РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ Проект участка по производству монокристаллов GSGG·Nd3+ (диаметр 20 мм, длинна 150 мм) производительностью 100 штук в год. Исполнитель: Руководитель: Консультант по экономической части: Москва 1998 г. План участка. . Вскрытие тары с Gd2O3 Взвешивание Gd2O3 Вскрытие тары со Sc2O3 Прокаливание Взвешивание Sc2O3 Вскрытие тары с Ga2O3 Взвешивание Ga2O3 Вскрытие тары с Nd2O3 Взвешивание Nd2O3 Прессовка шихты Взвешивание шихты Перемешивание навесок Твердофазный синтез Наплавление шихты в тигель Затравление Отжиг Отрыв кристалла Рост кристалла Извлечение кристалла Крепление кристалла Резка кристалла Пиццеин Смешение с новым Пиццеин Очистка пиццеина Пиццеин Съем заготовки Маркировка и упаковка Контроль оптического качества Протирка кристалла Оглавление. 1. Введение. 3 1. 1. Структура проекта. 3 1. 2. Литературный обзор. 3 1. 3. Выбор метода выращивания. 5 1. 4. Характер оборудования. 7 1. 5. Обоснование места размещения. 8 2. Технологическая схема. 9 3. Технологический расчет производства. 14 3. 1. Исходные данные. 14 3. 2. Расчет числа ростовых установок. 14 3. 3. Расчет количества реактивов. 14 3. 4. Расчет количества этилового спирта. 15 3. 5. Расчет количества ацетона. 16 3. 6. Расчет других расходных материалов. 16 3. 7. Сводная таблица расходных материалов. 16 4. Основное оборудование 17 4. 1. Установка “КРИСТАЛЛ-2”. 17 4. 1. 1. Описание установки. 17
4. 1. 2. Основные технические характеристики установки “Кристалл-2”. 17 4. 2. Печь “КО-14”. 18
5. Вспомогательное оборудование, приспособления и материалы. 20 6. Строительная часть. 21 7. Экономическая часть. 23
7. 1. Технико-экономическое обоснование расширения опытно-экспериментального производства на базе ИОФРАН путем строительства нового участка по производству монокристаллов гадолиний-скандий-галлиевого граната в количестве 100 штук в год. 23
7. 2. Режим работы участка и расчет эффективного времени работы оборудования. 23 7. 3. Расчет стоимости основных фондов и капитальных затрат. 24 7. 3. 1. Определение стоимости строительства зданий и сооружений. 24 7. 3. 2. Определение стоимости оборудования. 25 7. 3. 3. Определение капитальных затрат. 25
7. 4. Расчет численности рабочих и фонда заработной платы. 26 7. 4. 1. Определение баланса времени работы среднесписочного рабочего. 26 7. 4. 2. Определение числа рабочих и фонда заработной платы. 26 7. 4. 3. Расчет штата и фонда заработной платы персонала участка. 26 7. 5. Расчет проектной себестоимости продукции. 28
7. 5. 1. Определение годовой потребности в сырье, материалах, энергии. 28 7. 5. 2. Планово-заготовительные цены на сырье и материалы. 28 7. 5. 3. Определение стоимости электроэнергии. 28 7. 5. 4. Расчет амортизационных отчислений. 28
7. 5. 5. Смета расходов по содержанию и эксплуатации оборудования. 29 7. 5. 6. Смета цеховых расходов. 29 7. 5. 7. Проектная калькуляция себестоимости продукции. 30
7. 5. 8. Структура полной себестоимости единицы продукции. 31 7. 6. Основные технико-экономические показатели участка. 31 8. Охрана труда и техника безопасности. 33 8. 1. Введение. 33
8. 2. Токсикологическая характеристика и взрыво-пожароопасные свойства применяемых веществ. 33
8. 3. Меры безопасности при работе с вредными веществами. 34 8. 4. Категорирование помещений. 34 8. 5. Электробезопасность. 34
8. 5. 1. Меры безопасности при работе с ростовой установкой. 34 8. 5. 2. Меры безопасности при работе с печью КО-14. 35 8. 6. Производственная санитария. 35 8. 6. 1. Рабочее помещение. 35 8. 6. 2. Освещение. 35 8. 6. 3. Вентиляция. 35 8. 6. 4. Отопление. 35 8. 6. 5. Водоснабжение и канализация. 35 8. 7. Пожарная безопасность. 35 8. 8. Режим личной безопасности. 35 9. Охрана окружающей Среды. 37 9. 1. Классификация веществ по степени опасности. 37 9. 2. Утилизация твердых отходов. 37 10. Заключение. 38 11. Приложение 1. 39 12. Литература. 41 Введение.
Кристаллы со структурой граната занимают первое место в квантовой электронике в качестве активных сред лазеров ближнего ИК диапазона. Гранаты выгодно отличаются от многих других классов лазерных материалов изотропией свойств, высокой механической прочностью теплопроводностью, химической однородностью. Среди лазерных гранатов большое практическое значение приобрел иттрий-алюминиевый гранат с неодимом (YAG·Nd3+). На основе этого кристалла создано большое число импульсных и непрерывных лазеров для линий связи, измерения расстояний, научных исследований, технологических целей. Но иттрий-алюминиевый гранат обладает и рядом недостатков, которые вынуждают искать новые среды для твердотельных лазеров, сочетающие в себе хорошие спектроскопические и генерационные свойства, высокую технологичность и др. Одним из таких кристаллов является гадолиний-скандий-галлиевый гранат. Существенным его преимуществом является лучшее согласование спектра поглощения со спектром излучения лампы накачки, , что обеспечивает существенное, в 1. 5-3 раз, повышение КПД генерации. Кроме того, кристаллы GSGG выращиваются при температуре на 100°С ниже, чем YAG и со скоростями в четыре раза более высокими чем кристаллы иттрий-алюминиевого граната, из-за близкого к единице коэффициента распределения неодима.
Поэтому целью данного проекта является проектирование участка по производству 100 монокристаллов гадолиний-скандий-галлиевого граната Gd3Sc2Ga3O12, легированного Nd+3 (GSGG·Nd), в год с содержанием неодима 2 атомных процента. Размеры кристаллов 20ґ150 мм. Структура проекта.
Проект содержит разделы, дающие полное описание и расчет производства. В литературном обзоре дана характеристика производства и производимой продукции, основные области ее применения, физико-химические основы производства. На основании этих сведений в разделе “Выбор метода выращивания“ проводится сравнительный анализ различных методов роста и выбирается оптимальный метод выращивания монокристаллов GSGG. В последующих разделах приводятся:
– технологическая схема производства и ее подробное описание; – технологический расчет производства; – основное и вспомогательное оборудование; – основные характеристики оборудования;
–дана калькуляция полной себестоимости продукции и рассчитаны технико-экономические показатели участка;
–план участка с оптимальным, с точки зрения охраны труда и технологии, размещением оборудования;
– рассмотрены меры по охране труда и защите окружающей среды. Литературный обзор.
Из многочисленных диэлектрических материалов, использующихся для возбуждения генерации стимулированного излучения, соединения со структурой граната занимают особые места, они являются самыми применяемыми в квантовой электронике. Спектрально генерационные исследования этих кристаллов были начаты в середине 60-х годов. К настоящему времени уже насчитываются 30 наименований, генерирующими активаторами в которых являются как Ln3+ (Nd3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, Tm3+, Yb3+), так и ионы группы железа (Cr3+, Ti4+, Ni3+). Наиболее широко используются гранаты с ионами Nd3+, стимулированное излучение которых с низким порогом и высокой эффективностью возбуждения при 300 К и повышенных температурах на волнах как основного (рисунок 1. 1), так и дополнительных и каналов активатора. Рисунок 1. 1. Схема уровней Nd3+.
Гранат имеет кубическую решетку. Пространственная группа Ia3d –элементарная ячейка содержит восемь формульных единиц, то есть 160 ионов (рисунок 1. 2. ). Ионы кислорода образуют объемоцентрированную плотнейшую упаковку, в пустотах которой располагаются катионы. Формула граната может быть записана в следующем виде {A3}[B2](C3)O12, где фигурные скобки обозначают додекаэдрические, квадратные – октаэдрические и круглые –тетраэдрические положения. Катионы, находящиеся в этих положениях характеризуются соответственно точечной симметрией и координацией по кислороду 8, 6 и 4. Фрагмент структуры граната, демонстрирующий расположение координационных полиэдров, приведен на рисунке 1. 3. Анионные полиэдры, образующие структуру, искажены по сравнению с идеальными за счет сил электростатического взаимодействия между ионами. степень искажения координационных полиэдров зависит от размера катионов и различна для разных гранатов. додекаэдр октаэдр тетраэдр Рисунок 1. 2. Структура ячейки граната.
Рисунок 1. 3. Расположение координационных полиэдров в структуре граната.
Распределение катионов в структуре граната определяется главным образом их ионными радиусами, хотя в ряде случаев проявляют себя и такие факторы как предпочтение катионами определенных позиций, обусловленное тенденцией образования ковалентных связей с анионами, электростатическое взаимодействие ионов и поляризация анионов. Однако влияние электронного строения ионов и перечисленных выше факторов, большинстве случаев не столь существенно, как размер ионов, и образование структуры граната определяется в основном, геометрическим фактором.
Как и все гранаты, по своим свойствам GSGG изотропен, то есть показатель преломления не зависит от направления распространения и поляризации света. Кристалл оптически прозрачен в диапазоне 240-600 нм, имеет высокую твердость и хорошие тепловые свойства.
GSGG плавится конгруэнтно при 2133 K. Наиболее современным методом выращивания GSCC·Nd3+является метод Чохральского с использованием иридиевых тиглей, атмосферы состоящей из смеси N2, CO2 или O2при нормальном давлении, со скоростью вытягивания 1. 5-3 мм/час и скоростью вращения 10-20 об/мин, в направлении [111] или [110].
Основные физико-химические свойства гадолиний-скандий-галлиевого граната приведены в таблице 1. 1. Таблица 1. 1. Основные свойства GSGG·Nd3+. Химическая формула Gd3Sc2Ga3O12·Nd3+ Конгруэнтно плавящийся состав Gd2. 957Sc1. 893Ga3. 15O12 Эффективный коэффициент распределения Nd3+ 0. 7 Концентрация Nd3+ 2 ат. % Область оптической прозрачности 0. 24-0. 6 мкм Температура плавления 2133 К Параметр элементарной ячейки 1. 2567 нм Плотность 6. 5 г/см3 Твердость по Моосу 8. 5 КТР 9. 3·10-6 К-1 Выбор метода выращивания.
Для получения монокристаллов GSGG возможно использование следующих методов выращивания: – метод Бриджмена-Стокбаргера; – метод зонной плавки; – гибридный метод; – метод Чохральского.
В случае метода Бриджмена-Стокбаргера (рисунок 1. 4. ) контейнер в виде ампулы или лодочки с расплавом медленно перемещается в печи с градиентом температуры. В результате кристалл растет у более холодного конца ампулы или лодочки. Для этого метода характерен прямой контакт кристалла со стенками контейнера, что в случае лазерных кристаллов недопустимо, так как материал контейнера, попадая в расплав, захватывается фронтом кристаллизации и в кристалле создаются центры рассеивания. Кроме того, в следствие неравенства единице коэффициента распределения Nd3+, концентрация последнего по длине кристалла будет сильно изменятся, что так же крайне нежелательно. Рисунок 1. 4. Схема метода Бриджмена-Стокбаргера: 1 – контейнер; 2 – нагреватель; 3 – расплав; 4 – растущий кристалл.
Сущность метода зоннойплавки заключается в том, что материал плавится лишь на небольшом участке, который перемещается от затравки по всей шихте. Вариант метода бестигельной зонной плавки со световым нагревом изображен на рисунке 1. 5. Излучение ксеноновой лампы сверхвысокого давления 6, помещенной в фокус нижнего эллипсоидного отражателя 7, концентрируется в фокусе верхнего эллипсоидного отражателя 1, где происходит расплавление исходного поликристаллического материала 2. Для плавной регулировки светового потока, поступающего в фокус верхнего отражателя, служит так называемая световая заслонка. Заслонка в крайнем нижнем положении полностью отрезает излучение ксеноновой лампы от верхнего отражателя. При плавном подъеме заслонки световой поток плавно нарастает, что позволяет безударно нагревать поликристаллический стержень исходной шихты.
Так как выращивание происходит на воздухе, то в кристалле сохраняется кислородная стехиометрия, что является важным условием получения высококачественных оксидных кристаллов.
Рисунок 1. 5. Схема метода бестигельной зонной плавки со световым нагревом: 1, 7 – эллипсоидные отражатели 2 – стержень исходной шихты 3 – кристалл 4 – печь отжига 5 – световая заслонка 6 – ксеноновая дуговая лампа
Применения этого метода обусловлено рядом его достоинств. Так, отсутствие тигля избавляет растущий кристалл от загрязнения материалом контейнера, позволяет выращивать монокристаллы тугоплавких оксидных соединений на воздухе. Для выращивания не требуются дорогостоящие иридиевые тигли, не нужно создавать защитную атмосферу, необходимую для роста с тиглем. Метод позволяет существенно экономить дорогостоящие реактивы, так как в процессе роста используется практически вся шихта, а не 20-40% как в методе Чохральского. Отсутствие процедур наплавления, а также небольшой объем расплава позволяют существенно экономить электроэнергию и охлаждающую воду.
Но метод зонной плавки обладает и рядом недостатков, которые не позволяют его использовать для получения промышленных лазерных кристаллов: неравномерность концентрации Nd3+по длине кристалла, не обеспечивается структурное совершенство кристаллов. Кроме того этим методом нельзя получить крупные кристаллы (диаметр выращенных кристаллов составляет 5-8 мм, а длина от 20 до 50 мм). Рисунок 1. 6. Схема гибридного метода: 1 – токовводы 2 – ленточный нагреватель 3 – поликристалл 4 – расплав 5 – монокристалл 6 – печь отжига 7 – затравка
Сущность гибридного методазаключается в том, что кристалл вытягивается из расплава, находящегося в нагреваемом формообразователе, при непрерывной подаче шихты в расплав. Один из вариантов гибридного метода с использованием ленточного нагревателя представлен на рисунке 1. 6.
Для получения крупных кристаллов гранатов высокого оптического качества используют в основномметод Чохральского(рисунок 1. 7. ). В этом случае нет прямого контакта кристалла с контейнером, но материал последнего все же загрязняет кристалл. Это происходит вследствие того, что из-за высокой температуры плавления GSGG приходится использовать иридиевые контейнеры. При этих температурах иридий окисляется и его оксид, попадая на расплав и кристалл, разлагается с выделением иридия. Но использование инертной атмосферы и технологических приемов можно свести этот процесс к минимуму. Неравномерность концентрации Nd3+по длине можно уменьшить выращивая монокристалл из большого количества расплава, выбирая из тигля не больше 50% расплава.
Таким образом для производства монокристаллов GSGG·Nd3+ выбран метод Чохральского. Характер оборудования.
Установка “Кристалл-2” предназначена для роста кристаллов методом Чохральского. Этот метод является основным и практически единственным методом роста лазерных кристаллов гадолиний-скандий-галлиевого граната, поскольку он обеспечивает максимальный контроль, за процессом роста, а следовательно и очень высокое качество выращиваемых кристаллов, что в данном случае и необходимо.
Рисунок 1. 7. Схема выращивания из расплава по методу Чохральского: 1 – весовой датчик 2 – водоохлаждаемый шток 3 – центрирующее устройство 4 – внутренний шток с кристаллом 5 – кристалл 6 –расплав ж Обоснование места размещения.
Участок предполагается разместить в Москве в составе отдела роста лазерных кристаллов в Институте Общей Физики Российской Академии Наук (ИОФ РАН). В ИОФРАНе имеются необходимое для этого производства электроснабжение, которое может обеспечить установки электрическим током нужной мощности. Электроэнергия поступает от “Мосэнерго”. В ИОФРАНе имеется собственная система оборотного водоснабжения. Помимо этого в ИОФРАНе можно высвободить под данное производство площадь, что даст возможность избежать затрат на строительство и ускорить ввод участка в строй. Эти три фактора значительно снижают капитальные затраты на подготовку производства. Также имеются налаженные связи с поставщиками сырья и потребителями готовой продукции.
Выбор места производства так же обусловлен наличием в Москве соответствующего кадрового потенциала (технология производства монокристаллов гранатов постоянно совершенствуется и для повышения эффективности производства необходима научно-исследовательская база, в качестве таковой выступает ИОФРАН). Кроме того это производство малоотходно, экологически безопасно и достаточно компактно, что позволяет разместить его в мегаполисе. Технологическая схема.
Исходным сырьем для производства GSGGЧNd3+являются оксиды гадолиния, скандия, галлия, неодима. Химическая чистота определяет как структурную однородность кристаллов и их свойства, так и возможность получения монокристаллов. Сырьё должно иметь марку “ОСЧ”. 1. Прокаливание исходных реактивов.
Для этого их переносят в платиновые стаканы 100ґ100ґ1 (контейнеры 1, 2, 3, 4). Стаканы с реактивами помещаются в печь КО-14 и прокаливаются при 12000С в течении 24 часов. 2. Взвешивание реактивов.
Обезвоженные реактивы навешиваются в стеклянных бюксах (чашки 1, 2, 3, 4) согласно технологическому расчету. Взвешивание производится на электронных весах “Sartorius E 5500 S”. 3. Перемешивание навесок.
Навески реактивов переносятся в емкость для перемешивания типа “пьяная бочка”. Для улучшения перемешивания в барабан для перемешивания помещают несколько тефлоновых палочек длиной 50 мм и диаметром 10 мм. Заполненный барабан (коэффициент заполнения 0, 3) закрывается и устанавливается в смеситель. Частота вращения смесителя 20 оборотов в минуту, время смешения 24 часа. 4. Взвешивание шихты.
Далее взвешивают необходимое для загрузки в тигель (чашка 5) количество шихты на весах “Sartorius E 5500 S” и смешивают в платиновом стакане с этиловым спиртом, беря такое его количество, чтобы получилась сметанообразная смесь. На одну загрузку шихты для роста берется»50 г спирта. 5. Прессовка шихты в таблетки.
Полученную смесь (шихта + пластификатор) прессуют на гидравлическом прессе П-10 в таблетки диаметром 50 мм и толщиной 20 мм, выдерживая под давлением около 50 атмосфер порядка 5-10 секунд. 6. Твердофазный синтез.
Полученные таблетки помещают в платиновый стакан (контейнер 5), который затем помещается в муфельную печь КО-14 и выдерживается 24 часа при 12000С. 7. Загрузка таблеток в тигель.
После охлаждения печи таблетки загружаются в Ir контейнер 60ґ60ґ3 (тигель 1). 8. Подготовка установки к наплавлению шихты в тигель.
Загруженный Ir тигель помещают по центру индуктора и окружают тепловыми экранами из керамики на основе ZrO2. Ростовая камера герметизируется и откачивается до давления 10–3мм. рт. ст. сначала форвакуумным насосом НВР-16Д, а затем турбомолекулярным насосом 01АБ-1500-ОЧ. Давление контролируется по термопарной части вакуумметра ВИТ-3. После откачки в ростовую камеру из баллона напускается смесь азота и кислорода (1-3 объемных %) до атмосферного давления. Азот служит защитной средой предотвращающей разрушение Ir контейнера, вследствие окисления при высоких температурах, а кислород предотвращает разложение и испарение Ga2O3. 9. Наплавление шихты в тигель.
После создания инертной атмосферы подается вода на охлаждение индуктора и стенок камеры, в ЭВМ установки вводится режим нагрева и включается питание индуктора. Контроль проведения процесса производится с помощью ЭВМ и постоянного наблюдения. 10. Охлаждение установки.
По достижении температуры плавления производится плавный сброс мощности на индукторе в течении 9 часов. После охлаждения ростовую камеру откачивают для удаления азота и заполняют воздухом. Время одного цикла 7–10 составляет 15 часов. 11. Подготовка установки к росту.
Контейнер устанавливается по центру индуктора и окружается тепловым экраном. Со стороны смотрового окна ростовой камеры в экране оставляется отверстие с таким расчетом, чтобы можно было наблюдать за местом соприкосновения кристалла и зеркала расплава. К сапфировому затравкодержателю, с помощью платино-родиевой проволоки крепится затравочный кристалл, ориентированный в направлении [111]. Затравкодержатель укрепляется на штоке. Шток центрируется по бумажной мишени, помещенной по центру тигля. После этого ростовая камера герметизируется, откачивается до 10–3мм. рт. ст. и заполняется смесью азота, углекислого газа и кислорода. Подается вода на охлаждение индуктора, штока и корпуса установки. В ЭВМ вводятся параметры роста. После этого подается питание на индуктор. 12. Затравление.
В установке “Кристалл-2” предусмотрена возможность автоматического затравления под управлением ЭВМ. Но в целях повышения выхода годной продукции затравление производит сам оператор. Делается это по двум причинам. Во-первых, при нагреве установки за счет теплового расширения возможно нарушение центровки штока. Чтобы устранить влияние биения штока вытягивают более длинную шейку, чем при нормальном затравлении и кристалл сам выходит на тепловой центр тигля. Если этого не сделать, то возможен спиральный рост кристалла. Во-вторых, из-за наличия в ростовой камере следов кислорода, небольшая часть иридия окисляется. Летучий оксид иридия попадает на зеркало расплава и там разлагается с выделением частиц иридия. которые окисляются на поверхности расплава. Чтобы избежать загрязнения ими кристалла делают “перетяжку”, то есть вначале резко расширяют кристалл. и расширенная часть собирает с поверхности расплава частицы иридия. Затем снова сужают диаметр и ведут нормальный рост. Сам процесс затравления состоит в следующем. Опуская шток, определяют по показаниям весового датчика момент касания затравкой расплава. После этого проводят операции по устранению влияния биения штока и удалению частиц иридия с зеркала расплава как описано выше, и управление ростом передается ЭВМ установки. 13. Рост кристалла.
Рост кристалла происходит полностью в автоматическом режиме. ЭВМ отслеживает длину кристалла и регулирует его диаметр по скорости увеличения веса кристалла. соответствующим образом изменяя мощность на индикаторе. В установке использован ПИД-регулятор типа Р-17. Скорость вытягивания 2 мм/час. Частота вращения штока 15 оборотов в минуту. 14. Отрыв кристалла от расплава.
При достижении кристаллом заданной длины ЭВМ автоматически начинает уменьшение диаметра, увеличивая нагрев. В момент отрыва кристалла от расплава подается звуковой сигнал. 15. Отжиг.
После отрыва кристалл поднимают на 1-2 см от зеркала расплава и отключают механизм вытягивания. В ЭВМ закладывается режим отжига. Температуру постепенно снижают до комнатной в течении 25 часов. 16. Извлечение кристалла из установки.
По достижении комнатной температуры из ростовой камеры откачивается азот и напускается воздух. Рабочая камера вскрывается. Разбирается ростовой узел. и снятый кристалл поступает на обработку.
17. Подготовка установки к выплавлению остатка расплава из тигля. Тигель с остатком расплава устанавливается вверх дном на керамической подставке. а под ним устанавливается керамический стакан (тигель 2). В качестве тигля 2 желательно использовать стаканы, уже пришедшие в негодность. Тигель закрывается экранами. Установка герметизируется. откачивается. заполняется азотом. Включается водяное охлаждение индикатора и стенок камеры. После этого подается питание на индуктор. 18. Выплавление остатков расплава из тигля.
Тигель нагревается до температуры чуть ниже температуры плавления расплава в течении 1, 5 часов. Затем, после небольшой выдержки (15-20 минут) следует резко повысить температуры плавления расплава. При этом расплав выливается в тигель 2. 19. Охлаждение установки.
Затем установку охлаждают, откачивают азот, напускают воздух и извлекают очищенный контейнер. 20. Взвешивание иридиевого тигля.
Очищенный контейнер сначала взвешивают для фиксирования потери иридия. затем он поступает на операцию 7. 21. Очистка керамического тигля.
Керамический тигель очищается просто скалыванием из него расплава, который идет в отход. 22. Очистка ростовой камеры.
После демонтажа тепловых экранов ростовая камера трижды протирается ветошью, смоченной в этиловом спирте. После этого установка готова к повторению процесса, начиная с операции 8. 23. Резка кристалла.
Распилка кристалла производится на распилочном станке. алмазным диском с внешней режущей кромкой. На столике станка кристалл крепится с помощью пиццеина. От кристалла отрезаются торцевые конусы , образовавшиеся при выходе на диаметр и при отрыве кристалла от расплава. 24. Промывка кристалла.
После резки кристаллы отмываются от следов пиццеина и абразивов путем протирания ватой, смоченной в ацетоне. 25. Уничтожение отходов.
Накопленные на операциях 22 и 24 ветошь и вата собираются в полиэтиленовые пакеты и сжигаются. 26. Контроль оптического качества.
Отмытые кристаллы поступают на контроль оптического качества. Визуальным контролем отбраковываются кристаллы, имеющие трещины и посторонние включения. Наименее дефектная часть бракованных кристаллов может быть использована для изготовления затравок. 27. Взвешивание кристалла.
Готовый качественный кристалл взвешивают для указания веса в журнале. 28. Запись в журнале. Указываются параметры выращенного кристалла. 29. Маркировка и упаковка.
Годные кристаллы маркируются биркой, упаковываются в полиэтиленовые пакеты и поступают на участок по изготовлению лазерных элементов. Технологический расчет производства. Исходные данные.
Исходными данными для технологического расчета проекта являются: конгруэнтно плавящийся состав – {Gd2. 957Sc0. 043}[Sc1. 85Ga0. 15](Ga3)O12 количество кристаллов – 100 штук в год; размер кристалла – 20ґ150 мм; плотность – 6500 кг/м3; выход годной продукции на стадии роста – 60%; доля используемого расплава – 40%; скорость роста – 2 мм/час; содержание Nd+3 в готовой продукции – 2 ат. %. Расчет числа ростовых установок.
Из пункта 7. 2. (см. ниже) следует, что эффективное время работы одной установки составляет 5617 часов в год. Таблица 3. 1. Определение продолжительности роста кристалла Наименование операции Время, ч. Наплавление шихты в тигель 15 Подготовка к росту 1 Разогрев 6 Рост 85 Отжиг 25 Извлечение кристалла 0. 5 Выплавление остатков расплава 3 Протирка установки 0. 5 Прочее 1 Итого: 137
Так как на полный цикл роста с отжигом выращенного кристалла, включая загрузку, наплавление шихты, сам рост и т. п. , занимает 137 часов, то на одной установке за один год можно вырастить кристалл. С учетом процента выхода годных кристаллов (60%) –25 штук. Чтобы обеспечить годовой выпуск 100 штук необходимо соответственно 4 установки. Расчет количества реактивов.
Допустим, что кристалл имеет форму цилиндра и двух конусов. Тогда масса готового кристалла:
Масса шихты, необходимая для роста кристаллов в течении одного года, с учетом процента выборки расплава составит:
При этом для получения кристаллов высокого качества невыбранный расплав и бракованные кристаллы повторно не используются.
Поскольку необходимо вырастить кристалл GSGGЧNd3+ с содержанием последнего 2 ат. %, то формула будет следующей: Gd2. 897Nd0. 06Sc1. 893Ga3. 15O12. Уравнение реакции:
Учитывая равновесный коэффициент распределения Nd в GSGG равен 0. 7, получаем массу навески оксида неодима, необходимого для приготовления шихты– 2. 07 кг. Расчет количества этилового спирта. Этанол используется при прессовании шихты. Норма расхода: НШИХТЫ = 0. 01 л/цикл.
Этанол также используется для протирки ростовой камеры перед началом цикла. Норма расхода: НКАМ. = 0. 5 л/м2. Поверхность ростовой камеры: . Расход спирта в одном технологическом цикле: Годовой расход спирта: Расчет количества ацетона.
Ацетон применяется для отмывки полученных кристаллов от загрязнений после различных технологических операций. Норма расхода на один кристалл: НАЦЕТОНА= 0. 0056 л/шт.
При допущении что все кристаллы выходят годными получим годовой расход ацетона: Расчет других расходных материалов.
Для создания инертной атмосферы в ростовой камере используется азот. Норма расхода–1 баллон на 10 заполнений ростовой камеры. На каждый выращенный кристалл приходится 3 заполнения (наплавление, рост и выплавление остатков). При этом годовой расход составит 50 баллонов в год.
Для крепления затравки к штоку используется Pt-Rh проволока Ж1мм. Норма расхода 50 мм на 1 затравку. Итого в год израсходуется:
При чистке ростовой камеры используется ветошь, норма расхода 0. 01 м2/цикл или 1. 64 м2 в год. Для отмывки кристаллов используется вата в количестве 0. 25 кг в год. Сводная таблица расходных материалов. Таблица 3. 2. Наименование материала Ед. изм. Потребность на год Оксид гадолиния ОСЧ кг 75. 17 Оксид неодима ОСЧ кг 2. 07 Оксид скандия ОСЧ кг 18. 69 Оксид галлия ОСЧ кг 42. 57 Спирт этиловый л 183 Ацетон технический л 1 Азот баллон 50 Проволока Pt-Rh Ж1мм м 8. 2 Ветошь м2 1. 64 Вата кг 0. 25 Масло индустриальное №20 л 20 Алмазный инструмент шт. 2 Основное оборудование
Для получения активных лазерных элементов лазерных элементов необходимы кристаллы высокого качества, что и достигается при использовании установки “Кристалл-2”, обеспечивающей рост по методу Чохральского. Установка “КРИСТАЛЛ-2”. Описание установки.
Установка “Кристалл-2” предназначена для выращивания диэлектрических монокристаллов методом Чохральского. Установка состоит из следующих составных частей:
Кристаллизатор – предназначен для размещения теплового блока и проведения процесса роста. Агрегат высоковакуумный –предназначен для создания вакуума в кристаллизаторе. Включает в себя турбомолекулярный насос 01АБ-1500-004 и форвакуумный насос НВР-16Д. Преобразователь ВПЧ-60-800 – служит для преобразования трехфазного переменного тока частотой 50 Гц в однофазный частотой либо 2. 4 кГц либо 8 кГц; и вместе с конденсаторными батареями и индуктором образует систему стабилизированного разогрева тигля в диапазоне температур от 2000С до 20500С Пульт управления – служит для управления процессом выращивания в ручном и автоматическом режиме. Шкаф силовой – осуществляет подачу 3-х фазного переменного тока в электросистему установки. Газораспределительный блок – осуществляет подачу газа в ростовую камеру установки. Стойка управления вакуумной системы –осуществляет управление работой высоковакуумного агрегата и изменения вакуума в установке. Представляет собой комплект приборов, помещенных на отдельной стойке.
Блок охлаждения –служит для распределения воды и охлаждения всех водоохлаждаемых систем установки.
Основные технические характеристики установки “Кристалл-2”. Установка изготовлена в соответствии с 1. 043. 059 ТУ.
Установка изготовлена в исполнении ЧХЛ категории 4 по ГОСТ 15-150-69. Температура воздуха в помещении и его относительная влажность должны соответствовать нормам Н 587-75 и быть: температура зимой – 20±50С; летом – 23±50С; относительная влажность – не более 80 %.
Питание установки осуществляется от сети трехфазного тока (с нулевым проводом) напряжением 380 В, частоты 50 Гц. Нормы качества электроэнергии по ГОСТ 13109-67. Потребляемая мощность – не более 80 кВт/час.
Для нормальной эксплуатации установки необходимо подавать питьевую воду ГОСТ 2874-73, очищенную не хуже 10 класса по ГОСТ 17216-71 со следующими параметрами: давление – 0. 2±0. 05 Мпа; температура – не более 200С; расход воды – не более 5 м3/час.
К установке должна быть подведена магистраль сливной канализации с диаметром условного прохода не менее 50 мм.
Конструкция рабочая камеры обеспечивает работу в диапазоне давлений от 6. 6·10-3 Па до 40 кПа. Привод перемещения верхнего штока обеспечивает:
– диапазон регулирования рабочей скорости перемещения – не менее (0. 5–10) ±10 мм/час; – точность поддержания рабочей скорости перемещения в течении часа – ±0. 5%; – скорость ускоренного перемещения – 150±10 мм/мин. Привод вращения верхнего штока обеспечивает: – диапазон регулирования частоты вращения – 2–40 об/мин. ; – точность поддержания скорости вращения – не хуже ±1%.
Скорость ускоренного перемещения нижнего штока – 220±20 мм/час. Установка обеспечивает стабилизированный разогрев тигля в диапазоне 200–20500С. Стабилизация теплового режима косвенная – по напряжению на индукторе. Точность стабилизации напряжения на индукторе при температуре 20500С не хуже ±0. 05% при колебаниях в сети ±5%. Система управления нагревом тигля (диаметром растущего кристалла) обеспечивает как автоматическое управление напряжением на индукторе (на базе ЭВМ “Электроника-60”), так и ручное.
Датчик веса кристалла системы стабилизации диаметра кристалла обеспечивает: – максимальный измеряемый вес – не более 16 кг; – погрешность измеряемого веса – не более 1%; – чувствительность – не хуже 0. 1 г.
На установке обеспечивается автоматическое включение двигателя и генератора – преобразователя ВПЧ после кратковременного – до 3-х секунд – отключения питания силовых цепей. Все измеряемые или заданные параметры процесса индуцируются на пульте управления по вызову оператора. Печь “КО-14”. Применяется при прокаливании реактивов для исходной шихты.
Печь имеет камеру кубической формы из огнеупорных шамотных кирпичей. Вся футеровка располагается в корпусе, который представляет собой сварную конструкцию из стального листа. Нагревание печи осуществляется с помощью силитовых нагревательных стержней. Для поддержания требуемой температуры и компенсации старения нагревательных элементов подключен трансформатор, имеющий 9 ступеней регулировки. Переключение осуществляется с помощью ступенчатого переключателя. Таблица 4. 1. Основные технические данные печи “КО-14”. Наименование параметра норма 1. Главные габаритные размеры, мм длина 480 ширина 380 высота 430 2. Габаритные размеры камеры, мм длинна 250 ширина 150 высота 100 3. Мощность подключения, кВт 4 4. Рабочее напряжение, В 35-100 5. Номинальная температура, 0С 1300 6. Количество нагревательных элементов 7 7. Время разогрева до номинальной температуры, ч 5 8. Расход электроэнергии на холостом ходу, кВт/час 3 Вспомогательное оборудование, приспособления и материалы.
Полный перечень вспомогательного оборудования, приспособлений и материалов дан в таблице 5. 1. Таблица 5. 1. Перечень вспомогательного оборудования. Наименование Единица измерения Количество Вытяжной шкаф “IZS” шт. 1 Весы электронные циферблатные “Sartorius-5500S” шт. 1 Пресс гидравлический П-10 шт. 1 Отрезной станок “К-86-11” шт. 1 Гониометр “ГС-1” шт. 1 Смеситель типа “пьяная бочка” шт. 1 Платиновый стакан 100ґ100ґ1 шт. 1 Шпатель шт. 5 Щипцы шт. 8 (в год) Бюкс стеклянный шт. 1 (в год) Мерный стакан шт. 4 (в год) Тигель иридиевый 60ґ60ґ3 шт. 1 Керамический тигель шт. 4 Емкость для сбора отходов шт. 3 Перчатки резиновые шт. 1 Рукавицы х/б. пара 100 (в год) Пакет полиэтиленовый пара 4 (в год) Бланк паспорта шт. 200 (в год) Стол лабораторный шт. 1 Стол письменный шт. 5 Стол обеденный шт. 1 Стул шт. 19 Шкаф шт. 3 Шкаф для одежды шт. 2 Сейф шт. 2 Диван шт. 4 Бланк рабочего журнала шт. 4 Авторучка шт. 3 Карандаш шт. 4 (в год) Очки защитные шт. 2 (в год) Некоторые характеристики вспомогательного оборудования.
Весы электронные циферблатные “Sartorius-5500S”. Обеспечивают точность навески ±0. 01 г. Пресс гидравлический П-10. В качестве рабочей жидкости применяется минеральное масло. Диапазон развиваемых давлений: 20–100 кгс/см2. Строительная часть.
Проектируемый участок производства должен обеспечить выполнение следующих основных технологических операций: хранение исходных компонентов шихты и работу с ними (взвешивание, смешивание, прессование и т. д. ); выращивание кристаллов; обработку выращенных кристаллов с целью получения лазерных элементов. Участок занимает помещение общей площадью 18ґ12 м. Он расположен в одноэтажном здании с ж/б капитальными стенами. Перегородки, окружающие механическое отделение, являются звукоизолирующими. Для отдыха персонала предусмотрено соответствующее помещение, в котором располагаются обеденный стол, стулья и диваны.
В помещениях роста и механическом предусмотрена приточно-вытяжная вентиляция. Проходы между оборудованием достаточны для беспрепятственного передвижения персонала. Ворота и двери предусматривают вынос оборудования в разобранном виде. В помещении предусмотрено несколько выходов на случай аварийных ситуаций.
На участке не предусмотрены помещения для исходных реактивов и готовой продукции, так как их объем довольно мал и они хранятся в специальном шкафу для исходных реактивов и готовой продукции.
Основываясь на технологической схеме и технике безопасности можно предложить следующий план участка. Он показан на рисунке 6. 1. Таблица 6. 1. Спецификация к плану участка. Обозначение Наименование Количество А Отделение роста Б Кабинет начальника участка В Комната отдыха Г Санузел Д Коридор Е Механическое отделение Ж Раздевалка 1 Установка “Кристалл-2” 4 2 Стол лабораторный 1 3 Стол письменный 5 4 Стол обеденный 1 5 Стул 19 6 Шкаф 3 7 Шкаф для одежды 2 8 Сейф 2 9 Диван 4 10 Шкаф вытяжной “IZS” 1 11 Пресс гидравлический П-10 1 12 Печь КО-14 1 13 Смеситель типа “пьяная бочка” 1 14 Отрезной станок “К-86-11” 1 15 Гониометр “ГС-1” 1 16 Весы электронные циферблатные “Sartorius-5500S” 1 Экономическая часть.
Технико-экономическое обоснование расширения опытно-экспериментального производства на базе ИОФРАН путем строительства нового участка по производству монокристаллов гадолиний-скандий-галлиевого граната в количестве 100 штук в год.
За всю историю развития лазерной техники вплоть до настоящего времени самыми широко используемыми лазеры ИК диапазона, так как излучение именно этих длин волн обладает наименьшим рассеянием в атмосфере и обеспечивает наиболее полную передачу информации и энергии. Это обусловило применение лазеров ИК диапазона в военных системах мгновенной связи, дальномерных приборах, системах заблаговременного определения вида и концентрации паров ОВ в установках “Туча”. Лазерные элементы на основе монокристалла гадолиний-скандий-галлиевого граната применяются для изготовления лазерных установок с длиной волны генерации 1. 06 мкм. Эти установки широко применяются в научных целях. Научные учреждения покупают чаще всего лазерные элементы и сами делают лазерные установки. Поскольку лазерные установки работают в данном случае с предельными нагрузками, то спрос на лазерные элементы со стороны научных предприятий достаточно велик. Основными потребителями являются институт ИОФРАН и ФИАН, расположенные в г. Москве, использующие лазеры на GSGG·Nd3+как универсальное средство накачки других типов лазеров, что предопределяет возможность расположения участка по производству GSGG на базе ИОФРАНа. В настоящее время появился второй тип покупателей лазерных элементов. Это производители конечного лазерного оборудования, например для медицины, для бытового применения. Данное производство довольно перспективно и в ближайшем будущем потребует роста выпуска лазерных элементов. В настоящее время при общем кризисе сложно найти покупателя дорогостоящего оборудования, каким является лазерная установка, но потребность в ней заставляют многих делать вклад в модернизацию производства. В этом и заключаются скрытые потребности в выпускаемом моим участком изделии.
Для производства лазерных монокристаллов высокого качества необходимы особо чистые исходные вещества. Поэтому в качестве поставщика выбирается сырья свердловский завод химреактивов. Изделия из драгоценных металлов поставляются зеленоградским заводом. Электроэнергией институт снабжает организация Мосэнерго.
На предприятии (ИОФ РАН) используют оборотную воду и так как участок тоже подключен к оборотному водоснабжению вода не входит в расчеты. Режим работы участка и расчет эффективного времени работы оборудования. Так как технологический процесс не может быть прерван в любое время без ущерба для производимой продукции и ввиду длительности протекающих процессов, применяется непрерывный режим работы участка. При восьми часовой смене, количество смен в сутки – три. Календарный план рабочего времени : ТК = 365 дней = 365 · 24 = 8760 часов.
Номинальный фонд рабочего времени в производствах с непрерывным режимом работы равен календарному : ТН = ТК = 8760 часов.
Эффективный фонд рабочего времени оборудования определяется путем исключения из номинального фонда времени длительности простоя оборудования во всех видах ППР и по технологическим причинам.
Таблица 7. 1. Нормы пробега и простоя оборудования в ремонте. Наименование Нормы пробега оборудования между ремонтами, ч Нормы простоя оборудования в ремонте, ч оборудования текущими ТТ средними ТСР капитальными ТК текущем РТ среднем РСР капитальном РК Ростовая установка “Кристалл-2” 500 – 43800 168 – 500 Количество текущих ремонтов: Время простоя оборудования в текущих ремонтах: ПТ = nТ · РТ = 87 · 168 = 14616 часов. Время простоя оборудования в капитальных ремонтах: ПК = 1 · РК = 500 часов. Время простоя оборудования за год : часа.
Время простоя по технологическим причинам составляет ТО = 120 ч/год. Эффективный фонд рабочего времени :
ТЭФ = ТК - ТРЕМ/ГОД - ТО = 8760 - 3023 - 120 = 5617 часов (»234 дня). Расчет стоимости основных фондов и капитальных затрат. Определение стоимости строительства зданий и сооружений.
Затраты на строительство зданий и сооружений определяются по укрупненным показателям в зависимости от типа зданий и их объема.
Так как строительство ведется в городе Москве, территориальный коэффициент равен 1. 0. Результаты расчета стоимости приведены в таблице 7. 2. Таблица 7. 2. Расчет стоимости строительства здания. Наименование здания Объем, м3 Стоимость строительных работ Стоимость санитарно- и электро- технических работ, руб/м3 Об. сто-им. сан. и эл. - техн работ, Полная стоим. стр-ва здания, за 1 м3, руб. об. стоим. , тыс. руб. отопл. и вентил. водопр. и канализ. электроосвеще-ние всего руб. руб. Здание участка 864 200 172. 8 5 4 3 12 10368 183168 Определение стоимости оборудования. Таблица 7. 3. Прейскурантная стоимость оборудования. № Наименование оборудования Кол-во Стоимость оборудования, руб. единицы общая 1 Установка “Кристалл-2” 4 250000 1000000 2 Стакан платиновый 5 9637 48185 3 Тигель иридиевый 4 13550 54200 Итого: 1102385
Поскольку в спецификации указано только основное и наиболее дорогостоящее вспомогательное оборудование, то к итогу по таблице 7. 3. необходимо добавить стоимость неучтенного оборудования, затраты на доставку оборудования, заготовительно-складские работы, стоимость запчастей, стоимость монтажа оборудования, КИП и их монтажа. Затраты рассчитываются по укрупненным показателям. Таблица 7. 4. Итоговая стоимость оборудования. № Наименование расходов Стоимость, руб. Примечания Прейскурантная стоимость 1102385 Неучтенное оборудование 220447 20 % от строки 1 Итого 1322832 Транспортные, заготовительные и складские расходы 105829 8 % от строки 3 Итого 1428691 Монтаж оборудования 171433 12 % от строки 5 Трубопроводы 71435 5 % от строки 5 КИП и их монтаж 142869 10 % от строки 5 Спец. работы 142869 10 % от строки 5 Всего: 1957307 Определение капитальных затрат.
В величину капитальных затрат кроме основных фондов включаются внеобъектные затраты (подготовка территории строительства, содержание дирекции строящегося объекта, подготовка кадров и т. п. ), которые составляют 5 % от суммы основных фондов.
Расчет капитальных затрат по участку приведен в таблице 7. 5. Таблица 7. 5. Основные фонды и капитальные затраты. Наименование Стоимость основных фондов, руб. Внеобъектные затраты, руб. Капитальные затраты, руб. Здание 183168 9158 192326 Оборудование 1957307 97865 2055172 Итого: 2140475 107023 2247498 Расчет численности рабочих и фонда заработной платы.
Определение баланса времени работы среднесписочного рабочего. В производстве заняты две категории рабочих. Операторы установок и наладчики работают в непрерывном режиме по 8 часов в смену, обработчики в прерывном по 8 часов в смену.
Баланс времени работы одного среднесписочного рабочего приведен в таблице 7. 6. Таблица 7. 6. Примерный баланс времени работы одного среднесписочного рабочего в днях (в среднем). Затраты времени Непрерывное производство, длительность смены 8 часов 1. Календарное время 365 2. Выходные дни 91 3. Праздничные дни – 4. Номинальный расход рабочего времени 274 5. Планируемые невыходы 5. 1. Отпуск 24 5. 2. Болезнь 7. 5 5. 3. Декретный отпуск 2 5. 4 Выполнение гос. обязанностей 1 5. 5 Прочие невыходы по разрешению администрации 0. 5 6. Время работы одного среднесписочного рабочего 239 Определение числа рабочих и фонда заработной платы.
Численность основных производственных рабочих определяется по нормам обслуживания установок (данные предприятия).
Расчет по фонду заработанной платы основных и вспомогательных рабочих приведены в таблице 7. 7. Расчет штата и фонда заработной платы персонала участка.
Таблица 7. 8. Расчет штата и фонда заработной платы персонала участка. Должность Категория К-во Среднемесячная зарплата, руб. Среднегодовая зарплата, руб. Годовой ФЗП, руб. Нач. участка ИТР 1 1000 12000 12000 Нач. смены ИТР 3 900 10800 32400 Уборщик МОП 2 500 6000 12000 Всего: 28800 56400 Таблица 7. 7. Расчет числа и заработной платы рабочих. Наиме Систе Расчет числа рабочих Расчет фонда заработной платы нование профес ма оп латы и Тарифный Число рабоч Число смен в Явочное Число дней Число дней Переходный Замена невы Списочное число Средне- месячная Средне годовая Всего годовой фонд сий условия труда разряд их в смену сутки число рабочих работы пр-ва в год работы рабочего в году коэффициент ходов рабочих зарплата тыс. руб. зарплата зарплаты, тыс. руб. 1. Производственные рабочие 1. 1 Оператор ростовой установки ПВ ВР 5 8 3 24 322 239 1. 35 6 32 0. 7 8. 4 268. 8 1. 2 Обработчик кристаллов ПВ ВР 5 1 1 1 322 239 1. 35 1 2 0. 7 8. 4 16. 8 Итого: 285. 6
2. Вспомогательные рабочие по уходу и надзору за оборудованием. 2. 1. Наладчик оборудования ПВ ВР 3 2 3 6 322 239 1. 35 2 8 0. 5 6 48 2. 2 Дежурный электрик П 4 1 3 3 322 239 1. 35 2 5 0. 6 7. 2 36 2. 3 Дежурный слесарь П 4 1 3 3 322 239 1. 35 2 5 0. 6 7. 2 36 Итого: 120 Всего: 405. 6 Расчет проектной себестоимости продукции.
Определение годовой потребности в сырье, материалах, энергии. Расчет потребностей в сырье и материалах приведен в разделе 3. В год требуется вырастить 100 кристаллов GSGG массой 320 грамм каждый. Кроме этого при выращивании одного кристалла теряется 3. 44 г Ir. Таблица 7. 9. Определение годовой потребности в сырье и материалах. Наименование сырья и материалов Ед. измерения Норма расхода на единицу продукции, кг/шт. Объем производства в год, штук Всего сырья и материалов в год, кг Оксид гадолиния ОСЧ кг 0. 75 100 75. 17 Оксид неодима ОСЧ кг 0. 02 100 2. 07 Оксид скандия ОСЧ кг 0. 19 100 18. 69 Оксид галлия ОСЧ кг 0. 42 100 42. 26 Проволока Pt-Rh Ж=1мм мм 82 100 8200 Иридий г 3. 28 100 328 Этанол ректификат л 1. 83 100 183 Ацетон технический л 0. 01 100 1 Планово-заготовительные цены на сырье и материалы.
Планово-заготовительные цены поданным предприятия приведены в таблице 7. 10. Таблица 7. 10. Планово-заготовительные цены на сырье и материалы. Наименование Единица измерения Цена за единицу измерения, руб Оксид гадолиния ОСЧ кг 60000 Оксид неодима ОСЧ кг 80000 Оксид скандия ОСЧ кг 135000 Оксид галлия ОСЧ кг 50000 Проволока Pt-Rh Ж=1мм м 800 Иридий г 120 Этанол ректификат л 30 Ацетон технический л 10 Определение стоимости электроэнергии.
По данным ИОФ РАН, электроэнергия поступает от Мосэнерго по цене 0. 42 руб/кВт·ч. Стоимость годового расхода электроэнергии составляет487242 руб/год Расчет амортизационных отчислений.
По данным предприятия норма амортизационных отчислений составляет на основное оборудование– 14 % , на здания и сооружения – 2. 7%. Таблица 7. 11. Расчет амортизационных отчислений. Наименование Стоимость основных фондов, руб. Норма амортизации, % Сумма амортизационных отчислений, руб. Производственное здание 183168 2. 7 4946 Оборудование 1957307 14 274023 Смета расходов по содержанию и эксплуатации оборудования.
Таблица 7. 12. Смета расходов по содержанию и эксплуатации оборудования. Статьи расходов Сумма, руб. Примечания 1. Содержание и расходы по эксплуатации оборудования : 1. 1. Зарплата рабочих по уходу и надзору за оборудованием 120000 из табл. 7. 7. 1. 2. Отчисления на социальное стра-хование 49200 41% от ст. 1. 1. 1. 3. Смазочные, обтирочные материалы, малые запчасти и др. 6000 5% от ст. 1. 1. Итого по статье 1 175200 2. Текущий ремонт оборудования 97865 5% от стоимости 3. Амортизация оборудования 274023 из табл. 7. 11 Итого по статьям 1-3 547088 4. Прочие расходы 54709 10% от суммы расходов по ст. 1-3 Всего по смете 601797 На один кристалл 6018 Смета цеховых расходов. Таблица 7. 13. Смета цеховых расходов. Статьи расхода Сумма, руб. Примечания 1. Зарплата персонала участка 56400 табл. 7. 8. 2. Отчисления на социальное страхование 23124 41% табл 7. 8. 3. Содержание производственных зданий и сооружений 9158 5% от стоимости 4. Текущий ремонт производственных зданий и сооружений 5495 3% от стоимости 5. Амортизация производственных зданий и сооружений 4946 табл. 7. 11. 6. Расходы по охране труда 101400 25% от ФЗП Итого по статьям 1 – 6 200523 7. Прочие расходы 20052 10 % от суммы по ст. 1-6 Всего по смете 220575 На один кристалл 2206 Проектная калькуляция себестоимости продукции.
Таблица 7. 14. Проектная калькуляция себестоимости монокристаллов GSGG·Nd3+, массой 320 грамм, годовой выпуск 100 штук в год. Статьи калькуляции Ед. изм. Планово-заготовительная цена, руб. Затраты на годовой выпуск Себестоимость ед. продукции, руб. /шт. В процентах от полной себесто кол-во сумма, руб. норма расхода сумма, руб. имости % 1. Сырье и материалы 1. 1 Оксид гадолиния кг 60000 75. 17 4510200 0. 75 45102 1. 2. Оксид неодима кг 80000 2. 07 165600 0. 02 1656 1. 3. Оксид скандия кг 135000 18. 69 2523150 0. 19 25232 1. 4. Оксид галлия кг 50000 42. 57 2113000 0. 43 21130 1. 5. Проволока Pt-Rh м 800 8. 6 6880 0. 01 68. 8 1. 6. Иридий г 120 328 39360 3. 28 394 1. 7. Этанол ректификат л 30 183 5490 1. 83 55 1. 8. Ацетон технический л 10 1 10 0. 01 0. 1 Итого 9363690 93637 2. Возвратные отходы кг 70000 106 7420000 1. 06 74200 Итого по статьям 1-2. 1943690 19437 3. Электроэнергия МВт·ч 420 1160. 1 487242 11601 4872 4. Зарплата произв. рабочих 285600 2856 5. Отчисления на соц. страх. 117096 1171 Итого по статьям 4-5. 402696 4027 6. Расходы на освоение производства. 28560 286 7. Расходы по содержанию и эксп. оборуд. 601797 6018 8. Цеховые расходы 220575 2206 Итого цеховая себестоимость. 850932 8509 9. Общезаводские расходы 109276 1093 10. Прочие производственные расходы 21855 219 Итого производственная себестоимость 3815691 38157 11. Внепроизводственные расходы 76314 763 Итого полная себестоимость 3892005 38920 Структура полной себестоимости единицы продукции.
Таблица 7. 15. Структура полной себестоимости единицы продукции. Статьи калькуляции Стоимость, руб. % к итогу Сырье и материалы (за вычетом отходов) 19437 49. 9 Энергия на технологические цели 4872 12. 5 Зарплата производственных рабочих с начислениями 4027 10. 3
Расходы на подготовку и освоение производства, расходы по содержанию и эксплуатации оборудования, цеховые расходы, износ приспособлений и прочие специальные расходы 8509 21. 9 Общезаводские и прочие производственные расходы 1312 3. 4 Внепроизводственные расходы 763 2. 0 Итого: 38920 100 Основные технико-экономические показатели участка.
Поскольку производимое изделие имеет специфическое применение и производится исключительно по заказу, то можно считать реализационные расходы не существенными. Транспортные расходы на доставку сырья на участок и готовой продукции к потребителю тоже не существенны, т. к. объем производства не велик, а размеры лазерных кристаллов очень малы.
Цена изделия будет равна себестоимость плюс норма прибыли. Допустим последнюю равной 25%. Тогда цена одного элемента будет равной 48650 рублей. Годовой выпуск готовой продукции в рублевом эквиваленте будет равен: 100 · 48650 = 4865000 руб.
Прибыль от реализации одного кристалла будет равной норме прибыли, а именно 25% от себестоимости, что соответствует 9730 руб. , и годовая прибыль– 973000 руб. Поскольку изделие, под которое создавался этот проект не имеет крупного промышленного производства, а изготавливается для потребностей науки либо по заказу, либо чаще всего на собственном оборудовании (например ИОФ РАН), то сравнение с базовым производством не представляется возможным за неимением такового. Не возможно сравнить эти технико-экономические показатели с производством в ИОФ РАНе, т. к. все технические параметры и расценки взяты оттуда.
Все технико-экономические показатели сведены в таблице 7. 16. Таблица 7. 16. Сводная таблица основных технико-экономических показателей. № Наименование показателя Единица измерения Значение показателя 1 Годовой выпуск продукции а) в натуральном выражении шт. 100 б) в оптовых ценах руб. 4865000 в) по себестоимости руб. 3892005 2 Численность работающих – всего: чел. 58 в т. ч. а) рабочих чел. 52 б) ИТР, служ. , МОП чел. 6 3 Производительность труда а) одного работающего руб. /чел. 67104 б) одного рабочего руб. /чел. 74846 4 Капитальные затраты руб. 2247498 5 Удельные капитальные затраты руб. /шт. 22475 6 Основные фонды руб. 2140475 7 Нормируемые оборотные средства руб. 428095 8 Полная себестоимость единицы продукции руб. /шт. 38920 9 Полная себестоимость годового выпуска руб. 3892005 10 Оптовая цена единицы продукции руб. /шт. 48650 11 Прибыль годовая руб. 973000 12 Рентабельность: а) производства % 23 б) продукции % 20 13 Срок окупаемости капиталовложений год 4. 6 14 Коэффициент общей экономической эффективности инвестиций 0. 22
Рентабельность производства (ЭФ) определяют как отношение годовой валовой прибыли (ПВ) к стоимости основных производственных фондов (ФО) и нормируемых оборотных средств (ОН). Кроме того необходимо добавить затраты по смежным и обслуживающим цехам:
Рентабельность продукции (ЭПР)определяют как отношение валовой прибыли от реализации единицы продукции к ее полной себестоимости (С):
Срок окупаемости инвестиций (Т)определяют как отношение общего объема капитальных вложений (К) по проектируемому объекту к сумме годовой валовой прибыли (ПВ) от реализации продукции (с учетом затрат по смежным и обслуживающим цехам):
Коэффициент общей экономической эффективности (Е) – это обратная величина по отношению к сроку окупаемости: Охрана труда и техника безопасности. Введение.
В химической промышленности. где человек имеет дело с вредными для его здоровья веществами, горючими жидкостями, различными газами, высоковольтными установками и сложнейшим оборудованием особенно остро встают вопросы охраны труда. Необходимо, повсеместно, на всех предприятиях обеспечивать выполнение норм и внедрять современные средства техники безопасности с тем, чтобы сократить производственный травматизм и профессиональные заболевания. Мероприятия по охране труда направлены на решение следующих задач: – предупреждение возникновения аварийных ситуаций (взрыв, авария); – снижение уровня производственного травматизма;
–обеспечение производственной санитарии и личной гигиены с целью предупреждения профессиональных заболеваний; Для решения этих задач необходимо:
– знать свойства веществ, применяемых в данном производстве; –соблюдать правила техники безопасности при работе с веществами, опасными для здоровья людей;
– соблюдать правила техники безопасности при работе с электроустановками. Токсикологическая характеристика и взрыво-пожароопасные свойства применяемых веществ.
В проектируемом производстве используются Gd2O3, Nd2O3, Sc2O3, Ga2O3 в мелкодисперсном виде, C2H5OH и ацетон в жидкой фазе. Gd2O3. При непосредственном введении в кровь возникает резкое, но временное, замедление свертываемости крови. Из-за чего оксид гадолиния сильно раздражает поврежденные кожные покровы. В качестве средств защиты используются респираторы типа "Лепесток" и перчатки. Рабочие должны периодически подвергаться медосмотрам с целью выявления профессиональных заболеваний. Пожаровзрывобезопасен. ПДКРЗ = 4 мг/м3. Nd2O3. Свойства аналогичны свойствам Gd2O3. ПДКРЗ = 6 мг/м3. Sc2O3. Свойства аналогичны свойствам Gd2O3. ПДКРЗ = 4 мг/м3.
Ga2O3. Ингаляционное воздействие галлий-содержащего аэрозоля вызывает у человека поражения почек. Отмечается протеанурия, азотемия, нарушение клиренса мочевины. При отравлении отмечается рвота, понос. В качестве средств защиты используются респираторы типа "Лепесток" и перчатки. Пожаровзрывобезопасен. ПДКРЗ = 3 мг/м3.
C2H5OH. Имеет наркотическое действие на организм человека. Вначале вызывает возбуждение, а затем паралич нервной системы. При длительном воздействии на организм человека могут возникнуть тяжелые расстройства нервной системы, печени и сердечно-сосудистой системы.
Пожаровзрывоопасные свойства: ЛВЖ (температура вспышки 150С); температура воспламенения 3350С; область воспламенения: 3. 6 об. % (НКПВ) – 19 об. % (ВКПВ); температурные пределы воспламенения: 110С (НТПВ) – 410С (ВТПВ). ПДКРЗ = 1000 мг/м3.
Ацетон. Имеет наркотическое действие. Последовательно поражает все отделы нервной системы. При вдыхании накапливается в организме, что увеличивает вероятность хронических заболеваний.
Пожаровзрывоопасные свойства: ЛВЖ (температура вспышки -180С); температура воспламенения 5470С; область воспламенения: 2. 8 об. % (НКПВ) – 11. 8 об. % (ВКПВ); температурные пределы воспламенения: -200С (НТПВ) – 60С (ВТПВ). ПДКРЗ = 200 мг/м3. Меры безопасности при работе с вредными веществами.
В качестве исходных веществ используются Gd2O3, Nd2O3, Sc2O3, Ga2O3. Они представляют собой тонкодисперсные порошки, поэтому существует опасность попадания их дыхательные пути. При работе с ними следует принимать меры, препятствующие образованию пыли. Все работы с этими веществами следует проводить в вытяжном шкафу. Меры защиты: Все работы должны проводится в спец. одежде (халатах).
Токсичные жидкости следует хранить в местах, исключающий случайный доступ. Посуда, содержащая эти жидкости должна содержать предупреждающую маркировку. Необходимо применять средства индивидуальной защиты; такие как респиратор “Лепесток”, резиновые перчатки, защитные очки из оргстекла (особенно при резке и обработке кристаллов).
При попадании пыли внутрь обеспечить пострадавшему свежий воздух, провести промывание желудка 2 % - ным раствором соды, дать пострадавшему успокоительное. Категорирование помещений.
Согласно ОНТП 24-86 помещения участка относятся к следующим категориям по пожаровзрывоопасности: – отделение роста, механическое отделение – категория “Г”;
– отделение контроля и упаковки – категория “В” (пожароопасная); – остальные помещения участка – категория “Д”.
Степень огнестойкости здания, где расположен участок –2, что ограничивает число этажей (до 8) и площади этажа между противоположными стенами здания. По классу взрывоопасности помещение отделения контроля и упаковки относится к классу В-1б. К этому классу относятся помещения, в которых возникновение взрывоопасных смесей ЛВЖ с воздухом возможно лишь в аварийных ситуациях. ЛВЖ имеются в небольших количествах, недостаточных для создания общей взрывоопасной концентрации, и работа с ними проводится без применения открытого огня. Электробезопасность.
По опасности поражения людей электрическим током помещения участка относятся к помещениям без повышенной опасности 1 класса (помещение сухое, влажность 75%, температура 18-230С, нет электропроводящей пыли). В помещениях класса В-1б допускается установка электрических машин в защищенном и брызгозащитном исполнении, электрических светильников и других приборов в закрытом исполнении. Меры безопасности при работе с ростовой установкой.
В производстве применяется ростовая установка “Кристалл 2” с индукционным нагревом и питанием от сети 380 В (50 Гц) а также блоком управления, позволяющим задавать мощность генератора, скорости вытягивания и вращения кристалла. Во избежании несчастных случаев при поражении электрическим током, установки заземлены и занулены, внутренние провода имеют изоляцию. Перед началом работы проверяется надежность изоляции. Вблизи рабочих мест имеются средства пожаротушения (огнетушители ОУ-5, асбестовое полотно). Меры безопасности при работе с печью КО-14.
К работе с печью может быть допущен персонал прошедший инструктаж по технике безопасности на рабочем месте и имеющий квалификационную группу не ниже 1. Питание печи осуществляется от сети 220 В (50 Гц). Все токопроводящие детали защищены от случайного прикосновения ограждениями и снимать их разрешается только при проведении ремонтных работ. Во избежании поражения электрическим током корпус заземлен и занулен. Производственная санитария. Рабочее помещение.
В помещении участка могут находится одновременно 16 человек. Площадь участка 216 м2, объем 864 м3. Таким образом на человека приходится SУД = 13. 5 м2, VУД = 54 м3, что соответствует установленным санитарным нормам: SнУД = 4. 5 м2 и VнУД = 1. 5 м3. Освещение.
В помещении участка используется искусственное освещение. На рабочих местах предусмотрено местное освещение. Вентиляция.
Вентиляция на участке естественная и приточно-вытяжная. Имеется один вытяжной шкаф. Отопление.
Имеется центральное водяное отопление, обеспечивающее в холодное время года температуру 17– 22 0С. Водоснабжение и канализация.
На участке предусмотрено хозяйственно-питьевое водоснабжение, источником которого является городской водопровод, и оборотное водоснабжение для производственных нужд. Канализация оборудуется гидрозатвором, исключающим попадание вредных веществ в городскую канализацию. Пожарная безопасность.
В целях пожарной безопасности на участке имеются огнетушители ОП-5 и ОУ-5, асбестовые покрывала, пожарный водопровод. Средствами оповещения служат пожарная сигнализация и телефон. Режим личной безопасности.
Все сотрудники обеспечиваются спецодеждой (халат). При выполнении работ, требующих СИЗ, используются: респиратор типа “Лепесток”, резиновые перчатки, защитные очки из оргстекла.
Для защиты глаз от светового излучения расплава необходимо следить за целостностью светофильтров на смотровом окне ростовой камеры, в тоже время, можно использовать специальные приспособления.
Новыми работники проходят вначале вводный, затем первичный инструктаж по технике безопасности и стажировку на рабочем месте.
Один раз в 6 месяцев должны проводится повторный инструктаж и аттестация персонала. ИТР следует не реже 1 раза в год сдавать экзамен по технике безопасности. Все инструктажи фиксируются в специальных журналах. Охрана окружающей Среды. Классификация веществ по степени опасности. Абсолютная опасность: . W- годовая потребность (кг). Относительная опасность: .
Таблица 9. 1. Классификация веществ по величине токсичности. Вещество ПДК, мг/м3 W, кг/год В Qi Gd2O3 3 75. 17 25. 06 0. 57 Nd2O3 6 2. 07 0. 36 8. 12 · 10-3 Sc2O3 4 18. 69 4. 67 0. 11 Ga2O3 3 42. 26 14. 09 0. 32 C2H5OH 1000 146 0. 146 3. 29 · 10-3 Ацетон 200 0. 79 3. 95·10-3 8. 91 · 10-5
Таким образом вещества можно расположить в следующей последовательности по уменьшению токсичности: Gd2O3, Ga2O3, Sc2O3, Nd2O3, C2H5OH, Ацетон. Утилизация твердых отходов.
Отходами данного производства являются твердый GSGG из невыбранного остатка расплава, ветошь и вата.
Так как GSGG представляет собой соединение, содержащее дорогостоящие редкоземельные элементы, его целесообразно направлять на переработку на предприятия по производству соединений РЗЭ.
Вату и ветошь необходимо сдавать для переработки на предприятия вторсырья. Таким образом, проектируемое производство является практически безотходным и экологически чистым. Заключение.
Спроектирован участок по производству 100 монокристаллов GSGG·Nd в год. Для этого, при 60 % выхода годной продукции, требуется четыре установки. Годовая потребность в сырье составляет:
Полная себестоимость одного кристалла составляет: 38920 руб. Производство является экологически чистым, а отходы поступают на переработку. Приложение 1. Спецификация к чертежу установки “Кристалл-2”. № поз. Ообзначение Наименование Кол Примечание Сборочные единицы. 1 3. 368. 018 Ввод высокочастотный 1 2 3. 385. 021 Охладитель 1 5 3. 623. 054-02 Шкаф 1 6 3. 805. 061-01 Камера 1 8 3. 867. 261 Пульт газорегулирования 1 11 4. 125. 375 Обшивка 1 12 4. 125. 468 Обшивка 1 13 4. 125. 468-01 Обшивка 1 15 4. 192. 212 Кронштейн 1 16 4. 192. 212-01 Кронштейн 1 19 4. 135. 041 Опора 6 21 4. 137. 993 Каркас 1 22 4. 137. 996 Рама 1 17 4. 128. 208 Кожух 1 14 1. 128. 208-01 Кожух 1 25 4. 225. 138-02 Привод 1 30 4. 225. 187 Привод 1 18 3. 867. 232 Пульт дистанционного управления 1 29 4. 315. 165 Шток 28 4. 225. 200-06 Мотор-редуктор 1 39 4. 474. 766 Трубопровод 1 41 4. 496. 000 Стекло смотровое 1 42 4. 553. 052 Индуктор 1 50-128 Детали. 101-173 Стандартные изделия. 181-186 Материалы. Спецификация к чертежу датчика веса. № поз. Ообзначение Наименование Кол Примечание Сборочные единицы. 2 3. 546. 010 Формирователь 1 3 3. 860. 016 Преобразователь 1 4 4. 106. 727 Корпус 1 5 4. 106. 778 Корпус 1 6 4. 127. 973 Кожух 1 8 4. 128. 095 Крышка 1 9 4. 230. 000 Муфта 1 Детали. 13 7. 152. 147 Прокладка 2 14 7. 423. 613 Втулка 4 15 7. 425. 593 Крышка 1 16 7. 752. 026 Зажим 2 17 7. 723. 038 Шайба центрирующая 1 18 7. 732. 071 Контакт 2 20 8. 035. 588 Крестовина 1 21 8. 131. 014 Стол 1 22 8. 154. 433 Крышка 1 23 8. 221. 148 Втулка 2 24 8. 241. 713 Кольцо 1 25 8. 311. 054 Ось 1 26 8. 318. 287 Ось-винт 2 27 8. 603. 912 Прокладка 3 28 8. 603. 912-01 Прокладка 3 29 8. 934. 161 Гайка 2 30 8. 934. 161-01 Гайка 1 31 7. 054. 060 Планка 6 32 7. 770. 009 Магнит 3 35-60 Стандартные изделия. Материалы. 61 Провод НВ-0. 2-II-500 ГОСТ-17515-72 2 м 62 Провод НВ-0. 5-II-500 ГОСТ-17515-72 0. 4 м 63 Резина пластина губчатая II гр 10 ТУ 38-105867-15 Ж12 1 0. 005 кг Литература.
Eugenii V. Zharikov, "Crystals of scandium garnets for solid state lasers" in Solid State Lasers and New Laser Materials, Proc. SPIE, p. 46-68. J. Haisma, J. L. C. Daams, A. F. D. Jong, B. H. Koek and J. W. F. Maes, J. Crystal Growth, vol 102, 1990, pp. 1014-1034.
Жариков Е. В. Редкоземельные скандиевые гранаты: Вопросы материаловедения. Тр. ИОФАН. 1990. Т. 26. с. 50-78.
Справочник по лазерам. под ред. Прохорова А. М. - т. 1. -М. 1978. Каминский А. А. Физика и спектроскопия лазеров. - М. 1986.
Каминский А. А. , Осико В. В. , Неорганические лазерные материалы с ионной структурой. - Изв. АН СССР сер. Неорг. мат. - т. 3. -1967.
Осико В. В. , Прохоров А. М. , Щербаков И. А. Активные Среды твердотельных лазеров. - Изв АН СССР сер. Физ. - т. 44 - 1986. Формуляр установки “Кристалл-2”. Справочник химика. - т. 2, 3 - М. 1962.
Вредные вещества в промышленности. Справочник. под ред. Сараева Н. В. - М. 1978. Справочник. Предельно-допустимые концентрации в воздухе и воде вредных веществ. - Л. 1975. Паспорт лаборатории 405 корп. Д ИОФ РАН. Правила установки электрооборудования. - М. 1985.
Строительные нормы и правила. Производственные здания. СНИП. - 1985. Методические указания по определению технико-экономических показателей технологических процессов в курсовых работах и проектах. - МХТИ. 1989.