаний; 3 − блок корректировки продольного и поперечного перемещений; 4 − механизм подъема; 5 − питатель; 6 − стойка; 7 − блок поджига дуги; 8 − подвижная платформа; 9 − каретка; 10 − механизм ручного перемещения стола; 11 − механизм включения-выключения маточной гайки; 12 − блок управления перемещением стола; 13 − станина; 14 − манипулятор Основными направлениями развития металлизационного оборудования является повышение предельных температур испарителя и покрываемого порошка, увеличение коэффициента использования материала покрытия, автоматизация и обеспечение непрерывности процесса. Для механизированной плазменно-порошковой наплавки плоских, цилиндрических, конических и торцевых поверхностей различных деталей с целью защиты поверхностей от износа, коррозии или придания им специальных свойств рекомендуется применение универсальной установки для плазменно-порошковой наплавки ПМ-300А (рис. 91,рис. 92), которая позволяет осуществлять наплавку как внутренних, так и наружных поверхностей деталей. Контрольные вопросы и задания 1. Какие химические реакторы применяются в порошковой металлургии? 2. Из каких элементов состоит плазмохимический реактор? 3. Опишите принцип работы плазмотрона. 4. Какие исходные данные необходимы для расчета плазмохимических реакторов?  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -228- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 18 Химические и массообменные реакторы 5. Опишите принцип работы аппарата магнийтермического восстановления. 6. Какие процессы протекают в гидрометаллургических автоклавах? 7. Какие исходные данные необходимы для расчета газофазных реакторов? 8. Какие аппараты применяются для нанесения покрытий на порошки? ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование План лекции 1. Вибрационные сепараторы-сита. 2. Пневматические сепараторы. 3. Гидроциклоны. 4. Магнитные сепараторы. Сепарирующее оборудование предназначено для выполнения следующих технологических задач: очистки порошков от примесей, разделения (фракционирования, сепарации) порошков на фракции по тому или иному признаку, выделения твердой составляющей из пылегазовых потоков и суспензий в основных технологических процессах, системах аспирации и мокрого пылеудаления. Признаками разделения порошков могут быть размеры и форма частиц, плотность материала, коэффициенты внешнего трения, упругие и магнитные свойства. В подавляющем большинстве видов сепарирующего оборудования разделение осуществляется по совокупности нескольких признаков: в этом случае один из них является основным, а остальные сопутствующими. Основными технологическими показателями сепараторов являются: производительность; число фракций на выходе из аппарата; коэффициенты, которые характеризуют количество целевого компонента, попавшего в соответствующую фракцию, отнесенное либо к количеству компонента в исходной смеси (коэффициент извлечения), либо к количеству этой фракции (коэффициент чистоты фракции, разрешающая способность сепаратора по данной фракции). Основными видами сепарирующего оборудования в порошковой металлургии являются вибро-, пневмо- и гидросепараторы, магнитные сепараторы.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -229- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование Вибрационные сепараторы-сита Вибрационное сито (рис. 93) содержит короб 1, ситовое полотно 2, подвеску 3, опорную раму 4, привод-вибровозбудитель 5. Конструкции вибрационных сепараторов. Существуют сита непрерывного и периодического действия. На рис. 94 представлены основные кинематические схемы вибрационных сит. а б в Рис. 93. Схемы вибрационных сит: а − односеточного; б − многосеточного с вертикальным расположением коробов; в − то же с горизонтальным расположением  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -230- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование а б в г д е Рис. 94. Схемы качающихся сит: а − на шарнирных подвесках; б − на шарнирных опорах; в − на пружинных опорах; г − на кривошипных опорах; д − на кривошипной опоре и шарнирной подвеске; е − на шарнирной и кривошипной опорах Рабочим органом вибрационного сита является колеблющийся ситовой канал (замкнутая ситовая камера − в ситах периодического действия), образованный ситовым полотном и двумя продольными и одной поперечной (передней) стенками. На ситах непрерывного действия осуществляются: • транспортирование смеси вдоль канала, необходимое для непрерывности процесса и характеризуемое средней скоростью центра массы смеси; • самосортирование − погружение к поверхности сита частиц, меньших размеров и большей плотности и всплывание в верхние слои частиц больших размеров и меньшей плотности; • просеивание − прохождение через отверстия сита частиц с размерами меньшими, чем размеры отверстия. Вибрационные сита позволяют реализовать следующие режимы перемещения-просеивания: • прямолинейные гармонические колебания без подбрасывания с двусторонним движением и мгновенными остановками; непрерывный контакт с ситом и отсутствие интервалов относительного покоя увеличивают вероятность просеивания частиц из нижнего слоя и уменьшают динамические нагрузки на сито; • равномерные круговые колебания в вертикальной плоскости с непрерывным подбрасыванием; этот режим применяют для разделения связных (агломерированных) порошков и одновременной сепарации по размерам и плотности; подбрасывание и удары способствуют разрыхлению и самосортированию смесей, но требуют применения прочных и жестких сит;  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -231- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование равномерные круговые колебания в горизонтальной плоскости; этот режим применяют для разделения смесей на большое число фракций с высокой разрешающей способностью. Расчет технологических характеристик. Рассмотрим методику расчета вибрационного сита на примере сита с дебалансным вибровозбудителем (рис. 95). Зависимость, связывающая вес сита с порошком Gс, H, амплитуду его колебаний е, м, вес дебаланса q, H, и радиус его вращения r, м, имеет вид • Рис. 95. Расчетная схема вибрационного сита Gce = qr. При поверочных расчетах обычно определяют величину е, исходя из известных величин. Мощность привода вычисляют по формуле N = qrdn3f/(17,2·106), где d − диаметр подшипников, м; п − частота вращения, об/мин; f − коэффициент трения в подшипниках. Нормальный режим работы односеточного вибрационного сита непрерывного действия при малой толщине слоя сепарируемых частиц осуществляется при условии qтр ≥ qсепBL, где qтр − производительность сита как транспортирующего устройства, кг/с; qcеп − удельная производительность сита по проходящей фракции, кг/(м2·с); В − ширина полотна, м; L − длина полотна, м. Удельную производительность рассчитывают по формуле qсеп = Cvπd3ρ0, где С − коэффициент пропорциональности, зависящий от «живого» сечения сита, концентрации проходящей фракции в смеси, плотности и других свойств частиц, 1/м2; v − линейная скорость центра массы частиц относительно сита, м/с; ρ0 − вероятность просеивания отдельной частицы. Для безотрывного движения эта вероятность подчиняется нормальному закону:  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -232- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование ρ0 = 1 − 1 v −0,5 ⎛ v − vкр ⎞ ∫ e ⎜⎜ σ ⎟⎟dv , σ 2π 0 ⎠ ⎝ где σ − среднеквадратичное отклонение; vкр − критическое значение скорости при ρ0 = 0,5. Для сферической частицы диаметром d при равномерном движении над прямоугольным отверстием длиной D критическое значение скорости равно vкр = 0,5 g 2D 1 + R − d ⋅ , d 1 + R R + (1 + R ) где R − коэффициент восстановления нормальной скорости частицы при ударе о кромку отверстия. При движении частицы с подбрасыванием вероятность просеивания уменьшается вследствие сокращения продолжительности контакта с ситом из-за увеличения нормальной составляющей ускорения сита и нарушения условий безотрывного движения и вследствие отражения частицы вверх в результате удара о кромку отверстия при движении тонкого слоя. Увеличение толщины слоя порошка до некоторого оптимального значения повышает вероятность просеивания. При работе в режиме горизонтальных поступательных круговых (с радиусом r) колебаний в горизонтальной плоскости средняя линейная скорость vcp, м/с, движения центра массы порошка описывается выражением 2 2P ⎛ gf ⎞ vср = п ωr 1 − ⎜ 2 ⎟ , gf ⎝ω r⎠ где Рп = Нcp/L (Нср − средняя высота слоя порошка, м; L − длина канала, м); g − ускорение силы тяжести, м/с2; f − коэффициент трения частиц нижнего слоя о поверхность полотна; ω − частота колебаний, 1/с. В условиях самосортирования средняя скорость погружения частиц vверт, м/с, рассчитывается по уравнению vверт А = 0 Нω f 0ξ 2 1 2 ξ(1 + ξ) − arccos 1 + 2ξ , где А0 − коэффициент, зависящий от свойств проходовой частицы и массы порошка в целом, м2/с8; ξ = (f/f0) − 1 − коэффициент, в котором f и f0 − коэф-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -233- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование фициенты трения, соответственно, нижнего слоя по ситовому полотну и верхнего слоя по нижнему. Формула справедлива, когда послойное движение происходит во всей массе порошка, т. е. при условии ω2r > gf. Пневматические сепараторы В пневматических и гидравлических сепараторах осуществляют центробежно-гравитационное разделение порошков (в основном субситовой дисперсности) на фракции по крупности частиц и извлечение твердой фазы (порошка) из двухфазных потоков газ − твердое и жидкость − твердое (суспензии). Центробежно-гравитационное разделение основано на том, что при вращении массы порошка вместе с несущей средой или без нее более крупные частицы, на которые действует относительно большая центробежная сила, перемещаются в радиальном направлении к периферии сепаратора, а более мелкие − остаются в его центральной части. Конструкции аппаратов. Пневматические сепараторы могут быть проходными и замкнутыми. Проходной сепаратор (рис. 96) состоит из корпуса 3, внутреннего корпуса 4, направляющих поворотных створок 5, механизма поворота створок 6, рассекателя 8, патрубков 1, 7, 9, сборника 2. Поток, состоящий из сепарируемого порошка и газа-носителя, поступает в сепаратор через патрубок 9. В результате расширения потока и резкого падения его скорости при входе внутрь корпуса 3 наиболее крупные частицы выпадают в сборник 2. Через створки поток попадает во внутренний корпус, одновременно приобретая вращательное движение. При таком движении относительно более крупные частицы выделяются из потока, выпадают в вершину конуса и выводятся через рассекатель. Самые мелкие часРис. 96. Схема и относительные размеры тицы выводятся с потоком газа через проходного сепаратора патрубок 7. Границы раздела фракций регулируются скоростью потока, входящего в сепаратор через патрубок 9 и степенью открытия створок, т. е. скоростью потока на входе в циклон. Основной технологической характеристикой сепаратора является напряженность его объема по газу-носителю Ко = V/Vc, где V − объем газа, проходящего через сепаратор; Vc − объем сепаратора. Величина V определяется  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -234- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование требуемой производительностью сепаратора и концентрацией порошка в двухфазном потоке (обычно < 10 % объем.), а Ко выбирается как функция дисперсности сепарируемых фракций: R90% , мкм 3 3 Ко, м /м 4−6 2 000 6−15 2 500 15−28 3 500 28−40 4 500 Установив V и Ко, находят Vc и выбирают основной конструктивный размер сепаратора − диаметр Dc, используя следующие соотношения: Vc, м3 Dc, мм 2,4 1 900 4,2 2 250 5,5 2 500 8,4 2 850 10,0 3 000 14,3 3 420 22,0 4 000 По выбранному диаметру Dc определяют все остальные конструктивные размеры. Приведенные ряды объемов и диаметров сепараторов являются нормализованными. Сепараторы проходного типа работают только в блоке с побудителями расхода двухфазного потока − вентиляторами или газодувками. В замкнутом сепараторе (рис. 97) сепарируемый материал подается через воронку 6 и попадает на разбрасыватель 11, сидящий на оси 9. Под действием центробежных сил и восходящего потока газа, создаваемого вентилятором 10, порошок начинает циркулировать внутри конуса 2. Мелкие частицы потоком газа выносятся в кольцевое пространство между внутренним 2 и наружным 1 конусами, выпадают из потока и выводятся через патрубок 13, крупные частицы выпадают внутри конуса 2 и выводятся через патрубок 12. Размер частиц, выводимых через патрубок 13, определяется скоростью газового потока, а она, в свою очередь, − характеристиками вентилятора и положением направляющих створок 3. В конструкцию сепаратора входят также подвеска 4 внутреннего конуса, опорная конструкция 5, редуктор 7 с приводным Рис. 97. Схема замкнутого сепаратора валом 8. Расчет технологических характеристик. Основными технологическими характеристиками циклонов являются коэффициент извлечения твердой фазы из двухфазного потока ηи, %, и производительность:  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -235- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование ηи = (gи /gн.ф)·100, где gи − масса твердой фазы, извлеченной в циклоне; gн.ф − масса твердой фазы в потоке на входе в циклон. Строго говоря, каждому значению дисперсности частиц соответствует свой коэффициент извлечения. На практике рассматривают фракционный коэффициент извлечения ηи.ф: ηи.ф = (gи.ф /gн.ф)·100, где gи.ф − масса данной фракции, извлеченная из смеси; gн.ф − масса данной фракции в смеси на входе в циклон. Общий коэффициент извлечения рассчитывают по формуле ηоб = ηа а /100 + ηbb /100 + ηcc /100 + …ηii /100 , где ηа, ηb, ηс, ..., ηi − фракционные коэффициенты извлечения; а, b, с, i − процентное содержание соответствующих фракций в смеси. Зная фракционный состав порошка, находят средний диаметр каждой фракции: dср = (dmin + dmax)/2. Описанные выше сепараторы проходного и замкнутого типа применяют в основном для разделения порошка на несколько фракций. Для выделения порошка из двухфазного потока без сепарации выделяемой массы используют циклоны. Наиболее широко циклоны применяют в системах пылеочистки цехов по производству порошков и порошковых изделий. Гидроциклоны Конструкции гидроциклонов. Сепарация в гидроциклонах основана на тех же принципах, что и в пневмоциклонах, а конструкция гидроциклонов (рис. 98) близка к конструкции пневмоциклонов. Исходную пульпу подают в гидроциклон под давлением через питающую насадку 2 (рис. 98, а), установленную тангенциально непосредственно под крышкой аппарата. Порошки разгружают через насадку 3, а слив − через патрубок 4, расположенный в центре крышки и соединенный со сливной трубой 5 непосредственно или через сливную коробку 1 (рис. 98, б). Корпус 1 гидроциклона изнутри может защищаться износостойким покрытием или футеровкой, материалы которых выбирают в зависимости от свойств сепарируемого продукта.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -236- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование а б в Рис. 98. Схема двухпродуктового (а, б) и трехпродуктового (в) циклонов Различают гидравлические классификаторы, сепараторы и сгустители. Классификаторы применяются для разделения зёрен по крупности, сгустители − для отделения части воды от зёрен, сепараторы − для обогащения полезных ископаемых в минеральных суспензиях. Гидроциклон представляет собой конус 1 (рис. 98, а) с короткой цилиндрической частью 2, имеющей питающий патрубок 3, по которому подаётся гидросмесь, и сливное отверстие 4. У конической части предусмотрена насадка 5, через которую разгружается нижний продукт разделения. Питающий патрубок расположен таким образом, что пульпа вводится в гидроциклон по касательной и вращается в нём с образованием внешних и внутренних потоков (рис. 98, б). Твёрдые частицы подвергаются воздействию центробежной силы и отбрасываются к периферии. Чем больше масса зерна, тем дальше оно будет отброшено. Зёрна, имеющие большую массу, чем граничные зёрна, по которым производится разделение, остаются во внешнем потоке и, перемещаясь к вершине конуса, разгружаются через насадку. Зёрна с меньшей массой попадают во внутренний поток и выносятся через сливное отверстие. Конструктивные варианты гидроциклонов и схемы потока представлены на рис. 99.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -237- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование а б в Рис. 99. Конструкция гидроциклона: 1 − сливная труба; 2 − крышка; 3 − труба; 4 − цилиндрическая часть корпуса; 5, 6 − конические части корпуса; 7 − сливная насадка; 8 − питающая насадка Гидроциклон SW c трехкамерным шлюзом отличается от других устройств подобного назначения наличием трехкамерного шлюза, разделяющего зоны осаждения и выгрузки твердых частиц. Благодаря этой особенности конструкции обеспечивается оптимальная промывка для соответствия нормам по остаточному продукту. Подача пульпы в гидроциклон из сепаратора производится через верхний впускной патрубок. Отделение легких, например, органических частиц от песка происходит за счет создания вихревого движения в конусообразной камере. Смытые органические загрязнения выводятся из резервуара отстаивания через погружную перегородку, отделяющую выпускной патрубок. Частицы песка опускаются вниз и толстым слоем оседают на трехкамерном шлюзе, который разделяет зоны осаждения и выгрузки песка. По сигналу о наличии достаточного слоя песка на шлюзе он открывается и пропускает промытый песок в зону выгрузки. Разновидности центробежных классификаторов различной производительности представлены на рис. 100. Гидроциклон SW c трехкамерным шлюзом  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -238- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование а б в г Рис. 100. Центробежные классификаторы различной производительности: а − 1 т/ч; б − 0,1 т/ч; в − 15 т/ч; г − 5 т/ч Расчет технологических характеристик. Основными технологическими характеристиками циклона являются производительность, крупность слива, эффективность классификации. Производительность указана для давления на входе 0,1 МПа, минимальных и максимальных значений dэ и dc. Эффективностью классификации Е называют отношение приращения количества материала определенной крупности (по которой осуществляется расчет) в сливе к приращению количества материала той же крупности в сливе в идеальном случае классификации: Е= (α − θ)(β − α) , α(1 − α)(β − θ) где α, β, θ − содержание частиц расчетного класса, соответственно, в питании, сливе, крупнозернистом продукте. Уточнение расчета и окончательный выбор гидроциклона производятся в зависимости от того, в какой технологической схеме он эксплуатируется. Наиболее часто встречаются схемы классификации при работе совместно с измельчительным оборудованием в замкнутом цикле, то же − в открытом цикле и схема дешламации − выделения твердой фазы суспензии без ее классификации. Магнитные сепараторы Сепарация материалов по магнитным свойствам осуществляется в технологических схемах получения порошков и порошковых изделий, предусматривающих применение в качестве сырья вторичных металлов в виде окалины, стружки, шлифовальных и электролизных шламов. На стадиях подготовки стружковых и мелкокусковых отходов к переработке для извлечения железной фракции из массы отходов цветных металлов и  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -239- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование цветных металлов из массы отходов черных металлов применяют металлоотделители (рис. 101). Основными типами сепараторов, применяемых для очистки шламов и шламовых порошков от неметаллических примесей (продуктов износа шлифовального инструмента, невосстановленных оксидов и др.), являются барабанные и валковые мокрые сепараторы с сильным полем (рис. 102). Порошки, полученные на магнитных сепараторах, проходят размагничивание в специальных аппаратах. Рис. 101. Металлоотделители различного типа Пластинчатые магнитные сепараторы применяются для очистки сыпучих материалов при их транспортировке по конвейеру. Использование пластинчатых магнитных сепараторов оправдывает себя даже в тех случаях, когда технологический процесс требует, чтобы транспортировка сыпучего материала осуществлялась по вертикальной или близкой к вертикальной направляющей. Барабанные магнитные сепараторы отличаются друг от друга конфигурацией магнитного поля в рабочей области. При использовании высокоэнергетичных спеченных магнитов NdFeB благодаря высокому значению напряженности магнитного поля у поверхности барабана конфигурация позволяет существенно уменьшить массу используемого магнитного материала без ущерба для основных технических характеристик магнитного сепаратора. В зависимости от содержания тонких фракций и требуемой глубины сепарации выбирают следующие виды сепараторов (рис. 102): прямоточный (рис. 102, а), угол раскрытия веера α < 90° при содержании фракции −50 мкм ~ 25 %; противоточный (рис. 102, б) и противоточный с перебросом магнитной фракции (рис. 102, в) (α > 90°), применяемые при содержании фракций −50 мкм 50−70 %;  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -240- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование сепараторы с циркуляцией магнитной фракции, используемые при необходимости снижения содержания неметаллических включений до уровня < 0,5 % (модель ПБСЦ) (рис. 102, г, д). а б в г д Рис. 102. Схемы магнитных сепараторов, применяемых для очистки шламов и шламовых порошков а б в г д Рис. 103. Конструктивные особенности сепараторов: а − барабанные (валковые, шкивные) магнитные сепараторы; б − магнитные решетки; в − стержневые магнитные сепараторы; г − подвесные магнитные плиты; д − магнитные сепараторы лоткового типа для магнитного обогащения суспензий Магнитные сепараторы различаются разнообразием конструкций и схем сепарации (рис. 103). Схема магнитного способа обогащения руд включат в себя операцию дробления в конусной дробилке (рис. 104), далее сортировку на магнитном сепараторе.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -241- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 19 Сепарирующее оборудование Рис. 104. Процесс измельчения в конусной дробилке и совмещенная схема измельчения в дробилке и обогащения на магнитном сепараторе Пустая порода сразу ссыпается. Полумагнитная сначала прилипает к барабану, а потом под действием центробежной силы отбрасывается. Магнитная порода остается на барабане, с которого ее счищают специальные устройства. Контрольные вопросы и задания 1. Как устроено вибрационное сито? 2. Какие данные необходимы для расчета работы вибрационных сит? 3. Как работают пневматические сепараторы? 4. Какие виды гидроциклонов применяются в цехах порошковой металлургии? 5. Перечислите основные характеристики гидроциклонов. 6. Объясните принцип работы магнитных сепараторов. 7. С какими аппаратами комбинируются магнитные сепарирующие установки? ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование План лекции 1. Сушилки периодического действия.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -242- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование 2. Сушилки непрерывного действия. 3. Распылительные сушилки. 4. Специальные сушилки. В соответствии с многообразием высушиваемых материалов, их свойств и условий обработки конструкции сушилок также очень разнообразны и отличаются: по способу подвода теплоты (конвективные, контактные, специальные); по виду сушильного агента (воздушные, газовые, паровые); по давлению в сушильной камере (атмосферные, вакуумные); по способу организации процесса (периодического или непрерывного действия); по взаимному направлению движения высушиваемого материала и сушильного агента (в конвективных аппаратах − прямоток, противоток, перекрестный ток); по состоянию слоя влажного материала в аппарате (с неподвижным, движущимся или взвешенным слоем). Оборудование для сушки порошков является обязательным элементом аппаратурно-технологических линий получения порошков распылением расплавов водой или газами в воду, гидрометаллургическими (автоклавными) методами, электролизом растворов и расплавов, а также схем, предусматривающих мокрое измельчение, мокрую сепарацию порошков, обработку порошков в жидких средах (например, с целью нанесения покрытий), в некоторых случаях − гранулирование порошков. В зависимости от масштабов производства применяют сушилки периодического или непрерывного действия. Сушилки периодического действия В камерных сушилках высушиваемый материал находится неподвижно на полках, установленных в одной или нескольких сушильных камерах. Засасываемый вентилятором и нагретый в калориферах воздух проходит между полками над материалом. Сушилки работают периодически при атмосферном давлении и вакууме и применяются в малотоннажных производствах для материалов с невысокой температурой сушки. Основными видами сушилок периодического действия, применяемыми в порошковой металлургии, являются полочные вакуумные сушилки и полочные сушилки, в которых сушка производится в условиях контакта порошка с нагретым атмосферным воздухом. Применение вакуумных сушилок, несмотря на их более высокую стоимость и сложность по сравнению с атмосферными сушилками, позволяет обрабатывать чувствительные к высо- Рис. 105. Вакуум-сушильный шкаф: 1 − камера; 2 − полые плиты ким температурам, а также токсичные и взрывоопасные вещества, получать продукты повышенной чистоты.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -243- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование Вакуум-сушильные шкафы (рис. 105) − простейшие контактные сушилки периодического действия. Такая сушилка представляет собой цилиндрическую камеру, в которой размещены полые плиты, обогреваемые водяным паром или горячей водой. Материал слоем толщиной до 60 мм находится на противнях, установленных на плитах; напряжение их рабочей поверхности обычно не превышает 0,5−3,5 кг/(м2·ч) влаги. Во время работы камера герметически закрыта и соединена с вакуум-конденса-ционной системой и вакуум-насосом. Эти сушилки имеют небольшую производительность и малоэффективны, поскольку сушка в них происходит в неподвижном слое при наличии плохо проводящих теплоту воздушных прослоек между противнями и плитами; материал загружается и выгружается вручную. Однако шкафы универсальны, так как обеспечивают возможность сушки разных материалов (в том числе легко окисляющихся и выделяющих ценные пары) при оптимальных условиях. Основные технические характеристики вакуумных сушилок представлены в табл. 18. Таблица 18 Техническая характеристика вакуумных сушилок Модель Параметры ПВ4,5-0,63НУ-01; ПВ16-2НУ-01; ПВ33-6,3НУ-02; ПВ4,5-0,63НК-01 ПВ16-0,63НК-01 ПВ33-6,3НК-02 2 Площадь поверхности загрузки, м 4,5 16 33 3 Объем аппарата, м 0,63 2 6,3 Остаточное давление в сушилке, 2,63 2,63 5,26 кПа Давление в плитах, МПа 0,4 0,4 0,6 Температура стенки плиты, К 423 423 423 Плита: число 10 12 14 размеры, мм 650х900х25 1300х1270х25 1860х1570х27 Размеры сушилки, мм 1 185х1 410х2 050 1 885х1 710х2 270 2 790х2 620х2 770 Масса, кг 846 2130 5780 Гребковые вакуум-сушилки (рис. 106) представляют собой горизонтальные, периодически действующие аппараты с цилиндрическим корпусом, снабженным паровой рубашкой. Дисперсный материал, заполняющий 20−30 % объема аппарата, хорошо перемешивается гребками, закрепленными на валу мешалки, имеющей реверсивный привод, который автоматически изменяет направление ее вращения с частотой 6−10 мин−1. Между гребками свободно перекатываются трубы-скалки, способствующие разрушению комков и дополнительному перемешиванию материала. Разгрузка и выгрузка материала механизированы. Напряжение поверхности сушилок по влаге составляет 6−8 кг/(м2·ч).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -244- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование Рис. 106. Гребковая вакуум-сушилка: 1 − корпус; 2 − рубашка; 3 − вал с гребками; 4 − трубы-скалки Производительность полочных сушилок ориентировочно определяется исходной и конечной влажностью материала и напряжением сушильной камеры по влаге, составляющим для вакуумных сушилок 15−20 кг удаляемой влаги на квадратный метр поверхности нагрева в час, для атмосферных сушилок − 1−2 кг удаляемой влаги на кубический метр объема камеры в час. Общий вид полочной сушилки приведен на рис. 107. Необходимый уровень вакуума находится в пределах от 10−3 до 100 мм рт. ст. в зависимости от продукта. Рис. 107. Полочная вакуумная сушилка Рис. 108. Коническая сушилка с перемешиванием и подогревом Для сушки порошков, кристаллов и чувствительных к перегреву материалов идеально подходит коническая вращающаяся сушилка − модель 159 с рабочим объемом от 0,1 до 30 м3 (рис. 108). Сушилки непрерывного действия Одно из перспективных направлений в совершенствовании сушильного оборудования − создание аппаратов с активными гидродинамическими режимами, в которых достигается значительная интенсификация процессов те-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -245- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование пло и массообмена. К наиболее эффективным аппаратам с такими режимами работы относятся сушилки псевдоожиженного слоя различных модификаций. Сущность процесса тепловой обработки в указанных аппаратах состоит в том, что при продувании размещенного на газораспределительной решетке слоя сыпучего зернистого продукта сушильным агентом (горячим воздухом) продукт переходит в полувзвешенное состояние и приобретает свойства текучести. В этом состоянии слой разрыхляется и интенсивно перемешивается, благодаря чему все частицы материала равномерно омываются сушильным агентом. Вследствие этого перемешивания, а также взаимного контакта отдельных частиц происходит выравнивание температуры в объеме слоя. Существующие сушилки псевдоожиженного слоя подразделяются на аппараты стационарного кипящего слоя и аппараты виброкипящего слоя. Технические характеристики сушилок представлены в табл. 19. Таблица 19 Техническая характеристика сушилок Марка Параметры Производительность по испаренной влаге, кг/ч Площадь перфорированного листа, м2 Температура воздуха, подаваемого на сушку, не более К (°С) Мощность двигателя Габаритные размеры, мм: длина ширина высота Масса, кг СВК0,3 СВК0,5/3,0 СВК0,75/3,0 СВК1,0/4,0 СВК1,0/8,2 15 50 100 150 250 0,3 1,5 2,3 4,0 8,2 433 (+160) 0,75 2х0,75 2х0,75 3х2,2 5,5 864 2 063 1 698 235 1 085 1 570 3 120 600 3 700 1 350 1 975 760 4 610 2 257 1 840 1 710 8 560 1 574 2 470 2 100 Аппарат стационарного кипящего слоя (рис. 109) представляет собой сушильную камеру 1, в нижней части которой установлена неподвижная газораспределительная решетка 2. Исходный продукт загружается внутрь камеры с помощью дозатора 3 и через патрубок 4 и поступает на решетку 2. Горячий воздух через патрубок 6 подается в подрешетчатое пространство и далее проходит через отверстия в решетке и слой находящегося на ней продукта, осуществляя при этом его сушку.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -246- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование Готовый продукт выгружается из камеры через патрубок 5, а отработанный воздух отводится через патрубок 7 и поступает на очистку в аспирационную систему. Для создания слоя продукта на решетке, а также для регулирования время его контакта с теплоносителем предусмотрена заслонка шиберного типа 8. Сушилка может работать как в периодическом, так и непрерывном режимах. Гораздо менее известными являются аппараты виброкипящего слоя, основная отличительная особенность которых − наложение вибрационного возмущения на Рис. 109. Схема аппарата стационарного кипящего слоя газораспределительную решетку и, соответственно, слой находящегося на ней продукта. Аппарат виброкипящего слоя (рис. 110) включает рабочий орган, состоящий из желоба 1, на котором размещены кронштейн 2, патрубки подвода воздуха 3, патрубок выгрузки продукта 4 и крышка 5. Крышка снабжена патрубком загрузки продукта 6 и патрубком отвода воздуха 7. Внутри рабочего органа установлены перфорированный лист 8, выполняющий функцию газораспределительной решетки, а также заслонка 9. Рабочий орган смонтирован на раме 10 через пружины 11. Для создания вибровозмущения рабочего органа на кронштейне 2 установлен привод 12. Рис. 110. Вибрационная конвективная сушилка Аппарат работает следующим образом: исходный продукт загружается через патрубок 6 внутрь рабочего органа, где под воздействием вибрации, создаваемой приводом 12, равномерно распределяется на перфорированном листе 8 и транспортируется в сторону патрубка разгрузки 4. Горячий технологический воздух, поступивший через патрубки 3 внутрь аппарата, проходит затем через отверстия в перфорированном листе и слой находящегося на нем продукта, который при этом переходит в псевдо-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -247- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование ожиженное состояние. В результате интенсивного теплообмена между воздухом и частицами продукта осуществляется его сушка. Отработанный воздух через патрубок 7 отводится из сушилки. Время пребывания в аппарате продукта, а следовательно, и его конечное влагосодержание регулируются параметрами вибрации привода 12, а также изменением высоты слоя с помощью заслонки 9. Сушилка может работать как в периодическом, так и непрерывном режимах. По сравнению с аппаратами стационарного кипящего слоя вибрационные конвективные сушилки обладают следующими преимуществами: • возможностью осуществления сушки плохоожижаемых материалов, в том числе тонко и полидисперсных; • возможностью обработки тонких слоев продукта; • более высокой интенсивностью теплообмена; • меньшими энергозатратами; • минимальной адгезией продукта к внутренним поверхностям аппарата; • пониженным выносом мелких частиц из аппарата. К недостаткам вибрационных конвективных сушилок можно отнести определенную сложность конструкции, а также имеющиеся ограничения по температуре подаваемого теплоносителя − она не должна превышать 160 °С, что диктуется затруднениями эксплуатации привода, подвергаемого через кронштейн температурному воздействию. Для проведения тепловой обработки продуктов вибрационная конвективная сушилка должна быть обвязана следующим оборудованием: • приточным и вытяжным вентиляторами, обеспечивающими подачу в аппарат и отвод из него воздуха; • фильтром и теплообменником для очистки и нагрева воздуха, подаваемого в сушилку; • устройствами, обеспечивающими улавливание частиц продукта из воздуха, отводимого из сушилки; • технологическими воздуховодами. В зависимости от условий эксплуатации на месте применения аппарата в качестве теплообменников могут использоваться паровые или электрические калориферы, а также топки или теплогенераторы. Распылительные сушилки Рабочий процесс распылительных сушилок (рис. 111) включает распыление (диспергирование) потока высушиваемого материала (раствора, суспензии, пасты) в среде горячего газа и сушку продуктов распыления (капель, частиц, гранул) в этом потоке. Распылительные сушилки классифицируют по двум основным признакам: направлению движения газа и высушиваемого продукта в сушильной камере; способу распыления. По первому признаку сушилки классифицируют на аппараты, работающие при параллельном, противоточном и смешанном потоках газа и высушиваемого продукта (рис. 112).  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -248- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование По способу распыления выделяют аппараты с форсуночным распылением (рис. 113) и аппараты с распылением при помощи вращающегося диска. В большинстве случаев предпочтительным является параллельный ток компонентов в сушильной камере. Сушилки с форсуночным распылением применяют для сушки растворов и сильно разбавленных суспензий. Сушилки с вращающимся диском универсальны с точки зрения состояния исходного материала. Рис. 111. Распределительная сушилка Рис. 112. Схема работы сушильных камер: а−в − параллельный ток; г − противоток; д, е − смешанный ток ГОСТ 18906−80 предусматривает создание сушилок отечественного производства по схемам рис. 112, а, г с производительностью по испаренной влаге 2−50 000 кг/ч. По полученному объему определяют типоразмер сушилки. Выбор типоразмера сушилки производят по следующей методике. Рассчитав материальный и тепловой баланс процесса сушки, определяют произ-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -249- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование водительность сушилки по испаренной влаге; рабочий объем сушильной камеры V, м3, вычисляют по формуле V = W/А, где W − производительность по испаренной влаге, кг/ч; А − влагосъем с 1 м3 рабочего объема камеры, кг/(м3·ч). Рис. 113. Схемы форсуночных сушильных камер: а − прямоточная с центральным закрученным подводом теплоносителя; б − с центральным закрученным подводом теплоносителя и раздельным выводом газов и материала; в − с равномерным распределением газа по сечению с помощью газораспределительной решетки; г − с радиальным по периферии подводом газа и нейтральным отсосом; д − работающая при параллельном и противоточном движении газов и теплоносителя; е − противоточная с центрально-периферийным подводом теплоносителя и отводом газа по центру Сушилки предназначены для сушки нетоксичных, непожароопасных и взрывобезопасных материалов. Основными преимуществами распылительных сушилок являются: • большая скорость сушки, позволяющая достигать высокую производительность и максимально сокращать продолжительность пребывания продукта при высокой температуре;  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -250- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование широкие возможности регулирования показателей качества высушенной продукции (влажности, дисперсности, насыпной массы); • отсутствие последующих (за сушкой) операций по доводке продукта; • возможность исключения из технологических процессов операций предварительного удаления жидкости − отстоя, фильтрации и др.; • возможность полной механизации и автоматизации технологического цикла; • отсутствие соприкосновения высушиваемого материала со стенками сушилки; • широкий диапазон температур сушки (338−1 473 К); • возможность сушки липких продуктов − паст, клейких веществ и др.; • легкость введения дополнительных компонентов на любой стадии процесса сушки; • отсутствие пылевых сбросов в производственное помещение. Основные недостатки расылительных сушилок: большие капитальные затраты на создание установок; повышенный расход электроэнергии, высокие удельные габариты установок при низкой температуре теплоносителя на входе в сушилку. Распылительная сушилка применяется для сушки пастообразных и жидких материалов. В ней высушиваемый материал распыляется в горячем газе (воздухе). Распыливание производится форсунками (механическими или пневматическими) или центробежными дисками. При механическом распыливании давление в форсунках составляет от 30 до 200 атм. Размер капель при распыливании зависит от давления жидкости, диаметра выходного отверстия, вязкости жидкости и колеблется в пределах от 20 до 100 мк. На размеры капель влияет главным образом турбулизация жидкостной струи, которая создается повышением скорости закручивания струи в форсунке. На рис. 114, а приведена конструкция форсунки, предназначенной для раса б пыливания высококонцентрированных расРис. 114. Механические форсунки творов и выполненной из легированной стали. Форсунка состоит из корпуса 1, питающей головки 2 и диска 3. Насадка сменная, позволяющая изменять диаметр выходного отверстия от 0,8 до 1,5 мм. На рис. 114, б представлен другой тип механической форсунки, состоящей из корпуса 1, который навинчивается на питающую головку 2 и закрепляется контргайкой 4. Раствор проходит через восемь отверстий диска 3 и три тангенциальных канала диска 5, закручивается в центральной камере диска и через отверстие в диске 6 выдавливается наружу. •  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -251- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование Механические форсунки отличаются высокой производительностью, бесшумностью работы, дают тонкий и равномерный распыл. Производительность форсунок при сушке − до 600 кг/ч, хотя форсунка может распыливать до 4,5 т/ч продукта. Расход энергии на распыление от 2 до 10 кВт на тонну раствора. К недостаткам форсунок следует отнести невозможность регулирования производительности форсунки и быструю засоряемость выходных отверстий (d = 0,5 мм). Эти форсунки не пригодны для обработки суспензий, паст, растворов, дающих осадки. Основными характеристиками работы форсунок являются: производительность форсунки, максимальный диаметр капель распыла, расход мощности на распыление, расход электроэнергии. При центробежном методе распыливания можно регулировать производительность сушилки и нетрудно ее автоматизировать. Недостатком же его является повышенная стоимость по сравнению с распыливанием при помощи сопел. Распыление за счет центробежной силы осуществляется путем подачи раствора на быстро вращающийся диск. Под действием центробежной силы раствор движется на периферию диска и при помощи лопаток или сопел выталкивается в камеру. Скорость вращения диска составляет от 4 000 до 20 000 об/мин. Окружная скорость диска выбирается до 200 м/с. Распыливающие диски приводятся во вращение либо от электродвигателя, либо от паровой турбинки. а б в г Рис. 115. Типы распылительных дисков: а − тарельчатый открытый; б − клапанный закрытый; в − плоский закрытый с зубьями; г − трехъярусный с перегородками и зубьями Существует много разновидностей распыливающих дисков, применяемых для различных жидкостей − гладкие, с тангенциальными лопатками, многоярусные, диски с соплами и т. д. (рис. 115). При сушке порошков карбида кремния распылитель состоит из двух дисков, покрытых карбидом бора и т. д. На рис. 116 изображена схема наиболее распространенной распылительной сушилки, работающей при параллельном токе газа и частиц. Нагретый воздух поступает в верхнюю часть камеры 1. Здесь он встречается с каплями или кусочками материала, распыляемого вращающимся диском 3 или другим устройством. Благодаря развитой поверхности соприкосновения ма Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -252- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование териала с газом сушка протекает очень быстро − на лету, и на дно сушилки падает уже полностью высушенный материал. Отсюда он скребками 5 подается в разгрузочный шнек или другое герметизированное разгрузочное устройство. Воздух, насыщенный паром, отсасывается вентилятором 4 из нижней части сушилки через рукавные фильтры 2 или другой пылеулавливающий аппарат. Рис. 116. Распылительная сушилка (распыл центробежным диском) Параллельный ток создает возможность применять для сушки высокую температуру газа, увеличивая скорость сушки, без перегрева высушиваемого материала. Несмотря, однако, на большую скорость процесса (количество испарившейся воды в единицу времени с единицы поверхности материала), интенсивность работы распылительных сушилок (количество испарившейся воды в единицу времени в единице объема аппарата) невелика, поскольку на единицу объема аппарата одновременно приходится сравнительно небольшая масса материала. При работе распылительных сушилок наблюдается большой унос высушенного материала газами, так как материал в процессе сушки находится в мелко распыленном состоянии. Поэтому значительная часть продукта улавливается из газа в циклонах, рукавных фильтрах, электрофильтрах. Схема работы сушилки при распыле механической форсункой приведена на рис. 117.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -253- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование Рис. 117. Распылительная сушилка (распыл механической форсункой): 1 − сушильная камера; 2 − механическая форсунка; 3 − ввод воздуха; 4 − фильтр; 5, 10 − вентиляторы; 6 − подогреватель; 7 − циклон; 8 − топка; 9 − скребки; 11 − скруббер; 12, 13 − насос Распылительные сушилки предпочтительное применение имеют в следующих случаях: 1. Материал не переносит длительного нагрева. Процесс сушки протекает очень быстро (от десятых долей до нескольких секунд) и поэтому даже чувствительные к нагреву материалы, например, пищевые продукты (молоко, яичный порошок и др.) не успевают разложиться при высушивании. 2. Недопустимо окисление материала, например при сушке металлических порошков. Из-за кратковременного нагрева материал в процессе сушки не успевает окисляться. 3. Сушится пастообразный, залипающий материал. Сушка его на лету предотвращает залипание стенок. Распыление жидких материалов центробежным диском обуславливает разброс капель на стенки камеры. Однако после некоторого предела повышения скорости вращения диска (4 000−20 000 об/мин) такое налипание прекращается. Это происходит, повидимому, из-за очень мелкого распыления жидкости, при котором капли или не долетают до стенок, или высыхают настолько быстро, что даже долетевшие частицы не налипают. Сушилки непрерывного действия отличаются широким многообразием конструкций и типоразмеров. Туннельные сушилки (рис. 118) − камерные сушилки непрерывного действия. Представляют собой длинные (типа коридора) камеры, внутри которых по рельсам перемещаются тележки (вагонетки) с лежащим на лотках или  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -254- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование противнях высушиваемым материалом. Нагретый воздух обтекает лотки прямо- или противотоком; возможна рециркуляция воздуха. Рис. 118. Туннельная сушилка: 1 − камера (коридор); 2 − вагонетки; 3 − вентиляторы; 4 − калориферы Ленточные сушилки (рис. 119) обычно выполняют в виде многоярусного ленточного транспортера, по которому в камере, действующей при атмосферном давлении, непрерывно перемещается материал, постепенно пересыпаясь с верхней ленты на нижележащие (скорость каждой ленты 0,1−1 м/мин). Сушильный агент может двигаться со скоростью не более 1,5 м/с прямо- или Рис. 119. Ленточная сушилка: противотоком, а также сквозь слой мате1 − камера; 2, 6 − загрузочный риала при наличии перфорирированной и разгрузочный бункеры; ленты. Эти сушилки компактнее, чем 3 − ленточный транспортер; 4 − калорифер; 5 − вентилятор камерные и туннельные, и отличаются большей интенсивностью сушки, однако также сложны в обслуживании из-за необходимости ручного труда, перекосов и растяжений лент. Область применения − сушка зернистых, гранулированных, крупнодисперсных и волокнистых материалов; непригодны для сушки тонкодисперсных пылящих материалов. Для сушки последних используют ленточные сушилки с формующими питателями, например рифлеными вальцами (вальце-ленточные сушилки). Основной элемент вальцовой вакуумной сушилки (рис. 120) − обогреваемые водяным паром полые вальцы, вращающиеся с частотой 1−13 об/мин; сушилки могут быть одно- и двухвальцовые. Материал смачивает поверхность вальцов и высушивается в тонком слое; толщина сухой пленки, снимаемой специальными ножами, составляет 0,1−1,0 мм. Расход пара по испа Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -255- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование ряемой влаге − 1,2−1,6 кг/кг, напряжение поверхности вальцов по влаге для атмосферных и вакуумных сушилок, соответственно, 13−15 и 25−70 кг/(м2·ч). а б Рис. 120. Вальцовые вакуум-сушилки: а − одновальцовая; б − двухвальцовая; 1 − корпус; 2 − полый барабан (валец); 3 − корыто; 4 − распределительный валик; 5 − нож; 6 − шнек; 7 − приемный колпак; 8 − сборник; 9 − вальцы; 10 − наклонная стенка Для обезвоживания пастообразных материалов иногда служат непрерывно действующие при атмосферном давлении петлевые сушилки (рис. 121) − разновидность ленточных сушилок. Влажный материал с помощью питателя подается на бесконечную сетчатую ленту, вдавливается в ее ячейки, проходя через обогреваемые паром валки, после чего поступает в сушильную камеру, где движущаяся сетка образует ряд петель. Посредством автоматического ударного устройства высушенный материал сбрасывается в разгрузочный шнек. Горячий сушильный агент движется поперек ленты. Такие сушилки обычно работают с промежуточным подогревом воздуха, частичной рециркуляцией его по зонам и обеспечивают большую скорость.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -256- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование Рис. 121. Петлевая сушилка: 1 − питатель; 2 − лента; 3 − валки; 4 − автоматическое ударное устройство; 5 − разгрузочный шнек; 6 − вентиляторы Рис. 122. Барабанная сушилка: 1 − барабан; 2 − питатель; 3 − бандажи; 4 − зубчатое колесо; 5 − вентилятор; 6 − циклон; 7 − приемный бункер; 8 − топка Барабанные сушилки распространены благодаря высокой производительности, простоте конструкции и возможности непрерывно сушить при атмосферном давлении мелкокусковые и сыпучие материалы (рис. 122). Такая сушилка представляет собой установленный с небольшим наклоном к горизонту (угол до 4°) цилиндрический барабан с бандажами. Последние при вращении барабана (с помощью зубчатого колеса от электропривода) с частотой катятся по опорным роликам; осевое смещение барабана предотвращается опорно-упорными роликами. Влажный материал через питатель поступает в барабан и равномерно распределяется по его сечению размещенными внутри насадками. Тесно соприкасаясь при пересыпании с сушильным аген-  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -257- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование том, например, топочными газами (возможен также контактный подвод теплоты через специальную трубчатую насадку), материал высушивается и движется к разгрузочному отверстию в приемном бункере. Газы поступают из примыкающей к барабану топки и просасываются прямотоком через него вентилятором со скоростью 0,5−4,5 м/с; для улавливания из газов пыли между барабаном и вентилятором установлен циклон. Напряжение рабочего объема барабана по испаренной влаге достигает 200 кг/(м3·ч). Специальные сушилки В использующих инфракрасное (ИК) излучение терморадиационных, или просто радиационных, сушилках достигается высокая скорость сушки благодаря подводу к влажному материалу большого количества теплоты. Ее генераторами служат устанавливаемые над поверхностью высушиваемого материала (обычно перемещаемого транспортером) специальные электрические лампы с зеркальными отражателями либо керамические и металлические экраны, обогреваемые горячими газами. Для высушивания толстостенных материалов, когда требуется их быстрый прогрев во всем объеме, в ряде случаев эффективна сушка в поле токов высокой или сверхвысокой частоты. Такую сушку применяют для изделий из пластмасс и резины, фарфоровых изоляторов и иных материалов, обладающих диэлектрическими свойствами. Высокочастотные (диэлектрические) сушилки позволяют быстро и равномерно осуществлять сушку. Однако их использование ограничено из-за дорогостоящего оборудования, большого расхода электроэнергии (до 5 кВт·ч на 1 кг испаряемой влаги) и необходимости соблюдать особые меры техники безопасности. В сублимационных сушилках основная часть влаги (до 85 %) удаляется в замороженном состоянии под глубоким вакуумом (остаточное давление 5−330 Па) при температуре 0 °С; остальная влага испаряется тепловой вакуум-сушилкой (при 30−45 °С). Теплота, необходимая для сушки, подводится к материалу от нагретых поверхностей или радиацией от нагретых экранов. Эти сушилки громоздки и сложны в эксплуатации, однако отличаются незначительным расходом теплоты (2,1−2,3 кДж/кг). Акустические сушилки отличаются от обыкновенных конвективных, как правило, наличием излучателей ультразвуковых колебаний, источником энергии которых служит кинетическая энергия газовой струи. Благодаря этим излучателям высушиваемый материал подвергается со стороны газовой струи воздействию акустического поля с уровнем интенсивности ≥ 145 дБ. По сравнению с конвективной ультразвуковая сушка позволяет в несколько раз ускорить удаление влаги из материала без существенного повышения  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -258- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 20 Сушильное оборудование температуры, что особенно важно при обработке легко окисляющихся и термочувствительных материалов. Однако из-за высокой стоимости акустической энергии, обусловленной, в частности, низким КПД излучателей (20−25 %), ультразвуковую сушку применяют ограниченно. Выбор сушилок зависит от ряда факторов. К ним относятся: время сушки, агрегатное состояние, допускаемая температура нагрева, взрыво- и пожароопасность, токсичность, усадка, загрязнение и другие свойства высушиваемого материала; требования к равномерности сушки; требования к системе пылеулавливания и т. д. При выборе следует отдавать предпочтение сушилкам непрерывного действия. Сушка топочными газами экономичнее воздушной сушки, однако не всегда возможна из-за загрязнения материала. Если при взаимодействии высушиваемого материала с влагой не образуется кислая или щелочная среда, сушилки, чаще крупногабаритные, следует выполнять из обыкновенной стали, в противном случае − из нержавеющей стали, иногда из титана. Выбор сушилок связан с проблемой классификации материалов. В настоящее время разрабатывается такая классификация, которая позволила бы быстро оценивать кинетику и выбирать наиболее рациональный тип сушилки. Пример − классификация капиллярно-пористых материалов. В соответствии с ней влажные материалы дифференцируют по внутренней структуре, а за ее характеристику принимают критический диаметр пор dкр, т. е. диаметр наиболее тонких пор, из которых требуется удалить влагу до достижения конечного влагосодержания; параметр dкр позволяет оценить Тс и выбрать экономически целесообразный сушильный аппарат. Контрольные вопросы и задания 1. Какие классы сушилок применяются в цехах порошковой металлургии? 2. Опишите принцип работы камерной сушилки. 3. Как работают сушилки непрерывного действия? 4. Из каких этапов состоит рабочий процесс распылительных сушилок? 5. На каких технологических операциях используются петлевые сушилки? ЛЕКЦИЯ 21 Смесительное оборудование План лекции 1. Смесители периодического действия.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -259- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 21 Смесительное оборудование 2. Смесители непрерывного действия. В порошковой металлургии смесительное оборудование применяют для приготовления сухих смесей порошкообразных компонентов друг с другом и пластифицированных (пастообразных) смесей твердых порошкообразных компонентов с жидкими. Основой классификации смесителей является характер технологического цикла (периодический или непрерывный) и механизм процесса смешивания (конвективный, диффузионный, конвективно-диффузионный). Смесители периодического действия Конструкции смесителей. По механизму процесса эти смесители подразделяют на циркуляционные, объемного и диффузионного смешивания. В циркуляционных смесителях происходит замкнутая циркуляция материала по внутреннему объему. Наиболее распространены смесители с планетарно-шнековой мешалкой и центробежно-лопастные. В планетарношнековых смесителях (рис. 123, а) циркуляция смешиваемого материала осуществляется шнеком, вращающимся вокруг собственной оси и оси аппарата; рабо- Рис. 123. Циркуляционные смесители: чий объем 1−20 м3, время τсм = 1,0−1,5 ч. а − планетарно-шнековый; В центробежно-лопастных смесителях б − центробежно-лопастной (рис. 123, б) рабочий орган вращается с окружной скоростью наружных кромок 10−15 м/с, что обеспечивает механическое псевдоожижение смешиваемого материала; рабочий объем 0,05−0,5 м3 при τсм = 0,15−0,3 ч. В аппаратах объемного смешивания (рис. 124) рабочие органы (спирали, лопасти, плужники и т. п.) перемещают материал хаотически по всему рабочему объему. Широкое применение нашли смесители с Z-образными лопастями, Z-образными лопастями и разгрузочным шнеком, плужный, пневматический сопловой, барабанный; рабочий объем 0,05−6 м3, τсм = 1−3 ч. Эти смесители используют для смешивания сыпучих материалов с повышенной связностью частиц, а также увлажненных.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -260- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 21 Смесительное оборудование а в б г д Рис. 124. Аппараты объемного смешения: а − с Z-образными лопастями; б − с Z-образными лопастями и разгрузочным шнеком; в − плужный; г − пневматический сопловой; д − барабанный В аппаратах диффузионного смешивания частицы одного компонента постепенно внедряются между частицами других компонентов; процесс внешне сходен с молекулярной диффузией. Смесители этой группы − барабанные, с гладким корпусом, вибрационные трубчатые, с псевдоожиженным слоем смешиваемого материала. Их применяют для смешивания абразивных, взрывоопасных и иных сыпучих материалов. Наиболее распространенными в порошковой металлургии смесителями периодического действия являются барабанные, применяемые для приготовления сухих смесей, и червячно-лопастные, в которых можно получать как сухие, так и пластифицированные смеси. Барабанный смеситель представляет собой замкнутую емкость − корпус, вращающийся на оси. На рис. 125 представлены основные типы промышленных барабанных смесителей: цилиндрический горизонтальный с осью вращения, совпадающей с осью цилиндра (а), цилиндрический вертикальный с осью вращения, перпендикулярной к оси цилиндра (б), двухконусный горизонтальный с осью вращения, совпадающей с осью корпуса (в), двухконусный вертикальный с осью вращения, перпендикулярной к оси корпуса (г), граненый горизонтальный с осью вращения, совпадающей с осью корпуса (д), бицилиндрический V-образный (е), кубический (ж), тетраэдрический (з), цилиндрический с осью вращения, наклоненной к оси корпуса − «пьяная бочка» (и). Преимуществами барабанных смесителей являются простота конструкции, возможность смешения компонентов без истирания и изменения формы частиц, возможность смешения абразивных компонентов при минимальном истирании элементов конструкции смесителя.  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -261- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 21 Смесительное оборудование Рис. 125. Основные типы барабанных смесителей Расчет технологических характеристик барабанных смесителей. Технологический расчет барабанного смесителя включает определение оптимальной частоты вращения барабана, продолжительности смешивания и энергозатрат. Оптимальную частоту вращения вычисляют по формуле nопт = (1 500 ÷ 2 000) d ч / Rmax , где dч − среднеарифметический диаметр частиц смешиваемых компонентов; Rmах − максимальный радиус вращения корпуса смесителя. Расчет продолжительности смешивания (суммарного числа оборотов барабана nΣ) в цилиндрических смесителях основан на модели макродиффузионного массопереноса в направлении вдоль оси барабана и производится по формулам: при малом ожидаемом 10 L2 M 2 , n∑ = D2 при большом ожидаемом L2 [log 0,8 − log(1 − M )] , n∑ = 32 D 2 где L − длина барабана; М(nΣ) − степень смешения, требуемая к моменту окончания nΣ оборотов барабана; D − коэффициент кажущейся макродиффузии, зависящей от физико-химических свойств смеси, степени заполнения смесителя и его размеров. При оценочных расчетах D ≈ 10−3 см2/об. Степень смешения, требуемая к моменту окончания nΣ оборотов барабана, определяют по формуле S2 − S R2 М =1− 2 , S0 − S R2  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -262- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 21 Смесительное оборудование где S2 − измеренное (требуемое) значение среднеквадратичного отклонения (СКВО); S R2 − СКВО при максимально совершенном в статистическом смысле смешении, S R2 = P(1 − P) / m ; S02 − СКВО концентрации ключевого компонента в пробах для совершенно несмешанной смеси, S 02 = P (1 − P ) ; Р − фактическое массовое относительное содержание ключевого компонента в смеси; т − число частиц в пробе. В смесителях с двухконусным, двухцилиндрическим, кубическим, тетраэдрическим и наклонным корпусами осевые перемещения частиц происходят путем скольжения материала по наклонным поверхностям корпуса, массоперенос осуществляется за счет среза слоев и их перетасовки, поэтому при их расчете нельзя использовать в качестве базы диффузионную модель процесса смешения. Основные технологические характеристики связаны в этом случае соотношением Vc = V'c e−Фt, где Vc − коэффициент неоднородности смеси к моменту продолжительности смешения t; V'c − предельно достижимый для данного типа смесителя коэффициент неоднородности; Ф − коэффициент скорости смешения, зависящий от конструкции смесителя, скорости вращения его корпуса, физикомеханических свойств смеси. Мощность, кВт, потребляемую смесителем, рассчитывают по следующим формулам: для цилиндрических горизонтального и вертикального G R0ω sin ϕ , 102 для двухконусных горизонтального и вертикального, заполненных наполовину, Nц = N дк [ ] ρнω sin ϕ lк ( R 2 + r 2 )( R + r ) + 2 R3lц = , 165,5 для цилиндрического наклонного  Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -263- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 21 Смесительное оборудование N цн = G R0′ ω sin ϕ , 102 для тетраэдрического α 4ρн ω sin ϕ , Nт = 6 000 где G − масса материала в барабане, кг; R0 − радиус центра массы материала в сегменте, м; ω − частота вращения барабана, рад/с; ρн − плотность перемешиваемого материала, кг/м3; lц и lк − длина цилиндрической и конической частей барабана, м; R − внутренний радиус цилиндрической части барабана, м; r − внутренний наименьший радиус конической части барабана, м; R0′ − расстояние центра тяжести массы в продольном сечении барабана от оси вращения, м; φ − угол, образованный в рассматриваемый момент времени радиусом R0′ с вертикалью, град (φ и R0′ при вращении барабана меняют свои значения, максимальные имеют место, когда уровень материала совпадает с горизонтальной осью); α − сторона тетраэдра. Специфическим видом смесителей периодического действия являются усреднители, предназначенные для объединения и усреднения состава приготовленных ранее отдельных партий смесей, качество каждой из которых находится в пределах допуска. Основными видами усреднителей, которые могут применяться в порошковой металлургии, являются пересыпные, циркуляционные и планетарно-шнековые. Смесители непрерывного действия Однородность готовой смеси зависит от точности работы питателей. Поэтому смесители должны обеспечивать не только качественное смешивание поступающих в него компонентов, но и снижать (сглаживать) до требуемого уровня флуктуации мгновенных расходов питающих потоков. Сглаживающая способность аппарата определяется объемом смеси в нем и характером движения смешиваемой массы. Конструкции смесителей. В прямоточных аппаратах смешиваемый материал движется вдоль корпуса практически без продольного смешивания частиц при их интенсивном радиальном смешивании. Эти смесители обладают низкой сглаживающей способностью, комплектуются питателями высокой точности, используются для смешивания материалов с малой связностью частиц. В полочном аппарате смешиваемые компоненты пересыпаются сверху вниз по наклонным полкам за счет гравитационных сил. В центробежном аппарате смесительный элемент (всего их устанавливают до 5) состоит из вращающегося полого конуса, закрепленного на приводном валу, и воронки, которая жестко связана с корпусом аппарата. Смешиваемые компо Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -264- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 21 Смесительное оборудование ненты поступают в конус верхнего элемента, откуда они под действием центробежных сил выбрасываются на внутреннюю поверхность воронки. По ней они сползают в нижележащий элемент, где процесс повторяется. В качестве непрерывно действующих аппаратов объемного смешивания можно использовать любой из подобных смесителей периодического действия с организацией непрерывной подачи в него компонентов и отбора готовой смеси. Часто для повышения однородности смеси такие смесители составляют из двух последовательно соединенных периодически действующих аппаратов. Смесители данной группы отличаются наиболее высокой сглаживающей способностью, что позволяет применять питатели низкой точности и даже подавать материалы порционно, и используются для приготовления однородных смесей с высокой связностью частиц, а также увлажненных. В аппаратах с продольно-радиальным смешиванием компоненты смеси с помощью рабочего органа (шнек, лента, спираль, наклонные лопатки и др.) перемещаются вдоль оси корпуса аппарата от места загрузки к месту выгрузки (рис. 126). Смесители этой группы обладают хорошей сглаживающей способностью, поэтому их можно комплектовать питателями средней точности. Наиболее распространены двухшнековые, центробежные и ленточные смесители. Рис. 126. Аппараты с продольно-радиальным смешением: а − двухшнековый; б − центробежный; в − ленточный В смесителях непрерывного действия поступление компонентов на смешение и выдача готовой смеси осуществляются непрерывно. Качество смеси, получаемой в смесителях непрерывного действия, зависит не только от характеристик процессов собственно смешивания, но и от характера питания (дозирования). Любой питатель (дозатор) характеризуется определенной погрешностью равномерности питания (дозирования). Источником формирования погрешности могут быть как статистические, так и детерминированные факторы. Для получения требуемого качества готовой смеси смеситель непрерывного действия должен не только смешать компоненты, но и сгладить флуктуации питающих потоков, в основном по показателям расхода (скорости поступления) отдельных компонентов. Создание смесительных установок непрерывного действия может осуществляться следующими путями: 1) создается (подбирается) смеситель, питатель (дозатор) выбран заранее; 2) создается (подбирается) питатель (доза Проектирование и оборуд. цехов по произв. порошковых и композиционных материалов. Курс лекций -265- РАЗДЕЛ III ОБОРУД-НИЕ ЦЕХОВ ДЛЯ ПРОИЗ-ВА ПОР-ВЫХ И КОМП-НЫХ МАТ-ОВ ЛЕКЦИЯ 21 Смесительное оборудование тор), смеситель выбран заранее; 3) смеситель и питатель (дозатор) создаются одновременно. В первом случае конструкция создаваемого смесителя и режим его работы должны обеспечить смешивание и сглаживание флуктуаций подаваемых питателем (дозатором) потоков. Вид и количественные параметры этих флуктуаций должны быть указаны в технических характеристиках питателей (дозаторов) или установлены экспериментально. Во втором случае надо подобрать к заранее выбранному смесителю такие питатели (дозаторы), которые обеспечивают уровень флуктуации характеристик подаваемых потоков ниже уровня, допускаемого конструкцией смесителя. Для обеспечения требуемого соотношения указанных уровней необходимо расчетом или экспериментально установить сглаживающую способность смесителя. В третьем случае необходимо, используя критерий минимума приведенных затрат, оптимизировать соотношение сглаживающей способности смесителя и погрешности питания, обеспечиваемой питателем. Смесители непрерывного действия можно разделить на следующие группы: 1) смесители, в которых материал перемещается вдоль оси без продольного перемешивания частиц; 2) смесители, в которых материал перемещается вдоль оси при наличии определенного уровня продольного перемешивания; 3) смесители с хаотическим перемешиванием компонентов во внутреннем объеме. Смесители первой группы являются практически безинерционными, и флуктуации дозирования в них не сглаживаются. Смесители должны комплектоваться питателями (дозаторами) высокой точности, что требует применения дорогостоящих систем автоматического регулирования. Конструктивно смесители первой группы выполняют в виде вертикальной трубы, внутри которой вращаются радиальные мешалки. Смешиваемые компоненты свободно падают через трубу, процесс радиального смешения описывается однопараметрической диффузионной моделью, интенсивность смешивания определяется в основном частотой вращения мешалок, продолжительность пребывания материалов в смесителе измеряется секундами − десятками секунд. Смесители второй группы обладают определенной сглаживающей способностью, материал движется внутри смесителя в поршневом режиме (режиме вытеснения) при наличии некоторого продольного перемещения частиц друг относительно друга. В порошковой металлургии применяют в основном две разновидности смесителей второго типа: барабанные и червячно-лопастные.  Проектирование и оборуд. ц