粉末冶金材料工艺与设备课程设计指导书

粉末冶金材料工艺与设备

指导教师：所在部门：学年学期：专业班级：

课程设计指导书

鲍瑞 职称： 讲师 材料科学与工程学院

2013 — 2014 学年 第 二 学期 无机非材料学系粉末冶金

一、本课程设计的目的与任务

该课程设计属于粉末冶金原理及工艺课程，通过典型粉末冶金产品的工艺模拟设计，训练学生综合运用前期所学专业知识的能力，并让学生掌握粉末冶金工艺设计的一般方法，养成从整体上把握、思考工程问题的习惯。为学生实际工程能力的形成打下坚实基础。

二、课程设计的基本要求

掌握粉末冶金典型工艺设计基本方法，以及工艺配套的附属设施设计选型基本原则，并了解车间、工厂设计的一般原则。

三、课程设计选题原则

根据课程内容，结合生产选择粉末冶金工程的典型工艺，进行工艺的模拟设计。

四、所需具备的基础知识

工程制图、粉末冶金原理、机械设计

五、设计所需工具和准备工作

制图板、绘图工具等，或安装有制图软件的计算机。查阅工厂设计的手册和相关资料。

六、粉末冶金工艺课程设计一般方法

（一）概论

设计是任何一项工程在动工前必先完成的一项技术性很强、而又非常仔细的技术工作。 工厂设计的内容一般包括厂址选择、厂区总图及运输，工艺流程的选择，产品方案的设计，物料平衡计算，设备的选型与数量的计算，生产检查与质量控制，理化检测，房屋建筑，工厂动力，采暖通风，劳动组织及定员，工厂经济概算与成本的预算，技术安保与环境保护，及有关生活设施。对所作设计的要求是投资少、建厂快，布局合理，经济技术指标先进，经济效益好。

设计任务的来源一般由上级主管部门或地方或工矿企业予以委托，以设计任务书的形式下达给设计单位。设计单位接收任务后，指定工程设计的总负责人，会同各有关专业科室的工程负责人组成设计组，开展设计工作。

工厂设计一般分为三个阶段进行，即初步设计，技术设计和施工图纸。

初步设计是按照工厂设计的有关内容和章节，进行初步的设计和计算，概算其建厂投资是否合理，并对设计中有关的一些基本技术问题作出决策。在初步设计作完之后，必要时，可召开有关专家参加的设计审定会予以审定。

技术设计是在批准了初步设计的基础上进行的。其内容和章节与初步设计基本相同。但对初步设计中所提出的问题应当予以修改。各章节比初步设计编制得更详尽、更完善、更准确。要求能作为施工图纸的基础。

施工图纸的编制是在初步设计和技术设计的基础上进行的，是前面设计的具体化，其深度以满足施工要求为原则。其内容包括房屋建筑图，设备安装图，各种设施，如电气、供排水、采暖通风收尘等系统安装图，非标准设备的制作加工图。设计者应注意，如有标准设计的，应尽量采用标准设计，而不需另行设计。

粉末冶金的工艺设计人员，除了参加粉末冶金工厂的正规设计外，往往还需作一些粉末

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冶金的车间设计，与主机所需的粉末冶金零件配套生产，如纺织机械厂常设立铁、铜基粉末冶金零件生产车间，刃具量具厂常设立硬质合金生产车间等。

粉末冶金的车间设计与工厂设计基本相类似，但又有差别。说它们很相似，是指工厂设计的基本的、主要的内容，车间设计都需要，如工艺流程的选择，产品方案的设计，设备的选型与计算，物料衡算，水、电、汽、气等设施都需要进行设计。说它们有差别，是指车间仅是一个企业的组成部分，设计内容只管车间内部的生产工艺及所需设施，而不牵涉到外部条件和生活福利设施。

（二）产品方案制定

产品方案的设计包括产品产量、品种、质量、牌号及规格的设计。是粉末冶金工厂设计的重要内容。产品的总产量由设计任务书规定，产品质量按国家标准规定(或企业标准、或用户要求)。具体的产品品种、牌号、规格及数量由工艺设计人员确定。其确定的原则是：

1．国内外的现状，生产水平及发展趋势。 2．要适合国情，根据市场的需求。

3．根据工厂条件，尽量采用新技术，提高质量、增加品种，满足用户的需要。 产品方案设计的好坏，直接关系到将来产品的综合利用，产品销售和工厂的经济效益。

（三）工艺流程的选择 （1）工艺流程及其表示方法

所有产品的生产，均需要经过若干个加工工序才能完成。为了清晰和表达的方便，往往将产品加工的各个工序及相应工序的半成品，按加工顺序进行排列，然后，用箭头将它们联系起来，而绘制成图。这种按各工序组成的顺序图，称之为生产工艺流程图。有时将进料中的原料和辅助材料以及出料中的半成品和反应物与返回料的处理方法都一一在图上标明。在图中，流程的开头是待加工的物料或半成品，最末尾是成品。为了使流程图中的加工工序与中间产品能区别开来，可以采用不同的图示符号来表示。其具体表示方法如图一所示。除了“图一”的表示方法之外，还有将工艺流程中各工序所使用的主要设备示意图画出，以形象地表示该工序加工的名称和内容，这种以设备组成的流程图叫设备工艺流程图。 （2）工艺流程的选择原则

选择工艺流程应采用多种方案，全面地进行技术经济的比较是很有必要的，在比较时应考虑下列原则及要求： 1．原材料的特点和性质 2．辅助材料的来源、特点和性质 3．各项重要的技术经济指标的比较 4．原始资料及数据的可靠性 5．设备的选型、机械化、自动化

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6．新老工艺的比较

总之，对新工艺流程的要求是，应力争生产效率高、投资少、建厂快、成本低、质量高、技术指标先进、设备容易解决，经济效益好，设计产量能保证。简言之，就是要达到技术上先进、经济上合理、投产后可靠。

（3）工艺流程的说明

在工艺流程选定和论证之后，除用图示法表示外，还要对流程的各个工序依次作详细的说明，即从流程的第一个工序开始，到流程最终的成品结束。所需要说明的内容大致如下： 1．设置该工序的目的和用途。

2．对原辅材料的性质、成分、规格及其他要求。 3．简单叙述工序的过程实质及物理化学原理。

4．简单叙述生产的工艺条件，如温度、压力、保温时间、气体和冷却水的流量，电流密度、电流、电压、功率的大小，溶液浓度、装料量、混合物的成分等。 5．简单地叙述加工设备及对设备的要求。 6．指出过程及质量控制的因素。 7．指出过程中存在的危害性及危险性。

在工艺流程叙述之后，常需要拟出生产工艺规程和各工序设备操作规程。

不同的产品，其工艺规程也不一样。目前尚无统一的标准格式。但大致的内容包括： 1．产品图及技术要求。 2．产品生产的详细工艺流程图。

3．所用原辅材料的牌号、化学成分、配方及技术要求。 4．各工序使用的主辅设备型号、数量，量程范围、精度等级等。 5．各工序的工艺控制参数，质量控制指标和控制措施。 6．成品性能检查的内容及对包装的要求。

所谓操作规程，一般指设备的操作顺序。所制定的操作规程一般包括如下内容： 1．设备开动前应检查的内容和注意事项。 2．设备启动时的动作顺序。

3．设备运行的安全及额定操作指标，如电流、电压、温度、压力、转速、功率、加料量、装料量等。

4．设备运行的工艺参数，以满足产品质量的要求。 5．设备的正确维护，以保证设备的安全和使用寿命。

所写操作规程一般以条文形式列出，避免冗长繁杂，力求简明扼要，易学易记。

（四）物料平衡计算

（1）物料平衡计算所需的原始资料

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1．详细的工艺流程图

流程图是物料平衡计算的基本依据。由流程图可以看出，整个生产过程中物料运行的路线，生产工序的数量及其相互关系。 2．日产量

又叫昼夜处理量。该数据的来源，是由设计任务书所规定的该厂的年产量，再除以全年的工作日数即得日产量。这是因为全年任务的完成，必须是每昼夜按计划完成的任务积累所得。

日产量=年产量/全年工作日数 单位：公斤/日，或吨/日

全年工作日数可分为两种情况来考虑。

在连续生产的情况下，全年工作日数等于365天减去设备的检修日数。设备的修理一般分为大修、中修、小修与检查。不同的设备其检修的量也不一样。因此，修理日数应根据设备的寿命和生产的实际情况而定，一般的修理日数定为两个月左右，即年工作日数定为280天到330天。粉末冶金工厂大多取300天或330天。

在间断生产时，则年工作日数等于365天减去全年的星期天（52天）、国家法定假日及其他停工事件，约为300天左右。

不论采用何种工作制度，都应合理地组织生产，充分发挥人的积极因素，例如，采用假日检修，临时抢修等措施，尽量减少检修停工的时间，增加全年工作日数，从而，提高设备的利用率，减少固定资产的投资。 3．各工序的产出率和损失率

这些数据一般应根据同类企业生产实践中的实际数据，有关文献资料的报道及科学实验的结果，综合考虑确定。在经过努力可以达到的情况下，所定指标应尽量先进。因为，这些指标，是衡量一个设计是否经济合理先进的重要指标之一，但也要根据实际情况，不能盲目追求高指标。

工序产出率为某一工序的产量与进入该工序的原料量之比，即

工序产出率工序产量100%

工序进料量工序的损失率分为两种，因为在生产实践中，各道工序的加工总会有这样或那样的损失，而这些损失，有的是可以在本工序返回处理的，如压制废品，其损失量，即可返回料量与该工序进料量之比称为可返回损失率，其计算公式是：

可返回损失率工序可返回料量100%

该工序进料量有的损失则是在本工序或本车间不能处理的物料，如烧结废品。或者是本工序不可避免的损失，如还原粉末时的化学损失，操作过程中的机械损失等统称为不可返回损失，其损失量与该工序进料量之比，称为不可返回损失率，即：

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不可返回损失率不可返回损失量100%

该工序进料量由上可知，工序的产出率总大于零而小于1。工序的总损失率等于可返回损失率与不可返回损失率之和。在同一工序中，工序损失率与该工序产出率之和恒为100% 。

将以上数据按各道工序经过换算或者计算之后，再进行整理，以表格的形式列出，以利查找，例如表1所示。

表1 YG合金的产出率、损失率（以YG8为例）

序号 1 2 3 4 5 6 7

（2）物料平衡计算的方法、步骤及注意事项

首先介绍“自下而上”的计算步骤与方法：

1．按实际情况确定年工作日数，根据任务书中规定的年产量计算出日产量（公斤或吨），该日产量即为工艺流程中最后一道工序的产出量。

2．由本工序的产出量和产出率计算出本工序的进料量（公斤或吨）。

工序名称 W粉的制备 WC的制备 混合料的制备 压制、半检 烧结、加工 总产出率% 总损失率% 1.9 1.9 1.3 1.3 1.5 7.9 工序损失率% 可返回损失率 不可返回损失率 0.4 0.4 0.5 0.2 0.1 1.6 2.3 2.3 1.8 1.5 1.6 9.5 97.7 97.7 98.2 98.5 98.4 90.5 工序总损失率% 工序产出率% 本工序进料量本工序产出量 （公斤或吨）

本工序产出率3．由本工序已知的可返回损失率与不可返回损失率，计算出本工序可返回损失量、不可返回损失量。即：

可返回损失率=本工序进料量×本工序可返回损失率 （公斤） 不可返回损失量=本工序进料量×本工序不可返回损失率 （公斤）

4．由本工序的进料量和可返回料量计算出本工序的实际进料量，即

本工序实际进料量=本工序进料量－本工序可返回料量 （公斤）

5．如果本工序实际进料为多组成分，则应按每一组分的百分量分别计算出它们的进料量，如例1 所示。

例1：YT合金生产流程中的复杂碳化物生产工序 假设已知条件为：

工序产出量：48.69公斤复杂碳化物

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工序总损失率：1.3% 其中，可返回损失率1.0% 不可返回损失率0.3% 工序产出率：98.7% 由此可计算：

本工序的进料量48.6910049.33kg

98.7可返回料量=49.33×1%=0.49kg 不可返回料量=49.33×0.3%=0.15kg

本工序实际进料量=49.33-0.49=48.84kg（复杂碳化物）

以上计算所得48.84kg为本工序的实际进料量，其中，0.15kg在生产中被损失掉，故实际产出量为48.69kg 。

但是，本工序的实际进料不是复杂碳化物，而是由碳化钨、二氧化钛、炭黑按一定比例混合后经本工序加工后所得。因此，以上三种物料要加入的量应分别加以计算，其计算过程如下：

所需TiO2量的计算： 设复杂碳化物钛含量为23% Ti在TiO2中的含量为60% 48.84kg复杂碳化物中含Ti量为： 48.84×23%=11.23kg

11.23kgTi换算成TiO2量为： 11.23×100/60=18.72kg

所需炭黑量的计算，根据化学反应式，

TiO2 + 3C = TiC + 2CO 80 36 60 56 18.72 xc 80:36=18.72: xc

3618.728.42kg 炭黑量

8018.726014.04kg 同理，TiC8018.7256CO13.10kg（化学损失）

80故，xc所需碳化钨量的计算： WC=48.84－14.04=34.80kg

将所计算的数据分别按进料和出料列入表2中。

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表2 复杂碳化物生产工序物料平衡表

序号 1 2 3 4 5

6．当原料中金属含量不是100%时（如WO3，TiO2等），一般应按原料成分直接进行计算。但为了简化计算过程，也可先把原料看成全部是纯金属量进行计算，然后，将其计算结果根据金属在原料中的含量换算成实际原料的进料量。

7．在工程设计中，为了简化计算过程，常把一些较小的工序合并到一起，作一个大工序来进行计算。

（3）物料平衡表的编制

每一道工序的物料平衡按照上述步骤全部计算完毕后（如例1），为了清楚和验证所计算的数据，应分别列出各工序的物料平衡表（如表2所示）。在表中，进料量总和与出料量总和应该相等。否则，说明计算有误，应查找原因，加以改正，使之平衡。

整个生产流程计算完毕后，应将各工序平衡表汇编成物料平衡总表。使整个生产过程的物料转移、损耗及使用情况一目了然，其物料平衡表的编制，如表3所示。表3所列数据为年产70吨YG8合金，年工作日数定340天，则日产量=(70×1000)/340=205.88/日 公斤的计算数据。

（五）设备计算和选型

根据工艺流程进行物料平衡计算，定量给出每道工序的昼夜处理量之后，接着就应该进行设备的选型和为了完成每道工序的生产任务所必需的设备数量的计算。 （1）设备选择的原则

一般说来，设备的选型应考虑下列原则：

1．所选设备，首先要能保证产品的质量和满足生产对设备的需求。 2．先国内，后国外。 3．先标准，后非标准。

4．所选设备应符合现代技术水平。

5．所选设备，无论是标准的，还是非标准的，或是自行设计的。在满足生产工艺要求和产品质量的前提下，都要力争结构简单，便于制造、修理、安装和操作，使生产过程的物料损失少，环境保护好，生产效率高，价廉、易于使用、寿命长。

综上所述，设备选择的好坏，对生产有着直接的影响，应予以高度重视。使所选设备既要先进合理，又要经济适用，安全可靠。

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进料 物料名称 碳化物粉 炭黑 二氧化钛 可返回料 合计 物料量(kg) 34.80 8.42 18.72 0.49 62.43 序号 1 2 3 4 5 出料 物料名称 复杂碳化物 化学损失 可返回料 不可返回料 合计 物料量(kg) 48.69 13.10 0.49 0.15 62.43

（2）设备数量的计算

工序设备需要量可按下式进行计算：

NG PtN为工序所需设备台数；G为工序日产量(公斤或吨)；P为单台设备每小时生产能力(公斤或吨/小时)；t为单台设备一昼夜开动的时数（小时）。

确定设备一昼夜开动的时数时，要根据设备的特点和具体情况而定，不同的设备，并不一定完全相同。确定设备开动时数时，一定要综合考虑，开动时数定少了，设备利用率低，造成浪费，开动时数定多了，而实际达不到时，会造成生产任务完不成。

设备的小时生产能力，指设备在1小时内处理物料的数量，其设备的生产能力，有的在设备说明书中虽有注明，但由于处理物的性质不同，工艺制度的差异，而使设备的小时生产能力差别很大。而且，由于不同的工序所使用的设备不同，对设备的小时生产能力的考虑因素、计算方法也略有差异，现举例说明之。

例1：计算采用11管还原炉，将昼夜处理量为2吨的WO3还原成褐色的WO2的设备台数。 假定已知条件为：单台还原炉炉管的根数为11，每根高温区长为0.9m，保温时间为1小时。采用舟皿装料，昼皿尺寸为30×30×300mm，舟皿的装填系数为0.9，WO3的松装密度为2g/cm3，采用间断定时或连续推舟的方式，求所需设备台数。 解：

1）先求出一个舟皿的装粉量W克

W=0.9×V×ρ松

W为一个舟皿的装粉量(g)；0.9为舟皿的装填系数；V为舟皿的容积；ρ松 为粉末的松装密度(2g/cm3)。

故，W=0.9×3×3×30×2=486克

2) 舟皿在炉管内的推舟速度等于炉子高温区的长度除以保温时间，即

推舟速度=90cm/60min=1.5cm/min

3) 推出一个舟皿的间隔时间为舟皿的长度除以推舟速度，即30/1.5=20min 4) 1小时一根炉管推出的舟皿数=60/20=3个舟皿 5) 一台设备1小时推出的舟皿数=3×11=33个舟皿

6) 一台设备1小时的物料处理量等于舟皿数乘以一个舟皿的装料量，即

33×0.486kg/舟=16.04kg

7) 一台设备一昼夜的物料处理量等于设备的小时生产能力乘以设备昼夜开动时数，即

16.04×24=385kg

8) 所需炉子的数量等于日处理量除以单台炉子的昼夜生产能力。即，

2000/385=5.19台

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为了保证完成生产任务，考虑设备维修。适当留有余地等原因。故选取整数6台。 9）设备的利用系数=计算台数/选取台数，即

5.19/6=86.5%

10) 设备的储备率=100%-86.5%=13.5%

例2：某烧结车间烧结A、B两种含油衬套，其产品尺寸分别为A产品外径80mm，内径50mm，高60mm。B产品外径45mm，内径20mm。其昼夜处理量各为5000件。假设单管烧结炉的高温区长为1米，产品烧结保温2小时，烧结舟皿尺寸为长×宽×高=250×250×150mm ，求需烧结炉的台数？

解：此题计算过程与例1完全相似，有关相同部分不再重述，现就两种不同装舟方式，将其计算结果作一比较。

计算方案一：两种产品单独装舟，分炉烧结。烧结A产品时，产品装2层，每层装9个共装18个。则，

烧结A产品所需烧结炉台数取6台。

设备利用率=5.78/6=96%

日处理量5000件5.78台设备的昼夜处理量2舟/时18件/舟24小时同理：烧结B产品时，每舟装2层、每层装25个，共装50个。则， 烧结B产品所需烧结炉台数=5000/(2×50×24)=2.08台（取3台） 设备的利用率=2.08/3=69%

故，烧结A、B两种产品，选取烧结炉共9台。如果两种产品的烧结炉可以互相使用，则烧结炉的台数为5.78+2.08=7.86台（取8台）。 则，设备的利用率=7.86/8=98%

计算方案二：采用A、B两种产品套装，共炉烧结。即B产品装入A产品中间，每舟装入A、B产品共36件。日处理量变为A、B产品之和共10000件，则： 烧结A、B产品所需烧结炉台数=10000/(2×36×24)=5.78台（取6台） 设备的利用率=5.78/6=96%

由本例可知，设计的合理与否，对建厂的投资，产品的成本和工厂的经济效益都有着重要的影响。

（3）绘制设备工艺流程图，编制设备表

在选定设备之后，接着应该按照工艺流程绘制设备工艺流程。即，按工艺流程中的每一个工序绘出其相应的设备示意图。依次用箭头把各工序联系起来。其目的是为了表明各工序相互衔接的情况，使用了哪些设备，设备的机械化程度如何。给人们一个直观而又完整的概

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念。

在绘制设备工艺流程图时，通常只绘制主要设备。设备绘制成象形的，大体按比例的正视图，即只给出基本投影，而用不着像机械制图那样严格和详细。流程图绘制完毕，在图上需要说明的地方标上序号，然后按序号一一附加说明。

设备表包括设备计算表和明细表，在设备数量确定后，首先应编制好设备计算表。即，把所所确定的内容和计算的数据以表格的形式列出来，其目的是将分散的内容集中起来，以利查找，也是进行以下各项设计的基础资料和依据。其表格的形式如表3所示。

接着还应编制设备明细表，此表也是设备购置的清单。计算表和明细表的差别在于，前者侧重于工艺和使用，后者侧重于设备的性能，当然二表也可以合起来，编成一个表。但为了不使表格过于繁杂，还是分开列出为宜。其表格的形式如表4所示。

表3 设备计算表

序号 平面图标号 设备名称 昼夜需处理物料量 物料名称 重容量量(kg) (m3) 操作周期 作业班次 设备填充系数(%) 单台设备处理能力(kg) 10 设备利用率(%) 计共算计 台数(台) 备用 选用设备规格 备注 1 1 2 3 . . .

2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 表4 设备明细表

序号 设备名称 技术性能及规格 3 单位 数量 重量(吨) 单重 总重 电动机 型号 数量 制造单总厂机容家容量量(瓦) 及图(瓦) 号 10 11 12 设备价值 备注 1 1 2 2 4 5 6 7 8 9 13 14 - 10 -

（六）车间平面布置

选定了设备，并对设备的数量进行计算之后，应应当进行设备的布置。设备布置的合理性及选择厂房的形式是否恰当，对今后合理的组织生产，减轻劳动强度，消除车间的混乱，保证产品质量，安全生产都起着重要的作用。

设备的布置应根据设备的用途和特性，分类安放在相应的厂房内。如生产设备、动力设备、模具加工设备、维修设备、分析检测设备等。在生产设备中，如生产量大、设备较多，可以分类或者分段设立车间予以安放。如设YT类、YG类合金车间。或者制粉车间、成形车间、烧结车间、后处理车间等。

对于工艺设计人员，主要是进行生产设备的布置，其他的配套设备(如电力、机械等设备) ，一般由相应的事业人员布置较为合适。

进行设备的平面布置，需要考虑的因素很多，既有它的严密性，又有它的灵活性。因此，在布置设备时，要充分发挥人的积极因素，要作多种方案的比较，以选择最优的方案。在进行设备布置时，一般应考虑以下的原则：

1．设备的布置应尽可能符合工艺流程的方向，以避免物料的往返和交叉的运输路线，造成车间的运输混乱。

2．凡需要保护气氛、蒸汽、压缩空气、冷却水的设备，尽可能集中布置，使水、气、汽的供应及管道的安装方便，线路缩短，减少投资。

3．根据设备的特点及要求，设备周围应留有适当的空地，一般设备之间的通道为1～2米，设备离墙壁的距离为0.5～1.5米、走廊为2～4米。

4．必须遵守劳动保护和技术安保的要求，对于那些粉尘大、容易着火和爆炸的工序和设备，一般应放在单独的厂房内，可采用局部通风，以降低它们的浓度，防止引火引爆。对于那些噪音较大的设备，可采取隔音的措施。

5．在高温和粉尘大的区域，尽可能考虑防暑降温和收尘措施，以保证产品质量和改善劳动条件。

6．厂房的设计应满足工艺的要求，门的大小应保证最大的设备能够进去，窗子的大小要满足采光和自然通风的需要。对厂房的要求，要考虑符合建筑上的标准、可能和美观。 7．在作设备的平面布置时，应根据所选设备的说明书所提供的设备的外形尺寸和安装基础图，将设备按比例布置到车间预定的安放位置，且应标注好前后左右的定位尺寸和安装基础及地脚尺寸，以利在铺地面时，留出设备的安装位置。避免在地面铺好后，又重新打挖孔洞，防止返工浪费。

8．在布置控制设备与测量仪表时(如控温柜等)要尽量做到便于控制、检修、调整，方便操作，整齐美观。

9．全厂的设备布置应分车间进行，而每一个车间的平面布置最终都要按照上述要求，绘制成完整的车间设备平面布置图。此图可以作为车间建筑的施工图。是车间建筑设计的依据，

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又是车间设备安装的施工图。此图十分重要！如果一个平面图不能表明意思，还应作些剖面图加以补充说明。

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