СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ПЛАСТИН
METHOD OF MANUFACTURING COMPOSITE PLATES

Предложенное изобретение относится к пиротехнике, а более конкретно, к технологии изготовления пластинчатых электродов в форме пиротехнического наполнения ячеек сотовой структуры пластины из асбестовых волокон, полученным шликерным литьем, из которых составляются автономные электролитические источники питания.
Уровень данной области техники характеризует описанный в изобретении №2326470 C1, H01M 6/36, 2008 г. способ изготовления ленточных пиронагревателей, содержащих порошковые компоненты пиротехнических составов, распределенные в ячейках сотового каркаса из асбестовых волокон.
Для повышения несущей прочности и эластичности пиронагревателей асбестовые волокна покрыты латексом (водной дисперсией полимерного каучука), который в технологическую суспензию вводится в присутствии лигносульфоната.
Смесь компонентов перемешивают в воде посредством барботирования при температуре суспензии подаваемым снизу воздухом.
Приготавливаемую суспензию помещают в мерные емкости на фильтр-подложку, где принудительно удаляют жидкую фазу за счет перепада давления, формируя влажную технологическую смесь ленточного пиронагревателя, которую прессуют для выравнивания толщины, а затем сушат при температуре 16-80°С до влажности не более 0,4%.
По описанному способу обеспечивается гибкость пиротехническим лентам из малогазовых составов, характеризующихся высокой скоростью горения при стабильном тепловыделении.
Однако этот способ не обеспечивает конструкционной прочности каркасных пиротехнических изделий (таблеткам, звездкам, зарядам) из композиции, в которой асбестовые волокна по определению недостаточно разделены и измельчены для равномерного диспергирования в объеме.
Анизоторопия механических свойств прессованных пиротехнических зарядов (электродов пиротехнического источника тока) из приготовленной композиции определяет неудовлетворительную функциональную надежность при эксплуатации по назначению, то есть не обеспечивается стабильность и равномерность горения пиротехнических электродов и их взаимодействия, в результате чего не достигаются электротехнические параметры по генерируемому току.
Более совершенным является промышленная технология изготовления асбоцементных плит по способу, описанному в книге Верней И.И. «Теория формирования асбоцементных листов и труб». М.: Стройиздат, 1988, с.8-9, который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному способу.
В известном способе асбест конвейером доставляется в дозатор, откуда последовательно подается в бегуны - механическую дробилку, а затем - в гидропушитель, где осуществляют распушку (расщепление) волокон асбеста в форме суспензии, водоасбестовой смеси, содержащей 50 г асбеста на 1 литр воды, то есть в массовом соотношении 0,05.
Затем приготовленную асбестовую суспензию перекачивают в турбосмеситель, куда из расходного бункера через дозатор подают наполняющий насыпной компонент (цемент) и перемешивают с водой.
Турбосмеситель представляет собой турбинный диспергатор, ротор которого оснащен тангенциально расположенными отверстиями, формирующими при вращении локальные центробежные потоки суспензии, взаимодействующие с совмещаемыми в динамике турбулезирующими соплами турбины. При принудительном центробежном вытеснении суспензии на границе раздела ротор-турбина возникают гидроудары, сопровождающеиеся кавитационными процессами, в результате чего происходит расщепление и фрагментирование волокон асбеста.
Полученную асбоцементную суспензию подают в ковшовую мешалку для равномерного распределения в объеме структурных компонентов.
Из ковшовой мешалки асбоцементную суспензию подают в желоб, в который дополнительно поступает вода для разжижения вязкотекучей суспензии, которая содержит 100 г асбоцемента в 1 л воды.
Из желоба приготовленный полуфабрикат самотеком поступает в ванны листоформовочной машины, где на трех сетчатых цилиндрах происходит фильтрация асбоцементной суспензии - удаление воды.
Слой асбоцемента влажностью 41-45% и толщиной около 0,15 мм сукном-конвейером подается к вакуум-коробке, где происходит принудительное обезвоживание до влажности 32-37%, а затем - к форматирующему барабану.
Слой асбоцемента пропускают на форматирующий барабан через прессовые валки, где он уплотняется и частично обезвоживается до влажности 19-25% и передается на поверхность форматирующего барабана.
После 5-7 оборотов форматирующего барабана на его поверхности образуется слой асбоцемента, соответствующий заданной толщине пластины, которую механически разрезают по образующей барабана.
Срезанный пласт асбоцемента подают к механизму раскроя на пластины заданных габаритов.
Обрезки сырых листов подают в смеситель, где их перемешивают с водой, превращая в асбоцементную суспензию, возвращаемую в ковшовую мешалку.
Мерные пластины складывают в стопы с металлическими прокладками и направляют к прессам для дополнительного уплотнения осаживанием материала и на последующую сушку.
Описанная технология изготовления листовых плит по мокрому способу использовалась для изготовления всех асбоцементных изделий в СССР и более 95% подобных изделий в мире.
Однако для изготовления по этой технологии пластинчатых пиротехнических электродов для электролитических батарей, в качестве автономного источника тока, способ непригоден, так как практически невозможно обеспечить требуемые его электротехнические параметры из-за неравномерности распределения в объеме относительно протяженных асбестовых волокон и, следовательно, наполнения из пиротехнического состава.
Основным недостатком известного способа является неоднородность распределения волокон асбеста в объеме композитной пластины, что приводит к анизотропии функциональных свойств, в частности электрических параметров пластинчатых электродов, в которых в качестве наполнителя используется пиротехнические составы.
Горение пиротехнических электродов происходит неравномерно и нестабильно, что не гарантирует достижения заданного электрического потенциала.
Распушивание асбеста по известному способу неравномерное, его дисперсность неудовлетворительна для плотной упаковки в несущем каркасе.
Смешивание компонентов технологической суспензии в ковшовой мешалке продолжительное и не обеспечивает равномерности распределения компонентов.
Кроме того, из формируемых пластин нарезают мерные изделия, что трудоемко, неточно и характеризуется большими отходами.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является устранение отмеченных недостатков для усовершенствования способа изготовления пиротехнических пластинчатых электродов на асбестовом сотовом каркасе повышенной прочности и функциональной надежности.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления композитных пластин с сотовым асбестовым каркасом, заполненным функциональным порошковым материалом, содержащем предварительное распушивание асбеста при смешивании с водой, образуя суспензию, введение функционального материала при перемешивании суспензии и последующее формирование из композитной смеси пластин отливкой в форму при сопутствующем принудительном удалении воды, которые затем осаживают до заданной толщины и сушат, согласно изобретению в качестве функционального материала используют порошок пиротехнического состава, распушивание асбеста проводят при массовом соотношении с водой в диапазоне 0,0015-0,0030 циркулированием суспензии через турбиный диспергатор в течение 70000-90000 оборотов его ротора, при этом приготовленную суспензию разливают в мерные формы, воду из которых удаляют вакуумированием, а сушат композитные пластины на ситах при температуре 150±10°С до влажности не более 0,7%.
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили получение высококачественных электродов для пиротехнических источников тока, выполненных в виде электролитичеких батарей, в структуре которых содержатся анодные и катодные пластины, полученные при разном количественном соотношении компонентов пиротехнического состава.
Распушивание волокон асбеста, взвешенных в воде при их массовом соотношении на порядок меньше, чем по известной технологии, обеспечивает кратно меньшую фрагментарность асбеста при турбулезации суспензии в соплах, тангенциально расположенных в роторе диспергатора, которые выполнены с относительно меньшим проходным сечением.
Мелкодисперсное распушивание асбестовых волокон на фрагменты длиной 1,2-1,6 мм необходимо для формирования при циркулировании водной суспензии объемной сотовой структуры с равномерным распределением в объеме ячеек для последующего заполнения функциональным порошковым материалом.
Массовое соотношение асбеста и воды в суспензии при распушивании волокон асбеста в пределах 0,0015-0,0030 было экспериментально определено с целью получения максимального измельчения в турбинном диспергаторе.
Необходимое число циклов циркулирования водно-асбестовой суспензии было определено экспериментально, через 70000-90000 оборотов ротора диспергатора, по результатам достигнутого измельчения волокон асбеста длиной 1,6-1,2 мм соответственно.
Розлив приготовленной суспензии в мерные емкости под диаметр пластинчатых электродов позволил формировать готовые изделия без доделочных операций, что более производительно и продуктивно, при этом обеспечивается равное распределение в объеме сотового каркаса из мелкодисперсных асбестовых волокон, который характеризуется высокой конструкционной прочностью.
В ячейках сотового каркаса электродного элемента равномерно располагается заданное количество пиротехнического наполнения.
Удаление воды из приготовленных композитных пластин вакуумированием, которое происходит динамично и равномерно из объема, исключает градиент усадки и связанные с этим коробления, деформационные трещины и т.п., чем обеспечивается высокие несущая прочность и функциональное качество электродных пластин.
Сушка приготовленных пластин на ситах обеспечивает равномерное и динамичное испарение воды из объема композитного материала с обеих поверхностей.
Сушка композитного материала при температуре 150^:10°С обеспечивает минимальное технологическое время операции при ламинарном течении струй пара по капиллярам изделия, не разрывая их.
Сушка электродных пластин до влажности не более 0,7% продиктована расчетной термодинамикой горения пиротехнических составов электродов при функционировании в электролитической батарее, необходимой для достижения заданных электротехнических параметров источника тока.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображен агрегатированный технологический поток для изготовления пиротехнических электродов для локальных источников электропитания.
Чертеж имеет чисто иллюстративную цель и не ограничивает объема притязаний совокупности признаков формулы.
В замкнутом контуре циркулирования установлены связанные трубопроводом 1 емкость 2 и турбинный диспергатор 3, полый ротор 4 которого, оснащенный лопастным смесителем 5, смонтирован внутри статора 6, снабженного тангенциальными соплами 7, соосными выходным отверстиям 8 ротора 4.
Посредством крана 9 емкость 2 сообщается со смесителем 10, в котором установлен соосный лопастной винт 11, связанный с приводом 12 вращения.
Над смесителем 10 расположен бункер 13 с порошком пиротехнического состава - наполнителем, оснащенный объемным дозатором 14.
В смесителе 10 имеется выпускной клапан 15, под которым установлена мерная емкость 16, связанная с вытяжным насосом 17.
За позицией вакуумирования следуют пост 18 подпрессовки для осаживания сформированной композитной пластины и камера сушки (условно не показана).
Функционирует описанная установка следующим образом.
Емкость 2 наполняют водой и предварительно прокаленным асбестом, массовое содержание которого относительно воды составляет 0,0015-0,0030, то есть на 10 литров воды 0,015-0,030 кг асбеста, образуя технологическую суспензию.
При повышении концентрации асбеста в воде за максимальный предел диапазона происходит забивание выходных отверстий 8 ротора 4 волокном, увеличивается износ инструмента из-за повышенных механических нагрузок.
При понижении концентрации асбеста в воде за установленный минимальный предел диапазона резко снижается производительность процесса.
Использование в качестве каркасного материала пиротехнических электродов хризотилового асбеста марки АХО-2, имеющего волокнистое строение, характеризующегося жаропрочностью (плавится при температуре 1450°С), объясняется его способностью к распушиванию после прокаливания (в течение 10 минут при температуре 450-470°С), сопровождающегося удалением гигроскопической и адсорбционной влаги при потере механической прочности на разрыв.
Хризотил-асбест хорошо набухает, легко образует с водой суспензии; чем короче волокна, тем больше набухание.
При закрытом кране 9 включают турбинный диспергатор 3, при вращении лопастного ротора 4 которого технологическая суспензия засасывается из емкости 2 и через его выходные отверстия 8 центробежно выбрасываются струями в совмещаемые тангенциальные сопла 7 статора 6 и далее по трубопроводу 1 - в емкость 2.
В результате механических воздействий инерционных сил вращения и реакционных сил тангенциального взаимодействия на струи суспензии при относительном смещении отверстий 8 и сопел 7, а также возникающих турбулизации и кавитации в потоке происходит активное распушивание и дробление волокон асбеста.
Циркулирование технологической суспензии в рабочем контуре происходит в течение 70000-90000 оборотов ротора 4.
При меньшем количестве циклов соответствующего циркулирования суспензии получаются удлиненные волокна асбеста, что приводит к неравномерности их распределения в каркасе для пластинчатого электрода, а при меньшем - мелкие фрагменты асбестовых волокон, которые образуют ячейки несущего каркаса пластин, недостаточные для размещения порошкового функционального наполнения, при этом не обеспечивается требуемая упругость композитных пластин.
Затем открывают кран 9 и приготовленную технологическую суспензию переливают в смеситель 10, куда из бункера 13 дозатором 14 засыпают порошок пиротехнического состава.
От привода 12 лопастным винтом 11 перемешивают водно-асбестовую суспензию с пиротехническим порошком в течение 20-30 минут для гомогенизации компонентов, формируя шликер, который через выпускной клапан 15 разливают в мерные формы 16, диаметром источника тока, установленные на сетках, сообщающихся с вытяжным насосом 17, образующим вакуумирование для удаления технологической воды, выдерживая не менее 30 минут.
Сформированные шликерные пластины в формах 16 перемещают на позицию 18 для подпрессовки, где их механически осаживают до заданной толщины электродных пластин и дополнительно отжимают воду.
После этого пластины в помещают в термокамеру, где выдерживают не менее 72 часов при температуре 150±10°С до достижения влажности не более 0,7%.
Равновеликие мелкие фрагменты асбестовых волокон формируют в шликерной отливке сотовый пластинчатый каркас, ячейки которого плотно упакованы пиротехническим составом, образуя упруго деформируемую плоскую пружину, демпфирующую силовые поперечные нагрузки, возникающие при сборке батареи. При этом гарантируется целостность электродных пластин и требуемая их функциональная надежность, так не возникают скрытые трещины, резко ухудшающие режим горения пиротехнических электродов и действие по назначению.
Предложенный способ позволяет формировать электродные пиротехнические пластины точной и идентичной геометрической формы, из которых собираются электролитические батареи для автономного питания исполнительных устройств.
Результаты экспериментального измельчения асбеста приведены в Таблице №1
Таблица 1
№
загрузка емкости, кг
число оборотов ротора
длина волокон,MM
вода
асбест
60000
2,1
1
10
0,030
70000
1,6
2
10
0,030
90000
1,2
3
10
0,030
60000
2,0
4
10
0,015
70000
1,5
5
10
0,015
90000
1,2
6
10
0,017
100000
1,1
Из Таблицы 1 следует, что необходимая длина волокон асбеста в диапазоне 1,2-1,6 мм достигается в суспензиях с концентрацией асбеста в воде 0,0015-0,0030 и при их циркулировании по рабочему контуру через роторный диспергатор за время его вращения в диапазоне 70000-90000 оборотов.
Сравнительные данные по плотности композитного материала в слоях для трехслойных пиротехнических пластинчатых электродах диаметром 15 мм, изготовленных по предложенному способу и при последовательном прессовании слоев по прототипу, приведены в Таблице 2.
Таблица 2
№
пиротехнический состав наполнения
высота слоя, мм
Средняя плотность состава, г/см<sup>3</sup>
Прототип
Изобретение
1
анодный
0,3
2,055
2,060
2
воспламенительный
0,3
1,922
1,925
3
катодный
0,3
1,862
1,858
Как видно из приведенных данных в Таблице 2, относительное отклонение плотности по предложенному способу не превышает 0,5%, сравнительно с последовательны послойным прессованием пластинчатых электродов, при том, что изобретение существенно повышает производительность процесса на компактной установке, улучая качество пластинчатых пиротехнических электродов.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалистов по электро- и пиротехнике, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления пиротехнических пластинчатых электродов можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.