Совершенствование тепловой работы печи термостабилизации при производстве углеродных волокон с целью сокращения энергозатрат Исаев Андрей Сергеевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ существующих методов производства углеродных волокон 9

1.1 Углеродные волокна. Свойства и область применения 9

1.2 Производство углеродных волокон из полиакрилонитрила

1.2.1 Получение ПАН волокон 14

1.2.2 Модификация ПАН волокон перед их термообработкой 18

1.2.3 Получение углеродных волокон из ПАН волокон

1.3 Способы и конструкции печей для проведения термической стабилизации ПАН волокон 29

1.4 Постановка задачи исследования 47

Глава 2. Математическая модель процесса термостабилизации ПАН жгутов в печи ВУЛОН 51

2.1 Концептуальная модель процесса и основные допущения математической модели 51

2.2 Математическая модель сопряженного теплообмена в канале печи ВУЛОН 53

2.2.1 Получение ПАН волокон 53

2.2.2 Математическая модель радиационно-конвективного теплообмена в печи ВУЛОН 55

2.2.3 Методы численного решения уравнений внутренней и внешней задач и алгоритм сопряжения 61

2.3 Выводы по второй главе 65

Глава 3. Теплофизические исследования процесса термостабилизации 66

3.1 Основные характеристики процесса термостабилизации 66

3.2 Экспериментальная установка и методика экспериментов 67

3.3 Исследование процесса термостабилизации

3.4 Выводы по третьей главе 83

Глава 4. Численное исследование процесса термостабилизации ПАН жгутов в печи ВУЛОН с применением ЭВМ 85

4.1 Рабочая панель и возможности программы 85

4.2 Проектные параметры нагрева ПАН жгутов в печи ВУЛОН 88

4.3 Разработка нового режима нагрева волокна с целью сокращения энергозатрат 95

4.4 Выводы по четвертой главе 102

Глава 5. Экспериментальная проверка применимости разработанной модели для сокращения энергозатрат на печах термостабилизации типа ВУЛОН 103

Заключение 113

Список литературы

• Получение ПАН волокон
• Математическая модель сопряженного теплообмена в канале печи ВУЛОН
• Экспериментальная установка и методика экспериментов
• Разработка нового режима нагрева волокна с целью сокращения энергозатрат

Введение к работе

Актуальность темы. Углеродные волокна (УВ) являются одним из основных видов армирующих элементов, применяемых при создании композиционных материалов. Для их производства используются различные полимерные волокна, чаще всего полиакрилонитрильные (ПАН) волокна. Себестоимость производства УВ весьма высока, причем основной статьей затрат являются затраты на энергопотребление. Существующая технология производства УВ состоит из трех последовательных стадий термообработки исходного волокна: термостабилизации, карбонизации и графитации. После стадии термостабилизации нити полимерного волокна приобретают структуру, необходимую для получения требуемого качества УВ. После карбонизации они приобретают прочность, а после графитации – упругость. Наиболее продолжительной по времени и энергоемкой (более 70% от общего расхода энергии на трех стадиях) является термостабилизация. В связи с этим целесообразно сокращать энергозатраты на производство УВ, уменьшая их на стадии термостабилизации, совершенствуя для этого конструкцию и режим работы печи. Операция термостабилизации заключается в нагреве исходного волокна в присутствии кислорода до температуры 300 ⁰С. При этом изменяется структура молекул углерода, приближаясь к необходимой для получения качественного УВ, и удаляются примеси. Сложность реализации термообработки ПАН заключается в том, что при температурах 230–280 ⁰С в волокне протекает экзотермическая реакция с выделением большого количества теплоты (1,3410⁶ Дж/кг). Это явление называют экзоэффектом. При неуправляемом выделении теплоты экзоэффекта может возникнуть пережог обрабатываемого волокна, и оно станет непригодным для производства УВ. Для предотвращения пережога в рабочем пространстве печи поддерживается ступенчатый температурный режим. В существующих печах термостабилизации переменный температурный режим поддерживается за счет изменения температуры воздуха, подаваемого в рабочее пространство, являющегося теплоносителем и источником кислорода. Воздух подогревается в электрокалорифере до заданной температуры и нагревает обрабатываемые волокна за счет конвективного теплообмена. Одновременно воздух снимает избыточное количество теплоты, выделяющейся в волокнах в ходе экзотермических реакций. Данная технология термостабилизации, реализуемая во всем мире, крайне неэффективна и трудно управляема. Свыше 93% всей потребляемой энергии расходуется на подогрев воздуха и лишь около 3% на нагрев обрабатываемого материала. Поэтому в настоящее время актуальной является проблема повышения энергоэффективности печей термостабилизации при производстве углеродных волокон.

Целью данной работы является повышение энергоэффективности печей термостабилизации ПАН волокон на основании исследования процессов тепло- и массообмена, протекающих в их рабочем пространстве.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить ряд научно-технических задач:

1. Провести анализ современного состояния теории и практики процесса термостабилизации ПАН волокон и собрать исходные данные, необходимые для разработки математической модели изучаемого объекта.

2. Разработать математическую модель процесса тепло- и массообмена в рабочем пространстве печи термостабилизации, учитывающую различные механизмы теплообмена волокна с рабочим пространством и позволяющую рассчитывать температурный режим, который обеспечивает монотонное повышение температуры волокна без его пережога, а также остаточное содержание примесей в волокне, как функции координат и времени.

3. Реализовать экспериментальные исследования процесса термостабилизации ПАН волокон с целью уточнения физической модели данного процесса и определения значений физико-химических констант реакций, протекающих в обрабатываемом волокне.

4. Разработать при помощи математической модели процесса термостабилизации наиболее рациональный технологический режим с точки зрения минимума энергозатрат, полноты завершенности процесса удаления из сырья посторонних примесей и предотвращения пережога обрабатываемого материала.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы экспериментальные и расчетные методы исследования. В качестве расчетного метода применено математическое моделирование процесса термостабилизации полимерных волокон с реализацией на персональном компьютере на языке программирования С++ в среде Builder 6.0. Экспериментальное исследование процесса термостабилизации выполнено на лабораторной установке DSC 404 C Pegasus фирмы NETZSCH и лабораторной установке ОАО «НИИграфит» собственной разработки.

Научная новизна:

1. Впервые доказана возможность использования электронагревателей в печах
термостабилизации ПАН волокна во всем интервале температур, что позволяет перейти от
повсеместно используемого в этих печах конвективного режима теплообмена к радиационно-
конвективному.

2. Показано, что в печах термостабилизации с электронагревателями во всем интервале
температур технологического процесса решающую роль играет радиационный теплообмен
между нагревателями и обрабатываемым волокном. В связи с этим впервые появляется

принципиальная возможность оперативно управлять температурным полем в рабочем пространстве печи с любой заданной точностью.

3. Предложена физическая модель процесса термостабилизации ПАН волокна, разделяющая весь процесс на 3 периода: индукционный, окисление летучих и реакции в твердой фазе. Согласно данной модели, допустимая температура процесса термостабилизации определяется в зависимости от физико-химических свойств обрабатываемого волокна и ограничена температурой перехода от индукционного периода к периоду горения летучих.

Практическая значимость:

5. Разработана математическая модель процесса термостабилизации ПАН волокна в печах с электронагревателями, которая позволяет управлять температурным полем в рабочем пространстве печи, что обеспечивает минимальные энергозатраты на процесс, равномерную по сечению обработку ПАН волокна и исключает возможность его пережога.

6. Выполнена программная реализация математической модели, позволяющая исследовать процесс термостабилизации на компьютере.

7. Разработаны рекомендации по совершенствованию режима термостабилизации полимерных волокон, позволяющие помимо экономии энергетических ресурсов сократить выход брака и улучшить качество выпускаемого полупродукта.

8. Получен новый режим нагрева волокна в процессе термостабилизации применительно к печи ВУЛОН, позволяющий сократить энергозатраты при сохранении качества полупродукта.

Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается и подтверждается использованием при разработке математической модели фундаментальных уравнений теории тепло- и массообмена, а также согласованием результатов расчетов с данными эксперимента на лабораторной установке.

Личный вклад автора

Все результаты диссертационной работы получены автором лично под руководством научного руководителя.

Автор защищает:

9. радиационно-конвективный способ нагрева полимерного волокна при его термостабилизации;

10. результаты экспериментального исследования нагрева волокна при его термостабилизации;

11. результаты численных исследований процесса термостабилизации при радиационно-конвективном режиме нагрева волокна.

Апробация результатов работы

Материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Международная, межвузовская и институтская научно-техническая конференция «64-е Дни науки студентов МИСиС» (Москва, 2009); Международная научно-практическая конференция «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» (Одесса, 2011); XVIII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2012); IV Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» (Екатеринбург, 2015); XVI Международная научно-практическая конференция: «Инновационное развитие: физико-математические и технические науки» (Москва, 2015).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 статьи в ведущих научных изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, пять глав, заключение, список цитируемой литературы, приложение. Общий объем составляет 127 страниц, включая 43 рисунка, 15 таблиц, список литературы из 118 наименований.

Получение ПАН волокон

Современными конструкционными материалами, в значительной мере определяющими уровень развития ракетно-космической и авиационной техники, являются композиционные материалы (КМ). Углеродные волокна (УВ) в настоящее время являются одним из основных видов армирующих элементов, применяемых для создания высокомодульных высокопрочных КМ, основными из которых являются углепластики (УП) [1-7]. УВ отличаются высокими значениями прочности (до 7 ГПа), модуля упругости (до 600 ГПа) и низкой, по сравнению с металлами, плотностью (1,7–1,9 кг/м3). УП – полимерные композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (эпоксидных, фенольных и др.) смол. Смола при небольшом нагружении усиливает волокна и действует, как средство передачи и распределения нагрузки среди волокон [8]. Введенные в полимер наполнители могут привести к повышению прочности и модуля упругости, тепло- и термостойкости, снижению удельного электрического сопротивления композиционного материала [9-13]. В таблице 1.1 представлены свойства композитов Grafil, созданных с использованием УВ, в сравнении с некоторыми металлами [14].

Главной сферой применения УВ является авиакосмическая промышленность, в которой требуются материалы с высокой удельной прочностью и жесткостью [1-3]. Примерно 25 % массы искусственных спутников приходится на элементы, изготовленные из углепластиков. Применение УВ в химически- и коррозионностойких деталях и конструкциях связано с тем, что они обладают очень высокой стойкостью к действию концентрированных горячих водных растворов кислот и щелочей. Благодаря высокой электропроводности УВ и, особенно графитизированные, применяются для изготовления нагревательных элементов. Они используются для изготовления нагревателей, применяемых как при пониженных температурах в космических кораблях, так и в печах, работающих при высоких температурах [15-17]. Важным направлением в развитии КМ из УВ является также водородная энергетика, в рамках которой разрабатываются специальные топливные элементы, широко используемые во многих странах мира в жилищном хозяйстве [18-21].

УВ, помимо высокой прочности и жесткости, обладают малым коэффициентом поглощения рентгеновского излучения и превосходной совместимостью с живыми тканями. Этими свойствами определяется применение УВ в медицине при изготовлении протезов опорно-двигательного аппарата. УВ применяются практически везде, где при требовании снижения массы необходимо сохранить прочность и жесткость материала. Помимо этого, высокая термостойкость позволяет применять УВ для изготовления теплозащитных средств. Таким образом, ткани из УВ представляют собой прекрасные тепловые экраны.

Разрабатывается два типа углеродного волокна – высокопрочное и высокомодульное [14, 22]. Высокомодульное волокно получают, подвергая высокопрочное волокно графитации. При этом возрастает модуль упругости, но уменьшается прочность. Термические свойства УВ существенно зависят от характера окружающей атмосферы [23-26]. На воздухе УВ окисляются при повышенных температурах. Поэтому температура их длительной эксплуатации не превышает 300–400 0С. В инертной среде температура длительной эксплуатации волокон составляет 400–600 0С. В условиях кратковременного нагрева в инертной или восстановительной среде они выдерживают температуру 1500–2000 0С и даже до 2500–3000 0С.

Впервые углеродные волокна были получены в 1880 г. и использовались в лампах накаливания в качестве светоизлучающих элементов. Такие волокна получались в результате пиролиза хлопкового или гидратцеллюлозного волокна и отличались хрупкостью и высокой пористостью [1]. Поэтому светоизлучающие элементы были ненадежными. Позднее в лампах накаливания стали применять вольфрамовую проволоку, в результате чего производство углеродных волокон практически прекратилось.

Повторно интерес к углеродным волокнам проявился в середине XX в., когда велись поиски материалов, пригодных для использования в качестве компонентов композитов для изготовления ракетных двигателей. УВ по своим качествам оказались одними из наиболее подходящих для этого армирующих материалов.

В настоящее время сфера использования углеродных волокон весьма широка. Они успешно эксплуатируются в аэрокосмической отрасли, оборонной промышленности, при производстве изделий для спорта и досуга, в атомной энергетике, машиностроении, нефтехимии, строительстве и других отраслях промышленности [3,15,16,27,28]. Технология применения УВ в авиационных конструкциях быстро прогрессировала и сейчас многие компоненты выпускаются серийно. Фактически весь прогресс в программах военной авиации и в США, и в Европе достигнут за счет применения углепластиков, способствующих уменьшению веса конструкции и, тем самым, экономии средств и уменьшению выбросов в атмосферу диоксида углерода. Наличие собственной промышленной базы в области производства УВ и КМ на их основе рассматривается правительствами развитых стран как необходимое условие обеспечения национальной безопасности, технологической независимости и мобилизационной готовности. Производство углеродных волокон характеризуется высокой себестоимостью. Их цена, по данным источников [29-32], в зависимости от ассортимента составляет от 50 до 300 долл./кг.

До 1972 г. объем применения УВ был весьма незначителен – менее 10 тонн в год, и они использовались исключительно в авиационной и космической промышленности, но даже и там, в основном, только для самых передовых образцов техники. Эта ситуация резко изменилась в 1973 г., когда в США было произведено 500 тысяч клюшек для гольфа на основе УВ. Затем в Японии стал расти уровень потребления УВ, после чего спрос на углеродные волокна внезапно подскочил.

Огромные инвестиции в производство УВ позволяют ежегодно увеличивать их выпуск в мире [29,30]. Таким образом, за период с 2008 по 2013 годы потребление УВ в мире выросло практически в 1,6 раз и достигло 48 тыс.т. Лидерами в производстве УВ являются японские фирмы «Toray», «Toho» и «Mitsubishi», их дочерние фирмы располагаются в США, Германии и Франции. Доля выпуска УВ в России не превышает 1,5 % от мирового уровня, количество которых недостаточно для удовлетворения спроса потребляющих отраслей. В таблице 1.2 представлены ассортимент углеродных волокон отечественного производства, их свойства и область применения [14]. В таблице 1.3 представлены сравнительные данные по свойствам углепластиков, наполненных углеродными волокнами, произведенными в России и Японии.

Математическая модель сопряженного теплообмена в канале печи ВУЛОН

Печь термостабилизации ВУЛОН, созданная институтом НИИграфит, предназначена для ступенчатого нагрева ПАН жгутов в непрерывном режиме. Как указывалось ранее, нагрев жгутов в каждом канале, за исключением первого, производится с помощью электронагревателей и горячего воздуха, который проходит предварительный подогрев до минимально необходимой температуры перед попаданием в печь и далее нагревается электронагревателями, расположенными в каналах печи. При разработке математической модели нагрева жгута принимаем вариант подачи подогретого воздуха во 2-ой и 3-ий каналы. Далее воздух соединяется и поступает последовательно в остальные каналы.

Разработке математической модели процесса термостабилизации ПАН жгутов в печи ВУЛОН предшествует создание его концептуальной модели, в рамках которой формируется основной подход к описанию моделируемых явлений и основные допущения.

Рабочее пространство печи ВУЛОН состоит из девяти расположенных друг над другом горизонтальных каналов, каждый из которых представляет собой параллелепипед, ширина и высота которого более чем в 10 раз меньше длины. Жгуты нагреваемого волокна движутся по оси канала и делят его на верхнюю и нижнюю части. Количество обрабатываемых жгутов в печи определяется из условия, чтобы при заданном натяжении не происходило их касание друг с другом, и составляет от 3 до 45 штук в зависимости от линейной плотности. Принимаем, что жгуты образуют сплошную плоскую ленту толщиной равной толщине жгута, а шириной – максимальной ширине раскладки, эффективная плотность которой определяется с учетом зазоров между жгутами. На своде и поде канала установлены электронагреватели в виде отдельных секций. В первом приближении принимаем, что нагреватели каждой секции канала образуют сплошную плоскую поверхность. Напряжение подается на каждую секцию отдельно, что дает возможность создавать в канале регулируемое температурное поле. При этом в каждой секции на своде и поде напряжение одинаковое, что позволяет считать нагрев жгутов симметричным. Ввиду малой высоты канала влиянием естественной конвекции на теплообмен в каналах можно пренебречь. Предполагаем далее равномерное распределение внутренних источников теплоты по объему жгута. Это может быть достигнуто за счет предварительной пропитки жгутов кислородом в количестве, составляющем по массе 8–12 % от массы обрабатываемых жгутов [1,72,102]. Жгут протягивается по каналу со скоростью от 20 до 100 м/ч. Воздух в канале движется со скоростью не более 5 м/с.

При построении математической модели приняты также следующие допущения: – свод и под канала считаются адиабатными; – переносом теплоты теплопроводностью вдоль жгута пренебрегаем; – теплофизические характеристики воздуха в канале, за исключением плотности, принимаем постоянными; – плотность, коэффициент теплопроводности и теплоемкость жгутов в процессе термостабилизации также принимается постоянной. Корректность допущения относительно плотности жгута обоснована следующими соображениями. Известно, что в ходе термостабилизаци плотность ПАН волокна изменяется от 1,18 до 1,40 г/см3 [81,107], т.е. в пределах 15–19 %. Подобное изменение плотности не может существенно сказаться на протекании теплофизических процессов в канале. 2.2 Математическая модель сопряженного теплообмена в канале печи ВУЛОН

Решению подлежит сопряженная задача теплообмена, включающая в себя стационарную двумерную задачу теплопроводности при наличии внутренних источников теплоты в движущемся жгуте и задачу радиационно-конвективного теплообмена в канале.

Т.к. нагрев жгутов является симметричным, то задачу теплопроводности решали для верхней половины жгутов. С учетом принятых допущений уравнение теплопроводности для жгута, записанное в неподвижной системе координат, имеет следующий вид:

В рамках резольвентного зонального метода рабочее пространство печи разбивается на отдельные расчетные зоны – на поверхности жгута, на поверхности нагревателей и кладки печи. Зоны на поверхности жгута рассматриваются, как зоны первого рода (т.к. их температура находится из решения внутренней задачи); зоны на поверхности кладки и замыкающие боковые поверхности в начале и конце каждого канала – как зоны второго рода (задано условие адиабатности), а зоны нагревателей, в зависимости от постановки задачи и сделанных допущений, можно рассматривать либо как зоны первого рода (если задана температура, а вычисляется требуемая для нее мощность), либо как зоны второго рода (если задана мощность) [110].

Экспериментальная установка и методика экспериментов

Для указанного температурного режима выполнен тепловой расчет по каналам печи при максимальной скорости протяжки жгутов 100 м/ч, максимально допустимом расходе воздуха 1400 м3/ч, и его температуре на входе в печь 180 0С. Результаты расчета представлены в таблице 4.2.

Для предварительного подогрева воздуха, как указывалось ранее, предусмотрены рекуператор и калорифер. В рекуператоре за счет теплоты отходящих газов воздух нагревается до температуры 160 0С, затем, при необходимости, воздух подогревается в электрокалорифере до температуры, не превышающей 230 0С. Таблица 4.2 – Тепловой расчет по каналам печи

Наименованиеканала Энергия, расходуемая на нагрев жгута, Qж, Вт Энергия, расходуемая на нагрев воздуха, Qв, Вт Потери энергии в окружающую среду Qо.с.,Вт Энергия, выделяющаяся при окислении жгута, Qv,Вт Суммарные затраты энергии в канале, Qобщ,i,Вт

Как видно из рисунка 4.3, более 90 % всей расходуемой энергии в каналах печи затрачивается на нагрев воздуха и всего 2 % расходуется непосредственно на нагрев самих жгутов. Данное обстоятельство говорит о неэффективном использовании энергии при осуществлении термической стабилизации ПАН жгутов, что приводит, в свою очередь, к удорожанию получаемого продукта и снижению конкурентоспособности отечественного производства.

Теплоту, выделяемую жгутом в процессе термостабилизации в определенном температурном диапазоне, авторы считали как долю от общего количества теплоты, выделяемой жгутом на всем интервале температур процесса термостабилизации, зависящую лишь от разности температур на входе и выходе из канала, но не зависящую от скорости нагрева. Интервалы температур и соответствующие им доли выделяющейся теплоты приведены в таблице 4.3. Выделение теплоты в пределах каждого канала принимаем равномерным. Высокий расход воздуха обусловлен необходимостью максимального теплоотвода выделяемой из жгута теплоты. Однако, как показано ранее, интенсивность тепловыделения жгутом сильно зависит от темпа его нагрева, при этом способность воздуха поглощать выделяющуюся избыточную теплоту ограничена ввиду его низкой максимально допустимой скорости и невысокой разности температур между воздухом и жгутом. В связи с этим в критических условиях интенсивность теплоотдачи жгута воздуху может оказаться недостаточной, что приведет к пережогу обрабатываемого материала.

С помощью разработанной программы провели численные исследования процесса термостабилизации при реализации нескольких режимов нагрева жгута в заданном по проекту интервале температур. При этом распределение температур по каналам (табл. 4.1) приняли за график изменения температуры жгута. Это связано со следующим обстоятельством. Расчеты показывают, что температуры жгута, воздуха и нагревателей в каналах существенно отличаются друг от друга. Жгут нагревается быстрее, чем воздух. Поэтому, если нагревать воздух по заданному температурному графику, жгут неминуемо сгорит. Если по заданному графику регулировать температуру нагревателей, возникает опасность выхода жгута из печи до полного завершения процесса термостабилизации.

Результаты численного исследования, в ходе которого выдерживали температуру жгутов по режиму №1 (заданный в таблице 4.1 режим НИИграфит), представлены на рисунках 4.4–4.6. – энергия, расходуемая на нагрев жгута; 2 – энергия, расходуемая на нагрев воздуха в калорифере и каналах печи; 3 – потери энергии через ограждения печи Рисунок 4.4 – Статьи расхода электроэнергии в печи при нагреве жгута по режиму №1

Из рисунка 4.4 видно, что использование разработанной модели для реализации проектного режима нагрева позволило сократить энергозатраты даже без изменения заданного температурного режима и расхода воздуха. Сопоставляя данные на рисунках 4.3 и 4.4 видим, что общий расход энергии сократился со 172 кВт по проектным данным до 48 кВт по расчету. Полученный результат связан, прежде всего, с сокращением расходов энергии на подогрев воздуха. В проекте предполагалось, что воздух будет нагреваться до заданной температуры в каналах печи только за счет электронагревателей, а затем передавать теплоту жгуту за счет конвективного теплообмена. В программе учитывается то обстоятельство, что при любой температуре в зоне нагрева часть теплоты будет передаваться жгуту за счет излучения непосредственно от нагревателя. В связи с этим снижается доля энергии, расходуемой на нагрев воздуха и уменьшается его значение, как греющего жгут агента. Наблюдается также сокращение расхода энергии на нагрев жгута. Это связано с тем, что в проекте расход энергии считали как сумму затрат энергии на нагрев жгута в каждом канале. А в программе расход энергии на нагрев жгута рассчитывается как изменение его теплосодержания от температуры входа в 1-ый канал до температуры выхода из печи. Абсолютное значение потерь теплоты, как и следовало ожидать, осталось неизменным, однако, его процентная доля в тепловом балансе печи возросла, что связано с сокращением долей других статей расхода энергии, и, прежде всего, расхода на нагрев воздуха с 91 % до 71 %.

Из графиков на рисунке 4.5 видно, что во всем интервале температур нагрева волокна превалирует радиационный режим теплообмена (разность температур между жгутом и нагревателем меньше, чем разность между температурами жгута и воздуха). Таким образом, нагрев жгута осуществляется за счет радиационного теплообмена между нагревателем и жгутом, а воздух, помимо функции источника кислорода, выполняет функции охладителя жгута. Температурный режим в рабочем пространстве печи носит резко переменный характер. Аналогично изменяется температура жгута. При этом в первых пяти каналах имеет место большой перепад температур между жгутом и нагревателями по сравнению с остальными каналами печи, что обуславливает относительно высокий темп нагрева волокна и повышает вероятность неуправляемого выброса теплоты в этих каналах.

Разработка нового режима нагрева волокна с целью сокращения энергозатрат

На лабораторной установке института НИИграфит выполнено опробование разработанной модели для сокращения энергозатрат на процесс термостабилизации.

Принципиальная схема установки термостабилизации представлена на рисунке 5.1. Рабочее пространство печи термостабилизации 1 представляет собой металлический цилиндр, длина и внутренний диаметр которого составляют 2000 мм и 50 мм соответственно. Его теплоизоляция выполнена из минеральной ваты и шамотного кирпича. Нагрев печи осуществляется – печь термостабилизации; 2 – электрокалорифер; 3 – вентилятор центробжный; 4 – трубка нихромовым нагревателем 5, располагающимся по всей поверхности канала с наружной стороны. Работа нагревателя управляется при помощи регулятора напряжения 13 «РОТ – 630» и программного регулятора «термодат» по сигналу от термопары, расположенной в центре канала печи. Для определения изменения температуры по длине канала на входе и выходе из него также установлены термопары. Подаваемый в печь воздух нагревается до заданной температуры в электрокалорифере 2. Подача воздуха в электрокалорифер осуществляется с помощью центробежного вентилятора 3. С целью регулирования расхода воздуха установлен инвертор 12 OMRON CIMR-E7 серии Varispeeed E7 с переменным крутящим моментом для управления нагрузкой, подаваемой на вентилятор. Расход воздуха измеряется с помощью трубки Пито-Прандтля 4, установленной на выходе из вентилятора, и электронного расходомера 11. Необходимое натяжение обрабатываемого материала в процессе термообработки обеспечивается за счет груза 8.

Исследования проводились со жгутами ПАН волокна типа СНВ с линейной плотностью 960 текс и линейной плотностью филаментов 0,08 текс производства ООО «Саратоворгсинтез». После операции термостабилизации жгуты подвергались карбонизации в азоте.

Печь термостабилизации лабораторной установки, как и все действующие промышленные печи этого назначения, не приспособлена для осуществления на ней плавного регулирования температурного режима в рабочем пространстве. Температура в печи регулируется во времени ступенчато и управляется в основном за счет изменения температуры воздуха, подаваемого в рабочее пространство через калорифер.

При разработке стратегии эксперимента было решено провести термостабилизацию испытуемых волокон по существующей технологии (стандартный режим), получить из них углеродные волокна и подвергнуть их механическим испытаниям, а затем выполнить те же операции по расчетному режиму и сопоставить результаты экспериментов между собой.

Разрабатывая расчетный режим термостабилизации, исходили из возможностей лабораторной установки. Было решено все время термостабилизации разделить на пять периодов изотермической выдержки волокна. При этом температура в печи возрастала в каждый последующий период на пять градусов по отношению к предыдущему. Так как на существующей установке невозможно мгновенно изменить температурное поле рабочего пространства печи, пришлось обрабатываемый жгут извлекать из печи на время установления в ее рабочем пространстве стационарного температурного поля. После этого жгут вновь помещался в печь. В таблице 5.1 представлены параметры стандартного и расчетного режимов термостабилизации исследуемых образцов.

После операции термостабилизации методом градиентной колонки в соответствии с ГОСТ 15139-69 [116] определяли плотность элементарных волокон окисленных ПАН жгутов. Сущность метода состоит в оценке соответствия плотности волокна известной плотности смеси органических жидкостей. Исследуемый образец волокна помещают в стеклянный сосуд цилиндрической формы, заполненный двумя смешивающимися жидкостями с различным удельным весом, образующими вертикальный градиент плотности вследствие внутренней диффузии жидкостей, наслоенных друг на друга. Стеклянные сосуды, используемые в методе градиентной колонки, показаны на рисунке 5.2. Испытуемый образец устанавливается в слое жидкости с удельным весом, равным удельному весу волокна. Измерив расстояние от дна цилиндра до середины образца, по соответствующему графику находят значение плотности окисленного элементарного ПАН волокна. Плотность исследуемых образцов оказалась одинаковой как для стандартного, так и для расчетного режимов термостабилизаци и равной 1,39 г/см3.

После операции карбонизации определяли прочность и модуль упругости полученных углеродных волокон. Перед испытанием элементарных углеродных волокон оптическим методом определяли площадь их поперечного сечения. Сущность метода заключается в измерении диаметра волокна на микроскопах, обеспечивающих погрешность измерения не более 0,3 мкм при увеличении в 400– 600 раз. Затем по известной формуле, принимая форму среза волокна в виде круга, находили площадь его поперечного сечения. Физико-механические испытания волокон проводили на разрывной установке Roell Z010 фирмы Zwick. Единичные образцы элементарного углеродного волокна с рабочей длиной 10 мм заклеивали в рамки из миллиметровой бумаги клеем БФ-2, обеспечивающим надежное крепление волокна. Волокно наклеивали в рамке вдоль одной из линий миллиметровой сетки. Затем рамку с исследуемым волокном закрепляли в самоцентрирующихся захватах испытательной машины как показано на рисунке 5.4.