ОБЪЁМНО-ПЛАНИРОВОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ

Металлургическое производство характеризуется высокой удельной капиталоемкостью Затраты на строительные работы при сооружении новых цехов составляют 40—60 % общей стоимости, в последнее время и при импортном оборудовании они снижаются до 25—30 % В отличие от технологического оборудования это — омерт вленный капитал, непосредственно не участвующий в процессе изготовления продукции Сроки службы зданий и сооружений значительно превышают сроки эксплуатации технологического оборудования Поэтому при выборе объемнопланировочных и конструктивных решений по ща ниям и сооружениям проектируемых цехов необходимо решать задачу строительства по критерию минимальных капитальных затрат При техническом перевооружении предусматривается возможно максимальное использование построенных зданий и сооружений На объемнопланировочные и конструктивные решения влияют не только технология производства, но и производственная среда (ее физикохимические параметры, пространство, воздушная среда, звуковой и световой режимы) Характеристики технологического процесса определяют размеры и форму необходимого пространства для размещения технологического и подъемнотранспортного оборудования, перемещения сырья, полупродукта и готовой продукции, размеры необходимого рабочего пространства для выполнения трудящимися своих производственных функций и для их передвижения При правильном объемнопланировочном решении здания цеха его пространство должно быть использовано максимально, но без нарушения технических и санитарногигиенических норм

Все это определяет основные принципы компоновки оборудования и сооружений Под компоновкой понимают взаимное расположение основного и вспомогательного оборудования для изготовления продукции, а также служб и систем обеспечения производства Сооружения цеха могут быть скомпонованы поразному Однаки при разных компоновочных решениях для выпуска одного и того же количества продукции необходимо сооружение производственных здании разных общей и полезной площадей, ширины и высоты пролетов, этажности, количеств и способов установки грузоподъемных устройств, с разными наборами оборудования, применением разных схем механизации производственных процессов Это и влияет на техникоэкономические показатели и условия работы персонала

К компоновке цеха предъявляют следующие требования
— размещение всего комплекса оборудования и сооружений на минимальных производственных площадях при соблюдении норм и правил техники безопасности, охраны груда и промса нитарии,
— реализация производственной программы на минимальном количестве единиц технологического оборудования,
— обеспечение оптимальных грузопотоков, минимизирующих возвратные или перекрещивающиеся передачи (включая требования генплана и транспортные потоки по территории предприятия);
— создание надлежащих условий аэрации производственного здания, локализация вредностей в местах их образования и исключение выброса в окружающую среду использованных энергоносителей и материалов с содержанием вредностей сверх концентраций, допускаемых нормами;
— подвод энергии к местам основного потребления;
— обеспечение минимальных сроков строительства и возможность поэтапного ввода мощностей;
— соблюдение действующих строительных норм и гравил
; — использование унифицированных строительных конструкций и обеспечение индустриальных методов монтажа.

Функциональные, вероятностные и техноце нологические требования предопределяют необходимость участия в разработке компоновки цеха специалистов разного профиля (технологов, механиков, электриков, автоматчиков, энергетиков, сантехников, строителей, экономистов и др.), обеспечивая оптимальные объёмнопланировочные решения при соблюдении основных принципов компоновки оборудования и сооружений.

Последовательность установки и взаимосвязь работы технологического оборудования требуют обычно его размещения: а) в единой технологической линии, обеспечивающей превращение исходного материала в готовую продукцию без промежуточного складирования обрабатываемого изделия (поточная обработка); б) в локальных технологических линиях, связанных одна с другой промежуточными складами (полупоточная обработка: на каждой линии выполняется определённый вид обработки); в) в виде отдельно стоящих агрегатов, связанных промежуточными складами, со штучной или пакетной передачей полупродукта в процессе его изготовления (внепоточ ная обработка).

Поточную обработку обычно применяют в тех случаях, когда все виды или типоразмеры продукции, выпускаемой цехом, подвергают однотипным технологическим операциям на одном и том же оборудовании (например, при производстве разных видов проката и труб однотипного назначения). Принцип поточной обработки позволяет обеспечить максимально высокие производительность, уровни механизации и автоматизации производственного процесса при минимальном числе электромостовых кранов, участвующих в технологическом процессе.

Но применение поточной обработки связано с недостатками и ограничениями. Оно требует, чтобы пропускная способность всех участков цеха, а следовательно, и число единиц оборудования на этих участках обеспечивали максимальную производительность основного агрегата. При изготовлении же в цехе продукции специальных видов или типоразмеров, когда основной агрегат работает с минимальной или приближающейся к ней производительностью, остальные участки цеха используются не в полной мере. Недоиспользование этих участков тем выше, чем больше разность между максимальной и минимальной производительностью основного агрегата и чем больше колебание производительности на каждом участке, зависящее от вида и типоразмера продукции. Поточность устанавливает жёсткую зависимость между пропускной способностью и режимом работы всех участков технологической линии, что приводит иногда к необходимости снижения производительности или даже прекращению производства продукции на основном агрегате. Например, на прокатном или трубном стане можно выпускать без изменения часовой производительности в тоннаже или метраже продукцию разной длины. В то же время производство неодинаковых по длине изделий обуславливает необходимость как длительной остановки отделения отделки для возможности приёма изделий, так и снижения часовой производительности стана в тоннаже при уменьшении длины выпускаемых изделий (это связано с ограниченной пропускной способностью в штуках отделения отделки). Непредвиденный выход из строя отдельного оборудования может привести к прекращению работы всей технологической линии.

Недостатки поточного способа производства предопределяют недостаточно эффективное использование остальных видов оборудования при широком сортаменте выпускаемых изделий и необходимость жёсткой регламентации работы участков технологической линии, особенно в части оптимальной фабрикации заказов и организации профилактического обслуживания и ремонта.

Полупоточную обработку применяют в случаях, когда продукция определённых видов или типоразмеров подвергается разным технологическим операциям на разном оборудовании. Комплекс операций по изготовлению полупродукта, не допускающих разрыва технологического процесса, выполняют на единой технологической линии, а превращение полупродукта в готовую продукцию, соответствующую требованиям технических условий, — на локальных (специализированных) поточных линиях. Для нормального функционирования цеха создают промежуточные склады, обеспечивающие возможность хранения запаса полупродукта. Для передачи полупродукта на промежуточные склады и подачи его со склада к локальным поточным линиям используют электромостовые краны или другие внутрицеховые транспортные средства.

Внепоточную схему обработки применяют при широком сортаменте выпускаемой продукции, каждый вид которой требует обработки на специализированном оборудовании, а также при существенных колебаниях длительности циклов обработки изделий на каждом виде оборудования. Этот вид компоновки применяют в цехах и на участках отделки проката и труб специальных видов с относительно невысоким объёмом производства. Вне поточная обработка обеспечивает наиболее полную загрузку каждой единицы устанавливаемого оборудования. Однако эта схема в еще большей степени, чем схема полупоточной обработки, требует создания достаточных промежуточных складов и увеличения числа крановых операций.

Схему грузового потока материалов выбирают таким образом, чтобы в процессе обработки полупродукт двигался к месту завершения технологического процесса без возвращения назад или пересечения потока. Но, например, при цикличных процессах, к которым, в частности, относится производство проволоки или холоднодефор мированных труб, происходят кольцевые передачи полупродукта; по завершении требуемого числа циклов обработки черновое изделие в процессе окончательной отделки перемещается в направлении склада готовой продукции.

Схема грузового потока материалов в цехе включает весь процесс перемещения изделия при обработке, начиная от разгрузки заготовки на складе исходного металла и заканчивая отгрузкой готовой продукции со склада. Схема включает также направления перемещения вспомогательных материалов (смазки, инструмента, огнеупоров, краски и др.) к производственным участкам и отходов производства (окалины, обрези, стружки, брака и др.) к местам их удаления. Для организации рациональных потоков всех материалов применяют наземные, надземные и подземные транспортные устройства.

При выборе схемы рациональных грузопотоков необходимо обеспечить: кратчайший путь перемещения полупродукта между технологическими операциями, эффективное использование производственной площади и объёма здания, безопасность обслуживающего персонала, совмещение транспортных и технологических операций (обработку или контроль изделия в процессе его перемещения). Грузовые потоки материалов должны быть увязаны с возможностями перемещения производственного персонала и обеспечивать свободный доступ к местам управления технологическим процессом, а также возможность обслуживания и ремонта оборудования.

В цехах обычно используют три перемещения основного материала: продольное, когда сырьё (заготовка) в процессе его обработки движется вдоль здания цеха от склада заготовки к складу готовой продукции; поперечное — поперёк пролетов цеха; смешанное, когда сырьё (заготовка) в процессе обработки перемещается как вдоль, так и поперёк здания. В общем случае можно отметить, что использование поперечной схемы грузопотока создаёт предпосылки для более рационального использования производственных площадей, в том числе и зон здания, не обслуживаемых электромостовыми кранами, межоперацион ной бескрановой передачи металла из пролёта в пролёт в процессе его обработки, концентраций однотипного оборудования в одном производственном пролёте, улучшения условий расположения и обслуживания складов исходной заготовки и готовой продукции.

При работе по схемам с продольным направлением грузопотока представляется возможным выделить в отдельные пролёты участки производства продукции, которые нецелесообразно смешивать с другими участками производства; более рационально расположить специализированные участки цеха (например, участки термической и химической обработки), на которых производятся продукция разных видов; создать более короткие пути для перемещения основной части выпускаемой продукции со склада исходного металла до склада готовой продукции.

Размещение сооружений и коммуникаций подчиняется следующим принципам:
— максимально возможное освобождение периметра здания от пристроенных вспомогательных помещений и расположение их на участках здания, не обслуживаемых электромостовыми кранами: в специальных блоках, сооружаемых в отрыве от производственного здания; в специальных вспомогательных пролетах между производственными пролётами цеха;
— размещение участков производства, сопровождаемого значительными тепловыделениями, в пролётах, примыкающих к наружным стенам здания или к холодным пролётам, через которые можно обеспечить подачу холодного воздуха:
— расположение складов металла и участков сброса отходов производства в местах, удобных для их удаления за пределы цеха;
— расположение участков, производственный процесс на которых сопровождается выделением значительного количества вредностей или является пожаро или взрывоопасным, в изолированных помещениях, запроектированных в соответствии с действующими нормами. Улавливание выделяющихся вредностей, их обезвреживание и выброс за пределы цеха стремятся организовать вблизи мест их образования;
— размещение источников питания электроэнергией (электроподстанций, машинных залов, щитовых и др.) вблизи мест потребления, но с учётом внешних источников энергии. При этом для размещения указанных сооружений широко используют вспомогательные пролеты и участки здания, не обслуживаемые электромостовыми кранами. Более мелкие электротехнические и другие установки размещают между колоннами здания на уровне пола цеха или на рабочих площадках;
— прокладка внутрицеховых коммуникаций (для подачи электроэнергии, воды, смазки, воздуха, пара, эмульсии и т.п.) в специализированных каналах, блоках, лотках, тоннелях, доступных для обслуживания, или по конструкциям здания и специальным конструкциям. Прокладка коммуникаций не должна ухудшать условия доступа к оборудованию и препятствовать работе электромостовых кранов;
— организация прямых и безопасных проходов по цеху (цех соединяют с блоком бытовых помещений обычно надземными или подземными пешеходными галереями, обеспечивая выход потока людей в цех в безопасных местах).

Этажность строительства обусловлена стремлением рационально организовать технологический процесс, улучшить использование объёма производственного здания, приблизить источники питания энергией к местам потребления, внедрить индустриальные методы строительства и монтажа, избежать больших заглублений фундамента и подземных сооружений при осуществлении строительства в районах с высоким уровнем грунтовых вод. Всё это привело к сооружению цехов с двух и многоярусным расположением оборудования.

Блокировка цехов существенно влияет на величину капитальных затрат для сооружения цеха или группы цехов При блокировке улучшается степень использования заводской территории, сокращаются затраты на ее подготовку, на инженерные коммуникации, в некоторых случаях уменьшается объём внутризаводских перевозок.

Различают блокировку цехов механическую и органическую. При механической блокировке два или три цеха размещают в примыкающих одно к другому зданиях, причём каждый имеет собственные склады, транспортные связи и внутрицеховые сооружения. Такой вид блокировки позволяет улучшить использование заводской территории, но не влияет скольнибудь серьёзно на техникоэкономические показатели каждого из цехов. При такой блокировке ухудшаются перспективы развития каждого цеха, входящего в состав блока, затрудняется аэрация производственного здания.

При органической блокировке все цехи, входящие в состав блока, имеют общие склады заготовки, исходного сырья и полупродукта, транспортные связи, энергетические сооружения и коммуникации. В этих случаях цехи блокируют так, чтобы каждый цех имел определённые перспективы развития и необходимые условия аэрации производственного здания.

При разработке объёмнопланировочных решений необходимо учитывать, что рациональные объемнопланировочные решения характеризуются компактностью, предпочтительно прямоугольной конфигурацией, унификацией конструктивных элементов, максимальным использованием производственных площадей и блокировкой помещений. Изза значительных размеров цехов унификация их основных параметров (пролётов, шагов, высот, нагрузок) и рациональное применение на этой основе типовых элементов несущих и ограждающих конструкций экономически целесообразны. Унификация достигается, если здание цеха имеет однотипную сетку колонн, одинаковую высоту и одинаковые параллельно расположенные пролеты. Отступления допускаются при производственной целесообразности, связанной с установкой разнотипного оборудования или с необходимостью организации рациональных грузопотоков.

Значительные трудности в проектировании, строительстве и эксплуатации цехов связаны с так называемым нулевым циклом, т.е. сооружением подвалов разного назначения (для масляного хозяйства, насосных станций, помещений для электрооборудования и т.п.), тоннелей и каналов для укладки коммуникационных трубопроводов и для гидросмыва окалины, фундаментов технологического оборудования. Расход строительных материалов на эти цели достигает 5—10 mj/t устанавливаемого технологического оборудования. Это приводит к большим объёмам земляных работ при разработке и обратной засыпке котлованов, к необходимости сооружения сложных железобетонных конструкций и защиты от грунтовых вод (котлованов — на период строительства, подвалов — в процессе эксплуатации), к усложнению и удорожанию эксплуатации. Одно из решений, снижающих затраты, — вынесение технического этажа из земли с соответствующим подъёмом линии обработки (может быть вынесен весь технический этаж или часть его).

Объёмнопланировочные решения должны разрабатываться в тесной связи с решениями по созданию нормальных климатических условий работы в цехе. При этом необходимо иметь в виду, что вредности, содержащиеся в воздушной среде производственных помещений, отрицательно влияют не только на организм человека, но и на строительные конструкции, вызывая изменение структуры и свойств материалов, что может привести к снижению прочности конструкций и даже к их разрушению. С целью сокращения затрат на выполнение трудоёмкой и дорогостоящей защиты конструкций, улучшения среды в цехе выделяющие вредности технологические процессы размещают на специализированных, огражденных стенами участках Например, в прокатных и трубных цехах это отделения химической и электрохимической обработки, термообработки, нанесения покрытий и окраски

Эти отделения размещают в изолированных помещениях, соединяемых иногда передаточными тележками В этом случае ворота для внутрицехового транспорта оборудуют воздушными завесами, сблокированными с механизмами их открывания (завесы включаются при открывании ворот) Известны компоновки оборудования для химической и электрохимической обработки в одном помещении с остальным оборудованием цеха Это допускается при использовании для химической обработки агрегатов с последовательной сменой растворов, исключающих разлив кислот на пол цеха и значительно сокращающих число вредных выделений в помещение

Обычно травильные и электрополировальные отделения размещают так, чтобы обеспечить минимальную протяженность грузопотоков от других отделений, участвующих в процессе производства При этом, разумеется, стремятся свести к минимуму число перегрузочных операций Чтобы сократить протяженность кислотных и других коммуникаций, а также длину вентиляционных тоннелей, травильные и электрополировальные отделения стремятся размещать у наружных стен здания цеха Однако при разработке строительной части зданий во избежание конденсации влаги в зимнее время на внутренних поверхностях строительных конструкций необходимо учитывать микроклиматические условия в помещениях этих отделений (температура воздуха 19—20 °С, относительная влажность 60—70 %) Термические отделения располагают на участках цеха, отделенных от основного агрегата промежуточным складом Крупные термические отделения стремятся размещать в крайних пролетах зданий, что улучшает условия аэрации и удаления продуктов сгорания К основному оборудованию термических отделений прокатных и трубных цехов, помимо печей с механизмами загрузки и выгрузки, относится оборудование отделки, устанавливаемое в потоке с печами К вспомогательному оборудованию относятся системы утилизации тепла продуктов сгорания, дымососы и дымовые трубы, установки контроля и регулирования технологического процесса Рекуператоры устанавливают вблизи печей, ниже уровня пола цеха или на своде печи (в зависимости от размещения системы удаления продуктов сгорания) Для их удаления применяют дымососы и дымовые трубы Дымососы устанавливают в специальных помещениях недалеко от печей, между колоннами здания цеха Трубы размещают вне здания цеха Однако при расположении термических печей во внутренних пролетах здания цеха трубы размещают между пролетами по осям колонн во внекрановой зоне В этом случае дымовые трубы пропускают между подкрановыми балками через крышу Воздух подают в печи вентиляторами, которые, как и дымососы, устанавливают в изолированных помещениях Обычно помещения дымососов, вентиляторов и контрольноизмерительной аппаратуры устанавливают во внекрановой зоне Опыт проектирования показывает, что с использованием блокировки можно уменьшить площадь заводской территории на 20—30 %, сократить периметр наружных стен на 30—50 %, снизить стоимость строительных и монтажных работ на 15—20 % С целью исключения трудностей в объемнопланировочных и конструктивных решениях зданий цехов блокирование целесообразно в случаях, когда характеристики технологических процессов блокируемых цехов (например, по нагрузкам) относительно близки и когда условия строительства (территория, рельеф местности) не вызывают серьезных трудностей

В. А. Авдеев, В. М. Друян, Б. И. Кудрин, Основы проектирования металлургических заводов, М., 2002