Основы проектирования литейных цехов


Г. Е. Левшин






                ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ




Учебное пособие











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.74:658.2
ББК 34.61
        Л34



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор А. Н. Задиранов; доктор технических наук, профессор М. Ю. Малькова







       Левшин, Г. Е.
Л34       Основы проектирования литейных цехов : учебное посо-
      бие / Г. Е. Левшин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 284 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0844-8

        Рассмотрены основные вопросы проектирования литейных цехов. Большое внимание уделено методике расчетов производственных программ цехов и их отделений, количества основного технологического и транспортного оборудования. Даны рекомендации по составлению компоновочных схем.
        Для студентов вузов всех форм обучения по профилям «Машины и технология литейного производства» и «Литейное производство черных и цветных металлов». Может быть полезно инженерам-проектировщикам.

                                               УДК621.74:658.2
                                               ББК 34.61








ISBN 978-5-9729-0844-8

   © Левшин Г. Е., 2022
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

    СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ .....................................................6
ГЛАВА 1. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РАБОТ.
ОБЩИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ....................8
1.1. Общие понятия об инвестиционно-строительной деятельности.8
1.2. Предынвестиционная фаза.................................10
1.3. Инвестиционная фаза.....................................12
  1.3.1. Принципы организации проектных работ................13
  1.3.2. Алгоритм (стадии) проектирования....................14
1.4. Классификация литейных цехов, их оптимальная мощность...21
1.5. Режимы работы...........................................27
1.6. Фонды времени...........................................29
1.7. Структура литейного цеха................................32
ГЛАВА 2. СОСТАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ПРОГРАММЫ. РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ОБОРУДОВАНИЯ....................35
2.1. Понятие об исходных данных на проектирование и их анализ.35
2.2. Способы выражения и составления производственной программы, её виды и область применения.......................36
2.3. Производительность оборудования и его использование.....47
2.4. Расчет количества оборудования..........................52
ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ОТДЕЛЕНИЯ ЦЕХОВ
С РАЗОВЫМИ ОБЪЕМНЫМИ ФОРМАМИ.................................57
3.1. Формовочно-заливочно-выбивные отделения.................57
  3.1.1. Методика проектирования.............................57
  3.1.2. Распределение отливок по группам. Выбор вида форм и способа их уплотнения......................................58
  3.1.3. Определение оптимальных размеров формы и ее металлоемкости.............................................58
  3.1.4. Определение годового количества форм................61
  3.1.5. Примеры расчета количества формовочного оборудования.63
  3.1.6. Расчет технологических параметров литейной линии....65
  3.1.7. Расчет площадей.....................................75
  3.1.8. Расчет парка опок...................................78
  3.1.9. Организационно-планировочные решения................79
3.2. Плавильные отделения....................................85
  3.2.1. Методика проектирования.............................85
  3.2.2. Расчет баланса металла..............................85
  3.2.3. Выбор типа плавильных печей.........................90
  3.2.4. Расчет оптимальной вместимости плавильной печи по методу Кульбовского И. К...........................................90
  3.2.5. Особенности расчета количества плавильных печей.....93

3

  3.2.6. Согласование работы плавильного и формовочно-заливочновыбивного отделений........................................94
  3.2.7. Расчет оптимального состава среднегодовой шихты....100
  3.2.8. Выбор и расчёт количества других видов оборудования......102
  3.2.9. Организационно-планировочные решения...............103
3.3. Стержневые отделения...................................114
  3.3.1. Методика проектирования............................114
  3.3.2. Организационная структура и объём производства.....115
  3.3.3. Распределение стержней по группам и способам изготовления.117
  3.3.4. Особенности расчета количества оборудования........120
  3.3.5. Организационно-планировочные решения...............120
3.4. Смесеприготовительные отделения........................123
  3.4.1. Методика проектирования............................123
  3.4.2. Расчёт расхода смесей и количества оборудования....124
  3.4.3. Расчет объема смеси в системе и ее производительности....129
  3.4.4. Организационно-планировочные решения...............130
3.5. Термоочистные отделения................................134
  3.5.1. Методика проектирования............................134
  3.5.2. Распределение отливок на группы и по операциям обработки.134
  3.5.3. Выбор технологического процесса и оборудования.....135
  3.5.4. Особенности расчета количества оборудования........137
  3.5.5. Организационно-планировочные решения...............140
3.6. Примеры планов и разрезов литейных цехов и анализа их организационно-планировочных решений........................148
ГЛАВА 4. ОТДЕЛЕНИЯ (УЧАСТКИ) ХРАНЕНИЯ И ПОДГОТОВКИ ЛИТЕЙНЫХ МАТЕРИАЛОВ. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ
СЛУЖБЫ ЦЕХА.................................................161
4.1. Отделения (участки) хранения и подготовки литейных материалов..................................................161
  4.1.1. Методика проектирования............................161
  4.1.2. Литейные материалы.................................161
  4.1.3. Расчет расхода материалов..........................162
  4.1.4. Особенности расчёта количества оборудования и мест хранения..................................................166
  4.1.5. Организационно-планировочные решения...............168
4.2. Вспомогательные службы цеха............................172
  4.2.1. Ремонтная служба...................................172
  4.2.2. Участок ремонта ковшей.............................174
  4.2.3. Экспресс-лаборатории...............................175
  4.2.4. Цеховые кладовые и конторы мастеров................176
  4.2.5. Склады оснастки, стержней и отливок................177
  4.2.6. Участок изготовления каркасов......................178
ГЛАВА 5. РАСЧЕТ ПЛОЩАДЕЙ. ТРАНСПОРТНАЯ ЧАСТЬ ПРОЕКТА ЦЕХА................................................180

4

5.1. Расчёт площадей.......................................180
5.2. Транспортная часть проекта............................183
  5.2.1. Выбор и расчёт транспорта периодического действия...183
  5.2.2. Выбор и расчёт непрерывного транспорта............186
ГЛАВА 6. ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ.....................197
6.1. Грузопотоки литейного цеха............................197
6.2. Основные рекомендации по составлению компоновочных (технологических) схем.....................................200
6.3. Расположение литейных цехов на генеральном плане завода.206
ГЛАВА 7. СТРОИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ................................209
7.1. Классификация зданий..................................209
7.2. Типы зданий и основные параметры......................210
7.3. Основные конструктивные элементы здания...............216
  7.3.1. Фундаменты, колонны и фундаментные балки..........216
  7.3.2. Несущие конструкции покрытия......................219
  7.3.3. Перекрытия........................................222
  7.3.4. Покрытия пола.....................................223
  7.3.5. Подкрановые балки.................................224
  7.3.6. Ограждения производственных зданий................225
  7.3.7. Подземные помещения...............................228
  7.3.8. Стены и перегородки внутри цеха...................229
7.4. Деформационные швы......................................230
7.5. Привязка конструктивных элементов к координатным осям...232
7.6. Нанесение размеров на строительных чертежах.............235
ГЛАВА 8. САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТИ ПРОЕКТА..............................................240
8.1. Санитарно-техническая часть...........................240
  8.1.1. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха.240
  8.1.2. Водоснабжение и канализация.......................248
8.2. Энергетическая часть..................................249
  8.2.1. Теплоснабжение....................................250
  8.2.2. Газоснабжение.....................................251
  8.2.3. Сжатый воздух.....................................252
  8.2.4. Электроснабжение, электроосвещение, контрольноизмерительные приборы и автоматика.......................253
ГЛАВА 9. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОХРАНЕ ТРУДА И ЗАЩИТЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ...........................................260
9.1. Вредные воздействия в литейных цехах и индивидуальные средства защиты............................................260
9.2. Требования технических регламентов при проектировании.261
Приложение 1...............................................273
Приложение 2...............................................274
Приложение 3...............................................277
ЛИТЕРАТУРА.................................................279

5

ВВЕДЕНИЕ


     Литейное производство является основной заготовительной базой и важнейшей технологической отраслью машиностроения и металлообработки. Литые детали составляют примерно половину веса машин и механизмов. Такая большая их доля объясняется теми особыми преимуществами литейной технологии, которые обеспечивают получение деталей из сплавов с заданными свойствами практически неограниченной сложности, любых размеров и вида, часто недостижимыми для других технологических процессов. Нередко методы литья являются единственными для изготовления заготовки (детали).
     В последние годы наблюдается общая тенденция увеличения доли отливок из цветных сплавов (~ 6,1 %) за счет чугунных (~ 73,5 %) и стальных (~ 20,4 %) отливок, а также замены стальных отливок отливками из высокопрочного и других чугунов. При этом прослеживается стремление ряда предприятий к использованию специальных способов литья при производстве отливок из цветных металлов. Выпуск необходимого количества точных и конкурентоспособных отливок из различных металлов и сплавов для машиностроения и других отраслей промышленности России потребует строительства новых литейных цехов и переоборудования старых для использования новых технологий и оборудования. Для решения этих задач потребуется выполнение широкого комплекса проектных работ с привлечением высококлассных специалистов-проектировщиков и подготовка специалистов-литейщиков.
     Основной задачей проектирования является создание литейных цехов, которые к моменту ввода в эксплуатацию должны быть на уровне мировых технических достижений. Для их выполнения проектировщик должен знать передовой отечественный и зарубежный опыт, ожидаемые достижения науки, перспективы развития техники, т. е. комплекс сведений научно-технического прогноза. Особо отметим, что литейное производство - один из наиболее сложных в организационно-техническом отношении машиностроительных переделов. Поэтому проектирование цехов, имеющее множество исходных данных и вариантов решения, является очень трудоёмким и сложным творческим процессом.
     При проектировании должны быть соблюдены ряд положений, которые позволят решить следующие основные проблемы, стоящие перед литейным производством:
     -     существенно улучшить качество отливок путем повышения весовой (массовой) и размерной точности, улучшения чистоты поверхности, снижения массы отливки за счет уменьшения толщины стенок и изготовления их из высокопрочных сплавов;

6

     -     снизить себестоимость отливок путем рациональной механизации и автоматизации оптимально выбранных технологических процессов, а также разумной специализации, концентрации и кооперации;
     -     создать безотходное и экологичное производство отливок.
     Дисциплина «Основы проектирования литейных цехов (ОПЛЦ)» является завершающей в цикле подготовки студентов-литейщиков бакалавриата и предполагает усвоение других общетехнических и специальных дисциплин.
     Эта дисциплина рассматривает:
     1) принципы построения современных производств отливок;
     2)     методы и критерии выбора оптимальных технологических процессов и оборудования (из множества возможных) для производства отливок конкретной производственной программы (в т. ч. хранения и подготовки литейных и формовочных материалов, изготовления форм, стержней и отливок, приготовления и разливки расплавов и т. п.);
     3)     расчеты необходимого количества технологического и транспортного оборудования, материалов, энергоносителей и работников;
     4)     обоснование рациональных компоновочных, организационнопланировочных и строительных решений литейного цеха для экономичного производства необходимого количества отливок требуемого качества.
     В результате изучения дисциплины ОПЛЦ студенты должны:
     -     знать основные методики и методы проектирования производственных систем изготовления отливок, включая элементы САПР;
     -     уметь составить производственную программу цеха и его отделений (участков), рассчитать необходимое количество технологического и транспортного оборудования, материалов, энергоносителей и работников, обосновать рациональные компоновочные, организационно-планировочные и строительные решения литейного цеха для экономичного производства необходимого количества отливок требуемого качества;
     -     дать технико-экономическое обоснование выбранных решений.
     Это переработанное пособие является сокращенным вариантом более полного учебного пособия, имеющего гриф УМО вузов по политехническому инженерному образованию (Левшин, Г. Е. Проектирование литейных цехов: в 2-х ч. / Г. Е. Левшин, Б. А. Фоченков. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. - 484 с.).
     Сокращение достигнуто в основном путем исключения части информации о технологиях и оборудовании по всем переделам литейного производства c применением разовых объемных форм и специальных способов литья, которая довольно быстро устаревает.

7

ГЛАВА 1


    ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЕКТНЫХ РАБОТ. ОБЩИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ

    1.1. Общие понятия об инвестиционно-строительной деятельности

    С 2001 года в строительной отрасли России происходит формирование рыночных отношений между участниками (субъектами) инвестиционной деятельности. На первый план в этих отношениях выдвигается стоимость. Формирование стоимости происходит не спонтанно, а последовательно: начинается при возникновении идеи строительства объекта, продолжается при ее реализации и заканчивается только после ликвидации объекта, причем этот процесс имеет длительный период. Это накладывает свой отпечаток на взаимоотношения всех участников проекта.
    Весь цикл инвестиционного проекта включает в себя комплекс экономических, организационно-управленческих, технических и технологических задач, выраженных в первоначальной предпроектной проработке идеи, предварительной оценке ее эффективности, проектировании, строительном производстве и эксплуатации объекта. При этом в строительную продукцию вкладываются очень большие капитальные вложения, отдача от которых будет получена не сразу. Поэтому в современных условиях организация инвестиционно-строительной деятельности в различных фазах приобретает первостепенное значение. Это также связано с новым подходом в государственной политике в области строительной деятельности и переходом на новую сметнонормативную базу.
    Термин «инвестиции» - более широкое и емкое понятие, чем понятие «капитальные вложения». Это денежные средства, ценные бумаги, иное имущество, в том числе имущественные права, иные права, имеющие денежную оценку, вкладываемые в объекты предпринимательской и (или) иной деятельности в целях получения прибыли и (или) достижения иного полезного эффекта.
    Капитальные вложения - это инвестиции в основной капитал (основные средства), в том числе затраты на новое строительство, расширение, реконструкцию и техническое перевооружение действу

8

ющих предприятий, приобретение машин, оборудования, инструмента, инвентаря, проектно-изыскательские работы и другие затраты.
     Инвестиционный проект - обоснование экономической целесообразности, объема и сроков осуществления капитальных вложений, в том числе необходимая проектно-сметная документация, разработанная в соответствии с законодательством РФ и утвержденными в законном порядке регламентами (стандартами, нормами, правилами), а также описание практических действий по осуществлению инвестиций (бизнес-план).
     Инвесторами, осуществляющими вложение собственных, заемных, привлеченных средств на создание и воспроизводство основных фондов в форме капитальных вложений, могут быть:
     -      органы, уполномоченные управлять государственным и муниципальным имуществом или имущественными правами;
     -      организации и предприятия, предпринимательские объединения, общественные организации и другие юридические лица всех форм собственности;
     -     международные организации, иностранные юридические лица;
     -     физические лица (граждане РФ и иностранные граждане).
     Заказчиками (застройщиками) могут быть инвесторы, а также физические и юридические лица, уполномоченные инвесторами осуществлять реализацию инвестиционных проектов по строительству.
     Участниками (субъектами) инвестиционно-строительной деятельности выступают: инвестор, заказчик и застройщик, подрядчик и проектировщик, банковские, страховые и посреднические организации, поставщики стройматериалов и оборудования, а также пользователи объектов инвестиционной деятельности. Все они должны соблюдать установленные законом нормы и регламенты, требования государственных органов и должностных лиц, предъявляемые в пределах их компетенции.
     Основным правовым документом, регулирующим производственно-хозяйственные и другие взаимоотношения субъектов инвестиционной деятельности, является договор (контракт) между ними.
     Участники инвестиционного процесса, выполняющие оговоренные договором виды работ и услуг, должны иметь лицензию или сертификат на право осуществления данного вида деятельности.
     Строительство объекта осуществляется в непрерывном инвестиционном процессе с момента возникновения идеи (замысла) до сдачи объекта в эксплуатацию и дальнейшая его эксплуатация.
     Весь цикл инвестиционного проекта включает в себя комплекс экономических, организационно-управленческих, технических и тех-

9

дологических задач, выраженных в первоначальной идее, архитектурном и строительном проекте, строительном производстве и эксплуатации объекта.
     Цикл инвестиционного проекта можно охарактеризовать тремя фазами: предынвестиционной; инвестиционной; эксплуатационной. Четкой границы между ними нет. Каждая фаза может начинаться в предыдущей и заканчиваться в последующей, могут выполняться параллельные виды деятельности в разных фазах.

    1.2. Предынвестиционная фаза

     Предынвестиционная фаза содержит несколько важных стадий:
     1)      формирование инвестиционного замысла (целей инвестирования);
     2)      определение, исследование и анализ инвестиционных возможностей;
     3)      анализ альтернативных вариантов проекта по экономическим, архитектурным, строительным и функциональным характеристикам;
     4)     формирование (предварительный выбор) проекта;
     5)     технико-экономическое обоснование (ТЭО);
     6)      оценочное заключение (заключение по проекту и решение об инвестировании).
     Инвестиционный замысел разрабатывается, как правило, заказчиком с привлечением при необходимости на договорной основе проектных, проектно-строительных, консалтинговых и других юридических и физических лиц, имеющих лицензию на соответствующий вид деятельности.
     В случае привлечения к разработке инвестиционного замысла проектных и других организаций заказчик обязан выдать им задание на его разработку, включающее в себя следующие пункты:
     1)      объем намечаемых к инвестированию средств, их источники и предпочтительные направления их вложений;
     2)     намечаемые источники и условия финансирования;
     3)     предполагаемая номенклатура продукции (оказания услуг);
     4)      предпочтительные варианты размещения предприятия, здания, сооружения;
     5)      граничные технико-экономические характеристики и показатели предполагаемого объекта;
     6)     особые условия инвестирования;


10

     7)      основные данные о приоритетах инвестора, опыте инвестирования, данные о ноу-хау, авторских правах и других преимуществах и привилегиях.
     На стадии ТЭО исследование проводится по следующим основным направлениям: стратегия и рамки проекта; механизм действий и схемы последовательности операций при осуществлении проекта; маркетинговые исследования и их анализ; сырье, основные и вспомогательные материалы; месторасположение, участок и окружающая среда; экологическая ситуация на участке планируемого строительства и потенциальное воздействие на эту ситуацию предлагаемого проекта; проектирование и технология; организационная структура и накладные расходы; график осуществления проекта и затраты на него; трудовые ресурсы, в том числе управленческие кадры, затраты на оплату рабочей силы, потребности в профессиональном обучении и затраты на него.
     Как на федеральном, так и на региональном уровнях (субъекты РФ и местные образования) разрабатывается и реализуется социальноэкономическая политика, включающая в себя экономические, социальные, природоохранные и экологические цели и пути их достижения. Составной частью этой политики является и инвестиционностроительная политика. Основным документом для включения в региональную программу развития региона является «Схема территориального планирования на трех уровнях: схема территориального планирования РФ, субъектов РФ, муниципальных образований» (ст. 9 Градостроительного кодекса РФ). Разработка схем осуществляется с учетом данных и положений, содержащихся в федеральных, региональных и отраслевых программах структурной перестройки экономических отношений, научно-технических и других государственных программах, схемах развития и размещения производительных сил, промышленных узлов, градостроительной документации и иных материалов.
     Заказчик, исходя из целей инвестирования и исследования ситуации на рынке продукции и услуг с учетом решений и рекомендаций, принятых в прогнозах и схемах территориального планирования развития и размещения производительных сил на территориальном уровне, составляет ходатайство (декларацию) о намерениях. По результатам положительного рассмотрения органом исполнительной власти ходатайства заказчик принимает решение о разработке финансово-экономического обоснования инвестиций.
     Схема этапов формирования и реализации инвестиционного проекта на территориальном уровне приведена на рис. 1.1.

11

    1.3. Инвестиционная фаза


     К ней относят проектные и инженерно-изыскательские работы для строительства и само строительство. Но предварительные данные предпроектных проработок и особенно инженерных изысканий используются в предынвестиционной фазе. Это необходимо для подготовки проектной документации и обоснования инвестиций в строительство.
     В соответствии со ст. 52 Градостроительного кодекса РФ строительство, реконструкция, капитальный ремонт зданий, строений и сооружений, их частей осуществляются на основе проектно-сметной документации (ПСД). Она входит в состав инвестиционного проекта и необходима для подготовки предложений для подрядных торгов, решения комплекса вопросов по планированию финансирования и материально-технического обеспечения строительства, а также для разработки проектов организации строительства (ПОС), проектов производства работ (ППР) и составления смет. Рассмотрим только проектные работы.

Рис. 1.1. Схема этапов формирования и реализации инвестиционного проекта на территориальном уровне

12

1.3.1. Принципы организации проектных работ


     Проектирование нового или переоборудование действующего цеха (завода) является первым этапом капитального строительства и осуществляется под кураторством (после выделения необходимых инвестиционных ресурсов) соответствующих управлений при министерствах или других государственных структур регионального или федерального уровня, которые подотчетны Министерству строительства и жилищно-коммунального хозяйства РФ. В этих структурах находятся различные государственные проектные и научноисследовательские организации.
     Генеральное проектирование осуществляют отраслевые государственные институты проектирования, сокращенное название которых начинается с аббревиатуры ГИПРО, а различные специализированные государственные проектные институты (ГПИ) выполняют по заданиям ГИПРО отдельные части комплексного проекта (например, строительную, санитарно-техническую, транспортную и др.) или отдельные виды специальных сооружений и оборудования. ГИПРО привлекает также территориальные проектные организации, которые разрабатывают схемы генеральных планов заводов, обеспечивают единство строительных решений, согласовывают задание на проектирование и т. п.
     Имеются также комплексные проектные и научно-исследовательские организации - ГИПРОНИИ (в авиастроении - это ГИПРОНИИавиа-пром, в автомобилестроении - ГИПРОНИИавтопром и т. д.).
     Генеральный проектировщик (ГИПРО) несет ответственность за комплексную разработку проектов и смет, обеспечивающих высокий технический уровень и экономическую эффективность цехов и заводов. Он обычно разрабатывает технологическую часть основного производства или проект основных объектов строительства. Так, например, ГИПРОНИИавтопром выполняет инженерно-геологические и геодезические изыскания, проектирует внешние сети и сооружения водопровода, канализации, очистных сооружений, газификации и др. Проектирует здания цехов, разрабатывает практически все основные виды специальных сооружений, проектно-сметную документацию. В проектной части института имеются технологические отделы по всем видам передела: литейный, механо-сборочный и др. В научной части институтов разрабатываются современные эффективные технологические процессы, реализуемые в проекте.
     Для организации и руководства предпроектными и проектными работами в ГИПРО назначается главный инженер проекта (ГИП), от


13