/>1. Основы гибкой автоматизированной технологии
Нынешний этапразвития общественного производства, характеризуемый появлением принципиальноновых технологий, знаменует и определяет кардинальные изменения и преобразованияв технологии общественного производства.
Широкоевнедрение в народное хозяйство принципиально новых технологических процессов,позволяющих многократно повышать производительность труда, поднятьэффективность использования ресурсов и снизить энерго- и материалоемкостьпроизводства – важнейшие задачи, стоящие перед нашей экономикой на современномэтапе развития.
Гибкоепроизводство – производство, которое позволяет за короткое время приминимальных затратах, на том же оборудовании, не прерывая производственногопроцесса и не останавливая оборудования, по мере необходимости переходить навыпуск новой продукции произвольной номенклатуры.
Гибкоеавтоматизированное производство по сравнению с традиционными имеет рядпреимуществ:
– высокаямобильность и сокращение сроков освоения новой продукции;
– высокаяпроизводительность и качество выпускаемой продукции;
– улучшениеусловий труда;
– сокращениепроизводственного цикла и снижение эксплуатационных затрат на производство.
По степенигибкости существуют четыре группы производств:
– 1 группапроизводств предполагает жесткую технологию производства, когда оборудованиепредназначено для изготовления только одной детали. По окончании выпуска оборудованиене может использоваться для изготовления других изделий. Примером такогопроизводства может служить технологический процесс штамповки;
– 2 группапроизводств основана на перестраиваемой технологии, когда при измененииотдельных компонентов оборудования можно выпускать новое изделие. Примеромтакого производства может быть автоматическая линия из агрегатных станков;
– 3 группапроизводств основана на переналаживаемых технологических процессах иоборудовании. Примером может служить группа станков с числовым программным управлением(ЧПУ).
Переналадка вданном случае требует более короткой остановки (иногда до 5 мин.) длязамены программы обработки детали на станке с ЧПУ;
– 4 группапроизводств основана на гибкой технологии производства и оборудовании, приспособленномдля высокого уровня автоматизации.
Для переходана выпуск новой продукции никакой переналадки не требуется, а сам переходосуществляется в автоматическом режиме. Примером могут служить интегрированныепроизводственные системы с ЭВМ, управляющей ходом технологического процесса.Третья и четвертая группы производств являются гибкими производствами, ихиногда называют программируемыми, так как для перехода с одного объектапроизводства на другой необходимо изменять управляющие программы, а не оборудование.
Основнымзвеном гибкого автоматизированного производства является гибкаяпроизводственная система (ГПС). В свою очередь, гибкая производственная системаструктурно включает как минимум в себя:
– гибкийпроизводственный модуль (ГПМ);
–роботизированный технологический комплекс (РТК);
– системуобеспечения функционирования ГПС.
Более сложнаягибкая производственная система может включать в себя несколько гибкихпроизводственных модулей и роботизированных технологических комплексов,объединенных единой системой обеспечения их функционирования. В целом, гибкиепроизводственные системы строятся по блочно-модульному принципу.
Гибкийпроизводственный модуль (ГПМ) представляет собой автономно функционирующуюединицу технологического оборудования с программным управлением,предназначенную для производства изделий произвольной номенклатуры, автоматическиосуществляющую все функции, связанные с изготовлением продукции.
Например, втехнологии обработки металлов резанием в качестве автономно функционирующейединицы технологического оборудования с программным управлением используют, какправило, станки типа «обрабатывающий центр», снабженные устройствами позагрузке заготовок, удалению обработанных деталей, подаче и замене инструмента,удалению отходов и т.д.
Наобрабатывающем центре обеспечивается выполнение различных операций (точение,сверление, фрезерование и т.д.) при минимуме вспомогательных действий,связанных с установкой, закреплением, снятием обрабатываемой детали, переменойрежущего инструмента и т.д. Обрабатывающий центр оснащен магазиноминструментов, автоматической системой их смены и поворотными столами,обеспечивающими изменение положения обрабатываемой детали. Один такойобрабатывающий центр заменяет 5–6 обычных металлорежущих станков.
Такимобразом, гибкий производственный модуль предназначен для выполнения рабочихэлементов технологического процесса изменения состояния предмета труда.
Роботизированныйтехнологический комплекс (РТК) представляет собой автономно функционирующуюсовокупность технологического оборудования, промышленного робота и средств ихоснащения. В отличие от гибкого производственного модуля роботизированныйтехнологический комплекс предназначен для выполнения вспомогательных операций.
Автоматическаясистема обеспечения функционирования ГПС представляет собой комплекс ЭВМ,программного обеспечения и центральный пульт управления, обеспечивающий координациюи согласование всех составных частей ГПС.
Более сложнаягибкая производственная система может включать в себя несколько гибкихпроизводственных модулей и роботизированных технологических комплексов,объединенных единой системой обеспечения их функционирования. В целом, гибкиепроизводственные системы строятся по блочно-модульному принципу.
Основнымитехнологическими характеристиками гибких производственных систем являются:
– способностьработать без участия человека;
–автоматическое выполнение основных и вспомогательных операций;
– простотаналадки;
– гибкость,удовлетворяющая требованиям мелкосерийного производства;
– высокаяэкономическая эффективность при правильной эксплуатации.
Широкоевнедрение гибких производственных систем является оптимальным путеминтенсификации мелкосерийного производства с применением безлюдной технологииизготовления продукции.
/>
2. Основыроботизации промышленного производства
В общемслучае роботизация является одним из направлений, одним из составляющихэлементов комплексной автоматизации производства и представляет собойиспользование промышленных роботов и их систем в промышленном производстве.
Промышленныероботы эффективно включаются в автоматические линии, становятся частью гибкихавтоматизированных производств, способны быстро и без существенных затрат перестраиватьсяна производство изделий различных видов, приспосабливаться к изменяющимсяусловиям производства.
Представляясобой новый вид рабочей машины, роботы могут эксплуатироваться изолированно илицелыми комплексами, управляемыми ЭВМ. Особенно ценное достоинство промышленныхроботов – способность к быстрой переналадке на изготовление новой продукции(нередко достаточно для этого поменять программу). Это свойство роботов важнодля обрабатывающих отраслей промышленности, где около 50% объема производстваприходится на малые и средние партии. В условиях традиционного производства приизготовлении изделий небольшими партиями непосредственно чистое времямеханической обработки занимает 5% общего рабочего времени, а остальноеприходится на подготовку станка и деталей, настройку инструмента, крепление иснятие деталей и т.д. Применение промышленных роботов изменяет это соотношениеи значительно повышает производительность обработки. Кроме того, использованиероботов дает значительный эффект в экономии сырья, материалов при рациональнойорганизации производственного процесса.
Промышленныйробот – многократно программируемое многофункциональное устройство,предназначенное для манипулирования и транспортирования деталей, инструментов,специализированной технологической оснастки посредством программируемыхдвижений для выполнения разнообразных задач.
С точкизрения истории развития робототехники различают три поколения промышленныхроботов:
– роботыпервого поколения (программируемые роботы) характеризуются тем, что онивыполняют совокупность жестко запрограммированных операций, эти роботы «глухи»,«немы» и «слепы»;
– роботывторого поколения (адаптивные роботы) используют сенсорную информацию обокружающей среде, чтобы корректировать свое поведение при выполнениипроизводственной операции;
– роботытретьего поколения – это интеллектуальные роботы, наделенные «здравым смыслом»,«чувствами», способные распознавать разнообразные объекты внешнего мира, обладающиеспособностью действовать самостоятельно.
По родудеятельности промышленные роботы подразделяются на три группы:
–технологические роботы, непосредственно выполняющие технологические операции(сборку, сварку, окраску и т.д.);
–подъемно-транспортные роботы, занятые выполнением операций складирования,перемещения, подачи заготовок и т.д.;
–комбинированные роботы, выполняющие действия роботов первых двух групп.
Впроизводстве промышленные роботы применяются:
– длявыполнения основных операций технологического процесса изготовления изделия(сборки, сварки, нанесения покрытий и т.д.);
– дляобслуживания основного технологического оборудования (станков прессов, литейныхмашин) и выполнения других вспомогательных операций.
На основепромышленных роботов создаются роботизированные технологические комплексы(РТК).
Различаютследующие разновидности роботизированных технологических комплексов:
–манипуляционные РТК, у которых основной исполнительный орган оканчиваетсязахватом или каким-либо инструментом;
– мобильныеРТК (колесные, шагающие, гусеничные), используемые, как правило, вэкстремальных условиях работы (в космических полетах, под водой, в полевыхусловиях и т.д.);
–информационно-управляющие РТК могут не иметь механически движущихсяисполнительных устройств, они следят за ходом протекания технологическихпроцессов, обрабатывают информацию, поступающую от каких-либо внешнихисточников, и в случае необходимости вносят коррективы в протекание контролируемоготехнологического процесса.
Обычноконструкцию промышленного робота разделяют на три основных компонента:
–механическую руку (рабочий орган);
–механический привод;
– управляющуючасть (контроллер).
Механическаярука – это рабочий орган промышленного робота. Рабочие органы могут иметьразличное функциональное назначение и, соответственно, иметь разнообразнуюформу: захватов, инструментов, приспособлений, датчиков и т.д.
Кмеханической руке робота кроме различных захватных устройств прикрепляютразличные инструменты и датчики.
Типичнымиинструментами являются аппараты для точечной сварки, дуговой сварки и резки,нагревательные паяльные лампы, пистолеты для окраски напылением, клейкие иизоляционные ленты, приспособления для автоматического завинчивания гаек,сверла, зенкеры, шлифовальные устройства, лазеры и т.д.
Сенсорныедатчики используют при определении точности физических размеров деталей,ультразвуковые – для обнаружения трещин и т.д.
Вторымструктурным компонентом промышленного робота является механический привод.
Источником питаниялюбого промышленного робота является в большинстве случаев электрическаяэнергия, которая в конечном счете преобразуется в механическую энергию движениярабочих органов робота, осуществляющих какие-либо манипуляции в соответствии сцелью технологического процесса.
Третьимсущественным элементом любого промышленного робота является его управляющаячасть (контроллер), или, как иногда говорят «мозг» робота.
На нижнемуровне своего функционального назначения контроллер выполняет несколькофункций: начинает, управляет и заканчивает любые движения руки робота,перемещая ее к определенным точкам в определенной последовательности; контроллердолжен хранить в памяти все эти точки, ориентации и последовательности, так жекак и взаимодействия с любыми внешними датчиками и устройствами, которые могутбыть связаны с роботом. Таким образом, контроллер регулирует потоки энергии всистеме, чтобы выполнить заданную операцию.
Наибольшееприменение промышленные роботы и робототехнические комплексы нашли вмашиностроении.
Использованиероботов на всех операциях технологического процесса литья от сборки форм изаливки жидкого металла до обрубки литниковых систем и очистки отливокувеличивает производительность, точность, обеспечивает безопасность работ, повышаеткоэффициент использования основного оборудования.
В процессахобработки металлов давлением промышленные роботы нашли наибольшее применение воперациях ковки, штамповки, прессования. Роботы способны в течение длительноговремени переносить раскаленные тяжелые заготовки с высокой скоростью, работая вагрессивной среде. Рука робота способна, например, обеспечить четкоефиксирование заготовки в полости штампа.
Термообработкаи химико-термическая обработка являются идеальными технологиями дляроботизации, причем достаточно использование сравнительно простых конструкцийроботов с позиционным управлением. Кроме того, замена человека роботом в этихпроцессах, осуществляемых в агрессивных средах и при высоких температурах,несомненно, является прогрессивным мероприятием.
Роботыосвоили и такой трудоемкий вид создания неразъемных соединений, какэлектродуговую сварку. Робот, снабженный устройствами переработки зрительной иосязательной информации, способен образовывать шов сложной конфигурации, обеспечиваявысокое качество соединения за счет поддержания устойчивой дуги по мерепродвижения вдоль сварного шва.
Самойответственной стадией машиностроительного производства является сборочныйпроцесс. В настоящее время роботы осваивают технологию сборочного производства.В ряде производств, например, успешно работают автоматические системыроботов-манипуляторов по сборке трансформаторов, отдельных узлов автомобилей,интегральных микросхем и т.д.
В последнеевремя роботы начинают применять и в других отраслях: при производстве изделийиз пластмасс, в промышленности строительных материалов, в легкой и пищевойпромышленности и даже в сельском хозяйстве. Известны, например, конструкциироботов для работы в садах, ягодниках, роботов-животноводов и т.д.
/>
3. Основылазерной технологии
Лазер(оптический квантовый генератор) является источником оптического когерентного,то есть согласованного излучения, характеризующегося высокой направленностью ибольшой плотностью энергии.
Слово лазерявляется аббревиатурой слов английской фразы «Light Amplification by StimulatedEmission of Radiation», что означает «усиление света в результате вынужденногоизлучения».
Созданиеоптических квантовых генераторов (лазеров) явилось величайшим достижениемсовременной науки. В настоящее время они нашли широкое применение вповседневной практике.
Принципдействия оптического квантового генератора основан на искусственномстимулировании генерации светового излучения высокой мощности, при этомтемпература в точке приложения сфокусированного лазерного луча достаточна дляпревращения в пар любого материала. Передаваемое при поглощении лазерногоизлучения тепло приводит сначала к нагреву вещества, а затем его плавлению ииспарению. Дозируя определенным образом мощность лазерного излучения на поверхностьобрабатываемого материала можно реализовать практически любойтемпературно-временной режим нагрева, который и определяет вид технологическойобработки.
Существуюттвердотельные, газовые и полупроводниковые лазеры. Из всего разнообразияоптических квантовых генераторов для обработки материалов используютсятвердотельные и газовые лазеры.
Втвердотельных лазерах генерация излучения осуществляется в твердом элементе, вкачестве которого наиболее широко используется стержни из кристаллаискусственного рубина. Такие лазеры обладают сравнительно высокой выходной мощностью,высоким коэффициентом полезного действия, обеспечивают возможность генерацииизлучения не только в импульсном, но и в непрерывном режиме.
В газовыхлазерах в качестве активной среды для генерации излучения используютсяразличные газы или смеси газов. Наиболее распространены газовые лазеры надиоксиде углерода. Такие лазеры способны развивать еще большую мощность как внепрерывном так и в импульсном режимах.
Развитиелазерной технологии все в большей мере отвечает требованиям повышенияэффективности общественного производства, обеспечения интенсивного путиразвития экономики.
Лазернаяобработка имеет свои особенности и преимущества:
– высокаяконцентрация подводимой энергии и локальность обработки;
– возможностьрегулирования параметров лазерной обработки в широком интервале режимов;
– отсутствиемеханических усилий на обрабатываемый материал и независимость скоростиобработки от свойств материала;
– высокаятехнологичность обработки и возможность ее автоматизации.
Благодарянаправленности и высокой концентрации энергии лазерного луча удается выполнятьтехнологические операции, вообще не выполнимые каким-либо другим методом.
В настоящеевремя разработаны следующие технологические процессы с использованием мощныхлазеров:
– лазернаяповерхностная термообработка;
– лазернаясварка;
– лазернаяразмерная обработка;
–измерительная лазерная технология;
– лазернаяинтенсификация химических реакций.
Лазернаятермообработка включает в себя процессы лазерной закалки поверхностного слояматериалов, лазерной аморфизации (остекловывания), лазерной наплавки, лазерноголегирования.
Наиболееполно преимущества лазерной закалки проявляются при обработке деталей сосложным профилем и неплоской поверхностью. Кроме того, лазер дает возможностьвыборочно закаливать те участки поверхности, которые подвергаются наибольшеймеханической нагрузке (селективное закаливание). Такая локальная закалкаисключает деформацию деталей после термообработки и позволяет обойтись безпоследующей доработки детали.
Технологиялазерной аморфизации (остекловывания) является одним из направлений модификацииповерхностей обрабатываемых изделий. Создание аморфных слоев является весьмаперспективным, так как такие слои обладают высокой твердостью, коррозионнойстойкостью, износостойкостью.
Лазернаянаплавка используется с целью восстановления изношенных деталей.
При этом, посравнению с традиционными технологиями наплавления (электросваркой, газовойсваркой и т.д.) лазерное наплавление имеет более высокую производительность,лучшее качество, наплавление происходит без нагрева основной массы детали,деталь не деформируется, не требует последующей механической обработки.
Лазерноелегирование относится к процессам создания на поверхности обрабатываемогоматериала покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками.
Лазернаясварка с глубоким проплавлением позволяет сваривать толстые слои материалов сбольшой скоростью при минимальном тепловом воздействии на материал, прилегающийк зоне расплава, что улучшает свойства сварного шва и качество сварногосоединения.
Лазернаясварка в настоящее время является наиболее перспективной для промышленногоиспользования технологией в связи с разработкой мощных лазеров с непрерывным иимпульсно-периодическим действием. Сварное соединение получается при нагреваниии расплавлении лазерным лучом участков в месте контакта свариваемых деталей.Когда лазерный луч смещается, смещается и зона расплавленного материала, затемидет остывание и таким образом образуется сварной шов. По форме он получаетсяузким и глубоким и принципиально отличается от сварных швов, полученных прииспользовании традиционной технологии сварки. Глубина проплавления зависит отмощности лазера, а поперечное сечение лазерного шва похоже на лезвие кинжала, поэтомуглубокое лазерное проплавление иногда называют кинжальным.
Подтехнологией лазерной резки понимаются технологические процессы лазернойразмерной обработки, включающие в себя процессы собственно лазерной резки илиразделения материалов, лазерной прошивки (сверления) отверстий, лазерного фрезерованияпазов и т.д.
Сфокусированноелазерное излучение дает высокую концентрацию энергии, что позволяет резатьпрактически любые материалы вне зависимости от их теплофизических свойств, включаяматериалы, не поддающиеся резке другими способами.
Во всехслучаях процессы происходят либо при перемещении детали относительно лазерноголуча, либо лазерного луча по поверхности материала. При этом лазер действуеткак тепловой источник, нагревая материал до температур, обеспечивающихплавление материала и перевод его в пар. Возможно удаление расплавленногоматериала газовой струей (газолазерная резка).
Резатьматериал можно как импульсным, так и непрерывным излучением, при этомимпульсная размерная обработка более точна и обеспечивает более высокоекачество реза при минимальных потерях материала. Воздействие лазерного лучадлится от десятой до десятичной доли секунды. С помощью импульсной размернойобработки получают сквозные и глухие отверстия, пазы и щели.
Измерительнаялазерная технология предназначена для проведения различных измерений и контроляразмеров, линейных перемещений, контроля качества материалов и изделий.
Основнымпреимуществом измерительной лазерной технологии является то, что измерения идутбесконтактно (бесконтактная диагностика, неразрушающий контроль). Кроме того,лазерные методы отличаются высокой скоростью и быстродействием.
Использованиелазеров в химической технологии весьма перспективно. Если лазер рассматривать вкачестве мощного источника светового излучения, то лазерную интенсификациюхимических реакций можно рассматривать как разновидность фотохимическихпроцессов.
Использованиелазерного излучения в химической технологии перспективно для получения новыхпродуктов, осуществления новых химических реакций, интенсификации существующиххимико-технологических процессов.
/>
4. Основымембранной технологии
Мембраннаятехнология – новый принцип организации и осуществления процесса разделениявеществ через полупроницаемую перегородку, отличающийся отсутствием поглощенияразделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процессразделения.
Мембранныетехнологии интенсивно используются во многих отраслях. В химическойпромышленности – для разделения эмульсий и концентрирования растворов,отделения высокомолекулярных продуктов от низкомолекулярных, разделение смесейгазов и т.д. В медицинской промышленности мембраны позволяют выделять и очищатьвакцины, используются в аппаратах типа «искусственное легкое». В пищевойпромышленности мембранные технологии применяются для концентрирования соков, приготовлениявысококачественного сахара, получения высококачественных белков из отходовмолочного производства и т.д.
По сравнениюс традиционными процессами разделения неоднородных систем мембранная технологиявыгодно отличается высокой энерго- и ресурсоэкономичностью, простотой аппаратурногооформления, экологической чистотой.
Слово«мембрана» имеет латинское происхождение (membrana) и означает кожица, перепонка.В технологии под словом «мембрана» мы будем понимать перегородку, обладающуюразличной проницаемостью по отношению к отдельным компонентам жидких и газовыхнеоднородных смесей.
При внешнемсходстве процессов фильтрования и мембранного разделения между этими процессамиесть принципиальное отличие. В ходе фильтрования хотя бы один из компонентов газовойили жидкой смеси задерживается и фиксируется внутри фильтрующей перегородки.Это приводит к тому, что перегородка постепенно забивается и осуществление процессафильтрования на ней без очистки делается практически невозможным. В отличие отфильтра мембрана не фиксирует в себе ни один из компонентов разделяемой жидкойили газовой смеси, а только делит первоначальный поток на два, один из которыхобогащен по сравнению с исходным каким-то компонентом. Такой принцип действиямембраны делает ее способной к практически неограниченному сроку службы, беззаметного изменения в эффективности разделения смесей.
В зависимостиот агрегатного состояния разделяемой смеси, движущей силы процесса разделения,размеров частиц компонентов и механизма разделения различают несколько разновидностеймембранных процессов:
–диффузионное разделение газов;
– разделениежидкостей методом испарения через мембрану;
–баромембранные процессы разделения жидких смесей;
–электродиализ.
Диффузионноеразделение газов основано на различной проницаемости мембран для отдельныхгазовых смесей. В качестве мембран для осуществления диффузионного разделения газовыхсмесей используются как сплошные, так и пористые мембраны с размерами порменьшими, чем длина свободного пробега молекул газов при заданном давлении.Движущей силой процессов диффузии компонентов является разность их концентрацийна противоположных поверхностях мембраны.
Диффузионноеразделение газов является наиболее экономичным методом и широко используетсядля получения урана-235, являющегося ядерным топливом, для создания аппаратов«искусственное легкое», при производстве водорода, выделении гелия из составаприродных и нефтяных газов является перспективным для выделения кислорода извоздуха, удаления диоксида углерода, воды и других компонентов изгазо-воздушных смесей в системах жизнеобеспечения людей в замкнутыхпространствах, для создания контролируемой атмосферы, обогащенной диоксидомуглерода при хранении овощей и фруктов.
Разделениежидкостей методом испарения через мембрану основано на различной диффузионнойпроницаемости мембран для паров веществ. Движущей силой процесса является разностьконцентраций или давлений. Смесь жидкостей, находящихся в контакте с мембраной,нагревают, а пары, проникающие через мембрану, отводят с помощью вакуумированияили потоком инертного газа. Наиболее широко этот метод применяется при разделенииазеотропных смесей, а также смесей веществ, имеющих невысокую термическуюстабильность.
Баромембранныепроцессы разделения жидких смесей на практике осуществляются под избыточнымдавлением и поэтому объединены в группу баромембранных.
Установки,работающие на принципе баромембранного разделения, уже сегодня широкоиспользуются для обессоливания морской и соленой вод, очистки сточных вод,извлечения ценных компонентов из разбавленных растворов, в пищевой промышленностидля концентрирования сахарных сиропов, фруктовых и овощных соков, растворимогокофе, для получения ультрачистой воды для электронной промышленности, медициныи фармацевтики.
Электродиализможно определить как перенос ионов через мембрану под действием электрическоготока. При наличии мембран, избирательно пропускающих одни ионы и задерживающихдругие, можно решать многочисленные задачи выделения ценных компонентов израстворов, обессоливания воды, снижения жесткости, электролиза растворов. Срединаиболее перспективных областей применения электродиализа, наряду с отмеченными,перечислим регенерацию растворов в гальванических производствах; очистку хлор-и медьсодержащих сточных вод, очистку сточных вод в производстве аммиачнойселитры.
/>
5.Прогрессивные химико-технологические процессы
В рядупрогрессивных химико-технологических процессов рассмотрим в первую очередьрадиационно-химическую технологию и фотохимические процессы.
За последниедва десятилетия сформировалась новая область химической технологии – радиационно-химическаятехнология (РХТ). Ее предшественницей следует считать ядерную технологию,интенсивное развитие которой (с начала 40-х годов) стимулировалосьнеобходимостью срочного решения ряда задач, связанных с практическим использованиематомной энергии.
Цельюрадиационно-химической технологии является разработка методов и устройств длянаиболее экономичного осуществления с помощью ядерного излучения физических, химическихи биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придаватьим улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем. Выделениеэтого направления в отдельную область технологии обусловлено, прежде всего,особенностью действия ионизирующего излучения на вещество.
Радиационно-химическиепроцессы обуславливаются энергией возбужденных атомов, ионов, молекул. Энергияионизирующего излучения превышает в сотни тысяч раз энергию химических связей.Механизм радиационно-химических процессов объясняется особенностямивзаимодействия излучений с реагирующими веществами.
В качествеисточников ионизирующего излучения используются потоки заряженных частицбольшой энергии (электроны, a, b, частицы, нейтроны, g – излучение).
Выделимдостоинства ионизирующего излучения:
– высокаяэнергетическая эффективность излучения, приводящая к тому, что по сравнению страдиционными видами технологии радиационная технология является в целомэнергосберегающей;
– высокаяпроникающая способность излучения, исходя их этого, излучение наиболееэффективно использовать для обработки блочных материалов и изделий, пристерилизации биомедицинских материалов в упаковке, получениидревесно-пластмассовых и бетонополимерных композиций;
– излучениепредставляет собой легко дозируемое средство обработки материалов и не загрязняетпродукцию.
Основныепреимущества радиационно-химической технологии можно сформулировать следующимобразом:
– возможностьполучения уникальных материалов, производство которых другими способаминевозможно;
– высокаячистота получаемых продуктов;
– смягчениеусловий проведения процесса (температуры, давления);
– возможностьрегулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности излучения и,следовательно, легкость автоматизации процесса;
– возможностьзамены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными.
В настоящеевремя разработаны и находятся в различных стадиях опытно-промышленнойреализации более пятидесяти процессов радиационно-химической технологии,например:
–радиационная полимеризация и сополимеризация, включающая получениедревесно-полимерных и бетон-полимерных материалов, радиационное отверждениепокрытий;
–радиационное сшивание полимеров и радиационная вулканизация эластомеров;
–радиационно-химический синтез (радиационное хлорирование, сульфохлорированиеуглеводородов);
–радиационное модифицирование неорганических материалов (улучшение адсорбционныхи каталитических характеристик, радиационное легирование);
–радиационная очистка сточных вод.
Сегоднянаблюдается явное смещение интересов использования ионизирующих излучений: отполучения продуктов с уникальными и улучшенными свойствами к экономии сырья иэнергии.
Фотохимическиепроцессы – это химические реакции, протекающие под действием световогоизлучения или вызываемые им.
Механизмфотохимических процессов основан на активизации молекул, реагирующих веществпри поглощении света.
В зависимостиот роли и характера влияния светового луча фотохимические процессы разделяют натри группы.
К первойгруппе относят реакции, которые могут самопроизвольно протекать послепоглощения реагентами светового импульса. Для этих процессов свет играет рольвозбудителя и инициатора. При обычных условиях эти процессы протекают крайнемедленно, но световое облучение их значительно интенсифицирует.
Ко второйгруппе фотохимических процессов относят процессы, для проведения которыхнеобходим непрерывный подвод световой энергии к реагентам.
К третьейгруппе относятся химические процессы, в которых световой импульс, воздействуяна катализатор, активизирует его и способствует интенсификации химическойреакции.
Основныедостоинства фотохимических процессов по сравнению с традиционными химическимивоздействиями можно сформулировать следующим образом:
– возможностьполучения уникальных материалов, производство которых другими способаминевозможно или экономически нецелесообразно;
–стерильность светового излучения и высокая чистота получаемых продуктов;
– смягчениеусловий проведения процесса (температуры, давления);
– возможностьрегулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности световогопотока и, следовательно, легкость автоматизации процесса;
– возможностьзамены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными.
Фотохимическиепроцессы находят широкое применение в органической химической технологии присинтезе новых химических соединений.
Еще однабольшая группа принципиально новых технологий – плазменные, основанные наобработке сырья и полупродуктов концентрированными потоками энергии. Ныне известноболее 50 таких технологий. Сформировалась и научная база этой группы технологий– плазмохимия, изучающая процессы, протекающие при среднемассовой температурерабочего газа 8000-10000°С.
Техникаплазменных технологий – это генераторы низкотемпературной плазмы – плазмотроны,единственные установки, позволяющие с высоким тепловым КПД (80-90%)осуществлять непрерывный регулируемый нагрев газа до столь высоких температур.Химия, металлургия, машиностроение – вот основные сферы применения плазменныхтехнологии. Взять, к примеру, металлургию. Традиционные процессы здесь давносебя исчерпали, и ни техническое совершенствование агрегатов, ни их дальнейшееукрупнение уже не приносят сколько-нибудь существенного экономического эффекта.Вместо доменных печей для процесса восстановления железа вполне можноиспользовать плазмотроны. Кстати, это будут и компактные, и весьмапроизводительные агрегаты – ведь процесс там будет идти при температуре не 800°С,а при гораздо более высокой. Добавим, что плазменные технологические процессы аотличие от традиционных экологически чистых, не выделяют в окружающую средусернистых и иных вредных газов.
На базеплазменных методов можно организовать эффективную разработку бедных, такназываемых забалансовых месторождений минеральных удобрений, в частностифосфоритов. Речь идет о способе азотнокислотной экстракции фосфоритов, причемазотную кислоту предлагается получать плазменным способом непосредственно извоздуха.
Важнаяособенность плазменных процессов заключается в том, что при высокихтемпературах химические реакции идут иначе, чем обычно. А это значит, что вплазмотронах можно получать материалы с новыми свойствами, в том числе принципиальноновые – композитные. В разных отраслях успешно используется метод плазменногонапыления – нанесения на поверхность деталей упрочняющих, термостойких, антикоррозионных,защитных, декоративных и других покрытий. Такие покрытия позволяют улучшитькачество, повысить ресурс и надежность машин. Методом плазменного напыленияможно восстанавливать изношенные поверхности деталей.
Благодаряплазменному упрочнению винты, изготовленные из обычной углеродистой стали,служат в несколько раз дольше винтов, чьи лопасти сделаны из превосходнойлегированной стали.
На базеплазменной технологии можно организовать резку стальных плит толщиной до 25 сми плит из цветных металлов толщиной 10–15 см. В принципе можно резатьплиты и больших толщин – для этого нужно существенно повысить величину токаэлектрической дуги в плазмотроне и ресурс катодного узла. Институт теплофизикиСО АН СССР предложил способы решения этой проблемы и создал проектсоответствующего плазмотрона.
Назовем ещенесколько областей применения плазменных технологий.
Газификациякаменных и бурых углей, сланцев и торфа позволяет не только перерабатыватьмалокалорийное топливо в высококалорийное, но и получать ацетилен – исходныйпродукт для производства полимеров.
При высокойтемпературе в струе плазмы происходит разложение отходов на элементы с последующимСинтезом новых продуктов. Так открывается путь к безотходным экологическичистым технологиям.
Розжиг истабилизация горения пылеугольного топлива в топках электростанций, запуск спомощью плазменных установок газотурбинных двигателей на перекачивающихстанциях трансконтинентальных нефтепроводов – также работа для плазмотронов.
Внедрениеультразвуковой техники и технологии позволяет автоматизировать и ускоритьразличные технологические процессы, повышать производительность труда улучшитькачество продукции.
Ультразвукобладает способностью концентрировать колоссальную энергию, которая можетпреобразовываться в тепловую, химическую, механическую. Энергия ультразвуковыхволн в миллиарды раз больше энергии слышимых звуков.
Широкоеприменение в современной технике и технологии приборов, основанных наиспользовании энергии ультразвуковых волн. Является одним из факторов технологическогопрогресса.
Ультразвукиспользуется при сварке и пайке, закалке и отпуске, размеренной обработкетвердых материалов, очистке металлических изделий от накипи и загрязнений,получении однородных горючих смесей, при сушке различных материалов, очисткавоздушных потоков и сточных вод от загрязняющих примесей.
Висследовательской практике ультразвук используется для обнаружения внутреннихдефектов металлов, определения концентрации различных веществ, непрерывногоконтроля за изменением их плотности и температуры.
В медицине спомощью ультразвука ставят диагнозы, лечат воспалительные процессы, очищаютраны, режут ткани, скрепляют переломы костей, лечат зубы, сваривают сосуды ибронхи.
Ультразвуковойметод обработки относится к механическому воздействию на материал, и назван такпотому, что частота ударов соответствует диапазону неслышимых звуков с частотой16–105 кГц.
Физическаясущность. Звуковые волны являются упругими механическими колебаниями, которыемогут распространятся только в упругой среде в отличия от электромагнитныхколебаний. При распространении звуковой волны в упругой среде материальныечастицы совершают упругие колебания около своих положений равновесия (соскоростью, называемой колебательной). Сгущение и разрежение среды в продольнойволне характеризуется избыточным (звуковым) давлением. Скорость распространениязвуковой волны зависит от плотности среды, в которой движется волна, чем жестчеи легче материал, тем больше скорость звуковой волны.
Прираспространении с материальной среде звуковая волна переносит определеннуюэнергию, которая может использоваться в технологических процессах.
Преимуществаультразвуковой обработки:
– возможностьполучения акустической энергии различными технологическими приемами;
– широкийдиапазон технологического применения – от размерной обработки до получениянеразъемных соединений (сварка);
– простотаэксплуатации и автоматизации промышленных установок.
К недостаткамотносятся:
– высокаястоимость акустической энергии;
–необходимость изготовления спец. установок для генерации ультразвуковыхколебаний, их передачи и распространения.
Ультразвуковыеколебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы какбазовые для разработки различных процессов.
Списокиспользованных источников
1. Кохно Н.П. Рольтехнологии в общественном развитии. Текст вводной лекции. – Мн: БГЭУ, 1997.
2. Бондаренко А.Д. Современнаятехнология: теория и практика. – Киев: Вища школа, 1985.
3. Горчаков Л.М. Введениев теорию технологических процессов. – Ростов н / Д: Изд. Ростовского ун-та,1988.
4. Князев В.Н. Человеки технология. – Киев: Лыбидь, 1990, – 175 с.