47788

Основи технологій в галузях народного господарства

Конспект

Лесное и сельское хозяйство

Ливарне виробництво Загальні відомості про ливарне виробництво Способи виготовлення відливок Контроль якості відливокСутність ливарного виробництва полягає у виготовлення деталі або заготовки шляхом заливання рідкого металу в ливарну форму порожнина якої за розмірами і конфігурацією відповідає готовій деталі. Технології ливарного виробництва забезпечують можливість: виготовлення деталей різної форми різної маси...

Украинкский

2013-12-02

2.92 MB

24 чел.

Міністерство освіти і науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ України

Кременчуцький НАЦІОНАЛЬний університет

імені Михайла Остроградського

КУРС ЛЕКЦІЙ

з навчальної дисципліни

„Основи технологій в галузях народного господарства”

для студентів денної форми навчання

за напрямом 6.050403 – “Інженерне матеріалознавство”

Частина ІІ

Кременчук 2012

Технології виробництва машин та устаткування

Тема 14 Ливарне виробництво

  1.  Загальні відомості про ливарне виробництво
  2.  Способи виготовлення відливок
  3.  Контроль якості відливок

1. Загальні відомості про ливарне виробництво

Ливарним виробництвом називають галузь машинобудування, яка займається виготовленням заготовок технологіями лиття.

Лиття – один із найдавніших і найпоширеніших способів виготовлення виробів і заготовок.

У загальному машинобудуванні литтям одержують близько 60 % всіх виробів, у верстатобудуванні – біля 80 % продукції. Сутність ливарного виробництва полягає у виготовлення деталі або заготовки шляхом заливання рідкого металу в ливарну форму, порожнина якої за розмірами і конфігурацією відповідає готовій деталі. Деталі (або заготовки), що одержуються методами лиття, називають виливками (або відливками). Після кристалізації і затвердіння металу виливки виймають із форми.

Технології ливарного виробництва забезпечують можливість:

• виготовлення деталей різної форми, різної маси (від кількох грамів до сотень тонн), різної довжини (до 3 м) із стінками завтовшки від 2 до 500 мм;

• використання різних металевих сплавів з різними механічними властивостями (в тому числі важкооброблюваних різанням);

•  виготовлення великої кількості однакових деталей;

• максимального наближення форми виливка до форми готової деталі, що забезпечує мінімальні відходи металу.

Нові методи точного лиття зумовили широке застосування виливків у авіації, ракето-, судно- і приладобудуванні, радіоелектроніці та інших галузях. Багато деталей з жароміцних і корозійностійких сплавів для хімічного машинобудування можна виготовити тільки литтям.

Для лиття придатні лише сплави і метали з високими «ливарними» властивостями.

Найбільшу кількість лиття – близько 70 % від маси всіх виливків – виробляють із сірого чавуну (включаючи модифікований і високоміцний), близько 20 % стальне лиття, близько 8 % лиття з ковкого чавуну, мідних, алюмінієвих, магнієвих і титанових сплавів.

2. Способи виготовлення відливок

В сучасному ливарному виробництві існують такі способи одержання виливків: у разових формах; у металевих формах (кокілях); під тиском; за виплавними моделями; відцентровим литтям.

Технологічний процес виготовлення виливка (спрощений) складається з наступних операцій:

- виготовлення креслення виливка на основі креслення деталі;

- виготовлення моделі на основі креслення виливка;

- виготовлення ливарної форми за моделлю;

- заливання виготовленої форми рідким металом;

- вибивання виливка з форми та його очистка;

- контроль якості готового виливка.

Виготовлення виливків у разових формах

Найпоширенішими способами лиття в разові форми є лиття в піщано-глинисті форми.

Для виготовлення разової форми необхідні: модельний комплект, формові і стержневі суміші.

Моделі і стержневі ящики для одиничного та дрібносерійного виробництва роблять дерев'яними, а для масового виробництва – із пластмас або із сплавів алюмінію з міддю.

При виготовленні моделей враховують припуск на механічну обробку і усадку. Щоб легше було виймати частини моделі із форми, бічні поверхні роблять із формовим нахилом: у дерев'яних моделей 2 – 3°, у металевих моделей при ручному формуванні 1 – 2°, при машинному – 0,5 – 1°.

На рис. 14.1 подано схему виготовлення виливків у разовій формі.

На підмодельну плиту 1 встановлюють нижню половину моделі 2, що має формові уклони 4 на вертикальних поверхнях, ставлять нижню опоку 3 (металеву раму для утримання суміші, в якій ущільнюють суміш.

Модель покривають облицювальною формовою сумішшю шаром 20 –    30 мм. Цей шар ущільнюють руками, після чого опоку заповнюють наповнювальною формовою сумішшю і утрамбовують її пневматичною або ручною трамбовкою. Надлишок землі видаляють лінійкою і в формовій суміші душником наколюють отвори для виходу газів. Нижню півформу перевертають, підмодельну плиту знімають і поверхню роз'єму форми посипають дрібним роздільним піском. На заформовану половину моделі накладають другу половину моделі, ставлять верхню опоку, положення її фіксують штирями.

Для утворення ливника (ливник – канал для підведення рідкого металу в порожнину форми) і випору (випор забезпечує вихід повітря і газів із форми) встановлюють окремі моделі 5 і 6. Верхню опоку заповнюють формовими сумішами і процес повторюють. Виймають моделі ливника та випору, знімають верхню півформу, перевертають, прорізають ливниковий канал у площині роз'єму форми і обережно виймають із форми половинки моделі.

У нижню половину форми встановлюють стержень 7, після чого форму складають; вона готова для заливання.

Продуктивність ручного формування дуже низька, тому при серійному і масовому формуванні застосовують машинне формування.

Виготовлення виливків у разових піщано-глинистих формах при машинному і, особливо, при ручному формуванні, має значні недоліки: невисока точність і недостатня чистота поверхні виливків, необхідність залишати значні припуски на механічну обробку, утворення крупнозернистої литої структури. Для усунення цих недоліків широко впроваджуються спеціальні способи лиття, які розглянуті нижче.

Виготовлення виливків у кокілях

Суть способу виготовлення виливків у кокілях полягає в тому, що замість піщано-глинистої форми використовують багаторазову металеву – кокіль. У кокілях виготовляють виливки з кольорових сплавів, чавуну і, рідко, із сталі. Порівняно з піщано-глинистими формами кокіль має ряд переваг: підвищуються точність і чистота поверхні виливків; високі якість і щільність металу виливка; зменшується кількість пилу; значно підвищується продуктивність праці.

Недоліком цього способу є висока вартість кокіля, чим пояснюється їх застосування лише в серійному і масовому виробництвах.

Виготовлення виливків під тиском

Суть способу виготовлення виливків підтиском полягає в тому, що метал примусово заповнює металеву прес-форму.  Це усуває можливість утворення усадочних раковин, підвищує щільність і міцність  виливків. При цьому способі виливки не потребують механічної обробки. Литтям підтиском можна виготовити виливки з глибокими порожнинами, отворами малого діаметру (до 2 мм), з готовою різьбою, тонкостінні (близько 0,5 мм). Металеві прес-форми дуже складні і дорого коштують, тому лиття під тиском застосовують лише в масовому виробництві тонкостінних невеликих виливків з кольорових сплавів, які мають невисоку температуру плавлення.

Виготовлення виливків за виплавними моделями

Суть способу виготовлення виливків за виплавними моделями полягає в тому, що за нерознімною легкоплавкою моделлю виготовляють нерознімну разову ливарну форму моделі, яку потім витоплюють, а в утворену порожнину заливають метал. Виливки, одержані цим способом, мають точні розміри і високу чистоту поверхонь. Обсяг механічної обробки зменшується на 80 –    100 %. Цим способом можна одержувати виливки із сплавів з будь-якою температурою плавлення, а також важкооброблюваних різанням і тиском (жароміцні, жаростійкі, різальний інструмент із швидкорізальної сталі).

В сучасних ливарних технологіях використовують замість парафіну, воску, стеарину, з яких виготовляють моделі, полімер – стірол.

Виготовлення виливків відцентровим литтям

Суть способу виготовлення виливків відцентровим литтям полягає в тому, що метал заливають у кокіль, який обертається з певною швидкістю. Заповнення кокілю і кристалізація металу відбуваються під дією відцентрових сил, що забезпечує значну щільність металу, тому що важкий метал витискає гази і неметалеві домішки до внутрішньої порожнини виливка. Потім домішки видаляють при механічній обробці. Перевагою відцентрового лиття є високий вихід виробів (до 90 %). До недоліків способу слід віднести посилення ліквашї (неоднорідність хімічного складу виливка за перерізом) під впливом відцентрових сил у сплавах, схильних до неї. Тому хімічний склад виробів, отриманих з таких сплавів, неоднорідний.

3. Контроль якості виливків

Контроль якості виливків здійснюють з метою забезпечення якості на усіх стадіях виготовлення продукції і недопущення відхилень від вимог нормативно-технічної документації (браку).

Основними видами браку є:

- газові раковини (пузирі повітря або газів у тілі виливка);

- усадочні раковини – це відкриті або закриті пустоти в тілі виливка;

- холодні тріщини – розриви тіла виливка значної довжини;

- гарячі тріщини – розриви тіла виливка незначної довжини;

- недолив – неповний виливок.

Якщо брак невиправний, то виливок переплавляють. Якщо ж брак виправний, то виливки виправляють наплавленням, заварюванням, забиванням замазками або мастиками, усунення пористості.


Тема 15 Обробка металів тиском

  1.  Суть обробки металів тиском
  2.  Основні види обробки металів тиском
  3.  Технологічні процеси виготовлення заготівок

1. Суть обробки металів тиском

Обробкою тиском називають технологічний процес зміни форми та розмірів заготовок внаслідок пластичного деформування металів в гарячому чи холодному стані під дією зовнішніх сил.

Обробка тиском базується на використанні однієї з основних механічних властивостей металів – пластичності, яка проявляється в незворотній зміні форми та розмірів тіла під дією зовнішніх сил без порушення його цілісності. Пластична деформація супроводжується зміною структури та механічних властивостей металу. Механічні властивості литого металу після обробки його тиском підвищуються.

Підвищення механічних властивостей металу при обробці тиском дозволяє збільшувати навантаження на конструкції, виготовлені з нього, що сприяє зменшенню витрат металу.

Крім того, виготовлення виробів досягається пластичним переміщенням частинок металу, завдяки чому обробка тиском відзначається раціональним використанням матеріалу і незначними відходами.

Обробка тиском є високопродуктивним способом виготовлення виробів. І це зумовлює зростання ролі цього виду обробки в машинобудуванні.        

2. Основні види обробки металів тиском

Основними видами обробки металів тиском є: прокатка, пресування, волочіння, кування й об'ємне та листове штампування. Питома вага кованих і штампованих деталей і заготівок у машинобудуванні складає 50 – 60 %. Наприклад, використані в тракторах штамповані деталі складають 70 %, а в автомобілях – 80 % від загальної ваги всіх деталей.

Підлягають обробці металів тиском 90 % усієї сталі, що виплавляється,   55 % кольорових металів і сплавів.

Обробка металів тиском є одним із найважливіших і найбільш прогресивних методів обробки металів. Одержання деталей куванням або об'ємним штампуванням наближає заготівку до розмірів креслення, при цьому залишають мінімальні припуски на наступну механічну обробку.

Широке використання технологічних процесів обробки металів тиском пояснюється простотою, високою економічністю та продуктивністю технологічного процесу.

Пластичність металу визначається його складом. Чисті метали мають більшу пластичність, ніж сплави цих металів. Так, з підвищенням кількості вуглецю пластичність сталі зменшується. Сталі з вмістом вуглецю більше 1,5 % майже не піддаються куванню.

3. Технологічні процеси виготовлення заготівок

Найбільш поширеним видом обробки тиском металів, сплавів та інших конструкційних матеріалів є прокатка. Більше 75 % усієї виплавленої сталі піддається прокатці. Прокатують також велику кількість кольорового металу і різних сплавів.

Прокатка – вид обробки, при якому заготовка обтискається двома обертовими валками прокатного стану. Прокатний стан – це машина (система машин), яка виготовляє заготовки методом прокатування.

До 90 % всього прокату виготовляють повздовжньою прокаткою, коли заготовка переміщається перпендикулярно до осей валків, які обертаються в протилежних напрямках. Різні види прокатки показані на рис. 15.1.

У процесі поперечного прокатування (рис. 15.1, б) валки 1 обертаються в одному напрямі навколо паралельних осей і обертають у протилежному напрямі заготовку, яка деформується при примусовому її переміщенні вздовж валків.

При поперечному гвинтовому прокатуванні (рис. 15.1, в) валки 1, що розташовані під кутом один до одного, обертаються в одному напрямі і надають заготовці 2 обертального та поступального руху. У результаті складання цих рухів заготовка переміщується вздовж валків.

Після обробки отримують виріб, що називається прокатом.

Сукупність прокату, що випускається із зазначенням профілів та розмірів, називається сортаментом прокату.

Профіль прокату це форма його поперечного перерізу. Основні профілі прокату зображені на рис. 15.2.

За сортаментом продукцію прокатного виробництва поділяють на такі групи: сортовий прокат, листовий прокат, труби, спеціальний та періодичний прокат.

Профіті сортового прокату можуть бути загального призначення квадрат, круг, стрічка, кутник, швелер, двотаврова балка та ін. (рис. 15.2 а), та спеціального призначення рейки, профілі для автотракторобуду-ваня, суднобудування, транспортного машинобудування та інших галузей промисловості.

Листовий прокат поділяють на тонколистовий (товщиною менше 4 мм) і товстолистовий (товщиною більше 4 мм). Деякі види листової сталі призначені для окремих галузей промисловості. Серед них розрізняють сталь котлову, автотракторну, електротехнічну тощо.

Труби поділяють на дві групи: безшовні та зварні. Крім того, випускають труби фасонні та змінного перерізу.

До спеціальних видів прокату належать залізничні колеса (рис. 15.2 в), шестерні, кулі, підшипникові кільця, періодичний прокат (рис. 15.2 г), а також гнутий профіль (рис. 15.2 д).

Виготовлення заготівок пресуванням

Пресування полягає у витіснені металу із закритого об'єму крізь отвір у матриці. Профіль пресованого виробу відповідає перерізу цього отвору. Пресування – високопродуктивний та економічний спосіб обробки металів і сплавів, яким можна отримати суцільні та порожнисті профілі (рис. 15.3).

Пресовані вироби мають більшу точність, ніж поковки. Пресуванням виготовляють дріт діаметром 5 мм та більше, прутки 5 – 250 мм, труби товщиною стінки > 1,25 мм із зовнішнім діаметром 200 – 400 мм та інші вироби.

Вихідною заготовкою для пресування є відливка або круглий прокат.

Розрізняють пряме і зворотне пресування.

При прямому пресуванні напрям виходу металу крізь отвір у матриці  співпадає з напрямом руху пуансона, тиск якого на заготовку передається через прес-шайбу. Частина заготовки, що залишається в контейнері, називається прес-залишком. Маса його становить від 8 до 12 % від маси заготівки.

При пресуванні труб заготовка спочатку прошивається голкою, яка проходить крізь порожнистий пуансон. При подальшому переміщенні пуансона і прес-шайби метал видавлюється у вигляді труби крізь кільцевий зазор між стінками отвору матриці і голкою.

При зворотному пресуванні матриця розміщується на торці порожнистого пуансона, і метал витискується в напрямі, зворотному переміщенню пуансона. Цей метод відзначається меншими відходами (маса прес-залишка становить 6 – 10 % від маси заготовки) і меншим зусиллям пресування, але внаслідок складності обладнання і процесу, він застосовується обмежено.

Обладнанням для пресування можуть бути горизонтальні чи вертикальні гідравлічні преси з зусиллям 3 – 150 МН, робочим тиском рідини до 40 МПа.

Волочіння

Волочіння полягає в протягуванні (частіше в холодному стані) прокатних або пресованих заготовок крізь отвір у матриці (волоці), переріз якого менший за переріз заготовки. Інструментом для волочіння є волочильна матриця (волока), робочу частину якої виготовляють з інструментальних сталей, твердих сплавів або технічних алмазів.

Перед волочінням кінець заготовки загострюють, щоб він міг вільно пройти крізь отвір волока і для захвату її кліщами волочильного стану.

Волочіння застосовують переважно для виготовлення дроту малого діаметру (від 4 до 0,01 мм), а також для каліброваних прутків різного профілю і тонких труб (рис. 15.4).

Для отримання профілів потрібних розмірів волочіння виконують за кілька проходів крізь ряд отворів, переріз яких поступово зменшується. В результаті холодної пластичної деформації відбувається зміцнення металу.

Волочіння надає виробам чисту поверхню і точні розміри.

Кування

Куванням називають процес деформування заготовки під дією молота або преса. Виріб, виготовлений куванням, називають поковкою. Кування виконується або ударною (динамічною) дією на метал, де використовується енергія удару падаючих частин молота, або повільною (статичною) дією, де використовується тиск преса. Кування називають вільним процесом, тому що зміна форми металу при цьому виді обробки не обмежується стінками форм.

Кування може бути ручним і машинним. Ручне кування застосовують в умовах одиничного і дрібносерійного виробництва переважно при ремонтних роботах для штучного виготовлення дрібних поковок. Машинне кування дозволяє виготовляти поковки великої ваги у великій кількості за допомогою кувальних молотів і гідравлічних пресів. При виготовленні крупногабаритних деталей важкого машинобудування – турбін, гвинтів суден, деталей екскаваторів кування – єдиний спосіб їх отримання.

Заготовку кують між нижнім (нерухомим) і верхнім (рухомим) бойками молота або преса.

Технологічний процес штампування

Штампуванням називають метод обробки виробів деформуванням металу або інших матеріалів в заздалегідь виготовлених формах – штампах. Штамп – масивна стальна форма, що складається з двох окремих частин: нижньої нерухомої і верхньої рухомої, яка звичайно закріплюється до рухомої частини ковальсько-штампувальної машини.

Продуктивність штампування в десятки разів більше, ніж при куванні. При штампуванні досягається значно більша, ніж при куванні, точність розмірів і чистота поверхні, тому після штампування рідко деталі вимагають механічної обробки, звідси ясна перевага штампування перед куванням. Однак штампування вигідне в масовому і серійному виробництвах, тому що витрати на виготовлення штампів, виправдовуються лише при випуску значної кількості поковок. Штампування буває гаряче і холодне, об'ємне і листове.

Об'ємне штампування – процес одночасного деформування всієї заготовки в спеціальному інструменті – штампі.

На одному штампі залежно від матеріалу і типу поковки можна виготовити 10 – 25 тис. поковок.

Недоліком об'ємного штампування є складність і висока вартість штампів.  

Об'ємне штампування найбільш ефективне в масовому і багатосерійному виробництвах. Його використовують при виготовлення таких деталей як шатуни, розподільчі вали, важелі, рульові тяги.

Листовим штампуванням називається процес виготовлення плоских і об'ємних деталей з листа або стрічки за допомогою штампів. Листове штампування може бути гарячим і холодним. Гаряче листове штампування є менш поширеним процесом і використовується при виготовленні деяких корпусних деталей в суднобудуванні з листів товщиною більше 5 мм. Найбільш прогресивним методом обробки тиском, який одержав широке використання в промисловості є холодне листове штампування.

Перевагами холодного листового штампування є: економне використання матеріалу (відходи 15 – 20 %); масовий випуск і низька собівартість виробів, що виготовляються з високою точністю і якістю поверхонь; висока продуктивність обладнання з можливістю його повної автоматизації (випуск невеликих деталей досягає 50 – 60 тис. шт. в зміну з одного прес-автомата); простота роботи на штампувальних пресах. Найбільш ефективним є використання листового штампування в умовах масового і великосерійного виробництва.  Холодним листовим штампуванням виготовляють як досить великі деталі – рами і кузова автомобілів, деталі фюзеляжів і шасі літаків, елементи обшивки суден, так і дуже дрібні – деталі годинникових механізмів, авторучок тощо. До 98 % у виробництві товарів широкого споживання виготовляють з використанням листової штамповки (посуд, коробчасті деталі, гільзи, ковпачки); в автомобілебудуванні до 60 % всіх деталей виготовляють саме листовим штампуванням.

Основними напрямками розвитку у ливарному виробництві є:

  •  впровадження технологій електричного плавлення (в дугових та індукційних печах), використання яких дає змогу підвищення якості виливків, зменшення витрат енергії, поліпшення умов праці, підвищення ефективності виробництв;
  •  впровадження систем автоматизації, роботизації, комп'ютеризації процесів виробництва, контролю та управління;
  •  провадження інноваційних технологій лиття і нових матеріалів.


Тема 16 Процес зварювання

  1.  Характеристика зварювання та види зварних з’єднань
    1.  Термічні способи зварювання
    2.  Термомеханічні способи зварювання
    3.  Механічні способи зварювання
    4.  Паяння металів

1. Характеристика зварювання та види зварних з'єднань

В галузях народного господарства виробляють і використовують вироби, конструкції і споруди, окремі складові частини яких з'єднуються між собою рухомо та нерухомо.

Нерухомі з'єднання виконують роз'ємними та нероз'ємними. Одним із способів виготовлення не роз'ємних з'єднань є зварювання.

Зварювання – технологічний процес утворення нероз'ємного з'єднання матеріалів, деталей, споруд та конструкцій шляхом місцевого сплавлення, внаслідок чого отримуються міцні зв'язки між атомами (чи молекулами) з'єднуваних частин. Зварюванням з'єднують однорідні і різнорідні метали і їх сплави, метали з деякими неметалічними матеріалами (керамікою, графітом, склом та ін.), а також пластмаси.

Порівняно з іншими способами отримання нероз'ємних з'єднань (литтям, куванням, клепанням, клеєнням) зварювання економічно вигідний, високопродуктивний і значною мірою механізований технологічний процес, що широко застосовується практично у всіх галузях машинобудування у будівництві, на транспорті тощо.

Зварюванням отримують більш раціональні конструкції завдяки використанню різних профілів прокату. Якщо заготівки, отримані литтям, замінити на зварювані, економія металу може скласти 40 – 50%.

У випадках, коли замість кованих або литих виробів використовують зварні, знижується матеріалоємність.

Рівень технологій у машинобудуванні, приладобудуванні, будівництві та інших галузях народного господарства в багатьох випадках залежатиме від рівня технології зварювання.

Всі процеси зварювання здійснюються з використанням окремо або разом двох форм енергії – теплової і механічної.

У залежності від форми енергії, що використовується для утворення зварного з'єднання, всі види зварювання поділяються на три класи.

– термічний;

–  термомеханічний;

– механічний.

До термічного класу відносяться види зварювання, здійснювані плавленням з використанням теплової енергії (дугова, плазмова, електронно-променева, лазерна, електрошлакова, газова).

До термомеханічного класу відносяться види зварювання, здійснювані з використанням разом теплової енергії і механічної енергії тиску (контактна, дифузійна).

До механічного класу відносяться види зварювання, здійснювані з використанням механічної енергії різних видів (зварювання тиском, ультразвуком, вибухом, тертям).

За ступенем механізації зварювання поділяють на ручне, напівавтоматичне, автоматичне.

У процесі виготовлення зварних конструкцій деталі можна розташувати по різному. Основними видами з'єднань є: стикове, внапуск, кутове, таврове (рис. 16.1).

Рисунок 16.1 – Види зварних швів

а) стикове; б) внапуск; в) кутове; г) таврове

За розміщенням у просторі зварні шви поділяють на нижні, вертикальні, горизонтальні та верхні (рис. 16.2).

Рисунок 16.2 – Види розміщення зварних з'єднань у просторі                 

а) нижні; б) вертикальні; в) горизонтальні; г) верхні

2. Термічні способи зварювання

Термічне зварювання здійснюють за рахунок часткового плавлення елементів з'єднання. Кромки цих елементів (основний метал) і, в більшості випадків, присадний (додатковий) метал розплавляють, утворюючи загальну зону розплаву (зварювальну ванну). Після віддалення джерела теплоти, розплавлений метал затвердіває, утворюючи зварний шов, який з'єднує зварювальні елементи.

Найпоширенішим способом термічного зварювання є електродугове. Джерелом теплоти при дуговому зварюванні служить електрична дуга, яка виникає між електродом і заготівкою.

Дугове зварювання виконують ручним, напівавтоматичним і автоматичним способами.

Вироби великої товщини найчастіше зварюють цими способами.

Ручне дугове зварювання виконують зварювальними електродами, які подають в дугу і перемішують вздовж заготівки.

Ручне зварювання зручне при виконанні коротких і криволінійних швів в будь-яких просторових положеннях – нижньому, вертикальному, горизонтальному, при накладенні швів у важкодоступних місцях, а також при монтажних роботах і збиранні конструкцій складної форми.

При напівавтоматичному зварюванні електродний дріт подається автоматично, дуга переміщується вручну.

Для автоматичного дугового зварювання під флюсом використовують непокритий електродний дріт і флюс – порошкоподібні сполуки для захисту дуги і зварювальної ванни від кисню (окиснення) та азоту повітря (рис. 16.3). Подача і переміщення електродного дроту механізовані, процеси запалювання дуги автоматизовані.

Автоматичне зварювання під шаром флюсів виключає недоліки ручного і напівавтоматичного зварювання – малу продуктивність і недостатню якість шва.

На рис. 16.3 приведена схема автоматичного дугового зварювання під шаром флюсів, де показані дуга 4 та зварювальна ванна, що утворилася від плавлення електродного дроту 2 та країв виробу 1, щільно закриті шаром флюсів 3. Поверхня розплавленого металу 5 покрита розплавленим шлаком 6. Зварний шов 8 прикритий твердою шлаковою кіркою 7.

Порівняно з ручним зварювання під шаром флюсів має швидкість та продуктивність у 5 – 10 разів більшу, якість шва кращу, собівартість 1 м шва значно меншу, витрати електроенергії у 1,5 рази менші.

Автоматичне зварювання під флюсом застосовується в серійному і масовому виробництвах для виконання довгих прямолінійних і кільцевих швів в нижньому положенні на металі товщиною 2 – 100 мм. Автоматичне зварювання широко застосовують при виготовленні казанів, резервуарів для зберігання рідин і газів, корпусів судів, мостових балок і інших виробів. Для автоматичних ліній по виготовленню зварних автомобільних коліс, зварних прямошовних та інших труб цей вид зварювання є головним.

Електрошлакове зварювання розроблено спеціалістами інституту електрозварювання ім. Є. О. Патона НАН України. При електрошлаковому зварюванні (рис. 16.4) основний і електродний метали розплавляються

теплотою, що виділяється при проходженні електричного струму через шлакову ванну. Процес електрошлакового зварювання починається з утвореннях шлакової ванни в просторі між кромками основного металу і формуючими пристроями – повзунами. Між вертикально встановленими деталями  6, приставною початковою планкою 9 і повзунами 7 подають флюси і один або кілька електродних дротів 4, що знаходяться в електродотримачі 5. Після розплавлений флюсів і утворення достатньої кількості розплаву 3 електродний дріт опускають у розплав і горіння дуги припиняється. Струм продовжує проходити крізь розплав, продовжується подальше плавлення флюсів, країв виробів та електродного дроту. Метал, що потрапляє до зварювальної ванни 2 під час проходження через флюси, очищається від сірки, неметалевих включень, газів тощо. Шов 8 формується між повзунами, які охолоджуються водою 1.

Електрошлакове зварювання має ряд переваг в порівнянні з автоматичним зварюванням під флюсом: підвищену продуктивність, кращу макроструктуру шва і менші витрати коштів на виконання 1 м зварного шва.

Електрошлакове зварювання широко застосовують у важкому машинобудуванні для виготовлення ковано-зварних і лито-зварних конструкцій таких, як станини і деталі могутніх пресів і станків, колінчасті вали судових дизелів, ротори і вали гідротурбін, казани високого тиску.

При газовому зварюванні місце з'єднання нагрівають до розплав-лення високотемпературним газовим полум'ям. При нагріванні газозварювальним полум'ям кромки заготівок, що зварюються, розплавляються, а зазор між ними заповнюється металом, який вводять в полум'я пальника зовні. Газове полум'я отримують при згорянні горючого газу (ацетилену, водню або природного газу) в атмосфері технічно чистого кисню. При газовому зварюванні заготівки нагріваються більш плавно, ніж при дуговому; це і визначає основні області його застосування: для зварювання листових і трубчастих конструкцій з маловуглецевих і низьколегованих сталей завтовшки до 5 мм; при виправленні дефектів на виливках із чавуну і бронзи; для зварювання легкоплавких кольорових металів і сплавів та виконання наплавочних робіт.

При збільшенні товщини металу продуктивність газового зварювання різко знижується. При цьому за рахунок повільного нагріву вироби, що зварюються, значно деформуються. Це обмежує використання газового зварювання.

Електронно-променеве, лазерне та плазмове зварювання. Для зварювання нержавіючих металів, сплавів на основі алюмінію та титану, кераміки та металокераміки використовують електронно-променеве зварювання.

Зварювання відбувається у вакуумних камерах.

Для з'єднання виробів із міді та танталу, вольфраму і алюмінію, металів із неметалами, а також у випадках приварювання контактів напівпровідникових пристроїв, тонкоплівкових схем використовують лазери.                                    

Для з'єднання напівпровідникових матеріалів га діелектриків використовують плазмове зварювання.

Плазмовим зварюванням можна з'єднувати вироби товщиною 0,08 – 5 мм.

3. Термомеханічні способи зварювання

Термомеханічне зварювання ґрунтується на розігріванні контактних поверхонь зварюваних виробів до пластичного стану або до початку плавлення і механічному їх стисканні.

Електроконтактне зварювання відноситься до видів зварювання з короткочасним нагрівом місця з'єднання без оплавлення або з оплавленням розігрітих заготівок.

Товщина виробів та матеріал, з якого вони виготовлені, визначають час зварювання (від сотих часток секунди до кількох хвилин).

З усіх видів електроконтактного зварювання найчастіше використовують точкове, стикове та шовне.

Дифузійне зварювання застосовують для конструкційних матеріалів, які важко або неможливо зварити іншими способами (сталь з чавуном, метали із склом, кварцом), для хімічно активних металів при виготовленні відповідальних конструкцій у космічній техніці, радіоелектроніці, літако-, приладобудуванні, для отримання біметалевих і багатошарових виробів.

Сутність дифузійного зварювання полягає у взаємній дифузії атомів зварюваних виробів, внаслідок чого отримують нероз'ємні з'єднання.

Для прискорення процесу з'єднання вироби нагрівають до температури рекристалізації найлегкоплавкого матеріалу і стискують.

4. Механічні способи зварювання

Механічне зварювання здійснюють з використанням різних видів механічної енергії. З сучасних механічних способів зварювання найбільш поширеними є: холодне зварювання тиском, зварювання ультразвуком, тертям та вибухом.

Холодне зварювання тиском здійснюють за рахунок використання великих зусиль стискання контактних поверхонь виробів, очищених від оксидів і забруднень, що дає змогу проявитися міжатомним силам зчеплення внаслідок пластичного деформаційного взаємопроникнення часток з'єднуваних матеріалів.

Зварювання тиском переважно застосовують для з'єднання внапусток аби? у стик мідних і алюмінієвих прутків, дротів, а також виробів з нікелю, свинцю, олова.

У радіоелектроніці, приладобудуванні, авіаційній промисловості використовують ультразвукове зварювання, сутність якого полягає в тому, що під дією ультразвукових коливань поверхні виробів нагріваються та деформуються. При наближенні нагрітих поверхонь на відстань дії міжатомних сил між ними виникає міцний зв'язок.

В залежності від того, який матеріал зварюється, температура нагрівання становить 200 – 1200 °С. Ультразвуком успішно зварюють не тільки метали – мідь, алюміній і його сплави, титан, тантал, нікель   а також хлорвініл, поліетилен, капрон, нейлон, органічне скло.

Ультразвукове зварювання може бути точковим і шовним. Зварюють вироби товщиною 0,001 – 1 мм, а також приварюють тонкі листи до виробів різної товщини.

Для виготовлення різальних інструментів, пуансонів, штампів тощо використовують зварювання тертям.

Механічна енергія тертя перетворюється на теплову, збільшується пластичність металів, між металами контактуючих поверхонь виникають зв'язки, що призводять до утворення зварного з'єднання.

Цим способом можна з'єднати як однорідні, так і неоднорідні метали та сплави (наприклад, мідь із сталлю, алюміній з титаном).

5. Паяння металів

Паянням називають технологічний процес виготовлення нерозємних з'єднань металевих виробів, який ґрунтується на властивості розплавленого присадного металу (припою), температура плавлення якого менша, ніж основного металу, проникати (дифундувати) в поверхневі шари основного металу, нагрітого до температури плавлення припою.

Для дифузії потрібно, щоб поверхні, які спаюються, були очищені, особливо від плівок оксидів. Основний метал, як і рідкий припій, повинен бути захищений від окислення. Для видалення оксидів і захисту від окислення при паянні використовують флюси.


Тема 17  Технології обробки металів

  1.  Технологія процесу різання металів
  2.  Способи механічної обробки різанням
  3.  Хімічні та електричні способи обробки різанням
  4.  Термічна обробка металевих виробів
  5.  Технологічний процес складання машин

1. Технологія процесу різання металів

Обробку металів різанням використовують в усіх галузях народного господарства при виготовленні виробів (деталей, машин, устаткування, конструкцій).

Обробка металів різанням – це технологічний процес, що є частиною виробничого процесу, в ході якого з поверхні заготовки послідовно знімають шар (шари) металу з метою надання виробу запроектованих форми, розмірів і шорсткості поверхні.

Внаслідок великої трудомісткості та значних відходів металу в стружку обробка металів різанням належить до складних і дорогих технологічних процесів. Вартість обробки становить 30 – 40 % від вартості готового виробу. Це пояснюється тим, що в сучасному машинобудуванні ставляться високі вимоги до точності та якості поверхонь. Чим більші вимоги до точності та якості поверхонь, тим більша трудомісткість виготовлення деталей, тим складніше технологічний процес обробки

Точність виготовлення і обробки деталей визначає якість роботи машини.

Точність виготовлення деталі – це ступінь відповідності її розмірів усім вимогам робочого креслення, технологічним умовам, стандарту.

Точність характеризується квалітетом (від лат. gualitas – якість) – сукупністю допусків (допустимих відхилень розмірів від номінальних), які відповідають однаковій ступені точності для усіх номінальних (розрахованих) розмірів. Менше значення квалітету забезпечує більшу точність обробки. Квалітети позначають ІТ01, ІТ0, ІТ1, ІТ2 ... ІТ17. Квалітети від ІТ01 до ІТ5 використовують для інструментів і особливо точних виробів, ІТ12 – в машинобудуванні. Величину допустимих відхилень розмірів від номінальних по квалітетах установлюють міжнародні стандарти 150. В Україні розроблені державні стандарти ДСТУ, які відповідають міжнародним стандартам.

Показник якості обробленої поверхні – шорсткість – це сукупність нерівностей, що створюють рельєф поверхні деталі у межах певної ділянки. Шорсткість поверхонь залежить від метода і режиму обробки, якості різального інструменту, фізико-технологічних властивостей оброблюваного матеріалу тощо. Невідповідність вимогам до шорсткості поверхонь викликає передчасний знос виробів. Шорсткість позначається на кресленнях спеціальними позначками.

Наприклад 0,63, 1,25. На кресленнях шорсткість поверхні задається в мікронах.

Існують різні способи обробки металів: механічна обробка різанням на верстатах а також нові сучасні способи – фізичний, хімічний, лазерний, електроіскровий, анодно-механічний, хіміко-механічний, електрохімічний, ультразвуковий.

Економічна доцільність вибору способу обробки базується на принципах найменших витрат при виконанні необхідних технічних умов виготовлення виробу.

Найбільш поширеним способом обробки металів є механічне різання, яке виконують на верстатах різальним інструментом. Оброблювальні деталі можуть бути плоскими, циліндричними, складної криволінійної форми.

Для виготовлення деталей заготівку та інструмент закріпляють на верстатах.

У процесі різання із заготівки зрізують шар матеріалу у вигляді стружки, так званий припуск на механічну обробку.

У процесі різання розрізняють головний рух та рух подання.

Головний рух забезпечує процес різання (зняття стружки), а рух подання забезпечує допоміжну функцію — підвід заготівки в зону різання або відвід.

2. Способи механічної обробки різанням

Механічна обробка металів різанням є технологічним процесом необхідним для виготовлення, обслуговування і ремонту деталей, вузлів і агрегатів машин, устаткування і конструкцій.

Основними способами механічної обробки металів різанням є (рис. 17.2) точіння, свердління, фрезерування, стругання, шліфування.

Точіння – спосіб оброблення поверхонь заготівки, яка обертається навколо своєї осі, різальним інструментом – різцем.

Точінням обробляють циліндричні, конічні та фасонні зовнішні та внутрішні поверхні, нарізають різьбу. Процес точіння здійснюють на токарних, карусельних, револьверних, розточувальних верстатах, токарних і револьверних автоматах і напівавтоматах. Верстати токарної групи складають близько 50 % всього верстатного парку механічних цехів машинобудівних заводів.

У процесі точіння головний рух виконує заготівка, рух подання – інструмент.

Свердління – спосіб виготовлення отворів інструментом – свердлом. Свердління виконують на свердлильних, фрезерних верстатах, токарних і револьверних автоматах тощо.

При свердлінні головний рух виконує інструмент або заготівка, рух подання – інструмент.

Для отримання більш точних розмірів порівняно із свердлінням отвори обробляють зенкеруванням, розточуванням або розвертанням.

Зенкерування – обробка різанням стінок або вхідної частини отвору. Зенкерування роблять по чорних отворах у відливках, поковках або по просвердлених отворах.

Розточування використовують для отримання отворів та для обробки отворів з точними міжцентровими відстанями.

Розвертання – обробка отворів, де потрібна висока точність і чистота поверхні.

Фрезерування – спосіб оброблення плоских і криволінійних поверхонь заготівки різальним інструментом – фрезою.

Головним рухом є обертання фрези, а рухом подання – поступальне переміщення заготовки або фрези.

Фреза – багатолезовий інструмент, кожний різальний зуб якої має всі елементи будь-якого іншого різального інструменту.

Фрезерування здійснюють на фрезерувальних верстатах.

Струганням обробляють плоскості горизонтальні, вертикальні, паралельні, наклонні, пази канавки та фасонні поверхні.

Стругання – спосіб обробки поверхні деталі зворотно-поступальним переміщенням інструменту або заготівки.

Особливістю стругання є наявність холостого ходу, що знижує продуктивність верстатів, тому цей спосіб використовують в індустріальних виробництвах.

Шліфування – процес обробки поверхонь на верстатах шліфувальним інструментом. Найчастіше – шліфувальними кругами, іноді брусками, шкурками, пастами, які виготовляють із абразивних матеріалів (алмаз, корунд, карборунд) з метою досягнення точних розмірів та високої якості.

У більшості випадків шліфування є обробно-доводочною операцією, яка забезпечує точність до 0,002 мм і чистоту поверхні 0,15 – 1,2 мкм.

Найпоширеніші способи шліфування: кругле зовнішнє, кругле внутрішнє (для обробки отворів), для обробки площин – плоске шліфування.

Шліфування застосовують також для обдирних робіт (при очищенні виливків), заточування різального інструменту.

3. Хімічні та електричні способи обробки різанням

У сучасному машинобудуванні та інших галузях промисловості широко використовують тверді сталі та надтверді сплави, напівпровідникові матеріали, скло, кварц, рубіни, алмази тощо. Виготовляти вироби (деталі) з цих матеріалів механічним різанням дуже важко, а іноді неможливо внаслідок їх великої твердості та крихкості. Для виготовлення деталей з цих матеріалів використовують хімічний, електричний, ультразвуковий, плазмовий, лазерний та інші способи різання. Ці способи обробки різанням ґрунтуються на використанні електричної, хімічної, звукової, світлової та інших видів енергії.

Хімічний" спосіб обробки полягає в тому, що заготовку занурюють у хімічно активне середовище (розчин лугів, кислот). Поверхні, що не оброблюються, захищають від дії хімічного середовища покриттям лаками, фарбами, емульсіями тощо. Хімічним способом обробляють важкодоступні для інструменту поверхні.

При електричних способах обробки електроенергія перетворюється на теплову, хімічну або інші види енергії. Ці способи обробки поділяють на електрохімічні та електроерозійні.

При електрохімічному способі проходить анодне розчинення металу у разі пропускання крізь розчин електроліту постійного електричного струму. Цей спосіб застосовують для шліфування, полірування, очищення поверхні металів від оксидів тощо.

Електроерозійні способи різання полягають у обробці матеріалів електричними розрядами. У зоні різання енергія розрядів, які виникають між інструментом (анод) і заготівкою (катод), перетворюється в теплову енергію. Температура досягає 10000 12000 °С. Це спричиняє оплавлення та випаровування ділянок поверхні.

Електроерозійним способом обробляють вироби складної форми (штампи, прес-форми, отвори різної форми).

При електроіскровому способі різання використовують імпульсні іскрові розряди між заготівкою (анод) і інструментом (катод).

Анодно-механічний спосіб застосовують для обробки матеріалів, які проводять електричний струм. Цим способом прорізають пази, шліфують поверхні, заточують різальний інструмент.

4. Термічна обробка металевих виробів

В процесі виробництва деталей машин і металовиробів широко використовують термічну обробку (термообробку).

Термічною обробкою називають сукупність операцій теплової дії на матеріали і вироби з метою зміцнення структури механічних і фізичних властивостей.

Термообробку застосовують на різних стадіях виробництва. Вона може бути проміжною операцією, яка використовується для поліпшення оброблюваності матеріалів тиском, різанням, або заключною операцією, що забезпечує необхідний комплекс фізичних, механічних та експлуатаційних якостей виробів.

В основі термічної обробки лежать фазові та структурні перетворення, які відбуваються в металах і сплавах у процесі нагрівання до визначених температур, витримування їх за цієї температури певний час та охолодження з визначеною швидкістю.

Вибір термічних режимів проводять користуючись діаграмами стану сплавів.

В результаті термообробки вироби (заготовки або деталі) отримують певні пластичність, твердість, міцність, корозійну стійкість та інші якості.

Залежно від режимів проведення розрізняють такі види термічної обробки: відпал, гартування, відпускання, старіння та обробку холодом.

Відпал – процес нагрівання виробів до визначеної температури, витримування певний час і повільного охолодження.

Відпал призначений для зміни форми і розмірів зерен кристалічної будови, усунення фізичної і хімічної неоднорідності, зняття внутрішніх напружень від попередніх обробок (прокатування, кування або лиття), зниження твердості, покращення умов для наступної обробки різанням.

Гартування – процес нагрівання виробів до визначеної температури і швидкого охолодження з метою фіксації високотемпературного стану і структури матеріалу, підвищення твердості.

Важливим моментом у процесі гартування є швидкість охолодження, яка визначає структуру матеріалу, що утворюється. Швидкість охолодження залежить від застосованого охолодного середовища, яким звичайно може бути вода, водні розчини солей і лугів, або мінеральні мастила.

При гартуванні виробів виникають значні внутрішні напруження, деталі стають крихкими. Тому після гартування застосовують технологічну операцію – відпускання.

Відпускання – це процес нагрівання металу, витримування його при заданій температурі і охолодження на повітрі (іноді в мінеральному маслі або воді).

Відпускання пом'якшує дію гартування, знижує внутрішні напруження, зменшує твердість і крихкість, підвищує в'язкість, пластичність, пружність металу.

Старіння – вид термообробки, який використовують для релаксації (ослаблення) внутрішніх напруг.

Природне старіння – витримування на складі протягом тривалого часу в умовах дії змінних факторів – температури, вологості та інших.

Штучне старіння – нагрівання виробів в печах до 100 – 150 °С і охолодження разом з печами.

Обробка холодом — вид термообробки при негативних температурах         (- 60 ÷ - 70 °С). Проводиться після гартування перед відпусканням (в разі необхідності) в середовищі твердої вуглекислоти (сухого льоду). В результаті вироби одержують стабільну структуру, розміри, деяке підвищення твердості та зносостійкості.

5. Технологічний процес складання машин

Складання машин – це заключна стадія виробництва машин. Трудомісткість складальних робіт досягає 20 – 50 % загальної трудомісткості виготовлення машин. Від якості складання залежать експлуатаційні показники виробу, його надійність, працездатність і довговічність.

Складання є послідовним сполученням деталей в складальні одиниці, механізми і машини. Виріб, залежно від його складності, може бути розчленований на декілька складальних одиниць. Будь-який процес складання містить такі стадії:

  •  Підгонка і обробка деталей в складальні одиниці (характерна, як правило, для одиничного і дрібносерійного виробництва).
  •  Попереднє складання — з'єднання окремих деталей в прості складальні одиниці і агрегати (механізми).
  •  Загальне складання.
  •  Регулювання та випробовування виробу.

Технологічний процес складання розробляють для кожної стадії і оформляють у вигляді технологічних карт, схем, які є основною технологічною документацією.

В залежності від обсягу випуску продукції застосовують складання стаціонарне та рухоме.

При стаціонарному складанні виріб повністю складається на одному місці (посту), до якого подаються всі деталі і складальні одиниці, виконує його одна бригада робітників. Цей метод використовується в одиничному та малосерійному виробництвах.

При рухомому складанні виріб, що складається, послідовно перемішується по робочих місцях, на яких виконуються певні складальні операції. Таке складання застосовується в масовому та багатосерійному виробництвах. Рухоме складання є поточним, тому поділяється на операції, що потребують однакового часу для їх виконання, що відповідає такту складання. При цьому переміщення виробу (рух конвеєра) може бути безперервним або періодичним. При безперервному складанні операції виконуються в процесі руху конвеєра, швидкість якого повинна забезпечувати виконання складальної операції на даному робочому місці і відповідати такту складання. При періодичному переміщенні складальна операція виконується під час зупинки конвеєра.

Важливим завданням складання є механізація операцій та автоматизація всього складального процесу.

Автоматичні складальні лінії використовують на автомобільних заводах, підприємствах радіотехнічної промисловості, точної механіки, сільськогосподарського машинобудування.

Останньою стадією складання машин є контроль і випробування виробів. Окремі вузли проходять контроль у процесі складання.

Існує вибірковий і обов'язковий контроль. Обов'язковому контролю підлягають відповідальні вузли. Випробування машин є перевіркою параметрів, які отримала машина в процесі виготовлення.

На основі результатів випробувань роблять висновки про якість виробу і виписують паспорт.


Тема 18 Технології хімічних виробництв

  1.  Структура хімічної промисловості України
  2.  Хіміко-технологічні процеси (ХТП)
  3.  Виробництво основних видів хімічної продукції
  4.  Нафтопереробна промисловість

1. Структура хімічної промисловості України

Підприємства хімічного комплексу належать до виробництв, що визначально впливають на розвиток більшості інших галузей: гірничо-хімічної і металургійної промисловості, енергетики і нафтопереробки, агропромислового комплексу, харчової, легкої та фармацевтичної промисловості.

Базою хімічної промисловості є хімічні технології та хімічне машинобудування.

Хімічна технологія – наука про найбільш економічно та екологічно обґрунтовані методи хімічної переробки сировини та напівпродуктів у засоби виробництва і предмети споживання.

Підприємства хімічного комплексу України виробляють понад 130000 різних хімічних продуктів. Хімічна промисловість забезпечує інші галузі напівпродуктами для переробки, а населення – товарами споживання.

Хімічні підприємства виробляють продукцію, що замінює метали, скло, деревину, шкіру. Переробляючи на хімічних підприємствах нафту, газ і вугілля отримують бензини і мастила для двигунів, кокс, пластмаси, гуми і синтетичні каучуки, хімічні волокна і барвники, вибухові речовини, добрива і засоби захисту рослин, парфумерію і фармпрепарати, штучну шкіру і синтетичні миючі засоби, тару і художньо-декоративні вироби, лаки і фарби, будівельні матеріали, клеї та інші продукти.                           ,

Хімічна промисловість використовує різноманітну сировину: мінеральні й органічні корисні копалини, компоненти флори та фауни, синтетичні напівпродукти і промислові відходи, природні води і повітря.

Для розвитку хімічних виробництв Україна має достатню сировинну базу: вугілля, нафту і газ, кам'яну і калійні солі, сірку і графіт, гіпс, вапняки і доломіти, глини, природні і морські води.

Різноманітність хімічної продукції пояснюється тим, що хімічні технології дають можливість отримати із одного матеріалу кілька різних продуктів, або, навпаки, певний продукт – із різних видів сировини.

Згідно із прийнятою класифікацією продукцію хімічної промисловості поділяють на 7 класів:

•  продукція неорганічної хімії і гірничо-хімічна сировина;

•  полімери — синтетичні каучуки, пластмаси і хімічні волокна;

• лакофарбні матеріали і продукти;

•  синтетичні барвники й органічні напівпродукти;

•  продукти органічного синтезу (нафто-, коксо- та лісохімія);

•  хімічні реактиви і особливо чисті речовини;

•  медикаменти і хіміко-фармацевтична продукція.

Основу хімічної промисловості України становить виробництво неорганічних кислот, соди, глинозему, мінеральних добрив, продуктів нафтоперероблення, полімерів, медикаментів і фармпрепаратів. Витоки хімічних технологій сягають давнини і стосуються, переважно, виробництва ліків та пороху. Одні з перших рецептів чорного пороху були записані не пізніше 1250 р.

Початок промислового виробництва основних хімічних продуктів у Європі відноситься до XV ст., коли з'явились дрібні спеціалізовані виробництва кислот, лугів, солей, фармпрепаратів та деяких органічних речовин. В XVIXVII ст. Росія мала власні хімічні виробництва фарб, селітри, пороху, соди, сірчаної кислоти.

Основними тенденціями сучасного розвитку хімічної промисловості є перехід до безперервних, автоматизованих, безвідходних, енергозберігаючих виробництв з широким використанням біотехнологічних процесів. Сучасні хімічні технології спрямовані, насамперед, на розв'язання глобальних проблем людства: збереження і поповнення продовольчих запасів переробкою нехарчової сировини, енергозбереження і попередження забруднення біосфери.

До провідних напрямів еволюції хімічних технологій належать: створення нових видів хімічної продукції багатоцільового призначення (водню, аміаку, метанолу), поглиблення комплексної переробки мінеральної сировини, нафти і газу, а також створення нових хімічних джерел струму та систем перетворення енергії.

2. Хіміко-технологічні процеси (ХТП)

Хіміко-технологічний процес – сукупність взаємопов'язаних фізичних та хімічних операцій, реалізація яких у певній послідовності дозволяє із вихідної сировини чи напівпродуктів отримати цільовий продукт.

Крім підготовки сировинних компонентів та виділення і очищення цільових продуктів, хіміко-технологічні процеси (ХТП), як правило, включають три стадії: 1) подачу реагуючих компонентів у зону реакції; 2) хімічні реакції; 3) відведення із зони реакції отриманих продуктів.

Хімічні реакції є серцевиною ХТП.

Технологічний режим – це сукупність основних факторів (параметрів), що впливають на швидкість хіміко-технологічних процесів, вихід та якість продукту.

Для більшості ХТП основними параметрами є: температура Т, тиск р, каталізатор і його активність, концентрації взаємодіючих речовин, спосіб і параметри змішування компонентів.

Характер і значення параметрів технологічного режиму покладено в основу класифікації ХТП.

Найпростішою є класифікація ХТП за наступними критеріями: 1) видом вихідної сировини; 2) типом основної хімічної реакції; 3) способом організації процесу; 4) кратністю обробки сировини.

За видом вихідної сировини ХТП поділяють на процеси по переробці мінеральної, рослинної і тваринної сировини.

За типом основної хімічної реакції ХТП поділяють на процеси, ґрунтовані на:

•  простих і складних реакціях;

• оборотних і необоротних реакціях;

•  гомогенних і гетерогенних реакціях;

•  каталітичних реакціях;

•  екзотермічних і ендотермічних реакціях;

•  електрохімічних реакціях;

•  фотохімічних реакціях;

•  радіаційно-хімічних реакціях.

Прості реакції є одностадійними, а складні – багатостадійними.

Необоротні та оборотні реакції протікають в одному чи зустрічних напрямках відповідно.

Гомогенні і гетерогенні реакції протікають між речовинами, що знаходяться в одній чи різних фазах відповідно.

Каталітичні реакції протікають за участю каталізаторів.

Екзотермічні та ендотермічні реакції протікають з виділенням та поглинанням тепла відповідно.

Електрохімічні та фотохімічні реакції протікають під дією електроструму та оптичних випромінювань відповідно.

Радіаційно-хімічні реакції протікають під дією іонізуючих випромінювань.

За способом організації процесу ХТП можуть бути періодичними, безперервними і комбінованими.

У періодичних процесах сировину вводять в реактор окремими порціями, а після завершення циклу також дискретно виводять цільовий продукт.

У безперервних процесах сировину вводять в реактор постійним потоком. Після її перетворення в реакторі у цільовий продукт, останній також безперервно виводять з реактора.

Комбіновані процеси можуть характеризуватися різними комбінаціями безперервності та дискретності введення сировини і виведення продукту.

Хімічні перетворення здійснюють у спеціальних реакторах.

Хімічний реактор – технологічний апарат, в якому здійснюють хіміко-технологічні процеси, що поєднують хімічні реакції з масо переносом (дифузією).

Допоміжні апарати для підготовчих та заключних операцій у технологічних схемах розташовані до та після реактора. Основне призначення апаратів, розташованих перед реактором, – підготовка сировини і реагентів до реакції, а апаратів, розташованих за реактором, – розділення і концентрування продуктів реакції або їх очищення від шкідливих домішок.

3. Виробництво основних видів хімічної продукції

Серед різноманітної продукції хімічної промисловості неорганічні кислоти займають провідне місце як за тонажністю, так і щодо застосування в різних галузях виробництва.

Найбільш широко застосовуються сульфатна (сірчана) кислота (Н2SO4), нітратна (азотна) кислота (НNO3) і хлоридна (соляна) кислота (НСl).

Cірчана кислота2SO4)безводна сульфатна кислота являє собою важку маслянисту рідину (щільність при 20 °С 1830 кг/м3, температура кипіння при атмосферному тиску 296,2 °С, температура кристалізації – 10,5 °С).

Сульфатна кислота використовується для виробництва добрив, неорганічних і органічних кислот, солей, для одержання штучних і синтетичних волокон, вибухових речовин, отрутохімікатів, барвників, лаків, деяких лікарських речовин, при переробці харчових продуктів.

Як сировину для виробництва сульфатної кислоти використовують самородну сірку і сірчаний колчедан (FеS2), окрім цього, широко використовують промислові відходи, що містять сірку.

Азотна кислотаNO3) – безводна нітратна кислота – важка безбарвна рідина щільністю 1520 кг/м3 при 15 °С, що димиться на повітрі і замерзає при    - 41 °С.

Обсяг виробництва нітратної кислоти менший, ніж сульфатної, по тоннажу вона є другою кислотою після сульфатної. В основному, нітратна кислота витрачається для одержання мінеральних добрив, а також у виробництві барвників, вибухових речовин, у промисловості органічного синтезу, у якості окислювача ракетного палива, у виробництві нітролаків, кіноплівки.

Сучасне виробництво нітратної кислоти засновано на процесах окислення аміаку з наступною переробкою оксидів Нітрогену.

Промисловість випускає розведену, слабку і концентровану нітратну кислоту. Слабка НNO3 (45 – 60 %) зберігається в резервуарах з нержавіючої сталі, невеликі партії в скляних суліях. Концентровану кислоту зберігають у резервуарах, а перевозять у залізничних цистернах з алюмінію.

Хлоридна кислота (НС1) – безбарвна рідина з різким запахом щільністю 1180 кг/м3 (при концентрації 35 % хлористого водню у воді), залежно від способу одержання випускається концентрацією від 19 до 38 %.

Хлоридна кислота використовується для одержання хлористих солей барію, цинку, амонію, у гідрометалургії, у гальванопластиці, для виробництва органічних напівпродуктів і синтетичних барвників, оцтової кислоти, активованого вугілля, при дубінні та фарбуванні шкіри.

Аміак NH3 Нітроген – один з найважливіших елементів, що забезпечує життєдіяльність організмів. У природі мінеральні сполуки нітрогену зустрічаються досить обмежено у зв'язку з його інертністю як хімічного елемента. Лише в Чилі і Південній Африці знаходяться придатні для використання в промисловості запаси натрієвої селітри NaNO3. Тому для людства життєво важливою проблемою є одержання «зв'язаного азоту» – тобто сполук азоту.

Аміачний метод зв'язування атмосферного азоту – це взаємодія азоту з воднем з одержанням аміаку: N2 + 3Н2 2NН3 + Q.

У загальному виробництві азотних сполук понад 90 % припадає на аміак.

При звичайних умовах аміак безбарвний газ з характерним різким їдким запахом. При охолодженні до - 33 °С він зріджується, а при - 78 °С твердне, утворюючи безбарвну кристалічну масу.

Рідкий синтетичний аміак випускають трьох сортів: аміак першого сорту призначений для холодильних машин, другого сорту – для одержання нітратної кислоти, добрив і, нарешті, вищого сорту – для синтезу органічних сполук.

Речовини, що містять елементи, необхідні для живлення рослин, і ті, що вносять у ґрунт із метою одержання високих стійких врожаїв, називають мінеральними добривами.

Особливості технологій виробництва азотних добрив

Азотні добрива – це речовини, що містять азот. Найбільше розповсюджені добрива:

  •  безводний аміак;
  •  карбамід (сечовина);
  •  аміачна селітра;
  •  сульфат амонію.

Ці добрива отримують синтетичним шляхом, виходячи з аміаку і нітратної кислоти.

Фосфорні добрива – мінеральні добрива, що містять фосфор. Фосфор засвоюється рослинами у вигляді Р2О5, стимулюючи в них синтез хлорофілу, жирів і вітамінів.

Сировиною для виробництва фосфорних добрив служать природні апатити і фосфорити. Промисловість випускає простий і подвійний суперфосфат у вигляді гранул або порошку сірувато-білого кольору.

Калійні добрива – калій необхідний для фотосинтезу і росту рослин, формування стебла, забезпечення цукристості м'якоті й аромату плодів.

Як калійні добрива застосовуються хлориди, сульфати, карбонати й інші солі калію. У загальному обсязі їхнього виробництва біля 90 % складає хлорид калію КСl, що одержують із сильвініту (КСl + NаСl).

Полімери – це речовини природного або штучного походження, макромолекули яких складаються з однакових, багаторазово повторюваних груп атомів, що називаються мономерними або елементарними ланками. Число елементарних ланок, що входять до складу макромолекули, може складати від 100 до 1000 і більше.

Властивості полімерів залежать від хімічного складу елементарних ланок і від структури полімерів.

Для проведення процесів синтезу полімерів необхідні різні мономери, що одержують на основі продуктів переробки деревини і паливних копалин: кам'яного вугілля, нафти, природних і нафтових супутніх газів.

Різноманіття продукції промисловості органічного синтезу обумовлює необхідність у досить різноманітних сировинних матеріалах. Так, наприклад, асортимент тільки основних видів пластмас налічує багато десятків найменувань. Сировина для виробництва включає більш як 300 різних хімічних продуктів і напівпродуктів.

Сировину для виробництва полімерів можна умовно розділити на такі групи: коксохімічна – бензол, фенол, ксилоли, крезоли, резорцин, фенантрен, ацетанафтен, етилен, нафталін; нафтохімічна, що одержується при переробці нафти. нафтопродуктів і побічних газів /нафтовидобутку, – етилен, пропілен, бутилен, ацетилен, бензол, фенол, ацетон; сировина, одержувана при переробці природного газу, – ацетилен, метанол; аміак, карбамід; мінеральна сировина – хлор, сірчана кислота, оксид кальцію; рослинна сировина – целюлоза, фурфурол.

Нафтохімічна сировина і продукти переробки природних газів складають 90 – 95 %/ від загального обсягу сировини усіх видів.

З полімеризаційних полімерів широко використовуються поліетилен, полістирол, поліхлорвініл і його сополімери, фторпохідні поліетилену, поліакрилати, поліпропілен, поліізобутилен, полівінілацетат, поліформальдегід.

Серед усіх полімеризаційних полімерів поліетилен є полімером універсального призначення. Він має високу хімічну стійкість, діелектричні властивості, водонепроникність, здатність подовжуватися при витягуванні, в 3 – 5 разів, міцність на удар та при вигинанні. Поліетилен легко переробляється у вироби і напівфабрикати: тонкі плівки, стрічки, аркуші, щітки, прутки, бруски, труби.

Застосовується поліетилен у хімічній промисловості як самостійний конструкційний матеріал (труби, шланги, деталі арматури), так і у вигляді різних захисний антикорозійних плівок футерувальних пластин, хімічного лабораторного посуду, а також як гідроізоляційний і пакувальний матеріал. Типова структура споживання поліетилену: понад 50 % як електроізоляцію проводів і кабелів, близько 20 % у виробництві труб, 15% на одержання плівки і листових матеріалів і близько 75 % на інші потреби.

Пластмаси – матеріали, що одержують на основі природних або синтетичних полімерів, здатні при нагріванні переходити до пластичного стану і під тиском здобувати форму, що стійко зберігається після охолодження або тужавіння і при подальшій експлуатації.

Найважливіші фізико-механічні властивості пластмас – низька щільність, досить високі міцність та електроізоляційна властивість, хімічна стійкість, низька теплопровідність. Крім того, пластмаси можуть бути оптично- і радіопрозорими, пружними або еластичними. З них легко формуються вироби.

Щільність різних пластмас складає 900 – 2500 кг/м3, тобто вони в середньому в 2 рази легші за алюміній, у 5 – 8 разів легші від сталі, міді, свинцю, бронзи.

Механічні властивості пластмас значною мірою залежать від наявності в їхньому складі наповнювачів. Найбільш високу міцність мають пластмаси з волокнистими або шаруватими наповнювачами (азбест, скловолокно, скляна або бавовняна тканина, папір, деревна шпона).

Пластмаси не проводять електричний струм, окремі види їх є найкращими діелектриками в сучасній техніці.

На відміну від металів, більшість пластмас не взаємодіють не тільки з водою, а й з різними кислотами, лугами і без антикорозійного покриття використовуються в хімічному машинобудуванні.

Вироби з пластмас найчастіше одержують методами: гарячого пресування, лиття під тиском, екструзії (видавлювання), видування, обробки різанням.

Пресуванням гарячим способом одержують також шаруваті матеріали, що являють собою тканину, папір або деревну шпону, просочені розчином смоли і спресовані в аркуші, трубки або профілі.

Лиття під тиском найбільш раціональне при використанні термопластичних пластмас як формувального матеріалу. При цьому способі розм'якшена при нагріванні пластмаса видавлюється через ливникові канали в порожнини закритої форми.

Екструзія (видавлювання) є окремим випадком лиття під тиском. Цим способом із пластмас виготовляють труби, прутки, різні профілі, а також наносять ізолюючу оболонку на електропроводи.

Видування застосовується для формування порожніх і відкритих виробів з термопластичних матеріалів.

Каучуки і гума

Каучук і отримана з нього гума – продукти хімічної промисловості, що знаходять різноманітне застосування.

Каучуками прийнято називати полімерні матеріали, що відрізняються високою еластичністю, тобто здатністю до значних деформацій при порівняно невеликих навантаженнях. Еластичність каучуку пояснюється тим, що утворюючі його макромолекули мають лінійну структуру й у звичайних умовах вигнуті або згорнуті в спіралі. При розтяганні каучуку кінці молекули розсовуються і молекули орієнтуються по напрямку сили, що розтягує. При знятті навантаження кінці молекул знову зближуються.

За призначенням каучуки поділяються на дві групи: універсальні загального призначення для виробництва виробів широкого вжитку і спеціального призначення, що використовуються для виробництва виробів з особливими властивостями: хімічно-, тепло-, морозо-, мастильно- і бензостійких.

Перетворення каучуків на гуму здійснюється внаслідок процесу вулканізації. Вулканізація – процес утворення містків між молекулами каучуку і перетворення його в тривимірну просторову молекулярну структуру. Такий каучук характеризується підвищеною термічною стійкістю і міцністю, зниженою розчинністю і хімічною стійкістю.

За призначенням гуми поділяють на такі групи: загального призначення, призначені для експлуатації при температурах від - 50 °С до + 150 °С; теплостійкі, використовувані для виробів, що довгостроково працюють при температурах вище 150 °С; морозостійкі, стійкі при температурах нижче             - 50 °С; маслостійкі, що йдуть для виготовлення деталей, які працюють у тривалому контакті з бензином, мастилом, нафтою; стійкі в агресивних середовищах і такі, що використовують для виготовлення виробів, що контактують з кислотами, лугами; електроізоляційні, призначені для ізоляції струмопровідних жил проводів, кабелів; стійкі до дії радіації і такі, що застосовуються для виготовлення деталей рентгенівських апаратів, спеціального захисного одягу; пористі, що застосовують для виготовлення теплоізоляційних прокладок, що амортизують, взуттєвих підошов, сидінь автомобілів і літаків.

4. Нафтопереробна промисловість

У світі пальне роблять з нафти. Нафта – це продукт природного розкладання органічних залишків живих організмів у товщі земної кори. Під дією температури і тиску в присутності каталізаторів органічні речовини перетворилися на суміш рідких вуглеводнів різної будови і їхніх сполук з іншими елементами.

Перший нафтопереробний завод в Україні був побудований у 1816 р. у   м. Дрогобичі (Львівська обл.). Цим був розпочатий процес переробки нафти не тільки в Україні, а й у всій Європі.

Склад і класифікація нафти

Нафта являє собою маслянисту рідину від жовтого до чорного кольору з характерним запахом і щільністю в межах 780 – 1040 кг/м3.

Нафту щільністю нижче 900 кг/м3 називають легкою, вище 900 кг/м3

важкою. 

Видобуток і підготовка нафти до переробки

Нафта, просочуючись крізь пористі породи затримується в складках або зрушеннях щільних порід і формується в поклади. Для її видобутку свердлять шпари, глибина яких звичайно досягає 1 – 2 тис. м; глибинне ж свердління проводять на 3 – 4 і навіть 5 тис. м.

Видобуток нафти здійснюється двома способами: фонтанним та глибинно-насосним.

При фонтанному способі видобутку нафта під пластовим тиском до        40 МПа піднімається до гирла шпари і через спеціальну арматуру високого тиску надходить на очищення, а потім у герметизовані ємності або нафтопроводи. Фонтанний спосіб видобутку нафти застосовується тільки в початковий період існування шпар, коли тиск у шарі досить високий. Він продуктивний (20 – 40 т за добу) і дешевий.

При глибинно-насосному способі на дно шпари опускається спеціальний насос, що підкачує нафту до гирла шпари. Одержувана зі шпари нафта містить домішки: воду (10 – 30 %), розчинені в ній солі, частки породи (3 – 5 %), а також газоподібні фракції вуглеводнів – супутніх газів (1 – 4 %).

Класифікація та властивості нафтопродуктів

Після переробки нафти отриману продукцію можна умовно розділити на три групи:

• палива, що одержують з нафти, за призначенням поділяються на зріджені та стиснуті паливні гази, рідкі палива для карбюраторних двигунів (бензин, гас), для двигунів із запаленням від стиску (дизельне паливо), для реактивних двигунів (реактивне паливо), для котельних установок (котельне паливо);

• мастила розділяються на моторні, індустріальні, мастила для роботи при підвищеній температурі, спеціальні мастила;

• інші продукти – це всі продукти нафтопереробки, за винятком тих, котрі використовуються як сировина для подальшої хімічної переробки (розчинники, керосини для освітлення, парафін, вазелін, бітуми нафтові, пек, просочувальні матеріали, електродний кокс та сажа).                                                        |

Особливу групу складають продукти, що є сировиною для органічного або нафтохімічного синтезу. До них належать низькомолекулярні насичені вуглеводні (метан, етан, пропан, бутан), низькомолекулярні ненасичені вуглеводні – олефіни (етилен, пропілен, бутилен і ін.), ароматичні вуглеводні і їхні похідні (бензол, толуол, ксилол, нафталін і ін.), сірчисті та сполуки, що містять кисень.

Марки, властивості й основні показники якості більшості нафтопродуктів регламентовані стандартами.

Для бензину найбільш важлива властивість – антидетонаційна стійкість, що визначається октановим числом. Октанове число визначається відсотковим вмістом малосхильного до детонації ізооктану (С8Н18) порівняно з присутнім у паливі нормальним гептаном (С7Н16), що згоряє з вибухом і викликає передчасний знос двигуна. Оскільки детонаційна стійкість ізооктану умовно прийнята за 100 одиниць, а н-гептана за 0, якість палива тим краща, чим більше в ньому ізооктану і, отже, чим вище октанове число. Автомобільні бензини мають октанові числа 66, 72, 76, 93, 95 та 98, авіаційні – 70, 91, 95, 100, тракторний бензин – 40 і 45.

Однією з найважливіших властивостей дизельного палива є його здатність займатись при впирскуванні в камеру згоряння, де знаходиться стиснуте повітря. Займистість дизельного палива оцінюється цетановим числом, що дорівнює об'ємному вмістові цетану (СН34) у такій його суміші з метилнафталіном, що при стандартних умовах випробовувань має однакову займистість з досліджуваним паливом. Найбільше цетанове число (до 70 – 80) характерне для парафінових вуглеводнів нормального ряду, найменше – для ароматичних вуглеводнів. Таким чином, чим більше цетанове число, тобто чим більше в паливі парафінів і менше ароматичних сполук, тим вища якість дизельного палива. Для тихохідних двигунів (з числом обертів менше 1000 за хвилину) використовуються солярові масла з цетановим числом від 40 до 50.

Реактивне паливо застосовують у реактивних і газотурбінних двигунах. В основному це керосини, що містять бензинові й важкі фракції і різні присадки, призначення яких збільшити термічну стабільність палива, підсилити мастильні і послабити абразивні властивості продуктів згоряння.

Мастила застосовуються у всіх двигунах, що рухаються, для зменшення тертя і відводу тепла, що досягається завдяки утворенню на поверхні тіл, що труться, масляної плівки. Кращими температурно-в'язкісними властивостями і найбільшою стійкістю характеризуються ароматичні вуглеводні. Для забезпечення необхідного терміну служби мастило повинно бути стійким до окислювання і дії високих температур, мати корозійну стійкість.

Консистентні мастила одержують додаванням до мастил загусників – мила, сульфідів, силікатів тощо і спеціальних присадок, що приводить до поліпшення в'язкісно-температурних властивостей і робить їх придатними до застосування в тих випадках, коли звичайне рідке мастило не може бути використане через особливі умови роботи або конструкції вузла тертя.

Технологічні процеси перероблення нафти

Пряма або фракційна перегонка нафти. Практично вся сира нафта після попереднього очищення піддається перегонці на фракції, фракційна перегонка заснована на різниці в температурі кипіння окремих фракцій вуглеводнів, близьких за фізичними властивостями.                          

З вихідної суміші одержують три фракції. Одна з них, що залишилася рідкою при кипінні, містить переважно висококиплячі компоненти; друга, що сконденсувалася, має склад, близький до складу вихідної суміші; третя, пароподібна, містить переважно низкокиплячі компоненти.

За рахунок однократних або багаторазових процесів кипіння і конденсації отриманих фракцій можна домогтися досить повного поділу низько- і висококиплячих компонентів. Така перегонка дозволяє розділити нафту на фракції за температурами їхнього кипіння.

Технологічний процес перегонки складається з чотирьох операцій: нагрівання суміші, випаровування, конденсації й охолодження отриманих фракцій.

Нагрівання нафти і нафтопродуктів здійснюються в трубчастих печах, поділ сумішей на фракції проводиться в ректифікаційних колонах.

Продукти прямої перегонки нафти умовно розділяють на три групи: паливні фракції, масляні дистиляти і гудрон. Найбільш цінна масляна фракція – бензинова (температура кипіння до 180 – 200 °С, С5 – С11). Вихід бензинів при прямій перегонці нафти становить тільки 3 – 15 %. Наступна масляна фракція – лігроїни (температура кипіння 105 – 220 °С, С8 – С12). Звичайно вихід лігроїнової фракції становить 7 – 10 %. Вихід керосинів – ще однієї масляної фракції з температурою кипіння 140 – 330 °С, що містить вуглеводні С9 – С18, – становить 8 – 20 %. Далі відокремлюється газойль (температура кипіння 180 –400 °С, С12 – С24) з виходом 7 –15 % і, нарешті, мазут (температура кипіння вище 300 °С, містить, крім вуглеводнів, парафін, маслянисті і смолисті речовини), вихід якого найбільший – 50 – 60 %.

Масляні дистиляти відокремлюються при температурі 350 – 550 °С. Вихід масляних дистилятів з нафти становить 20 – 25 %.

Гудрон складається зі смолистих речовин, парафінів і важких вуглеводнів циклічної будови, вихід його залежить від повноти відгону мастил і звичайно становить 15 – 30 %.

Таким чином, первинна переробка нафти дає лише грубі фракції порівняно невисокого виходу і низької якості. Тому більшість з цих фракцій піддають додатковій вторинній термічній переробці.

Крекінг нафтопродуктів, термічний і каталітичний

Порівняно малий вихід бензину 3 – 15 % при прямій перегонці нафти обумовив необхідність розробки методу одержання легких фракцій з важких з використанням крекінг-процесу.

Крекінг (розщеплення, руйнування) нафтопродуктів полягає в розщепленні довгих молекул вуглеводнів, що входять у висококиплячі фракції, на більш короткі молекули легких, низькокиплячих продуктів.

Головний фактор, що викликає руйнування молекул, – температура, одночасно великий вплив на хід і напрямок процесу крекінгу мають каталізатори. Розрізняють два види крекінгу: термічний і каталітичний.

Термічний крекінг – найбільш розповсюджений вид переробки нафтопродуктів. Найчастіше його ведуть під високим тиском (температура 450 – 500 °С і тиск 2 – 7 МПа).

Способи очищення нафтопродуктів

Відомі такі способи очищення нафтопродуктів:

• хімічні;

• адсорбційні;

• селективні;

• каталітичні.

Вибір способу очищення залежить від природи домішки і від цільового призначення нафтопродукту.

Хімічні методи очищення полягають в обробці нафтопродуктів хімічними реагентами, найчастіше кислотами (Н2SO4) або лугами (NаОН), що взаємодіють зі смолистими, сірчистими, азотистими речовинами, нафтеновими кислотами, фенолами й ін.

Адсорбційне очищення полягає у використанні адсорбентів, так званих відбілюючих глин. 

Домішки адсорбуються на поверхні глин і в такий спосіб видаляються з нафтопродуктів. Адсорбційне очищення, як правило, застосовують на завершальному етапі.

Селективне очищення засноване на вибірковому розчиненні у визначеному розчиннику продукту, що очищається, Цей метод є основним при виробництві високоякісних мастил.

При каталітичних методах очищення використовуються відповідні каталізатори. Один з розповсюджених методів очищення із застосуванням каталізатора – гідроочищення. Продукт, що очищується, обробляється воднем при підвищеному до 5 – 7 МПа тиску і при температурі 250 – 430 °С. Гідроочищенню піддають палива й мастила, що дозволяє майже цілком видалити з нафтопродуктів сірку.

Технологічні схеми сучасних нафтопереробних виробництв

В залежності від видів цільових продуктів розрізняють нафтопереробні заводи трьох основних профілів: паливної, паливно-масляної, глибокої переробки нафти. На заводах першого профілю цільовими продуктами є палива, побічними – гази і нафтовий кокс.

На виробництвах паливно-масляного профілю цільовими продуктами, крім палив, є мастила. Як побічні продукти одержують бітуми, парафін, церезин, нафтові мила.

Продуктом глибокої переробки нафти є сировина для нафтохімічних виробництв. Глибока переробка э основним профілем більшості нафтопереробних заводів.


Тема 19 Деревообробна промисловість

  1.  Лісопромисловий комплекс України
  2.  Лісозаготівля та лісопильне виробництво
  3.  Переробка деревини

1. Лісопромисловий комплекс України

 Лісопромисловий комплекс України включає лісогосподарський, деревообробний, целюлозно-паперовий, лісохімічний підкомплекси.

Лісогосподарський комплекс складається з двох підгалузей: лісового господарства і лісозаготівельної промисловості.

Лісове господарство займається лісовідтворенням (лісництва) і лісозаготівлею (лісгоспзаги). Лісовідтворення – це розширення площ лісів, поліпшення їхнього видового складу, підвищення продуктивності лісів та їх охорона.

Заліснення України становить 14,3 %. Характерними є досить повільні темпи приросту лісопокритих площ. Ліси України поділяють на дві групи. До першої, яка займає 48 % загальної площі лісів, належать водоохоронні, захисні, санітарно-гігієнічні та оздоровчі ліси, а також заповідники, національні парки та інші спеціальні ліси. Деревина там заготовлюється тільки під час догляду, санітарних і лісовідновних робіт. До другої групи (52 % площі лісів) належать ліси, що мають захисне та обмежене експлуатаційне значення.

Заготовляють ліс для використання у лісопильній, фанерній, целюлозно-паперовій промисловості, а також у будівництві, гірничодобувній промисловості. Ліс в Україні заготовлюється в основному в Івано-Франківській, Закарпатській, Волинській, Житомирській, Київській і Чернігівській областях.

Підприємства деревообробного підкомплексу розміщені як в районах лісозаготівлі, так і в районах споживання. Однією з найважливіших галузей підкомплексу є лісопильна, 80 % підприємств цієї галузі зосереджені у Карпатському економічному районі. Виробництво фанери зосереджено в основному у Львові, Києві, Чернівцях, Оржеві і Костополі.

Важливими галузями деревообробної промисловості є виробництво деревно-стружкових плит і меблів. Виробництво деревно-стружкових плит розміщено в Костополі, Сваляві, Брошневі, Києві і Тетереві. Проте ця галузь відстає від потреб меблевої промисловості. Тому значна кількість меблів ввозиться з інших країн.

Меблеве виробництво є однією з найбільш потужних галузей деревообробки (приблизно 50 % зайнятих у деревообробці).

Найбільші меблеві підприємства розташовані у Києві, Харкові, Ужгороді, Мукачевому, Одесі, Луганську, Дніпропетровську, Донецьку, Івано-Франківську, Чернівцях та інших містах.

Надзвичайно поширене виробництво будівельних матеріалів з дерева, а саме вікон, дверей, паркету, плінтусів. Найбільш масове, виробництво організоване у Карпатському, Волинському, Київському економічних районах, а також в інших містах з привізної деревини.

Целюлозно-паперова промисловість в Україні розвинена недостатньо. Виробництво зосереджене на Обухівському (Київська обл.), Жидачівському (Львівська обл.) картонно-паперових комбінатах, Рахівській картонній фабриці (Закарпатська обл.), Херсонському целюлозному заводі, паперовій фабриці в Понінці (Хмельницька обл.) і Малині (Житомирська обл.). Целюлозу виробляє Ізмаїльський комбінат в Одеській області.

Окрему підгалузь лісового комплексу становить лісохімічний підкомплекс.

Основними центрами лісохімії є Великий Бичків, Перечин, Свалява (Закарпатська обл.), Коростень (Житомирська обл.), Київ.

Для виготовлення виробів із деревини застосовують пиломатеріали, чорнові столярні заготовки, лущений і струганий шпон, плити столярні, деревностружкові, деревоволокнисті, фанерні, фанеру клеєну.

2. Лісозаготівля та лісопильне виробництво

Лісозаготівля – це сукупність виробничих операцій, які здійснюють на ділянках, призначених під вирубку.

Кожен лісозаготівельний пункт поділяють на кілька ділянок – лісосік. Такі ділянки лісового масиву виділяють під порубку там, де переважна кількість дерев вже досягла оптимальних розмірів. Кожна ділянка займає площу близько 7 – 25 га.

Лісозаготівельні роботи складаються з кількох процесів: підготовка лісосіки, розбивання на ділянки для вирубки, прокладання трелювальних шляхів, вирубка лісу, розпилювання деревини на круглий сортамент і вивезення її в місця заготівель до проміжних або кінцевих пунктів.

Підготовляють лісосіки до розробки спеціальні, підготовчо-монтажні бригади, до обов'язків яких входять: розчищення площі під верхній склад, обладнання відвантажувального майданчика і стоянки для тракторів, побудова складів під пальне та мастила, монтаж електроосвітлювальної і телефонної мереж, прорубування трелювальних шляхів.

Рубання лісу може проводитись у будь-яку пору року. Воно складається з таких операцій:

• відпилювання або відрубування стовбура від кореня;

• обрубування верхівки і очищення стовбура від сучків (так званих хлистів).

Рубають ліс ручним і механічним способами. Механізацію рубання лісу здійснюють за допомогою ручних бензомоторних і електричних пилок. Для обрубування гілок і сучків застосовують дискові і ланцюгові ручні електричні пилки, стаціонарні гілкорізи і механічні гілкоруби.

Транспортують лісові матеріали з ділянок лісосіки до верхнього складу і вантажного майданчика трелювальними тракторами, а в болотистих місцях – трелювальними лебідками. На верхньому складі стовбури розпилюють на частини – колоди, сортують їх за довжиною та товщиною і перевалюють на транспортні засоби для вивезення на нижній склад.

На нижній склад лісоматеріали транспортують по магістральній дорозі – ґрунтовій, льодовій або лежневій – тракторами і автолісовозами, а по вузькоколійних залізницях – мотовозами. Нижні склади будують у пунктах, де лісовозні дороги прилягають до сплавної ріки або залізниці. На нижніх складах створюють цехи деревообробки, лісопиляння, заготівлі шпал та ін.

На складах матеріали розвантажують, сортують, укладають у штабелі і вантажать на залізничний транспорт за допомогою ланцюгових або стрічкових транспортерів, лебідок, автокрана.

Сплавляння лісу набагато дешевше, ніж перевезення його залізничним або водним транспортом.  

Круглий лісоматеріал, що надходить з лісозаготівельної промисловості, на лісопильних заводах розпилюють на бруси, дошки, шпали та ін. Лісопильні заводи мають склад сировини, лісопильний цех, склад пиломатеріалів і допоміжні цехи. Деякі лісопильні заводи мають лісосушарні і деревообробні цехи; поряд з пиломатеріалом вони випускають різні готові вироби: комплекти дерев'яних вузлів, деталі будинків, готову дерев'яну тару, пристрої для текстильних виробництв, взуттєві колодки, меблі та ін.

Основна продукція лісопильного заводу – товарний матеріал, який випилюють з круглого матеріалу на спеціальних лісопильних рамах.

 Лісопильна рама – це машина, яка складається з кількох прямих пиляльних полотен, що встановлені в одній рамі і здійснюють поступально-зворотний рух у вертикальній площині. Відходи лісопиляння (до 25 % за об'ємом) переробляють на планки, дощечки, деревно-волокнисті плити; а також на деревний спирт.

Усі лісоматеріали класифікують за породою деревини, розмірами і характером обробки. Для надання пиломатеріалам потрібної форми, а також для виготовлення з них різних деталей застосовують спеціальні верстати.

Розпилюють деревину на круглопиляльних, стрічкових і лобзикових верстатах. У круглопиляльних верстатах різальним інструментом є дискова пилка. Ці верстати дають змогу розпилювати матеріал у поперечному і поздовжньому напрямках з великою швидкістю різання – до 60 м/сек і більше.

Стрічкові верстати застосовують для поздовжнього, поперечного і криволінійного розпилювання матеріалу зі швидкістю різання до 20 – 30 м/сек. Різальним інструментом у них є нескінченне стрічкове пиляльне полотно. Для випилювання матеріалу складних кривих контурів застосовують лобзикові верстати. У таких верстатах різальним інструментом є закріплена в затискачах тонка вузька пилка, яка може рухатись зворотно-поступально.

Для вирівнювання поверхні матеріалу або доведення товщини пиломатеріалу до потрібних розмірів застосовують стругальні верстати.

Для фасонної обробки матеріалів прямолінійних або криволінійних контурів і виготовлення різних профілів, пазів, гребенів, шипів та ін. застосовують фрезерні верстати.

Для обробки деталей особливо складної форми застосовують спеціальні копіювальні верстати. Деталі, що мають форму тіл обертання, обробляють на токарних і токарно-копіювальних верстатах.

Механічну обробку деревини здійснюють на лісопильних підприємствах, деревообробних заводах, будівельних майданчиках і в деревообробних цехах різних машинобудівних заводів.

Продукт лісопильного виробництва – лісоматеріали, які мають одну форму і оброблені однаковим способом, називають сортаментом. Кожен сортамент поділяють на розміри, що мають свої назви, а кожний розмір за якістю поділяють на сорти.

За формою і розмірами поперечного перерізу пиломатеріали діляться на види, що мають різноманітні назви.

Пластина – це половина розпиляної вздовж по осі колоди. Четвертина – половина розпиляної вздовж по осі пластини.

Двокантний брус – пиломатеріал з двома паралельними площинами однакової ширини, відстань між якими 100 мм і більше. Площини бруса називаються постелями. Двокантний брус з різною шириною постелей називають шпалою.

Трикантний брус – це пиломатеріал з трьома площинами, що йдуть вздовж осі колоди, дві з яких паралельні між собою; відстань між ними 100 мм і більше; третя площина перпендикулярна першим двом, відстань від неї до осі колоди більше 100 мм.

Чотирикантний брус — пиломатеріал з чотирма площинами, що ідуть вздовж осі колоди. Протилежні сторони його паралельні, сумїжні –перпендикулярні. Відстань між паралельними сторонами 100 мм і більше.

Дошка — пиломатеріал, товщина якого менше 100 мм, а відношення ширини до товщини більше 2. Широка сторона називається пластю, вузька – кромкою. Площина, що утворюється при обрізанні дошки впоперек волокон, зветься торцем дошки. Товщина дошки визначається відстанню між пластями, ширина — відстанню між кромками. Довжина дошки – це найкоротша віддаль між торцями. Лінія, де сходяться пласть і кромка, називається ребром.

Розрізняють дошки обрізні і необрізні. В обрізних дошках всі кромки або окремі ділянки кромок утворюються площинами. В необрізних дошках обидві кромки є частиною поверхні колоди. Така поверхня називається обзелом. Обзел може бути гострим і тупим. Якщо вся ширина кромки зайнята обзілом, то його називають гострим. Гострий обзілом може бути у необрізної дошки; в обрізної дошки він може бути на одній з кромок або на частині довжини кромки. Якщо у обрізної дошки кромка утворена площиною, а між кромкою і пластю залишилася частина обзілу, його називають тупим. Дошку, що не має обзілу, називають чисто обрізною.

Брусок – пиломатеріал, що має в перерізі форму прямокутника, відстань між паралельними сторонами якого менше 100 мм, а відношення ширини бруска до товщини становить від 2 до 1. Тонкі короткі бруски товщиною менше 30 і довжиною менше 3000 мм називають і планками.

Обапіл – пиломатеріал, одержаний з бічної колоди.

Обапіл горбильний (горбиль) – якщо випукла сторона обапілу не пропилена або пропилена менш, ніж на 1/2 його довжини. Обапіл дощатий — коли випукла сторона обапілу обрізана (пропилена) більш, ніж на 1/2 його довжини.

Рейка – обрізана частина кромки, зрізана у дошки.

Короткі дошки і бруски, розміри яких за перерізом і довжиною відповідають або кратні розмірам майбутніх деталей, що виробляються з них, називаються чорновими заготовками. Чорнові заготовки повинні мати припуск матеріалу на обробку і усушку. В процесі виготовлення пиломатеріалів одержуються шматкові відходи.

Виробництво фанери

Фанерою називаються тонкі дерев'яні пластини або листи, які застосовують як будівельний і столярний матеріал. Залежно від способу виробництва розрізняють фанеру ножову, або облицювальну, і клеєну.

Клеєну фанеру виготовляють з трьох або більше шарів лущеного шпону, склеєних між собою так, що волокна суміжних шарів перехрещуються (рис. 19.1 б).

Таке розміщення волокон надає фанері більш рівномірної міцності і рівності її поверхні.

Клеєну фанеру широко застосовують у різних галузях промисловості. З неї виготовляють понад 2000 різних виробів. Технологічний процес виробництва клеєної фанери складається з таких основних операцій: розпилювання колод на кряжі, пропарювання кряжів, знімання кори з кряжів, лущення шпону, розрізання шпону на листові заготовки, сушіння шпону, нанесення клею на шпон, заготівля листів (пакетів) і їх склеювання під тиском, обрізка кромок, усунення дефектів та оздоблення, пакування готової продукції.

З пропарених розм'яклих кряжів знімають кору і подають на лущильні верстати. Лущильний верстат – це звичайний тип токарного верстата з обертовим шпинделем і поперечним супортом, на якому закріплений у вигляді різця довгий ніж з притискним пристроєм. Ніж, підведений до кряжа, що обертається, зрізає неперервну стружку шпону потрібної товщини (рис. 19.1 а).

Клеєну фанеру виготовляють з берези, вільхи, сосни, осики, липи, дуба, смереки і ялини. Листи клеєної фанери виготовляють довжиною від 1220 до 2440 мм, шириною від 1220 до 1520 і товщиною від 1 до 19 мм. Листи фанери товщиною понад 12 мм називають фанерними плитами. Фанеру ножову виготовляють з твердих і цінних порід деревини – дуба, ясеня, горіха, червоного дерева, зрізуючи тонкі листи деревини на спеціальних фанерно-стругальних верстатах і застосовують для оздоблення (фанерування) столярно-меблевих виробів. Крім розглянутих сортів, фанерні заводи виготовляють спеціальну фанеру: армовану – обклеєну листовим металом; веніровану – обклеєну з двох боків або з одного шпоном цінних порід; вогнетривку і водотривку – покриту галалітом, пластмасою, водотривкою хімічною сполукою; покрівельну — обклеєну папером, просоченим тольовою масою.

Столярно-меблеве виробництво

Столярно-меблеве виробництво складається із окремих стадій технологічного процесу. Технологічна схема сучасного столярно-меблевого виробництвам узагальненому вигляді наведена на рис. 19.2.

Першою і другою стадіями технологічного процесу є сушіння та розкроювання матеріалів на заготовки.

Третьою стадією технологічного процесу є механічна обробка чорнових заготовок струганням, фрезеруванням, пилянням на верстатах або за допомогою ручних інструментів. Цією обробкою заготовкам надають потрібної геометричної форми та розмірів. Такі заготовки називають чистовими.

Рисунок 19.2 – Технологічна схема столярно-меблевого виробництва

Чистові заготовки піддаються склеюванню та личкуванню. Кінцевою обробкою чистових заготовок, виготовлених з масивної деревини, деревних матеріалів, склеєних або личкованих, є виготовлення з'єднуючих елементів (шипів, провушин, гнізд тощо), надання відповідного профілю окремим елементам і шліфуванням доводять поверхні деталі до потрібної шорсткості. Процес складання виробів можна розділити на ряд стадій. Перша з них – складання деталей у складальні одиниці (щити, рамки, коробки та ін.) і друга – складання (монтаж) складальних одиниць у виріб.

При виготовленні виробів з деревини застосовують різні способи з'єднання деталей у складальні одиниці і складальних одиниць у вироби. Основним способом отримання нерознімних з'єднань є клейові з'єднання. Такі з'єднання забезпечують високу міцність. І в ряді випадків міцність клейового з'єднання вища від міцності деревини й деревинних матеріалів. Крім цього, клейові з'єднання застосовуються не тільки для отримання складальних одиниць при виготовленні виробів, а й для підвищення фізико-механічних характеристик конструктивних елементів виробів, раціонального використання малоцінних сировинних матеріалів, застосовування відходів виробництва для створення нових видів продукції тощо.

Личкування являє собою наклеювання на поверхні брускових і щитових заготовок тонкого шару матеріалу з натурального або синтетичного шпону, декоративного паперово-шарувального пластика або різного роду плівок, штучної або натуральної шкіри тощо.

Личкувати можна гарячим або холодним способом склеювання. При холодному склеюванні температура клейового шару в процесі твердіння відповідає кімнатним умовам. Гаряче склеювання проводиться при підвищеній температурі, в результаті чого швидкість твердіння клею зростає.

3. Переробка деревини

Підприємства хімічної переробки деревини виробляють деревне вугілля, оцтову кислоту, каніфоль, скипидар, ефірну олію, формалін, карбамід, метиловий спирт, кормові дріжджі та ін. продукцію.

Методами хімічної переробки деревини є суха перегонка, гідроліз та каніфольно-скипидарне виробництво. Для переробки використовують дрова і дерев'яні відходи (тирсу, сучки, пні та ін.).

Хімічний склад деревини досить складний і залежить від її породи, елементарний склад для всіх порід майже однаковий. Рослинна тканина деревини складається з целюлози (40 – 50 %), геміцелюлози (17 – 30 %), лігніну, барвників, смол, дубильних речовин (3 – 8 %). Целюлоза (С6Н10О5)n, лігнін – суміш речовин ароматичного характеру, геміцелюлоза (С6Н8J4)n.

Суха перегонка (піроліз) деревини – це процес розкладання деревини при нагріванні до 450—550 °С без доступу повітря. При сухій перегонці деревини утворюється деревне вугілля і леткі продукти, які при охолодженні дають надсмольну воду — розведену оцтову кислоту, метанол, ацетон та дьоготь – складну суміш органічних речовин. Залежно від породи деревини і умов сухої перегонки одержують деревне вугілля потрібної якості. Деревне вугілля – ефективне паливо для виплавляння високоякісних чавунів.

Гідроліз деревини – це виробничий процес хімічної переробки деревини для оцукрення целюлози внаслідок її обробки водою і мінеральними кислотами в умовах підвищеної температури. Процес розщеплення целюлози, що міститься в деревині, внаслідок-якого утворюється глюкоза, полягає в тому, що тирсу нагрівають в автоклаві з 0,1 % водним розчином сірчаної кислоти або діють на деревину висококонцентрованою соляною кислотою (41 %). До продуктів гідролізного виробництва належать етиловий (винний) спирт, білкові дріжджі, фурфурол і багато інших продуктів.

Сировиною для каніфольно-скипидарних виробництв є живиця, яку добувають із сосни, або смола старих пеньків хвойних дерев; вони містять до  30 % смолистих речовин (пеньковий осмол). Смолу з пенькового осмолу видобувають перегонкою, потім очищають і другою перегонкою розділяють на легкокиплячий скипидар та каніфоль, що залишається в кубі.

Скипидар застосовують для виготовлення лаків, олійних фарб і синтетичної камфори, він є розчинником смол, лаків, каучуку.

Каніфоль застосовують для виробництва мила, лаків, сургучу, консистентних мастил, а також як добавку при проклеюванні паперу.

Виробництво паперу та картону

Целюлозно-паперова промисловість виробляє папір найрізноманітніших видів і різного призначення: для друкування, писальний, креслення і малювання, а також електроізоляційний, цигарковий, світлочутливий, промислово-технічний, обгортковий, пергамент, картон (палітурний, коробковий, електроізоляційний, будівельний, взуттєвий) та ін. Головною сировиною целюлозно-паперового виробництва є деревина.

Виробництво паперу полягає у виготовленні волокнистої маси на папероробній машині.

Деревну масу виробляють механічним способом, протираючи деревину на спеціальних дерево терках, так званих дефібрерах; потім її сортують, очищають від великих часток і відбілюють.

Целюлозу добувають з деревини малосмолистих порід (ялина, смерека, бук). Стовбури, з яких знято кору, подрібнюють на тріски. Потім тріски варять з розчином бісульфіту кальцію Са(НSO3)2 в герметично закритих котлах при температурі 150 °С під тиском (5 – 8)·106 Па. Варіння, залежно від ступеня провареності целюлози і міцності розчину, триває до 12 годин. Для отримання паперової маси деревну волокнисту масу змішують зі свіжою целюлозою. Для виготовлення писального паперу змішують 50 % деревної маси і 50 % целюлози; для виготовлення газетного паперу – 70 % деревної маси і 30 % целюлози. Щоб папір був дуже білий, гладенький і мав добрі друкарські якості, до паперової маси додають наповнювачі – тальк, каолін, крейду і проклеювальні речовини (каніфольний клей). Підготовлену паперову масу подають на папероробну машину.

Для виробництва картону використовують той самий волокнистий матеріал, що й для паперу, але в ряді випадків до нього додають вовну або азбест. Папір і картон широко використовують для виготовлення тари, яка йде на упаковку найрізноманітніших матеріалів і замінює значною мірою дефіцитні тканини або важку дерев'яну тару. Виготовлені з цупкого сульфатцелюлозного паперу багатошарові (від 2 до 5 шарів) мішки широко використовують для перевезення різних сипких матеріалів, а ящики з гофрованого картону – надійна тара для перевезення різних матеріалів, у тому числі й хімічних.

На виробництво 1 т паперу витрачають до 4,5 м3 деревини. Заміна деревини макулатурою знижує витрати на виробництво паперу у 2 – 3 рази. Одна тонна макулатури економить 3 – 4,5 м3 деревини, або близько 15 великих дерев.


Тема 20 Технології будівельних матеріалів та виробів

  1.  Будівельні матеріали із кераміки
  2.  Виробництво скла та скловиробів
  3.  Виготовлення гіпсу, вапна, цементу
  4.  Виготовлення цегли, каменю, бетонних та залізобетонних виробів

 Сучасне будівництво є найбільшим споживачем матеріальних ресурсів. Близько 15 % всієї промислової продукції, що витрачається в сфері матеріального виробництва, споживається будівництвом.

Основна роль в матеріально-технічному забезпеченні будівництва належить промисловості будівельних матеріалів і конструкцій, що задовольняє більше 52 % загальної потреби в ресурсах.

Підприємства промисловості будівельних матеріалів забезпечують будівництво цементом, азбестоцементом, вапном, гіпсом, нерудними матеріалами, пористими заповнювачами, стіновими, теплоізоляційними, акустичними, покрівельними матеріалами, склом, керамікою, санітарно-технічними виробами, залізобетонними виробами, оздоблювальними матеріалами.

Будівництво забезпечують матеріальними ресурсами також підприємства чорної і кольорової металургії, лісної і деревообробної промисловості, хімічної і нафтохімічної промисловості, целюлозно-паперової промисловості, легкої та інших галузей промисловості.

1. Будівельні матеріали із кераміки

Значну частину всіх будівельних матеріалів становить будівельна кераміка.

Кераміка – це загальне поняття, що об'єднує полікристалічні матеріали, які отримують спіканням природних глин і їх сумішей з мінеральними домішками, а також оксидів металів та інших тугоплавких сполук.

Кераміка відома людству з далекої давнини. Так, при розкопках в Месопотамії були знайдені керамічні вироби, які виготовлені близько 15 тис. років до нашої ери. В Єгипті починаючи з 5 тисячоліття до нашої ери кераміка була промисловим виробом.

На території України кераміка також здавна набула значного поширення. Велику кількість керамічних виробів було виявлено при розкопках древніх поселень біля Києва, що відносяться до періоду утворення Київської Русі.

Цеглу і керамічні камені залежно від призначення виробляють рядовими або личкувальними. Для виробництва такої продукції використовують однакові сировинні матеріали, хоча в останньому випадку вони підлягають більш ретельній попередній обробці. Лицьові поверхні личкувальної цегли можуть бути гладкими, рифленими, офак-туреними, природного кольору або пофарбовані. Вони повинні мати не менше двох лицьових суміжних сторін. Різновидом лицьових виробів є фасонні. В цьому випадку лицьовими сторонами, окрім профільної, є ще прилеглі до неї верхня та нижня сторони на 1/3 довжини. Розміри звичайної цегли 250x120x65 мм, а розміри найпоширеніших керамічних лицьових каменів 250x120x138 мм.

Цегла згідно з ДСТУ Б В.2.7-61-97 виробляється марок 300, 250, 200, 175, 150, 125, 100 і 75. Цим маркам відповідають міцність на згин (відповідно повнотілої цегли пластичного формування пустотілої цегли напівсухого пресування) – 4.4/3.4;  3.9/2.9;  3.4/2.5;  3.1/2.5;  2.8/2.1;  2.5/1.9;  2.2/1.6;     1.8/1.4 МПа.

Як сировину для керамічних виробів використовують глини та додаткові матеріали.

Глини – осадові незцементовані породи, які переважно складаються з глинистих мінералів. За фракційним складом це тонкодисперсні порошки, що вміщують більше половини часток розміром менше 0,01 мм, в тому числі не менше 25 % часток розміром до 0,001 мм.

Головними мінералами є мінерали групи каолініту (каолініт, діккіт, накріт), групи монтморилоніту (монтморилоніт, бейделіт, ілліт). Середній склад глин за оксидами, %:

SіО, – 45 – 80; АlO3 + ТiO2 – 8 – 28; Fе2O3 – 2 – 15;

СаО – 0.5 – 25; МgO – 0 – 4; К2O+Nа2O – 0.3– 5;

втрати при випалюванні – 3 – 6 %.

Для виробництва будівельної кераміки, в тому числі і оздоблювальної, важливою ознакою є температура плавлення глин, згідно з якою вони поділяються на легкоплавкі (до 1350 °С), тугоплавкі (до 1580 °С) і вогнетривкі (вище 1580 °С).

Найчастіше в будівельній кераміці використовують легкоплавкі глини, які мають досить різноманітний мінералогічний склад і вміщують не більше   18 % глинозему і до 80 % кремнезему.

Глини характеризуються пластичністю, тобто здатністю зберігати форму, яку виріб отримав у вологому стані. За цією ознакою глини поділяють на високопластичні, середньопластичні, помірно пластичні, малопластичні і непластичні.

Додаткові матеріали при виробництві кераміки застосовуються для регулювання властивостей як сировинної маси, так і готової продукції. До них належать: поверхнево-активні речовини і високопластична глина, які покращують формувальні властивості маси; золи ТЕС, паливні і металургійні шлаки, вугілля, які покращують умови випалювання; шамот, дегідратована глина, тирса сприяють процесу сушіння; крім того вугілля, тирса є домішками, які випалюються, що зменшує щільність готового виробу; бій скла, піритні недогарки, залізна руда підвищують міцність і морозостійкість виробів; барвники, рідке скло, кухонна сіль покращують колір виробів, запобігають висолоутворенню, нейтралізують вапнякові включення.

Основними технологічними операціям при виготовленні кераміки є підготовка сировини, формування, сушіння сирцю і випалювання виробів.

Підготовка сировини включає грубий помел глини з одночасним вилученням кам'янистих включень, змішування глини з тирсою, висушеними відходами вуглезбагачення і доведення маси до формувальної вологості (18 – 25 %), тонкий помел маси, вилежування маси з наступним формуванням виробів, сушіння та випалювання.

Пластичне формування забезпечується застосуванням високопластичних глин або додаванням пластифікаторів.

Для пластичного формування використовують стрічкові преси – безвакуумні і вакуумні з продуктивністю 5 – 10 тис. шт. умовної цегли за годину. Такі преси забезпечують питомий тиск пресування до 1,6 МПа.

Сушіння здійснюється в сушильних агрегатах періодичної або безперервної дії. Після завершення процесу сушіння вироби подаються на випалювання

Мета випалювання – надання виробу водостійкості і необхідних фізико-механічних показників.

2. Виробництво скла та скловиробів

Склом називається речовина, що характеризується аморфною структурою, яка отримана при переохолодженні силікатного розплаву. Внаслідок значного збільшення його в'язкості процес кристалізації не протікає. Тому іноді скло називають переохолодженою рідиною. Скло характеризується не температурою плавлення, а температурним інтервалом, в якому при нагріванні скло поступово переходить із твердого стану в рідкий.

Скло є одним із найдавніших матеріалів, який використовується людством. Вже в бронзовому віці людина у своєму господарстві використовувала природне скло – обсидіан. Штучне скло вперше з'явилося 3000 – 4000 років до н. є. у Древньому Єгипті і Месопотамії. Свого розвитку склоробство там досягло в 1550 – 1350 роках до н. є. З Древнього Єгипту воно проникає в Італію і поширюється по всій Римській імперії. Всесвітньо визнаним центром склоробства стає Венеція, де виготовлялися відомі венеціанські дзеркала. Поступово технологія склоробства освоюється в усій Європі.

В Україні перші скляні вироби були отримані в XXI ст. у Києві. У даний час в Україні освоєно виробництво найширшої номенклатури будівельних виробів із скла: листове будівельне скло, склопакети, архітектурно-будівельні вироби для оздоблювальних матеріалів та ін.

Листове будівельне скло випускають товщиною від 1 до 15 мм. Його використовують для вікон будинків, облицювання, виготовлення дверей, перегородок.

Листове будівельне скло може бути полірованим, армованим, візерунковим. Крім того, до листового скла відносяться стемаліт і скло мармур.

Віконне скло має товщину 2  3 мм. Для підвищення оздоблювальних і експлуатаційних властивостей використовують технічне скло товщиною 4 –     5 мм або вітринне товщиною 5 – 6 мм.

Поліроване скло має поліпшений мікрорельєф поверхні. Його товщина 3 – 12 мм. Поліроване скло виготовляють механічним шліфуванням і поліруванням обох поверхонь.

Армоване скло – це листове скло товщиною 5,5 – 7 мм, посилене дротовою сіткою. Воно менш міцне, ніж звичайне скло, однак при руйнуванні від механічного або теплового впливу його осколки утримуються сіткою. Одержують таке скло безупинним прокатом між валками розплавленої скломаси із запресовуванням дроту, що змотується з барабана.

Візерункове скло має візерунки на одній з поверхонь. Його товщина 1 –    2 мм. Виготовляють таке скло методом безупинного прокату маси через валки. При цьому один із валків має візерункову поверхню, що видавлює рельєф на поверхні скла.

Стемаліт – листове скло, покрите з одного боку керамічною фарбою, яке пройшло загартування для зміцнення і закріплення фарби.

Склопакети виготовляють з двох (або трьох) листів скла, з'єднаних між собою по краю з утворенням герметичної порожнини, заповненої повітрям. Довжина пакетів до 2 м, ширина до 0,8 м, товщина скла 3 – 6 мм. Листи скла у пакеті з'єднуються склеюванням, паянням або зварюванням. У деяких випадках порожнину пакета заповнюють скловолокном.

Архітектурно-будівельні вироби – це склопрофіліт, склоблоки, дзеркала, килимово-мозаїчні плитки і скло для виготовлення вітражів.

Склопрофілі – профільне скло з поперечним перерізом у вигляді швелера. Виготовляють його методом прокату з маси з високим вмістом глинозему або зі звичайної скломаси для виготовлення віконного скла.

Склоблоки – герметично закриті порожні скляні блоки з гладкими зовнішніми і ребристими внутрішніми поверхнями. Блоки випускають із безбарвного або кольорового склала. Їх одержують термічним зварюванням напівблоків, відпресованих на карусельних пресах.

Дзеркальне скло – поліроване скло вищого сорту з високою світлопрозорістю. Воно покривається сріблом.

Килимово-мозаїчні скляні плитки виготовляють із непрозорого (глушеного) скла методом пресування, прокату або спікання.

Основні оксиди, що утворюють скло, подані в складі сировини у вигляді наступних компонентів:

SiO2 – кварцовими пісками, піщаниками, рідше – кварцитами, жильним кварцом, пиловидним кремнеземом;

СаО – вкпняком, крейдою;

СаО і МgO – доломітами;

А12O3 – польовим шпатом, пегматитом;

Nа2O – содою і т.п.

Загальними вимогами до всіх видів скляної сировини є чистота й однорідність за складом. Крім того, обмежується вміст оксидів заліза.

До допоміжних матеріалів відносяться барвники, глушники, знебарвлювані й освітлювачі.

Барвники – оксиди свинцю, міді, бору – додають певного кольору склу.

Глушники – фосфорнокислі, фтористі солі, що розподіляються в склі у вигляді дрібних частинок, розсіюють світло і утворюють скло молочно-білого кольору.

Знебарвлювачі – оксид і закис нікелю, селен, з'єднання марганцю – усувають фарбування скла від оксидів заліза.

Освітлювачі – триоксид миш'яку, селітра – видаляють газові включення (пузирі) із розплаву.

Прискорювачі – сполуки фтору, бору, хлору – прискорюють процес варіння скла.

Технологічний процес виготовлення виробів із скла включає основні операції: готування скляної шихти, варіння скла, формування виробів, а також випалювання і загартування.

3. Виготовлення гіпсу, вапна, цементу

Мінеральними в'яжучими речовинами називають тонкоподрібнені порошки, що утворюють при змішуванні з водою пластичне тісто, яке під впливом фізико-хімічних процесів переходить у каменеподібний стан. Цю властивість в'яжучих речовин використовують для приготування на їхній основі розчинів, бетонів.

Розрізняють мінеральні в'яжучі речовини: повітряного і гідравлічного тверднення.

Повітряні в'яжучі речовини твердіють і довго зберігають і підвищують свою міцність тільки в сухих умовах. До повітряних в'яжучих речовин відносяться гіпсові і магнезіальні в'яжучі, повітряне вапно і силікатне рідке скло.                                                                           

До групи гідравлічних в'яжучих входять портландцемент* і його різновиди, пуцоланові і шлакові в'яжучі, глиноземистий цемент і гідравлічне вапно. Їх використовують як в надземних, так ів підземних та підводних конструкціях.

* Примітка: Портландцемент (від англ.. Portland – назва на півострова в Англії + цемент (складається із силікатів кальцію).

Гіпсові в'яжучі речовини поділяють на дві групи: низьковйпалювальні і високовипалювальні.

Низьковипалювальні гіпсові в'яжучі речовини отримують при нагріванні двоводного гіпсу СаSO4 х 2Н20 до температури 150 – 160 °С з частковою дегідратацією двоводного гіпсу і розкладом його у напівводяний гіпс СаSО4 х 0,5Н2О.

Високовипалювальні (ангідритові) в'яжучі речовини одержують випалом двоводного гіпсу при більш високій температурі до 700 – 1000 °С з повною втратою хімічно зв'язаної води і утворенням безводного сульфату кальцію – ангідриту СаSO4.

Сировиною для виробництва гіпсових в'яжучих є природний гіпсовий камінь і природний ангідрид СаSO4, а також відходи хімічної промисловості,  що містять двоводний або безводний сірчанокислий кальцій, наприклад, фосфогіпс.

Виробництво гіпсу складається з подрібнення, помолу і термальної обробки (дегідратації) гіпсового каменя.

Застосовується гіпсове в'яжуче для виробництва гіпсових і гіпсобетонних будівельних виробів для внутрішніх частин будинків (перегородок, панелей, сухої штукатурки, приготування гіпсових і змішаних розчинів, виробництва декоративних і оздоблювальних матеріалів, наприклад, штучного мармуру), а також для виробництва гіпсоцементно-пуцоланових в'яжучих.

Високоміцний гіпс є різновидністю напівводного гіпсу. Цей напівводяний гіпс дозволяє одержувати гіпсовий камінь з більшою щільністю і міцністю. Одержують його шляхом нагрівання природного гіпсу паром під тиском 0,2 – 0,3 МПа з наступною сушкою при температурі 160 – 180 °С. Міцність його за 7 діб досягає 15 – 40 МПа. Високоміцний гіпс випускають у невеликій кількості і застосовують в основному в металургійній промисловості для виготовлення литтєвих форм. Однак він успішно може замінити звичайне гіпсове в'яжуче, забезпечивши виробам високу міцність.

Формувальний гіпс має підвищену водопотребу, а затвердівши, має високу пористість. Цю властивість формувального гіпсу успішно використовують у керамічній і фарфоро-фаянсовій промисловості для виготовлення форм.

Будівельне вапно одержують шляхом випалу (до вилучення вуглекислоти) з кальцієво-магнієвих гірських порід — крейди, вапняку, доломіту.

Для виробництва тонкодисперсного будівельного вапна негашене вапно обробляють водою або розмелюють, вводячи при цьому мінеральні добавки у вигляді гранульованих доменних шлаків, активні мінеральні добавки або кварцові піски. Будівельне вапно застосовують для приготування будівельних розчинів і бетонів, в'яжучих матеріалів і у виробництві штучних каменів, блоків і будівельних виробів.

Залежно від умов твердіння розрізняють будівельне вапно повітряне, що забезпечує твердіння будівельних розчинів і бетонів і збереження ними міцності в повітряно-сухих умовах, і гідравлічне, що забезпечує тверднення розчинів і бетонів і збереження ними міцності як на повітрі, так і в воді.

Повітряне вапно за хімічним складом основного оксиду буває кальцієве, магнезіальне і доломітове: Повітряне вапно поділяють на негашене і гідратне (гашене), що отримали гасінням кальцієвого, магнезіального і доломітового вапна.

Будівельне негашене вапно за часом гасіння поділяють на такі види: швидкого – не більше 8 хв, середнього – не більше 25 хв, повільного – більше 25 хв.

Будівельне повітряне вапно одержують з кальцієво-магнієвих карбонатних порід.

Технологічний процес отримання вапна складається з видобутку вапняку в кар'єрах, його підготовки (подрібнення і сортування) і обпалювання. Після випалу відбувається помол комового вапна, при цьому одержують молоте негашене вапно, або після гасіння комового вапна водою, одержують гашене вапно.

Основним процесом при виробництві вапна є обпалювання, при якому вапняк декарбонізується і перетворюється на вапно за реакцією:

СаСО3 = СаО + СО2.

Повітряне вапно широко застосовують для приготування будівельних розчинів, для виготовлення штучних кам'яних матеріалів – силікатної цегли, силікатних і піносилікатних виробів, шлакобетонних блоків.

Транспортують комове вапно навалом, захищаючи від зволоження і забруднення, а молоте — в спеціальних паперових мішках або металевих закритих контейнерах. Вапняне тісто перевозять у спеціально для цього пристосованих кузовах самоскидів. Вапно негашене повинне зберігатися в закритих складах, захищених від попадання вологи. Гідратне вапно можна зберігати нетривалий час у мішках і сухих складах. Молоте вапно не слід зберігати більше 30 діб, бо воно поступово гаситься вологою повітря і втрачає активність.

Портландцемент є найважливішою в'яжучою речовиною. З виробництва і застосування він займає перше місце серед інших в'яжучих речовин.

Винахід портландцементу (1824 р.) пов’язаний з іменами Єгора Герасимовича Челієва – начальника майстерень військово-робітничої бригади і Джозефа Аспдіна – муляра з англійського міста Лідса.

Портландцемент – гідравлічна в'яжуча речовина, що твердне у воді і на повітрі. Його одержують тонким помолом опаленої до спікання сировинної суміші вапняку і глини, що забезпечує домінування силікатів кальцію. Сировинна суміш,що спеклася у вигляді зерен розміром до 40 мм, називається клінкером, від якості його залежать найважливіші властивості цементу: міцність і швидкість її зростання, довговічність, стійкість у різноманітних експлуатаційних умовах.

Сировина для виробництва портландцементу повинна містити 75 – 78 % СаС03 і 22 – 25 % глини. Гірські породи, що задовольняють означені вимоги, в природі зустрічаються рідко. Тому для виробництва портландцементу поряд з вапняком і глиною слід застосовувати так звані наповнювачі, що коригують склад і містять значну кількість одного з оксидів, якого не вистачає в сировинній суміші.

Цементна промисловість дедалі ширше починає використовувати побічні продукти, наприклад, відходи різних галузей промисловості – доменні шлаки, нефелиновий шлам (відходи виробництва глинозему) та ін. Використання в цементній промисловості побічних продуктів і відходів інших галузей – великий крок у розробці маловідхідної технології, що сприяє охороні навколишнього середовища.

Як паливо застосовують природний газ, скорочується використання кам'яного вугілля і мазуту Сьогодні вітчизняна цементна промисловість значною мірою працює на газоподібному паливі як найбільш ефективному.

Технологічний процес виробництва портландцементу складається з таких основних операцій: видобутку вапняку і глини, підготовки сировинних матеріалів і добавок, що коригують склад та властивості, приготування з них однорідної суміші заданого складу, випалу суміші і помолу клінкеру в тонкий порошок разом з гіпсом, а інколи з добавками.

Залежно від приготування сировинної суміші розрізняють два основних способи виробництва портландцементу: мокрий і сухий.

При мокрому способі сировинні матеріали подрібнюють і змішують у присутності води і суміш у вигляді шихти випалюють у печах, що обертаються.

При сухому способі матеріали подрібнюються, змішуються і випалюються в сухому вигляді.

Останнім часом дедалі ширше починає застосовуватися спосіб, що комбінує приготування сировинної суміші, при якому сировинну суміш підготовлюють за мокрим способом, після цього шихту висушують і з неї виробляють гранули, які випалюють за сухим способом.

* Примітка: За міцністю цемент поділяється на марки, які визначаються граничною міцністю при стиску половинок зразків-призм розміром 40 х 40 х 160 мм, виготовлених з цементного розчину складу 1 до 3 з кварцевим піском. Марки визначаються в числах 100 – 600 (як правило з відстанню 100), які показують міцність при стиску 10 – 60 МПа.

4. Виготовлення цегли, каменю, бетонних та залізобетонних виробів

Спосіб виготовлення силікатної цегли із застосуванням автоклавної обробки запропонував в 1880 р. німецький вчений Міхаеліс.

Згідно з ҐОСТ 379-79 вироби розподіляють за розмірами і видом, за призначенням, теплотехнічними властивостями, міцністю, морозостійкістю.

Залежно від розмірів і виду вони бувають порожнистими, повнотілими, пористими (з пористими заповнювачами), пористо-порожнистими. Маса потовщеної цегли у висушеному стані не повинна перевищувати 4,3 кг. Порожнини в цеглі і камені повинні розташовуватися перпендикулярно до її лицьової поверхні (рис. 20.1).

За призначенням вироби поділяються на звичайні і лицьові. Крім того, лицьова цегла та камінь можуть бути нефарбованими та кольоровими.

За теплотехнічними характеристиками і густиною (середньою густиною) в сухому стані цеглу і камені розділяють на три групи:

• ефективні, які дозволяють зменшити товщину огороджувальних конструкцій в порівнянні з товщиною стін, що зроблені з повнотілої цегли. До цієї групи належить цегла з густиною не більше 1400 кг/м3 і камені густиною не більше 1450 кг/м3;

•  умовно-ефективні, які покращують теплотехнічні властивості огороджувальних конструкцій без зменшення їх товщини. До цієї групи відносять цеглу густиною від 1400 до 1650 кг/м3;

• звичайна силікатна цегла густиною більше 1650 кг/м3.,

За міцністю цегла камінь підрозділяються на марки. Марка – показник міцності цегли (властивості чинити опір навантаженню і деформаціям) без руйнування). Позначається літерою М з цифровим значенням. Цифри показують, яке навантаження на 1 см2 може витримати цеглина, або камінь. Наприклад, марка М100 означає, що цеглина гарантовано витримує навантаження у 100 кг на 1 см2. Цегла  і  камінь можуть мати марку від 75 до 300. для будівництва багатоповерхових будинків використовують цеглу марки М150, при будівництві котеджів (2 – 3-поверхових) – марку М100.

За морозостійкістю цегла і камінь ділять на марки: Мрз50, Мрз35, Мрз25 і Мрз15. В залежності від марки за морозостійкістю вироби повинні витримувати без явних ознак руйнування (лущення, відшарування оздоблювального покриття) не менше відповідно 50, 35, 25 і 15 циклів заморожування та відтавання.

Сировинні матеріали для виробництва силікатної цегли та каменю дуже поширені: вапно та кварцовміщуючі речовини, перш за все кварцовий пісок.

Технологічний процес виробництва складається з дозування і попереднього змішування компонентів, витримування суміші з метою гашення вапна, формування сирцю та його автоклавної термічної обробки.

Сировинну суміш готують з двох основних компонентів: меленого вапна і кварцового піску. Для отримання цегли підвищеної міцності до складу сировинної суміші додають тонкомелений пісок. В цьому випадку частину піску попередньо подрібнюють у кульових млинах, найчастіше разом з вапном.

Бетонні та залізобетонні вироби

Бетон є одним з найважливіших будівельних матеріалів в усіх сферах сучасного будівництва.

Технологічний процес виробництва збірних бетонних і залізобетонних виробів складається з ряду самостійних операцій, що об'єднуються в окремі процеси.

Операції умовно поділяють на основні, допоміжні і транспортні.

До основних операцій відносять: приготування бетонної суміші, включаючи підготовку матеріалів; виготовлення арматурних елементів і каркасів; формування виробів, куди входить їхнє армування; термальну обробку відформованих виробів, звільнення готових виробів від форм і підготовка форм до чергового циклу; оздоблення і обробка лицьової поверхні деяких видів виробів.

До допоміжних операцій відносять: отримання і подачу пару і води, стислого повітря, електроенергії, складування сировинних матеріалів, напівфабрикатів і готової продукції.

До транспортних відносять: операції з переміщення матеріалів, напівфабрикатів і виробів.

Основне і транспортне обладнання, призначене для виконання операцій у певній послідовності, називають технологічною лінією.

Бетон – це штучний камінь, що утворюється внаслідок формування і тверднення раціонально підібраної суміші в'яжучої речовини, води і заповнювачів (піску і щебеню або гальки). Суміш цих матеріалів називають бетонною сумішшю.

Зерна піску і щебеню складають кам'яний остов у бетоні. Цементне тісто, що утворюється після додавання до бетонної суміші води, заповнює проміжки між заповнювачами і відіграє роль мастила для заповнювачів суміші, що надає бетонній суміші рухливості. Цементне тісто твердне і зв'язує зерна заповнювачів, утворюючи штучний камінь – бетон.

Бетон у поєднанні із сталевою арматурою називають залізобетоном.

У бетон можуть вводитися спеціальні добавки, що покращують властивості бетонної суміші і бетону (наприклад, прискорювачі тверднення, протиморозні та ін.).

Цемент вибирають з урахуванням вимог, що висуваються до бетону (міцність, морозостійкість, хімічна стійкість водонепроникності та ін.), а також технології виготовлення виробів, їхнього, призначення й умов експлуатації.       

Для приготування важких бетонів (для найбільш відповідальних робіт)  застосовують портландцемент, пластифікований портландцемент, портландцемент з гідравлічними добавками, шлакопортландцемент, швидкотверднучий портландцемент та ін. 


Тема 21 Технології галузей легкої промисловості

  1.  Структура легкої промисловості України
  2.  Текстильна промисловість
  3.  Швейна промисловість
  4.  Виробництво шкіри та виробів з неї

1. Структура легкої промисловості України

 Вагоме місце у структурі індустріального виробництва України займає легка промисловість.

Легка промисловість – це сукупність спеціалізованих галузей промисловості, які виробляють продукцію, товари й матеріали масового споживання.

Отримуючи сировину від сільського господарства і хімічної промисловості, вона здійснює як первинну обробку (переробку) сировини, так і випуск готової продукції, що забезпечує населення одягом, тканинами, взуттям, хутром, галантерейними виробами та ін., а галузі промисловості, сільське господарство й транспорт технічними матеріалами, вихідною сировиною або продукцією.

Основною традиційною сировиною легкої промисловості є натуральна сировина – льон, бавовна, шовк. Останнім часом дедалі ширше використовується штучна, синтетична та комбінована сировина. Підприємства галузі виробляють тканини усіх видів (бавовняні, вовняні, лляні, шовкові, синтетична), неткані матеріали, панчішно-шкарпеткові, трикотажні та швейні вироби, взуття, шкіргалантерею.

До легкої промисловості України належать текстильна, швейна, шкіряна, взуттєва, хутрова галузі.

Текстильна промисловість

До складу текстильної промисловості входять такі виробництва:

•  первинної обробки сировини (текстильного волокна);

•  бавовняна;

• лляна;

•  вовняна;

•  шовкова;

•  нетканих матеріалів;

•  конопледжутова;

•  сітков'язальна;

• текстильно-галантерейна;

• трикотажна;

•  валяльно-повстяна.

Продукцію текстильної промисловості виробляють бавовняні, шовкові, льно- та камвольно-суконні комбінати, бавовнопрядильні та суконні фабрики.

Текстиль – це вироби, що виготовлені з'єднанням (скручуванням, склеюванням) послідовно розміщених волокон і ниток (тканини, трикотаж, неткані матеріали, валяльно-повстяні, галантерея).

Волокном називають тонку непрядену нитку природного (натурального) або хімічного походження, із якої виготовляють пряжу тканинних, трикотажних та інших виробів.

Пряжею називають нитку, що складається із з'єднаних між собою силами зчеплення й скрутки текстильних волокон.

Волокна, що сформовані в природі і отримані з рослинної (льону, коноплі, бавовни тощо), тваринної (вовни, натурального шовку) або мінеральної сировини (азбесту, базальту тощо), називають натуральними.

Хімічні волокна отримують із продуктів хімічної переробки природних полімерів (штучні волокна) або із синтетичних полімерів (синтетичні волокна).

Штучними називають хімічні волокна, що одержують із природної сировини (целюлози, деревини, відходів бавовни). До них належать віскозні, ацетатні, триацетатні, мідно-аміачні та інші.

Синтетичними (капрон, лавсан, нітрон) називають хімічні волокна, що виробляють із полімерів, синтезованих із мономерів капролактаму, акрилонітрилу, пропилену – продуктів переробки нафти, кам'яного вугілля і природного газу. До них належить також скляне волокно, яке одержують із вапняно-натрієвого скла.

Текстильна промисловість включає в себе такі основні технологічні виробництва: прядильне, трикотажне, нетканих матеріалів.

Прядильне виробництво, призначене для виготовлення пряжі і використовує технології прядіння, ткацтва й опорядження.

Прядіння – сукупність технологічних процесів, в результаті виконання яких із суміші коротких, тонких і незначної міцності текстильних волокон формують (зчепленням, скруткою, зсуканням, скачуванням) ниткову пряжу відповідної щільності, товщини й міцності.

Ткацтво – сукупність технологічних процесів для виготовлення текстильних тканин із пряжі.

Тканини виготовляють переплетенням взаємно перпендикулярно укладених поздовжніх ниток (основи) із поперечними нитками (утоком).

Схему послідовності технологічних операцій виробництва текстильних тканин зображено на рис. 21.1.

Трикотажне виробництво – це виготовлення трикотажного полотна, в тому числі технічного, білизни та верхнього трикотажу, панчішно-шкарпеткових, рукавичних та інших виробів.

Трикотаж – текстильний виріб або полотно, яке отримують з однієї чи багатьох ниток шляхом утворення петель (вічок) та їх взаємного переплетення.

Полотно – це тканина, що звичайно вироблена переплетенням повздовжніх та поперечних ниток однакової товщини та щільності.

Сировиною для виготовлення трикотажних виробів є однорідна або змішана (із натуральних і хімічних волокон) пряжа, а також хімічні комплексні нитки.

Виготовляють трикотаж на плоских і круглих основов'язальних машинах, їх петлеутворюючий механізм складається із системи голок, нитко водіїв, пластин і преса.

3. Швейна промисловість

До швейних виробів відносять одяг (побутовий, спортивний і виробничий), предмети домашнього вжитку, технічні вироби й спорядження.

Одягом є вироби з матеріалів рослинного, тваринного і штучного походження, які захищають людину від несприятливих умов навколишнього середовища або служать прикрасою.

Виготовлення швейних виробів у загальному вигляді включає такі виробничі процеси:

• технологічну підготовку виробництва;

• моделювання і конструювання виробів;

• підготовка матеріалів до розкрою і їх розкрій;

пошиття виробів і їх опорядження (у швейному цеху).

4. Виробництво шкіри та виробів з неї

Метою шкіряного виробництва є виготовлення шкіри, з якої виготовляють предмети широкого вжитку. Шкіри використовують для виробництва взуття, одягу, шкіргалантереї, технічних виробів.

Складність хімічних процесів перетворення шкури тварин на шкіру полягає в тому, що основа шкури – білок – є високомолекулярною сполукою з різними функціональними групами. У процесі виробництва шкіри з білком взаємодіють різні хімічні речовини, які змінюють його початкові властивості й надають йому зовсім нових властивостей.

Технологія виробництва шкіри визначається як знання про суть, способи і послідовність виконання хімічних та фізико-хімічних процесів і механічних операцій, які відбуваються під час обробки шкір до виготовлення шкіряного напівфабрикату.

У шкіряному виробництві переробляють шкури усіх свійських тварин: великої рогатої худоби, коней, свиней, кіз, овець, верблюдів, оленів тощо. Також використовують шкури диких тварин: дикої кози, лося, марала, дикого кабана, переробляються шкури морських тварин (тюленя, моржа, кита, нерпи та деяких видів риб і рептилій: акул, змій, ящірок, крокодилів). Джерелом постачання є тваринництво, мисливство і промислове рибальство.

На шкурі, знятій з туші тварин, можуть залишатись прирізки сала, м'яса, підшкірний жир, частини хрящів, м'язів, сухожилля, мускульна плівка, кров, бруд та ін., що може спричиняти розвиток бактерій та гнильних процесів у шкурах. Тому після зняття шкур їх оббіловують і знежирюють.

Шкури тварин для зберігання своїх споживчо-товарних властивостей піддають консервуванню.

За призначенням шкіри поділяють на чотири класи:

•  взуттєві;

• лимарно-сідельні (людське та кінське шкіряне спорядження);

• технічні (приводних пасів, деталей машин, протезів тощо);

•  одягово-галантерейні.

Основні технологічні операції

Дублення для надання шкірі міцності, пластичності.

Відмочування – видалення зі шкур консервуючих речовин, розчинних білків, крові, бруду.

Зневолошування – повне видалення зі шкури волосу та епідермісу (поверхневого шару шкіри).

Зоління – обробка сировини або голини сильнолужними реагентами, щоб розпушити волокнисту структуру дерми і видалити карбонатні плями, що виникають при зберіганні на повітрі.


Тема 22 Біотехнології

  1.  Схема біотехнологічного виробництва
  2.  Основні сфери застосування біотехнології.

1. Схема біотехнологічного виробництва

Біотехнологія (від грецького bіоs – життя, techпе – мистецтво, майстерність і lоgos – слово, навчання) – це використання живих організмів і біологічних процесів у виробництві.

З найдавніших часів людина використовувала біотехнологічні процеси при хлібопеченні, приготуванні кисломолочних продуктів, у виноробстві і т. д., але лише завдяки роботам Л. Пастера в середині XIX ст., що довели зв'язок процесів шумування (бродіння) з діяльністю мікроорганізмів, традиційна біотехнологія одержала наукову основу. У 40 – 50-ті роки XX ст, коли був здійснений біосинтез пеніцилінів методами ферментації, почалася ера антибіотиків, що дала поштовх розвитку мікробіологічного синтезу і створенню мікробіологічної промисловості. У 60 – 70-ті роки XX ст. почала бурхливо розвиватися клітинна інженерія. Зі створенням у 1972 р. групою П. Берга в США першої гібридної молекули ДНК іп vitro формально пов'язане народження генетичної інженерії, що відкрила шлях до свідомої зміни генетичної структури організмів таким чином, щоб ці організми могли робити необхідні людині продукти і здійснювати необхідні процеси. Ці два напрями визначили образ нової біотехнології. Біотехнологія нерозривно пов'язана з молекулярною і клітинною біологією, молекулярною генетикою, біохімією і біоорганічною хімією.

За спрямованістю всі біотехнологічні виробництва можна умовно поділити на дві групи. Перша має на меті одержання максимально можливої кількості біомаси, а друга – максимум виходу продуктів життєдіяльності клітин. Продукти першої групи – хлібопекарські дріжджі, біомаса нежиттєздатних клітин як джерело кормового білка і вітамінів, спори з токсинами (препарати для захисту рослин від шкідників) і т. п. Виробництва другої групи продукують органічні кислоти, ферменти, амінокислоти, антибіотики та інше.

Загальна схема біотехнологічного виробництва в обох випадках може бути представлена у вигляді таких стадій:

•  підготовка живильного середовища для культивування промислового мікроорганізму – продуцента;

• одержання чистої культури продуцента;

• проведення основної ферментації – культивування продуцента;

•  виділення та очищення кінцевого продукту;

• одержання товарних форм продукту.

Продуценти – штами мікроорганізмів, що мають найвищу продуктивність.

Штами – чиста культура мікроорганізму чи вірусу (неклітинна форма), одного чітко вираженого виду, що відрізняється від іншої культури того ж виду фізіологічними властивостями.

Нижче наведена біотехнологічна система (рис. 22.1), що включає продуцент, живильне середовище та культивування продуцента.

Мікроорганізми споживають широкий спектр органічних сполук, починаючи від найпростіших вуглецевих сполук, таких як метан (СН4), метанол (СН3ОН) і вуглекислий газ (СО2), і закінчуючи природними біополімерами. Як субстрат використовують також гідролізати деревини, що містять гексози і пентози, сільськогосподарські відходи, очищені нормальні парафіни нафти та ін.

Крім Карбону, клітини мікроорганізмів у процесі росту мають потребу в джерелах Нітрогену, Фосфору, макро- і мікроелементів (К, Мg, Zn, Fe, Cu, Мо, Мn та ін.). Як правило, ці компоненти заздалегідь вносяться у живильні середовища у вигляді мінеральних солей перед початком ферментації.

Таким чином, сировинною базою для біотехнологічних виробництв можуть служити як індивідуальні хімічні сполуки, для яких відомий точний хімічний склад, так і відходи харчових виробництв і сільського господарства.

Рисунок 22.1 – Схема біотехнологічного виробництва

Відділення підготовки живильного середовища являє собою цех, обладнаний ємностями для збереження рідких і твердих речовин, засобами їхнього транспортування та апаратами з пристроями, що перемішують, для приготування розчинів, суспензій і емульсій.

Найважливішим елементом підготовки живильних середовищ є їхня стерилізація, оскільки вирощування промислового мікроорганізму повинне проводитись, принаймні у початковій стадії, за відсутності сторонньої мікрофлори.

Продуценти як основа біотехнологічних виробництв

Основою будь-якого біотехнологічного виробництва є штам – продуцент цільового продукту, тому дуже важливо зберігати протягом тривалого часу корисні властивості штаму для здійснення основної ферментації.

Із більш як тисячі відомих у природі видів мікроорганізмів у біотехнологіях використовується відносно мало – близько ста видів, до яких належать кілька тисяч штамів. До найбільш розповсюджених у природі і широко використовуваних груп мікроорганізмів належать мікроскопічні гриби (дріжджі, цвілі), а також бактерії.

Процес ферментації

Ефективність біотехнологічного виробництва визначається проведенням процесу основної ферментації.

Ферментація – це сукупність послідовних операцій від внесення в заздалегідь приготовлене і нагріте до необхідної температури живильне середовище посівного матеріалу і до завершення процесу росту клітин чи біосинтезу цільового продукту.

По закінченню ферментації утворюється складна суміш, що складається з клітин продуцента, розчину неспожитих живильних компонентів і продуктів біосинтезу, що нагромадилися в середовищі. Таку суміш називають культуральною рідиною.

Більшість культур мікроорганізмів, що використовуються у сучасному виробництві, є аеробними, тобто вимагають присутності кисню в середовищі, що досягається шляхом забезпечення необхідної концентрації розчиненого кисню в рідкому живильному середовищі. Крім того, застосовуються й анаеробні процеси.

Ферментатори або біореактори

Ферментацію здійснюють у ємнісних апаратах, що називаються ферментаторами або біореакторами.

Такий апарат повинен забезпечувати:

•  ріст і розвиток популяції мікроорганізмів в об'ємі рідкої фази;

•  підведення живильних речовин до клітин мікроорганізмів;

•  відведення від мікробних клітин продуктів їхнього обміну речовин (метаболізму);

•  відведення із середовища утвореного клітинами тепла.

Виробництво кормової мікробної біомаси

До числа біотехнологічних виробництв належать хлібопечення, виноробство, пивоваріння, одержання оцту, кисломолочних продуктів (кисляку, кумису, кефіру, йогурту та ін), багато з них людство реалізувало задовго до того, як були отримані перші уявлення про мікроорганізми, що є безпосередніми учасниками цих процесів. Продуцентами у цих виробництвах служили мікроорганізми, що випадково потрапили і розвинулися із самої сировини.

Виробництво мікробної біомаси порівняно з альтернативними технологіями має такі переваги:

• мікроорганізми мають високу швидкість нагромадження біомаси, що у 500 – 5000 разів вища, ніж відповідно у тварин і рослин;

• мікробні клітини здатні накопичувати дуже велику кількість білку (дріжджі – до 50 %, бактерії – до 60 % по масі);

• процес вирощування мікроорганізмів протікає в м'яких умовах при температурі 30 – 40 °С, як правило, при тиску, близькому до атмосферного;

• технологічний процес одержання сухої біомаси менш трудомісткий порівняно з виробництвом сільськогосподарської продукції.

Крім того, необхідно зазначити, що сам технологічний процес одержання біомаси мало залежить від виду використовуваної сировини. За багатьма показниками цей продукт, як повноцінний корм, такий самий чи навіть перевершує продукти рослинного чи тваринного походження. Наприклад, застосування тонни біомаси в птахівництві додатково дає 25 – 30 тис. штук яєць і півтори – дві тонни м'яса птахів, при цьому заощаджується 5 – 7 т фуражного зерна. Ця ж кількість біомаси дає змогу збільшити виробництво свинини на   0,8 т і скоротити витрати зерна на 3,5 – 5 т. За живильною цінністю тонна кормової мікробної біомаси заміняє 8 т незбираного молока при вирощуванні телят.

  1.  Основні сфери застосування біотехнології

 Біотехнологія застосовується навколо нас у багатьох предметах щоденного вжитку – від одягу, який ми носимо, до сиру, який ми споживаємо.

Продукти біотехнічної промисловості можна умовно розділити на великотоннажні (етанол, дріжджі, органічні кислоти, фруктові сиропи) і продукти тонкого мікробного синтезу (медикаменти, ферменти, антибіотики, вітаміни, гормони), амінокислотні і білкові харчові і кормові добавки та ін.

Харчова промисловість

Спектр продуктів харчування, що їх одержують за допомогою мікроорганізмів, великий: від хліба, йогурту, вина і пива, які виробляють із давніх часів за рахунок шумування, до новітнього виду харчового продукту – грибного білку мікопротеїну. Крім того, біотехнологія застосовується при виробництві багатьох харчових добавок. Наприклад, відомий підкислювач – лимонна кислота, який раніше одержували, віджимаючи сік з лимонів, сьогодні виробляється за участю штаму мікроорганізмів.

Величезний потенціал біотехнологія має і у боротьбі з голодом. Через зростання врожайності та виведення культур, стійких до хвороб і посухи, біотехнологія може зменшити брак їжі для населення планети.  

Медицина

У медицині біотехнологічні прийоми і методи відіграють головну роль при створенні нових біологічно активних речовин і лікарських препаратів, призначених для ранньої діагностики і лікування різноманітних захворювань. Антибіотики – найбільший клас фармацевтичних сполук, одержання яких здійснюється за допомогою мікробіологічного синтезу. Створено генно-інженерні штами кишкової патички, дріжджів, що використовуються для одержання ростового гормону, інсуліну й інтерферону людини, різноманітних ферментів і противірусних вакцин.

Сільське господарство

Внесок біотехнології в сільськогосподарське виробництво полягає в полегшенні традиційних методів селекції рослин і тварин та розробці нових технологій, що дають можливість підвищити ефективність сільського господарства. У багатьох країнах методами генетичної і клітинної інженерії створені високопродуктивні і стійкі до шкідників, хвороб, гербіцидів сорти сільськогосподарських рослин. Розроблена техніка оздоровлення рослин від накопичених інфекцій, що особливо важливо для культур, що розмножуються вегетативно (картопля й ін.). Розробляються нові регулятори росту рослин, мікробіологічні засоби захисту рослин від хвороб і шкідників, бактеріальні добрива. Генно-інженерні вакцини, сироватки, моноклональні антитіла використовують для профілактики, діагностики і терапії основних хвороб сільськогосподарських тварин. У створенні більш ефективних технологій племінної справи застосовують генно-інженерний гормон росту, а також техніку трансплантації і мікроманіпуляцій на ембріонах домашніх тварин. Для підвищення продуктивності тварин використовують кормовий білок, отриманий мікробіологічним синтезом.

Охорона навколишнього середовища, енергетика

Біотехнологічні методи застосовуються для переробки сільськогосподарських, промислових і побутових відходів, очищення і використання стічних вод, для одержання біогазу. У ряді країн за допомогою мікроорганізмів одержують етиловий спирт, що широко використовують як пальне для автомобілів (у Бразилії, де паливний спирт широко застосовується, його одержують із цукрового очерету й інших рослин). На спроможності різноманітних бактерій перетворювати метали в розчинні сполуки або накопичувати їх у собі, засновано виділення багатьох металів з бідних руд або стічних вод. Біотехнологія допомагає довкіллю. Використання генетично модифікованих рослин дозволяє фермерам зменшити кількість пестицидів та гербіцидів, що значно зменшує ризик токсичного забруднення фрунтів та ґрунтових вод. Культури, виведені методами біоінженерії, дозволяють ширше застосовувати безвідвальну обробку ґрунту, що приводить до зменшення втрат родючості ґрунту.

Таким чином, подальший прогрес людства багато в чому пов'язаний саме із розвитком біотехнології.


Тема 23 Технології перероблення сільськогосподарської продукції та харчової промисловості

1. Виробництво хлібобулочних виробів

2. Виробництво цукру

3. Виробництво м’яса, молока, м’ясо-молочних продуктів

4. Виробництво етилового спирту.

1. Виробництво хлібобулочних виробів

Сировина хлібопекарського виробництва

Хлібобулочні вироби поряд з іншими продуктами з зерна традиційно складають основу харчування в нашій країні.

Ще в часи мезоліту (10 – 15 тис. років тому) людина почала обробляти злаки, які були прабатьками нинішніх зернових. 5 – 6 тис. років тому єгиптяни знали секрет зброжування тіста. Це мистецтво від них перейшло до греків. Далі мистецтво хлібопечення опанували у Древньому Римі.

Основною сировиною для виробництва хліба є пшеничне або житнє борошно. Як добавки можуть застосовуватися кукурудзяна, ячмінна та інші види круп. Крім того, при готуванні хліба використовують воду, дріжджі, сіль, цукор, жири.

У хлібопеченні застосовують пресовані, сушені і рідкі дріжджі, а також дріжджове молоко. У рецептуру хлібобулочних виробів, за винятком дієтичних безсольових сортів, входить кухонна сіль у кількості від 1 до 2,5 % до маси борошна. Вона поліпшує смак виробів, істотно впливає на фізичні властивості тіста, зміцнює його клейковину.

У хлібопеченні застосовують цукровий пісок і цукрову пудру. Цукровий пісок додають у тісто при виготовленні булочних і здобних виробів у кількості 2,5 – 30 % до маси борошна, цукрову пудру використовують для обробки поверхні здобних виробів.

Жири підвищують харчову цінність і смак хліба, поліпшують його якість, сприяють кращому зберіганню продукту, сповільнюють черствіння. Жир вносять у тісто в кількості від 20 до 30 %. Для готування більшості виробів використовують маргарин, для деяких видів здобних виробів — тваринну олію, для гірчичного хліба і гірчичних бубликів – рослинну (гірчичну) олію. Рослинні олії застосовуються також при обробленні тіста для змащення форм.

Технологічна схема виробництва хлібобулочних виробів

Готування хліба спрощено можна представити трьома основними операціями: готування тіста, оброблення і випічка. Узагальнена функціональна схема хлібопекарського виробництва показана на рис. 23.1.

Рисунок 23.1 – Узагальнена технологічна схема виробництва хлібобулочних виробів

2. Виробництво цукру

Цукор-пісок і цукор-рафінад практично повністю складаються із цукрози, С12Н22О11 (більше 99,75 % та 99,90 % відповідно). Вміст останньої високий у цукровій тростині, цукровому буряку, соках, кавунах, динях.

Цукор, як продукт харчування, в давнину був невідомим, а основними підсолоджуючими речовинами були природні продукти – мед і фініки. Однією з перших культурних рослин в Індії була цукрова тростина, завезена з Нової Гвінеї понад 7000 років тому. У Стародавній Індії не тільки культивували цукрову тростину, а й відбілювали виділений з неї продукт – «мед тростини». В Китаї та Єгипті тростинний цукор називали «кам'яним медом» та «індійською сіллю». На санскриті він називався «саркара» чи «саккара», звідки і перейшов у європейські мови.

В VII ст. тростинний цукор потрапив у Північну Африку, а в 996 р. – у Венецію. В XIIIXIV ст. культура цукрової тростини із Індії через Аравію та Єгипет досягла Сицилії, а в XV ст. – Гвінеї та інших країн Африки. В 1506 р. Колумб завіз тростину в Сан-Домінго, звідки вона потрапила на Кубу, в Мексику та Бразилію, пізніше – в Південну Флориду та Луїзіану. На початок XVII ст. виробництво тростини стало одним із наймасштабніших.

У 1747 р. А. Маркграф повідомив про наявність цукру у буряках, що не викликало належного інтересу через масштабний імпорт тростинного цукру. Лише блокада останнього Наполеоном змусила звернути увагу на буряки як сировину для виробництва цукру.

Над створенням технології виробництва цукру із буряків одночасно працювали Я.С. Єсипов у Росії та Ф. К. Ахард у Німеччині, які запропонували принципово різні способи очищення бурякового соку: вапном та сірчаною кислотою відповідно.

Побудований у 1718 р. перший в Росії цукрозавод працював на привізному тростинному цукрі-сирці.

Перший бурякоцукровий завод пущено в Німеччині у березні 1801 р. В Росії цукрозавод Я. С. Єсипова пустили у 1802 р.

В 1913 р. в Росії, в основному на території України, діяло 242 заводи, що виробили 1,363 млн. т цукру, в тому числі 0,846 млн. т цукру-рафінаду, що становило 16,5 % світового виробництва цукру із буряків і відповідало другому місцю у світі після Німеччини.

За останні 150 років добове споживання цукру різко зросло і нині становить: в країнах СНД – 70 – 100 г., в Англії – 130 г.

 У виробництві цукру використовуються підсолоджувачі:

стевіозид (КС 300) отримують із рослин стевії (Південна Америка), яку з 1986 р. вирощують і в Україні;

сахарин (КС500) – найстаріший із підсолоджувачів, відкрито в 1879 р. як похідну сполуку від сульфоамінобензойної кислоти;

цикламати (КС30) відкриті у 1937 р. як похідні аміносульфонової кислоти;

ацесульфам К (КС200) відкрито у 1967 р. Використовується у виробництві більш ніж 4000 продуктів і напоїв;

сукралоза (КС600) відкрита у 1976 р.;

неогесперідин ДС (КС1900) відкрито у 1979 р. у шкірках цитрусових плодів;

тауматин (КС 2500) відкрито у 1981 р. у плодах катемфе (Західна Африка).

Головною сировиною для виробництва цукру є цукрова тростина та цукровий буряк у країнах із жарким та помірним кліматом відповідно. Незважаючи на трохи нижчий середній вміст цукру у тростині (12 – 15 %), порівняно з буряком (15 – 25 %) із 1 га площі тростини, завдяки вищій її врожайності, можна порівняно з буряком отримати майже вдвічі більше цукру.

Сировиною для промислового виробництва цукру в Україні є цукровий буряк. Це дворічна засухостійка рослина, яка в перший рік дає коренеплоди масою 200 – 500 г.

Технологічна схема виробництва цукру із буряків

Бурякоцукрові заводи працюють сезонно за безперервно-потоковою схемою з високим рівнем автоматизації основних процесів.

Основними стадіями бурякового цукровиробництва є очищення буряків, подрібнення на стружку, виділення дифузійного соку, очищення дифузійного соку, згущення соку до сиропу, кристалізація, виділення кристалів цукру, висушування цукру, пакування.

На всіх цукрозаводах діє типова технологічна схема виробництва цукру-піску із буряків (рис. 23.2).

Рисунок 23.2 – Технологічна схема виробництва цукру із буряків

3. Виробництво м’яса, молока, м’ясо-молочних продуктів

Технологічна схема виробництва м'яса складається з таких операцій:

• поділу і розпилювання туші та її частин на сортові відруби;

• розпилювання відрубів на порції;

• зважування і доведення до стандартної маси;

• упаковування і етикетирування порцій;

• укладання їх у тару.

Використовують яловичину, телятину, баранину, козлятину і свинину І II категорії вгодованості. У залежності від частини туші м'ясо поділяється на перший сорт (поперекова, лопаткова, грудна частина), другий сорт (шийна частина і пашина) і третій сорт (заріз і передня гомілка). М'ясо і субпродукти використовують найчастіше в охолодженому стані. Фасоване м'ясо випускають порціями масою нетто 250, 500 і 1000 г. Ковбасні вироби готуються на основі м'ясного фаршу із сіллю, спеціями і добавками, в оболонці чи без неї і піддані тепловій обробці до готовності для вживання. Солоні вироби також готують до споживання, але роблять із сировини з незруйнованою (окіст, корейка, грудинка, шинка у формі) чи крупно-подрібненою структурою (шинка в оболонці, бекон аматорський та ін). Для виготовлення варених ковбас застосовують яловичину і свинину в парному, охолодженому і розмороженому стані, для виробництва ковбас інших видів — в охолодженому і замороженому стані. При виробництві ковбасних виробів використовують соєві білки, казенат натрію, плазму крові й ін. Для досягнення необхідних технологічних властивостей готового продукту (смаку, аромату, кольору) і запобігання від мікробіологічного псування відбувається посол м'яса, обов'язковою і домінуючою частиною посолочних сумішей є кухонна сіль, також додають нітрит натрію для збереження в ковбасах, у першу чергу варених, рожевого кольору м'яса.

Варені ковбаси зберігають при 8 °С 48 72 години, сосиски і сардельки при 8 °С 48 годин; напівкопчені ковбаси при 12 °С 10 діб; сирокопчені ковбаси при 12 15 °С 4 місяця.

Технологія суцільномолочних продуктів і морозива

Пастеризоване, стерилізоване молоко і вершки. При виробництві незбираного пастеризованого молока роблять його очищення, нормалізацію, гомогенізацію, пастеризацію і стерилізацію. Залежно від жирності вихідної сировини для нормалізації за вмістом жиру використовують знежирене молоко чи вершки, для нормалізації за вмістом сухих речовин сухе знежирене молоко. На практиці, як правило, зменшують жирність вихідного молока. Використання термічної обробки продуктів при температурі до 100 °С для придушення життєдіяльності мікроорганізмів було названо по імені французького вченого Луї Пастера пастеризацією. Застосувати пастеризацію для обробки молока запропонував І. І. Мечніков. У доповненні до теплової обробки допускається використання антибіотика низина, сорбінової кислоти і її солей. Пастеризоване молоко випускають у спеціальних паперових чи поліетиленових пакетах, фасування молока в дрібну тару здійснюється на автоматичних лініях великої продуктивності. Останнім часом дедалі більшою популярністю користується стерилізоване молоко. У порівнянні з пастеризованим воно має більш високу стійкість і витримує тривале збереження і транспортування навіть без охолодження. Висока стійкість стерилізованого молока зобов'язана тому, що в процесі стерилізації при температурі 115 °С чи при температурі 135 145 °С  знищується не тільки вегетативна, а й спорова мікрофлора. Вершки виробляють з масовою часткою жиру 8,10, 20 і 35 %..

Кисломолочні напої. Для вироблення кисломолочних продуктів використовують цільне і знежирене молоко, вершки, сколотини, згущене і сухе молоко коров'яче, кобиляче, овече, козяче і т. д. Застосовують такі мікроорганізми: молочно-кислотну паличку, знану як болгарська, ацидофільну паличку, а також молочнокислі, вершкові стрептококи, кефірні грибки, кумисні дріжджі й ін. Дієтичні кисломолочні продукти умовно поділяють на дві групи: отримані тільки внаслідок молочнокислого шумування (кисляк, ацидофільне молоко, йогурт) чи змішаного молочнокислого і спиртового шумування (кефір, кумис і ін.)

Загальним у виробництві всіх кисломолочних напоїв є сквашування підготовленого молока заквасками і при необхідності дозрівання. Специфіка виробництва окремих продуктів розрізняється лише температурними режимами деяких операцій, застосуванням заквасок різного складу і внесенням наповнювачів.

Кисляк відомий з давніх часів, у даний час існує багато різних його видів, зокрема місцеві національні види: на Україні ряжанка, у Північній Осетії кефір, у Грузії мацоні, у Північно-Східній Азії айран і т. п. У всіх видах кисляку переважають різні види термофільних молочнокислих паличок.

Кефір продукт змішаного молочнокислого і спиртового шумування, завдяки високим смаковим і дієтичним властивостям є найбільш розповсюдженим серед дієтичних кисломолочних напоїв. Кефір єдиний кисломолочний напій, який виробляють у промисловості на природній симбіотичній заквасці грибках. Грибки різні за формою і величиною білкові утворення, швидко розмножуються в молоці і сироватці.

Сметана, сир і сирні вироби. Сметану виробляють сквашуванням пастеризованих вершків чистими культурами молочнокислих бактерій з наступним дозріванням отриманого згустку. У сметані містяться усі вітаміни, що є в молоці, а жиророзчинних А і Е  у кілька разів більше. Крім того, деякі молочнокислі бактерії в процесі сквашування сметани синтезують вітаміни групи В.

Після сквашування сметану фасують на спеціальних автоматах у велику і дрібну тару, а після фасування направляють у холодильні камери для набуття щільної консистенції. Сир, як і сметана, білковий кисломолочний продукт, але виготовляється він з пастеризованого молока з наступним видаленням зі згустку частини сироватки й відпресовуванням білкової маси. За вмістом жиру сири підрозділяють на три види: жирний, напівжирний і нежирний. За методом утворення згустку розрізняють два способи виробництва сирів: кислотний і сичуговий або кислотно-сичуговий. При першому способі молоко сквашується молочнокислими бактеріями, при другому, крім молочнокислих стрептококів, додаються сичуговий фермент чи фермент пепсин.

Сквашування при кислотному методі продовжується 6 8 годин, сичугово-кислотному 4 6 годин. Зберігають сири до реалізації не більше 36 годин при температурі не вище 8 °С і вологості 80 85 %. Для вироблення усіх видів сирів використовують спеціальні сировиготовлювачі з ванною, що пресує. Із сирів одержують цілий ряд сирних виробів різні сирні маси, сирки, креми і т. п. Як смакові наповнювачі й ароматичні речовини використовують цукор, мед, какао, цукати, горіхи, ізюм, ванілін та інше.

Морозиво одержують шляхом збивання і заморожування молочних чи фруктово-ягідних сумішей з цукром, стабілізаторами, а для деяких видів також з ароматичними і смаковими наповнювачами. Технологія виробництва морозива включає такі операції: готування суміші для морозива; обробка її шляхом фільтрації, пастеризації і гомогенізації; охолодження і дозрівання суміші, фризерування суміші (насичення суміші повітрям при одночасному частковому заморожуванні), фасування і загартовування морозива. Суміш готують в ємностях-пастеризаторах з мішалкою; як стабілізатори використовують агар, агароїд, желатин і ін. Перед фризеруванням у суміш вносять ароматичні речовини (ванілін, ванілон і ін.).

Після фризера морозиво швидко фасують і гартують у спеціальних камерах. Загартоване морозиво упаковують у картонні коробки і направляють у камери схову з температурою мінус 18 25 °С і відносною вологістю повітря 85—90 %. Фасоване морозиво залежно від виду може зберігатися до 2 місяців.

Вершкове масло продукт із високою концентрацією молочного жиру, що має серед природних жирів найбільшу харчову і біологічну цінність. Технологія виробництва масла заснована на концентрації жирових кульок молока сепаруванням і одержанні вершків потрібної жирності, їх наступної термохімічної обробки для здійснення складних фізико-хімічних процесів тужавіння гліцеридів молочного жиру і руйнування оболонок жирових кульок, формування структури і консистенції продукту.

У ємностях для виготовлення масла, крім збивання вершків, здійснюється також промивання масляного зерна, посолка й обробка масла. Режим термостатування щойно отриманого масла повинен сприяти активному проходженню фазових змін гліцеридів молочного жиру і формуванню вторинної структури вершкового масла. Тому перед закладкою в холодильну камеру щойно отримане масло варто витримати в цеху 2 3 години при 14 –   15 °С, а потім у попередній камері чи спеціальному приміщенні 2 3 доби при 5 10 °С. Остаточне «дозрівання» масла відбувається протягом 1 3 місяців холодильного збереження.

4. Виробництво етилового спирту

Етанол широко застосовується у багатьох галузях: хімічній, фармацевтичній, парфумерній та харчовій, де він є основою лікеро-горілчаних виробів та вин. Його використовують як паливо, антифриз чи дезинфікуючий засіб. В технічних галузях (паливна, електротехнічна) використовують етанол, виготовлений із етиленвміщуючих газів, деревини, соломи та відходів сульфітно-целюлозного виробництва. В галузях харчової промисловості (консерви та вітаміни, вина та лікеро-горілчані вироби), а також у фармацевтичній та медичній використовують спирт, вироблений із харчової сировини: зерна, картоплі, меляси, буряків.

Етиловий, або винний, спирт-етанол, С2Н5ОН, є прозорою, безбарвною рідиною із характерним запахом і обпікаючим смаком. Він у будь-яких співвідношеннях змішується з водою і при тиску 0,1 МПа кипить при 78,35 °С, а замерзає при 117 °С, має густину 789,27 кг/м3.

Етанол виробляють двома способами: мікробіологічним та хімічним. В основі першого лежить зброджування, за допомогою дріжджів родини цукроміцетів, цукрів, які, в свою чергу, отримують виділенням із цукровміщуючої (або оцукрюванням крохмалю) чи клітковиновміщуючої сировини. Хімічний синтез етанолу полягає в каталітичній гідратації етилену (прямій або через етилсульфатну кислоту):

с2н4 + н2о→с2н5он.

Спирт хімічного синтезу використовують переважно в технічних сферах, а мікробіологічного в харчових та медичних.


Тема 24 Транспорт і зв’
язок

1. Види транспорту та транспортних перевезень

2. Особливості різних видів транспорту

3. Основні види зв’язку

1. Види транспорту та транспортних перевезень

Транспорт галузь матеріального виробництва, яка здійснює перевезення населення і вантажів. Продукцією транспорту є сам процес переміщення, який здійснюється за допомогою транспортних засобів як у сфері виробництва, так і сфері обігу.

Україна транзитна держава, яка повинна активізувати у відповідності до міжнародних стандартів роботу по створенню національної мережі міжнародних транспортних коридорів та її інтегрування в транспортні системи держав Європи, Азії, Балтійського і Чорноморського регіонів, Закавказзя, Близького й Далекого Сходу, тобто між Сходом і Заходом, Півднем і Північчю.

Сучасний транспорт України виконує наземні, водні та повітряні види перевезень людей та вантажів. За характером перевезень його поділяють на пасажирський та вантажний.

Наземні перевезення (переміщення) виконуються залізничним, автомобільним та трубопровідним видами транспорту.

Водні  морським та річковим.

Повітряні авіаційним транспортом.

Залізничний транспорт

Залізничний транспорт є найбільш розвиненим в Україні, за загальною довжиною шляхів він займає четверте місце у світі (після США, Росії і Канади). За вантажообігом він виконує основні обсяги перевезень понад 70 %, а за пасажирообертом є незаперечним лідером на нього припадає приблизно 50—70 % загального обсягу перевезень.

Українські залізничні дороги «Укрзалізниця» потужна транспортна система, яка за розмірами та рівнем використання технічних засобів і технологій займає одну з провідних позицій в СНД і Європі. За щільністю залізничних колій (0,037 км на 1 км2 площі) Україна наблизилась до найбільш розвинених європейських держав. Експлуатаційна довжина колій понад 22 тис. км, з яких понад 60 % обладнано автоматичним регулюванням рухом поїздів, приладами електричної централізації стрілок обладнано майже 94 % усіх залізничних станцій. У сферу управління «Укрзалізниці» входять 6 залізних доріг, які здійснюють перевезення пасажирів і вантажів: Донецька, Львівська, Одеська, Південна, Південно-Західна та Придніпровська.

Українські залізні дороги безпосередньо межують та взаємодіють із залізними дорогами Словаки, Угорщини, Польщі, Румунії, Молдови, Білорусі, Росії, а також Болгарії та Грузії (поромне сполучення). Вони обслуговують морські порти Чорноморсько-Азовського басейну.

Створення сімейства вагонів для роботи в системі Міжнародних транспортних коридорів необхідна умова для процесів інтеграції України в європейську транспортну інфраструктуру. Вагони нового сімейства призначені для переходу без перевантаження з колії 1520 мм (Україна) на 1435 мм (Європа) та назад при проходженні поїздів через західний кордон держав СНД.

Автомобільний транспорт

Автомобільний транспорт займає значне місце в міжнародних, державних та регіональних пасажирських і вантажних перевезеннях. Автобусним транспортом перевозиться практично стільки ж пасажирів, скільки всіма іншими видами пасажирського транспорту (тролейбусним, трамвайним, залізничним, метрополітеновим, таксомоторним, легковим, морським, річковим, авіаційним) разом узятими. Загальна довжина доріг і вулиць із твердим покриттям, включаючи довжину вулиць-набережних у містах і селищах міського типу, перевищує чверть мільйона кілометрів.

Автомобільний транспорт домінує у вантажних перевезеннях на короткі відстані (середня відстань перевезення 1 т вантажів близько 20 км).

Численні автотранспортні підприємства мають досить повно укомплектовану виробничу базу, розгалужену мережу інфраструктурних об'єктів: автовокзалів, автостанцій, транспортно-експедиційних підприємств, терміналів і т. п., застосовує сучасні технології автоперевезень із використанням великовантажних автопоїздів, контейнерних та пакетних перевезень.

Морський транспорт

Морському транспорту належить третє місце по вантажообігу після трубопровідного і залізничного транспорту, однак за кількістю відправлених вантажів він займає незначне місце (близько 1 %). Домінуючі обсяги перевезень (95 %)здійснюються в закордонному плаванні. Основні вантажі — мінеральні будівельні матеріали, сільгосппродукція.

Річковий транспорт

Географія функціонування річкового транспорту встановилася й в основному обмежується басейнами річок Дніпра і Дунаю, а також прибережними водами Чорного моря, що дозволяє доставляти вантажі і пасажирів у річкові і морські порти ряду країн Центральної і Південно-Східної Європи.

Повітряний транспорт

Середня відстань доставки одного пасажира повітряним транспортом у 10 15 разів більша від аналогічного показника в найближчого конкурента залізничного транспорту — і має тенденцію до зростання. Саме цей показник є домінантним у визначенні перспектив розвитку авіаційного транспорту.                  

Льотний парк України представлений сучасними конкурентоздатними типами зарубіжних та вітчизняних літаків (Ан-70,  Ан-140, Ан-228, Як-42 та ін.) здійснюється будівництво і реконструкції ряду об'єктів авіаційно-виробничої інфраструктури (у першу чергу злітно-посадкових смуг), структурної реорганізації керування авіаційним транспортом у напрямку створення конкурентного середовища всередині даної галузі.

Трубопровідний транспорт

Трубопровідний транспорт протягом останніх 10 років стабільно нарощує свою частку в загальному обсязі транспортних вантажів, що становить в даний час більш 23 %. Трубопровідний транспорт володіє достатніми виробничими потужностями для забезпечення України енергоносіями нафтою і газом, а також для виконання функцій транзиту російської нафти і газу в країни Південно-Східної Європи.

Найбільший нафтопровід «Дружба» є транс'європейською магістраллю і в межах України має протяжність 680 км. До міждержавного належить і нафтопровід Мічурінськ (Росія) Кременчук протяжністю в межах нашої держави 313 км, а також етиленопровід від Калуша до Угорщини. В межах України найдовшими нафтопроводами є Кременчук  Херсон (428 км), Гнідинці Розбишівка Кременчук (395 км). На заході держави знаходяться невеликі нафтопроводи Долина Дрогобич (58 км) і Битків Надвірна (15 км). Працює нафтопродуктопровід Кременчук Лубни Київ.

Було збудовано потужні магістральні газопроводи Дашава Київ Москва (1 330 км), Дашава Мінськ Вільнюс Рига (1198 км), Шебелинка Бєлгород Брянськ Москва, Шебелинка Острогзськ Москва, Шебелинка Дніпропетровськ Кривий Ріг Одеса Кишинів з відгалуженнями до Запоріжжя, Нікополя, Миколаєва і Херсона.

Після відкриття родовищ природного газу у Криму споруджено газопроводи місцевого значення Глібівка Сімферополь і Джанкой Сімферополь.

Нові відкриття газу у Харківській області сприяли спорудженню газопроводу Єфремівка Диканька Київ західні області України (1 010 км).

Через Україну із Західного Сибіру й інших районів Росії пролягають кілька магістральних газопроводів до країн Центральної і Західної Європи. Серед них найбільшим є газопровід Уренгой Помари Ужгород.

3. Основні види зв’язку

Життя та діяльність людини сьогодні неможливо уявити без послуг та можливостей зв'язку.

Зв'язок  передача та прийом інформації за допомогою поштових, електричних та інших технічних засобів.

Основними засобами (видами) сучасного зв'язку є пошта і так званий електрозв'язок (телекомунікаційний спосіб). До останнього належать: телефонний зв'язок і документальний (телеграф, фототелеграф, факсимільний, Internet, стільниковий, пейджинговий, супутниковий, проводове та ефірне мовлення, телебачення тощо).

Поштову діяльність провадять підприємства поштового зв'язку: поштамти, вузли та відділення зв'язку, основними видами послуг яких є поштові відправлення (періодичні видання, листи, посилки, грошові перекази тощо).

В Україні розроблена і реалізується державна програма телефонізації всіх регіонів. Створена сумісна українсько-американсько-голландсько-німецька фірма «УТЕЛ», яка будує в Україні міжнародні цифрові телефонні станції. Такі станції діють у кожному обласному центрі і в Сімферополі.                             

На цих станціях використовується цифровий зв'язок. Суть цифрового зв'язку в тому, що людська мова та інша інформація передається цифровим кодом, завдяки чому мова та інформація не засмічується різними технічними перешкодами.

Телеграфний зв'язок (передача літерно-цифрових повідомлень) модернізується шляхом заміни телеграфних апаратів на комп'ютерні термінали.

Факсимільний зв'язок (передача графічної інформації) реалізується проект Infocom on-line зі створенням єдиної мережі Internet з використанням волоконно-оптичних і широкосмугових супутникових ліній зв'язку. Передбачається створення єдиної системи документального електрозв'язку загального користування (ЄС ДЕЗ) із поступовою заміною телеграфних послуг на послуги електронної пошти на базі Internet і факсимільного зв'язку.

Технологія Internet (обмін інформацією засобами електронно-комп'ютерної техніки і технологій) отримала всесвітнє визнання.

Мережа Internet  надійний засіб скорочення відстаней, що розділяють учасників інформаційних зв'язків різних континентів держав і регіонів, що дозволяє значно прискорити швидкість та якість інформаційного обміну, поліпшити взаємодію між користувачами системи, оптимізувати процеси отримання, обробки інформації та прийняття рішень в усіх сферах людської діяльності.

Основні Internet-послуги в Україні виконує ВАТ «Укртелеком», який забезпечує обмін навантаження між іншими постачальниками Internet-послуг. Він надає послуги електронної пошти, доступ до інформаційних ресурсів, передавання факсимільних повідомлень, міжнародної телефонії (ІР-телефонії) тощо.

Мережа стільникового (сотового) рухомого зв'язку охоплює практично всі великі й середні міста України й основні автомагістралі. Мережа постійно розширюється.

Пейджинговий зв'язок виконується передавачами на базі радіостанцій, розташованих, як правило, в обласних центрах.

Супутниковий зв'язок використовує штучні супутники Землі, які задіяні у відповідних міжнародних системах зв'язку.  


Тема 25 Основи технологій виробництва компонентів електронного устаткування

1. Поняття про електронну та мікроелектроніку

2. Інтегральні мікросхеми (ІМС)

3. Напівпровідникові матеріали для виготовлення ІМС

1. Поняття про електронну та мікроелектроніку

Виробництва компонентів електронного устаткування України призначені забезпечити всі виробничі сфери та побут людей високоефективними засобами комп'ютерної техніки, новими поколіннями супутникових систем зв'язку, комплексну автоматизацію всіх галузей народного господарства.

Найбільшими центрами виробництва електронної та мікроелектронної техніки є Київ, Харків, Львів, Дніпропетровськ, Сімферополь, Донецьк, Запоріжжя, Одеса.

У Києві почав діяти технопарк мікроелектроніки, а в Харкові технопарк монокристалів для виробництва електронних компонентів.

Виробництва компонентів електронного устаткування використовують напівпровідникові матеріали високої чистоти, що містять до 99,9999 % основного компонента, тобто в цих матеріалах на мільйон атомів основного компонента припадає один атом домішок.

Розрізняють прості й складні напівпровідникові матеріали. Прості це кремній, германій, селен, телур, фосфор, сірка, арсен, стибій, йод та ін. Складні це тверді розчини (кремнію і германію) та хімічні сполуки (арсенід галію, оксид міді та ін.). Електропровідність цих матеріалів при кімнатній температурі має проміжне значення між електропровідністю металів (10б  104 Ом-1 см-1) і діелектриків (10-10 – 10-12 Ом-1 см-1).

Електронікою називають науку про електронні процеси у вакуумі, газах, рідинах і напівпровідниках, які відбуваються за різних температур під дією електричних і магнітних полів.

Технічна електроніка розроблює, виробляє та експлуатує електронні прилади та пристрої найрізноманітнішого призначення. Вона відзначається великою швидкодією та точністю.

Мікроелектронікою називають частину технічної електроніки, яка розроблює, виготовляє мікросхеми та конструкційно-допоміжні пристрої.

Основною продукцією мікроелектроніки є інтегральні мікросхеми.

Інтегральною мікросхемою (ІМС) називають електричну схему, яка складається з певної кількості елементів, виготовлених і електрично пов'язаних між собою у приповерхневому шарі напівпровідникового монокристалу або на діелектричній підкладці.

Монокристали вирощують із кремнію та арсеніду галію, а підкладки виготовляють із скла або кераміки.

Елементи ІМС поділяють на активні і пасивні.

Активні елементи ІМС підсилюють сигнали або перетворюють їх. Це діоди, транзистори тощо.

Пасивні елементи передають сигнали. До них належать резистори, конденсатори, котушки індуктивності тощо.

Деталі (компоненти) електронного устаткування використовуються для виробництва систем обробки та передачі інформації, автоматичних систем управління процесами виробництва і руху, устаткування для радіо, телебачення та зв'язку, комп'ютерів, ЕОМ, медичної апаратури, пристроїв квантової електроніки, обладнання для наукових досліджень, електронних годинників та багато чого іншого.

Найважливішими компонентами сучасного електронного устаткування є інтегральні мікросхеми (ІМС) та мікропроцесори.

Інтегральні мікропроцесори є найбільшим і найважливішим науково-технічним досягненням сучасності і мають значні перспективи свого розвитку.

Електроніка зародилася на початку XX ст. Слідом за створенням радіо та телебачення було створено перші ЕОМ (електронно-обчислювальні машини). Електронну апаратуру складали з окремих готових елементів-електронних ламп, резисторів, конденсаторів тощо, які з'єднували між собою за допомогою електричних провідників паянням і зварюванням. Виробництво електронної апаратури було трудомістким, а самі прилади громіздкими, ненадійними, крім того, споживали багато енергії. Так, маса ЕОМ 1940 р. виготовлення становила 30 т. Вона споживала таку кількість електричної енергії, як одночасно включені 180 прожекторів, а виконувала розрахунки які, виконує сучасний кишеньковий калькулятор. Починаючи з 40-х років XX ст. усі зусилля творців електронної апаратури були спрямовані на мініатюризацію електричних схем та зменшення розмірів і маси апаратури.

В грудні 1947 р. американські винахідники Джон Бардін і Уолтер Браттейн створили транзистор, який спричинив переворот у електроніці.

Електронне обладнання стало меншим за розмірами, легшим, надійнішим і дешевшим, ніж аналогічне за призначенням на електронних лампах. Проте з часом саме електронне обладнання та спосіб його виготовлення перестали задовольняти темпи розвитку науки і техніки.

Наступний крок електроніки пов'язаний із розвитком мікроелектроніки, який ґрунтується на використанні інтегральних мікросхем.

У 1959 р. Дж. Кілбі і Р. Нойс незалежно один від одного заявили про винаходи, які полягали у тому, що на одному кристалі кремнію побудована ціла електронна схема. Такі схеми стали називати інтегральними.

Перші мікросхеми були виготовлені на кристалах площею кілька квадратних міліметрів. Настав період удосконалення технології виготовлення ІМС: зменшення площі, яку займає мікросхема; поліпшення її якості та надійності, зменшення собівартості.

Із винаходом інтегральних мікросхем з'явилися електронні годинники, які зробили переворот у структурі годинникової промисловості.

Ручні годинники з продукції точного машинобудування перейшли до продукції електронної промисловості. Механічні арифмометри та логарифмічні лінійки замінили на кишенькові калькулятори.

Зростає значення мікроелектроніки в промисловості: у процесі зварювання, виконання монотонних робіт. Мікроелектроніка відіграє важливу роль також під час складання виробів, у системах контролю, обліку та розподілу продукції тощо.

Швидкий розвиток мікроелектроніки та її використання в найрізноманітніших галузях промисловості та людської діяльності обумовлений такими факторами:

• висока надійність в експлуатації, що забезпечує безвідмовність, довговічність, ремонтопридатність, захищеність від зовнішніх факторів впливу;

• можливість значного зменшення габаритів і маси різних виробів без втрати якості роботи.

Інтегральна електроніка на сьогоднішній день є галуззю промисловості, яка здатна дуже швидко впроваджувати у виробництво інноваційно-перспективні наукові розробки, які започатковуються схемотехнічною мікроелектронікою та іншими напрямами сучасної науки.

Формується новий комплекс наноелектронних технологій, здатних створювати надвеликі мікропроцесори інтегральні структури з дуже великим ступенем інтеграції та функцій і надмалими габаритними розмірами та енергоспоживанням.

Мова йде про габарити, які будуть вимірюватись не мікрометрами, а нанометрами.

Нано (від грецьк. nonos  карлик) приставка для створення назв дольних одиниць рівних одній міліардній частці вихідних одиниць. Наприклад, 1 нм = 10-9 м.

Наноелектронні технології, інтегруючись з біотехнологіями, мікро- та наномеханікою, роботобудуванням та іншими технологіями, в найближчі десятиліття будуть спроможні ще в більшій мірі поставити досягнення сучасної науки на облаштування людського життя та навколишнього середовища.

2. Інтегральні мікросхеми (ІМС)

Інтегральні мікросхеми поділяють на окремі класи за такими ознаками: технологією виготовлення, ступенем інтеграції, функціональним призначенням тощо.

І. За технологією виготовлення. Усі інтегральні мікросхеми поділяють на напівпровідникові, плівкові та гібридні.

1.  Напівпровідникові ІМС виготовляють у приповерхневому шарі монокристалів (кремнію, арсеніду галію) особливої чистоти. В окремих місцях монокристалу його структуру перебудовують так, що ці місця стають елементами складної системи, якою є ІМС. У напівпровідникових ІМС усі елементи та з'єднання виготовлені в об'ємі та на поверхні напівпровідникового монокристалу. Частина монокристалу розміром 1 мм2 перетворюється в складний електронний прилад, який замінює блок з 50—100 і більше звичайних радіотехнічних деталей.

2. Плівкові ІМС виготовляють нанесенням різних речовин у вигляді плівок на поверхню підкладки, виготовленої із скла або кераміки.

Плівкові ІМС поділяють на тонкоплівкові (товщина плівкових елементів менша 1 мкм) та товстоплівкові (товщина більша 1 мкм).

Тонкоплівкові ІМС отримують осадженням плівок із різних речовин на нагріту до певної температури поліровану підкладку. Для отримання плівок найчастіше використовують алюміній, титан, титанат барію, оксид олова тощо.

У товстоплівкових ІМС елементи формують протискуванням спеціальних паст через трафарети із подальшим спіканням за високих температур. У таких структурах один із шарів містить резистори, другий конденсатори, інші шари виконують роль провідників струму та інших елементів. Усі елементи з'єднані між собою й утворюють конкретний електронний пристрій.

3. Гібридні ІМС складаються із плівкових і напівпровідникових елементів. Такі мікросхеми монтують на скляній або керамічній підкладці: пасивні елементи виготовляють у вигляді металевих і діелектричних плівок, активні «навішують» на плівкову схему. Таким чином отримують гібридні ІМС (ГІМС). Гібридні ІМС більшої складності називають великими, їх використовують в регуляторах електричних двигунів.

На сьогодні найширше використовують напівпровідникові та гібридні ІМС. Складність інтегральної мікросхеми характеризується показником, який називають ступенем інтеграції.

II. За ступенем інтеграції інтегральні мікросхеми (ІМС) поділяють на малі (МІМС), середні (СІМС), великі (В1МС) і надвеликі (НВ1МС) (табл. 25.1).

Таблиця 25.1 – Ступені інтеграції ІМС

Кількість елементів у мікросхемі

Назва та позначення мікросхем

Час створення мікросхем

10-100

малі (МІМС)

початок 60-х років

102-103

середні (СІМС)

кінець 60-х — 70-ті роки

103-104

великі (БІМС)

кінець 70-х років

104-105

надвеликі (НВІМС)

початок 80-х років

105-106

надвеликі (мікропроцесори)

90-ті роки

III. За функціональним призначенням. Усі мікросхеми поділяються на аналогові та цифрові.

Аналогові мікросхеми служать для перетворення і оброблення сигналів, які змінюються за законом неперервної функції.

Цифрові інтегральні мікросхеми призначені для перетворення і оброблення сигналів, які змінюються за законом дискретної функції.

3. Напівпровідникові матеріали для виготовлення ІМС

Напівпровідникову інтегральну мікросхему виготовляють у приповерхневому шарі напівпровідникового монокристала, створюючи в ньому зони, які виконують роль елементів (резисторів, провідників, транзисторів, діодів, конденсаторів тощо).

Для прикладу розглянемо технологію виготовлення напівпровідникових ІМС у приповерхневому шарі кремнієвої пластини (рис. 25.1).

Рисунок 25.1 – Технологічна схема виробництва напівпровідникових ІМС

Напівпровідникові ІМС виготовляють у приповерхневому шарі тонкої пластини, вирізаної з монокристала кремнію. Вибір кремнію зумовлений його властивостями.

Кремній порівняно з іншими напівпровідниками має більш високу температуру плавлення (1415 °С), стійкий до хімічних впливів, його багато в природі (27,6 % маси земної кори), має високу механічну міцність, твердість, не піддається корозії, відносно легко очищується від домішок, має стабільний оксид (SiO2), можна отримати монокристали кремнію з однорідною структурою без внутрішніх напружень та оптичних дефектів, з правильною кристалічною решіткою та дуже чистою (малошорсткою) поверхнею. Всі ці властивості дуже важливі для виробництва якісних ІМС.

Для виробництва ІМС використовують монокристали кремнію у вигляді круглих пластин діаметром 100 120 мм і товщиною 200 400 мкм.

Отримання кремнію. У природі вільного кремнію немає. Сировиною для отримання кремнію є кварцовий пісок, який містить кремній у вигляді діоксиду (SіО2). Попередньо очищений пісок відновлюють за допомогою вуглецю:

SiO2 +С→Si + СО2.

Отриманий кремній містить до 2 % домішок (інших хімічних елементів), які змінюють його властивості, а відповідно негативно впливають на якість роботи мікросхем.

Очищення кремнію. Очищують кремній від домішок соляною кислотою, воднем та іншими речовинами. Проте очищений хімічним способом кремній не задовольняє вимог, які ставляться до матеріалів, що використовуються в мікроелектроніці. Кінцевим очищенням кремнію є безтигельне зонне переплавлення, яке ще називають зонним очищенням.  

З очищеного кремнію вирощують монокристали. Кремній плавлять (Тпл = 1420 °С). Отримані монокристали ріжуть на пластини, одну з поверхонь яких шліфують, полірують, промивають, висушують, і готові (чорні, блискучі) пластини відправляють для виготовлення ІМС.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59994. Подорож до країни Ввічливості 62 KB
  Мета. Узагальнити знання учнів про правила поведінки вдома, в школі, в громадських місцях. Розвивати мислення, увагу. Виховувати шанобливе ставлення до старших, батьків, виявляти піклування про молодших, слабших.
59997. Украина в годы правления Ивана Выговского 63.5 KB
  Охарактеризовать основные причины условия Гадячского договора и его последствия для украинских земель выяснить причины и последствия украино-московской войны 1658-1659гг определить основные причины поражения украинского войска под руководством Выговского...
59998. ВИХОВНА ГОДИНА З ЕЛЕМЕНТАМИ НАРОДОЗНАВСТВА «МОВА, МАМА, ПІСНЯ НА РІДНІЙ ЗЕМЛІ» 1.37 MB
  Дитинство пахне яблуками й медом І матіолою п’янкою під вікном І хмарами що так гойдають небо Дитячим довгим безтурботним сном. В світі все минає тільки зостається Мова мама пісня на рідній землі.
59999. Опис досвіду роботи з виховання особистості 173 KB
  Розбудова української держави ставить на порядок денний надзвичайно важливе і невідкладне завдання виховання нового покоління здатного не тільки осягнути загальнолюдський зміст сутності існування людини а й творчо вирішувати їх згідно з духом свого часу.
60000. Координатна площина. 6 клас 1.54 MB
  Мета уроку: навчити учнів будувати точку за її координатами і визначати координати точки позначеної на координатній площині Задачі уроку: ознайомити учнів з прямокутною системою координат на площині; навчити орієнтуватися на координатній площині...
60001. Випадкові події 92 KB
  Визначення подій: подія А яблуко яке взяли червоне або подія В яблуко яке взяли зелене ; 2визначення того яка подія швидше відбудеться А або В якщо у кошику 7 червоних і 2 зелених яблука тобто імовірність події 3 визначення...