Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Состояние вопроса и задачи диссертации . 10
1.1. Анализ методов интенсификации пропитки картона битумом 10
1.2. Постановка задач диссертации 28
ГЛАВА II. Техника и методика исследования 34
П.І. Исследование пропитки картона 34
П.2. Определение плотности кровельного картона 41
П.З. Исследование нагревания картона битумом 42
П.4. Исследование диффузионных процессов в
рубероиде ядерно-физическими методами . 45
П.4.І. Рентгенорадиометрический метод 46
П.4.3. Метод радиоактивных индикаторов . 48
ГЛАВА III. Исследование пропитки картона 52
Ш.І. Исследование пропитки картона при погружении в объем битума 52
Ш.І.І. Кинетика теплообмена 54
Ш.І.2. Кинетика массообмена 76
Ш.2. Исследование пропитки картона при кон такте с пленкой битума 85
Ш.2.І. Особенности течения пленки битума . 85
Ш.2.2. Кинетика тепломассообмена 93
ГЛАВА IV. Исследование влияния параметров технологического процесса производства рубероида на пропитку картона битумами 105
ІУ.І. Взаимодействие пергамина и покровного битума 105
ІУ.2. Исследование взаимодиффузии пропиточ ного и покровного битумов радиоактив ными индикаторами 112
ІУ.2.І. Взашодиффузия при изготовлении рубероида 112
ІУ.2.2. Взаимодиффузия при эксплуатации рубероида 116
ГЛАВА V. Практические результаты.работы 122
У.І. Исследование влияния технологических режимов производства на некоторые физико-механические характеристики пергамина 122 У.2. Совершенствование технологии производства рубероида 131
У.З. Методика инженерного расчета пропиточной части рубероидного агрегата 139
Выводы 147
Список литературы
- Постановка задач диссертации
- Исследование нагревания картона битумом
- Исследование пропитки картона при кон такте с пленкой битума
- Взашодиффузия при изготовлении рубероида
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Россия занимает ведущие позиции по большинству показателей, характеризующих уровень обеспеченности государства лесными ресурсами. Вместе с тем эффективность их использования и конкурентоспособность продукции существенно ниже, чем в развитых странах. Единственным сегментом лесопромышленного комплекса, где сохранилась тенденция к росту производств, является целлюлозно-бумажная промышленность. Однако по объему экспортной выручки Россия значительно отстает от лидеров мирового рынка лесобумажной продукции. Более того, лесозаготовительные и деревообрабатывающие предприятия практически не наращивают выпуск продукции.
В этой связи для целей устойчивого развития лесопромышленного комплекса необходимо, прежде всего, выделить наиболее конкурентоспособные производства. Правомерно утверждать, что в современных условиях лесосырьевой потенциал Российской Федерации представляет реальную и надежную основу для полноценного развития и функционирования отрасли деревянного домостроения.
Более того, реализация приоритетного национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» невозможна без развития широкомасштабного деревянного малоэтажного домостроения. Этот вид жилья является традиционным и наиболее доступным для большинства населения нашей страны, благодаря высоким теплоизолирующим свойствам природной древесины и относительно низкой стоимости.
В этой связи научные исследования, обеспечивающие стратегическое развитие конкурентоспособного производства экономически доступных деревянных домов, являются актуальными.
Состояние и степень разработанности темы. Исследованию проблем устойчивого развития народного хозяйства в целом посвящены труды таких крупных ученых, как: Ассель Г., Доуль П., Друкер П., Кунц Г., Ламбер Ж.-Ж. и многих других зарубежных авторов. Среди российских ученых большой вклад в разработку теории и методологии устойчивого развития промышленных предприятий внесли: Абалкин Л.И., Голицын Г.С., Исаев А.С., Львов Д.С. и другие.
Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили работы ученых в области стратегического управления и конкуренции, таких как: И.Ансофф, А.Смит, А.Томпсон, Л.Дж, Стрикленд, П. Дойль, А. Аакер, М.. Портер, Дэй Джордж, П. Хайне, А. Курно, Дж. Робинсон, Ф. Найт, Г.Дж. Броум, И. Шумпетер, В.Хендерсон и других.
Большой вклад в исследование проблем повышения конкурентоспособности развития лесного сектора экономики внесли такие отечественные ученые, как: Антонов В.А., Бурдин Н.А., Бутко Г.П., Закиров А.И., Кожухов Н.И., Кондратюк В.А., Медведев Н.А., Моисеев Н.А., Петров А.П., Клейнхоф А.Э., Шмулев Г.А. и другие.
Высоко оценивая вклад ученых и полученные ими результаты, следует отметить недостаточный уровень отечественных исследований в области теории и практики формирования стратегии развития отрасли деревянного домостроения лесного сектора экономики России с целью обеспечения конкурентных преимуществ.
Постановка задач диссертации
Несмотря на наличие большого количества устройств и способов, описанных в патентно-информационной литературе, а также методов интенсификации пропитки, описанных выше» их использование не нашло применение в промышленности . Одной из причин такого положения является недостаток информации о самих процессах, происходящих при пропитке картона битумом в естественных условиях (без татенсифицирующего воздействия),
В начале 70-х годов эти вопросы начали разрабатываться д,т.н. проф. Б;И.Леончиком, к.т.н. Д.Д,Сурмели и к.т.н. В.Н.Бородиным [io] . Работы были посвящены изучению впитывающих свойств кровельного картона, а также механизму взаимодействия кровельного картона и битума.
Первой задачей настоящей диссертации является исследование особенностей тепломасс оперен оса при погружении в объем битума и при его контактировании с пленкой битума.
Рассматривая особенности работы оборудования и технологических операций производства рубероида, необходимо оіметить, что при выходе из строя регулятора уровня битума в пропиточной ванне по Подразумеваются все вышеописанные методы, кроме использования способа "температурных перепадов".
Учитывая, что постановка задач диссертации базируется на уже выполненном анализе современного состояния технологии пропитки, его проведение в задачи не включено. лотно картона продолжает пропитываться из объема пленки битума, присутствующей на его поверхности- Пленка формируется при выходе картона из объема битума в воздушную среду. Рассмотрим несколько подробнее возможность пропиткл материала при взаимодействии с поверхностной пленкой битума;
В первом приближении толщина пленки битума, увлекаемой полотном, определяется известным уравнением [55] Подученные значения толщины пленки соответствуют Тб=453К и V= 1-0 м/с.
В начале процесса теплота, воспринятая картоном от пленки битума, будет расходоваться на нагревание картона и испарение содержащейся в нем влаги. Б расчете на петлю полотна в рубероидном агрегате длиной 2,5 м (общий путь І =5 м), при скорости движения полотна V -I м/с ( Т / V ), получим: где Mw - скорость сушда картона, определяемая из кинетичес кой кривой сушки о Количество теплоты, аккумулированное І м пленки равно: Q = 0,5.180.103 ЛО3 = 90 ккал гл2 = 376 Ш м2 (2.3) Учитывая, что пленка находится с двух сторон полотна, защэаты теплоты на надевание и сушку картона в одной петле составят 8& от его общего количества в пленке.
Таким образом, даже для начального периода пропитки картона в пленочном режиме охлаждение пленки будет незначительным ж составляет 5-Ю градусов. Кроме того, при повторном погружении полотна с поверхностной пленкой в объем битума произойдет захват полотном новой порции "горючего" битума. Расход же энергии на нагревание картона во второй петле будет соотавлять значительно меньшую часть, чем в первой. И так далее.
Второй задачей является исследование влияния условий и параметров режима пропитки на качестве пергамина и рубероида.
Принятая технология производства рубероида предполагает прохождение пергамином после выхода материала из зонн тянульно-ка-либровочных вальцев (рис.2.5) устройства (камеры) допропитки
Назначение этого устройства состоит в осуществлении допропитки основы из объема пленки битума, оставшейся на ее поверхности в термостатированном объеме. Значительные колебания толщены кровельного картона (+ 100$) и выполнение вальцами протягивающих функций приводят к тому, что полотно пергамина после прохождения вальцев выходит практически псухим"х (отмечается даже некоторый отжим битума из пор картона вальцами), то есть устройство допропитки свою основную функцию выполнить не в состоянии. Остается открытым вопрос о целесообразности термос татирования пергамина перед нанесением покровного слоя.
Таким образом, в рубероидном агрегате существует зона, технологическое оборудование которой не оказывает необходимого влияния на технологический процесс. Поэтому, целесообразно рассмотреть влияние этой зонн, а также возможности ее использования для улучшения качества материала.
Интенсивность и направление маосообменных процессов» происходящих при изготовлении материала, зависят от температурных режимов технологического процесса.
К моменту нанесения покровного слоя на пергамин его температура понижается на 10-15 градусов по сравнению с температурой в пропиточной ванне. При этом, если температура покровного битума больше, чем пропиточного2, наблюдается вытеснение пропиточного битума из пор картона вследствие его повторного нагревания в покровной ванне (рис.2.6), что препятствует формированию надежного адгезионного контакта между пергамином и покровным слоем и снижает гидроизоляционные свойства материала. На практике это проявляется в виде отслаивания покровного слоя у материала при раскатке рулонов для производства кровельных работ и появления вздутий на кровельном ковре при его эксплуатации.
В случае, если температура покровного битуш ніше пропиточного, наблюдается допропитка пергамина покровным битумом. Этот факт неоднократно отмечался при определении привеса пропитки картона , проведенного до и после нанесения покровного слоя на пергамин.
Исследование нагревания картона битумом
Определение плотности капиллярно-пористых тел связано с трудностью измерения истинного объема тела. Как правило, объем вычисляют по измеренным геометрическим размерам. При этом толщину картона измеряют толщиномером в 6-9 точках, принимая среднее арифметическое значение за среднюю толщину картона. Погрешность определения толщины картона по этой методике с учетом инструментальной погрешности составляют 5-8$ Гю] . Плотность картона, определенная на основе измерения геометрических параметров, оказывается на 10-15 ниже, чем определенная методом гидростатического взвешивания. Более точное значение плотности картона (Ох ) рассчитывают после завершения пропитки по данным гидростатического взвешивания ( Йткс. ) и значению массы полностью пропитанного образца (Ммакс. ) JDK -QGI \QO "PMQKCJ + MMCtKcJ (3.12)
Массу пропитанного образца определяют после его извлечения из жидкости и отекания пленки с его поверхности (среднее 5...6 измерений). Отекание пленки считали законченным, когда поверхность образца становится матовой . При использовании летучих жид костей для определения плотности образцов отекание пленки необходимо проводить в эксикаторах, насыщенных парами пропиточной жидкости, для предотвращения ее испарения из объема образца.
Определение плотности "элементарного" волокна можно проводить двумя способами: - измерением массы жидкости, поглощенной картоном после отекания поверхностной пленки и, принимая, что образец полностью насыщен (не содержит защемленный воздух): используя результаты гидростатического взвешивания пропитанного образца в следующей зависимости:
Значения плотности волокон» вычисленные по формулам (3 13) и (3.14), совпадают с точностью до 1% и соответствуют плотностям растительных волокон, из которых изготавливают кровельный картон С Jig = 1,52±0,05 г/см3} [l02J .
Таким образом, расчет плотности картона методом гидростатического взвешивания в настоящее время является достаточно точным.
Нагревание картона битумом при пропитке является фактором, определяющим кинетику воего процесса насыщения» поэтому в ранее приведенных исследованиях этому вопросу уделялось значительное внимание [l0,99j . Так как пропитка влажного картона сопровождается его нагреванием и сушкой, то можно предположить, что эти процессы должны качественно отражаться на кривых нагрева.
Традиционно нагревание картона изучалось измерением температуры центра образца термопарой, вставленной в картон специальным образом. Для термопары иголкой проделывалось отверстие, которое герметизировалось картонной массой для предотвращения прямого попадания битума к рабочему спаю, а рабочие провода термопары покрывались термостойким лаком, что исключало их соприкосновение во время эксперимента. Для регистрации использовались потенциометры типа Э1Ш-09 и KQI-4.
Однако полученные ранее зависимости не отражали качественно процессы, происходящие во время пропитки. Причиной этому явились методические неточности при выборе аппаратурного оформления экспериментов. В применяемых ранее приборах сигнал термопары преобразовывался в механическое перемещение регистрирующего органа, который имеет ограниченное быстродействие. Эти недостатки и привели к усреднению информации о нагревании картона.
Автором при изучении кинетики нагревания картона битумом в лабораторных условиях использовался термокомплект» в состав кото-рого входаяи микрогальванометр-вибратор с чувствительностью 10 А хромель-копелише термопары и соединительные провода, светолуче-вой осциллограф НОЧІ, а такие сосуд Дьюара (нуль-термостат) (рис. 3.4).
Для термопар с диаметром и = І.І0"4 м, ЗЛО м определялась постоянная времени тепловой инерции по принятой методике
[47J , она составляла соответственно 0,45 с и 0,6 с. Так как исследуемые нами процессы протекают за время, превышающее на 1-2 порядка постоянную времени термопреобразователей, то динамические характеристики оборудования можно считать удовлетворительными.
Исследование пропитки картона при кон такте с пленкой битума
При исследовании гидродинамики, тепломассопереноса в тонких слоях (пленках) жидкости установлено, что их течение обычно носит 3-х мерный беспорядочный характер, а интенсивность процессов переноса зависит от толщины и скорости пленки, плотности орошения, волновых характеристик и физических свойств жидкости, состояния поверхности полотна материала и др. Поэтому аналитическое изучение этих процессов представляет значительные трудности.
Тем не менее Р.И.Гариным и др. [22] дан теоретический анализ течения битумных смесей на наклонной движущейся ленте. В этой работе на основании решения уравнения движения получены выражения для расчета толщины слоя вязко-пластичной жидкости, уносимой движущейся наклонной плоскостью, в зависимости от реологических свойств и наклона плоскости; кроме того, получена зависимость для расчета максимального наносимого количества жидкости, которое способно унести подложка. Однако использование результатов этой работы в рассматриваемой нами задаче не представляется возможным.
Толщина тонкого слоя жидкости, стекающего по вертикальной поверхности, является определяющим параметром гидродинамики пленок. Так как обычно толщина пленки Ю-4 м, а свободная поверхность покрыта волнами, точное измерение толщины пленки является сложной задачей [і9,23,ІІ6,І2з] . Наиболее полный обзор методов измерения толщины пленки дан в работах [14,108] . Все эти методы можно разделить на 3 группы: I) методы измерения средней толщины; 2) "локализованные методы"; 3) точечные методы.
Учитывая специфику рубероидного производства: большие скорости движения основы и изменение физико-механических характеристик картона, высокие температуры (Т=473) и нензотермические условия, колебания материала и наличие поперечного потока массы, 3-мерное волновое течение битума и его неныэтоновский характер, следует ожидать, что наилучшее представление о толщине пленки, соответствующее поставленной задаче, обеспечит измерение средней толишны, которое целесообразно выполнять методом "отсечки"; возможно применение точечного метода при необходимости уточнения волнового характера движения пленки.
Принципиальная схема измерения методом "отсечки" описана в [l9J . Б этом случае к орошаемой поверхности подводятся приемные сосуды. Жидкость, находящаяся на смоченной поверхности высотой h , собирается в никнем приемном сосуде, а ее объем измеряется мерником. Средняя толщина пленки рассчитывается по формуле
где - ширина орошаемой поверхности; V- объем жидкости в мернике. При проведении экспериментов на движущемся полотне материала высоту смоченной поверхности можно также определить по известной скорости движения основы и времени проведения опыта. В качестве оценочного способа могут быть использованы методы взвешивания, сводящиеся соответственно к измерению масс или толщины материалов до и после проведения экспериментов;
Автором совместно с иня. Я.Э.Кузнецовым выполнены измерения толщины пленок битума на полотне в пропиточной части действующего рубероидного агрегата, в камере предварительного полива петлевого и барабанного типов, пропиточной ванне цри разных уровнях заполнения битумом [51,52] . Зоны измерения представлены на рис. 4.21. Значительные колебания параметров технологического процесса (скорости движения основы, температуры битума, фильтрационно-деформативных характеристик кровельного картона), стабилизация которых в настоящее время не представляется возможным в промышленных условиях, делает целесообразным рассмотрение особенностей пленочного течения на примере результатов измерений толщины пленок битума, выполненных в устройстве предварительного полива петлевого типа (табл.4.3).
Примечания: I. В графе ]/ в числителе указана линейная ско рость потока, в знаменателе - лентшроводников.
2. В графе Т - в верхней строке указана температура битума, подаваемого в камеру "npeflnoflEBa", в знаменателе /- температура на поверхности полотна с пленкой битума; одной строкой дана температура воздуха в зоне движения полотна.
3. Статистические характеристики толщины пленки определены при уровне значимости 0,95, т.е. t$ = 2,23 для Ш = 10 и tff = = 2,78 при т = 5 [бо] ; при этом - (5 выборочное среднее, т - объем выборки, О - среднеквадратичное отклонение, И -- коэффициент вариации и Зманс., SfiUH. - соответственно верхняя ж нижняя границы доверительного интервала.
4. Б графе "статистические характеристики в числителе ука заны значения, полученные методом моментального охлаждения с последующей лабораторной обработкой образцов, в знаменателе - с помощью щупа, одной стороной - результат метода "отсечки".
При этом вязкость определяется по уравнению регрессии по экспериментальным данным, полученным с помощью вискозиметри-ческой воронки и проверенным на адекватность по критерию Фишера при уровне значимости 0,95 [52]
В результате анализа экспериментальных данных установлено, что коэффициент вариации и среднеквадратичное отклонение измерений толщины пленки битума методом "отсечки" для промышленных исследований минимальны (см.табл.4.3) Полученные данные с разбросом $25% отражают значения толщины пленок битума в пропиточной части рубероидного агрегата.
Таким образом, экспериментально установлено, что на всех участках лентотракта присутствует пленка битума, средняя толщина которой в диапазоне рабочих скоростей агрегата находится в пределах 0,8-3,0.10--3 м, амплитуда волн составляет 2,5-5,0.10-4 м, а длина волны 2,0-3,0.10 Л м (рис.4.22). Аналитическая оценка толпшны пленки битума может быть выполнена при наличии данных о Т , V ,р , п по формуле
Взашодиффузия при изготовлении рубероида
В результате экспериментов обнаружено, что цри нанесении покровного слоя на пропитанную основу материала происходит взаимная миграция битумов, о чем свидетельствует появление индикатора в центре основы материала при добавлении радиоактивной метки в ШК-5 и на его поверхности при помещении радиоактивной метки в БНК-2. Результаты опытов, графически представленные на рис. 5.2 и 5.3 показывают, что на распределение индикатора в материале оказывают влияние как способы пропитки и нанесения покровного слоя, так и темп охлаждения материала. Причем в случае контакта пергамина и ЕНК-5 ЮС концентрация индикатора в центре и на поверхности материала на 20-25$ больше, чем при обычном способе нанесения покровного слоя при охлаадении на воздухе в условиях естественной конвекции. Это мокно объяснить тем, что при охлаждении рубероида в воде вязкость покровного битума увеличивается быстрее, чем при охлавденни на воздухе и его проникновение в пергамин затруднено. Таким образом, при 3-ом режиме изготовления образцов происходит максимальная взаимодиффузия битумов в материал ле. Этот факт находится в соответствии с диффузионной теорией адгезии Боюцкого G.C. [20J , согласно которой чем больше взанмодисїь фузия полимеров, тем больше адгезия между ними и тем лучше их совместимость. Битумом, проникшим из покровного слоя в пергамин, создается пограничный слой между основой материала и покровной массой, который, как мы полагаем, будет выполнять функции буферной зоны: - уменьшать внутренние напряжения в материале и скорость ыассообменных процессов в битумах вследствие снижения градиента концентрации составляющих материала по толщине [э,28,101,133] .
Оценку влияния интенсивности охлаждения рубероида на формирование структуры покровного слоя можно провести по данным [80, 93,117,140,141J . В зависимости от темпа охлаждения частицы, выделяющиеся из жидкой среды битума, имеют различную структуру. При медленном понижении температуры (охлаждение образцов на воздухе в условиях естественной конвекции) твердая фаза наделяется в виде ультрамжкроскопических кристаллов При быстром понижении температуры (осаядение образцов в оде) возникает меньшее количество кристаллизущихся частиц, но увеличивается содержание застегаю
ванной фазы Этим и можно объяснить влияние способа охлаждения на структуру покровного слоя при изготовлении образцов [93Д0І, 117] .
Правомерно предположить, что в тех образцах» где степень взаимного проникновения выше, а структура покровного слоя термодинамически стабильнее, гидроизоляционные свойства материала будут лучшими. Этим условиям, как мы полагаем, соответствуют образцы» изготовленные при 3-ем режиме. Однако в существующей технологической схеме производства рубероида реализован технологический режим, соответствующий 2-му режиму изготовления образцов материала.
Проведенные исследования показывают, что при изготовлении рубероида происходит взаимодиффузия цропиточного и покровного битумов. Опре делены значения тешютехнологического параметров» обеспечивающих их максимальную взаимодиффузию,
Одной из причин разрушения рубероида при старении являются диффузионные процессы, происходящие в материале цри его эксплуатации: взаимная диффузия пропиточного и покровного битумов» седиментация наполнителя в объеме покровного слоя. Поэтому представляет интерес подвергнуть старению образцы, полученные в предыдущем эксперименте (см.табл.5.4), для изучения миграции индикаторов в материале при его эксплуатации» Старение цроводилось в естественных и искусственных условиях: - при экспозиции на крышой станции в течение полугода в климатических условиях г.Ташкента (февраль-октябрь); - при искусственном термическом воздействии в воздушном тер мостате в течение 24 часов цри Т = 353К.
Подготовка образцов и измерение юс радиоактивности проводи-лось согласно методикам, аналогичным описанным выше. Результаты экспериментов, приведенные на графаке (рис.5.4» 5.5) позволяют сделать вывод, что температурные режимы при изготовлении образцов» определяющие начальное распределение индикатора в материале, оказывают влияние на скорость цротекания миграционных процессов в нем цри эксплуатации. Во всех образцах наблвдалась диффузия индикаторов к поверхности материала. Этот результат подтверждает вывод о движении масляных фракций битумов к поверхности образцов» сделанный в результате исследований влияния фотоокисления на изменение группового состава битумов, проведенных во ВНИИстройполи-мер. При охлаждении рубероида в воде диффузия индикаторов, распределенных в пропиточном битуме, происходила интенсивнее» чем у индикаторов, распределенных в покровном битуме.
При охлаждении рубероида на воздухе (в условиях естественной конвекции) индикатор» р ас цр еде ленный в покровном битуме, мигрирует быстрее. Кроме того, диффузия индикаторов, расположенных в одночленных объемах, при охлаждении на воздухе на 7-9$ интенсивнее, чем при охлаждении в воде. Влияние способа охлаждения рубероида на диффузию индикаторов можно объяснить разным характером формирования структуры покровного слоя [80,101,140] .
