Автореферат (Совершенствование тепловой работы печи термостабилизации при производстве углеродных волокон с целью сокращения энергозатрат)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Углеродные волокна (УВ) являются одним из основных видов армирующих элементов, применяемых при создании композиционных материалов. Для ихпроизводстваиспользуютсяразличныеполимерныеволокна,чащевсегополиакрилонитрильные (ПАН) волокна.

Себестоимость производства УВ весьма высока,причем основной статьей затрат являются затраты на энергопотребление. Существующаятехнология производства УВ состоит из трех последовательных стадий термообработкиисходноговолокна:термостабилизации,карбонизациииграфитации.Послестадиитермостабилизации нити полимерного волокна приобретают структуру, необходимую дляполучения требуемого качества УВ. После карбонизации они приобретают прочность, а послеграфитации – упругость. Наиболее продолжительной по времени и энергоемкой (более 70% отобщего расхода энергии на трех стадиях) является термостабилизация. В связи с этимцелесообразно сокращать энергозатраты на производство УВ, уменьшая их на стадиитермостабилизации, совершенствуя для этого конструкцию и режим работы печи.

Операциятермостабилизации заключается в нагреве исходного волокна в присутствии кислорода дотемпературы 300 0С. При этом изменяется структура молекул углерода, приближаясь кнеобходимой для получения качественного УВ, и удаляются примеси. Сложность реализациитермообработки ПАН заключается в том, что при температурах 230–280 0С в волокнепротекаетэкзотермическаяреакциясвыделениембольшогоколичестватеплоты6(1,34·10 Дж/кг). Это явление называют экзоэффектом.

При неуправляемом выделении теплотыэкзоэффекта может возникнуть пережог обрабатываемого волокна, и оно станет непригоднымдля производства УВ. Для предотвращения пережога в рабочем пространстве печиподдерживаетсяступенчатыйтемпературныйрежим.Всуществующихпечахтермостабилизации переменный температурный режим поддерживается за счет изменениятемпературы воздуха, подаваемого в рабочее пространство, являющегося теплоносителем иисточником кислорода. Воздух подогревается в электрокалорифере до заданной температуры инагревает обрабатываемые волокна за счет конвективного теплообмена. Одновременно воздухснимает избыточное количество теплоты, выделяющейся в волокнах в ходе экзотермическихреакций. Данная технология термостабилизации, реализуемая во всем мире, крайненеэффективна и трудно управляема.

Свыше 93% всей потребляемой энергии расходуется наподогрев воздуха и лишь около 3% на нагрев обрабатываемого материала. Поэтому внастоящее время актуальной является проблема повышения энергоэффективности печейтермостабилизации при производстве углеродных волокон.4даннойЦельюработыявляетсяповышениеэнергоэффективностипечейтермостабилизации ПАН волокон на основании исследования процессов тепло- и массообмена,протекающих в их рабочем пространстве.Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить ряд научнотехнических задач:1.Провестианализ современногосостояниятеориии практикипроцессатермостабилизации ПАН волокон и собрать исходные данные, необходимые для разработкиматематической модели изучаемого объекта.2.Разработать математическую модель процесса тепло- и массообмена в рабочемпространстве печи термостабилизации, учитывающую различные механизмы теплообменаволокна с рабочим пространством и позволяющую рассчитывать температурный режим,который обеспечивает монотонное повышение температуры волокна без его пережога, а такжеостаточное содержание примесей в волокне, как функции координат и времени.3.Реализовать экспериментальные исследования процесса термостабилизации ПАНволокон с целью уточнения физической модели данного процесса и определения значенийфизико-химических констант реакций, протекающих в обрабатываемом волокне.4.Разработать при помощи математической модели процесса термостабилизациинаиболее рациональный технологический режим с точки зрения минимума энергозатрат,полноты завершенности процесса удаления из сырья посторонних примесей и предотвращенияпережога обрабатываемого материала.Методы исследования.

В диссертационной работе использованы экспериментальные ирасчетные методы исследования. В качестве расчетного метода применено математическоемоделированиепроцессаперсональномкомпьютеретермостабилизациинаязыкеполимерныхпрограммированияволоконсС++средевреализациейBuilderна6.0.Экспериментальное исследование процесса термостабилизации выполнено на лабораторнойустановке DSC 404 C Pegasus фирмы NETZSCH и лабораторной установке ОАО «НИИграфит»собственной разработки.Научная новизна:1.

Впервые доказана возможность использования электронагревателей в печахтермостабилизации ПАН волокна во всем интервале температур, что позволяет перейти отповсеместно используемого в этих печах конвективного режима теплообмена к радиационноконвективному.2. Показано, что в печах термостабилизации с электронагревателями во всем интервалетемператур технологического процесса решающую роль играет радиационный теплообменмежду нагревателями и обрабатываемым волокном. В связи с этим впервые появляется5принципиальная возможность оперативно управлять температурным полем в рабочемпространстве печи с любой заданной точностью.3.

Предложена физическая модель процесса термостабилизации ПАН волокна,разделяющая весь процесс на 3 периода: индукционный, окисление летучих и реакции втвердой фазе. Согласно данной модели, допустимая температура процесса термостабилизацииопределяется в зависимости от физико-химических свойств обрабатываемого волокна иограничена температурой перехода от индукционного периода к периоду горения летучих.Практическая значимость:1.

Разработана математическая модель процесса термостабилизации ПАН волокна впечах с электронагревателями, которая позволяет управлять температурным полем в рабочемпространстве печи, что обеспечивает минимальные энергозатраты на процесс, равномерную посечению обработку ПАН волокна и исключает возможность его пережога.2. Выполненапрограммнаяреализацияматематическоймодели,позволяющаяисследовать процесс термостабилизации на компьютере.3.

Разработаны рекомендации по совершенствованию режима термостабилизацииполимерных волокон, позволяющие помимо экономии энергетических ресурсов сократитьвыход брака и улучшить качество выпускаемого полупродукта.4. Получен новый режим нагрева волокна в процессе термостабилизации применительнок печи ВУЛОН, позволяющий сократить энергозатраты при сохранениикачестваполупродукта.Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается и подтверждаетсяиспользованием при разработке математической модели фундаментальных уравнений теориитепло- и массообмена, а также согласованием результатов расчетов с данными эксперимента налабораторной установке.Личный вклад автораВсе результаты диссертационной работы получены автором лично под руководствомнаучного руководителя.Автор защищает:1.

радиационно-конвективныйспособнагреваполимерноговолокнаприегоприеготермостабилизации;2. результатыэкспериментальногоисследованиянагреваволокнатермостабилизации;3. результаты численных исследований процесса термостабилизации при радиационноконвективном режиме нагрева волокна.6Апробация результатов работыМатериалыдиссертационной работы докладывались на следующих конференциях:Международная, межвузовская и институтская научно-техническая конференция «64-е Днинауки студентов МИСиС» (Москва, 2009); Международная научно-практическая конференция«Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и путиразвития» (Одесса, 2011); XVIII Международная научно-практическая конференция студентови молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2012); IV Всероссийскаянаучно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Теплотехника иинформатика в образовании, науке и производстве» (Екатеринбург, 2015); XVI Международнаянаучно-практическая конференция: «Инновационное развитие: физико-математические итехнические науки» (Москва, 2015).Публикации.