Оценка потребления количества теплоты в бакелизаторах при изготовлении абразивных изделий на бакелитовой связке. Технологические приемы экономии энергии при термообработке Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ОЦЕНКА ПОТРЕБЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ТЕПЛОТЫ В БАКЕЛИЗАТОРАХ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ АБРАЗИВНЫХ ИЗДЕЛИЙ НА БАКЕЛИТОВОЙ СВЯЗКЕ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЕМЫ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ ПРИ ТЕРМООБРАБОТКЕ

Разумов А.А. к.ф.-м.н., доцент, Кропотова Н.А., к.х.н.

ФГБОУ ВПО «Ивановский институт государственной противопожарной службы МЧС России», г. Иваново

Задача материало- и энергосбережения является одной из приоритетных на любом промышленном предприятии. Производство абразивных изделий на керамической, бакелитовой связках потребляет большое количество электрической энергии, преобразуемой при термообработке в тепловую (внутренюю) энергию. Поэтому важна оценка потребления тепла О в конкретном производстве конкретных изделий: определение соотношения энергии, расходуемой на нагревание бакелизатора и его содержимого, и полезной энергии, затраченной на термообработку абразивных изделий. В качестве таковых взяты отрезные круги типоразмера 230 х 3 х 22,2. Для других изделий (обдирочных шлифовальных кругов) при действующей техноологии и существующем регламенте потребление тепловой энергии возрастает в несколько раз.

Данные по величинам масс тележек, ввозимых в бакелизатор,кассет, подкладных плит, их количеству, предоставлены отделом главного технолога (ОГТ)одного из заводов, производящих абразивную продукцию. Поскольку эта информация относится к разряду конфиденциальной, а потому здесь не приводится. Известно, что теплоемкость является функцией температуры и увеличивается с ее ростом [1]. Абразивные изделия представляют собой полимерный композиционный материал (ПКМ): электрокорунд, связующее, наполнители (колчедан, мраморная крошка, криолит), имеющие различные теплоемкости и по-разному проявляющие себя при термообработке [2]. В справочной литературе, в частности [1], представлены значения молярных теплоемкостей веществ, изменяющихся по закону:

Ср = а + вТ + уТ"2 (1)

Величины а, в и у - постоянные, приводятся для стали, электрокорунда в [1, с. 132] , являющиеся основной массой, подверженной термообработке.

Оказалось, что отношение теплоемкости стали к теплоемкости электрокорунда, рассчитанные по формуле (1), равно 3,875. Масса стали, нагреваемая в бакелизаторе, в 5,95 раза больше массы электрокорунда, составляющей 78% формовочной массы при однократной термообработке. С поправкой на потребление тепла связующей массой, наполнителями (О = 2,1 • 103Дж) соотношение Остшш/Округ = 22,9, т.е. при термообработке (бакелизации) подавляющее количество теплоты идет на нагревание металла, но не абразивного сырца. В приведенном расчете не учитывались потери теплоты на нагревание газовой среды в бакелизаторе, самого

бакелизатора. Поскольку теплота получается за счет преобразования электрической энергии во внутреннюю в электронагревателях бакелизаторов, не трудно с учетом соответствующего значения КПД (п) спрогнозировать расход электроэнергии. Мы не поверили столь печально потрясающим результатам расчета, и подошли к проблеме с другой стороны: произвели оценку потребления электроэнергии одним бакелизатором мощностью в среднем 50 кВт (по данным энергетиков) за время термообработки по существующему регламенту. Количество теплоты, рассчитанное нами, и потребленная электроэнергия совпали по порядку величины!

В заключение небольшое частное замечание, касающееся теплоемкости наполнителей. Хотя они составляют небольшую долю всей формовочной массы, тем не менее, при возрастании объема выпускаемой продукции расход энергии на их нагревание надо учитывать, коль он пропорционально увеличивается. Самая минимальная теплоемкость у гипса -200 кал/кгК, для сравнения у криолита - 250 кал/кгК.

Подведем итоги вышесказанному:

1. При действующих технологиях и регламентах изготовления абразивных изделий (указанные выше типоразмеры кругов) только 4,18% общей тепловой энергии идет на термообработку сырца, а остальное (95.82%) на нагревание металла.

2. Пути сокращения расхода электроэнергии (количества теплоты) при бакелизации: а) уменьшение массы несущих конструкций (замена стали на другой, менее энергоемкий материал, например, алюминий и его сплавы, материалы с малой теплоемкостью и высокими механическими свойствами, с гофрированной поверхностью); б) проектирование и построение туннельной печи с малым рабочим объемом термообработки; в) поиск, разработка и применение веществ, ускоряющих процесс поликонденсации (например, гипс); г) применение наполнителей с минимальной теплоемкостью.

Изучено влияние наполнителей: пирита FеS2, криолита Ка2АШ6 , алебастра строительного СаSO4 - на текучесть СФП (связующего фенольного порошкообразного) с различными значениями текучести т и разным содержанием отвердителя гексаметилентетрамина (ГМТ) или уротропина. Установлены эмпирические зависимости текучести от концентрации, натурального логарифма текучести от концентрации, абсолютного изменения текучести и его натурального логарифма от концентрации всех указанных наполнителей. Из них следует, что изменения текучести от концентрации носят логарифмический характер и не зависят от содержания уротропина. Сами графики [1] могут быть аппроксимированы функциональной зависимостью

1пт = А(р) + с, (2)

где А(р) - параметр, зависящий от рода наполнителя, с -концентрация наполнителя в связующем СФП.

КШЦСЕТрЭЦЕХ, пропенггь]

Рис.1. Концентрационная зависимость текучести СФП с

наполнителем

Влияние наполнителей на текучесть (смачивание жидким СФП увлажнённых шлиф-зёрен) обнаружено впервые. Уменьшение текучести приводит к появлению пустот (пор), слабой связке зёрен между собой в матрице абразивного инструмента и, как результат, к ухудшению механических свойств абразива: прочности, износостойкости. По графику (рис.1) удалось оценить предельное значение содержания наполнителя в формовочной массе - 30 % независимо от рода наполнителя (криолит, пирит, гипс и т.д.). Параллельно проведенные исследования влияния концентрации наполнителя на коэффициент шлифования и предельную частоту оборотов (на разрыв) дали примерно такой же результат: коэффициент шлифования и критическая скорость инструмента резко уменьшались у абразива с концентрацией выше 30%. Из графиков зависимости текучести от концентрации можно определить динамическую вязкость СФП, которая даётся в паспортах (сертификатах) западных фирм. Это позволяет отличить сухой пульвербакелит от содержащего влагу порошка.

Список литературы

1. Рябин, В.А. и др. Термодинамические свойства вещества // В.А. Рябин. -Л.: Химия, -1977. - 398 с.

2. Портной, К.И. и др. Структура и свойства композиционных материалов // К.И. Портной. -М.:Машиностроение, -1979, -255 с.