2) Приготовление прядильной массы;

3) Формование волокна;

4) Отделка.

Для получения исходного материала используют традиционные методы синтеза высокомолекулярных смол. Применяются очень чистые смолы, способные растворяться в растворителях или плавиться. Для очистки исходное сырье подвергается фильтрованию.

Приготовление прядильной массы состоит в растворении полимера в растворителе или его расплавлении. На этой стадии добавляются красители для получения нужного цвета.

Формование волокна производится на специальном оборудовании путем продавливания прядильной массы через фильеры - мельчайшие отверстия диаметром 0,04 мм. Образующиеся тонкие струйки раствора или расплава отверждают путем охлаждения или химическим способом с использованием специальных отвердителей. Образующиеся нити сматывают на приемные катушки. Отделка волокна состоит в его обра­ботке различными реагентами, сушке, кручении, отбелке, вытягивании, термообработке, перемотке, сортировке.

Каучук - характерный представитель высокомолекулярных (полимерных) соединений. Он является основной составной частью резины, бывает растительного происхождения (натуральный) и синтетический. Наиболее широкое применение в промышленности получил синтети­ческий каучук. Его химический состав и строение, а также физические свойства могут быть весьма разнообразны, и сильно отличаться от свойств натурального каучука, в чем и заключается преимущество синтетических каучуков.

Основным сырьем для производства синтетических каучуков являются попутные газы нефтепереработки, этиловый спирт и ацетилен. Основные методы получения - полимеризация и поликонденсация. При переработке каучуки превращают в резину. Она характеризуется высокой эластичностью, сопротивлением к истиранию, изгибам, обладает газо- и водонепроницаемостью, высокими электроизо­ляционными свойствами, стойкостью к агрессивным средам.

Резину получают добавлением к каучуку ряда компонентов (ин­гредиентов) и полученную смесь подвергают вулканизации. Вулка­низация заключается в образовании мостиков между линейными молекулами каучука и получении трехмерной пространственной мо­лекулярной структуры. Такая структура приводит к повышению термической стойкости и прочности материала, к уменьшению его растворимости и увеличению химической стойкости. Наиболее рас­пространенным вулканизатором является сера, она же определяет и твердость резины. Также вводятся различные наполнители как для улучшения свойств (сажа, цинковые белила, каолин, противостарители), так и для удешевления (мел, тальк).

Резиновые изделия изготавливают: методом шприцевания, штамповкой, литьем под давлением, окунанием моделей в латекс и др. Разделяют резиновые изделия по назначению и условиям эксплуатации.

В химической промышленности наибольшие расходы приходятся на сырье и составляют в среднем 60-70 % себестоимости, а на топ­ливо и энергию - около 10 %. Амортизационные отчисления составляют 3-4 %, заработная плата основных производственных рабо­чих колеблется от 3 до 20 % себестоимости продукции и зависит от типа производства.

8.6. Основные направления технологического прогресса в химической промышленности

1. Увеличение масштабов аппаратов. Обеспечит повышение производительности процессов.

2. Интенсификация работы аппаратов. Необходима для совершенствования и улучшения режимов работы аппаратов. Связана с модернизацией и реконструкцией.

3. Механизация трудоемких процессов.

4. Автоматизация и дистанционное управление процессами.

5. Замена периодических процессов непрерывными. Это аналогично применению конвейеров в механической технологии. Переход к непрерывным процессам повышает производительность труда, улучшает качество продукции и условий труда,

6. Использование, теплоты реакции.

7. Создание безотходных производств. Решает комплексно-экологическую проблему и обеспечивает снижение себестоимости продукции благодаря полному использованию всех компонентов сырья.

8. Применение прогрессивных химико-технологических процессов. К ним относятся плазмохимические процессы, фотохимические реакции, радиационно-химические процессы и биотехнологии. Особое место занимает биохимическая технология, поскольку живая клетка обладает высокоактивными, тонкоселективными биологическими катализаторами, по своей эффективности при низких (нормальных природных) температурах несравненно превышающими катализаторы, используемые в химических производствах.

ЛЕКЦИЯ 9. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

9.1. Общие сведения о технологии производства строительных материалов и строительного производства

В технологии производства строительных материалов и строительного производства реализуются знания о классификации и свойствах строительных материалов для получения из них изделий необходимого качества и технологических характеристик. Из основных строительных технологий складываются факторы, определяющие структуру систем технологий производства строительных материалов и изделий, капитального строительства.

Основы технологии производства важнейших строительных материалов и изделий дают представления о особенностях производства керамики, стекла, минеральных вяжущих веществ, бетона и железобетона, используемых в строительном производстве. Анализируя их можно дать технико-экономическую и экологическую оценку их производства. На данном этапе развития строительных технологий развивается множество методов организации строительных работ, происходит индустриализация строительства. Основным направлением технологического прогресса в производстве строительных материалов в капитальном строительстве на данном этапе развития общественного производства является реализация технологий безотходного производства, сборочного производства, производства новых малодефицитных и экологически чистых строительных материалов, обладающих новыми свойствами.

9.2. Основные свойства строительных материалов

Свойства строительных материалов определяют области их применения. Только при правильной оценке качества материалов, т.е. их важнейших свойств, могут быть получены прочные и долговечные строительные конструкции зданий и сооружений высокой технико-экономической эффективности.

Все свойства строительных материалов по совокупности признаков подразделяют на физические, химические, механические и технологические. К физическим относятся весовые характеристики материала, его плотность, проницаемость для жидкостей, газов, тепла, радиоактивных излучений, а также способность материала сопротивляться агрессивному действию внешней эксплуатационной среды. Последнее характеризует стойкость материала, обусловливающую в конечном итоге сохранность строительных конструкций. Химические свойства по существу своему также оцениваются пока­зателями стойкости материала при действии кислот, щелочей, растворов со­лей, вызывающих обменные реакции в материале и разрушение его. Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться сжатию, растяжению, удару, вдавливанию в него постороннего тела и другими видами воздействий на материал с приложением силы. Технологические свойства — способность материала подвергаться обработке при изго­товлении из него изделий. Эти свойства материалов рассматриваются в соответствующих разделах курса применительно к конкретному материалу.

Свойства строительного материала определяются его структурой. Для получения материала заданных свойств следует создать его внутреннюю структуру, обеспечивающую необходимые технические характеристики. В конечном итоге знание свойств материалов необходимо для наиболее эффективного его использования в конкретных условиях эксплуатации.

Структуру строительного материала изучают на трех уровнях:

-макроструктура — строение материала, видимое невооруженным глазом;

-микроструктура — строение, видимое через микроскоп; внутреннее строение вещества, изучаемое на молекулярно-ионном уровне (физико-химические методы исследования — электронная микроскопия, термография, рентгеноструктурный анализ и др.).

Макроструктуру твердых строительных материалов (исключая горные породы, имеющие свою геологическую классификацию) делят на следующие группы: конгломератная, ячеистая, мелкопористая, волокнистая, слоистая и рыхлозернистая (порошкообразная). Искусственные конгломераты представляют собой большую группу; это различного вида бетоны, керамические и другие материалы. Ячеистая структура материала отличается наличием макропор; она свойственна газо- и пенобетонам, газосиликатам и др. Мелкопористая структура характерна, например, для керамических материалов, получаемых в результате выгорания введенных органических веществ. Волокнистая структура присуща древесине, изделиям из минеральной ваты и др. Слоистая структура характерна для листовых, плитных и рулонных материалов. Рыхлозернистые материалы — это заполнители для бетонов, растворов, различного вида засыпка для теплозвукоизоляции и др.

Микроструктура строительных материалов может быть кристаллическая и аморфная. Эти формы нередко являются лишь различными состояниями одного и того же вещества, например кварц и различные формы кремнезема. Кристаллическая форма всегда более устойчива. Чтобы вызвать химическое взаимодействие между кварцевым песком и известью в производстве силикатного кирпича, применяют автоклавную обработку сырца насыщенным водяным паром с температурой 175°С и давлением 0,8 МПа, в то же время трепел (аморфная форма двуокиси кремнезема) с известью при затворении водой образует гидросиликат кальция при нор­мальной температуре 15-25°С. Аморфная форма вещества может перейти в более устойчивую кристаллическую.

Для каменных материалов практическое значение имеет явление поли­морфизма, когда одно и то же вещество способно существовать в различ­ных кристаллических формах, называемых модификациями. Полиморф­ные превращения кварца сопровождаются изменением объема. Для кри­сталлического вещества характерна определенная температура плавления и геометрическая форма кристаллов каждой модификации.

Свойства монокристаллов в разных направлениях неодинаковы. Тепло­проводность, прочность, электропроводность, скорость растворения и явле­ния анизотропии являются следствием особенностей внутреннего строения кристаллов.

В строительстве применяют поликристаллические каменные материалы, в которых разные кристаллы ориентированы хаотично. Эти материалы по своим свойствам относятся к изотропным, исключение составляют слоис­тые каменные материалы (гнейсы, сланцы и др.).

Внутренняя структура материала определяет его механическую прочность, твердость, теплопроводность и другие важные свойства.

Кристаллические вещества, входящие в состав строительного материала различают по характеру связи между частицами, образующими кристаллическую решетку. Она может быть образована: нейтральными атомами (одного и того же элемента, как в алмазе, или разных элементов, как в SiO₂); ионами (разноименно заряженными, как в кальците СаСО₃, или одноименными, как в металлах); целыми молекулами (кристаллы льда).

Ковалентная связь, обычно осуществляемая электронной парой, образуется в кристаллах простых веществ (алмазе, графите) или в кристаллах, состоящих из двух элементов (кварце, карборунде). Такие материалы отличаются высокой прочностью и твердостью, они весьма тугоплавки.

Ионные связи образуются в кристаллах материалов, где связь имеет в основном ионный характер, например гипс, ангидрид. Они имеют невысокую прочность, не водостойки.

В относительно сложных кристаллах (кальците, полевых шпатах) имеют место и ковалентная и ионная связи.

Молекулярные связи образуются в кристаллах тех веществ, в молекулах которых связи являются ковалентными, кристалл этих веществ по­строен из целых молекул, которые удерживаются друг около друга относительно слабыми ван-дер-ваальсовыми силами межмолекулярного притяжения (кристаллы льда), имеющими низкую температуру плавления.

Силикаты имеют сложную структуру. Так, волокнистые минералы (асбест) состоят из параллельных силикатных цепей, связанных между со­бой положительными ионами, расположенными между цепями. Ионные силы слабее ковалентных связей внутри каждой цепи, поэтому механические силы, недостаточные для разрыва цепей, расчленяют такой материал на волокна.

Пластинчатые минералы (слюда, каолинит) состоят из силикатных групп, связанных в плоские сетки. Сложные силикатные структуры построены из тетраэдров, связанных между собой общими вершинами (атомами кислорода) и образующих объемную решетку, поэтому их рассматривают как неорганические полимеры.

Состав. Строительный материал характеризуется химическим, минеральным и фазовым составом. Химический состав строительных материалов позволяет судить о ряде свойств материала — механических, огнестой­кости, биостойкости, а также других технических характеристиках. Химический состав неорганических вяжущих материалов (извести, цемента и др.) и естественных каменных материалов удобно выражать содержанием в них окислов (в %). Основные и кислотные окислы химически связаны и образуют минералы, которые характеризуют многие свойства материала. Минеральный состав показывает, каких минералов и в каком количестве содержится в данном материале, например в портландцементе содержание трехкальциевого силиката составляет 45—60%, причем при большем содержании этого минерала ускоряется процесс твердения и повышается прочность. Фазовый состав и фазовые переходы воды, находящейся в его порах, оказывает большое влияние на свойства материала. В материале выделяют твердые вещества, образующие стенки пор, т.е. каркас и поры, наполненные воздухом или водой. Изменение содержания воды и ее состояния меняет свойства материала.

9.3. Свойства и основы производства керамических материалов и изделий

Керамические материалы получают из глиняных масс путем формования и последующего обжига. При этом часто имеет место промежуточная технологическая операция — сушка свежесформованных изделий, называемых «сырцом».

Универсальность свойств, широкий ассортимент, высокая прочность и долговечность керамических изделий позволяют широко использовать их в самых разнообразных конструкциях зданий и сооружений: для стен, тепловых агрегатов, в качестве облицовочного материала для полов и стен, в виде труб для сетей канализации, для облицовки аппаратов химической промышленности, в качестве легких пористых заполнителей для сборных железобетонных изделий.

Сырьем для изготовления керамических материалов служат различные глинистые горные породы. Для улучшения технологических свойств глин, а также придания изделиям определенных и более высоких физико-механических свойств к глинам добавляют кварцевый песок, шамот (дробленая обожженная при температуре 1000-1400°С огнеупорная или тугоплавкая глина), шлак, древесные опилки, угольную пыль.

Глиняные материалы образовались в результате выветривания изверженных полевошпатовых горных пород. Процесс выветривания горной породы заключается в механическом разрушении и химическом разложении. Механическое разрушение происходит в результате воздействия переменной температуры и воды. Химическое разложение происходит, например, при воздействии на полевой шпат воды и углекислоты, в результате чего обра­зуется минерал каолинит.

Глиной называют землистые минеральные массы или обломочные горные породы, способные с во­дой образовывать пластичное тесто, по высыхании сохраняющее приданную ему форму, а после обжига приобретающее твердость камня.

На многих керамических заводах отсутствует сырье, пригодное в естественном виде для изготовления соответствующих изделий. Такое сырье требует введения добавок. Так, добавляя к пластичным глинам добавки до 6—10% (песок, шлак, шамот и др.), можно уменьшить усадку глины при сушке и обжиге. Большое влияние на связующую способность глин и их усадку оказывают фракции меньше 0,001 мм.

Чем больше содержание глинистых частиц, тем выше пластичность. Пластичность можно повысить добавлением высокопластичных глин, а также введением поверхностно-активных веществ — сульфитно-дрожжевой браж­ки (СДБ) и др. Понизить пластичность можно добавлением непластичных материалов, — кварцевого песка, шамота, шлака, древесных опилок, крошки угля.

Усадкой называют уменьшение линейных размеров и объема при сушке образца (воздушная усадка) и обжиге (огневая усадка). Воздушная усадка происходит при испарении воды из сырца в процессе его сушки. Для различных глин линейная воздушная усадка колеблется от 2—3 до 10—12% в зависимости от содержания тонких фракций. Огневая усадка происходит из-за того, что в процессе обжига легкоплавкие составляющие глины расплавляются, и частицы глины в местах их контакта сближаются. Огневая усадка в зависимости от состава глин бывает от 2 до 8%. Полная усадка равна алгебраической сумме воздушной и огневой усадок, она колеблется в пределах 5—18%. Это свойство глин учитывают при изготовлении изделий необходимых размеров.

Характерным свойством глин является их способность превращаться при обжиге в камневидную массу. В начальный период повышения температуры начинает испаряться механически примешанная вода, затем выгорают органические примеси, а при нагревании до 550—800°С происходит дегидратация глинистых минералов и глина утрачивает свою пластичность.

При дальнейшем повышении температуры осуществляется обжиг — начинает расплавляться некоторая легкоплавкая составная часть глины, которая, растекаясь, обволакивает нерасплавившиеся частицы глины, при охлаж­дении затвердевает и цементирует их. Так происходит процесс превращения глины в камневидное состояние. Частичное плавление глины и действие сил поверхностного натяжения расплавленной массы вызывают сближение ее частиц, происходит сокращение объема — огневая усадка. Совокупность процессов усадки, уплотнения и упрочнения глины при обжиге называют спеканием глины. При дальнейшем повышении температуры масса размягчается — наступает плавление глины.

На цвет обожженных глин оказывает влияние главным образом содержание окислов железа, которые окрашивают керамические изделия в крас­ный цвет при наличии избытка в печи кислорода или в темно-коричневый и даже черный при недостатке кислорода. Окислы титана вызывают синеватую окраску черепка.

Для получения белого кирпича обжиг ведут в восстановительной среде (при наличии свободных СО и Н₂ в газах) и при определенных температу­рах, чтобы окись железа перевести в закись.

Несмотря на обширный ассортимент керамических изделий, разнообразие их форм, физико-механических свойств и видов сырьевого материала, основные этапы производства керамических изделий являются общими и состоят из следующих операций:

- добычи сырьевых материалов,

-подготовки сырьевой массы,

-формования изделий (сырца),

-сушки сырца, обжига изделий,

-обработки изделий (обрезки, глазурования и пр.) и упаковки.

Добыча сырья. Заводы по производству керамических материалов, как правило, строят вблизи месторождения глины, и карьер является составной частью завода. Разработку (добычу) сырья осуществляют на карьерах открытым способом — экскаваторами. Транспортировку сырья от карьера к заводу производят автосамосвалами, вагонетками или транспортерами при небольшой удаленности карьера от цеха формовки.

Подготовка сырьевых материалов состоит из разрушения природной структуры глины, удаления или измельчения крупных включений, смешения глины с добавками и увлажнения до получения удобоформуемой глиняной массы.

Формование. Подготовку керамической массы в зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции осуществляют полусу­хим, пластическим и шликерным (мокрым) способами. При полусухом способе производства глину вначале дробят и подсушивают, затем измельчают и с влажностью 8—12% подают на формование. При пластическом спо­собе формования глину дробят, затем направляют в глиносмеситель, где она перемешивается с обогощающими добавками до получения однородной пластичной массы влажностью 20—25%. Формование керамических изделий при пластическом способе осуществляют преимущественно на ленточных прессах. При полусухом способе глиняную массу формуют на гидравлических или механических прессах под давлением до 15 МПа и более. По шликерному способу исходные материалы измельчают и смеши­вают с большим количеством воды (до 60%) до получения однородной массы — шликера. В зависимости от способа формования шликер используют как непосредственно для изделий, получаемых способом литья, так и после его сушки в распылительных сушилках.

Сушка. Современный период развития производства строительной керамики характеризуется интенсификацией технологических процессов, комплексной механизацией, конвейеризацией и автоматизацией производства. В этой связи важную роль отводят разработке новой технологии получения пресспорошка в распылительных сушилах, сущность которой заключается в совмещении процессов обезвоживания, дробления и сепарации.

Обязательной промежуточной операцией тех­нологического процес­са производства керамических изделий по пластическому способу является сушка. Если же сырец, имеющий высокую влажность, сразу после формования подвергнуть обжигу, то он растрескивается. При сушке сырца искусственным спо­собом в качестве теплоноси­теля используют дымовые газы обжигательных печей, а также специальных топок. При изготовлении изделий тонкой керамики приме­няют горячий воздух, обра­зуемый в калориферах. Искусственную сушку произво­дят в камерных сушилах пе­риодического действия или туннельных сушилах непрерывного действия.

Процесс сушки представляет собой комплекс явлений, связанных с тепло- и массообменом между материалом и окружающей средой. В результате происходит перемещение влаги из внутренней части изделий на по­верхность и испарение ее. Одновременно с удалением влаги частицы материала сближаются, и происходит усадка. Уменьшение объема глиняных изделий при сушке происходит до определенного предела, несмотря на то, что вода к этому моменту полностью еще не испарилась.

В целях, получения высококачественных керамических изделий процессы сушки и обжига должны осуществляться в строгих режимах. Обжиг является завершающей стадией технологического процесса. В печь сырец поступает с влажностью 8-12%, где в начальный период происходит его досушивание.

В результате обжига изделие приобретает камневидное состояние, высокие водостойкость, прочность, морозостойкость и дру­гие ценные строительные качества.

9.4. Свойства и основы производства минеральных вяжущих веществ

Минеральными вяжущими веществами называют тонкоизмельченные порошки, образующие при смешивании с водой пластичное тесто, под вли­янием физико-химических процессов переходящее в камневидное состоя­ние. Это свойство вяжущих веществ используют для приготовления на их основе растворов, бетонов, безобжиговых искусственных каменных ма­териалов и изделий.

Различают минеральные вяжущие вещества воздушные и гидравлические. Воздушные вяжущие вещества твердеют, долго сохраняют и повы­шают свою прочность только на воздухе. К воздушным вяжущим веществам относятся гипсовые и магнезиальные вяжущие, воздушная известь и кислотоупорный цемент. Гидравлические вяжущие вещества способны твердеть и длительно сохранять свою прочность не только на воздухе, но и в воде. В группу гидравлических вяжущих входят портландцемент и его разновидности, пуццолановые и шлаковые вяжущие, глиноземистый и расширяющиеся цементы, гидравлическая известь. Их используют как в надземных, так и в подземных и подводных конструкциях. Наряду с этим различают вяжущие вещества, эффективно твердеющие только при автоклавной обработке — давлении насыщенного пара 0,8—1,2 МПа и температуре 170—200°С. В группу вяжущих веществ автоклавного твердения входят известково-кремнеземистые и известково-нефелиновые вяжущие, а также смеси тонкомолотого песка с портландцементом, кото­рые хотя и могут твердеть в других условиях, но дают значительно более высокий прирост прочности при автоклавном режиме твердения.

Гипсовые вяжущие вещества делят на две группы - низкообжиговые и высокообжиговые. Низкообжиговые гипсовые вяжущие вещества получают при нагревании двуводного гипса CaSO₄•2Н₂О до температуры 150— 16О°С с частичной дегидратацией двуводного гипса и переводом его в полуводный гипс CaSO₄•0,5Н2О. Высокообжиговые (ангидритовые) вяжущие получают обжигом двуводного гипса при более высокой температуре до 700—1000°С с полной потерей химически связанной воды и образованием безводного сульфата кальция - ангидрита CaSO4. К низкообжиговым относится строительный, формовочный и высокопрочный гипс, а к высокообжиговым — ангидритовый цемент и эстригипс.

Сырьем для производства гипсовых вяжущих служат природный гипсовый камень и природный ангидрид CaSO₄, а также отходы химической промышленности, содержащие двуводный или безводный сернокислый кальций, например фосфогипс. Возможно применение гипсосодержащего природного сырья в виде сажи и глиногипса.

Производство гипса складывается из дробления, помола и тепловой обработки (дегидратации) гипсового камня. Имеется несколько технологических схем производства гипсового вяжущего: в одних помол предшествует обжигу, в других помол производится после обжига, а в третьих помол и обжиг совмещаются в одном аппарате. Последний способ получил название обжига гипса во взвешенном состоянии. Тепловую обработку гипсового камня производят в варочных котлах, сушильных барабанах, шах­тных или других мельницах. Наиболее распространена схема производства гипсового вяжущего с применением варочных котлов (рисунок 9.1).

Рис. 9.1. Технологическая схема производства строительного гипса с применением варочных котлов:

1 - мостовой грейферный кран; 2 - бункер гипсового камня; 3 - лотковый питатель; 4 - щековая дробилка; 5 - ленточные транспортеры; 6 - бункер гипсового щебня; 7 - тарельчатый питатель; 8 - шахтная мельница; 9 - сдвоенный циклон; 10 - батарея циклонов; 11 - вентилятор; 12 - рукавные фильтры; 13 - пылеосадительная камера; 14 - шнеки; 15 - бункер сырого молотого гипса; 16 - камера томления; 17 - гипсоварочный котел; 18 - элеватор; 19 - бункер готового гипса; 20 - скребковый транспортер

Гипсовый камень, поступающий на завод в крупных кусках, сначала дробят, затем измельчают в мельнице, одновременно подсушивая его. В порошкообразном виде камень направляют в варочный котел периодического или в установку непрерывного действия. Последняя имеет в 2-3 раза выше производительность, но еще находит­ся в стадии практического освоения.

Варочный котел периодического действия (рисунок 9.2) представляет собой обмурованный кирпичом стальной котел 1 со сферическим днищем 2, обращенным выпуклой стороной внутрь цилиндра. Для перемешивания гипса в котле имеется мешалка 3, приводимая в движение электродвигателем 4. Раскаленные топочные газы обогревают днище и стенки котла, а также проходят через жаровые трубы 5 внутри котла и в охлажденном состоянии удаляются по дымовой трубе. Продолжительность варки — 90—180 мин. При варке в котле гипс не соприкасается с топочными газами, что позволяет получать чистую продукцию, не загрязненную золой топлива.

Рис. 9.2. Варочный котел для изготовления строительного гипса: 1 - днище; 2 - мешалка; 3 - электродвигатель; 4 - котел; 5 – жаровые трубы; 6 - выгрузочный желоб

Гипсовое вяжущее в сушильных барабанах получают путем обжига гипсового камня в виде щебня размером до 20 мм. Обжиговой частью сушиль­ного барабана служит наклонный стальной цилиндр диаметром до 2,5 м и длиной до 20 м, установленный на роликовых опорах и непрерывно враща­ющийся. Гипсовый щебень подается в барабан с приподнятой стороны и в результате вращения наклонного барабана перемещается в сторону наклона. Из топки в барабан поступают раскаленные дымовые газы, которые при движении вдоль барабана обжигают гипсовый камень, а с противоположной стороны удаляются вентилятором. Далее гипсовый камень измельчают в мельницах.

Применяется гипсовое вяжущее для производства гипсовых и гипсобетонных строительных изделий для внутренних частей зданий (перегородочных плит, панелей, сухой штукатурки, приготовления гипсовых и смешан­ных растворов, производства декоративных и отделочных материалов, например искусственного мрамора), а также для производства гипсоцементно-пуццолановых вяжущих.

Высокопрочный гипс является разновидностью полуводного гипса. Высокопрочный гипс выпускают пока в небольшом количестве и применяют в основном в металлургической промышленности для изготов­ления форм. Однако он успешно может заменить обыкновенное гипсовое вяжущее, обеспечив изделиям высокую прочность.

Формовочный гипс состоит в основном из кристаллов /3-модификации и незначительного количества примесей. Он обладает повышенной водопотребностью, а будучи затвердевшим, имеет высокую пористость. Это свойство формовочного гипса успешно используется в керамической и фарфорофаянсовой промышленности для изготовления форм.

Ангидритовое вяжущее получают обжигом природного двуводного гипса при температуре 600—700°С с последующим его измельчением с добавками — катализаторами твердения (известью, смесью сульфата натрия с медным или железным купоросом, обожженным доломитом, основным до­менным гранулированным шлаком и др.). Ангидритовое вяжущее можно получить также путем помола природного ангидрида с указанными выше добавками.

Ангидритовый цемент — это медленно схватывающееся вяжущее вещество с началом схватывания не ранее 30 мин, концом — не позднее 24 ч.

Применяют ангидритовые цементы для приготовления кладочных и отделочных растворов, бетонов, производства теплоизоляционных мате­риалов, искусственного мрамора и других декоративных изделий.

Высокообжиговый гипс (эстрих-гипс) является разновидностью ангидритовых цементов. Высокообжиговый гипс медленно схватывается и твердеет, но водостойкость и прочность при сжатии (10—20 МПа) позволяют успешно использовать его при устройстве мозаичных полов, изготовлении искусственного мрамора и др. Изделия из высокообжигового гипса мало-, тепло- и звукопроводны, они обладают по сравнению с изделиями из гипсового вяжущего более высокой морозостойкостью, повышенной водостойкостью и меньшей склонностью к пластическим деформациям.

Строительную известь получают путем обжига (до удаления углекислоты) из кальциево-магниевых горных пород — мела, известняка, доломи-тизированных и мергелистых известняков, доломитов.

Для производства тонкодисперсной строительной извести гасят водой или размалывают негашеную известь, вводя при этом минеральные добав­ки в виде гранулированных доменных или электротермофосфатных шла­ков, активные минеральные добавки или кварцевые пески. Строительную известь применяют для приготовления строительных растворов и бето­нов, вяжущих материалов и в производстве искусственных камней, бло­ков и строительных деталей.

В зависимости от условий твердения различают строительную известь воздушную, обеспечивающую твердение строительных растворов и бетонов и сохранение ими прочности в воздушно-сухих условиях, и гидравлическую, обеспечивающую твердение растворов и бетонов и сохранение ими прочности в воздушно-влажных условиях

Портландцемент является важнейшим вяжущим веществом. По производству и применению он занимает первое место среди всех других вя­жущих веществ..

Портландцемент — гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе. Оно получается тонким измельчением обожженной до спекания сырьевой смеси известняка и глины, обеспечивающей преобладание в клинкере силикатов кальция. Спекшаяся сырьевая смесь в виде зерен размером до 40 мм называется клинкером; от качества его зависят важнейшие свойства цемента: прочность и скорость ее нарастания, долговечность, стойкость в различных эксплуатационных условиях.

Портландцемент, получаемый на заводах из различных видов природного сырья и с неодинаковой технологией производства, отличается как по химико-минералогическому составу, так и по свойствам.

Технологический процесс производства портландцемента состоит из следующих основных операций: добычи известняка и глины, подготовления сырьевых материалов и корректирующих добавок, приготовления из них однородной смеси заданного состава, обжига смеси и измельчения клинкера в тонкий порошок совместно с гипсом, а иногда с добавками.

В зависимости от приготовления сырьевой смеси различают два основных способа производства портландцемента: мокрый и сухой. При мокром способе сырьевые материалы измельчают и смешивают в присутствии воды, и смесь в виде жидкого шлама обжигают во вращающихся печах; при сухом способе материалы измельчают, смешивают и обжигают в сухом виде. В последнее время все шире начинает применяться ком­бинированный способ приготовления сырьевой смеси, по которому сырьевую смесь подготовляют по мокрому способу, затем шлам обезвоживают и из него приготовляют гранулы, которые обжигают по сухому способу.

9.5. Свойства и основы производства бетона и железобетона

Бетон — искусственный камень, получаемый в результате формова­ния и твердения рационально подобранной смеси вяжущего вещества, воды и заполнителей (песка и щебня или гравия). Смесь этих материа­лов до затвердения называют бетонной смесью.

Зерна песка и щебня составляют каменный остов в бетоне. Цемент­ное тесто, образующееся после затвердения бетонной смеси водой, обво­лакивает зерна песка и щебня, заполняет промежутки между ними и играет роль смазки заполнителей, придающей бетонной смеси подвижность (те­кучесть). Цементное тесто, затвердевая, связывает зерна заполнителей, образуя искусственный камень — бетон.

Бетон в сочетании со стальной арматурой называют железобетоном.

Получение смеси и бетона хорошего качества возможно только при глубоком знании их технологии; умелом подборе составляющих материа­лов надлежащего качества и в оптимальных соотношениях; режимах приготовления бетонной смеси, методах ее укладки, уплотнения в усло­виях твердения, обеспечивающих получение бетонных конструкций вы­сокой прочности, долговечности и низкой стоимости.

Бетон является одним из важнейших строительных материалов во всех областях современного строительства. Это объясняется изменени­ем свойств бетона в широком диапазоне путем использования компонен­тов соответствующего качества, применения специальных методов меха­нической и физико-химической обработки, возможностью изготовления самых разнообразных по форме и размерам долговечных строительных конструкций, возможностью полной механизации бетонных работ, эконо­мичностью бетона, так как до 80-85% объема его составляют заполнители из местных каменных материалов.

Бетоны классифицируют по следующим ведущим признакам: плотности, прочности, долговечности, виду вяжущего вещества и заполнителя и по назначению.

Основной считается классификация бетона по плотности, в результате чего бетон делят на особо тяжелый плотностью более 2500 кг/м³ тяжелый - 2200 - 2500 кг/м³, облегченный - 1800 - 2200 кг/м³ и легкий — 500 — 1800 кг/м³, особо легкий (теплоизоляционный) — менее 500 кг/м³.

В зависимости от крупности применяемого заполнителя бетоны бы­вают на мелкозернистом заполнителе (до 10 мм) и крупнозернистом (10-150 мм).

Важнейшими показателями качества бетона являются его прочность и долговечность. По показателям прочности при сжатии бетоны имеют следующие марки: тяжелые бетоны - М50 - 800, легкие - М25 - 400.

Бетоны, предназначенные для зданий и сооружений, делят на 19 классов (В1; В 1,5; В2; ... ;В60, а также С0,8; С 1,2; С 1,6; С2; ... ;С55), основной контролируемой характеристикой которых является прочность при сжатии кубов размером 150х150х х150 мм и соответственно цилиндров размером 150x300 мм. Кроме того, контролируемыми характеристиками являются прочность на растяжение, морозостойкость и водонепроницаемость.

Долговечность бетона оценивают степенью морозостойкости. По этому показателю бетоны делят на марки: для тяжелых бетонов Мрз50—500 и легких бетонов— Мрз 15—500.

По виду вяжущего вещества бетоны бывают: цементные, изготовленные на гидравлических вяжущих веществах — портландцементные и его разновидностях; силикатные — на известковых вяжущих в сочетании с силикатными или алюминатными компонентами; гипсовые — с применени­ем гипсоангидритовых вяжущих; бетоны на неорганических и органичес­ких вяжущих материалах. В настоящей главе рассмотрены бетоны на минеральных вяжущих веществах. Тяжелые бетоны изготовляют на цемен­те и обычных плотных заполнителях, а легкие — на цементе с применением естественных или искусственных пористых заполнителей. Разновидностью легкого бетона является ячеистый бетон, представляющий собой отвердев­шую смесь вяжущего вещества, воды и тонкодисперсного кремнеземистого компонента. Он отличается высокой пористостью до 80 — 90% с равномерно распределенными порами размером 3 мм. Силикатные бетоны получают из смеси извести и кварцевого песка с последующим твердением сфор­мованных изделий в автоклаве при давлении 0,8 — 1,2 МПа и температуре 170-200°С.

По виду заполнителя различают бетоны: на плотных заполнителях, пористых, специальных, удовлетворяющих специальным требованиям (за­щиты от излучений, жаростойкости, химической стойкости и т.п.).

По назначению бетон бывает следующих видов: обычный — для бетон­ных и железобетонных несущих конструкций зданий и сооружений (колон­ны, балки, плиты); гидротехнический — для плотин, шлюзов, облицов­ки каналов и др.; для стен зданий и легких перекрытий; для полов и дорожных покрытий и оснований; специальный — кислотоупорный, жароупорный, особо тяжелый для биологической защиты; особо тяжелый на цементе с применением специальных видов заполнителей высокой плотности.

Приготовление бетонной смеси включает две основные технологические операции — дозировку исходных материалов и их перемешивание.

Важнейшим условием приготовления бетонной смеси с заданными показателями свойств, а также обеспечения постоянства эти показателей от замеса к замесу является точность дозировки составляющих материа­лов в соответствии с рабочим составом бетона. Дозирование материалов производят дозаторами (мерниками) периодического или непрерывного действия. Первые могут иметь ручное, полуавтоматическое или автоматическое управление.

Перемешивание бетонной смеси производят в бетоносмесителях периодического и непрерывного действия. В бетоносмесителях периодического действия рабочие циклы машины протекают с перерывами, т.е. в них перио­ически загружаются отвешенные порции материалов, перемешивают и далее бетонная смесь выгружается. В бетоносмесителях непрерывного действия все три операции производятся непрерывно.

Продолжительность перемешивания бетонной смеси зависит от подвижности бетонной смеси и емкости бетоносмесителя. Чем меньше подвижность бетонной смеси и чем больше рабочая емкость бетоносмесителя, тем больше оптимальное время перемешивания. На автоматизированных бетонных заводах применяют бетоносмесители непрерывного действия, в которых бетонная смесь принудительно перемешивается и одновременно перемещается от загрузочного отверстия к другому концу, где происходит ее выгрузка.

Для приготовления жестких и особо жестких бетонных смесей созданы так называемые вибросмесители, в которых перемешивание составля­ющих материалов осуществляется в сочетании с вибрацией, а в некоторых конструкциях — только вибрацией.

В технологию приготовления бетонной смеси начинает внедряться перемешивание с нагреванием смеси. Суть этого метода состоит в том, что разогрев бетонной смеси до 60—65°С производят паром, подаваемым в смеситель в процессе ее перемешивания. Такое нагревание происходит равномерно, проще и во много раз быстрее, чем при предварительном нагреве воды и заполнителей, а также электроразогреве смеси.

Транспортирование бетонной смеси к месту укладки должно обеспечить сохранение ее однородности и степени подвижности. При длительной перевозке бетонная смесь загустевает вследствие гидратации цемента, поглощения воды заполнителями и испарения, однако подвижность смеси к моменту укладки ее должна быть не меньше проектной.

При выборе способа транспортирования необходимо учитывать дальность и скорость перевозки, подвижность смеси и экономичность способа. На заводах бетонные смеси транспортируют бетонораздатчиками, самоходными тележками, ленточными транспортерами; в цехах малой и средней мощности — электротельферами и электрокарами. Подвижные смеси можно транспортировать на большие расстояния по трубам с помощью пневматических установок. На строительные площадки, где ведутся бетонные работы, бетонную смесь доставляют на автосамосвалах или автобетоносмесителях, в которых бетонную смесь перемешивают примерно за 5 мин до прибытия на место.

Железобетонные изделия для сборного строительства - относительно новый вид конструктивных элементов. Начало практического примене­ния их относят к концу прошлого столетия. В 20-х и 30-х годах текущего столетия появились первые здания, выполненные в основном из сборных железобетонных изделий. Однако широкому и всестороннему примене­нию сборного железобетона в то время препятствовал низкий уровень механизации строительства, отсутствие мощных монтажных кранов и обо­рудования для производства железобетонных изделий.

За прошедшие годы в СНГ создана самая крупная в мире индустриальная промышленность сборного железобетона. Если в 1954 г. было выпущено около 2 млн;м³ сборных железобетонных изделий, то в 1980 г. общий выпуск сборного железобетона составил 122 млн. м³. Наряду с увеличением выпуска расширяется номенклатура желе­зобетонных изделий, увеличиваются их размеры. Накоплен некоторый опыт строительства зданий с применением объемных элементов.

Основные факторы, обеспечивающие столь быстрый подъем производства сборного железобетона следующие:

1) максимальная степень заводской готовности, что дает определенный технико-экономический эффект;

2) универсальность свойств железобетонных изделий; путем определенных технологических приемов изготовления и соответствующего выбора материалов железобетонные изделия могут быть получены с различными механическими и физическими свойствами — высокопрочные, водонепроницаемые, жаростойкие, с низкой теплопровод­ностью и т.д.;

3) долговечность;

4) возможность значительно сократить расход стали в строительстве.

Наряду с достоинствами железобетонные конструкции обладают и недостатками:

1) большая плотность;

2) высокая себестоимость изделий;

3) значительные транспортные расходы.

Все это снижает общую технико-экономическую эффективность строительства из сборных железобетонных изделий.

Первостепенной задачей производственников и конструкторов является уменьшение массы сборных железобетонных конструкций путем применения материалов высокого качества и более рациональных форм изделий, совершенствование организации технологического процесса, более полная его механизация с широким использованием автоматичес­кого управления.

Железобетон представляет собой строительный материал, в котором выгодно сочетается совместная работа бетона и стали.

В различных конструкциях, в зависимости от местных условий, фактора цен и т.д., эффективность взаимозаменяемых материалов проявляется по-разному. Расчеты показывают, что в тех случаях, когда строительство ведется в труднодоступных районах, стальные конструкции оказываются, как правило, эффективнее железобетонных. При наличии сред агрессивных и повышенной влажности во многих случаях более целесооб­разно использовать железобетон.

Экономичность металлических конструкций определяется их конструк­тивной формой, возможностью индустриального изготовления, степенью совершенствования монтажа зданий и сооружений.

Отечественная и зарубежная практика строительства свидетельствует об экономической целесообразности более широкого использования легких алюминиевых сплавов в различных строительных конструкциях. Интересно, что около 1/5 всего вырабатываемого в мире алюминия сегодня используется для нужд строительства. Алюминиевые сплавы желательно использовать в ряде несущих и ограждающих конструкций, для заполнения оконных проемов и устройства витражей, при сооружении мостов, емкостей для хранения различных материалов и продуктов, для отражательной теплоизоляции и в других целях. Эффективность применения алюминиевых сплавов в стро­ительстве также зависит от района его использования. Так, наибольший экономический эффект применения алюминия получен в районах Крайнего Севера, а также в труднодоступных и сейсмических районах.

Наиболее целесообразно применять железобетон для строительных элементов, подверженных изгибу. При работе таких элементов возника­ют напряжения двух видов — растягивающие и сжимающие. При этом сталь воспринимает первые напряжения, а бетон вторые, и железобетонный элемент в целом успешно противостоит изгибающим нагрузкам. Таким образом сочетается работа бетона и стали в одном материале — железобе­тоне.

Возможность совместной работы в железобетоне двух резко различных по своим свойствам материалов определяется следующими важнейшими факторами: прочным сцеплением бетона со стальной арматурой, вследствие этого при возникновении напряжения в железобетонной кон­струкции оба материала работают совместно; почти одинаковым коэффи­циентом температурного расширения для стали и бетона, чем обеспечива­ется полная монолитность железобетона; бетон не только не оказывает разрушающего влияния на заключенную в нем сталь, но и предохраняет ее от коррозии.

В зависимости от способа армирования и состояния арматуры разли­чают железобетонные изделия с обычным армированием и с предварительно напряженным. Армирование бетона стальными стержнями, сетками или каркасами не предохраняет изделия, работающие на изгиб, от образования трещин в растянутой зоне бетона, так как последний обладает незначи­тельной растяжимостью (1—2 мм на 1 м), тогда как сталь выдерживает без разрушения в 5—6 раз большие растягивающие напряжения, чем бе­тон. Появление трещин отрицательно влияет на работу железобетонного элемента: увеличиваются прогибы, в трещины проникают влага и газы, отчего создается опасность коррозии стальной арматуры.

Избежать образования трещин в железобетонной конструкции можно предварительным сжатием бетона в местах, подверженных растяжению. В предварительно сжатом бетоне трещины появляются только в том слу­чае, если растягивающие напряжения перерастут напряжения предварительного сжатия. Сжатие бетона достигается предварительным (растяжением) арматуры.

Различают два вида предварительного напряжения арматуры — до затвердения бетона и после приобретения бетоном определенной прочности. Бели напряжение арматуры производится до бетонирования, то уложен­ная в форму арматура растягивается и в таком состоянии закрепляется в форме. После заполнения формы бетонной смесью и затвердения бетона арматура освобождается от натяжения, сокращается и увлекает за собой окружающий ее бетон, обжимая железобетонный элемент в целом. Если же напряжение арматуры производится после затвердения бетона, то в этом случае арматуру располагают в специально оставленном в бетоне канале. После затвердения бетона арматуру натягивают и закрепляют на концах конструкции анкерными устройствами. Затем заполняют канал раствором, который после затвердения сцепляется с арматурой и с бетоном конструкции, обеспечивая монолитность железобетона.

По виду армирования железобетонные изделия делят на предварительно напряженные и. с обычным армированием.

В зависимости от назначения сборные железобетонные изделия делят на основные группы: для жилых, общественных, промышленных зданий, для сооружений сельскохозяйственного строительства и изделий общего назначения.

Железобетонные изделия должны отвечать требованиям действующих государственных стандартов, а также требованиям рабочих чертежей и технических условий на них. Изделия массового производства должны быть типовыми и унифицированными для возможности применения их в зданиях и сооружениях различного назначения.

Изделия должны иметь максимальную степень заводской готовности.

Составные или комплексные изделия поставляют потребителю, как пра­вило, в законченном, собранном и полностью укомплектованном дета­лями виде. Железобетонные изделия с проемами поставляют со вставлен­ными оконными или дверными блоками, проолифленными или загрунто­ванными. Качество поверхности изделий должно быть таким, чтобы на месте строительства (если это не предусмотрено проектом) не требова­лось дополнительной их отделки.

Технологический процесс производства железобетонных изделий складывается из следующих последовательно выполняемых операций: приготовления бетонной смеси; армирования железобетонных изделий; формования; тепловлажностной обработки, обеспечивающей получение необходимой прочности бетона изделий к заданному сроку; отделки лицевой поверхности изделий.

Организация выполнения этого комплекса основных технологических операций и их техническое оформление в современной технологии сбор­ного железобетона осуществляются по трем принципиальным схемам:

1. Изготовление изделий в неперемещаемых формах; в этом случае все технологические операции от подготовки форм до распалубки готовых отвердевших изделий осуществляются на одном месте. К этому способу относится формование изделий на плоских стендах или матрицах, в кассетах.

2. Изготовление изделий в перемещаемых формах, в этом случае отдельные технологические операции формования или отдельный ком­плекс их производится на специализированных постах. Форма, а затем изделие вместе с формой перемещаются от поста к посту по мере выпол­нения отдельных операций. В зависимости от степени расчлененности общего технологического процесса формования по отдельным постам различают конвейерный, имеющий наибольшую расчлененность, и поточно-агрегатный .способы. Последний отличается тем, что ряд операций — укладка арматуры и бетонной смеси, уплотнение — выполняются на одном посту, т.е. сагрегированы меж­ду собой. При конвейерном способе большинство операций выполняется на соответствующих постах, образующих в совокупности технологическую линию.

3. Непрерывное формование — способ, возникший сравнительно не­давно, но хорошо зарекомендовавший себя. Он отличается металлоем­костью и несравнимо высоким объемом продукции с единицы производст­венной площади предприятия. Способ непрерывного формования изделий осуществляется на вибропрокатном стане.

9.6. Общая характеристика применяемых в строительных технологиях конструкций из древесины

Конструкции из древесины и индустриальные строительные детали изготовляют на специальных строительных заводах.

Комплекты деревянных изделий и деталей для домов заводского изго­товления делят на следующие группы: комплекты для брусчатых домов; для каркасных домов со стенами несущего деревянного или железобетон­ного каркаса с различными заполнителями; для панельных домов со стена­ми из несущих панелей - деревянных (щитов), железобетонных или других материалов; для домов со стенами из местных каменных и других строи­тельных материалов. Комплекты деревянных изделий и деталей изготовля­ют из древесины хвойных (сосны, ели, лиственницы, кедра, пихты) и лист­венных пород (бука, березы, тополя, ольхи, осины, липы).

Изделия и детали поставляют на стройку в готовом виде, исключающем мх подгонку; детали и изделия, соприкасающиеся с землей, антисептируют.

Клееные конструкции применяют в покрытиях, перекрытиях, мостах в качестве балок прямоугольного и двутаврового сечения, а также в виде арок и частей металлодеревянных ферм в виде криволинейных и прямоли­нейных блоков верхних поясов ферм и элементов решетки, рам и стоек, свай и шпунта, мостовых брусьев, шпал, клеефанерных щитов (покрытий' стен и перекрытий), а также инвентарной опалубки. Клееные конструкции изготовляют путем склейки из досок (брусков) или из досок (брусков) и фанеры. Для изготовления прямолинейных клееных конструкций применя­ют доски и бруски толщиной не более 50 мм и шириной не более 100 мм для досок, склеиваемых под углом 90°, и не более 150 мм для досок, скле­иваемых под углом 45°. В зависимости от вида работы элементы деревян­ных клееных несущих конструкций делят на пять категорий.

Влажность древесины для изготовления клееных конструкций не долж­на превышать 12%. Элементы конструкций, подвергающиеся увлажнению, изготовляют на водостойких клеях типа фенолоформальдегидного.

9.7. Основы технологии получения строительных пластмасс, полимеров и изделий из них

Пластмассами называют обширную группу органических материалов, основу которых составляют искусственные или природные высокомоле­кулярные соединения — полимеры, способные при нагревании и давлении формоваться и устойчиво сохранять приданную им форму. Главными компонентами пластмасс являются: связующее вещество — полимер; наполнители в виде органических или минеральных порошков, волокон, нитей, тканей, листов; пластификаторы; стабилизаторы, отвердители и красители.

В основу классификации пластмасс положены их физико-механические свойства, структура и отношение к нагреванию.

По физико-механическим свойствам все пластмассы разделяют на пластики и эластики.

Пластики бывают жесткие, полужесткие и мягкие. Жесткие пластики — твердые упругие материалы, аморфной структуры с высоким модулем упругости (свыше 1000 МПа) и малым удлинением при разрыве, сохра­няющие свою форму при внешних напряжениях в условиях нормальной или повышенной температуры. Полужесткие пластики — твердые упругие материалы кристаллической структуры со средним модулем упругости (выше 400 МПа), высоким относительным и остаточным удлинением при разрыве, причем остаточное удлинение обратимо и полностью исчезает при температуре плавления кристаллов. Мягкие пластики — мягкие и эластичные материалы с низким модулем упругости (не выше 20 МПа), высоким относительным удлинением и малым остаточным удлинением, причем обратимая деформация исчезает при нормальной температуре с замедленной скоростью.

Эластики — мягкие и эластичные материалы с низким модулем упругости (ниже 20 МПа), поддающиеся значительным деформациям при растяжении, причем вся деформация или большая ее часть исчезает при нормальной температуре с большой скоростью (практически мгновенно).

По строению полимерной цепи различают пластмассы карбоцепные (цепь состоит только из атомов углерода) и гетероцепные (в состав це­пи кроме углерода входят кислород, азот и другие элементы).

По структуре пластмассы делят на гомогенные (однородные) и гете­рогенные (неоднородные). Структура пластмасс зависит от введения в нее наряду с полимером других компонентов. Последнее позволяет делить пластмассы на ненаполненные, газонаполненные, наполненные и составные.

В технологии производства строительных пластмасс полимеры, получаемые синтезом из простейших веществ (мономеров), по способу производства подразделяются на два класса:

класс А — полимеры, получаемые цепной полимеризацией,

класс Б — полимеры, получаемые поликонден­сацией и ступенчатой полимеризацией.

Наиболее распространенными полимерами, применяемыми в производстве строительных материалов, являются:

по классу А — полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полиизобутилен полистирол, поливинилацетат, полиарилаты и кумароноинденовые полимеры;

по классу Б — фенолоальдегидные, фенолоформальдегидные и резорцинформальдегидные полимеры, полимеры на основе амидо- и аминоформальдегидной поликонденсации, глифталевый полимер, полиуретаны, полиэфирмалеинатные и полиэфиракрилатные полимеры, а также кремнийорганические и эпоксидные полимеры.

Строительные материалы и изделия, изготовляемые на основе полимеров, дефицитны и дороги. Это объясняется недостаточным объемом про­изводства полимеров и их относительно высокой стоимостью. Основное требование к пластмассам — минимальный расход полимера на единицу готовой продукции. Это требование выявило основные области их использования в строительстве, к ним следует отнести: материалы для покрытия полов; внутренней отделки стен, потолков и встроенной мебели; для строительных конструкций; синтетические клеи и мастики; тепло- и звукоизоляционные материалы; кровельно-гидроизоляционные и герметизирующие материалы; санитарно-техническое оборудование, трубопроводы и арматура; синтетические лакокрасочные материалы.

ЛЕКЦИЯ 10. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

10.1. Общая характеристика легкой промышленности

Двадцатый век вошел в историю как столетие революционных изменений в развитии технологических процессов в различных сферах деятельности человека, а также как время социальных пе­ремен. Развитые страны переходят от индустриального общества к информационному, изменяется облик науки, техники, человека и общества. Благодаря научно-технической революции произошли коренные изменения в области, пищевой и легкой промышленности. Новые технологические процессы используемые в легкой промышленности становятся основным фактором экономических и социальных преобразований, благодаря которым человек изменяет все сферы своей жизни и меняется сам.

Экспансия новых технологий в легкой промышленности породила ряд проблем, являющихся как сугубо технологическими, так и социальными (политическими, культурологическими, психологическими, экологическими, медицин­скими и т. д.). Например, современная экологическая ситуация тако­ва, что вероятность технологических катастроф ставит под угрозу существования на огромных территориях животных и человека. На фоне захватывающих человечество технологических новаций про­слеживается конфликтная ситуация между человеком, обществом и природой, разрешение которой является одной из актуальных проблем нашего времени. А легкая промышленность оказывает на экологическую ситуацию большое влияние .

Основными направлениями развития легкой промышленности является применение прогрессивных технологических процессов, что в свою очередь расширяет возможности автоматизации выполняемых работ и повышает их качественный уровень, оптимизирует и стабилизирует параметры техпроцесса, уменьшает расход ресурсов (сырья, материалов, энергии, инструмента, трудозатрат и т. д.), приводит к экологической и экономической эффективности. Приоритет отдается тому технологическому направлению, который обеспечивает достаточно высокий уровень производства. На протяжении всей истории развития легкой промышленности позитивные изменения происходили под влиянием технологических и технических новаций.

Технологическая структура легкой промышленности многообразна и имеет сложные технологические связи. В легкую промышленность входят такие технологии, как технологии текстильного производства, технологии прядения и ткачества, технологии обувного производства, и др.

10.2. Основы технологии легкой промышленности на примере текстильного производства. Основные направления развития текстильной промышленности

Текстильная отрасль промышленности является частью легкой промышленности.

На современном этане большое внимание уделяется развитию производства предметов потребления.

Легкая индустрия включает текстильную швейную обувную кожевенную и другие отрасли промышленности. Текстильная промышленность выпускает примерно пятую часть всей промышленной продукции в СНГ и дает часть всех доходов поступающих в бюджет.

Текстильная промышленность с ее хлопчатобумажной льняной шерстяной и трикотажной отраслями является важнейшей комплексной отраслью легкой индустрии.

В текстильной промышленности имеется ряд научно исследовательских и проектных институтов конструкторских бюро.

Текстильная пpoмышлeннocть производит продукцию групп A и Б. Выработки бытовых и технических тканей и ткани идущие на швейные предприятия для производства одежды относятся к группе А. Ткани, нити, вата, ватин, трикотаж и другие изделия реализуемые в торговле относятся к группе Б.

Текстильная промышленность обеспечивает тканями оборонную, химическую, машиностроительную, электромеханическую, автомобильную, авиационную и другие отрасли промышленности, строительство транспорт сельское хозяйство Большая доля прироста продукции в текстильной промышленности будет достигнута в процессе внедрении достижении науки.

С ростом производства тканей будет расти и сырьевая база.

Научно-исследовательскими институтами синтетических волокон (ВНИИСВ) созданы новые виды полиэфирных нитей, текстурированные с фасонным эффектом и с креповым эффектом. Нити комбинированные и с фасонным эффектом состоят из двух нитей, одну из которых получают классическим способом, а вторую высокоскоростным способом формования. Эти нити используются для производства трикотажных изделий.

Разработана также технология получения модифицированных полиамидных волокон повышенной гидрофильности и пониженной электризуемости, обладающих хлопко- и шерстоподобным грифом. Из новых волокон в смеси с другими химическими волокнами производят чулочно-носочные изделия и одеяла.

Ведутся работы по широкому использованию крученой, эффектной, высокообъемной, стержневой пряжи, пряжи с разным направлением крутки и других новых видов пряжи к нитей. Таким образом, применение натуральных и новых химических волокон и пряжи новых структур обеспечит увеличение объема тканей и изделий из них, расширение, улучшение ассортимента и повышение их качества.

Это способ позволяет сократить технологический процесс производства пряжи из химических волокон и их смесей с натуральными волокнами. В шерстяной, шелковой и льняной отраслях промышленности отечественные машины полностью заменили импортные. Внедрение одной такой машины дает возможность получить экономию в размере до 30 тыс. руб. в год за счет сокращения числа технологических переходов и повышения производительности труда. Внедрение новых машин позволяет использовать жгутовые химические волокна большой линейной плотности в чистом виде и в смеси с хлопком в хлопкопрядении.

В настоящее время Отраслевая научно-исследовательская лаборатория по разработке новых высокопроизводительных технологических процессов безверетенных способов прядения проводит комплекс научно-исследовательских работ по созданию новых отечественных пневмопрядильных машин, в том числе машины для производства гребенной шерстяной пряжи, но­вой однопереходной пневмомеханической прядильной машины для производства пряжи из малоразвесного жгутового химического волокна.

Новые автоматизированные поточные линии для производства хлопчатобумажной пряжи с применением робототехники и микропроцессорной техники, автоматизированные малоотходные технологии производства пряжи из хлопка, шерсти, льна, химических волокон и их смесей позволят осуществить перевооружение текстильной промышленности.

В ткацком производстве намечено внедрение комплексно механизированных и автоматизированных производственных потоков с использованием средств АСУТП на основе использовании бесчелночных ткацких станков, многозевных машин и автоматизированных комплексов приготовительного оборудования, что обеспечит повышение производительности труда в 2...3 раза.

Создана непрерывная радиационно-химическая технология получения антимикробных материалов. Опытное их применение в медицинской практике дало- положительные результаты.

Разработаны технологии получения огнезащитных вискознолавсановых тканей с применением отечественного замедлителя горения (из этих тканей изготовляется спецодежда рабочих пожаро­опасных цехов), тканей с водо- и кислотозащитными свойствами (для спецодежды работников химической и других отраслей промышленности).

Усовершенствована технология крашения и печати тканей кубовыми красителями. Разработана и внедрена технология крашения натуральной шерсти при температурах раствора ниже температуры его кипения. Это позволяет улучшить физико-химические свойства шерстяных волокон и снизить их обрывность в процессах переработки. Создаются автоматизированные участки на базе высокопроизводительного оборудования по выпуску тканей и полотен. Это позволит повысить производительность труда.

В трикотажном производстве предусмотрено создать комплексно механизированные и автоматизированные участки на основе использования прогрессивных машин для производства купонов с ажурными переплетениями и рисунчатых облегченных полотен. На основе применения плосковязальных автоматов будет расширен ассортимент высококачественных изделий верхнего трикотажа.

Производство нетканых текстильных материалов началось сравнительно недавно, однако уже завоевало всеобщее признание и начало вытеснять производство обычных тканей. Создано технологическое оборудование и разработана технология получения нетканых материалов.

На основе разработанной технологии и нового оборудования созданы три способа получения текстильных материалов вязально-прошивной, игольно-набивной и клеевой, которые будут развиваться дальше. В настоящее время это производство автоматизируется, создаются поточные линии, фабрики-автоматы.

10.3. Шерсть и ее первичная обработка

Шерстью называют волокна, формируемые кожным покровом различных животных. В промышленности для производства тканей, ковров, ковровых изделий и трикотажа применяют овечью, козью, верблюжью и другие виды шерсти.

Шерстяное волокно состоит из каротина (белкового вещества) с содержанием примерно 50% углерода, 21...24% кислорода, 16...18% азота, 6...7% водорода и 2...8% серы. В таком волокне можно выделить три слоя: чешуйчатый, корковый и сердцевинный.

Чешуйчатый слой образуют чешуйки, представляющие собой ороговевшие клетки. От размера, формы и расположения чешуек зависит блеск шерстяного волокна. Чем крупнее чешуйки и чем плотнее они расположены, тем сильнее блеск шерсти.

Корковый слой состоит из длинных веретенообразных клеток, расположенных вдоль волокна. Между клетками слоя имеются поры, заполненные воздухом. Именно этот слой определяет прочность, упругость, растяжимость, гибкость и другие механические свойства волокон. В клетках его имеется пигмент, придающий шерстяному волокну определенный природный цвет. Сердцевинный слой из рыхлых клеток, заполненных воздухом, обладает меньшей прочностью, чем корковый.

От длины волокон зависит толщина и прочность пряжи. С уве­личением длины волокон возрастает прочность пряжи, уменьшает­ся обрывность ее и повышается производительность прядильных машин. Кроме того, длина шерстяного волокна предопределяет систему его переработки.

Из аппаратной пряжи получают суконные ткани, из гребенной — плательные, костюмные и пальтовые.

Прочность шерстяных волокон определяет технологию и качество пряжи. Более прочные волокна используют для производства основ­ной пряжи, менее прочные — для уточной. Чем прочнее волокно, тем прочнее пряжа, меньше обрывность ее на машинах.

Извитость является специфическим свойством шерстяного волокна, В аппаратной системе прядения его извитость способствует получению рыхлой, пушистой и упругой пряжи. Ткани, выработанные из этой пряжи, обладают большой эластичностью, а изделия из нее характеризуются повышенным сроком носки. Гребенная пряжа должна быть гладкой и плотной, в связи с этим в камвольном производстве для получения гладкой и плотной пряжи волокна распрямляются в процессе глажения лент. Из этой пряжи вырабатывают тонкие высококачественные ткани.

Валкоспособность шерстяных волокон — это способность сближаться, перемещаться, сцепляться и переплетаться под дей­ствием механических усилий во влажной среде при температуре 30...45 ˚С

Способность шерстяных волокон к валянию связана с повышенной их упругостью, а также наличием на них чешуек. В процессе валки размеры ткани уменьшаются в продольном и поперечном направлениях, масса ее увеличивается. Известно, что короткие и извитые волокна обладают лучшей валкоспособностью, чем длинные, грубые и неизвитые. В суконном производстве валкоспособность шерстяных волокон обеспечивает образование на поверхности ткани застила, который скрывает рисунок переплетения и позволяет получать ткань необходимой толщины.

Гигроскопичность и влажность - важные характеристики шерстяного волокна. Шерсть гигроскопична, она свободно поглощает влагу из воздуха и отдает ее обратно. При высокой влажности воздуха относительная влажность шерсти может составлять до 40% без заметного увлажнении. Во влажном состоянии шерстяные волокна набухают, толщина их увеличивается на 30...40%, а длина только на 1...2%. Стандартами для однородной шерсти установлена норма влажности 17 %, для неоднородной — 15 %.

Прядильная способность шерстяных волокон характеризуется минимально возможной толщиной пряжи, получаемой при их переработке, с учетом использования прядомых обратов производства. Это комплексный показатель, зависящий от толщины, длины, проч­ности н упругости волокон. Прядильная способность волокон опре­деляется как их свойствами, так и уровнем техники и технологии производства.

Для первичной обработки шерстяное волокно поступает на фабрики в грязном состоянии. Там оно проходит сортировку дымление, промывку, сушку и прессование. Рыхление производят на одно- или двухбарабанных трепальных машинах.

При выборе оборудования следует иметь в виду, что двухбарабанная машина (непрерывного действия) производительнее, чем однобарабанная (периодического действия).

При промывке шерсть освобождается от жиропота и других загрязняющих веществ. На современных предприятиях применяют два способа промывки: в мыльно-содовом растворе и с применением синтетических моющих средств - сульфанола, препаратов ОП-7, ОП-10 и др.

Для промывки шерсти применяют моющие машины, состоящие из нескольких барок. При этом уменьшаются силы сцепления между волокнами и загрязнениями, а жир обволакивается мыльной пленкой. Силы сцепления между пленкой и волокном меньше, чем между частицами жира и волокном. Благодаря этому жир легко отрывается от поверхности волокон, переходит во взвешенное состояние (эмульсию) и затем удаляется вместе с моющим раствором. Сода соединяется с жирными кислотами, при этом образует мыло, которое легко растворяется в воде.

После промывки шерсть проходит отжатие и просушивание.

10.4. Хлопок и его первичная обработка

Хлопком называют натуральные волокна, покрывающие семена хлопчатника. Различают хлопок-сырец и хлопковое волокно. Волокна с семенами называют хлопком-сырцом. Наибольшее распространение получили волосистый, барбадосский, травовидный и древовидный хлопчатники. В СНГ хлопчатник выращивают в Средней Азии, Закавказье, Крыму, на Украине и в некоторых других районах.

Волосистый (или средневолокнистый) хлопчатник возделывается в СНГ, США, Бразилии, Мексике и других странах мира и дает наибольший урожай. Барбадосский хлопчатник возделывают в СНГ, США, Египте и других странах. В СНГ его называют тонковолокнистым.

Травовидный и древовидный хлопчатники не возделываются в СССР. Их выращивают в Индии, Иране, Бирме, Пакистане и некоторых других странах. Они дают грубое и короткое волокно.

Хлопковое волокно представляет собой сплюснутую трубочку с тонкими стенками, покрытыми кожицей. Стенки волокна состоят из целлюлозы, канал заполнен протоплазмой.

- Основные характеристики хлопкового волокна: длина, толщина, прочность, упругость, гигроскопичность и др. -

Рассмотрим принципы первичной обработки хлопка. Поступающий на хлопкоочистительные заводы хлопок-сырец проходит слеующие технологические процессы: очистку от сора, песка, пыли, незрелых семян, остатков стеблей, и других примесей; «отделение» волокон от семян и прядильного волокна от пуха; Для отделения хлопковых волокон от семян на современных очистительных заводах применяют валичные и пильные джины.

При обработке хлопка-сырца получаемые волокна имеют пороки: узелки, жгутики, налипшую кожицу, блестящие пластинки и др. Узелки трудно отделяются от основной волокнистой массы, создают неровноту пряжи и вызывают повышенную ее обрывность на прядильных машинах.

Жгутики представляют собой сильно спутанные группы коротких волокон. Они частично расчесываются, частично удаляются в угары. Кожица с волокном и пухом — это частицы оторванных вместе с волокнами или пухом кожицы семян. Кожица трудно отделяется от массы волокон, засоряет пряжу, затрудняет процесс вытягивания, ухудшает качество пряжи и ткани. Блестящие пла­стинки незрелых и мертвых волокон имеют очень низкую прочность, создают неровноту продукта и ухудшают технологический процесс.

Из хлопкового волокна изготовляют ткани, нити, вату, марлю, трикотаж, рыболовные снасти, веревки, приводные ремни, искусственный шелк, бумагу, кальку, ленту для пишущих машинок, веществ, различных искусственных материалов, заменяющих янтарь, бронзу, медь и др. Из семян хлопчатника вырабатывают масло и другие продукты.

10.5. Лен и его первичная обработка

Лен, конопля, канатник и другие растения дают так называемые лубяные волокна. Наиболее ценными прядильными свойствами обладают льняные волокна.

Наибольшее распространение получил обыкновенный лен двух видов: лен-долгунец и лен-кудряш.

Из льна-долгунца получают длинное, гибкое, хорошо дробящееся при обработке на чесальных машинах волокно.

Лен-кудряш имеет более низкий и толстый стебель с большим количеством разветвлений. Из семян этого льна получают масло для приготовления олиф и лаков. Из льна-кудряша получают грубое, короткое и хрупкое волокно, которое не может быть использовано для производства пряжи даже средней толщины. Оценка качества льняного волокна определяется его прядильной способностью, т. е. способностью перерабатываться в пряжу той или иной толщины.

Прядильная способность льняного волокна зависит от его прочности, гибкости, толщины, длины, объемности и др. ' -

Прядильная способность льняного волокна возрастает с увеличением его длины. Кроме того, на данном технологическом оборудовании может перерабатываться волокно лишь определенной длины. Льноволокно должно быть однородным по длине. Переработка такого волокна экономически выгодна.

Лигнин — это составная часть льняного волокна, содержащая углерода больше, чем целлюлозы. В начальной стадии развития растения лигнина бывает в нем меньше, чем в конечной. Лигнин придает волокну грубость и хрупкость. Вот почему при органолептической сортировке льняного волокна его хрупкость и ломкость характеризуются содержанием лигнина.

Многие физические свойства льняных волокон зависят от их влажности. Сдачу-приемку сырья производят по установленной нормированной или кондиционной влажности. Кондиционная влаж­ность льняного волокна 12%. В производство должно поступить льняное волокно такой влажности, которая обеспечила бы наилуч­шее протекание технологического процесса получения пряжи: для длинного волокна— 14. ..15%, для короткого— 16...19 %. При необходимости производится увлажнение воздуха в складе сырья или увлажнение самого волокнистого материала.

Первичная обработка льна состоит из процессов отъединения волокнистого слоя от соседних тканей, удаления влаги, мытья, трестения ипрессования льноволокна в кипы.

10.6. Химические волокна и принципы их получения

Искусственные волокна получают в результате переработки при родных высокомолекулярных соединений, синтетические — синтетических смол, а также в результате полимеризации и поликонден­сации низкомолекулярных мономеров.

В различных странах выпускаются вискозные, полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные, поливинилхлоридные, и другие химические волокна. Промышленность вырабатывает вискозное, медноаммиачное, ацетатное, капроновое, лавсановое, нитроновое, полиэтиленовое, полипропиленовое и другие волокна.

В настоящее время во всех странах мира производят свыше 300 видов различных искусственных и синтетических волокон.

Вискозные волокна вырабатываются в виде жгута и штапельного волокна. Эти волокна обладают хорошими прядильной способностью и окрашиваемостью, в поперечном сечении имеют неопределенную форму. Низкая себестоимость этих волокон объясняется тем, что они изготовляются из относительно дешевых материалов - целлюлозы древесины, едкого натра и серной кислоты.

Вискозные волокна но внешнему виду бывают блестящие и матированные. Штапельные и жгутовые вискозные волокна могут быть суровыми и окрашенными в массе. Химические заводы выпускают волокна черного, синего, коричневого, серого и других цветов. Окраска вискозных волокон характеризуется большой рав­номерностью и прочностью. Текстильные изделия, выработанные из вискозных волокон, окрашенных в массе, не выгорают и длительное время имеют хороший внешний вид..

Полиэфирные волокна вырабатываются в виде жгута штапельного волокна и нитей. К ним относится лавсан.

Лавсан получают из продуктов переработки нефти и природного газа: диметилового эфира терефталевой кислоты и этиленгликоля.

Лавсановое волокно обладает высокой прочностью, термостойкостью, малой усадкой, стойкостью к свето-погоде и солнечной радиации, хорошими упругими свойствами. В мокром состоянии прочность волокон не меня­ется, удлинение их соответствует удлинению шерсти.

Штапельные лавсановые волокна используют в смеси с шерстью, топком, льном и другими волокнами для выработки платьевых: костюмных и декоративных тканей, трикотажных изделий, искусственного меха и др. Эти волокна широко и эффективно применяются в текстильной промышленности благодаря тому, что обладают хорошей упругостью, высокой прочностью, имеют шерстивидный вид и устойчивы к стирке, характеризуются относительно низкой себестоимостью.

Лавсановые волокна также используются для электрической изоляции, производства мешков, рыболовных сетей, веревок, канатов, тесьмы, швейных нитей, шнуров, лакированных лент для изоляции и обмотки якорей электродвигателей и др.

Штапельные нитроновые волокна используют в чистом виде и в смеси с хлопком, шерстью и вискозными волокнами. Из нитрона и его смесей вырабатывают разные платьевые и костюмные ткани, трикотажные изделия, мебельные и фильтровальные ткани, ковры и копровые изделия, брезенты, транспортерные ленты для сельского хозяйства и горной промышленности, канаты, рыболовные снасти, ткани для фильтров и спецодежды.

Капроновые волокна и нити обладают высокой прочностью при растяжении, значительной упругостью и устойчивостью к истиранию и многократным изгибам. Эти волокна устойчивы к действию микроорганизмов, характеризуются малыми потерями прочности в мокром состоянии (не более 2,5 %). Недостатком этих волокон является пониженная гигроскопичность, малая устойчивость к действию света, плохая набухаемость в воде, что затрудняет процесс кра­шения.

Штапельные капроновые волокна используют в смесях с хлопком и шерстью для выработки платьевых и костюмных тканей. Добавление 10...15% капронового волокна к вискозному или к шерсти повышает устойчивость тканей к истиранию в 2...3 раза, а добавление до 20 % капронового волокна к хлопку повышает износоустойчивость основовязаного полотна, изготовленного из хлопко-капроновой пряжи, в 2,5...3 раза.

В последние годы для производства ковровых изделий стали широко использоваться полиамидные волокна. Капроновые нити используют для изготовления чулочно-носочных изделий, тонкого трикотажного белья, крученых и кордных нитей, канатов, парашютов и других технических изделий. Из капроновых нитей изготовляют сетчатое основовязаное полотно для вибросит, используемых в нефтяной промышленности. Это полотно заменяет сетку из металлической проволоки. Срок службы капронового волокна в 3 раза выше срока службы проволочной сетки.

Профилированные волокна обладают высокими эксплуатацион­ными свойствами. Они легкие, пушистые, гигроскопичные. Их используют для выработки тканей, трикотажных и чулочных изделий. Изделия, изготовленные из профилированных волокон, характе­ризуются высокой объемностью, повышенными теплоизоляционны­ми и другими свойствами, имеют красивый внешний вид. Расход профилированных волокон на изготовление тканей и трикотажа на 30...40% ниже, чем волокон круглого сечения.

Вискозное волокно получают из природной целлюлозы. Его в основном вырабатывают из древесной целлюлозы и чаще всего из древесины ели. Вначале древесину превращают в щепу, кото­рую затем варят со щелоком в закрытых котлах под давлением в течение суток. В процессе варки древесина теряет жесткость, примеси растворяются, а целлюлоза приобретает вид мелких волоконец. Затем волоконца отбеливают, промывают, высушивают до нормальной влажности и режут на листы, упаковывают в кипы и отправляют на заводы. На заводах искусственного волокна листы смешивают для получения однородной массы, подсушивают до нормальной влажности (8 %) и обрабатывают 18%-м раствором едкого натра. Целлюлоза набухает, низкомолекулярные фракции вымываются и образуется мерсеризованная (щелочная) целлюлоза:

Для увеличения площади активной поверхности щелочную целлюлозу измельчают и направляют на предсозревание, которое длится 12...24 ч. На этой стадии при взаимодействии щелочной цел­люлозы с кислородом воздуха происходит окислительная деструк­ция целлюлозы, укорочение длинных цепных макромолекул. В дальнейшем это обеспечивает получение растворов вискозы требуемой

После предсозревания щелочную целлюлозу обрабатывают сероуглеродом в течение 2,5...3 ч при начальной температуре 18... 20°С и конечной 25...27°С и получают ксантогенат целлюлозы.

Ксантогенат целлюлозы растворяют в слабом (4 %-м) растворе едкого натра и получают вискозу, представляющую собой вязкую жидкость. Такая вискоза непригодна для формирования нитей и штапельных волокон. Она должна созреть, т. е. приобрести свойства, необходимые для их формирования. Кроме того, вискозу пропускают через фильтры-прессы для удаления комочков ксантогената, пузырьков воздуха и других примесей. После этого вискозу направляют на созревание. Созревание ее протекает в течение 24...40 ч при температуре 14...16°С.

Созревшая вискоза подается на прядильные машины. В промышленности для формирования вискозных нитей применяют центрифугальные и бобинные прядильные машины.

10.7. Эффективность применения химических волокон

Применение химических волокон дает возможность улучшить экономические показатели работы текстильных предприятий, повысить качество продукции и расширить ее ассортимент. Добавление химических волокон способствует улучшению однород­ности волокон смеси по длине, толщине, прочности, а также снижению обрывности в прядении и ткачестве, повышению производительности оборудования. Использование жгутовых химических волокон в текстильном производстве позволяет не выполнять такие сложные и трудоемкие технологические процессы, как подготовка волокон к смешиванию, смешивание, кардочесание, гребнечесание и др. Кроме того, приготовление ленты путем штапелирования способствует уменьшению количества единиц необходимого оборудования, производственных площадей и трудозатрат. При переработке химических волокон методом штапелирования по сравнению с обычным способом пере­работки штапельного волокна расходы электроэнергии сокраща­ются примерно в 5 раз, производительность труда повышается почти в 2 раза. При использовании химических волокон повышается выход пряжи из смеси (на 1...3%), снижается себестоимость изготовляемых тканей и изделий. Так, себестоимость трикотажного жакета из чистой шерсти примерно в 4 раза выше себестоимости изделия того же размера из высокообъемной нитроновой пряжи.

Применение химических волокон обусловило создание высоко­производительной новой техники для текстильной промышленности. В СНГ и за рубежом созданы однопроцессные прядильные машины для производства пряжи из химического жгутового волокна. Применение этих машин исключает обработку химических волокон на трепальных, чесальных, гребнечесальных, ленточных и других машинах (необходимые производственные площади уменьшаются примерно наполовину), снижаются расходы на энергию, трудозатраты.

Использование химических волокон позволяет значительно расширить ассортимент тканей и трикотажных изделий. С введением 5...10% капронового волокна стойкость тканей к истиранию увеличивается в 1,8...2 раза. Добавление к шерсти 50...55% лавсановых волокон способствует повышению прочности ткани, ее сопротивления к истиранию, стойкости к сминаемости. Изделия из нитроновых волокон в смеси с вискозными обладают повышенной прочностью, объемностью и шерстистостью.

Применение профилированных и полых химических волокон позволяет вырабатывать более легкие и объемные ткани и трикотажные изделий, а также экономить до 30...40 % сырья в текстиль­ной промышленности. Кроме того, ткани из лавсана и объемной пряжи мало уступают по качеству чистошерстяным, а по ряду свойств даже превосходят их.

Добавление синтетических волокон с натуральным обусловливает удешевление текстильных изделий.

10.8. Понятие о прядении

В текстильном производстве хлопковые, льняные, шерстяные, натуральные шелковые и химические волокна перерабатывают в изделия. Совокупность технологических процессов, применяемых для переработки этих волокон в пряжу называют прядением.

Совокупность машин и процессов, посредством которых волокна перерабатывают в определенный вид пряжи, называется системой прядения.

Системы прядения различаются по числу переходов, их назначению, виду, качеству сырья и качеству вырабатываемой продукции. Но в системах прядения различных волокон разные процессы имеют одно и то же назначение, например процессы рыхления и чесания в аппаратной и гребенной системах получения шерстяной пряжи, процесс гребнечесання в гребенных системах получения пряжи из хлопковых и шерстяных волокон. Кардная система прядения используется для переработки хлопковых волокон, но может быть применена и для прядения шерстяных, коротких льняных (льняного очеса) и химических волокон. Поэтому кардную, гребенную и аппаратную системы прядения можно рассматривать как типовые.

10.8.1. Кардная система прядения

Получение пряжи из хлопковых волокон по кардной системе прядения включает пять основных технологических переходов:

- рыхление,

- очистку и смешивание волокон;

- кардочесание на чесальных, валичных и шляпочных машинах;

- сложение и вытягивание (формирование пряжи).

Указанная система прядения широко используется в производстве пряжи линейной плотностью 15,5...84 текс, которую вырабатывают из средневолокнистого хлопкового и штапельного волокна. Кроме того, кардную систему прядения можно применять для изготовления льняной пряжи из короткого волокна и очеса, шерстяной и меланжевой пряжи из хлопка и штапельных химических волокон, окрашенных в разные цвета.

Хлопок поступает на предприятия в вагонах отдельными партиями по 60...70 кип, которые называются марками. На складе каждую партию (марку) размещают отдельно друг от друга, т.к. волокна в марках и кипах отличаются по технологическим свойствам и прежде всего по длине, толщине, прочности и извитости. При переработке хлопка производят составление смеси (сортировки) волокон из нескольких партий (марок). Подбор марок ведется так, чтобы различие технологических свойств волокон было незначительным.

Описанный принцип составления смесей (сортировок) обеспечивает высокое качество вырабатываемой пряжи и стабильность режима технологического процесса. Для правильного планирования и рационального использования сырья разработаны типовые сортировки для всех видов пряжи. Различают хлопковые волокна семи типов, характеризующиеся длиной, толщиной и прочностью. Волокна первого типа самые длинные, тонкие и прочные, седьмого - очень короткие, грубые и весьма слабые по прочности.

Рыхление волокон заключается в разделении плотно спрессованного в кипах волокнистого материала на мелкие клочки и очистке его от растительных и минеральных примесей с целью обеспечения хорошего смешивания волокон и чесания. Рыхление осуществляется под воздействием на материал зубьев или игл рабочих органов машин.

Сформированный тонкий равномерный волокнистый холст передается на чесание. Производительность чесальных машин, предназначенных для обработки хлопковых волокон, составляет 7.,.20 кг/ч. Предусматривается создание машин производительностью до 50 кг ленты в час.

Вытягивание ленты предназначено для распрямления волокон, обеспечения параллельности их в продукте и получения ровницы или пряжи заданной толщины. Вытягивание волокон на ленточных, ровничных и прядильных машинах протекает следующим образом. В процессе вытягивания волокна сдвигаются друг относительно друга и формируют ленту большой длины. При этом число волокон в поперечном сечении продукте уменьшается и он становится тоньше. При таком вытягивании волокна, составляющие продукт, не теряют связи друг с другом.

В настоящее время благодаря применению приборов высокой вытяжки на ровничных и прядильных машинах стало возможным вырабатывать пряжу малой и средней толщины с одним переходом на ровничных машинах или однопроцессным методом прядения непосредственно из ленты.

10.8.2. Гребенная система прядения

Гребенная система прядения используется в переработке хлопковых, шерстяных и шелковых волокон. Из тонковолокнистого хлопка можно выработать тонкую кричную и гладкую чистую пряжу линейной плотностью 5...11,4 текс, из тонкой длинной шерсти - 12,5...42 текс.

Гребенную пряжу используют для изготовления тонких хлопчатобумажных, шерстяных тканей и трикотажных изделий.

Основными технологическими переходами гребенной системы прядения являются:

- рыхление, распрямление;

- очистка и смешивание волокон;

- сложение, вытягивание для получения более равномерных лент;

- гребнечесание и получение гребенной ленты

- получение ровницы и прядение.

Дополнительными операциями являются подготовка к гребнечесанию и гребнечесание.

Для рыхления шерстяных волокон применяют двухбарабанную трепальную машину или щипальную машину с поднятыми рабочими валиками. Практика показывает, что наиболее целесообразна организация поточной линии получения чесальной ленты. Поточная линия получения чесальной ленты позволяет значительно повысить производительность труда в приготовительном цехе прядильного производства, снизить стоимость обработки смеси (примерно на 25...30 %), увеличить выход продукта, улучшить санитарно-гигиенические условия труда. На современных поточных линиях получения чесальной ленты имеется выпускная ленточная машина с авторегулятором (примером такого производства служит Минский камвольный комбинат), обеспечивающая повышение качества продукта и значительный экономический эффект.

Волокна в чесальной ленте еще недостаточно распрямлены и непараллельны, поэтому их нужно распрямить, выровнять по толщине и получить ленты заданной массы. Для этого чесальные ленты обрабатывают на ленточных и гребнечесальных машинах.

Цель гребнечесания — получение более тонкой, равномерной, прочной и чистой пряжи. При этом отделяются короткие волокна, мушки, растительные примеси. Формирование гребенной ленты происходит за счет распрямления и параллелизации длинных волокон.

Для гребнечесания применяют машины постоянного и периодического действия. Гребенная лента неравномерна по толщине. Поэтому ее пропускают последовательно три - четыре раза через ленточные машины. Затем ленты поступают на ровничные машины, где формируется ровница. Ленту и ровницу выдерживают в подвале или на складе при повышенной влажности воздуха в течение 8...16 ч, а затем ровницу направляют на прядильные машины, на которэх и формируют пряжу.

10.8.3. Аппаратная система прядения

Аппаратная система прядения используется для переработки и производства искусственной шерсти и химических волокон. В хлопкопрядении из тонких коротких хлопковых, химических волокон в процессе производства вырабатывают пряжу линейной плотностью 33...200 текс. В шерстопрядении из коротких шерстяных, химических волокон и обратов производства вырабатывают пряжу линейной плотностью 33...350 текс. Для аппаратной пряжи характерны невысокая ровнота, пушистость и мягкость пряжи. Из этой пряжи изготовляют костюмные, пальтовые, мебельные и другие виды тканей, одеяла и др.

В рассматриваемой системе прядения различают, следующие основные технологические периоды обработки шерстяных волокон:

- рыхление и очистка,

- смешивание,

- кардочесание для получение ровницы,

-прядение.

Рыхление и очистку хлопковых и шерстяных волокон в аппаратной системе прядения производят на трепальных, щипальных машинах.

Для удаления цепких растительных примесей (круглого и пильчатого репья) из шерстяных волокон применяют механический и химический способы очистки. В первом случае их обрабатывают на специальных машинах. Кроме того, для этой цели на чесальных аппаратах используют отбойные валики и давильные валы. Во втором случае шерстяные волокна пропитывают в специальных сушильных машинах. Такой способ очистки шерсти производится на предприятиях их первичной обработки.

Смешивание шерстяных и химических штапельных волокон производят на специальных смесовых машинах до кардочесания, так как ровница, вырабатываемая на чесальных аппаратах, непосредственно поступает на прядильные машины.

Кардочесание в аппаратной системе осуществляют на двух- или трехпрочесных аппаратах.

Чесальные машины предназначены для чесания, очистки, перемешивания, параллелизации, рыхления волокон и образования тонкой ватки.

Автоматизированная поточная линия для производства аппаратной ровницы состоит из щипальных и смесовой машин, механизированных расходных лабазов, автоматических питателей-самовесов и чесальных аппаратов. Применение поточной линии позволяет снизить потери волокна, продукции и улучшить условия труда рабочих, повысить в 2...3 раза производство материала.

10.9. Технология ткацкого производства. Понятие о ткачестве.

Ткачеством в широком смысле слова называют весь комплекс технологических операции ткацкого производства обеспечивающий выработку тканей. Комплекс операций состоит из:

- перематывания,

- снования,

- шлихтования,

- пробирания,

- увлажнения или эмульсирования,

- запаривания пряжи,

- собственно ткачества.

Тканью называют гибкое прочное текстильное изделие малой толщины, сравнительно большой ширины и неопределенной длины, образованное двумя взаимноперпендикулярными системами нитей, соединенными переплетением. Система нитей расположенная вдоль ткани, называете основой, а поперек – утком.

При перематывании основной пряжи увеличивается паковка, устраняются дефекты, и повышается качество пряжи. В процессе снования нити испытывают многократное растяжение, изгиб и истирание, поэтому они должны обладать высокой прочностью. В процессе шлихтования эти нити приобретают дополнительную прочность и гибкость. После шлихтования основные нити пробирают в ламели, ремезы и зубья берда, а затем ткацкий навой с ламелями, ремизами и бердом направляется на ткацкий станок.

Уточная пряжа проходит перематывание, увлажнение или эмульсирование. В процессе перематывания паковка уточной пряжи приобретает размеры, которые соответствуют размерам челнока. Увлажнение (эмульсирование) создает условия для нормальной переработки пряжи, при этом не возникают сукрутины, петли и слеты витков пряжи. Из подготовленной таким образом пряжи непосредственно на ткацком станке формируют ткань.

10.10. Ассортимент и перспективы развития производства нетканых материалов

Ассортимент нетканых материалов зависит от способа их производства. К изделиям, скрепленным механическим способом, относятся вязально-прошивные, валяные и иглопробивные; физико-механическим способом - склеенные сухим, мокрым и другими методами; комбинированным способом - вязально-прошивные и иглопробивные с последующим склеиванием.

Вязально-прошивиые полотна получают провязыванием волокнистого холста, настила пряжи, волокнистого холста вместе с тканью, трикотажем или пленкой, поролоном, поролона с тканью и т. д. При свойлачивании двух волокнистых холстов с проложенными внутри каркасными нитями получают валяные нетканые материалы. При производстве клеевых нетканых материалов используют порошки, термопластичные волокна, нити и пленки. По назначению нетканые полотна разделяются на бытовые, (используемые для одежды, утепляющие (ватины), обувные, фильтровальные и др.

Среди нетканых материалов для одежды наибольшую долю составляют вязально-прошивные. Из них изготовляют детскую одежду, женские платья, верхнюю спортивную одежду, пальто. Нетканые материалы выпускают крашеными или некрашеными, с гладкой и начесной поверхностью. Для улучшения качества материалов применяют различные отделки. Эластические свойства их улучшают мерсеризацией 25...35 %-м раствором гидроокиси натрия. Мерсеризация способствует снижению остаточной деформации полотна.

На сушильно-ширильной машине полотна обрабатывают специальными растворами для улучшения их свойств. Нетканые материалы по составу волокон могут быть однородными и неоднородными. Однородные нетканые полотна вырабатывают из хлопкового волокнистого холста и прошивают хлопчатобумажной пряжей. Неоднородные нетканые материалы готовят из смеси хлопка с вискозным волокном или вискозного волокна и шерсти.

Провязывание волокнистых холстов прошивными нитями можно осуществлять различными переплетениями, от которых зависят свойства готового материалам. Так, например, при провязывании материала переплетением «трико» волокнистый холст оказывается внутри редкого основовязаного трикотажа. Такой нетканый материал наиболее близок к трикотажным полотнам бельевого назначения. Выбор переплетения зависит от назначения нетканого полотна.

По своим свойствам холстопрошивные нетканые полотна несколько отличаются от аналогичных тканей. Они характеризуются большими плотностью, толщиной и пористостью. При одинаковых теплозащитных свойствах масса нетканого материала меньше на 15...20 %, чем пальтовых тканей. Износостойкость нетканых материалов зависит от состава волокон, линейной плотности, частоты прошива и отделки. Для повышения устойчивости к истиранию в смесь вводят капроновые и лавсановые волокна. Срок службы изделий из нетканых материалов приближается к сроку службы тканых, имеющих в ряде случаев излишний запас износоустойчивости.

Снижение сминаемости нетканых материалов достигается за счет добавления в смесь химических волокон (лавсановых, нитроновых, триацетатных) и малосминаемой отделки.

При изготовлении одежды из нетканых материалов следует учитывать их значительные растяжимость, жесткость, усадку по длине. Для изготовления утепленной одежды некоторых видов (курток, халатов) используют поролон, провязанный прошивными нитями, а также ткань или трикотаж, сдублированные с поролоном методом прошивания. Такие материалы называют поропластами. Они ветростойки, имеют хорошие теплозащитные свойства, несминаемы, износостойки.

Нетканые материалы широко применяются для технических целей. Из них изготовляют утепляющие прокладки, фильтры, прокладки для трубопроводов, они применяются в строительстве, машиностроении, обувной и других отраслях промышленности.

Предполагается изготовление изделий из массы окрашенных волокон путем распыления и склеивания этих волокон связующим веществом непосредственно на манекене, который должен соответствовать фигуре конкретного заказчика или обезличенного потребителя. Развитие этой технологии приведет к стиранию грани между текстильной и швейной отраслями промышленности.

В настоящее время ведутся работы в области технологии получения нетканых материалов непосредственно из расплава синтетических волокон.

В перспективе намечено изготовлять дешевые полотна с заданными свойствами для нательного белья. Для этого будут использованы профилированные текстурированные высокообъемные нити, а также волокна, обладающие разной степенью усадки и высококачественные связующие вещества.

В дальнейшем развитии производства нетканых материалов и изделий из них намечено расширение ассортимента бытовых нетканых текстильных материалов. Применение новой техники и технологии, создание поточных линий, механизация и автоматизация процессов, использование новых видов сырья позволит увеличить производство и обеспечить потребности в дешевых технических и бытовых изделиях.

ЛЕКЦИЯ 11. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ НЕМАТЕРИАЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

11.1. Общая характеристика сферы нематериального производства

Сфера нематериального производства весьма значима для народного хозяйства, поскольку в ней реализуется целый спектр технологий, обслуживающих наиболее важные материальные производства. Эта сфера имеет сложную структуру и широкие связи со всеми производственными технологиями и оказывает непосредственное влияние на их развитие и на прогресс в целом. На сегодняшний день перспективы развития сферы нематериального производства велики, поскольку затрагивают всю жизнедеятельность человека, результатом которой в частности являются продукты нематериального производства.

К основным технологиям сферы нематериального производства в первую очередь относятся следующие:

- социальная технология. Она в своем многообразии включает технологии культурного обмена, культурного развития, технологии образования в которых реализуются основные принципы содержания и направленности образования, его закономерности развития, современные технические средства в технологии образования;

- технологии научной деятельности, содержащие технологии организации умственного труда, закономерности познавательной деятельности, технологии получения нового знания;

- технологии технического творчества, которые предоставляют основные методы поиска новых технических решений. Важнейшей составляющей этой технологии является теория решения изобретательских задач (ТРИЗ) - диалектическая и системная методология технического творчества, а также синтез нового технического решения путем разрешения технических противоречий.

- технологии технологического бизнеса, его механизм, формы и виды передачи технологии. Здесь реализуются процессы патентования и лицензирования новой техники и технологии, определяется место патентной системы в обеспечении технологического прогресса.

11.2. Технология технического творчества, как, сферы нематериального производства

Техническое творчество — важнейший фактор ускорения социального и научно-технического прогресса

Содержание труда в современных условиях измеряется не только степенью его интенсивности, но и уровнем проявления творчества. Причем наблюдается объективная тенденция — с развитием общества интенсивность и количество физического труда убывает, а интеллектуального, творческого возрастает. Изменяется и оценка труда и труженика. Все большую общественную значимость приобретает творческий труд, а значит и творчески работающий человек. В современных условиях проблеме творчества и творческой личности уделяют внимание философы, социологи, педагоги, психологи.

На современном этапе развития науки и техники технологическое творчество надо поставить так, чтобы студенты не только знакомились с современными достижениями в технике и на производстве, но и получали обобщенные знания о них, были причастны, пусть даже в самом малом, к совершенствованию производства.

Для удовлетворения социального запроса общества в творческих кадрах, нужно коренным образом перестроить обучение, прежде всего, в творческом плане. Для этого надо шире использовать достижения психолого-педагогической науки, внедрять в высшую школу творческие методы обучения и воспитания, находить - средства, повышающие познавательную активность студентов.

Творческая активная деятельность в процессе обучения формирует у студентов ряд качеств, которые в конечном итоге положительно скажутся на характере личности будущего , инженера, ученого, руководителя. Нужна непосредственная, практическая деятельность в конкретном виде творчества — техническом, художественном и т. д.

Техническое творчество — наиболее массовая форма привлечения к творчеству. С учетом педагогической и психологической точек зрения техническое творчество — это эффективное средство воспитания, целенаправленный процесс обучения и раз­вития творческих способностей учащихся в результате создания материальных объектов с признаками полезности и новизны. Новое в техническом творчестве, в основном, носит субъективный характер. Часто изобретают уже изобретенное, а изготовленное изделие или принятое решение является новым только для его создателя, однако польза творческого труда несомненна. Результат творческой деятельности — комплекс качеств творческой личности:

- умственная активность,

- стремление добывать знания и формировать умения для выполнения практической работы;

- самостоятельность в решении поставленной задачи;

- трудолюбие и изобретательность.

Анализ психолого-педагогических исследований и опыта позволяет прийти к выводу, что техническое творчество создает прежде всего благоприятные условия для развития технического мышления.

Оно находится в сложной взаимосвязи с обычным мышлением. Во-первых, оно развивается на основе обычного мышления, т. е. все составляющие компоненты обычного мышления присущи и техническому. Например, одной из важнейших операций обычного мышления является сравнение. Оказывается, без него немыслимо и техническое мышление. То же можно сказать и о таких операциях мышления, как противопоставление, классификация, анализ, синтез и др. Характерным является только то, что перечисленные выше операции мышления в технической деятельности развиваются на техническом материале. Во-вторых, обычное мышление создает психофизиологические предпосылки для развития техни­еского мышления. В результате обычного мышления, развивается мозг, его ассоциативная сфера, память, приобретается гибкость мышления.

В то же время понятийно-образный аппарат обычного мышления не располагает теми понятиями и образами, которые необходимы для технического мышления. Да и сами понятия по характеру в обычном мышлении и техническом отличаются между собой. Например, понятия, взятые из технологии металлов, включают в себя сведения из различных наук (физики, химии и др.). Они представляют собой не механический конгломерат сведений, а являются единством существенных признаков технологического процесса или явления, рассматриваемых с точки зрения разных наук.

Но наиболее важным является то, что в процессе технического мышления не стоят две относительно самостоятельные задачи: формирование понятий, знаний и обучение приемам их использования.

Вот почему при решении производственно-технических задач очень трудно, а в ряде случаев и невозможно представить конечный результат. Любое техническое решение должно быть подвергнуто практической проверке. Новая машина или изделие, технический процесс не внедряются в массовое производство без предварительной проверки на опытных образцах.

Как и в обычном мышлении, технические образы, являясь важнейшим компонентом технического мышления, не исключают абстрактного мышления.

Техническое творчество способствует также приобретению опыта технической творческой деятельности, имеющего огромное значение для формирования личности. Во-первых, он позволяет на основе полученных знаний и умений приобретать новые знания. Во-вторых, опыт в определенной степени уменьшает вероятность выбора ошибочного пути при решении технических задач. В-третьих, опыт способствует выработке умений переноса знаний и умений в новые условия применения. В практике творческой деятельности известно много случаев, когда сложные технические задачи решались именно благодаря переносу опыта решения аналогичных задач.

Творческая деятельность способствует формированию преобразующего отношения к окружающей действительности. У человека, который не занимается творческой деятельностью, вырабатывается приверженность к общепринятым взглядам и мнениям. На его восприятие влияют привычные установки, оценки и т. д. Это приводит к тому, что в своей деятельности, работе и мышлении он не может выйти за пределы известного. Со временем стереотип такой деятельности закрепляется и порождает косность мышления, от которой человеку трудно избавиться. Если же с раннего возраста детей включать в творческую деятельность, то у них развиваются пытливость ума, гибкость мышления, память, способность к оценке, видение проблем, способность пред­видения и другие качества, характерные для человека с развитым интеллектом. С возрастом эти качества укрепляются, совершенствуются и становятся неотъемлемыми чертами личности человека.

Требование результативности особенно важно, так как получаемый результат вызывает положительный эмоциональный настрой, стимулирует творческую активность учащихся. Результативность творческой деятельности следует рассматривать не только по отношению к конечному «продукту», но и применительно к каждому этапу выполнения творческого задания.

Анализ творческой деятельности позволил выделить ряд этапов технического творчества. Конечно, выделение этих этапов — условно, так как процесс творчества непрерывный. Выделение этапов преследует методическую цель. На их основе можно определить содержание работы в процессе технического творчества, определить формы, методы и средства развития творческих способностей на каждом из относительно самостоятельных этапов, наметить последовательность развития тех или иных качеств творческой личности.

Однако при любой творческой деятельности должны быть вычленены три основных этапа выполнения задания:

- осознание и обоснование идеи;

- техническая разработка задания и практическая работа над ним;

- апробирование объекта в работе и оценка результата творческого решения.

Каждый этап должен иметь отчетливо выраженный результат: на первом этапе им является осмысленная и принятая идея; на втором — конструкторско-технологическая разработка идеи, доведение ее до возможности практической реализации и практическая реализация решения; на третьем — анализ, доработка и оценка решения. Результативность каждого этапа выполнения творческого задания тесно связана с развитием технического мышления и трудовых умений и навыков.

Весьма полезными для развития технического мышления школьников являются упражнения на сравнение и противопоставление, задания на выделение в массе учебной информации смысловых элементов, задачи, предусматривающие расчет эффективности работы технического устройства, машины и др.

Существенным моментом творческого процесса является обнаружение технического противоречия, возникновения проблемной ситуации. При этом осознается замысел технического несоответствия, констатирует наличие задачи, проблемы. Посредством сравнения сторон противоречия происходит локализация области поиска — осознается смысл задачи. Сначала она возникает в виде нечетко поставленного вопроса. Затем в процессе переработки собранной информации техническая задача уточняется и формулируется.

Адекватность формулировки задачи создавшейся ситуации иногда вызывает затруднения, ее полнота и точность зависят от умения словесно выражать мысль, которая базируется на знании языка, основных правил логики, осознанности сущности технических понятий и др.

На втором этапе, сформулировав задачу или осознав ее формулировку, приступают к поиску способа решения. Вначале, как правило, он обращается к прошлому опыту, мысленно отвечая на поставленные перед собой вопросы:

- что из известного можно использовать для решения задачи?

- не встречалась ли раньше аналогичная задача?

Не обнаружив сходства, отказываются от намерений воспользоваться известными способами решения задач и приступают к поиску новых. В ходе такой деятельности может возникнуть догадка о новом способе решения задачи. Если же этого не произойдет, продолжают анализ создавшейся ситуации, в процессе которого происходит отбор информации, установление связей между данными задачи и ее требованием. Это обусловливает выдвижение предположений о способах решения задачи.

Выдвижение предположений обычно происходит путем догадки. Одни предположения могут строиться на основе опыта, другие — на обобщениях известных знаний, третьи — на основе аналогий, четвертые — на использовании абстракций. Аналогия и пе­ренос известных способов решения в новую ситуацию, ассоциативные связи на этом этапе играют главную роль.

Основной задачей на третьем этапе является разработка документации, необходимой для изготовления опытного образца. Процесс конструирования условно можно разделить на четыре составляющие:

- составление и уточнение технического задания;

- эскизное конструирование;

- разработка технического проекта;

- создание рабочего проекта.

На третьем этапе создается, совершенствуется и испытывается опытный образец. После испытания проводится отделка технического устройства и подготовка технической документации на внедрение, промышленное изготовление или, что чаще всего бывает, выставочного образца.

Для технического творчества, особенно его заключительного этапа, самого емкого по затратам времени, создают наиболее благоприятные условия.

Решение творческих задач — основа технической творческой деятельности.

Способность ставить и решать задачи самых разнообразных типов и различной степени сложности является наиболее характерной чертой деятельности человека. Необходимость повседневно решать противоречия жизненных обстоятельств (задач) породила потребность в знаниях, а необходимость оперирования знаниями привела к развитию мышления. Человек к этому так привык, что понятие «задача» не связывает с повседневной жизнью, а относит его к категориям педагогики, науки. Хотя любое знание, даже то, которое воспринимается нами как бесспорная истина, на самом деле является результатом неустанных человеческих поисков, когда-то зарождавшихся и разрешавшихся в виде новых и может быть чрезвычайно трудных задач.

Техническая деятельность в этом плане не является исключением. Наоборот, с появлением техники количество задач значительно увеличивалось, а сложность их возрастала во много раз. Если при решении повседневных задач человек обходится знаниями, приобретенными в процессе жизненного опыта, то для решения технических задач потребовались научные, технические знания. То же касается и мышления. Техническая деятельность породила потребность в техническом мышлении.

Необходимость передачи технических знаний из поколения в поколение привела людей к мысли об использовании задач не только для открытия знаний, но и для обучения детей технике, развития их технического мышления. Характерным для технической задачи является то, что ее содержание базируется на техническом материале, ее требование связано с большой неопределенностью области поиска, решение в большинстве случаев многовариантное, а процесс решения носит творческий характер.

В большинстве технических задач заложено то или иное противоречие (за исключением небольшого количества чисто расчетных задач). Этим и объясняется их творческий характер. Противоречие является движущей силой решения технических задач, т. е. причиной возникновения проблемной ситуации, которая активизирует познавательную деятельность решающего задачу. Количество и разнообразие противоречий очень велико, их классифицируют по различным признакам. Главным свойством всех противоречий является их способность «приводить в движение» мысль.

Для большинства технических задач характерным является то, что заложенное в них противоречие в процессе решения задачи трансформируется — одно противоречие переходит в другое или порождает другое. Образовавшаяся система противоречий поддерживает мыслительную активность решающего задачу, направляет ее в нужное русло.

11.3. Технологический бизнес в вопросах патентования и лицензирования новой техники и технологии

Важнейшей особенностью развития мировой системы хозяйства на современном этапе является интенсивный обмен научно-техническими достижениями, различными объектами интеллектуальной собственности, который превратился уже в сферу экономических отношений. Предпосылки для распространения передовых научно-технических знаний в товарной форме создаются патентной системой, охраной авторских прав, активной лицензионной политикой.

Сегодня большинство фирм промышленных развитых стран рассматривают патенты на объекты промышленной собственности (изобретения, полезные модели, промышленные образцы и товарные знаки), их использование, как исключительно важный фактор конкуренции и обеспечения экономического роста. Формируя свою деловую стратегию, они предусматривают проведение активной политики по правовой охране различных объектов промышленной собственности, как у себя в стране, так и за рубежом. Конкурентоспособность сегодня обеспечивается не столько капиталовложениями, сколько инновационной и творческой деятельностью.

Для тех государств, которые не имеют достаточной сырьевой базы, как, например, Республика Беларусь, основным направлением развития становится эффективное использование имеющегося научно - технического потенциала. Важнейшее место здесь занимает охрана прав на промышленную собственность, наличие которых существенно укрепляет рыночные и финансовые пози­ции предприятий. Принятые в Республике Беларусь законодательные акты в области охраны промышленной собственности, а также подзаконные акты позволяют использовать условия для полномасштабной и эффективной коммерческой реализации объектов промышленной собственности на внутреннем и внешнем рынках.

Решение проблем охраны и реализации разработанных объектов промышленной собственности в современных условиях хозяйствования является одной из важнейших задач для предприятия. Непременное условие успеха решения данных вопросов - систематическое и целенаправленное проведение патентно-лицензионной деятельности, что обеспечит экономическую стабильность и повышение эффективности производства на предприятии.

В соответствии со Ст.1 Парижской конвенции по охране промышленной собственности объектами охраны промышленной собственности являются изобретения, полезные модели, промышленные образцы, товарные знаки, знаки обслуживания, фирменные наименования и указания происхождения или наименования места происхождения, а также пресечение недобросовестной конкуренции.

Промышленная собственность распространяется не только на промышленность, торговлю, но и на области сельскохозяйственного производства, добывающей промышленности, а также на все продукты промышленного и природного происхождения.

По состоянию на 1.11.97 г. в Республике Беларусь под охраной находятся следующие объекты промышленной собственности:

-изобретения;

-полезные модели;

-промышленные образцы;

-товарные знаки и знаки обслуживания;

-сорта растений.

Отношения в области охраны и использования указанных объектов промышленной собственности регулируются, прежде всего, законами Республики Беларусь:

- «О патентах на изобретения и полезные модели»;

- «О патентах на промышленные образцы»;

- «О патентах на товарные знаки и знаки обслуживания»;

- «О патентах на сорта растений»;

- «О правовой охране топологии интегральных микросхем»;

- «О фирменных наименованиях».

В 2005 г. предполагается разработка законов:

- «О правовой охране программ для ЭВМ и баз данных»;

- «Об охране наименований мест происхождения товаров».

Права на объекты промышленности собственности охраняются государством и удостоверяются следующими охранными документами:

1. Патентом (изобретения, полезные модели, промышленные образцы, сорта растений).

2. Свидетельством (товарные знаки и знаки обслуживания).

Патент - документ, удостоверяющий исключительное право патентообладателя на использование объекта, авторство, приоритет.

Исключительное право заключается в том, что никто не может изготавливать изделия с использованием запатентованных объектов, применять их в технологических процессах или иным образом вводить в хозяйственный оборот без согласия патентообладателя.

Ограничение действия патента:

- территорией, т.е. патент действует только на территории того государства, которое его выдало. При этом не имеет значения, в какой стране создан объект, какова национальная принадлежность (гражданство, подданство и т.п.) заявителя. Например: патент РБ, авторы которого являются граждане России, действует только на территории Республики Беларусь; патент РФ, патентообладатель которого является белорусское предприятие, действует только на территории России; патент США действует только на территории США.

- сроком, т.е. любой патент, ограничен сроком его действия, определяе­мым законодательством каждого государства.

Например, в Республике Беларусь законами определены следующие сроки действия патентов:

- на изобретения - 20 лет с даты поступления заявки в Патентное ведомство (орган);

- на полезную модель - 5 лет с даты поступления заявки в Патентное ве­домство (орган) с возможностью продления не более чем на 3 года;

- на промышленный образец - 10 лет с даты поступления заявки в Патентное ведомство (орган) с возможностью продления не более чем на 5 лет.

Досрочное прекращение действия патента возможно в случаях:

- заявления патентообладателя в Патентное ведомство;

- неуплаты очередной годовой пошлины за поддержание патента в силе в установленный срок;

- по решению суда или другого компетентного органа о признании па­тента недействительным..

Свидетельство - документ, удостоверяющий исключительное право вла­дельца на товарный знак в отношении товаров, указанных в свидетельстве, приоритет товарного знака.

Ограничение действия свидетельства:

- территорией (аналогично патенту);

- сроком (аналогично патенту).

В Республике Беларусь срок действия свидетельства на товарный знак и знак обслуживания - 10 лет с даты поступления заявки в Патентное ведомство с возможностью неоднократного продления каждый раз на 10 лет.

В отличие от патента свидетельство может быть выдано только на имя юридического лица или гражданина, осуществляющего предпринимательскую деятельность.

Патентообладателями, т.е. собственниками патента могут быть физическое(ие) и (или) юридическое(ие) лицо(а), которым выдан патент.

В связи с тем, что на промышленном предприятии основными объектами промышленной собственности являются изобретения и полезные модели, в дальнейшем будут рассмотрены положения относительно этих объектов.

В соответствии со Ст. 5 Закона Республики Беларусь «О патентах на изобретения и полезные модели» патентообладателями могут быть:

- автор (соавторы) изобретения, полезной модели;

- физическое лицо, которому автор передал права при наличии договора между ними;

- юридическое лицо (лица), которому(ым) автор передал права при наличии договора между ними;

- правопреемники физического (их) и юридического (их) лица;

- наниматель в случае создания служебных изобретений, полезных моделей.

Правовая охрана объектов промышленной собственности в зарубежных странах может быть обеспечена только путем их патентования, т.е. получения зарубежных патентов.

В соответствии со Ст. 27 Закона РБ «О патентах на изобретения и полез­ные модели», Ст. 18 Закона РБ «О патентах на промышленные образцы», Ст. 19 Закона РБ «О товарных знаках и знаках обслуживания» граждане Республики Беларусь имеют право на патентование в зарубежных странах. При этом существует ограничение: до подачи заявки на изобретение, полезную модель в зарубежных странах заявитель обязан подать заявку на них в патентный орган Республики Беларусь и сообщить о намерениях зарубежного патентования.

Деятельность предприятия по зарубежному патентованию должна быть тесно увязана с внешнеторговой деятельностью, и предусматривать получение коммерческой выгоды. Для этого необходимо в начале отобрать объекты, разработанные на предприятии (изобретения, полезные модели, промышленные образцы, товарные знаки), перспективные для патентования.

Вопрос о зарубежном патентовании отобранных объектов следует решать только после обоснования его целесообразности. Для этого необходимо уточнить цель патентования за рубежом.

Основными целями зарубежного патентования являются:

- защита экспорта продукции предприятия (машин, приборов, оборудова­ния, материалов и др.);

- продажа лицензий, т.е. предоставление права заинтересованным лицам на использование объектов промышленной собственности, разработанных на предприятии, за вознаграждение.

Экспорт продукции с использованием в них запатентованных объектов этой продукции повышает конкурентоспособность этой продукции. Спрос на нее повышается, а, следовательно, появляется возможность продавать такую продукцию по более высоким ценам, выбирать страны с наиболее выгодной ва­лютой, не уступать место фирмам-конкурентам.

Таким образом, патентная охрана экспортной продукции позволяет обеспечить ее выход на рынок промышленно развитых стран, расширить объемы продаж, занять на внешнем рынке устойчивое положение, а в случае недоб­росовестной конкуренции - принять меры по ее пресечению.

Патентование с целью продажи лицензий осуществляется, когда есть заинтересованность зарубежных фирм в разработках предприятия или по ре­зультатам конъюнктурных исследований выявлены потенциальные покупатели, или при осуществлении научно-технического сотрудничества. Практика предусматривает и другие случаи, учитывая недостаточный объем собственного про­изводства, таможенные, валютные, торговые и другие ограничения некоторых стран, внезапное ухудшение конъюнктуры рынка и т.д.

В новых экономических условиях значительно возрастает роль патентно-лицензионной деятельности на предприятиях, в организациях. Патентно-лицензионную деятельность на предприятиях осуществляет патентная служба, обеспечивающая правовую охрану объектов промышленной собственности, соблюдение норм законодательства РБ и международных соглашений, проведение эффективной инновационной и коммерческой политики, позволяющей избежать возможных правонарушений, штрафных санкций и иного ущерба интересам предприятия.

Основные задачи патентной службы:

- выработка и проведение патентной и лицензионной политики предпри­ятия как составной части его научно-технической и инновационной стра­тегии;

- создание экономических, правовых и организационных условий для раз­вития на предприятии изобретательского творчества и использования объектов промышленной собственности в хозяйственной деятельности;

стимулирование изобретательской деятельности, охрана прав и интересов авторов и лиц, содействующих созданию и использованию объектов промышленной собственности;

- содействие разработке объектов техники и технологии на высоком научно-техническом уровне и выпуску продукции, конкурентоспособной на мировом рынке;

- выявление объектов промышленной собственности и обеспечение их правовой охраны в республике и за рубежом.

Деятельность патентных служб на предприятиях РБ регламентирована «Примерным положением о патентном подразделении предприятия, учреждения, организации Республики Беларусь», утвержденном Председателем Государственного патентного ведомства РБ при СМ РБ от 16.04.1993 г. (Приложение 12).

Основные функции патентной службы :

В целях выполнения основных задач в области охраны промышленной собственности патентное подразделение предприятия:

- организует патентно-информационную работу, обеспечивает работников

- предприятия патентной информацией по тематике проводимых и перспективных работ;

- комплектует, при необходимости, патентный фонд предприятия и организует работу с ним, в том числе на основе внедрения автоматизированных систем патентной информации;

- принимает участие в подготовке договоров на создание (передачу) научно-технической продукции по вопросам, относящимся к его компетенции, и контролирует их выполнение;

- проводит патентные исследования, осуществляет контроль за патентной чистотой выпускаемой продукции;

- принимает участие в подготовке договоров с авторами о передаче предприятию прав на созданные ими объекты промышленной собственности,

- готовит предложения о целесообразности использования прав на получение патентов, переданных предприятию его работниками;

- оформляет и подает в Государственный патентный комитет Республики Беларусь заявки на выдачу патентов на изобретения, промобразцы, регистрацию иных объектов промышленной собственности;

- ведет делопроизводство по заявкам, готовит жалобы в Апелляционный Совет и заявления в Патентный Суд Республики Беларусь;

- разрабатывает соглашения о размере денежной компенсации за использование изобретений в период их временной правовой охраны;

- контролирует своевременность уплаты патентных пошлин и сборов, готовит предложения о прекращении поддержания патентов в силе;

- принимает участие в решении вопросов о целесообразности зарубежного патентования, готовит материалы для передачи, их патентным поверенным, ведет переписку с ними, контролирует уплату пошлин в иностранной валюте;

- выявляет факты нарушения патентов) принадлежащих предприятию, принимает участие в разрешении возникающих в связи с этим конфлик­тов и споров, в том числе судебных;

- готовит предложения о передаче прав на патент другому физическому или юридическому лицу и соответствующий договор для регистрации его в Патентном ведомстве;

- принимает меры по разработке товарных знаков, их регистрации, продлению их действия и внесению изменений в регистрацию товарного знака, а также регистрации лицензионных договоров и договоров об уступке товарного знака;

- принимает меры по обеспечению правовой охраны товарного знака в странах предполагаемого экспорта продукции предприятия;

- принимает меры по предотвращению незаконного использования товарного знака предприятия на внешнем и внутреннем рынках для возмещения причиненного такими нарушениями материального ущерба;

- готовит предложения о покупке лицензии либо предоставлении принудительной лицензии;

- готовит технико-экономическое обоснование продажи лицензии, готовит решение о предоставлении открытой лицензии;

- участвует в переговорах о заключении лицензионных соглашений, соглашений о передаче технологии, иных результатов научно-технической деятельности;

- готовит совместно с другими службами предприятия предложения по отнесению научно-технической и иной информации к коммерческой тайне предприятия;

- осуществляет непосредственное сотрудничество с патентными поверенными;

- ведет учет и представляет статистическую отчетность по изобретательству.

ЛЕКЦИЯ 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС В СОВРЕМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

12.1. Понятие о научно-техническом прогрессе и научно-технической революции

Технический прогресс - это исторический процесс совершенствования орудий труда и методов производства. Этот процесс обеспечивает повышение производительности общественного труда. Технический прогресс тесно связан с развитием науки. Научно-техническая революция - качественно новый этап в научно-техническом прогрессе. Она является его сердцевиной, его ядром. Научно-техническая революция имеет характер скачка как в познании законов объективного мира, так и в практической деятельности. Этот скачок связан с превращением науки в непосредственную производительную силу общества.

Следует различать две формы научно-технического прогресса: эволюционную и революционную.

Эволюционная представляет собой постепенное изменение, совершенствование технических средств труда без коренного изменения, как самих средств, так и их научных основ.

Революционная связана с качественным изменением техники это скачок к изменению средств труда.

Развитие техники и технологии связано с ростом производительности труда. Повышение производительности труда является главным, решающим критерием технического прогресса. Но технический прогресс нацелен на развитие человека, на организацию и условия его труда. Поэтому он имеет и социальную значимость. В обществе научно-технический прогресс представляет собой процесс постоянного качественного обновления производства и создания новой техники, передовой технологии. Этот процесс влияет на благосостояние и всестороннее развитие всего общества.

Научно-техническая революция характеризуется крупнейшими скачками в совершенствовании орудий труда, переходом к автоматам, автоматизированным поточным линиям, промышленным роботам, автоматическим системам управления с использованием микропроцессоров и микроЭВМ, переналаживаемым автоматическим участкам, гибким автоматизированным системам. Научно-технический прогресс имеет определенные закономерности. Он играет ведущую роль в развитии современного общественного производства. Когда наука была мало связана с производством, она только теоретически объясняла уже сложившиеся технологические процессы. Теперь наука разрабатывает теорию того или иного технологического процесса, ищет пути создания новой техники.

Развитие фундаментальных и прикладных наук опережает развитие техники и технологии, а следовательно, и общее развитие общественного производства.

В странах мира, наука постоянно развивается. Ведутся исследования в области физики атомного ядра, элементарных частиц, атомных и ядерных реакций; познаются свойства плазмы, кристаллической решетки металлов и полупроводников. На основе достижений науки развиваются ядерная энергетика, электроника, производство ЭВМ и др.

Научно-технический прогресс оказывает положительное влияние на развитие экономики, с одной стороны, с другой – развитие экономики, увеличение прибыли полученной от научно-технического прогресса в производстве, оказывает на него активное воздействие в качестве источника финансирования.

В условиях рынка конкуренция вынуждает предприятия использовать последние научно-технические достижения в процессе производства продукции, планомерно и систематически заниматься инновационной деятельностью. Это способствует наращиванию выпуска конкурентоспособных изделий на основе наукоемких, ресурсосберегающих и экологически безопасных технологических процессов. Роль технологии служит определяющим фактором повешения качества выпускаемых изделий в достижении максимальных размеров прибыли, А так как каждое предприятие отвечает за результаты своей деятельности своим капиталом, то является очевидным его стремление участвовать в процессе технологического развития как самого себя, так и общества в целом.

Научно-технический прогресс (НТП) - это совершенствование материально-технической базы производственно­го процесса, продуктов производства на основе создания и освоения результатов научных исследований и разработок в целях лучшего удовлетворения общественных потребностей, экономии рабочего времени и всестороннего развития личности работников. Это основа научно-производственного прогресса, включающего совершенствование производства в целом, в том числе работника как главной производственной силы, форм и методов управления.

Поэтому освоение принципиально новых технологий - одновременно и следствие, и предпосылка эффективного использования новых средств и предметов труда.

Во-первых, речь идет о переходе от дискретных (прерывных) многооперационных процессов, которые могут развиваться лишь по линии все большего дробления операций, а следовательно, увеличения их монотонности, непривлекательности, к межоперационным и непрерывным процессам.

Во-вторых, механическая обработка предметов труда уступает место непрерывным физико-химическим и биологическим процессам: добыча полезных ископаемых на основе биотехнологии; вибрационная и ультразвуковая обработка; бездоменная и порошковая металлургия; безверетенное прядение, бесчелночное ткачество; получение готовых изделий методами точной пластической деформации, прокаткой, прессованием, волочением, выдавливанием, штамповкой; примене­ние прогрессивных способов литья заготовок (непрерывное, но выплавляемым моделям, центробежное, электрошлаковое).

В-третьих, начинается переход к замкнутым технологическим схемам с полной переработкой полупродуктов (безотходная технология).

В-четвертых, в технологических процессах все чаще используются экстремальные, не встречающиеся в природе околоземного пространства условия; сверхнизкие и сверхвысокие температуры и давления, глубокий вакуум, электромагнитные поля большой мощности, импульсно-взрывные методы, электроимпульсные разряды, ядерные излучения. Плазменная технология используется для получения новых материалов, изменении их состава и свойств; новые способы упроч­нения материалов (поверхностная пластическая деформация, плазменное напыление, наплавление твердых порошковых сплавов); радиационная обработка - для модификации полимеров в кабелях и электроизоляции.

В-пятых, новые технологические процессы, как правило, связаны для непосредственной обработки предмета труда - электрохимической, электрофизической (лазерная, электроискровая, электроимпульсная, электроконтактная) токами высокой частоты, использованием электронных пучков высокой энергии для повышения термопрочности материалов, покраски без растворителей, мгновенной полимеризации, дезинфекции сточных вод и т. д. Лазерная технология используется для сварки, резки, термообработки, упрочнения деталей, прошивки отверстий, бесконтактного контроля и т. д.

В-шестых, для новейшей технологии характерна большая универсальность, связанная с переходом от многообразных машин с подвижными механическими частями к унифицированным аппаратам, к использованию электричества в качестве универсального посредника при обработке материалов.

В-седьмых, новые технологические процессы зачастую носят межотраслевой характер. Так, и в металлургии, и в машиностроении используются: пластическая деформация, жидкая штамповка, прокатка шестерен, осей, валов, шаров, втулок, роликов, колес, сверл, винтов; ультразвуковые колебания и лазеры нашли широкое применение в медицине и промышленности, при создании научных приборов и устройств.

12.2. Основные направления научно-технического прогресса

Научно-технический прогресс в разное время имел различный размах и результативность. Сейчас научно-технический прогресс идет все более быстрыми темпами, приобретает особое значение, стал неотъемлемой частью всего общественного производства.

Научно-технический прогресс в промышленности должен развиваться по следующим направлениям: применение передовой технологии; электрификация промышленности, химизация производств, комплексная механизация и автоматизация промышленного производства.

Необходимость применения передовой технологии обусловлена тем, что в настоящее время технология приобретает первостепенное значение в развитии общественного прогресса. Техника неотделима от технологии производства. Она существует только совместно с определенной технологией и проявляется через нее, т. е. технология становится ведущей силой научно-технического прогресса, играет по отношению к орудиям труда активную роль.

Так, например, разработка технологии сварки способствовала созданию новой электросварочной аппаратуры и т.д.

Постепенно расширяется применение прогрессивных базовых технологий и будет обеспечивается широкое внедрение в промышленность принципиально новых технологий, в том числе электронно-лучевых, лазерных, плазменных, импульсных, мембранных, которые позволяют многократно повысить производительность труда, поднять эффективность использования ресурсов и снизить энерго- и материалоемкость производства.

Электронизация народного хозяйства позволит обеспечить все сферы производства наиболее передовыми средствами вычислительной техники. В результате электронизации резко повышается производительность труда, происходит экономия ресурсов, материалов и энергии, ускорение научно-технического прогресса в народном хозяйстве, резкое сокращение сроков научных исследований, качественная пе­рестройка непроизводственной сферы. Электронизация народного хозяйства включает: создание средств вычислительной техники с развитым программным обеспечением для широкого насыщения отраслей народного хозяйства, научно-исследовательских и конструкторских организаций, компьютеризации сферы образования и быта; расширение использования сети Internet в производственных целях; создание широкой гаммы разнообразных приборов, датчиков, контрольно-измерительных средств на основе передовых достижений микроэлектроники для неразрушающего контроля деталей машин и строительных конструкций, измерение состава и структуры материалов, ускоренного проведения научных исследований, позволяющих повысить эффективность производства, надежность и качество продукции.

Необходимость электрификации промышленности обусловлена тем, что в настоящее время электрическая энергия используется не только в силовых установках и осветительных приборах, но и в технологии промышленного производства.

Химизация производства озна­чает процесс внедрения в различные отрасли промышленности новейших видов сырья, материалов, а также химических методов их обработки. Химические методы ведения технологических процессов проникают в различные отрасли промышленности и играют важную роль в их развитии. Так, например, применение кислород­ного дутья в черной металлургии позволяет на том же оборудовании получить на 20...30 % больше металла, снизить его себестоимость, сократить затраты сырья, кокса, труда.

Химические процессы характеризуются более высокой степенью непрерывности, чем механические. Они более прогрессивны и производительны. Применение химических технологий и материалов дает возможность сократить длительность производственного цикла и получить определенный экономический эффект. Так. например, при использовании химических методов дубления кож производственный цикл сокращается в 6...8 раз. При переработке химических жгутовых волокон методом штапелирования расходы электроэнергии уменьшаются примерно в 5 раз по сравнению с обычным способом переработки штапельного волокна, необходимые производственные площади - почти в 6 раз, в 2 раза повышается производительность труда.

Химизация производства вызывает изменения в конструкции оборудования. Дело в том, что химические процессы протекают при высоких температурах, давлениях, лазерных, плазменных, ульт­развуковых и других воздействиях. Все это может происходить только в аппаратах, изготовленных из жаропрочных, химически стойких материалов.

Химические способы переработки разных видов сырья, отходов производств дают возможность создавать новые материалы, сырьевые, базы для других отраслей промышленности.

В настоящее время химическая промышленность производит искусственное газообразное и жидкое топлива, масла, разнообразные полимерные материалы, синтетические алмазы, кристаллы, мине­ральные удобрения и другую продукцию для народного хозяйства страны. Химическая промышленность стала одной из ведущих отраслей, развивающейся быстрыми темпами.

Комплексная механизации и автоматизация производства - важнейший фактор интенсификации общественного производства.

Развитие энергетики. Главная цель ускоренного развитии энергетики - глубокая качественная перестройка энергетических хозяйств повышение эффективности и надежности энергоснабжения, сокращение использования органического топлива, вовлечение в эксплуатацию нетрадиционных источников энергии, охрана окружающей среды и рациональное использование энергии.

Использование новых видов материалов. Применение в народном хозяйстве принципиально новых видов материалов, обладающих различными ценными свойствами, а также создание промышленных технологий их производства и обработки: создание стойких и жаропрочных композиционных и керамических материалов; применение новых пластических масс, способных заменит металлы и сплавы, и улучшить качество и долговечность машин; создание новых материалов из черных и цветных металлов с использованием методов порошковой металлургии.

Совершенствование технологий посредством максимального использования их непрерывности.

Применение прогрессивных электронно-лучевых технологии.

Ускорение развития биотехнологий.

12.3. Экологические проблемы технологического прогресса. Основы безотходной технологии

Одним из главных источников загрязнения окружающей среды явля­ется промышленное производство, в которое вовлекаются значительные объемы природных ресурсов.

Опыт решения экологических проблем, накопленный к настоящему времени, показывает, что сохранение окружающей среды может быть обеспечено за счет улучшения используемых технологий: именно совер­шенствование технологических процессов промышленного производ­ства — реальный путь к построению гармоничных отношений общества, производства и природы.

В отличие от природы, которая существовала и до появления человека, окружающая среда — продукт взаимодействия человека и природы. При этом взаимосвязь между производством и окружающей средой — не про­сто взаимный обмен энергией, веществом и информацией, а направлен­ный технологический процесс присвоения человеческим обществом при­родных ресурсов.

Поэтому именно с помощью технологических средств производство и окружающая среда должны находиться в динамическом равновесии. На­рушение данного равновесия, с одной стороны, может привести к свора­чиванию производительной деятельности и ухудшению потребления, с другой — к ухудшению состояния окружающей среды. К сожалению, как показывает практика, указанное равновесие, или соответствие между про­изводством и окружающей средой, не всегда выдерживается и нарушается в сторону возрастания экологических проблем.

Изменения в окружающей человека природе, связанные с производ­ством материальных благ, можно разделить на преднамеренные, заранее прогнозируемые и осуществляемые с определенной целью (строительство плотин, орошение, рубка леса) и попутные, неизбежно связанные с пред­намеренными (затопление земель, засоление почвы).

Анализ общественного производства показывает, что образование от­ходов не является неизбежностью. Отходы — критерий несовершенства технологии с точки зрения ее сбалансированности с окружающей средой.

Промышленными отходами называют побочные продукты или полупро­дукты основного производства, которые в данный момент не нашли раци­онального применения.

Промышленные отходы образуются в основном за счет:

- наличия примесей в исходном сырье, т.е. его компонентов, которые не используются в данном технологическом процессе для получения гото­вого продукта;

- применения в процессах вспомогательных веществ, которые отрабаты­ваются и становятся непригодными для дальнейшего использования (ка­тализаторы, растворители, сорбенты, фильтрующие материалы);

- протекания побочных химических реакций, приводящих к образова­нию неиспользуемых веществ;

- несовершенства технологии обработки предмета труда, неполного из­влечения ценного компонента из исходного сырья в ходе технологическо­го процесса;

- механических потерь продуктов из-за негерметичности оборудования и коммуникаций.

Современное промышленное производство представляет собой от­крытую технологическую систему, в которую поступает непрерывный по­ток природных ресурсов (руда, нефть, вода, воздух и т.д.), а исходит двух-струйный поток: готовая продукция и отходы (пыль, аэрозоли, пары, стоки, шлаки и т.д.). Часть готовой продукции может снова поступать в про­изводство в качестве сырья, с образованием новой порции отходов. В ко­нечном счете готовая продукция используется в быту, где рано или поздно целиком превращается в жидкие, газообразные или твердые отходы.

Такой сугубо открытый характер приводит, с одной стороны, к недо­статочно полному использованию природных продуктов и их нерацио­нальному использованию, обостряя проблему «где взять?», а с другой —к прогрессирующему загрязнению окружающей среды, особенно водного и

воздушного пространства, с еще большей остротой ставя проблему «куда деть?».

Все отходы (назовем их первичными) содержат, как правило, ценные компоненты, которые целесообразно после дополнительной технологи­ческой обработки возвращать в полезный оборот.

Следует, однако, иметь в виду, что данное явление связано с расходом дополнительной энергии и средств. Поэтому целесообразность обработки первичных отходов с целью извлечения нужных компонентов необходимо обосновать экономически и экологически.

В зависимости от места переработки первичные отходы можно разде­лить на две группы:

отходы, которые целесообразно перерабатывать непосредственно там, где они получаются, особенно когда их нецелесообразно или невоз­можно транспортировать (например, газовые выбросы);

отходы, которые целесообразно отправлять на специальные заводы в качестве сырья.

Если рассматривать возможные пути уменьшения отходов на каждой из стадий технологических процессов общественного производства, то видно, что они одновременно приводят к интенсификации данного про­цесса и увеличению его эффективности.

По своему назначению и типу исполнения можно выделить следующие варианты устранения загрязнения окружающей среды.

1. Изоляция отходов-загрязнений. Смысл этого приема заключается в захоронении определенных загрязнений в отдаленных от повседневных сфер человеческой деятельности местах: в заброшенных шахтах, скважи­нах, на дне Мирового океана и т.д. Но спрятать в природе ничего невоз­можно. Так или иначе захороненные отходы вовлекаются в природный круговорот веществ и трудно предсказать, к каким печальным последстви­ям это может привести в будущем. Вот почему, несмотря на кажущуюся простоту и доступность данного метода, использование его необходимо резко ограничить, а в перспективе — прекратить.

2. Переработка вредных загрязнений в менее токсичные или нетоксичные, перерабатываемые самой природой. Такой путь позволяет уничтожить вред­ные выбросы, загрязняющие окружающую среду. Однако его реализация требует больших капитальных затрат и сопровождается потерями природ­ных ресурсов (не только сырьевых, но и энергетических). Причем никако­го изменения затрат этот путь не предусматривает.

3. Превращение загрязнений во вторичное сырье или дополнительные про­дукты потребления. При таком подходе определенная часть затрат на стро­ительство и эксплуатацию очистных сооружений возмещается ценност­ной стоимостью получаемых продуктов потребления или вторичного сырья и в то же время достигается определенная экономия природных ресурсов.

Таким образом, можно выделить два принципиально разных пути ре­шения экологических проблем:

Первый путь — более радикальный, но, к сожалению, не всегда техни­чески реализуемый. Он заключается в разработке таких технологических процессов производства, которые в максимальной степени уменьшали бы выброс отходов в окружающую среду, т.е. приближались к природным процессам или имитировали их. Речь идет о создании безотходных (или

хотя бы малоотходных) технологий, которые бы максимально экономили исходное сырье, топливно-энергетические ресурсы и обеспечивали охра­ну окружающей среды.

Второй путь — путь борьбы скорее не с причинами, а со следствиями выброса вредных веществ в природу, не является кардинальным, но в со­временных условиях развития техники, технологии, общественного про­изводства в целом, пока является наиболее реализуемым. Данный путь — очистка вредных выбросов предприятий, направляемых

в окружающую среду. Он получил в настоящее время наибольшее приме­нение, хотя дальнейшее продвижение по нему в будущем видится непер­спективным, поскольку даже самая эффективная очистка выбросов не предотвращает их возникновения. Объясняется это также и тем, что с по­мощью очистных сооружений не всегда удается полностью прекратить поступление вредных веществ в окружающую среду, а в процессе очистки происходит превращение одних видов загрязнений в другие. Кроме того, строительство надежных очистных сооружений обходится довольно дорого.

Термин «безотходная технология» широко используется в настоящее время как в специальной, так и в научно-популярной литературе.

В соответствии с определением, принятым Европейской экономиче­ской комиссией ООН, безотходная технология есть практическое приме­нение знаний, методов и средств с тем, чтобы обеспечить в рамках челове­ческих потребностей наиболее рациональное использование природных ресурсов, энергии и защиту окружающей среды.

Существует и другое общепринятое определение. Безотходная техно­логия — это такой способ осуществления производства продукции (про­цесс, предприятие, производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле сырье­вые ресурсы — производство-потребление — вторичные ресурсы таким образом, чтобы любые воздействия на окружающую среду не нарушали нормального функционирования.

Следовательно, под термином «безотходная технология» понимается такой способ организации производства и потребления продукции, при котором наиболее рационально и комплексно используются все компо­ненты сырья, энергии и не нарушается экологическое равновесие, а кон­цепция безотходной технологии по аналогии с природными экосистемами предполагает создание энергии в производственном цикле.

Создание безотходных технологических процессов базируется на сле­дующих предпосылках.

Исходные природные ресурсы должны добываться однажды для всех возможных, а не каждый раз для отдельных продуктов.

Создаваемые продукты должны иметь такую форму, которая позволя­ла бы после использования по прямому назначению относительно легко превращать их в исходное сырье нового производства.

Совершенно очевидно, что такая схема практически неосуществима. Полная замкнутость системы как по веществу, так и по энергии невоз­можна, так как каждый новый этап цикла сырье — производство-потребление — сырье требует дополнительных затрат энергии из-за потерь в окружающую среду и вовлечения новых природных ресурсов из-за несовершенства современных технологий и неизбежного износа используемых материалов.

Таким образом, термин «безотходная технология» носит идеализированный характер. Вот почему в реальных ситуациях необходимо стремиться к подобному состоянию. При этом степень безотходности будет служить ме­рой совершенства технологии и организации производства и потребления.

Безотходная технология предусматривает создание:

- безотходных, замкнутых в процессе производства технологических циклов многократного использования одного и того же вещества;

- технологических процессов, экологически связанных с окружающей средой и природой в целом.

В соответствии с возможными направлениями решения вопроса взаи­модействия производства с окружающей средой могут быть выделены три типа производств:

- замкнутое безотходное, когда в реализуемой в нем технологии одно­временно с получением конечных продуктов осуществляется практически полная переработка промежуточных отходов;

- производство, возвращающее природе побочные продукты или отходы в природном состоянии;

- производство, возвращающее природе отходы для переработки (при условии гарантированного полного обеспечения этой переработки).

Первым условием создания безотходного производства является выбор такой технологии, в которой отсутствуют или сведены к минимуму стоки и выбросы.

Принципиальное отсутствие отходов и выбросов — критерий совершенства любого технологического процесса.

Вторым условием создания безотходной технологии является анализ ее взаимосвязи с предшествующим и последующим технологическими про­цессами: удачное для данной технологии экологическое решение может быть неприемлемым для ее окружения и (более того) сделать производство в целом экологически значительно опасным. Иными словами, нельзя ре­шать свои проблемы в ущерб другим и за счет других.

Третье условие заключается в том, что оптимальный технологический процесс должен быть не только экологически безопасным, но и отличать­ся высокой производительностью, минимальными затратами живого и прошлого труда на единицу продукции.

Четвертое условие — критическое отношение к решениям, кажущимся простыми и легкими. На первый взгляд традиционная очистка сточных вод и отходящих газов — простейшее решение. Оно кажется самым доступным и решающим все проблемы. На самом же деле использование очистки мешает решению главной задачи — разработке или усовершенствованию технологического процесса, когда не будет выбросов или их утилизируют. Иными словами, надо устранять причину появления отходов, а не бороться со следствиями.

Пятым условием создания безотходной технологии является использование технических решений, обеспечивающих надежную, стабильную и безаварийную работу технологической системы, исключающую выброс вредных компонентов в окружающую среду даже при незапланированной остановке технологического оборудования.

Разнообразие средств и методов очистки позволяет выбрать наиболее целесообразный способ и схему очистки для конкретного производствен­ного случая.

Важнейшим критерием выбора окончательной схемы организации технологического процесса с целью обеспечения его безотходности или ма-лоотходности являются:

- безусловное соблюдение норм содержания веществ в воздушном и водном бассейнах;

- эффективное осуществление технологического процесса;

использование возможных более экономичных (с учетом соблюдения двух первых требований) технологических схем очистки газов и жидкостей;

- обеспечение возможности получения небольшого количества концен­трированных отходов, которые легче обезвредить, чем большого;

- незначительный объем разбавленных вредных отходов, сбрасываемых в воду и рассеиваемых в атмосфере, даже при концентрациях, меньше пре­дельно допустимых.

Основой для организации и развития безопасных промышленных производств являются следующие направления:

- комплексная переработка сырья;

- разработка новых технологий, позволяющих существенно уменьшить или полностью исключить вредное воздействие промышленных отходов на окружающую среду;

- разработка эффективных методов очистки газообразных, жидких и твердых промышленных выбросов;

- внедрение замкнутых технологических циклов, водооборотных циклов и бессточной технологи;

- кооперирование различных производств с целью использования одних отходов в качестве сырья для других;

- создание безотходных территориально-промышленных комплексов.

Комплексная переработка сырья является важнейшей не только экологической, но и экономической задачей, основой создания безотходных промышленных производств, поскольку отходы производства есть неиспользованная или недоиспользованная часть сырья.

В настоящее время, к сожалению, весьма низок уровень вторичного использования металлов, бумаги, пластмасс, текстиля, не говоря уже о том, что из первичного сырья не полностью извлекаются ценные компо­ненты и по сути дела идут в отвал, еще более загрязняя окружающую среду.

Разработка экологически безвредных технологических процессов — одна из глобальных задач научно-технологического развития производства, от успешного решения которой зависит будущее всего человечества.

Важнейшие направления реализации безотходной технологии — разработка эффективных методов очистки и замкнутых оборотных циклов.

Очистить сточные воды так, чтобы они отвечали требованиям производ­ства, намного легче и проще, чем очистить их до такой степени, чтобы они отвечали требованиям окружающей среды.

Большое значение имеет разработка новых технологий очистки сточных вод и газовых выбросов.

Наряду с широко используемой и эффективной биологической очисткой сточных вод с применением микроорганизмов и по сути воспроизводящей процессы самоочистки в природных водоемах начинают находить применение адсорбционная и электрохимическая очистка. Перспектив­ными способами очистки сточных вод являются озонирование, электро-коагуляция, электр о диализ, гиперфильтрация, радиационная очистка, мембранные методы этой операции.

Не менее важным для осуществления безотходных технологий является создание высокоэффективных методов и устройств для очистки отходящих промышленных газов.

Следует отличать очистку газов от аэрозолей (взвешенных жидких частиц), пыли, газо- и парообразных примесей.

Для очистки газов от пыли и аэрозолей достаточно эффективно используются фильтры, электрофильтры, мокрые пылеуловители (скрубберы).

Для очистки выбросов от паро- и газообразных примесей обычно применяют следующие технологии: абсорбцию жидкими поглотителями, адсорбцию твердыми веществами, химическое разложение или превраще­ние в другое, менее вредное для окружающей среды соединение. Кооперирование различных производств с целью сокращения выброса вредных веществ в окружающую среду целесообразно не только с экологической, но и с экономической точек зрения.

Пока еще не до конца использованы возможности применения отхо­дов в виде сырья и полупродуктов для производства высококачественных и экономически выгодных изделий и конструкций из металлических шла­ков, огарков, пыли, золы.

Таким образом, общая концепция безотходной технологии включает в себя все вышеперечисленные направления, реализация которых в про­изводстве не только зависит от технологических особенностей и уровня ор­ганизации самого производства, но и направлена на решение важнейших задач снижения поступления вредных веществ в окружающую среду.

12.4. Прогрессивные технологии автоматизации и информатизации производства

Автоматизация народного хозяйства - применение систем автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированных систем управления технологической подготовкой производства (АСУ ТПП), автоматизированных систем управления производством (АСУП), автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), интегрированных автоматизированных систем управления (ИАСУ). Внедрение таких систем позволило сократить затраты на проектирование и изготовление деталей, повысить качество планирования, учета, конструкторской подготовки; применение быстроперестраиваемых и гибких производственных систем, а также организация полностью автоматизированных цехов и заводов; промышленных роботов и манипуляторов с целью ликвидации ручного труда, и в первую очередь неквалифицированного; сочетание гибких производственных систем системами машинной научно-технической и организационной подготовки производства позволит создавать гибкие автоматизированные производства.

Комплексная механизации и автоматизация производства - важнейший фактор интенсификации общественного производства. В последние, годы в нашей стране широко используются поточные и автоматические линии, металлообрабатывающие станки с числовым программным управлением, электронные вычислительные машины и др. Все это дало возможность увеличить производительность труда, механизировать и автоматизировать труд работников многих категорий, значительно повысить культуру производства в промышленности.

Однако еще на многих промышленных предприятиях значительна доля ручного труда. Механизацией охвачены основные технологические процессы. Вспомогательные, погрузо-разгрузочные, подъемно-транспортные и складские работы недостаточно механизированы. Поэтому особое внимание уделяется развитию средств механизации, автоматизации производства, его техническому перевооружению и реконструкции. Успешное проведение работ по реконструкции и перевооружению предприятий, по их комплексной механизации и автоматизации зависит прежде всего от машиностроения. Именно в этой отрасли создаются новые орудия труда, средства автоматизации, системы машин, которые определяют прогресс в других отраслях народного хозяйства. Здесь закладываются принципиально новые технологии, обеспечивающие значительное повышение производительности труда и качества продукции. Поэтому весьма важно дальнейшее развитие машиностроительного комплекса и прежде всего станкостроения, производства вычислительной техники, приборостроения, электротехнической и электронной промышленности. Сейчас значительно повышается технико-экономический уровень и качество машин, станков, линий, агрегатов и приборов. Внедрение новой техники, компьютеризация процессов проектирования, подготовки и самого производства, а так же делопроизводства позволяет получать большой эффект в народном хозяйстве нашей страны. Техническое перевооружение и реконструкция промышленных предприятий должны проводиться с учетом роста единичных мощностей машин и агрегатов; перехода от создания и внедрения отдельных машин к разработке и внедрению их систем, полностью охватывающих весь технологический процесс; широкого внедрения вычислительной техники и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

Внедрение машин и агрегатов большой единичной мощности объясняется их высокой экономичностью. Так, например, повышение в 3...4 раза единичных мощностей основного технологического оборудования в химической промышленности позволяет снизить его капиталоемкость на 20...50 %. Поэтому намечено существенное увеличение выпуска оборудования и технологических линий повышенной единичной мощности в комплектном и блочно-комплектном исполнении. Осуществляется переход от производства отдельных машин к созданию технологических линий и комплексов с высокой степенью автоматизации.

Автоматизированное оборудование и линии позволяют выполнять производственные операции без физических усилий человека, но под его контролем. Различают несколько ступеней автоматизации производства, а именно: частичную, комплексную и полную автоматиза­цию. Частичная автоматизация позволяет управлять технологиче­скими параметрами отдельных машин и агрегатов, применяемых в данном производстве. Комплексная автоматизация обеспечивает управление как основными, так и вспомогательными процессами, начиная с поступления сырья и кончая выходом готовой продукции. Примером комплексной автоматизации может быть цех-автомат или завод-автомат, оснащенный общей системой электронного управления. С помощью такого управления осуществляется контроль за ходом всех производственных процессов. В этом случае рабочий выполняет функции контролера и регулятора производственного процесса. Полная автоматизация обеспечивает автоматическое функционирование всех участков производства от проектирования до выпуска готовой продукции, В этом случае происходит автоматизация управленческого, конструкторского, инженерного и другого труда. При полной автоматизации функции человека выполняет машина, благодаря этому высвобождается рабочее время многих людей, которое может быть использовано для творчества.

Автоматические линии представляют систему производственных автоматов, установленных в последовательности выполнения тех­нологических операций и связанных автоматическими транспортно-разгрузочными устройствами. При этом согласованность работы автоматов осуществляется единой системой управления линией. Автоматическая линия дает большой экономический эффект. Так, например, автоматическая линия обработки тел вращения и корпусных деталей, состоящая из станков с ЧПУ, автоматических транспортных, складских систем и ЭВМ, позволяет высвободить около 80 единиц универсального оборудования, 185 рабочих, в том числе свыше 140 станочников. При комплексной автоматизации производств уменьшается потребность в производственных площадях.

Намечено создавать комплексно-автоматизированные производства, которые можно быстро и экономично перестраивать. В решении этой проблемы большую роль играют робототехника и вычислительная техника. Роботы в основном выполняют транспортно-загрузочные работы, но появляются роботы нового поколения, более высокого класса.

Уже производятся и внедряются робототехнические комплексы и модули, Автоматизация производства связана с внедрением вычислительной техники. Поэтому предусмотрено увеличить объем производства вычислительной техники, повысить ее надежность и классность. Для массового применения в роли контроллеров и для автоматизации рабочих мест, особенно в гибких автоматизированных системах, предусматривается производство широкой гаммы микроЭВМ на основе 32 и 64-разрядных микропроцессоров. Все это позволит охватить комплексной автоматизацией все процессы - от научных исследований и проектирования до технологической подготовки производства и выпуска готовой продукции Для этой цели в комплексной программе намечены к разработке несколько систем автоматизации и в первую очередь такие, как САПР (система автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства); САНИ (система автоматизации научных исследований и экспериментов); АСУТП и АСУП (автоматизированные системы управления соответственно технологическими процессами и производством).

«Безлюдные» машиностроительные производства в основном должны быть оборудованы металлорежущими станками с ЧПУ, оснащенными устройствами для автоматической оперативной коррекции программ обработки деталей, координатными машинами (КИМ) с ЧПУ, промышленными роботами высокого класса. Машины КИМ автоматически устанавливают детали на станки, контролируют процесс их обработки и проверяют точность изготовления деталей. В этом же производстве предусматривается и диагностическая система, которая должна сочетать простоту управления со способностью мгновенно давать информацию о малейших отказах и неисправностях оборудования. Информация о текущем состоянии технологического процесса, относительном расположении захвата промышленного робота, объектов манипулирования и состоянии среды позволяет автоматизировать многие даже «тонкие» технологические операции, когда по условиям сопряжения на собираемые элементы накидываются кинетические связи и др. От «безлюдных» цехов к «безлюдной» промышленности - таково основное направление научно технического прогресса в промышленности.

12.5. Основы информационной технологии в управленческой и проектно-конструкторской деятельности

Если рассматривать историю развития управления экономикой, то можно определить, что человечество столкнулось с двумя информационными барьерами.

Первый барьер возник при переходе от ремесла к крупному промышленному производству. Он был преодолен разделением задач управления, планирования, проектирования между отдельными работниками и службами.

Второй барьер обусловлен разрывом между темпами появления и развития новых технологий, материалов, товаров, услуг и темпами совершенствования информационной сферы.

Необходимость ускоренного развития информационной технологии, особенно в сфере управления производством, диктуется также и следующими обстоятельствами.

Во всех промышленно развитых странах образовался дисбаланс между автоматизацией собственно производства и автоматизацией управления этим производством. Как следствие этого — в течение всего XX в. неуклонно увеличивалась доля работников, занятых в информационной сфере (в частности, в управлении и планировании), при снижении доли занятых в сфере материального производства. Причина всюду одна: производство автоматизируется самым активным образом, а вот управление им нет.

Такая тенденция проблему с информационной сферой делает еще более острой, так как достижения робототехники и микроэлектроники (микропроцессоры, сверхбольшие интегральные микросхемы) позволяют уже сейчас строить высокоавтоматизированное программируемое гибкое производство, которое обеспечит более высокие темпы обновления и расширения номенклатуры товаров и услуг.

Кроме неразвитости информационной сферы, развитие гибкого роботизированного производства сдерживают еще две причины:

1) традиционные методы разработки и проектирования новой техники и технологии с их громоздким чертежным хозяйством и опытно-конструкторскими работами;

2) нерешенные проблемы оптимального управления все более сложными технологическими системами при расширении межотраслевых связей и усложнении структуры выпускаемой продукции.

Преодоление второго барьера возможно лишь с развитием информационной технологии.

Под информационной технологией понимают совокупность методов и средств сбора, хранения, поиска, переработки, преобразования, распространения и использования информации в различных сферах деятельности.

Информационная технология создана для производства, передачи, отбора, трансформации и использования информации в виде звука, текста, графического изображения и цифровой информации. В основе данных систем используются компьютерные и телекоммуникационные технологии (базирующиеся на микроэлектронике), которые в свою очередь могут использоваться совместно с другими видами технологий для усиления конечного эффекта.

Цель информационной технологии в сфере производства — обеспечить наиболее благоприятные условия его развития с точки зрения интенсификации обмена информацией между его подразделениями и повышения эффективности ее обработки и использования.

Технологическими средствами реализации информационной технологии являются быстродействующие ЭВМ на микропроцессорной основе (информационная техника), соединенные между собой устойчивыми ка­налами связи (например, на оптоэлектронной основе), позволяющими эффективно обмениваться необходимой информацией. Инструменталь­ными средствами информационной технологии являются программное и математическое обеспечение.

В информационной технологии предметом труда и продуктом труда является информация, т.е. сведения, исходные данные, необходимые пользователю для принятия каких-либо решений (организационных, уп­равленческих, конструкторских, технологических и т.д.). При этом вы­ходная информация выступает в виде рекомендаций, управляющих воз­действий, например, на протекание технологического процесса, или явля­ется исходной для дальнейшей переработки.

В сфере информатики в 80-е гг. XX в. формирование очередного по­коления аппаратных и математических средств обеспечения началось с ра­дикальной перестройки трех основных технологий: технологии проекти­рования интегральных микросхем, технологии их производства и техноло­гии программирования.

Изменение в технологии проектирования имело характер переворота в буквальном смысле слова: вместо классического принципа разработки интегральных микросхем, т.е. с расчета отдельных их компонентов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и т.д.), стало общепринятым структурное проектирование крупных функциональных блоков информацион­ных устройств. Этот полностью автоматизированный процесс базируется на аппаратно-программных комплексах, в которых имеется вся необходимая информация о технологических нормах проектирования.

Таким образом, проектирование технологических процессов ведут специалисты, которые могут совершенно не знать технологии как таковой, ее физических средств и оборудования. Но результат проектирования — информация в виде программного обеспечения, записанная на со­ответствующих носителях. Она позволяет реализовать на практике техно­логию производства, например, тех же интегральных микросхем.

Вместе с тем технологи могут совершенно не знать строения, принци­пов действия устройств для записи и воспроизведения информации, но могут использовать полученную информацию для организации про­изводственного процесса. Таким образом, информация в виде, например, программного обеспечения служит связью между проектантами и техно­логами. Формируемый при этом адаптивный производственно-техноло­гический комплекс "воспринимает" внешний мир через готовые програм­мы-проекты и может перестраивать весь производственный цикл в зави­симости от требований потребителей.

Важнейшими предпосылками развития информационной технологии в сфере материального производства являются:

1) разработка новых технологических процессов, согласованных по температурным условиям и среде, принципам контроля и автоматизации;

2) создание физико-математических моделей и программ, которые мо­гут служить основой для проектирования и управления процессами про­изводства;

3) создание комплекса средств автоматической генерации програм­много обеспечения;

4) разработка автоматических устройств сбора информации и выдачи ее пользователю в удобном для него виде при максимальном облегчении общения с источником информации или ЭВМ;

5) создание развитой сети электронных средств обработки информа­ции, позволяющей обмениваться информацией различным пользовате­лям в автоматическом режиме.

Главным направлением развития информационной технологии на современном этапе является решение задачи автоматизации всего пути от формулировки проблемы пользователем до ее решения. Поэтому созда­ние новой технологии обработки информации на ЭВМ становится одной из центральных проблем создания искусственного интеллекта.

Вышеотмеченные требования заставляют внести в традиционную структуру ЭВМ новые компоненты.

На рисунке 12.1 показана обогащенная структура компьютера, способного подготовить программу решения задачи по словесному описанию ее условий.

Рис. 12.1. Обогащенная структура компьютера

Кроме собственно ЭВМ, в новом комплексе есть еще три блока:

процессор общения;

база знаний;

планировщик.

Эти три блока иногда объединяют под названием интеллектуальный интерфейс.

В задачу процессора общения входит перевод исходного текста задачи на внутренний язык системы. Этот же блок «переведет» потом результаты работы машины на понятный пользователю язык.

Планировщик строит рабочую программу по описанию условий задачи, полученному от процессора общения. Делает это он с помощью имеющейся базы данных. В ней записаны и описаны все необходимые сведения о способах решения задач в данной области. В базе данных хранятся стандартные программы, с помощью которых решаются типовые задачи, содержится другая нормативно-справочная информация. На основе базы данных планировщик «строит» нужную ему программу, которую и решает ЭВМ.

В сфере искусственного интеллекта выделяют три типа систем: интеллектуальные информационно-поисковые; экспертные; логические.

Интеллектуальные информационно-поисковые системы обладают обширным справочно-информационным фондом и способны отвечать на вопросы пользователя, даже если вопрос сформулирован неконкретно или проблемно.

Задача экспертных систем — накапливать опыт специалистов, рабо­тающих в плохо формализуемых областях: медицине, биологии, истории и т.д. При этом каждая конкретная экспертная система ориентирована на жестко фиксированную проблемную область. По сути дела — это автоматизированный справочник-советчик для специалиста.

Расчетно-логические системы умеют выполнять множество процедур, используемых в задачах проектирования, планирования, диспетчеризации и т.д.

Новая информационная технология с созданием интеллектуального интерфейса позволяет успешно решать проблему проектирования новой техники и технологии путем автоматизации перевода с предметного уровня на математический, с математического на предметный и наоборот. В результате мир компьютера объединяется с миром конечного пользователя и тем самым мы переходим к новой информационной технологии.

Особенно стремительным стало внедрение информационной технологии в последние годы в управленческой деятельности. Получила распространение концепция электронной конторы — учреждения, где практически все конторские, управленческие операции, включая сбор информации, ее анализ, подготовку управленческих решений и распоряжений, осуществляются с помощью электронной техники, на базе децентрализованной сети рабочих мест.

Концепция электронной конторы окончательно еще не сформировалась, и сейчас пока трудно сказать, сколь глубоким и всесторонним будет ее воздействие на принципы организации управленческого труда.

Электронное техническое оснащение контор обеспечивает прямое взаимодействие между людьми, не требуя их присутствия в одном помещении и даже в определенное время в рабочем здании. Благодаря электронным устройствам стираются грани между служебным и домашним временем. Очевидно, должно измениться общественное отношение к работе на дому или неполный рабочий день. Не исключено, что в XXI в. такой режим конторской работы станет весьма распространенным, а может быть, — даже основным.

Можно выделить восемь ключевых объектов автоматизации в важней­ших функциях управленческой деятельности: обработка текстовой инфор­мации; общение с помощью электронной почты; работа на персональных ЭВМ с соответствующими базами данных; запоминание и обработка голо­совой информации; электронное хранение документов; передача и обра­ботка факсимильной информации; дистанционные совещания; использо­вание общих систем связи. Можно сформулировать задачу и короче, вы­делив три важнейшие функции, подлежащие совместной и взаимосвязан­ной автоматизации: электронная связь, электронное хранение докумен­тов, электронное создание документов.

По предварительным оценкам, автоматизация работы служащих на промышленном предприятии может сократить конторские расходы при­мерно на четверть. По отдельным статьям расходов экономия может быть еще больше.

Если говорить о технике новых конторских технологий, то сердцевину ее составляет персональный компьютер (ПК), объединяющий в себе информационно-вычислительные ресурсы и средства для ввода и воспроизведения информации. ПК объединяются в сеть, они также могут быть подключены к централизованным средствам коллективного пользования, например, к центральным банкам данных: своеобразным «складам» или «библиотекам» большого числа сведений, необходимых для успешного функционирования этой и других электронных контор. В сущности, каждый персональный компьютер может иметь выход «наверх» — на информационную систему, действующую в рамках целой страны или даже международную (сеть Интернет), и «вниз» — получать информацию через систему датчиков непосредственно от работающего оборудования.

Следует подчеркнуть, что автоматизация работы служащих дает эффект при условии комплексности, когда автоматизируется деятельность конторы в целом. В принципе не столь уж сложно объединить в систему отдельные автоматизированные рабочие места. Но ряд фирм выпускает сейчас готовые комплекты оборудования и программного обеспечения, в том числе специализированные, например «электронную редакцию» — набор оборудования для редактирования текстов, составления макетов и т.д.

В последнее время в проектно-конструкторской деятельности начали находить применение так называемые компьютерные имитации, реализованные с помощью технологии виртуальной реальности.

В латинском языке слово virtus понимается как «возможный», «который может или должен проявиться»".

В основе системы, реализующей технологию виртуальной реальности, лежит компьютерная динамичная трехмерная модель какого-либо объекта реального мира, которая может воспроизводиться либо на экране дисплея, либо в специальных стереоскопических "очках", состоящих из двух миниатюрных экранов, вмонтированных внутри надеваемого на голову шлема, либо на экране во всю стену.

Принципиальным отличием компьютерных программ, создающих виртуальный мир, от традиционных систем компьютерной графики, передающих только зрительную информацию, является воздействие на несколько органов чувств одновременно: зрения, слуха, осязания. Кроме того, все системы виртуальной реальности интерактивно взаимодействуют с чело­веком и допускают «вмешательство» последнего в действие, разворачиваемое перед его глазами. Например, можно «дотронуться» рукой до объекта, существующего лишь в памяти компьютера, надев на руку специальную перчатку, начиненную соответствующими датчиками. С помощью ком­пьютерной мыши можно перевернуть имеющееся на экране изображение, осмотреть его с обратной стороны, попасть внутрь исследуемого объекта.

Такие системы в настоящее время используются при проектировании новых моделей автомобилей «Крайслер», создавая, например, эффект присутствия и езды человека на автомобилях, которых еще нет на самом деле. Системы виртуальной реальности позволяют наилучшим образом оптимизировать конструкции реактивных истребителей «Фантом», не прибегая к созданию дорогостоящих натурных макетов. Инженер, надев специальные очки, с помощью устройства, напоминающего компьютер­ную мышь, передвигает детали самолета с места на место, проверяя, удач­но ли соседствуют они друг с другом в виртуальном пространстве. Про­граммное обеспечение помогает избежать "столкновения" различных эле­ментов самолета при его проектировании.

Несомненную экономию дают принципы виртуальной реальности при подготовке персонала для работы на новом оборудовании, например, при освоении гибкой автоматизированной технологии, не говоря уже об обу­чении езде на автомобиле или имитации хирургической операции.

Технология виртуальной реальности используется при моделирова­нии динамики жидкостей и газов в физике, в моделировании химических опытов, индустрии развлечений, особенно играх, финансовом анализе, ге­ологических и географических науках, информационных системах, изоб­разительном искусстве, медицине, на телевидении, в образовании, метео­рологии и многих других отраслях и видах деятельности.

Лучшие экземпляры технологии виртуальной реальности представля­ют собой сложные системы, трансформирующие информацию в знание, которое и является наиболее ценным ресурсом человечества.

Таким образом, важнейшее значение использования информацион­ной технологии состоит именно в том, что она открывает пути прогресса без дальнейшего наращивания материально-энергетического потребления. Хотя обработка каждой единицы информации требует энергии, а хранение информации — вещества и пространства, эти затраты неизмеримо меньше затрат энергии, вещества и пространства, чем отображаемые этими информационными процессами события реального мира.

12.6. Общие сведения о программном управлении и его системах

Современная автоматизация расширяет интеллектуальные способности человека, освобождает его не только от необходимости непосредственно и постоянно участвовать в производственном процессе, но и бе­рет на себя часть функций, связанных с управлением и контролем процес­сов производства.

Для современного производства характерна его компьютеризация, или электронная автоматизация. Пронизывая все этапы создания и производ­ства продукта, компьютеризация означает совершенно новый подход к ор­ганизации современного производственного процесса.

Программное управление — управление режимом работы объекта по заранее заданному алгоритму (программе).

Программное управление технологическим оборудованием и процессами охватывает управление движением машин, механизмов, транспор­тных средств и изменением параметров технологического процесса.

К оборудованию с программным управлением относятся:

- автоматические линии (АЛ);

- станки с числовым программным управлением (ЧПУ);

- промышленные роботы;

- автоматизированные системы управления (АСУ);

- гибкие производственные системы (ГПС);

- системы автоматизированного проектирования (САПР).

Автоматическая линия — система основного и вспомогательного оборудования, автоматически выполняющая весь процесс изготовления или переработки продукции или ее составляющих.

Различают специальные автоматические линии, которые предназначе­ны только для обработки определенных изделий, специализированные ав­томатические линии, которые способны производить однотипную про­дукцию в некотором диапазоне параметров, универсальные автоматичес­кие линии, предназначенные для изготовления широкой номенклатуры однотипной продукции.

В отличие от гибких производственных систем автоматические линии не приспособлены к быстрому переходу на выпуск новой продукции и их применение наиболее целесообразно в условиях крупносерийного и мас­сового производства.

Станки с ЧПУ — разновидность технологического оборудования, снабженного микропроцессорным блоком, обеспечивающим автомати­ческое проведение режимов и последовательности обработки по опреде­ленной программе, а по мере необходимости — изменение режимов и последовательности обработки при изменении программы обработки в рамках технологических возможностей оборудования.

Исходная программа вводится в считывающее устройство станка, в котором исходные данные преобразуются в соответствующие командные импульсы, управляющие исполнительными механизмами оборудования. Как правило, станки с ЧПУ снабжаются соответствующими контроль­но-измерительными приборами, позволяющими следить за процессом об­работки и (в случае необходимости) его корректировать. Кроме того, современные станки с ЧПУ имеют соответствующие датчики, следящие за состоянием рабочих инструментов и исполнительных механизмов станка с целью обеспечения требуемого качества обработки (так называемая спо­собность к самоконтролю).

Несмотря на их достаточно высокую стоимость, станки с ЧПУ целесо­образно применять для мелкосерийного и индивидуального производ­ства. По сравнению с автоматическими линиями, работающими по одной программе, станки с ЧПУ универсальны, их переналадка, смена програм­мы обработки занимают считанные минуты.

Автоматизированная система управления (АСУ) — совокупность экономико-математических методов, технических средств (средств связи, устройств отображения информации и т.д.) и организационных комплексов, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом (процес­сом) в соответствии с поставленной целью.

Классическая АСУ состоит из основы и функциональной части. В ос­нову входят: информационная база, техническая база, математическое обеспечение, экономико-математическая база. К функциональной части относят набор взаимосвязанных программ, автоматизирующих конкрет­ные функции управления (оперативное планирование, финансово-бух­галтерская, маркетинговая деятельность и т.д.).

Основные типы автоматизированных систем управления:

- системы общезаводского управления, ориентированные на автомати­зацию функций управления предприятием (АСУП);

- системы управления технологическими процессами (АСУТП), образующие совместно с современным комплексом основных и вспомогательных агрегатов и машин автоматизированные технологические комплексы (АТК).

Основная тенденция развития автоматизированных систем — объединение локальных АСУ с целью создания интегрированных систем, в кото­рых сочетаются автоматизация решения экономических задач и задач административного управления с автоматизацией управления технологическими процессами, проектирования изделий и технологии.

Повышение научно-технического уровня и эффективности АСУ создало предпосылки для разработки систем боле высокого класса — многоуровневых интегрированных автоматизированных систем управления — ИАСУ.

ИАСУ включает в себя:

- АСУП (организационно-управленческая сторона производственной деятельности);

- АСУТП (технико-технологическая сторона производственной дея­тельности);

- САПР (конструкторско-технологическая сторона производственной деятельности).

Эти компоненты ИАСУ взаимосвязаны, образуют единый контур ор­ганизационно-экономического управления, управления технологически­ми процессами и процесса технической подготовки производства.

«Мозг» АСУ — это система быстродействующих ЭВМ. На ЭВМ возла­гаются функции информирования, справочные, советующие, а также фун­кции контроля за протеканием производственного процесса.

Система автоматизированного проектирования (САПР) представляет собой комплекс технических средств, программного обеспечения и работ­ников, осуществляющих диалоговую связь с ЭВМ с целью создания (про­ектирования) новых объектов.

В настоящее время в мире наиболее широкое применение получают следующие виды САПР:

однопроцессорные системы, в которых центральный процессор обеспечивает обслуживание всех задач пользователей при едином банке данных;

мультипроцессорные системы, в которых взаимодействие пользователей осуществляется через общую память и банк данных;

распределенные системы, в которых наряду с центральным процессором (базовой ЭВМ) и общим банком данных используются периферий­ные процессоры.

Кроме базовых ЭВМ, САПР комплектуются большим количеством периферийных устройств: ввода, отображения и редактирования символьной и графической информации; устройствами, предназначенными для автоматической подготовки и вывода технической документации; автоматизированными контрольно-диагностическими системами (тестерами), управляемыми программами САПР.

Для ввода больших объемов графической информации широко используются графические планшеты и кодировщики, позволяющие переводить данные с рисунков и чертежей в цифровой форме в память ЭВМ.

Отображение и редактирование графической информации обычно выполняются с помощью графических дисплеев. Графический дисплей позволяет представлять информацию, вводимую в ЭВМ и выводимую из нее, в виде схем, рисунков, чертежей, графиков с множеством цветовых от­тенков. Это улучшает восприятие, облегчает ввод сложной графической информации.

По назначению различают системы:

- автоматизированного проектирования конструкторского назначения;

- автоматизированного проектирования технологического назначения;

- комбинированные САПР.

К разрабатываемым и внедряемым САПР для машиностроительного производства предъявляются следующие основные требования:

- охват всего набора операций проектируемых технологических процессов;

- проектирование технологии обработки деталей различных классов (тела вращения, корпусные, штампованные и т.п.);

- проектирование операционных эскизов и операционных карт механи­ческой обработки с элементами нормирования;

- возможность работы в интерактивном режиме с применением дис­плейного комплекса;

- взаимодействие САПР с АСУП и ГПС.

Современные САПР отличаются высокой производительностью, боль­шим пакетом прикладных программ, способностью к объединению с дру­гими системами, портативностью и унификацией. Новейшие системы строятся по модульному принципу. Это повышает гибкость их использо­вания, улучшает адаптацию к новым задачам, облегчает поиск ошибок, делает возможным широкую стандартизацию элементов и дальнейшее расширение систем.

Основные преимущества использования САПР в производстве:

- ориентация на перспективные технологические процессы (например, лазерную технологию);

- обеспечение снижения затрат на проектирование;

- рост производительности труда проектировщиков;

- сокращение сроков технологической подготовки производства;

- повышение качества проектирования;

- сокращение численности персонала низкой квалификации.

Наибольшего эффекта от применения систем автоматизированного проектирования следует ожидать при комплексной автоматизации всех процессов создания документации на изделие, т.е. проектирования, кон­струирования и технологической подготовки производства.

12.7. Перспективы и обоснование применения прогрессивных технологий автоматизации

1. Комплексная автоматизация предполагает такую организацию производственных процессов, которая соответствует технологии производства, а также требованиям равно­мерного, непрерывного и интенсивного использования всей технологической системы без участия человека при стабильном качестве выпускаемой продукции. Комплексность авто­матизации проявляется в том, что она охватывает не только рабочие, но и вспомогательные элементы технологического процесса.

2. Гибкое автоматизированное производство позволяет за короткое время при минималь­ных затратах, на том же оборудовании, не прерывая производственного процесса и не оста­навливая оборудования, по мере необходимости переходить на выпуск новой продукции про­извольной номенклатуры.

3. Гибкая производственная система является высокоинтенсивной и трудосберегающей формой производства, она сравнима по производительности с автоматической линией, а по гибкости — с универсальным оборудованием. Как высший уровень автоматизации гибкое автоматизированное производство должно включать в себя полную автоматизацию про­ектирования и технологической подготовки производства.

4. Промышленные роботы эффективно включаются в автоматические линии, становятся частью гибких автоматизированных производств, способны быстро и без существенных зат­рат перестраиваться на производство изделий различных видов, приспосабливаться к изме­няющимся условиям производства. Представляя собой новый вид рабочей машины, роботы могут эксплуатироваться изолированно или целыми комплексами, управляемыми ЭВМ.

5. Главное направление комплексной автоматизации производственных процес­сов — не в замене человека при обслуживании известных машин и аппаратов, а в создании высокоинтенсивных технологических процессов и высокопроизводительных средств про­изводства, работающих без участия человека.

6. Роторная технология обработки или производства изделий характеризуется высокой степенью концентрации технологических операций за счет многопозиционной и малоинструментальной обработки, совмещенной во времени, непрерывным транспортированием обрабатываемых объектов, совмещенным с их технологической обработкой.

7. Невысокая степень гибкости роторных и роторно-конвейерных линий, необходи­мость остановки для переналадки при переходе на выпуск новой продукции ставит опре­деленные ограничения использования роторной технологии в серийном производстве.

8. Информационная технология создана для производства, передачи, отбора, трансфор­мации и использования информации в виде звука, текста, графического изображения и цифровой информации. В основе данных систем используются компьютерные и телеком­муникационные технологии (базирующиеся на микроэлектронике), которые в свою оче­редь могут использоваться совместно с другими видами технологий для усиления конечно­го эффекта. Важнейшее значение использования информационной технологии состоит именно в том, что она открывает пути прогресса без дальнейшего наращивания материаль­но-энергетического потребления.

9. Технологическими средствами реализации информационной технологии являются быст­родействующие ЭВМ на микропроцессорной основе (информационная техника), соединенные между собой устойчивыми каналами связи (например, на оптоэлектронной основе), позволяю­щими эффективно обмениваться необходимой информацией. Инструментальными средства­ми информационной технологии является программное и математическое обеспечение.

10. Главным направлением развития информационной технологии на современном этапе является решение задачи автоматизации всего пути от формулировки проблемы пользователем до ее решения. Поэтому создание новой технологии обработки информации на ЭВМ становится одной из центральных проблем создания искусственного интеллекта.

11. Концепция электронной конторы подразумевает такое учреждение, где практически все конторские, управленческие операции, включая сбор информации, ее анализ, подго­товку управленческих решений и распоряжений, осуществляются с помощью электронной техники, на базе децентрализованной сети рабочих мест.

12. В основе системы, реализующей технологию виртуальной реальности, лежит компьютерная динамичная трехмерная модель какого-либо объекта реального мира. Принципиаль­ным отличием компьютерных программ, создающих виртуальный мир, от традиционных систем компьютерной графики, передающих только зрительную информацию, является од­новременное воздействие на несколько органов чувств: зрения, слуха, осязания.

ЛЕКЦИЯ 13 ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

13.1. Основы прогрессивных технологий

1. Большое значение замены металлов и других традиционных конструкционных материалов на композиты состоит в том, что вместо ограниченного числа материалов с постоянными и практически неизменными свойствами появляется возможность применять большее число новых материалов с заранее заданными свойствами, определяемыми сферой использования изделия.

2. Технология порошковой металлургии позволяет решать две задачи:

- изготовление материалов и изделий с обычными составами, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях их производства;

- изготовление материалов и изделий с особыми свойствами, составом, структурой, которые недостижимы для других способов производства.

3. Электрические методы обработки осуществляются с помощью электрической энергии, вводимой либо непосредственно в зону обработки, либо при предварительном специальном преобразовании ее вне рабочей зоны в световую, акустическую, магнитную и другие виды энергии.

4. По характеру воздействия электрического тока на предмет обработки все электрические методы обработки условно подразделяют на две большие группы:

- электрофизические (ЭФ) методы, основанные на тепловом или механическом действии электрической энергии;

- электрохимические (ЭХ) методы, основанные на химическом действии электрического тока.

5. Электроэрозионная обработка основана на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, кото­рая выделяется в канале электроискрового заряда между поверхностью обрабатываемой де­тали и электродом-инструментом, погруженным в жидкую непроводящую среду. Электро­эрозионный способ позволяет обрабатывать токопроводящие материалы любой механиче­ской прочности, вязкости, хрупкости, получать детали сложной формы и осуществлять опе­рации, невыполнимые другими методами.

6. В промышленности электролиз применяется в основном для анодного растворения металлов или их катодного осаждения из растворов и расплавов.

7. Уникальные свойства лазерного излучения - строгая одноцветность лучей огромной мощности (монохроматичность), согласованность колебаний электромагнитных волн (вы­сокая когерентность), острая направленность светового излучения — обеспечили широкое внедрение лазеров в различных отраслях деятельности: в промышленности, сельском хо­зяйстве, медицине, научно-исследовательской практике.

8. В настоящее время разработаны следующие технологические процессы с использова­нием мощных лазеров: лазерная поверхностная термообработка; лазерная сварка; лазерная размерная обработка; измерительная лазерная технология; лазерная интенсификация хи­мических реакций.

9. Технологическое использование ультразвуковых колебаний осуществляется по сле­дующим направлениям: силовое воздействие на материал; интенсификация технологичес­ких процессов; ультразвуковые методы контроля.

10. Плазменная технология основана на обработке сырья и полупродуктов концентрированными потоками энергии - плазмой, ионизированным газом, находящимся при тем­пературе 8000—10000 °С.

11. Мембранная технология представляет собой процесс разделения веществ через полупроницаемую перегородку, отличающийся высокой энерго- и ресурсоэкономичностью, простотой аппаратурного оформления, экологической чистотой. По механизму мембранного действия различают диффузионные, адсорбционные и ионообменные мембраны.

12. Целью радиационно-химической технологии является разработка методов и устройств для наиболее экономичного осуществления с помощью ядерного излучения физических, химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем.

13.2. Основы технологии производства композиционных материалов

Композиционные материалы (КМ), или композиты, — это искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов (фаз), соединяемых между собой физико-химическими связями.

Большое значение замены металлов и других традиционных конструкционных материалов на композиты заключается в том, что вместо ограниченного числа материалов с постоянными и практически равными во всех направлениях свойствами появляется возможность применять большее число новых материалов со свойствами, различающимися в разных направлениях (анизотропия свойств КМ). Само создание изделий из КМ является примером единства конструкции и технологии, поскольку материал, спроектированный конструктором, образуется одновременно с изделием при его изготовлении и свойства КМ в значительной мере зависят от параметров технологического процесса.

В общем случае в композиционных материалах четко выражены различия в свойствах компонентов. Одним из этих компонентов является арматура, или наполнитель, а вторым — связывающая их матрица.

Матрица в КМ выполняет функцию среды, в которой распределен наполнитель. Последний в КМ воспринимает основные напряжения, возни­кающие в композиции при действии внешних нагрузок, придавая ей про­чность и жесткость в направлении ориентации волокон. Работоспособ­ность композита обеспечивается как правильным выбором и сочетанием матрицы и наполнителя, так и рациональной технологией их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между ними.

В качестве матрицы в КМ используют эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и другие смолы, алюминий, магний, титан, никель, жаропрочные сплавы, керамику, углерод различной модификации.

КМ получают общее название по типу материала матрицы.

КМ с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической — металлическими (МКМ), с углеродной — углеродными (УКМ) и т.д.

Формирование деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) может осуществляться методами как присущими формированию изделий из полимеров (литье под давлением, экструзия, прессование и др.), так и специальными (намотка и др.), присущими только данному классу материалов.

Намоткой называют процесс формирования, при котором заготовки получают укладкой по заданным траекториям формирующего наполнителя (нитей, лент, тканей), обычно пропитанного полимерным связующим, на вращающиеся технологически оправки. Оправки имеют конфигурацию и размеры, соответствующие внутренним размерам изготавливаемой детали. Формирование завершается отвердением. Намоткой изготавливают конструкции, имеющие форму тел вращения или близкую к ней: трубы, баки, емкости, короба, стержни и т.п.

В металлических композиционных материалах (МКМ) матрицей являются металлы и их сплавы, а арматурой — металлические и неметаллические волокна.

Технологическую схему производства изделий из МКМ можно представить следующим образом:

1) очистка поверхности волокон и матрицы;

2) объединение волокон матрицы;

3) получение МКМ методами пластической деформации, порошковой металлургии, литья либо комбинацией этих методов.

Наиболее производительный способ производства листовых, ленточных МКМ — прокатка.

Жидкофазный метод предусматривает получение МКМ совмещением армирующих волокон с расплавленной матрицей.

Изготовление МКМ методами осаждения-нанесения состоит в нанесе­нии на волокна различными способами (газофазными, химическими, электролитическим, плазменным) матричного материала и заполнение им межволоконного пространства.

Наиболее широкое применение получили методы газотермического (обычно — плазменного) напыления и электролитического осаждения.

При плазменном нанесении покрытий материал матрицы в виде порошка или проволоки подводится к плазменной струе, расплавляется и, подхваченный потоком плазмообразующего газа (например, аргона), направляется к поверхности изделия. Двигаясь с большой скоростью (150 м/с) частицы материала при ударе о поверхность подложки (металлическая фольга) прочно соединяются с уложенными на ней определенным образом волокнами. Полученный МКМ требует дальнейшей обработки давлением.

Керамические композиционные материалы (ККМ) есть материалы, в ко­торых матрица состоит из керамики, а арматура — из металлических или неметаллических наполнителей.

Керамические материалы характеризуются высокими температурами плавления, высокой стойкостью к окислению. Армируя их металлически­ми углеродными или керамическими волокнами, достигают значительно­го улучшения физико-механических свойств материала. Для получения ККМ используют преимущественно методы порошковой металлургии, гидростатическое и горячее прессование, шликерное, вакуумное литье и другие методы.

ККМ с металлическими волокнами. Обычно это волокна вольфрама, молибдена, стали, ниобия. Основная цель такого армирования — образование пластической сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевременного разрушения. Такие ККМ изготавливают горячим прессованием. Широкое применение металлических волокон ограничивается их низкой стойкостью к окислению при высоких температурах.

ККМ с углеродными волокнами. Взаимодействие углерода с оксидами, карбидами, силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами. Поэтому использование таких ККМ в качестве высоко температурных является перспективным. Из углекерамических КМ наиболее широко исследованы композиты со стеклянной матрицей.

Материалы типа «Керамика — керамика» имеют большую перспекти­ву, так как у них малое различие модуля упругости матрицы и наполните­ля, коэффициентов термического расширения. Они имеют химическую стойкость, возможность работы при температуре до 2000 °С.

Углерод-углеродные КМ (УУКМ) представляют собой углеродистую или графитовую матрицу, армированную углеродным или графитовым волокном.

Основные достоинства УУКМ: высокая теплоемкость, малая плот­ность, стойкость к тепловому удару и облучению, высокие характеристи­ки прочности и жесткости при обычной и повышенной температуре, низ­кий коэффициент термического расширения.

Типовым материалом для матриц служат смолы (фенольные, эпоксид­ные и др.), каменноугольный пек — продукт крекинга угля.

Для получения УУКМ используются три способа:

1) пропитка смолой волокнистого каркаса и карбонизация;

2) осаждение углерода из газовой фазы между волокнами каркаса;

3) сочетание пропитки и карбонизации с осаждением углерода из газовой фазы.

Области применения ПКМ.

Стеклопластики — самые дешевые из всех ПКМ, поэтому их применение оправдано в серийном и массовом производстве. В судостроении — это корпуса лодок, катеров, речных и морских судов; в строительстве и химической промышленности — строительные панели, воздуховоды, реакционные аппараты, различные емкости, химически стойкие и прочные трубы, корпуса насосов, вентиляторов и т.д.; на автомобильном и железнодорожном транспорте — кабины грузовиков, баки для горючего, цистерны для перевозки жидких и сыпучих грузов, приборные панели и многое другое.

Органопластики имеют низкую плотность, высокую прочность, жесткость, влагостойкость, химическую стойкость. Диэлектрические и тепло-физические свойства определили их применение в качестве материалов электро- и коррозийностойкого, фрикционного назначения, а также в производстве спортинвентаря.

Углепластики применяют в автомобильной промышленности, авиационной технике, химической промышленности, производстве спортинвентаря. Биологическая совместимость углеродного волокна с тканями позволяет использовать углепластики для протезирования, в медицинских приборах.

Боропластики применяют из-за их высокой стойкости, прочности и жесткости в основном в авиационной и ракетно-космической технике.

МКМ используют в таких областях, где они должны находиться в агрессивных средах, при статических, циклических, ударных, вибрационных нагрузках. Наиболее эффективно применение МКМ в таких конструкциях, особые условия эксплуатации которых не допускают применения традиционных материалов.

Следует отметить, что области применения композитов практически неограниченны, и в ближайшие годы надо ждать их широчайшего внедрения.

13.3. Место порошковой металлургии в современном производстве. Технология порошковой металлургии.

Одним из основных направлений технологии машиностроения в настоящее время является разработка таких прогрессивных технологических процессов производства конструкционных материалов которые обеспечивают получение заготовок с минимальными припусками на последующую механическую обработку либо вообще без нее при постоянном снижении расхода дефицитных материалов В решении этой проблемы определенная роль принадлежит порошковой металлургии.

Порошковая металлургия — это отрасль техники, включающая изготовление порошков из металлов и их сплавов и получение из них заготовок изделий без расплавления основного компонента. Методами порошковой металлургии можно создавать материал из различных компонентов с резко отличающимися свойствами комплексом физико-механических свойств. Порошковая металлургия используется как для создания принципиально новых материалов, так и для производства номенклатуры конструкционных деталей общего назначения.

В настоящее время расширяется сфера применения порошковой металлургии в различных областях промышленности, совершенствуется ее технология. Относительно небольшие производственные расходы на получение изделий из порошковых материалов сочетании с возможностью придания им заданных свойств, окончательной формы и размеров практически без проведения мехам ческой обработки выдвинули порошковую металлургию в ряд более эффективных и перспективных технологий. Эта технологи успешно конкурирует с литьем, обработкой давлением, резанием и другими методами обработки металлов, дополняя или замени их. Ежегодные темпы роста производства порошковых изделий в США, ФРГ, Японии и других странах составляют 15…20 %. Это соответствует тому, что через каждые 5...6 лет объем производств изделий из порошковых материалов удваивается.

Порошковая металлургия, относящаяся к одной из наиболее молодых отраслей современной техники, является в то же время древнейшим способом производства металлов и изделий из них Известно, что уже в глубокой древности (до нашей эры) порошки золота, меди и бронзы использовались для декоративных целей. Способы получения температур, достаточных для расплавление чистого железа отсутствовали, и изготовление заготовок осуществляли методом порошковой металлургии, так называемым кричным методом. С появлением доменного производства изготовление изделий методами порошковой металлургии временно прекратилось.

В 1826 г. русские ученые П. Г. Соболевский и В. В. Любарский изготовили первые промышленные изделия, применив прессование и спекание платинового порошка. Ими было организовано также производство монет из платины, тиглей и других изделий. Аналогичный способ получения компактной платины англичанин У. X. Волластон предложил только спустя три года. Именно русским ученым принадлежит заслуга возрождения порошковой металлургии и превращения ее в особый технологический метод обработки металлов. Однако развитие печной техники в начале XIX в. привело к освоению производства изделий из платины литьем, и порошковая металлургия вновь незаслуженно была забыта.

Лишь в начале XX в., когда бурное развитие электротехники вызвало необходимость в новых материалах, получить которые известными способами было невозможно, опять обратились к технологии изготовления изделий методами порошковой металлургии. Это привело к ее новому возрождению, дальнейшему развитию и активному внедрению в производство. В 30-х годах было начато производство магнитных и контактных материалов, самосмазывающихся подшипников, твердых сплавов и т. д.

Освоение технологии производства различных порошков позволило вести исследования в области порошковых конструкционных материалов. Наряду с проведением технологических разработок создавались теоретические основы порошковой металлургии.

В СНГ работает множество научно-исследовательских организаций и специализированных промышленных производств, занимающихся проблемами порошковой металлургии. Среди них ведущими являются Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии (ЦНИИчермет), Белорусский Республиканский научно-производственный концерн порошковой металлургии и другие организации.

Технологический процесс производства порошковых изделий и области их применения заключается в получении порошка исходных материалов, состоящих из шихты, прессования порошков и спекания изделий. Каждая из указанных операций вносит свой существенный вклад в формирование исконных свойств порошковых изделий. На практике возможны отклонения от приведенной типовой технологической схемы получения порошковых материалов, которые могут выражаться в совмещении операций прессования и спекания (горячее прессование), спекания свободно насыпанного порошка (отсутствует операция уплотнения), проведении дополнительной обработки (калибрование, механическая и химико-термическая обработка) и др. Методами порошковой металлургии получают: твердые сплавы для изготовления режущего, бурового инструмента, а также деталей, подвергающихся интенсивному изнашиванию; высокопористые материалы для изготовления фильтров, используемых для очистки жидкостей от твердых включений, воздуха и газа, от пыли и т. д.; антифрикционные материалы для производства подшипников скольжения, втулок, вкладышей и других деталей, работающие в тяжелых условиях эксплуатации; фрикционные материалы для получения деталей узлов трен сцепления и тормозных систем машин; жаропрочные и жаростойкие материалы для производства изделий, работающих в условиях высоких температур и в сил агрессивных газовых средах; материалы сложных составов (псевдосплавы) для изготовления электрических контактов, которые получить другими способами не возможно; магнитные материалы для изготовлении постоянных магнитов, магнитоэлектриков, ферритов и т. д.

Получение металлических порошков является важнейшей задачей технологического процесса изготовления деталей из порошковых материалов, от которой зависят их основные свойства.

В настоящее время существуют различные методы изготовления порошков, каждый из которых обеспечивает определенные характеристики. Металлические порошки различаются как по размерам (от долей микрометра до долей миллиметра), так и по форме и состоя­нию поверхности частиц.

Все известные способы производства порошков условно разде­ляют на механические и физико-химические.

Механические методы получения порошков — дробле­ние и размол, распыление, грануляция — характеризуются перера­боткой материалов в порошок практически без изменения их химического состава.

Физико-химические методы - восстановление, терми­ческая диссоциация карбонильных соединений - отличаются тем, что получаемый порошок по химическому составу существенно отличается от исходного материала.

Иногда с целью повышения экономичности процесса или улучшения характеристик материала применяют комбинированные методы получения порошков. Так, при распылении расплавленный металл сначала гранулируют, а затем отжигают в защитной среде водорода. При электролизе получают плотные, но хрупкие продукты, которые затем размалывают.

Наибольшее промышленное распространение получили методы изготовления порошков путем восстановления оксидов и других соединений металлов, распыления и др.

В США, Японии, Англии и Италии, являющихся крупными производителями и потребителями металлических порошков, около 55 % их производят методом восстановления, а остальную часть методом распыления.

Механические методы получения порошков основаны на измельчении частиц материала путем разрушения их под действием внеш­них нагрузок, преодолевающих внутренние силы сцепления в материале.

Механическое измельчение дроблением, размолом или истиранием целесообразно применять при производстве порошков хрупких металлов и сплавов: бериллия, сурьмы, хрома, марганца, ферросплавов и др. Размол пластичных металлов затруднен, так как под действием внешних нагрузок они в основном деформируются, а не размельчаются.

Дробление металлов производят в щековых, валковых, конусных дробилках и бегунах. Продукты дробления — частицы размером 1...10 мм. Они являются исходным материалом для последующего измельчения в ша­ровых вращающихся, вибрационных или планетарных центробежных, вихревых и молотковых мельницах.

Недостатками механических методов получения порошков является загрязнение последних продуктами истирания шаров и барабана, их высокая стоимость и относительно низкая производительность процессов.

Получение порошка методом распыления связано с распылением расплавленной струи металла в среде воздуха, инертных газов или при ударах лопаток вращающегося диска. Распылением получают порошки алюминия, свинца, цинка, олова, никеля, латуни, чугуна, железа и др.

Метод грануляций состоит в том, что расплавленный металл льют в жидкость. Частицы порошка, полученного этим способом, имеют размер 0,05...0,35 мм и форму, близкую к сферической.

Одним из физико-химических методов получения порошков является восстановление оксидов и других соединений металлов.

Под восстановлением в порошковой металлургии понимают процесс получения металлов из их химических соединений путем отнятия неметаллической составляющей (кислорода и других элементов) при помощи восстановителя.

Методом восстановления получают порошки кобальта, вольфрама, молибдена, титана, меди, железа и других металлов. В качестве восстановителей применяют газы (водород, конвертерный, доменный, коксовый и др.) или твердые вещества (углерод, магний). Получение металлических порошков восстановлением является наиболее распространенным, высокопроизводительным и экономичным из рассматриваемых методов. В нашей стране разработан метод совместного восстановления смесей оксидов с металлическими порошками гидридом кальция. Этим способом получают порошки высоколегированных сталей и сплавов, обладающие рядом уникальных и ценных для промышленности свойств.

Электролиз водных растворов и расплавленных сред заключается в разложении водных растворов соединений выделяемого металла или расплавленных солей ори пропускании через них постоянного электрического тока. Этим способом получают порошки олова, серебра, меди, железа, а также порошки редких металлов (тантала, тория, ниобия, циркония и др.) с дендритной формой частиц. Порошки отличаются высокой чистотой и хорошей прессуемостью вне зависимости от степени чистоты исходного сырья. Стоимость порошков высока из-за больших затрат электроэнергии и низкой производительности процесса.

Методом диссоциации карбонильных соединений получают высококачественные дисперсные порошки железа, никеля, кобальта и других металлов со сферической формой частиц. Способ основан на способности металла при определенных условиях (высокое давление, повышенная температура) образовывать с оксидом углерода специфические химические соединения, называемые карбонитами. Карбониты неустойчивы при обычных условиях и легко разлагаются при нагревании до 200, ..300 ˚С с образованием тонкого порошка металла и оксида углерода.

Метод гидрогенизации основан на свойстве металлов резко повышать свою абсорбционную активность при нагреве до высоких температур. Измельчаемый губчатый металл загружают в реактор, через который пропускают водород. При нагреве до определенной температуры (300.. .800 °С) происходит активное поглощение металлом водорода, в результате чего он становится хрупким и растрескивается. Порошок получают путем размола губки одним из механических способов и подвергают дегидрогенизации в вакууме при температуре около 800 ˚С. Данным методом получают порошки редких металлов: титана, урана, циркония и др. Недостаток способа - высокая хрупкость и низкая пластичность частиц порошков.

Металлические порошки характеризуются технологическими, физическими и химическими свойствами, основные из которых рег­ламентируются ГОСТами и техническими условиями.

Под формованием заготовок из порошковых материалов следует понимать процесс получения заготовок требуемых форм и размеров, а также достаточной прочности для последующего изготовления из них изделий. Формование предполагает уплотнение порошка. Процесс уплотнения порошкового материала в отличие от деформирования компактного металла сопровождается значительным изменением объема прессуемого тела.

На начальной стадии уплотнение происходит за счет относительного перемещения частиц порошка и их более плотной упаковки, на последующих этапах - в результате упругой и пластической деформации частиц или их хрупкого разрушения (в зависимости от свойств деформируемых порошков). Прочность заготовки с повышением давления прессования увеличивается и обеспечивается за счет механического сцепления частиц и сил межатомных и межмолекулярных связей.

Обычно перед формованием производят подготовку порошков, заключающуюся в их отжиге, классификации и приготовлении.

Отжиг применяют с целью повышения пластичности и прессуемости порошков за счет восстановления остаточных оксидов и снятия остаточных напряжений.

Классификация — разделение порошков на фракции по разме­рам частиц. Разделение осуществляют с помощью сит либо воздушных сепараторов.

Приготовление шихты производят в мельницах, смесителях и др. Для этого дозированные порции компонентов определенного гранулометрического и химического состава смешивают в указанных устройствах, добавляя в случае необходимости различные технологические присадки: пластификаторы, облегчающие процесс прессования; легкоплавкие присадки, улучшающие спекание; летучие вещества для получения изделий с заданной пористостью. При смешивании порошков материалов, резко различающихся по своим свойствам (например, железа и графита), в целях получения наиболее однородной смеси применяют добавки спирта, бензина, глицерина и др.

Прессование в стальной пресс-форме (рисунок 13.1) является наиболее распространенным способом получения заготовок. Пуансон 1 передает давление на порошок 2, помещенный в пресс-форму 3, и порошок уплотняется.

Рис. 13.1. Схема прессование в стальной пресс-форме:

а - одностороннее, б - двустороннее

Одним из основных недостатков формования в пресс-формах является возникновение сил трения порошка о стенку матрицы (пресс-формы). Это вызывает неравномерное распределение плотности (прочности) по высоте заготовки, особенно если высота значительно превышает ее диаметр.

На практике снижение трения порошка о стенку матрицы, а следовательно, улучшение условий процесса прессования достигается одним из них, например, является замена одностороннего приложения давления (рисунок 13.1, а) на двустороннее (рисунок 13.1, б). В последнем случае два пуансона движутся навстречу друг Другу. Это приводит к более равномерному распределению плотности по высо­те заготовки и снижению давления прессования на 30...40 %. Поэтому изделие с более сложной конфигурацией изготавливают двусторонним прессованием. Уплотнение производят на гидравлических или механических прессах, давление прессования составляет 200...1000 МПа в зависимости от свойств порошка и назначе­ния изделия. Детали пресс-форм выполняют из высокоуглеродистых легированных сталей (инструментальных сталей), твердых сплавов. Стойкость стальных пресс-форм составляет 1...50 прессовок, пресс-форм из твердых сплавов - до 500 тыс. прессовок.

Динамическое прессование - это формование заготовок с использованием импульсных нагрузок, отличающееся высо­кой скоростью их приложения. В качестве источника энергии используют: взрыв заряда взрывчатых веществ, импульсное магнитное поле, сжатый газ и т. д. Высокоскоростное прессование в настоящее время используется при изготовлении высокоплотных крупногабаритных заготовок из труднодеформируемых металлических порошков и порошков керамических материалов.

Только прессованием порошка получить изделие достаточной прочности невозможно. На поверхности частиц порошка образуют­ся оксиды и всегда есть загрязнения, препятствующие возникно­вению металлических контактов. В силу упругих свойств частиц порошка велико их сопротивление деформированию. Поэтому для повышения прочности и твердости изделий заготовки подвергают спеканию.

Операция спекания состоит в нагреве и выдержке заготовок при температуре, составляющей 0,7...0,8 от абсолютной температу­ры плавления основного компонента спекаемой композиции. Сред­няя продолжительность выдержки составляет 1...2 ч.

При спекании заготовок протекают такие сложные физико-химические процессы, как диффузия, восстановление поверхностных оксидов, рекристаллизация. Между частицами порошка возникают металлические контакты, а прочность их сцепления иногда достигает прочности сцепления кристаллов компактных металлов. Спекание сопровождается обычно некоторым уплотнением заготовок - усадкой, которая зависит от дисперсности исходного порошка, тем­пературы и продолжительности спекания. При спекании снимаются остаточные напряжения в заготовках, изменяются их физические свойства и улучшаются механические характеристики. Для предотвращения окисления частиц порошка спекание проводят в ваку­уме или в защитной атмосфере (водорода, оксида азота, генератор­ного газа и др.).

Различают спекание в твердой и жидкой фазах. Спекание в твердой фазе производится при температуре, меньшей температуры плавления компонентов смеси, при спекании же в жидкой фазе - при температуре, превышающей температуру плавления одного или нескольких компонентов исходного материала. Спекание в жидкой фазе позволяет получать более плотные изделия за счет активизации капиллярных явлений, приводящих к закрытию пор.

Процесс спекания заготовок в зависимости от температурного режима условно делят на три этапа. На первом этапе (до 150 °С) наблюдается некоторое увеличение прочности и незначительная усадка заготовки, что объясняется испарением адсорбированной воды с поверхности частиц. Происходит увеличение электросопротивления и интенсивная релаксация остаточных напряжений в заготовке. Второй этап характеризуется дальнейшей релаксацией упругих напряжений, что вызывает изменение площади контактов и уменьшение плотности заготовок. На третьем этапе (при температурах, несколько больших температур рекристаллизации для данного металла) происходит сглаживание свободных и контактных поверхностей частиц, контакты между сросшимися зернами расширяются и становятся металлическими вследствие высоких скоростей диффузии и окончательного восстановления оксидов.

Нагрев заготовок при спекании осуществляют в печах различного типа, работающих периодически или непрерывно. Печи периодического действия применяют при небольшом выпуске порошков.

При необходимости порошковые изделия подвергают отделочным операциям: калиброванию, обработке резанием, термической и химико-термической обработке, повторному спеканию, повторному прессованию.

Применение методов порошковой металлургии для изготовления изделий позволяет достигать высокой производительности труда и значительной экономии средств в народном хозяйстве страны. Экономия достигается за счет получения изделий высокой прочности, рационального использования металла, снижения его потерь, повышения качества изделий, создания новых прогрессивных деталей и др.

Если обычное изготовление деталей на металлорежущих стан­ках сопровождается потерями до 20...80 % металла, связано с необходимостью выполнения большого числа технологических операций и значительными трудозатратами, то получение изделий методами порошковой металлургии отличается тем, что при числе операций 3...S отходы металла составляют всего 5...10%. Кроме того, производство порошковых изделий сосредоточено в основном на одном предприятии, не требует большого станочного парка и высокой квалификации рабочих. Изготовление деталей обычного состава методами порошковой металлургии дает возможность уменьшить по сравнению с обработкой резанием удельный расход металла в 3...5 раз, трудозатраты - в 2...8 раз, себестоимость изготовления деталей -в 1.5...3 раза и повысить производительность труда в 1.5...2 раза.

Образующиеся на машиностроительных заводах при обработке деталей из различных металлов резанием отходы в виде стружки и шлама представляют собой хорошее сырье для производства различных деталей машин и приборов. В основном около 50 % стружки, спрессованной в брикеты или. пакеты, используется в сталеплавильном производстве. Часть стружки перерабатывается в порошок, В нашей стране разработана технология измельчения стружки путем размола ее в мельницах в среде жидкого азота. Изделия, изготовленные из отходов методами порошковой металлургии, обладают в ряде случаев более высокой стойкостью, чем детали, полученные по обычной технологии.

Шлам, получающийся в результате отделочной обработки заго­товок, является также ценным сырьем для порошковой металлур­гии. Так, отходы шлифования деталей шарикоподшипникового производства после их сушки и просева составляют основу для изготовления фрикционных дисков, работающих в условиях тяже­лых нагрузок. Порошок, полученный из отходов после опиловки и обкатки подшипниковых шариков, может быть использован для изготовления конструкционных деталей общего назначения и т. д.

Многие изделия, изготовленные методами порошковой металлургии, обладают более высокими качествами, чем изделия, полученные традиционными методами. Так, стойкость инструмента из порошка быстрорежущей стали в 3...4 раза больше стойкости инструмента из литой стали.

Эффективность порошко­вой металлургии повышается в условиях массового производства изделий. Так, в массовом производстве при изготовлении 1 тыс. т деталей методами порошковой металлургии экономится около 1,3 млн. рублей, свыше 2000 т стали, высвобождается более 200 рабочих и 50 металлорежущих станков. С увеличением объема выпуска снижается по сравнению с себестоимостью литых заготовок.

Предполагается дальнейшее развитие теории и практическое применение методов порошковой металлургии.

13.4. Новые методы обработки материалов

Постепенно расширяется применение прогрессивных базовых технологий и будет обеспечивается широкое внедрение в промышленность принципиально новых технологий, в том числе электронно-лучевых, лазерных, плазменных, импульсных, мембранных, которые позволяют многократно повысить производительность труда, поднять эффективность использования ресурсов и снизить энерго- и материалоемкость производства. Рассмотрим некоторые из них.

Лазер представляет собой источник мощного светового монохроматического излучения. Слово «лазер» составлено из начальных букв английской фразы «light amplification by stimulated emission of radiation». В переводе на русский язык она означает «усиление света в результате вынужденного излучения». В советской литературе термин «лазер» употребляется в смысле «оптический квантовый генератор». Лазеры делятся на твердотельные (монокристаллы рубина); газовые, работающие на смеси углекислого газа с азотом; полупроводниковые и жидкостные. В промышленном производстве в основном используются твердотельные и газовые лазеры.

В последнее время они нашли применение в технологических процессах резки различных материалов (фанеры, пластиков, бумаги, картона, стекла, керамики, тканей и др.), сварки металлов, их упрочнения и закалки, выполнения отверстии в твердых сплавах, алмазах и т. д. Благодаря направленности и высокой концентрации энергии лазерного луча удается выполнять технологические операции, вообще не выполнимые каким-либо другим методом.

Лазеры имеют мощность непрерывного излучения до нескольких сотен киловатт и энергию отдельного импульса до нескольких сотен джоулей. Однако при этом они:

- имеют сравнительно большие геометрические размеры;

- потребляют значительную мощность;

- сложны в изготовлении и эксплуатации.

В настоящее время хорошо распространены следующие технологические процессы с использованием мощных лазеров:

- лазерная поверхностная термообработка;

- лазерная сварка;

- лазерная размерная обработка;

- измерительная лазерная технология;

- лазерная интенсификация химических реакций.

Основные методы лазерной обработки, различающиеся режимами про­ведения технологического процесса обработки, приведены на рисунках 13.2 и 13.3.

Рис. 13.2. Основные технологические процессы лазерной обработки

Рис. 13.3. Режимы лазерной обработки при различных видах воздействия лазерного излучения на поверхность:

q — интенсивность излучения, Вт/см²;

ε - уровень удельной энергии, Дж/см²;

τ — время воздействия, с

Широкое применение лазеры получили в медицине и биологии. На их основе созданы различные установки и инструменты.

Использование лазера дает значительный эффект. Так, например, с помощью лазерного луча можно выполнять отверстия диаметром 0,03...3 мм и глубиной в несколько миллиметров. При этом производительность лазерной установки составляет около 60 отверстий в минуту. С помощью лазера сваривают интегральные схемы, детали приборов точной механики, миниатюрные детали различных изделий и др. Лазерная сварка позволяет повысить произ­водительность труда в 3...5 раз по сравнению с обычным способом сварки. По расчетам специалистов, организация и внедрение в на­шей стране централизованного раскроя тканей с использованием лазерных установок позволит получать экономию около 300 млн. рублей в год.

Плазма - это частично или полностью ионизированный газ, обладающий практически одинаковой плотностью положительных или отрицательных зарядов. Плазма может быть низкотемпературной (порядка 105 ˚С) и высокотемпературной (106...108 °С). Низкотемпературная плазма получила более широкое применение в технологических процессах промышленных производств. В СССР созданы плазмотроны мощностью от 100 В до 10000 кВ для устройства для напыления порошковых металлов и их соединений. Использование их дает значительный эффект. Известно, что лопасти гребных винтов различных судов изготовляют из дорогостоящей легированной стали. Была разработана технология плазменного напыления износостойкого порошка на поверхности лопастей, изготовленных из недорогой стали. Винты, полученные таким образом, относительно дешевы, а служат в несколько раз дольше, чем выполненные из легированной стали. На промышленных предприятиях нашей страны применяют плазменно-механиче­скую обработку металлов, суть которой состоит в разупрочнении поверхности заготовок перед резанием. Это дает возможность повы­сить скорость обработки и увеличить толщину снимаемой стружки. Установлено, что внедрение плазменно-механического метода обработки марганцовистых сталей способствует повышению производи­тельности труда в 4..10 раз, а титановых сплавов в 15 раз.

С помощью плазмотронов можно перерабатывать хлорорганические отходы, которые до сих пор выбрасывались. Из них можно получать новые вещества, необходимые для различных отраслей. Плазменная технология связывается с появлением металлобетонов, где в качестве связующего вещества используют сталь, чугун, алюминий, свинец и т. д. Раньше это было сделать невозможно из-за слабого контактного сцепления между металлом и минеральным наполнителем. Плазменная же технология позволяет производить быстрое поверхностное оплавление частиц горной породы, что обес­печивает хорошую совместную работу металла и минерального на­полнителя. Полученный металлобетон прочнее обычного бетона при сжатии в 10 раз, при растяжении - в 100 раз.

При обработке плазмой поверхности кирпичных, бетонных стен или стен, поверхность которых облицована керамической плиткой, образуется стекловидный расплав, который надежно защищает здание от влаги и атмосферных воздействий. Если же на стены здания предварительно нанести растворы солей различных металлов, то их поверхности приобретут соответствующую окраску.

13.5. Химические и электрические способы обработки материалов

При обработке металлов резанием получение деталей необходимых размеров достигается снятием стружки с поверхности обрабатываемой заготовки. Стружка, таким образом, является одним из наиболее распространенных отходов в металлообработке, объем которого составляет примерно 8 млн. т в год. При этом, по меньшей мере 2 млн. т - это отходы переработки высоколегированных и других особо ценных сталей. При обработке на современных металлорежущих станках в стружку зачастую идет до 30...40 % металла от общей массы заготовки.

Поэтому все большее внимание уделяется новым способам обработки металлов, основанным на безотходной или малоотходной технологии. Появление новых способов обработки обусловливается также все более широким распространением в машиностроении и других отраслях народного хозяйства высокопрочных, коррозионно-стойких и жаропрочных металлов и сплавов, обработка которых обычными методами затруднена.

К новым методам обработки металлов относятся химические, электрические, плазменные, лазерные, ультразвуковые, а также гидропластическая обработка металлов.

При химической обработке используется химическая энергия. Снятие определенного слой металла осуществляется в химически активной среде (химическое фрезерование). Оно заключается в регулируемом по времени и месту растворении металла в ваннах. Поверхности, не подлежащие обработке, защищают химически стойкими покрытиями (лаки, краски, светочувствительные эмульсии и др.). Постоянство скорости травления поддерживается за счет неизменной концентрации раствора.

Химическими методами обработки получают местные утонения и щели; «вафельные» поверхности; обрабатывают труднодоступные поверхности.

При электрическом методе электрическая энергия преобразуется в тепловую, химическую и другие виды энергии участвующие непосредственно в процессе удаления заданного слоя. В соответствии с этим электрические методы обработки разделяют на электрохимические, электроэрозионные, электротермические и электромеханические.

Электрохимическая обработка основана на законах анодного растворения металла при электролизе. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на поверхности заготовки, включенной в электрическую цепь и являющейся анодом, происходят химические реакции и образуются соединения, которые переходят в раствор или легко удаляются механическим способом, Электрохимическую обработку применяют при полировании, размерной обработке, хонинговании, шлифовании, очистке металлов от оксидов, ржавчины и т. д.

Анодно-механическая обработка сочетает электротермические и электромеханические процессы и занимает промежуточное место между электрохимическим и электроэрозионным методами. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, а инструмент - к катоду. В качестве инструмента используют металличе­ские диски, цилиндры, ленты, проволоку, Обработку ведут в среде электролита. Заготовке и инструменту задают такие же движения, как при обычных методах механической обработки. Электролит подают в зону обработки через сопло.

При пропускании через раствор электролита постоянного электрического тока происходит процесс анодного растворения металла, как при электрохимической обработке. При соприкосновении инструмента катода - с микронеровностями обрабатываемой поверхности заготовки - анода - происходит процесс электроэрозии, присущий электроискровой обработке. Продукты электроэрозии и анодного растворения удаляются из зоны обработки при движении инструмента и заготовки.

Электроэрозионная обработка основана на законах эрозии (разрушения) электродов из токопроводящих материалов при пропускании между ними импульсного электрического тока. Она применяется для прошивания полостей и отверстий любой формы, разрезания, шлифования, гравирования, затачивания и упрочнения инструмента. В зависимости от параметров импульсов и вида, применяемых для их получения генераторов электроэрозионная обработка разделяется на электроискровую, электроимпульсную и электроконтактную.

При определенном значении разности потенциалов на электродах, одним из которых является обрабатываемая заготовка (анод), а другим — инструмент (катод), между электродами образуется канал проводимости, по которому проходит импульсный искровой (электроискровая обработка) или дуговой (электроимпульсная обработка) разряд. В результате температура на поверхности обрабатываемой заготовки возрастает. При этой температуре мгновенно оплавляется и испаряется элементарный объем металла и на обрабатываемой поверхности заготовки образуется лунка. Удаленный металл застывает в виде мелких гранул.

Следующий импульс тока пробивает межэлектродный промежуток там, где расстояние между электродами наименьшее. При непрерывном подведении к электродам импульсного тока процесс их эрозии продолжается до тех пор, пока не будет удален весь металл, находящийся между электродами на расстоянии, при котором возможен электрический пробой (0,01...0,05 мм) при заданном напряжении. Для продолжения процесса необходимо сблизить электроды до указанного расстояния. Электроды сближаются автоматически с помощью следящего устройства того или иного тина.

Электроискровую обработку применяют для изготовлении штампов, пресс-форм, фильер, режущего инструмента, деталей двигателей внутреннего сгорания, сеток и для упрочнения поверхностного слоя деталей.

Электроимпульсная обработка используется как пред­варительная для штампов, турбинных лопаток, поверхностей фасон­ных отверстий в деталях из жаропрочных сталей. При электроимпульсной обработке скорость съема металла в 8...10 раз больше, чем при электроискровой.

Электроконтактная обработка основана на локальном нагреве заготовки в месте контакта с электродом - инструментом и удалении размягченного или расплавленного металла из зоны обработки механическим способом (при относительном перемещении заготовки и инструмента). Метод не обеспечивает высокой точности и качества поверхности деталей, но дает высокую скорость съема металла, поэтому используется при зачистке отливок, отрезании литниковых систем, зачистке проката из специальных сплавов, черновом шлифовании корпусных деталей машин из труднообрабатываемых сплавов и т. п.

Электромеханическая обработка связана преимуще­ственно с механическим действием электрического тока. На этом основана, например, электрогидравлическая обработка, использующая действие ударных волн, возникающих в результате импульсного пробоя жидкой среды.

Ультразвуковая обработка металлов - разновидность механической обработки — основана на разрушении обрабатывае­мого материала абразивными зернами под ударами инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Источником энергии служат электрозвуковые генераторы тока с частотой 16...30 кГц. Рабочий инструмент — пуансон — закрепляют на волноводе гене­ратора тока. Под пуансоном устанавливают заготовку, и в зону обработки поступает суспензия, состоящая из воды и абразивного материала. Процесс обработки заключается в том, что инструмент, колеблющийся с ультразвуковой частотой, ударяет по зернам абра­зива, лежащим на обрабатываемой поверхности, которые скалывают частицы материала заготовки. Скорость обработки зависит от час­тоты и амплитуды колебаний, твердости и размеров абразивных частиц. Ультразвуковые колебания инструмента создаются с помощью магнитно-стрикционных вибраторов, преобразующих электрическую энергию в механическую. Ультразвуковая обработка используется для получения твердосплавных вкладышей матриц и пуансонов, вырезания фигурных полостей и отверстий в деталях, гравирования, прошивки отверстий с криволинейными осями, наре­зания резьбы, разрезания заготовок на части и других работ.

Точность размеров деталей и шероховатость их поверхностей, обработанных ультразвуковыми методами, зависят от зернистости используемых абразивных материалов и соответствуют получаемым при шлифовании.

13.6. Плазменно-лазерная обработка

Лучевые, или лазерные, методы обработки основаны на использовании сфокусированного луча (электронного, когерентного, ионного) с весьма высокой плотностью энергии. Луч лазера используется как в качестве средства нагрева и размягчения металла впереди резца, так и для выполнения непосредственно процесса резания при прошивке отверстий, фрезеровании и резке листового металла, пластмасс и других материалов.

Процесс резания идет без образования стружки, а испаряющийся за счет высоких температур металл уносится сжатым возду­хом. Сейчас лазеры применяют для сварки, наплавки и разрезания в тех случаях, когда к качеству этих операций предъявляются повышенные требования. Например, лазерным лучом путем прожи­гания или испарения режут сверхтвердые сплавы, сотовые титановые панели в ракетостроении, листовой и панельный алюминий, композиционные материалы, изделия из нейлона и твердую древесину. Высокая плотность энергии в зоне нагрева создает допол­нительный эффект очистки металла.

Следует отметить, что пока лазеры имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия из-за преобразования электрической энергии в тепловую, а последней в механическую.

Плазменные методы обработки металлов по праву считаются одними из самых прогрессивных. Огромная температура плазмы, значительная кинетическая энергия ее струи гарантируют высокое качество обработки любых металлов и материалов. Мощность современных плазменных установок достигает 6 МВт.

Использование плазменных и лазерных методов обработки особенно эффективно при изготовлении деталей сложных форм.

13.7. Гидропластическая обработка

Изготовление металлических пустотелых деталей с гладкой поверхностью и малыми допусками (гидравлические силовые цилиндры, плунжеры, корпуса для электродвигателей, вагонные оси, некоторые шестерни) все чаще осуществляется в последнее время не путем снятия стружки, а посредством так называемой гидропластической обработки. Пустотелую цилиндрическую заготовку, нагретую до температуры пластической деформации, укладывают в массивную разъемную матрицу, сделанную по форме изготовляе­мой детали, и закачивают под давлением воду. Заготовка раздается и принимает форму матрицы. Для изготовления, например, вагонной оси требуется давление 150 МПа. Поэтому рассматриваемый метод не позволяет изготовлять детали значительных размеров, например трубы. Но если сделать так, чтобы вода, попав внутрь заготовок и соприкасаясь с горячим металлом, мгновенно превращалась в пар, ее объем многократно увеличится. За счет этого заготовка будет плотно прижиматься к матрице. Потребуется давление пара лишь 10...20 МПа,

Осуществление этой идеи в нашей стране позволило исключить при изготовлении пустотелых деталей сверление и другие виды механической обработки. Достигается и другой эффект - металл детали становится под давлением более плотным и мелкозерни­стым. Детали, изготовленные таким способом, имеют более высокую долговечность работы. Новым методом можно изготовлять биметаллические трубы, закладывая в матрицу две заготовки - одна в другую. Возможны и такие оригинальные установки, которые выполняют самые разные операции от пробивки отверстий в фольге до изготовления полусфер из листового металла значительной толщины.

13.8. Основы мембранной технологии

Мембранная технология — новый принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку, отличающийся отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения.

По сравнению с традиционными процессами разделения неоднородных систем мембранная технология выгодно отличается высокой энерго- и ресурсо-экономичностью, простотой аппаратурного оформления, экологической чистотой.

Слово «мембрана» имеет латинское происхождение (membrana) и означает — кожица, перепонка. В технологии под мембраной мы будем понимать перегородку, обладающую различной проницаемостью по отношению к отдельным компонентам жидких и газовых неоднородных смесей.

При внешнем сходстве процессов фильтрования и мембранного разделения (рисунок 13.4) между указанными процессами есть принципиальное отличие.

а б

Рис. 13.4. Схемы мембранного разделения и фильтрования:

а — мембранное разделение;

б — фильтрование

В ходе фильтрования хотя бы один из компонентов газовой или жидкой смеси задерживается и фиксируется внутри фильтрующей перегородки. Это приводит к тому, что перегородка постепенно забивается и процесс фильтрования на ней без очистки делается практически невозможным. В отличие от фильтра мембрана не фиксирует в себе ни одного из компонентов разделяемой жидкой или газовой смеси, а только делит первоначальный поток на два, один из которых обогащен по сравнению с исходным каким-то компонентом. Подобный принцип действия мембраны делает ее способной к практически неограниченному сроку службы, без заметного изменения в эффективности разделения смесей.

В зависимости от материала, из которого изготавливают мембраны, их делят на полимерные, металлические, стеклянные, керамические или композиционные.

По механизму действия различают диффузионные, адсорбционные и ионообменные мембраны.

В зависимости от агрегатного состояния разделяемой смеси, движу­щей силы процесса разделения, размеров частиц компонентов и механиз­ма разделения различают следующие разновидности мембранных процес­сов: диффузионное разделение газов; разделение жидкостей методом ис­парения через мембрану; баромембранные процессы разделения жидких смесей; электродиализ.

Диффузионное разделение газов основано на различной проницаемости мембран для отдельных компонентов газовых смесей. Для осуществления диффузионного разделения газовых смесей используются как сплошные, так и пористые мембраны с размерами пор меньшими, чем длина свободного пробега молекул газов при заданном давлении. Движущей силой процессов диффузии компонентов является разность их концентраций на противоположных поверхностях мембраны.

Диффузионное разделение газов сегодня является наиболее крупномасштабным и экономичным методом, широко используется для получения урана-235, являющегося ядерным топливом. Данный процесс используется для создания аппаратов «искусственное легкое», при производстве водорода, выделении гелия из состава природных и нефтяных газов, является перспективным для выделения кислорода из воздуха, удаления диоксида углерода, воды и других компонентов из газовоздушных смесей в системах жизнеобеспечения людей в замкнутых пространствах, для создания контролируемой атмосферы, обогащенной диоксидом углерода, при хранении овощей и фруктов. Созданы и используются специальные пленки, которые помогают длительное время сохранять качество завернутых в них овощей, фруктов, цветов. В основе такой технологии лежит свойство полимерных мембран разделять воздух на молекулярном уровне: в нем становится меньше кислорода, что резко замедляет процессы гниения.

Разделение жидкостей методом испарения через мембрану основано на различной диффузионной проницаемости мембран для паров веществ. Движущей силой процесса является разность концентраций или давле­ний. Смесь жидкостей, находящихся в контакте с мембраной, нагревают, а пары проникающие через мембрану, отводят с помощью вакуумирования или потоком инертного газа. Наиболее широко данный метод применяет­ся при разделении азеотропных смесей, а также смесей веществ, имеющих невысокую термическую стабильность.

Баромембранные процессы разделения жидких смесей на практике осуществляются под избыточным давлением и поэтому объединены в группу баромембранных.

Установки, работающие по принципу баромембранного разделения, уже сегодня широко используются для обессоливания морской и соленой воды, очистки сточных вод, извлечения ценных компонентов из разбавленных растворов, в пищевой промышленности - для концентрирования сахарных сиропов, фруктовых и овощных соков, растворимого кофе, получения ультрачистой воды для электронной промышленности, медицины и фармацевтики.

Если мембранный процесс применяют для отделения от идеального раствора крупных коллоидных или взвешенных микрочастиц размером 0,1—10 мкм, то его называют микрофильтрацией, или мембранной фильтрацией.

Микрофильтрация нашла широкое применение в микробиологиче­ской промышленности при концентрации водных растворов ферментов, белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и других веществ в химиче­ской, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности для очистки сточных вод.

Микрофильтрация используется для концентрирования тонких суспензий, осветления растворов, очистки сточных и природных вод при проведении обессоливания морской воды. Мембранное концентрирование различных жидких продуктов с успехом может заменить традиционный процесс - вакуум-выпаривание.

Электродиализ можно определить как перенос ионов через мембрану под действием электрического тока. При наличии мембран, избирательно пропускающих одни ионы и задерживающих другие, можно решать многочисленные задачи выделения ценных компонентов из растворов, обессоливания воды, снижения жесткости, регенерации растворов в гальванических производствах, очистки сточных вод.

Перспективность мембранных методов прежде всего - в их универсальности. Скоро нельзя будет представить ни одной технологической ли­нии в пищевой, медицинской, фармацевтической и ряде других отраслей промышленности, в которой не было бы установок для мембранного синтеза, разделения, концентрирования и очистки продуктов.

13.9. Основы радиационно-химической технологии

За последние два десятилетия сформировалась новая область химической технологии - радиационно-химическая технология (РХТ). Ее предшественницей следует считать ядерную технологию, интенсивное развитие которой (с начала 40-х гг. XX в.) стимулировалось необходимостью срочного решения ряда задач, связанных с практическим использованием атомной энергии.

Целью РХТ является разработка методов и устройств для наиболее экономичного осуществления с помощью ионизирующего излучения физических, химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем. Выделение этого направления в отдельную область технологии обусловлено прежде всего особенностью действия ионизирующего излучения на вещество.

Радиационно-химические процессы обусловливаются энергией возбужденных атомов, ионов, молекул. Энергия ионизирующего излучения превышает в сотни тысяч раз энергию химических связей. Механизм радиационно-химических процессов объясняется особенностями взаимодействия излучений с реагирующими веществами.

В качестве источников ионизирующего излучения используются пото­ки заряженных частиц большой энергии (электроны, α -, β - частицы, нейтроны, γ - излучение).

Выделим достоинства ионизирующего излучения:

высокая энергетическая эффективность излучения, приводящая к тому, что по сравнению с традиционными радиационная технология является в целом энергосберегающей;

высокая проникающая способность излучения. Исходя их этого, излучение наиболее эффективно использовать для обработки блочных матери­алов и изделий, при стерилизации биомедицинских материалов в упаковке;

излучение представляет собой легкодозируемое средство обработки материалов и не загрязняет продукцию.

Первоначально ионизирующее излучение использовали для производства уникальных продуктов, а также продуктов улучшенного качества. Причем это было продиктовано ценами на указанные продукты. Имелись случаи экономии сырья и энергии. Однако они были единичными.

Сегодня наблюдается явное смещение интересов использования ионизирующих излучений: от получения продуктов с уникальными и улучшенными свойствами к экономии сырья и энергии.

Доказано, что стоимость получения сшитой полиэтиленовой изоляции кабеля при радиационной технологии в 2,2 раза ниже, чем при использовании других методов. Радиационная вулканизация резиновой лен­ты дает продукцию в 8 раз дешевле, чем при традиционной термической вулканизации. Радиационная стерилизация медицинских инструментов и оборудования в 4,5 раза экономичнее других видов стерилизации, а ради­ационное консервирование продуктов питания экономичнее других спо­собов почти в 100 раз.

В настоящее время разработаны и находятся в различных стадиях опытно-промышленной реализации более пятидесяти РТП, например:

радиационная полимеризация и сополимеризация, включающая получение древесно-полимерных и бетонно-полимерных материалов, радиационное отверждение покрытий;

радиационное сшивание полимеров и радиационная вулканизация эластомеров;

радиационно-химический синтез (радиационное хлорирование, сульфохлорирование углеводородов);

радиационное модифицирование неорганических материалов (улуч­шение адсорбционных и каталитических характеристик, радиационное легирование);

радиационная очистка сточных вод.

Основные преимущества РХТ можно сформулировать следующим образом:

1) возможность получения уникальных материалов, производство которых другими способами невозможно;

2) высокая чистота получаемых продуктов;

3) смягчение условий проведения процесса (температуры, давления);

4) возможность регулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности излучения, а следовательно, - легкость автоматизации процесса;

5) возможность замены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными.

13.10. Эффективность новых способов обработки материалов

Новые способы обработки материалов выводят технологию изготовления деталей на новую, более высокую ступень по сравнению с традиционной технологией. Это наиболее эффективная технология, чаще всего безотходная. Общими преимуществами новых способов обработки являются: отсутствие потребности в специальных инструментальных материалах высокой твердости; практическая независимость производительности от твердости и других свойств обрабатываемого материала; снижение необходимого силового воздействия на заготовку в процессе обработки (за исключением гидропластической обработки); простота устройства станков; легкость автоматизации процесса обработки и др.

Так, производительность труда при ультразвуковой обработке по сравнению, с традиционными способами обработки резанием возрастает в 10...20 раз при выполнении отверстий некруглой формы и в 2...3 раза круглых. При этом экономия материала составляет 20...50 %.

С помощью гидропластической обработки можно пробить любое отверстие в фольге толщиной всего в несколько десятков микрометров, делать в стенке трубы изнутри углубления и отверстия, готовить трехслойные трубы из разных материалов. Оснастка при этом в 10 раз дешевле, чем при механических способах обработки, и обеспечивается полная безопасность труда. При производстве этим способом труб диаметром более 1 м и длиной в несколько метров при годовой программе 20 тыс. т может быть получена экономия в 10 млн. рублей. Производительность труда повышается в 5...10 раз и обеспечивается почти 100 %-е использование металла, а также значительная экономия энергии.

Электроискровые станки с программным управлением могут успешно использоваться при изготовлении деталей для телевизоров, автомобилей, а также авиационных и других двигателей. Точность обработки на них ± 1 мкм.

Внедрение оборудования для плазменного резания и механической обработки деталей способствует повышению производительности труда в 5... 10 раз.

Лазерный луч может сканировать по поверхности деталей, имеющей чрезвычайно сложную форму (лопатки газовых турбин и другие), и выполнять ее обработку. При этом обеспечивается скорость резания до 5 м/мин при обработке изделий из углеродистой и коррозионно-стойкой стали, титана и специальных сплавов.

Аналогичные результаты достигаются при применении и других новых способов обработки.

ЛЕКЦИЯ 14 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТАНДАРТИЗАЦИИ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ

14.1. Стандартизация технологических решений, процессов, продукции

Большую роль в повышении качества сырья, материалов и готовой продукции играет стандартизация. Стандартизация - это деятельность, направленная на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной области посредством установления положений дня всеобщего и многократного использования в отношении реально су­ществующих или потенциальных задач.

Основные результаты деятельности стандартизации - это повы­шение степени соответствия продукта (услуги), процессов их функциональному назначению, устранение технических барьеров, а международном товарообмене, содействие научно-техническому прогрессу и сотрудничеству в различных областях,

Стандартизация осуществляется в целях обеспечения:

- безопасности продукции, работ и услуг для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества;

- технической и информационной совместимости, а также взаимозаменяемости продукции;

- качества продукции, работ и услуг в соответствии с уровнем раз­вития науки, техники и технологии;

- единства измерений;

- экономии всех видов ресурсов;

- безопасности хозяйственных объектов с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф и других чрезвычайных ситуаций;

- обороноспособности и мобилизационной готовности страны;

- выполнения законодательства Республики Беларусь методами и средствами стандартизации.

Основные принципы стандартизации:

- взаимное стремление всех заинтересованных сторон, разрабаты­вающих, изготавливающих и потребляющих продукцию, к достиже­нию общего согласия с учетом мнения каждой из сторон по управле­нию многообразием продукции, ее качеству, экономичности, приме­нимости, совместимости и взаимозаменяемости, ее безопасности для жизни, здоровья людей и имущества, охране окружающей среды, и другим вопросам, представляющим взаимный интерес;

- программно-целевое планирование работ по стандартизации;

- техническая, экономическая, социальная обоснованность разра­ботки нормативных документов по стандартизации;

- преемственность при применении нормативных документов по стандартизации;

- комплексность стандартизации взаимосвязанных объектов, включая метрологическое обеспечение, путем согласования тре­бований к этим объектам, к средствам измерений и увязкой сроков введения в действие нормативных документов по стандартизации;

- гармонизация нормативных документов по стандартизации с международными, региональными и национальными стандартами других государств;

- соответствие требований нормативных документов по стандартизации современным достижениям пауки, техники, передового опыта, а также законодательным актам, нормам и правилам органов, выполняющих функции государственного надзора;

- взаимосвязь и согласованность нормативных документов по стандартизации всех уровней;

- открытость информации о действующих нормативных докумен­тах по стандартизации;

- утверждение стандартов на основе достижения согласия всеми заинтересованными сторонами;

- пригодность нормативных документов по стандартизации для их применения в целях сертификации.

Объект стандартизации - это продукция, процесс или услуга, для которых разрабатывают те или иные требования, характеристики, параметры, правила и т. п. объекта в целом иди отдельных его составляющих (характеристик). Стандартизация осуществляется посредствам создания нормативных документов. Международная организация по стандартизации (ИСО) рекомендует следующие виды нормативных документов: стандарты, документы технических условий, своды правил, регламенты (технические регламенты), положения.

Стандарт - это нормативный документ, разработанный на осно­ве консенсуса, утвержденный признанным органом, направленный на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной об­ласти. В нем устанавливаются для всеобщего и многократного использования общие принципы, правила, характеристики, касающиеся различных видов деятельности или их результатов. Документ технических условий устанавливает технические требования к продукции, услуге, процессу. Обычно в документе технических условий должны быть указаны методы и процедуры, которые необходимо использовать для проверки соблюдения требований данного нормативного документа в таких ситуациях, когда это необходимо.

Стандарт как основной вид нормативного документа имеет следующие разновидности: основополагающий стандарт, терминологический стандарт, стандарт на методы испытаний, стандарт на продукцию, стандарт па процесс, стандарт на услугу, стандарт на совместимость.

Выделяют следующие уровни стандартизации: международный; региональный; национальный; административно-территориальный.

Применяемые нормативные документы в системе стандартизации Республики Беларусь: Государственные стандарты Республики Беларусь (СТБ); Международные стандарты (ИСО); Региональные стандарты (EN - стандарты европейской организации по стандартизации); Руководящий документ отрасли (РД); Стандарты предприятий (СП 1); Технические условия (ТУ); Техническое описание (ТО),

Стандарты устанавливаются на продукцию серийного и массово­го производства, для определения единообразных понятий, техничес­ких терминов, обозначений величин и общетехнических требований.

Стандарты на продукцию серийного и массового производства содержат полную техническую характеристику стандартизируемой продукции. Они предусматривают типы, виды, марки, формы, размеры изделий и материалов, которые должны выпускаться по определенным группам продукции с учетом качественных показателей и норм (физико-механические свойства, химический состав, степень чистоты материалов, внешний вид и т. п.). Одновременно предусматриваются правила приемки и методы испытаний, необходимые для проверки с определенной точностью установленных норм, требований и характеристик. Сегодня стандартизированы требования к организационным системам предприятий, направленным на обеспечение качества продукции, созданы системы управлении качеством продук­ции на предприятии, стандартизированы принципы, методы и подходы в этом направлении.

Применение стандартов обеспечивает взаимозаменяемость отдельных деталей и целых узлов машин и механизмов, позволяет лучше использовать сырье, материалы, топливо и энергию, способствует специализации производства, внедрению новой техники. Снижаются затраты на внедрение в производство стандартных технологических про­цессов и методов, используемых при проектировании и изготовлении продукции. Особое место занимает унификация. Унификация - это выбор оптимального числа размеров или видов продукции, процессов или услуг (основана на рациональном сокращении излишнего многообразия типов, типоразмеров изделий, их частей, материалов, методов испытаний и т, п.). Применение стандартных деталей и сборочных единиц, позволяет создавать изделия по агрегатному и модульному принципу.

Современный уровень развития технологических процессов позволяет значительно повысить предъявляемые требования к качеству производимой продукции. Но мере развития научно-технического прогресса оно все больше зависит от уровня технологии и оп­ределяется такими факторами, как механизация и автоматизация технологических процессов, их непрерывность, качество исходных материалов, энерговооруженность труда, научная организация труда, общая культура производства, требования техники безопасности и охраны труда на производстве.

Качество - это совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные и предполагаемые тре­бования. Качество продукции является формой выражения ее потре­бительной стоимости (полезного свойства) в расчете на единицу физического объема (один технический комплекс, тонна материалов, погонный метр труб и т. д.). При этом качество определяется не только объективными свойствами продукта, но и его эстетическими свойствами, технического уровня изделия (степени совершенства его конструкции, технологии и применяемых материалов) и качества изготовления. Технический уровень продукции - многоплановое понятие, которое нельзя оценить по одному, пусть даже важному, показателю.

Факторы, обусловливающие качество продукции, можно разделить на четыре группы: технические, организационные, экономические и социальные. К техническим факторам относятся: вид изготавливаемой продукции и серийность ее производства; состояние технической документации; качество технологического оборудования, оснастки, инструмента; состояние испытательного оборудования; качество средств измерения и контроля; качество исходных материалов, сырья, комплектующих изделий, Факторы, влияющие на качество продукции, могут быть представлены тремя блоками: качество производимой продукции зависит от внутренних (внутрифирменных) обстоятельств (дисциплина, оборудование, технология, метрологическое обеспечение, испытательная база, технический контроль, организационная структура, система), человеческого фактора (квалификация, опыт, профессионализм, по­ощрения, активность и инициатива, обмен передовым опытом) и внешних условий (требования рынка, уровень конструкторских разработок, ритмичность поставок от смежников, качество постав­ляемых сырья, материалов, комплектующих изделий).

Для оценки качества продукций в зависимости от характера решаемых задач используются показатели качества, которые можно классифицировать по различным признакам:

- по количеству характеризуемых свойств - единичные и комплексные;

- по характеризуемым свойствам: назначения, экономичности, стандартизации и унификации, транспортабельности, способа выражения.

- по этапам определения значений показателей - прогнозные и др.

Помимо приведенных основных признаков классификации и групп показателей качества, используются и такие, как однородность характеризуемых свойств (функциональные, ресурсосберегающие, природоохранные) и форма предоставления характеризуемых свойств (абсолютные, относительные, удельные).

Для оценки качества продукции наибольшее значение имеют показатели, характеризующие ее свойства. Кроме того, качество оценивается совокупностью каких-либо свойств или характеристик.

Показатели назначения характеризуют свойства продукции, определяющие основные функции, для выполнения которых она предназначена, и обусловливают область ее применения. Они подразделяются на показатели функциональной и технической эффективности (производительность станка, прочность ткани); конструктивные (габаритные размеры, коэффициенты сборности и взаимозаменяемости); показатели состава и структуры (процентное содержание серы в коксе, концентрация примеси в кислотах).

Показатели надежности характеризуют свойства безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность показывает свойство изделия непрерывно сохра­нять работоспособность в течение некоторого времени или некото­рой наработки, выражающееся в вероятности безотказной работы, средней наработке до отказа, интенсивности отказов.

Ремонтопригодность - это свойство изделия, заключающееся в приспособленности его к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и устранению их последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания. Единичными показателями ремонтопригодности являются вероятность восстановлении работоспособного состояния, среднее время восстановления.

Восстановляемость изделия характеризуется средним временем восстановления заданного значения показателя качества и уровнем восстановления.

Сохраняемость - свойство продукции сохранять исправное и ра­ботоспособное, пригодное к потреблению состояние в течение и после хранения и транспортировании. Единичными показателями сохраняемости могут быть средний срок сохраняемости и назначенный срок хранения.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до наступлении предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Единичными показателями долговечности являются средний ресурс, средний срок службы.

Понятие «ресурс» применяется при характеристике долговечности по наработке изделия, а «срок службы» - при характеристике долговечности по календарному времени.

Эргономические показатели, характеризующие систему «человек -изделие - среда использования» и учитывающие комплекс гигиенических, антропометрических, физиологических, психологических свойств человека, делятся на следующие группы:

- гигиенические (освещенность, температура, излучение, вибрация, шум);

- антропометрические (соответствие конструкции изделия размерам и форме тела человека, соответствие распределению веса человека);

- физиологические (соответствие конструкции изделия силовым и скоростным возможностям человека);

- психологические (соответствие изделия возможностям восприятия и переработки информации).

Показатели экономичности определяют совершенство изделия по уровню затрат материальных, топливно-энергетических и трудовых ресурсов на его производство и эксплуатацию (потребление). Это, в первую очередь, себестоимость, цена покупки и цена потребления, рентабельность и т. д.

Эстетические показатели характеризуют информационно-художественную выразительность изделия (оригинальность, стилевое соответствие, соответствие моде), рациональность формы (соответствие формы назначению, конструктивному решению, особенностям технологии изготовления и применяемым материалам), целостность композиции (пластичность, упорядоченность графических изобразительных элементов).

Показатели технологичности имеют отношение к таким свойствам конструкции изделия, которые определяют его приспособленность к эксплуатации, восстановления заданных значений показателей качества. Они являются определяющими для показателей экономичности. Единичные показатели технологичности - удельная трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость изготовления и эксплуатации изделия, длительность цикла технического обслуживания и ремонтов и др.

Показатели стандартизации и унификации характеризуют насы­щенность изделия стандартными, унифицированными и оригиналь­ными составными частями, каковыми являются входящие в него детали, узлы, агрегаты, комплекты и комплексы. К данной группе относятся: коэффициент применяемости, коэффициент повторяемости, коэффициент унификации изделия или группы изделий.

Патентно-правовые показатели характеризуют степень патентной защиты, патентной чистоты технических решений, использованных в изделии, определяющей ее конкурентоспособность на внутреннем и внешнем рынке.

Экологические показатели определяют уровень вредных воздей­ствий на окружающую среду в процессе эксплуатации или потребления изделия. К ним относятся: содержание вредных примесей, выбрасываемых в окружающую среду; вероятность выброса вредных частиц, газов и излучений, уровень которых не должен превышать предельно допустимой концентрации.

Показатели безопасности характеризуют особенности продукции, обусловливающие при ее использовании безопасность человека (об­служивающего персонала) и других объектов. Они должны отражать требования к мерам и средствам защиты человека в условиях аварийной ситуации, не санкционированной и не предусмотренной правилами эксплуатации в зоне возможной опасности.

Показатель, по которому принимается решение оценивать качество продукции, называется определяющим. Свойства, учитываемые определяющим показателем, могут характеризоваться единичными и множественными характеристиками. Обобщающие показатели определяются средней величиной, учитывающей количественные оценки основных средств продукции и их коэффициентов весомости.

Оптимальным значением показателя качества продукции является такое, при котором достигается наибольший полезный эффект от эксплуатации (потреблении) продукции при заданных затратах на ее создание и эксплуатацию (потребление).

Рассмотренные выше показатели качества могут быть использованы в основном для оценки продукции производственного назначения. Им аналогичны показатели качества предметов потребления, однако они должны учитывать специфику назначения и использования этих предметов. Например, для оценки качества домашних электрических холодильников используются следующие показатели; функциональные (объем холодильной и морозильной камер, номинальная температура последней); эстетические и эргономические (внешний вид - дизайн, форма, удобство пользования камерами, дверцами); экономичности (удельное потребление энергии и единицу массы продукта, средние межремонтные сроки, средние потери от производимых ремонтов).

При оценке отечественных товаров для населения применяются такие показатели, как сорт (пищевые продукты, продукция легкой промышленности), группа сложности (бытовая радиоаппаратура), марка (цемент, кирпич), категория качества (видеокассеты).

14.2. Основные средства и методы обеспечения качества продукции

Основными средствами и методами обеспечения качества продукции на сегодняшний день является системное управление качеством, как способ создания конкурентоспособной продукции. Только тот товар, который создается в расчете на определенного потребителя, оказывается конкурентоспособным. Выпускать продукцию необходимого качества возможно лишь при условии создания систем управления качеством с учетом требований международных стандартов серии ИСО 9000. При этом необходимо выполнять требования стандартов по элементам системы качества, осуществлять маркетинговые исследования рынка с целью удовлетворения запросов потребителей.

Программа повышения качества, учитывающая особенности спроса потенциальных потребителей, и систем обеспечения качества должны быть интегрированы в производство. Обеспечить стабильное качество изделий невозможно, если не добиться стабильности качества исходных материалов. Поэтому отмечается тенденция к более тесному взаимодействию изготовителя продукции с поставщиками сырья, материалов и комплектующих деталей.

Главный инструмент управления качеством – контроль  в последнее время претерпевает большие изменения. Создается атмосфера доверия и уверенности в надежности партнеров благодаря отработанным методам взаимодействия поставщика и потребителя. Оттесняется в прошлое сплошной входной контроль, уменьшается количество контролеров, совершенствуются методы контроля.

На важнейший фактор конкурентоспособности товара – себестоимость  оказывают прямое влияние затраты на качество. Системный анализ этих затрат и их оптимизация – неотъемлемая часть программ качества.

За последние годы получили дальнейшее совершенствование методология и принципы сертификации систем качества, разработаны новые проекты международных стандартов серии ИСО 9000, которые приняты в нашей стране в 2000 году. Развивается сертификация продукции работ и услуг, включая механизм подтверждения соответствия. Тем самым изготовителям продукции представляется возможность внедрять более современные правила и процедуры с целью повышения качества. Поэтому перед предприятиями-экспортерами в настоящее время особо остро стоит проблема повышения уровня образованности кадров в области качества.

Мировой опыт управления качеством был сконцентрирован в пакете международных стандартов ИСО 9000-9004, принятых Международной организацией по стандартизации (ИСО) в марте 1987 г. В стандартах был воплощен опыт конкурентоспособных зарубежных фирм, что качественный товар, соответствующий запросам покупателей, может быть изготовлен лишь с учетом комплексного исследования рынка, в виде «петли качества», которая начинается с маркетинга и заканчивается маркетингом.

Система обеспечения качества складывается из действий, которые распространяются на все стадии «петли качества».

Организационная структура системы управления качеством включается в общий процесс управления деятельностью фирмы.

Модель «петли качества» включает следующие элементы:

1. Маркетинг. Поиск и изучение рынка.

2. Проектирование и разработка технических требований к продукции.

3. Материально-техническое снабжение.

4. Подготовка и разработка производственных процессов.

5. Производство продукции.

6. Контроль и испытания.

7. Упаковка и хранение.

8. Реализация и распределение.

9. Монтаж и эксплуатация.

10. Техническая помощь в обслуживании.

11. Утилизация после использования.