Усовершенствование технологии изготовления детали «корпус-насоса» из композиционного материала ЭПАН упрочненного наноразмерными углеродными волокнами

Полный текст

Существующая технология производства детали «корпус-насоса» из углеграфитовых материалов похожа на технологию производства электродной продукции и предусматривает использование связующего материала и твердого углеродного наполнителя в качестве основного сырья. В качестве твердого углеродного сырья используют нефтяные и пековые каменноугольные коксы. Нефтяные коксы получают при коксовании различных нефтяных остатков. Свойствами остатков определялось качество кокса. В настоящее время при производстве электродных изделий в качестве связующего используется среднетемпературный каменноугольный пек с температурой размягчения 65-75°С. Пек представляет собой остатки при разгонке каменноугольной смолы. При непосредственном участии связующего протекают сложные физико-химические процессы при смешивании массы, прессовании и обжиге заготовок. Связующее при этом выполняет различные функции, основными из которых являются придание массе пластичности и спекание ее при термической обработке. При подготовке углеродных сырьевых материалов осуществляется ряд операций: выдерживание пека при температуре, сушка прокаленного углеродного наполнителя, прокаливание углеродного наполнителя при температуре 1200°С в ретортных печах, дробление, размол, рассев на сортовые фракции углеродного наполнителя. Приготовление шихты идет до получения однородной смеси и проходит в двухроторном смесителе Анод-4 периодического действия с зетобразными лопастями вместимостью 2000 л, снабженного паровым обогревом при Р=0,6 МПа и температуре 150-160 °С и нижней выгрузкой. Прессование осуществляется на вертикальном гидравлическом прессе марки П-815 с поворотным столом с усилием Р=6,3 МН, температурой 120°С, либо на горизонтальном прессе марки ДА6246 с усилием 35 МН. При давлении прессования 6 - 12 МПа скорость прессования составляет 3 - 6 см/с. Обжиг проводится в закрытых многокамерных кольцевых печах типа Ридгаммера при температуре 1200°С в течение 360 часов. Заготовки пересыпаются засыпкой. В соответствии с назначением засыпочные материалы должны обладать теплопроводностью, определенными упругими свойствами, газопроницаемостью, оптимальной адсорбционной способностью, химически инертными. Этим требованиям отвечают термоантрацит, графитированный кокс и кварцевый песок. Охлаждение заготовок после обжига не менее важная стадия процесса, оно происходит в два приема: непосредственно в камере печи в засыпке и после выгрузки из камеры на стеллаже. Процесс графитации осуществляется в электрических печах сопротивления, в которых сам материал служит активным электрических сопротивлением в общей цепи агрегата графитации: источник питания - короткая сеть - печь. Загружаемый материал разогревается в результате непосредственного протекания по нему электрического тока. Печи графитации относят к категории печей прямого нагрева. Температура обработки должна быть не ниже 2200 - 2800°С. Время графитации от 36 до 60 часов с последующим охлаждением с печью. Пропитка фенол-формальдегидной смолой до плотности 1800 - 1850 кг/м3 производится в автоклавах при давлении 6 бар и последующее отверждении при температуре 300°С. В заключении проводится механическая обработка, которая включает в себя расточную, фрезерную сверлильную, шлифовальную операции. Предлагаемый материал представляет большой интерес для химического машиностроения, нуждающегося в коррозионно-стойких, прочных и теплостойких свойствах материалов. Из него можно изготавливать различные детали химической аппаратуры: подшипники скольжения, уплотнительные кольца, проточные детали и детали торцевых уплотнений центробежных насосов и другие изделия, работающие в агрессивных средах при температуре до 150оС. На рисунке 1 представлены детали, выполненные из композиционного материала ЭПАН. Рисунок 1. Варианты изготовления деталей из материала ЭПАН Пресс-масса композиционного материала ЭПАН обладает высокой текучестью, что позволяет получать методом компрессионного прессования детали сложной конфигурации и больших размеров без последующей механической обработки. ЭПАН обладает структурой, обеспечивающей стабильность свойств материала, его высокие эксплуатационные свойства, абразивную стойкость и герметичность. Проточные части насосов из углеволокнита ЭПАН получают методом прессования с минимальной механической обработкой. Они имеют повышенную удельную ударную вязкость, что позволяет насосам выдерживать большие ударные нагрузки в процессе эксплуатации. Технология изготовления включает следующие операции. 1. Подготовка углеродных волокон. В качестве наполнителя используется высокомодульное углеродное волокно марки ВПР-19С. Волокно делится на филаменты. 2. Подготовка синтетических связующих с минеральными добавками и наноразмерными добавками в виде нановолокон марки "Таунит". В качестве связующего используется среднетемпературный каменноугольный порошкообразный пек. 3. Смешивание пресс-массы в гидросмесителе. Под действием турбулентных потоков воды волокна измельчаются и смешиваются с пеком. Диспергированная масса обезжиривается в нутч-фильтрах, высушивается до постоянного веса. 4. Компрессионное прессование. 5. Термообработка. Термическая обработка происходит при температуре 900 - 1200оС. 6. Пропитка фенол-формальдегидной смолой. Пропитку проводят до получения плотности 1,8 - 1,85 г/см3. 7. Обезжиривание и контроль. Используемые материалы Содержание компонентов: · углеродное волокно - 75 % мас.; · пек каменноугольный - 10 % мас.; · наноразмерные волокна марки "Таунит" -2-5 % мас.; · смола ФФС - 10 % мас. Композиционные материалы на основе «углерод - углеродное волокно» отличаются высокой коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах. Композиционный материал ЭПАН обладает хорошей химической стойкостью в кислых агрессивных средах. Центробежные насосы с проточной частью из ЭПАНа широко используются в химическом производстве при перекачке агрессивных кислых жидкостей, в производстве искусственных волокон, минеральных удобрений, в метизном производстве: срок службы насосов до 5 лет таблица 1. Таблица 1 Химическая стойкость материала ЭПАН в различных агрессивных средах Агрессивная среда Концентрация, % Температура, оС Стойкость Азотная кислота 5 40 Стоек 10 20 Стоек Серная кислота До 50 До кипения Стоек Соляная кислота Любая До кипения Стоек Фосфорная кислота 85 100 Стоек Уксусная кислота 80 До кипения Стоек Натр едкий Любая Любая Не стоек Бензин 100 До кипения Стоек Формальдегид Любая До кипения Стоек Спирт Любая До кипения Стоек а) б) в) г) Рисунок 2. Химическая стойкость композиционного материала ЭПАН в различных агрессивных средах: 1 - без добавки; 2 - 3 %мас. наноуглеродных волокон; 3 - 5 %мас. наноуглеродных волокон В работе были проведены исследования химической стойкости композиционного материала ЭПАН в 100% соляной, 60% серной, 80% фосфорной, 100% щавелевой кислотах (рисунок 2). Эти среды были выбраны, как наиболее применяемые для перекачки агрессивных сред на химических производствах. Наиболее химическим стойким показал себя композиционный материал ЭПАН с содержанием наноразмерных углеродных волокон марки "Таунит" в количестве 5 %мас.

Об авторах

В. И Костиков

НИТУ МИСиС

д.т.н. проф.; (495) 638-44-09

Ж. В Еремеева

НИТУ МИСиС

Email: eremeeva-shanna@yandex.ru
д.т.н. проф.; (495) 638-44-09

Н. М Ниткин

Университет машиностроения

Email: kolia-msk@yandex.ru
к.т.н. доц.; (495) 223-05-23

Г. Х Шарипзянова

Университет машиностроения

Email: guzel@mtw.ru
к.т.н. доц.; (495) 223-05-23

Д. Н Слюта

Университет машиностроения

(495) 223-05-23

Список литературы

Дополнительные файлы