Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003
| Вид материала | Учебное пособие |
- Учебное пособие Издательство спбгпу санкт-Петербург, 1380.47kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2007, 1378.97kb.
- Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный политехнический, 2776.63kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 удк 621. 38. 049. 77(075) Поляков, 643.33kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2004, 1302.72kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 1935.03kb.
- Учебное пособие Санкт-Петербург Издательство спбгэту «лэти» 2006, 648.91kb.
- Новые поступления в библиотеку балтийского русского института, 158.89kb.
- Методические указания Санкт-Петербург Издательство спбгпу 2003, 1310.56kb.
1.2.ЭВОЛЮЦИЯ ТЕХНОЛОГИЙ
Первые технологии как система приемов были связаны с обработкой шкур, используемых для изготовления одежды, и камня, применяемого для получения орудий труда и охоты. В этих простейших технологиях не использовалось дополнительное оборудование и не привлекались энергетические источники.
Первым этапом становления производственных технологий были металлургия (выплавка меди более 6 тыс. лет назад) и обжиг материалов. Эти процессы уже использовали энергию горения и простейшее производственное оборудование.
Различают три последовательные исторические стадии технологии производства:
- производственные технологии, основанные на использовании вещества природы (древесины, камня, открытых источников, углеводородного сырья и т. п.);
- производственные технологии, связанные с преобразованием природных материалов и использованием достижений химии, механики и других наук;
- система технологий, обусловленных созданием материала в том виде, в каком этот материал в естественной природе не существует (электронно-чистые вещества, синтезированные элементы и соединения, источники излучений и т.д.).
Этапы развития получаемых продуктов следующие:
1. Выделанные шкуры, орудия труда из дерева, камня и кости, естественные красители.
2. Обожженный кирпич, керамика, орудия труда из самородного металла (золото, серебро, свинец, бронза), стекло, фаянс, папирус, пергамент, растительные волокна.
3. Бумага, фарфор, бетон, стальные изделия, ткани.
4. Нефтепродукты, железобетон, пластмассы, синтетические красители, электролитическая медь, ацетилен, натуральный газ, легированные стали.
5. Искусственный каучук, искусственные кристаллы, полупроводники, металлокерамика, искусственные волокна, оптические волокна, биосинтетические материалы, изотопы.
Эволюция технологии связана с выбранными принципами, видами привлекаемых энергоресурсов, составом используемого оборудования.
Оценивая конкретную технологию следует ответить на следующие вопросы:
- К какой классификационной группе относится технология?
- Имеются ли альтернативные технологические процессы?
- Какова роль (значимость) технологии в соответствующей отрасли национальной экономики?
- Какие виды материальных ресурсов используются?
- Насколько дефицитны используемые материальные виды ресурсов?
- Какие виды энергии привлекаются?
- Насколько дефицитны используемые виды энергии (энергоносителей)?
- Какой интегральный к.п.д.?
- Какими специфическими показателями характеризуется технология?
- Возможна ли утилизация получаемого продукта после цикла использования?
- Каковы направления повышения эффективности технологии?
- Какова перспективность технологии?
Металлургия как отрасль сегодня отличается наибольшим разнообразием технологических процессов, многие из которых не имеют аналогов в природе и являются результатом открытий. Например, принципы технологии получения чугуна, проката, алюминия и др. Эти процессы — не совершенствование предшествующих, а принципиально новые.
Мотивационной причиной развития технологий в большинстве случаев было сбережение энергии и труда, получение искусственного материала — аналога природного.
На базе процессов, используемых в металлургическом производстве (включая черные и цветные металлы, технологии обеспечивающего и вспомогательного производства), можно познакомиться с основным набором технологий промышленного производства.
Современная совокупность технологий зародилась в середине ХХ в. В этот период появилась вычислительная техника, микроэлектроника, лазеры, ядерная энергетика, искусственные белковые структуры. Из последних, наиболее значимых для развития, следует выделить микропроцессорную, космическую, лазерную и генную технологии. Появление микропроцессоров означает переход к интеллектуальной технике, космическая технология дополняет земные процессы, генная инженерия усовершенствует саму биологию человека, обогащает биосферу.
Эволюция технологий связана с созданием искусственного мира человека. Это неизбежно оказывает воздействие на естественную среду обитания. Опасным это воздействие становится при превышении восстановительного потенциала Природы. В этом смысле опасными оказываются крупные металлургические комбинаты, химико-энергетические комплексы. С одной стороны они позволяют реализовать масштабное эффективное производство, а с другой — оказывают невосстанавливаемое воздействие на окружающую среду. Гигантские производственные объекты несут в себе разрушительное экологическое начало. Нарушаются экологическое равновесие, микроклимат, тепловое равновесие.
Очень часто толчком к изменению технологического процесса становится дефицит исходных ресурсов: например развитие технологического процесса в металлургии. Первоначальным существенным источником энергии были дрова. Вплоть до XVIII в. для получения металла использовали древесный уголь. Их дефицит и полное вырубание лесов привело, например в Англии, к запрету металлургических предприятий. Появился технологический процесс, базирующийся на использовании кокса. Годовая потребность металлургических комбинатов России в коксующемся угле оценивается в 20,8 млн. т. В сырьевой составляющей себестоимости чугуна на кокс приходится до 50 %. Это направило поиски последних лет на изменение технологии в сторону экономии и замены коксующихся углей. Появляется технология прямого восстановления. Роль восстановителя железной руды здесь выполняет природный газ, с помощью которого получают металлизованные окатыши. Активно идет поиск заменителей для каменноугольного кокса. Имеются разработки получения нефтяного и торфяного кокса.
Технология сборки. Первая паровая машина была описана в I в. Героном Александрийским. Реальную эффективную конструкцию паровой машины изобрел Джеймс Уатт (1769 г.). Именно он создал изолированную камеру для конденсации, машину двойного действия, центробежный регулятор, манометр, дроссельный клапан, использовал преобразование вращательного движения в возвратно-поступательное.
Появление паровой машины обеспечило резкий скачок мощности промышленных процесов. Изобретение паровой машины наряду с другими открытиями было основой промышленной революции.
Николаус Август Отто в 1886 г. изобрел четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, внутреннего сгорания, в котором были использованы сжатие смеси воздуха и топлива перед воспламенением, улучшенная система зажигания. Двигатель Отто использовался Готлибом Даймлером и Карлом Бенцем при создании первого автомобиля. Автомобиль “Роял Даймлер” имел мощность шесть лошадиных сил и был поставлен принцу Уэльскому. Генри Форд первым наладил массово производство автомобилей.
Экономические методы производства явились далеко не все сразу. Они приходили постепенно так же, как и мы постепенно, с течением времени, начали производить сами наши автомобильные части.
Автомобиль Форда состоит приблизительно из 5000 частей, включая винты, гайки и т. п. Некоторые части довольно объемисты, другие, наоборот, не больше части часового механизма. При постройке первых автомобилей мы собирали автомобиль, начиная с любой части, на земле, и рабочие приносили требуемые для этого части по порядку на место сборки — совершенно так же, как строят дом.
Первый успех в сборке состоял в том, что мы стали доставлять работу к рабочим, а не наоборот. Ныне мы следуем двум серьезным общим принципам при всех работах — заставлять рабочего, по возможности, не делать никогда больше одного шага и никогда не допускать, чтобы ему приходилось при работе наклоняться вперед или в сторону.
Правила, соблюдаемые при сборке, гласят:
1. Располагай инструменты, как и рабочих, в порядке предстоящей работы, чтобы каждая часть во время процесса сборки проходила возможно меньший путь.
2. Пользуйся салазками или другими транспортными средствами, чтобы рабочий мог по окончании работы над предметом положить его всегда на одно и то же место, которое, конечно, должно находиться как можно ближе. Если возможно, используй силу тяжести, чтобы подвести соответствующую часть следующему рабочему.
3. Пользуйся сборочными путями, чтобы привозить и увозить составные части в удобные промежутки времени.
Конечным результатом следования этим основным правилам является сокращение требований, предъявляемым к мыслительной способности рабочего, и сокращение его движений до минимального предела. По возможности ему приходится выполнять одно и то же дело, одним и тем же движением.
Сборка шасси, с точки зрения неопытного человека, является самой интересной и наиболее значимой процедурой. Было время, когда она представляла собой самый важный процесс. Теперь мы собираем отдельные части именно на местах их распределения.
Приблизительно 1 апреля 1913 г. мы произвели наш первый опыт со сборочным путем. Мне кажется, что это был первый подвижный сборочный путь, какой когда-либо был устроен. В принципе он похож на передвижные пути, которыми пользуются чикагские укладчики мяса при дроблении туши. Прежде, когда весь сборочный процесс находился еще в руках одного рабочего, последний был в состоянии собрать от 35 до 45 магнето в течение девятичасового рабочего дня, т. е. ему требовалось около 20 минут на штуку. Позднее его работа была разложена на 29 различных единичных действий, и благодоря этому время сборки сократилось до 13 минут 10 секунд. В 1914 г. мы приподняли путь на восемь дюймов, и время сократилось до семи минут. Дальнейшие опыты довели время сборки до пяти минут. С помощью научных методов рабочий в состоянии дать вчетверо больше того, что он давал сравнительно недавно. Сборка двигателя, которая раньше производилась одним рабочим, распадается сейчас на 48 отдельных движений, и трудоемкость занятых этим рабочих втрое увеличилась. Вскоре мы испробовали то же самое и для шасси. Наивысшая производительность, достигнутая нами при стационарной сборке шасси, равнялась в среднем 12 часам и 8 минутам для одного шасси. Мы попробовали тянуть шасси посредством ворота и каната на протяжении 250 футов. Шесть монтеров двигались вместе с ним и собирали во время пути приготовленные вблизи части. Этот несовершенный опыт сократил время уже до 5 часов и 50 минут для одного шасси. В 1914 г. мы проложили путь выше. В этот промежуток времени мы ввели принцип вертикального положения при работе. Один путь находился на высоте 26 и 3/4 дюйма, а другой на 24 и 1/2 дюйма над землей, чтобы подогнать их к различному росту рабочих бригад. Поднятие рабочей плоскости на высоту руки и дальнейшее дробление рабочих движений, (причем каждый человек делал все меньше движений руками), привели к дальнейшему сокращению рабочего времени до 1 часа 33 минут для шасси. Монтаж кузова происходил на Джон Р. стрит” — знаменитой улице, которая пересекала наши фабрики в Хайлэнд-Парке. А теперь весь автомобиль собирается по такому же принципу.
Для магнето мы сначала взяли скорость скольжения в 60 дюймов в минуту. Это было слишком быстро. Потом мы попробовали 18 дюймов в минуту. Это было слишком медленно. Наконец мы установили темп 44 дюйма в минуту. Первым условием является, чтобы ни один рабочий не спешил — ему предоставлены необходимые секунды, но ни одной больше. После того как ошеломляющий успех сборки шасси побудил нас реорганизовать весь наш способ производства и ввести во всем монтировочном отделе рабочие пути, приводимые в действие механическим способом, мы установили для каждой отдельной монтировочной работы соответствующий темп работы.
При сборке шасси производится 45 различных движений и устроено соответствующее число остановок. Первая рабочая группа укрепляет четыре предохранительных кожуха к остову шасси; двигатель появляется на десятой остановке и т. д. Некоторые рабочие делают только одно или два небольших движения рукой, другие гораздо больше. Рабочий, в обязанности которого входит постановка какой-нибудь части, не закрепляет ее — эта часть иногда закрепляется только после многих операций. Человек, который вгоняет болт, не завинчивает одновременно гайку; кто ставит гайку, не завинчивает ее накрепко. При движении № 34 новый двигатель получает бензин, предварительно будучи смазан маслом; при движении № 44 радиатор наполняется водой, а при движении № 45 готовый автомобиль выезжает на Джон Р. стрит.
На нашей фабрике каждая отдельная рабочая часть находится в движении; или она скользит на больших цепях, прикрепленных выше человеческого роста, в последовательном порядке для монтажа, или движется по катящимся путям или посредством силы тяжести. Решающим является тот факт, что, кроме сырых материалов, ничто не поднимается и не таскается. Сырые материалы доставляются куда следует на грузовиках посредством частично собранных фордовских шасси, которые настолько подвижны и проворны, что без труда скользят в проходах туда и сюда. Ни одному рабочему не приходится ничего таскать или поднимать. Для этого у нас существует особый транспортный отдел.
Мы начали с того, что собрали весь автомобиль на одной фабрике. Затем мы стали “фабриковать” отдельные части и сейчас же устроили отделы, в каждом из которых делалась одна какая-нибудь часть. В таком виде, в каком наше производство существует сейчас, каждый отдел делает только одну известную часть и собирает ее. Каждый отдел сам по себе — небольшая фабрика. Часть доставляется туда в виде сырого материала или отлитой формы, проходит через целый ряд машин и нагревательных процессов или еще через какой-либо специальный отдел и покидает свой отдел уже в виде готового полуфабриката. В начале нашего производства различные отделы были расположены довольно близко один от другого, и это было сделано для облегчения транспорта.
Промышленность, в высшей степени нормализованная и дифференцированная, никоим образом не должна концентрироваться в одном единственном фабричном здании, а должна принимать в расчет связанные с производством расходы по перевозке и затруднения из-за дальности расстояния. 1000–5000 рабочих должны составлять законный максимум, необходимый для одной фабрики. Этим самым разрешалась бы трудная задача — доставлять рабочих на место работы и обратно.
Раньше мы прикрепляли части кожуха к самому кожуху посредством пневматических молотов, которые считались тогда новейшим изобретением. Нужно было шесть человек, чтобы держать молоты, шесть человек около кожуха, и шум был невообразимый. Теперь же автоматический пресс, обслуживаемый одним рабочим, выполняет в пять раз больше того, что делали эти двенадцать человек в течение одного дня.
Ни один материал не обрабатывается у нас “от руки”, ни один процесс не производится вручную. Если можно достигнуть того, чтобы машина функционировала автоматически, то это проводится. Ни об одном ручном движении мы не думаем, что оно является наилучшим и наиболее дешевым. При этом только 10 % машин являются специальными; остальные — обыкновенные машины, но приспособленные для известных действий. И все эти машины стоят близко одна от другой! Мы установили на площади в один квадратный фут больше машин, чем какая-либо фабрика на свете — каждая пядь означает ненужное повышение расходов по производству. Несмотря на это, недостатка в месте нет — каждый занимает столько места, сколько ему нужно, но не больше.
Г. Форд “Моя жизнь, мои достижения”, 1924 г.
- КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И МАТЕРИАЛОВ
В технической литературе встречается немало классификаций металлов. В основе одних принята плотность, других — температура плавления, третьих — расположение в периодической системе. Все они общеприняты и широко применяются. Ниже приведена одна из классификаций, в которой известные сегодня металлы разделены на семь групп.
1. Основные конструкционные металлы. В эту группу включены металлы, имеющие особые заслуги перед человечеством. Около 98% всех металлических сооружений, конструкций выполнено из данных металлов. Это прежде всего медь и золото, которые определили два огромных периода в истории развития человечества — бронзовый и железный века.
Наиболее распространенные легирующие элементы в сплавах на основе железа: никель, марганец и кобальт. Они известны человечеству немногим более 200 лет, но в ХХ в. эти металлы обеспечивали три важнейших свойства сплавов — прочность, износостойкость и жаропрочность.
В эту группу входят также алюминий, магний и бериллий. У сплавов на основе данных металлов настолько много заслуживающих особого внимания свойств, что во многих областях техники они потеснили сплавы на основе железа. Итак, основных конструкционных металлов — восемь.
2. Тугоплавкие металлы. Тугоплавкими принято называть металлы с температурой плавления выше температуры плавления железа (1539°С). В данную группу входят одиннадцать металлов (в скобках приведена температура плавления): вольфрам (3370°С), рений (3170°С), тантал (3030°С), технеций (2700°С), молибден (2625°С), ниобий (2415°С), гафний (2130°С), цирконий (1930°С), ванадий (1919°С), хром (1890°С), титан (1668°С).
В группе драгоценных металлов также имеются тугоплавкие: осмий (2700°С), иридий (2443°С), рутений (2400°С), родий (1960°С), платина (1773°С). Однако в разделе тугоплавких они не рассматриваются, так как они как основа для конструкционных сплавов применяются редко.
3. Легкоплавкие металлы. В данную группу включены металлы, имеющие температуру плавления 500–950°С. Это германий, сурьма, кальций, стронций, барий, радий.
4. Особолегкоплавкие — 16 металлов с температурой плавления ниже 500°С, из которых шесть (натрий, калий, литий, цезий, рубидий, франций) принято называть щелочными. Остальные 10 металлов расположены вблизи условной границы металлы-неметаллы: цинк, свинец, олово, кадмий, талий, индий, галлий, ртуть, висмут, полоний.
5. Редкоземельные металлы. Сюда входят 17 металлов, из которых 15 — лантаноиды, а также скандий и иттрий.
6. Драгоценные металлы (раньше эти металлы назывались благородными). К ним относится золото, серебро, платина, палладий, рутений, родий, иридий и осмий. Всего восемь металлов.
7. Актиноиды и металлы, полученные синтезом.
Все металлы в основном светонепроницаемы (за исключением металлической фольги), находятся при комнатной температуре в твердом состоянии (кроме ртути), обладают высокой прочностью, хорошо формируются, отличаются высокой тепло- и электропроводностью.
Металлы подразделяют на черные и цветные, легкие и тяжелые. У легких металлов или их сплавов плотность (масса единицы объема) составляет менее 4,4 г/см3, а у тяжелых превышает это значение. К легким металлам относят алюминий, магний и их сплавы, титан; к тяжелым — железо, медь, свинец, олово и сплавы на их основе, золото.
Свыше 90 % всех металлов, применяемых в современном производстве, приходится на черные металлы.
Материалы — это вещества, полученные из сырья и служащие основой для производства полуфабрикатов, строительных деталей, готовых изделий. К ним можно отнести все, что человек преобразует на базе животного, растительного или минерального сырья, чтобы использовать в трудовом процессе в качестве исходного вещества для производства продукции или применить в качестве вспомогательного вещества для проведения и поддержания производственного процесса.
Техническое значение материала определяется его строением и выражается в его свойствах. Например, прочность при растяжении, сопротивление сжатию обеспечивают экономичность чугуна и сталей, использование изделий из которых связано с механическими нагрузками, в то время как для стекла важным показателем является светопроницаемость.
Совершенствование техники и технологии неразрывно связано с улучшением потребительских свойств, прогрессивным изменением структуры конструкционных материалов (тех, из которых изготавливают детали конструкций, машин и механизмов, воспринимающих силовую нагрузку). Определяющими параметрами конструкционных материалов являются их механические свойства (прочность, вязкость, надежность, ресурс).
Конструкционные материалы подразделяются:
- по природе материалов — на металлические, неметаллические и композиционные;
- по технологическому исполнению — на деформируемые (прокат, штамповки, поковки, прессованные профили), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием);
- по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износостойкие и др.
К металлическим конструкционным материалам относят чугуны, большинство выпускаемых марок сталей, никелевые и кобальтовые сплавы, алюминиевые, магниевые и титановые, а также сплавы, основу которых составляют медь, цинк, молибден, цирконий, хром и другие элементы.
Неметаллические конструкционные материалы — это различные виды полимеров, пластмассы, стекло, керамика, цемент, бетон, древесина и др.
Полимерные материалы — это соединения углерода и водорода с добавлением кислорода, хлора, азота. Исходным сырьем для их производства являются нефть, природный газ, уголь. Современные конструкционные пластические массы пригодны для использования в таких наукоемких отраслях промышленности как электронная, радиотехническая, медицинская, приборостроение. Они отличаются легкостью, прочностью и во многих случаях не уступают металлам. Из общих ресурсов пластмасс примерно 25 % может быть направлено для замены металлов, в том числе 70 % для замены черных металлов, 20 % для замены тяжелых цветных металлов и 10 % для замены алюминия.
Наибольшее значение среди конструкционных пластмасс имеют полиофелины, полиамидные смолы, полистирол, стеклопластики, фенопласты, поливинилхлориды, термопласты (полиформальдегид, поликарбонат), карбамидные пресс-порошки, пено- и поропласты. Они находят применение в машиностроении, строительстве, судо- и автомобилестроении и многих других производствах. Так, трубы из пластмассы во многих случаях могут быть использованы вместо стальных, например, в системах водоснабжения, газификации, орошения. При этом каждая тонна таких труб может заменить 4–5 т стальных труб. Сочетание пластмасс с металлом позволяет получить новый материал, имеющий комплекс свойств, присущих обоим этим материалам, и превосходящий по долговечности конструкционную сталь при более низких издержках производства.
Стекло и керамику получают из мелкозернистого песка с добавлением известняка, соды и других материалов. Стекло является эффективным заменителем стали и других металлов при производстве труб. Оно обладает высокой коррозионной стойкостью, прозрачностью, имеет гладкую поверхность, инертно к перекачиваемой среде и высокогигиенично. Стекло находит применение в пищевой промышленности, в химическом, гальваническом и других производствах. Упрочняющая обработка стеклянных изделий позволяет увеличить их прочность в 3–5 раз при одновременном повышении термостойкости. Керамика — перспективный конструкционный материал, обладающий высокой прочностью и твердостью, хорошими электро- и теплоизоляционными свойствами, высокой коррозионной стойкостью.
Основой для изготовления цемента является известняк. Цемент и различные виды бетона (железобетон, полимербетон, армополимербетон) успешно используются для изготовления конструкций, деталей технологического оборудования.
Значительное применение находят лесные конструкционные материалы. Треть территории суши Земли занята лесом, а на долю России приходится 27,1 % лесов мира. Древесина — это возобновляемое сырье с широким спектром использования. Она применяется для изготовления древесно-стружечных, древесно-волокнистых, облегченных плит, деревянных, клееных конструкций, слоистых материалов (сваривание слоев шпона) и др. Улучшение качества лесоматериалов достигается за счет их сушки и обработки антисептиками. Все большее развитие получает облагораживание поверхности древесных плит, например, напрессование на их поверхность полимерных пленок, текстурных бумаг, пропитанных смолами, печатание текстуры с последующим покрытием лаком и т. п. Древесина применяется не только в строительстве, промышленности или в качестве топлива, но и для производства целлюлозы — сырья для бумаги.
Важным условием эффективного использования лесных богатств является своевременное и качественное восстановление леса, его породного состава, повышение биологической продуктивности, недопущение ухудшения водного режима и обеднения животного мира. Немаловажное значение имеет и совершенствование технологии производства и использования древесины, снижение отходов и их переработки.
- Композиционные материалы — металлические или неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей (волокон, дисперсных частиц и др.).
Они сочетают высокую прочность с легкостью и стойкостью. Их применение в машинах, оборудовании, сооружениях позволяет снизить:
- массу конструкций на 25–30 %;
- трудоемкость изготовления в 1,5–3 раза;
- энергоемкость производства в 8–10 раз;
- материалоемкость производства в 1,6–3,5 раза.
При этом ресурс техники может быть увеличен в 1,5–3 раза, потери от коррозии сокращены до минимума, снижен расход топлива на движущихся машинах.
Идеальный материал должен одновременно соответствовать следующим требованиям: быть легким, прочным, нехрупким, свариваемым, коррозионностойким, способным собираться в конструкции, обладать одинаковыми свойствами по всем направлениям, утилизируемым. Однако такого материала в настоящее время нет.
Поскольку запасы природного сырья не безграничны, а безотходные технологии не получили широкого применения, весьма актуальной является проблема переработки отходов, производства и использования вторичных материалов. Такие процессы разработаны и применяются для металлолома, макулатуры, стеклянного боя, отходов резины и других материалов. Так в настоящее время отходы железа могут быть использованы вторично практически на 100 %, алюминия — на 85 %, стекла — на 50 %, полимеров — на 25 %.