Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техника и технологии обработки материалов в псевдоожиженном слое. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тамбовский государственный технический университет»
В.П. ТАРОВ
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ
В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ
Рекомендовано Ученым советом университета
в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по направлению 151000
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
2012
1
УДК 678.028:66.096.5(075.8)
ББК л114.4я73
Т213
Рецензенты :
Доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «ТГТУ»
Н.Ц. Гатапова
Заслуженный деятель науки РФ, доктор физико-математических наук,
профессор ФГБОУ ВПО «ТГУ им. Г.Р. Державина»
В.А. Федоров
Таров, В.П.
Т213 Техника и технологии обработки материалов в
псевдоожижен-
ном слое [Электронный ресурс] : учебное пособие / В.П. Таров. –
Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2012. – 80 с.
Разработано в соответствии с требованиями ФГОС 151000 – Технологические машины и оборудование. Изложены основные методы модифицирования металлов и полимеров; показаны преимущества, гидродинамические и тепловые характеристики псевдоожиженного слоя зернистого
материала в качестве среды обработки изделий. Приведены примеры аппаратурного оформления процессов термообработки и вулканизации.
Предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 151000, может быть использовано в курсовом и
дипломном проектировании.
УДК 678.028:66.096.5(075.8)
ББК л114.4я73
2
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»), 2012
ВВЕДЕНИЕ
Сценарий инновационного развития промышленного комплекса
исходит из необходимости увеличить производство в ближайшие годы,
не менее чем в три раза, и предусматривает масштабную технологическую модернизацию производства, внедрение ресурсо- и энергосберегающих технологий, освоение производства новой высокотехнологичной
продукции и возрастание инновационной активности. В настоящее время
повышению эффективности технологических процессов, оборудования и
качества изделий уделяется большое внимание. Применительно к отраслям производства, связанным с модифицированием изделий, эти требования должны найти свое отражение в сокращении продолжительности технологических процессов, снижении удельного расхода энергии, повышении качества готовых изделий и производительности труда, улучшении
санитарно-гигиенических условий работы. В ряде производств до сих пор
широко
пользуются значительные возможности, заложенные в нем. Результат –
существенные невосполнимые затраты энергии в различных технологических процессах модифицирования материалов (в первую очередь, при вулканизации резинотехнических изделий, термообработке стальных деталей и
заготовок). От правильности расчета технологического процесса и научно
обоснованного выбора его аппаратурного оформления непосредственно
зависят качество изделий и затраты энергии на его осуществление.
Внедрение в промышленность и в сельское хозяйство передовой технологии непрерывного процесса производства резиновых изделий, сушки дисперсных материалов и закалки стальных изделий сдерживается отсутстви-
применяется технологическое оборудование, в котором недоис-
3
ем соответствующего прогрессивного оборудования. Наиболее целесообразно при проведении указанных технологических процессов использовать в качестве промежуточного теплоносителя псевдоожиженные и виброгравитационные циркуляционные среды. В связи с этим разработка
экономичных способов модифицирования, методов расчета технологических процессов, совершенствование аппаратурного оформления и создание оборудования для непрерывной обработки изделий в псевдоожижен-
и виброгравитационных циркуляционных средах являются основой
ных
практического использования техники псевдоожижения и виброгравитационного циркуляционного слоя в различных технологических процессах,
весьма актуальны и решают одну из важнейших проблем интенсификации
теплопереноса в системе с твердой фазой.
Во второй половине прошлого столетия, когда проводились интенсивные исследования влияния различных факторов на процессы внешнего
переноса тепла и массы в псевдоожиженных средах и предлагались модели механизма теплопереноса, не обращалось особого внимания на структуру среды вблизи тел, размещенных в ней. Хотя отдельные исследователи отмечали улучшение однородности псевдоожиженного слоя в аппарате
за счет погружения в него цепей, подвешенных к верхней крышке аппарата, систематического изучения
причин возникновения этого явления и их
объяснения не приводилось.
Организация режимов термообработки и управления ими, оценка
эффективности различных технологических установок, в которых дисперсная среда играет роль промежуточного теплоносителя, должны базироваться на знании структуры и гидродинамики среды на границе твердое
тело–слой. Без детального представления о структурно-гидродинамических
условиях, реализуемых у поверхности тел, трудно изучать свойства самой псевдоожиженной среды, например, эффективную теплопроводность пристенного слоя или эффективную вязкость среды, определяемую
по падению тела в слое.
Данное учебное пособие посвящено изучению эффективных способов интенсификации теплопереноса как в неоднородных псевдоожиженных, так и в виброгравитационных циркуляционных средах, которая воз
можна только на основе адекватной модели внешнего теплообмена, отражающей реальную картину структурно-гидродинамических эффектов,
возникающих при контакте поверхности с гетерогенной средой, и степени
их воздействия на процессы. Основное внимание уделено теоретическим
основам интенсификации этих процессов применительно к модифицированию погруженным в слой протяженным телам (перемещающимся или
неподвижным), имеющим большое
практическое значение (вулканизация,
термообработка).
4
-
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
МОДИФИЦИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ.
ФИЗИЧЕСКОЕ И ХИМИЧЕСКОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ
Под термином «модифицирование» (от лат. modificat – видоизменять
путем деления на части) целесообразно понимать термодинамически нестабильные химические, а также энергетические воздействия, эффект от
которых во времени после их реализации носит экстремальный характер.
К данному виду методов управления литой структурой относятся графитизирующее модифицирование чугунов кремнийсодержащими инокуляторами, суспензионное литье и т.
рактер воздействия связан с образованием вокруг растворившихся частиц
ферросилиция зон, пересыщенных кремнием, в которых возникают дополнительные центры кристаллизации. С исчезновением термической и
химической неоднородности расплава при его выдержке возникшие центры кристаллизации ввиду их термодинамической нестабильности дезактивируются, что и определяет термовременной характер модифицирую
щего эффекта. Во втором случае при суспензионном литье, когда в расплав вводят твердые холодные частицы (например, дробь), измельчение
структуры определяется переохлажденными зонами в расплаве (термическая нестабильность), с исчезновением которых при выдержке эффект
модифицирования угасает. Имеется ряд других способов модифицирования, структурные изменения при которых происходят за счет энергетических воздействий, приводящих всю систему либо отдельные локальные
микрообъемы сплава в неравновесное состояние (модифицирование ультразвуком, импульсным давлением на расплав и т.д.). Исходя из термодинамической нестабильности модифицирующих воздействий, для получения наибольшего эффекта необходимо стремиться к реализации процесса
на поздних стадиях получения отливок, в частности непосредственно при
заливке чугуна
применяются методы позднего (или как их еще называют в зарубежной
практике – секундарного) модифицирования. Один из них – «инмолдпроцесс» – является весьма перспективным для массового производства
автомобильных и тракторных отливок из высокопрочного чугуна. Следует подчеркнуть, что понятие «модифицирование» связано со структурой
сплава, а
Это относительно новые термины, которые, вероятно, изначально появились для обозначения одного и того же конкретного процесса – изменения
свойств сплава путем введения в расплав некоторых компонентов. Но модифицирование, по определению, – более широкое понятие. Это различ-
в формы. В последние годы в промышленности широко
понятие «легирование» связано с химическим составом сплава.
д. В первом случае экстремальный ха-
-
5
ные воздействия на структуру сплава, размер и форму структурных компонентов. Модифицирование может производиться как методом введения
малых добавок в состав, так и энергетическими воздействиями на расплав
(ультразвук, импульсное давление) и т.д.
1.1. ОСОБЕННОСТИ МОДИФИЦИРОВАНИЯ
МЕТАЛЛОВ И ПОЛИМЕРОВ
Металлы и сплавы, имеющие мелкозернистое строение, обладают
большей прочностью, более высокой твердостью и лучшей обрабатываемостью, нежели металлы с крупным зерном.
В производстве черных и цветных металлов широко практикуется
искусственное изменение размера и формы зерен введением в расплавленный металл нерастворимых веществ. Этот способ называется модифицированием.
Благодаря модифицированию металла, зерна
получаются более мелкими и приобретают несколько иную форму, чем в металле, не подвергаемом модифицированию.
Для модифицирования стали применяется порошок окиси алюминия,
для модифицирования чугуна – сплавы железа с хромом, железа с кремнием, а также чистый магний и т.д.
Модифицирование полимеров – это направленное изменение структуры полимеров, приводящее
к улучшению физико-химических и(или)
химических свойств. Различают модифицирование полимеров:
1) физическое – улучшение свойств без изменения химического состава полимера и его молекулярной массы, т.е. изменение надмолекулярной структуры полимера;
2) химическое – улучшение свойств путем введения в полимер небольшого количества способных взаимодействовать с ним модификаторов
(добавок, в том
числе и высокомолекулярных).
Физическое модифицирование полимеров обычно осуществляют в
процессе переработки полимеров регулированием параметров формирования изделия, например температуры и времени процесса, режимов нагревания и охлаждения при переработке из расплава или природы растворителя и условий его удаления при переработке из раствора. В основе физического модифицирования полимеров лежит многообразие
сосуществующих в полимере структурных форм и взаимосвязь их морфологии с
условиями формирования полимерного тела. Так, при кристаллизации
полимеров из разбавленных растворов образуются отдельные пластинымонокристаллы. Повышая скорость испарения растворителя, можно получать вместо пластинчатых фибриллярные кристаллы с преимущественным ростом одной из граней. Увеличение концентрации раствора или
скорости кристаллизации
приводит к образованию более сложных струк-
тур. Весьма эффективным способом регулирования структуры кристалли-
6
ческих полимеров, а, следовательно, их физико-механических свойств,
является введение в расплав или раствор искусственных зародышеобразователей – высокодисперсных, нерастворимых в полимере веществ, инициирующих появление собственных зародышей. При соответствующем
подборе искусственные зародышеобразователи могут одновременно выполнять роль стабилизатора полимера (например, антиозонанта, антиоксиданта, антипирена), а также способствовать восстановлению структуры
полимера в
процессе его повторной переработки.
Один из методов физического модифицирования полимеров – ориентация полимеров, которая достигается путем растяжения полимерного
тела. В результате ориентации аморфных полимеров возникает структурная анизотропия, которая на макроскопическом уровне проявляется в анизотропии физико-механических свойств, в частности в повышении прочности и модуля упругости в направлении
оси ориентации. К методам физического модифицирования полимеров может быть отнесено вспенивание полимеров с образованием пенопластов или пористых пленок, используемых как разделительные мембраны, а также введением в полимер
небольшого количества веществ, воздействующих на кинетику образования полимерного тела и (или) морфологию полимера.
Химическое модифицирование полимеров включает реакции:
сопровождающиеся изменением степени полимеризации макро-
1) не
молекул;
2) приводящие к увеличению степени полимеризации;
3) в процессе которых степень полимеризации уменьшается (при
деструкции полимеров).
Внутримолекулярные реакции протекают с участием функциональных групп или атомов, принадлежащих одной и той же макромолекуле.
Часто в результате таких реакций образуются достаточно термостойкие
полимеры с системой сопряженных двойных связей
(например, при дегидрохлорировании ПВХ или дегидратации поливинилового спирта) или
полимеры с внутримолекулярными циклами (например, при циклизации
полиакрилонитрила или полиамидокислот с образованием полиимидов).
К реакциям, приводящим к увеличению степени полимеризации, относятся реакции между макромолекулами, а также реакции получения
привитых и блоксополимеров. Первые протекают непосредственно между
двумя или несколькими макромолекулами
или при участии низкомолекулярного реагента. К реакциям такого типа относятся вулканизация каучуков, отверждeние пластмасс, образование интерполимерных комплексов
(продуктов взаимодействия противоположно заряженных полимеров, например, поликислоты с полиоснованием) и т.п. В этих реакциях проявляется одна из существенных особенностей высокомолекулярных соединений – высокая чувствительность, в первую очередь
к растворимости и
текучести, к воздействию относительно малых количеств реагента, образующего химические связи между макромолекулами.
7
Введение в состав макромолекул на стадии их синтеза небольшого количествава звеньев другой химической природы может привести к существенным изменениям свойств полимерного материала. В качестве модифицирующих агентов используют мономеры, содержащие пероксидную или
гидропероксидную группу; ненасыщенные производные красителей, стабилизаторов; физиологически активных веществ и т.п. При использовании
этого метода
модифицирования полимеров удается в одну стадию получать
полимерные материалы, в которых все компоненты, в том числе и плохо
совместимые с полимером, связаны с его макромолекулами прочными ковалентными связями. Это предотвращает выделение («выпотевание») компонентов на поверхность полимеров при их переработке и эксплуатации.
Химическое модифицирование полимеров включает также обработку
поверхности
готового полимерного изделия для придания ей требуемых
свойств при сохранении всего комплекса физико-механических свойств
исходного материала. В качестве модифицирующих агентов используют
химические вещества, в том числе биологически активные, или ненасыщенные мономеры, прививаемые на полимерную поверхность химическим, плазмохимическим или радиационным способом. Именно таким
образом удается придать полимерным поверхностям повышенную
гидрофильность или гидрофобность, способность к окрашиванию, устойчивость к атмосферным воздействиям, антистатических и ряд других
свойств, определяющих возможность применения изделий в специфических областях. Модификацией волокон и тканей биологически активными
веществами получают антимикробные или гемостатические материалы.
Поверхностное модифицирование полимеров применяют также для повышения совместимости различных полимерных материалов. Так,
при
создании полимерных композиционных материалов составляющие их
компоненты обрабатывают веществами, совместимыми с полимерами.
Такие вещества, например в шинах, являясь мостиком между кордом и
резиной, могут выполнять активную роль, принимая на себя часть напряжений, возникающих в работающей системе.
Контрольные вопросы
1. Какие преимущества имеют металлы и сплавы с мелкозернистым
строением перед металлами с крупным зерном?
2. В чем отличие физического и химического модифицирования по-
лимерных материалов?
3. Какими способами возможно осуществление физического моди-
фицирования полимерных материалов?
4. Какими реакциями может сопровождаться химическое модифи-
цирование полимеров? Приведите примеры таких реакций.
5. Для
достижения каких целей может быть применено модифици-
рование поверхности готового изделия из полимерного материала?
8
2. ВИБРОГРАВИТАЦИОННЫЙ ЦИРКУЛЯЦИОННЫЙ СЛОЙ
КАК УНИВЕРСАЛЬНАЯ СРЕДА
В настоящее время проблемам повышения эффективности технологических процессов, оборудования и качества изделий уделяется большое
внимание. Применительно к отраслям производства, связанным с термообработкой изделий, эти требования должны найти свое отражение в сокращении продолжительности технологических процессов, снижении
удельного расхода энергии, повышении качества готовых изделий и производительности труда, улучшении
работы.
В ряде производств до сих пор широко применяются несовершенные
аппараты, в которых недоиспользуются значительные возможности, заложенные в них. Результат – существенные невосполнимые затраты энергии в различных теплообменных процессах (в первую очередь при вулканизации резинотехнических изделий, сушке различных материалов, нагреве и закалке стальных деталей и
процесса термообработки и научно обоснованного выбора его аппаратурного оформления непосредственно зависят качество изделий и затраты
теплоты на его осуществление.
Внедрение в промышленность передовой технологии непрерывного
процесса производства резиновых изделий, сушки дисперсных материалов и закалки стальных изделий, сдерживается отсутствием соответствующего прогрессивного оборудования. Наиболее целесообразно
проведении указанных технологических процессов использовать в качестве промежуточного теплоносителя псевдоожиженные и виброгравитационные циркуляционные среды. Однако массовому внедрению технологий с использованием этих сред препятствует неравномерное распределение локальных коэффициентов теплоотдачи по поверхности термообрабатываемых изделий [1, 4] и невозможность существующими способами
задавать и выдерживать требуемый темп нагрева (охлаждения) в любой
зоне поверхности изделия. Кроме того, до настоящего времени детально
не изучены закономерности структурно-гидродинамических эффектов, возникающих при взаимодействии псевдоожиженного (и циркуляционного)
слоя с погруженным в него термообрабатываемым изделием, и степень
влияния этих эффектов на интенсивность процесса переноса теплоты.
Отличительной чертой неоднородного псевдоожижения является неравномерность распределения концентрации твердых частиц
слоя (из-за движения определенной части газа через слой в виде пузырей).
На практике в основном используется неоднородное псевдоожижение.
санитарно-гигиенических условий
заготовок). От правильности расчета
при
по объему
9
2.1. СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ ВИБРАЦИОННОГО
ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
От амплитуды, частоты и траектории колебательного движения зависит структура слоя дисперсного материала, интенсивность и характер перемешивания твердой фазы и скорость его направленного перемещения в
аппаратах непрерывного действия.
Создать однородный кипящий слой для тонкодисперсных материалов трудно, также сложно создать и вибрационный псевдоожиженный
слой. Сочетание вибрации и продувки газа через
слой обеспечивает выравнивание структуры дисперсного материала. Вибрационное воздействие способствует однородности в объеме слоя.
Для характеристики структуры виброслоя в работе [5] приведено
уравнение для расчета коэффициента режима, сформированное при условии отрыва частиц от горизонтальной вибрирующей поверхности с
учетом движения газа через слой снизу вверх:
2
⎛
v
h
⎜
k
−= k
1
v
2
⎜
v
vit
⎝
⎞
1
α
)cos(
22
⎟
⎟
⎠
1
+π
,
где k – эмпирический коэффициент, принимающий значения 1 или 2.
При принудительной фильтрации газа через слой критическое ускорение вибрации, при котором слой переходит из состояния виброожижения к псевдоожижению, не равно ускорению свободного падения. Если
поток фильтруемой через материал среды направлен сверху вниз слоя,
критическое ускорение вибрации будет выше, а если снизу вверх –
ниже
ускорения свободного падения.
Когда подъемная сила потока становится равной весу слоя, ускорение вибрации перфорированной поверхности может быть равно нулю.
Однако это справедливо только для слоя с идеальной структурой, когда не
возникают каналы, не создаются застойные зоны, ожижающий агент равномерно распределяется по всей площади аппарата и не происходит агло
-
мерации частиц. Если же указанные явления имеют место, вибрация при
оптимальных параметрах способствует их устранению или значительному
снижению.
В случае круговой траектории колебаний аппарата материал совершает циркуляционное перемещение внутри камеры. Установки, работающие
по данному принципу, очень близки к аппаратам идеального смешения.
Под действием вибрации дисперсный материал становится подобным
вязкой жидкости, а коэффициент эффективной вязкости этого мате-
риала существенно зависит от ускорения его вибрации.
При вибрационном воздействии такие сруктуры приобретают текучесть, свойственную вязким жидкостям, и могут быть охарактеризованы
реологическими константами, которые позволяют количественно выра-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]