СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФИЛЬТРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СЕТКОЙ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF PRODUCING FILTER ELEMENT WITH METAL MESH AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Способ изготовления фильтрующего элемента с металлической сеткой и устройства для его реализации как группа изобретений относится к области изготовления устройств, используемых для фильтрации жидкости, газа, а также сыпучих веществ. Фильтрующие элементы, сотканные из металлических проволочек, находят широкое применение, поскольку они обеспечивают высокую прочность фильтра, стабильность размера фильтрующих ячеек при относительно высокой доле суммарной проходной площади ячеек к общей рабочей площади фильтрующего элемента. Из условия оптимальной организации потока очищаемого продукта, фильтрующие элементы обычно имеют круглую форму. В этом случае на периферийных участках круглой сетки должна быть обечайка, надежно удерживающая проволочки сетки от сдвига.
Обечайки изготавливают или в виде свинчиваемых колец (авторское свидетельство №1243841), или свинчиваемых фланцев, имеющих пазы и выступы для лучшей фиксации сетки (патент №2420347). В практике производства лабораторного оборудования (elementum.kz/sieves-laboratory) в фильтрующих элементах с несменяемыми металлическими сетками их завальцовывают путем пластического деформирования обечайки, которая является корпусом сита. Тот же производитель предлагает сита с креплением сетки к обечайке сита паянием, а для обеспечения возможности использования сменных сеток с разным размером ячеек применяет более сложные конструкции с отдельным съемным кольцом, крючками и зажимами, изгибающими края сетки. Недостатком подобного способа крепления сетки является сложность и громоздкость конструкции обечайки.
Компактные фильтрующие элементы с металлической сеткой получают путем закрепления-периферийной части круглой сетки между стенками сдвоенного металлического кольца, получаемого сваркой двух колец по их периферии, или изготовленного из отрезка тонкостенной трубы, средняя часть которого выдавливается в сторону увеличения радиуса, а края сдвигаются в сторону уменьшения радиуса. После установки сетки в такую заготовку края кольца прижимаются друг к другу, зажимая сетку и образуя ее обечайку. По такому способу фильтрующие элементы изготавливаются серийно (www.oushijia.cn). Производство фильтрующих обечаек по такому способу требует сложного специализированного технологического оборудования, что не приемлемо в опытно-промышленном производстве, когда отрабатываются новые процессы очистки жидкостей и газов.
В некоторых случаях обечайка должна обеспечивать не только прочное крепление проволочек сетки, но и их надежный электрический контакт с обечайкой. Такое условие должно быть выполнено в том случае, когда сетка фильтрующего элемента используется как носитель закрепляемого на проволочках сетки частиц катализатора. При этом катализатор наносится на фильтрующий элемент при использовании гальванического процесса [Патенты РФ №2574629, №2613553]. В конечном виде каталитический фильтр состоит из пакета фильтрующих элементов с проставками между ними, защищающими сетки от взаимного контакта и существенного прогиба под действием потока очищаемой среды. Это может быть вода с растворенными в ней органическими загрязнителями, воздух с летучими загрязняющими частицами и т.п.
Задачей предлагаемого способа и устройств для его реализации является изготовление в условиях опытно-промышленного производства круглых сетчатых фильтрующих элементов с использованием типового гальванического процесса осаждения на периферию круглой сетки из электролита металла, (например, меди) "формирующего обечайку требуемого размера. При этом должно обеспечиваться не только высокая прочность крепления проволочек сетки, но и надежный их электрический контакт с обечайкой, что необходимо для осуществления последующих операций нанесения катализатора на сетку.
Предлагаемый способ изготовления фильтрующего элемента с металлической обечайкой из металлической сетчатой проволочной заготовки, включает вырезание с помощью предлагаемых в данном изобретении круговых ножниц круглой сетчатой заготовки фильтрующего элемента. Затем производят очистку полученной заготовки по типовой технологии гальванического процесса и установку с помощью предлагаемого в данном изобретении пинцета заготовки между пластмассовыми экранами. Зажатую между экранами, имеющими форму конусов, диаметр оснований которых меньше диаметра заготовки на две ширины обечайки, заготовку размещают в технологической оснастке для гальванического осаждения металла обечайки круглой заготовки. Заготовка располагается в емкости с электролитом в качестве катода соосно между анодами. При этом используют два круглых анода диаметром больше диаметра заготовки, а круглая заготовка находится симметрично между ними. В качестве металла обечайки при гальваническом его осаждении используют медь.
После нанесения металла обечайки заготовку промывают и сушат в соответствии с типовой технологией гальванического процесса, и осуществляют пластическую деформацию металла обечайки под прессом сжимающим усилием и вдавливание его в пространство между проволочками сетки заготовки.
Таким образом, проволочки сетки изготавливаемого по предлагаемому способу фильтрующего элемента прочно удерживаются металлической обечайкой, обеспечивающей при этом также надежный электрический контакт обечайки со всеми проволочками сетки. Кроме того, при пластическом деформировании обечайки в форме кольца, увеличивается ее периметр и, соответственно, диаметр обечайки, что приводит к натягиванию сетки фильтрующего элемента, исключая нежелательные ее провисания.
Для изготовления круглых деталей из листового металла широко используют штамповку - это весьма производительный процесс, который может находить применение и для сеток, если они достаточно толстые. При использовании в конструкции каталитических фильтров микросетки, например, из нержавеющей стали AISI 304 или AISI 321 с диаметром проволоки 100,0±0,5 мкм и размером ячеек 230,0±0,5 мкм применять штамповку становится невозможно. Это обусловлено тем, что для отрезания проволочек зазор между матрицей и пуансоном должен быть существенно меньше диаметра проволочек. В таком случае зазоры в направляющем аппарате штампа, исключающем задевания кромок штампа и пуансона, должны практически отсутствовать.
Применение лазерной резки для изготовления кругов из проволочной сетки ограничено тем, что луч, проходя через пустые пространства сетки, воздействует и разрушает материал подложки, энергия луча используется нерационально.
Наиболее приемлемым в опытно-промышленном производстве для вырезания кругов из мелкоячеистой сетки является использование ножниц, которые содержат смыкающиеся режущие кромки, располагаемые с разных сторон разрезаемого листа. Например, ручные ножницы по патенту РФ 2159168 имеют специальный профиль режущих кромок, позволяющий уменьшить усилия, прикладываемые к их рычагам. Однако эти ножницы плохо приспособлены для вырезания кругов небольшого диаметра. Ручное вырезание круга обычными ножницами требует больших затрат времени, не гарантирует высокой точности формы круга и его диаметра.
Для вырезания кругов из листового материала используется серийно выпускаемое оборудование, например Prinzing KSE 12/10 или НРК-1000 - производитель «Интехмаш», которое имеет два ролика с режущими кромками. Один ролик располагается под листом, из которого вырезается круг, а второй ролик - над листом. Один ролик приводится во вращение приводом, а дугой ролик перемещается так, что находящиеся в параллельных плоскостях режущие кромки перекрывают друг друга, проходя путь больший, чем толщина вырезаемого листа. Заготовка листа, из которого вырезается круг, зажимается сверху по центру круга на опоре, которая может вращаться вместе с вырезаемым кругом, приводимом в движение вращающимся режущим роликом.
Рассматриваемое оборудование имеет сложную конструкцию, но также как и штамповка не может использоваться в качестве круговых ножниц для мелкоячеистой сетки с тонкими проволочками, поскольку между плоскостями режущих кромок роликов в таком оборудовании зазор сопоставим и даже больше толщины проволочек.
Конструкция предлагаемых круговых ножниц показана на фиг. 1 (фронтальный вид) и фиг. 2 (вид сверху). Конструкция содержит выполненное из листа основание 1 с жестко прикрепленными к ней стойками, к которым сверху также прикреплен трубчатый корпус 2 с размещенными в нем подшипниками скольжения 3, в которых установлен вал 4. К одному концу вала соосно прикреплен режущий диск 5, а на другой конец вала надета рукоятка 6, позволяющая вращать вал с диском. Диаметр диска 5 по своей режущей кромке, образуемой наружной плоскостью и конической поверхностью периферии диска, равен диаметру круга вырезаемой сетки. Соосно с режущим диском располагается имеющий несколько меньший диаметр прижимной диск 7, в ступице которого выполнена глухая цилиндрическая проточка, дно которой имеет коническое углубление.
В цилиндрическую проточку свободно входит нажимной вал 8, на обоих торцах которого также имеются конические углубления. Вал пропущен через два подшипника скольжения 9, установленные в трубчатом корпусе 10, жестко закрепленном на стойке с площадкой, привинчиваемой к проставкам жестко прикрепленным к основанию 1. При этом вал 8 должен быть соосен валу 4.
Со стороны противоположной нажимному диску на наружной поверхности корпуса 10 имеется резьба, на которую навинчивается колпачок 11, имеющий прикрепленную к нему рукоятку 12 и расположенный по оси колпачка закаленный упор 13. С упором контактирует шарик 14, размещенный в коническом углублении на торце нажимного вала. Такой же шарик размещен в коническом углублении на другом торце вала и коническом углублении ступицы прижимного диска 7, а винтики 15, входящие в кольцевую канавку нажимного вала, замыкают ступицу прижимного диска с валом, исключая самопроизвольное выкатывание из конических углублений шариков, когда нажимной диск отодвигается от режущего диска.
Второй режущий диск 16 жестко связан по его оси с валиком, установленным в подшипнике скольжения, находящимся в трубчатом корпусе 17, закрепленном на конце двуплечего рычага 18, второй конец которого является рукояткой. Ось 19 удерживает рычаг в прорези стержня 20, обеспечивая качание рычага в вертикальной плоскости.
Стержень вставлен подвижно в трубчатую стойку 21 и опирается предусмотренным для этого буртиком в верхний торец стойки, при этом винт 22 входит в канавку стержня, что удерживает стержень от сдвига вверх и обеспечивает поворот рычага с режущим диском в горизонтальной плоскости. На трубчатой стойке предусмотрен кронштейн, в который ввернут винт 23, ограничивающий поворот рычага в вертикальной плоскости до опускания режущего диска 16 в рабочее положение.
Трубчатая стойка жестко скреплена с площадкой 24 уложенной на пластине 25, жестко закрепленной через проставки с основанием 1, а под пластиной 25 размещена пластина 26, имеющая четыре резьбовых отверстия. В эти отверстия вкручены винты 27 с плоскими шайбами, проходящие через отверстия в площадке 24 и пластине 25. Отверстия выполнены в виде пазов по ширине соответствующей диаметру винтов. Пазы в пластине 25 направлены вдоль основания 1, а в площадке 24 - поперек основания.
Используются круговые ножницы следующим образом:
Вначале производят настройку положения режущего диска 16 относительно диска 5. Для этого при отпущенных винтах 27 смещают трубчатую стойку 21 с ее площадкой по пластине 25 в такое положение, когда режущая кромка диска 16 с небольшим перекрытием касается режущей кромки диска 5. При этом регулировочный винт 23 доводят до касания с рычагом 18, после чего винты 27 затягивают.
Предварительно обычными ножницами (можно использовать ножницы для обрезки фотографий и картона) сетку нарезают на квадраты с размером стороны на 5…10% больше диаметра требуемого круга. Отвинчивают колпачок 11 и отодвигают нажимной диск 7 настолько, чтобы квадрат сетки свободно проходил в. щель между режущим и нажимным дисками. В щель вставляют сетку и поворотом рукоятки 12 завинчивают колпачок 11. При этом усилие передается через шарик 14 и нажимной вал 8 на шарик, находящийся в коническом углублении ступицы прижимного диска 7. За счет того, что диск может поворачиваться на сферической поверхности шарика, он базируется по плоскости диска 5 и равномерно прижимает сетку по всей поверхности диска.
После этого, поворачивая рычаг 18 рукояткой, поджимают режущий диск 16 к кромке режущего диска 5 и, вращая рукоятку 6 на 360°, срезают выступающие за границы режущего диска 5 части сетки. Далее поворотом рукоятки 12 отвинчивают колпачок 11 до освобождения сетки и вынимают вырезанный круг.
Технологическая оснастка для изготовления металлической обечайки сетчатого фильтрующего элемента путем гальванического осаждения металла на сетку показана на фиг. 3 (фронтальный вид) и фиг. 4 (вид сбоку). В состав оснастки входят: емкость для электролита 28, пластмассовая рамка 29, на которой винтами 30 закреплены круглые аноды 31, расположенные по центрам анодов зажимные винты 32, конические экраны 33 и 34. В углублении экрана 33 помещена упругая резиновая прокладка 35 с приклеенной к ее наружной поверхности металлической фольгой 36, соединенной с изолированным проводом 37, пропущенным через предусмотренное отверстие 38 в конусе и далее соединенным с клеммой «минус» источника тока. Между коническими экранами зажата сетка 39, на которую осаживается металл в гальваническом процессе. Все приспособление в сборе навешивается выводами анодов 40 на токопроводящий стержень 41, опирающийся на края емкости и соединенный с клеммой «плюс» источника тока.
Используется технологическая оснастка для изготовления металлической обечайки сетчатого фильтрующего элемента следующим образом. Токопроводящий стержень 41 с приспособлением в сборе укладывается на предусмотренный для этого кронштейн (на фиг. 3 и фиг. 4 не показан), расположенный над емкостью 28. Зажимной винт 32 откручивается на 1-2 оборота и в образовавшийся зазор между коническими экранами снизу специальным пинцетом вдвигается круглая сетка, прошедшая предварительную обработку, предусмотренную типовой технологией гальванического осаждения металла из электролита (очистку, декапирование и т.д.).
После того, как сетка будет специальным пинцетом сцентрирована с коническими экранами, винт 32 заворачивается до состояния «как плотно», при этом сетка зажимается между экранами, и металлическая фольга, поджимаемая упругой резиновой прокладкой, обеспечивает надежный электрический контакт со всеми проволочками сетки. Далее токопроводящий стержень с приспособлением в сборе снимается с кронштейна и опускается на края емкости с погружением рамки и закрепленными на ней анодами и катодом в электролит, где осуществляется процесс гальванического осаждения металла на выступающие края сетки, образуя ее обечайку.
После получения нужной толщины металла обечайки токопроводящий стержень с оснасткой в сборе вынимается из электролита и укладывается на кронштейн для вынимания готовой сетки и установки следующей сетки.
Пинцет для установки сетки между коническими экранами, используемый в процессе гальванического осаждения на сетку металла обечайки показан на фиг. 5. Он содержит две продолговатые пластины (42 и 43), в средней части которых имеются отогнутые под прямым углом две проушины с отверстиями, через которые общей осью 44 пластины подвижно связаны друг с другом. На оси установлена сдвоенная пружина кручения 45, средняя часть которой упирается в пластину 42, а ее боковые проволоки - в пластину 43, что приводит к повороту пластин до смыкания их лапок.
Лапки пластин расчленены на две части симметрично продольной оси пластин, то есть две лапки, обозначенные на фиг. 5 позициями 46 и 47, соответственно для пластин 42 и 43. Лапки каждой пластины отстоят друг от друга, по серединам их рабочих поверхностей, на одинаковом для обеих пластин расстоянии примерно равном 0,7 диаметра сетки и имеют рабочую длину лапки равную 0,15-0,17 диаметра сетки. Ширина зажимающей поверхности лапок 4 первой пластины пинцета ограничивается изгибами пластины под прямым углом в разные стороны и равна ширине h обечайки. Ширина лапок 47 второй пластины пинцета, ограничиваемая изгибом пластины под прямым углом от плоскости расположения сетки в пинцете и краем лапки, меньше и достаточна для того, чтобы при открывании пинцета не происходило задевания лапок пластин друг о друга.
Общая плоскость, образованная изогнутыми частями каждой пары лапок расположена перпендикулярно радиусу, проведенному из центра зажимаемой сетки к середине по длине лапок.
Используют пинцет следующим образом. Сжимают концы пластин 42 и 43, являющиеся «клавишами» пинцета, при этом пластины поворачиваются, и между лапками пинцета образуется зазор, куда вкладывают подготовленную для осаждения металла (очищенную, прошедшую декапирование и т.д.) сетку. При этом сетка должна захватываться обычным пинцетом или пальцами, при условии, что пальцы не касаются участков будущей обечайки.
После того, как сетка упрется в изгибы лапок 46, «клавиши» отпускают, и лапки 47 зажимают сетку. В таком положении сетку переносят пинцетом и вдвигают снизу в зазор между экранами технологической оснастки, используемой для осаждения металла обечайки, до упора изгибов лапок пинцета в экраны. В таком состоянии сетка располагается соосно с экранами и может быть зажата между ними путем завинчивания зажимного винта оснастки.
Пример реализации способа изготовления фильтрующего элемента с металлической сеткой круглой формы. Фильтрующий круглый элемент диаметром 100 мм изготовлен из микросетки, выполненной из нержавеющей стали AISI 321 с диаметром проволоки 100,0±0,5 мкм и размером ячеек 230,0±0,5 мкм.
Предварительная заготовка в виде квадрата со стороной 105 мм вырезалась ножницами, из которой на круговых ножницах вырезалась круглая заготовка диаметром 100 мм. Обезжиривание сетки производилось трихлорэтиленом с последующей промывкой водой непосредственно перед началом гальванического процесса.
Состав электролита для нанесения медной обечайки фильтрующего элемента из расчета на 1 литр готового электролита:
- сернокислая 5-ти водная медь (II) (медный купорос) - 250 г:
- серная кислота - 98 г;
- дистиллированная вода - остальное.
Процедура приготовления электролита:
1) в химически стойкий и термостойкий сосуд налить дистиллированную воду (примерно половину требуемого объема);
2) подогреть воду до 50-70°С;
3) помешивая воду всыпать расчетное количество медного купороса и перемешивать до его полного растворения;
4) остудить полученный раствор до комнатной температуры;
5) помешивая раствор медленно влить расчетное количество серной кислоты;
6) долить в сосуд воду до требуемого объема;
7) для очистки электролита от нежелательных загрязнений добавить 4-5 таблеток по 5 гр. активированного угля, растереть и размещать полученный раствор;
8) дать отстояться готовому электролиту с активированным углем в течение 24 часов;
9) произвести фильтрование электролита, используя обеззоленную фильтровальную бумагу для удаления частиц активированного угля, а также других возможных случайных примесей;
10) перелить готовый электролит в емкость для ведения гальванического процесса.
Перед началом гальванического процесса обезжиренная и промытая водой сетка подвергалась химическому декапированию путем опускания на 5-15 секунд в раствор серной кислоты для удаления окисных пленок. После промывки в проточной воде в течение 2-3 минут производилась ультразвуковая очистка сетки в течение 5-7 минут в ванне с дистиллированной водой установки "Сапфир" ТТЦ.
После этого специальным пинцетом сетка была установлена и зажата между коническими экранами оснастки для гальванического осаждения с медными анодами. Диаметр оснований конусов равен 90 мм, что обеспечивало получение ширины обечайки 5 мм. В таком положении оснастка опускается в электролит.
2
Осаждение меди на поверхность сетки производилась при плотности тока 6 А/дм в течение 20 мин, при этом электролит барботировался пропускаемым через него воздухом и была достигнута толщина металла обечайки примерно в 5раз превышающая исходную толщину сетки. Далее сетка промывалась в проточной воде и высушивалась. Время осаждения меди может быть сокращено при использовании электролитов на основе сульфаминово-кислой меди или электролитов, используемых при больших значениях плотности анодного тока в гальванопластике.
Заключительным этапом изготовления фильтрующего элемента с металлической сеткой было сжатие металла обечайки под прессом. Сетка укладывалась на специальную кольцевую оправку по размеру обечайки и сжималась усилием 10 тс. При исходной толщине обечайки 1,20 мм, толщина обечайки после пластического деформирования составила 0,75 мм.
Испытания прочности полученной обечайки проводилось путем приложения нагрузки пуансоном диаметром 50 мм в центральной части сетки, уложенной своей обечайкой на кольцевую опору. Потеря формы обечайки (образование гофр и начало сползания сетки в отверстие кольцевой опоры) произошла при усилии 70 Н. При этом выдергивание проволочек сетки в металле обечайки и ее трещины не наблюдались. После опыта обечайка была выпрямлена и круглая форма фильтрующего элемента восстановлена.
Естественно, что если в конструкции фильтра обечайка будет находиться в зажатом состоянии, то стойкость фильтрующего элемента будет существенно выше.
Таким образом, предлагаемая группа изобретений решают поставленную задачу по изготовлению в условиях опытно-промышленного производства компактных круглых фильтрующих элементов из мелкоячеистой сетки с использованием типового гальванического процесса осаждения из электролита металла (например, меди), формирующего обечайку требуемого размера по толщине и ширине. При этом обеспечивается не только высокая прочность крепления проволочек сетки, но и надежный электрический контакт всех проволочек с обечайкой, что необходимо в случае осуществления последующих операций нанесения на сетку катализатора гальваническим методом. Пакет элементов с сетками, несущими на себе частицы катализатора, является каталитическим реактором, обеспечивающим удаление растворимых в воде органических загрязнителей или летучих загрязнений воздуха.
Располагая набором изготовленных по предлагаемому способу компактных сетчатых фильтрующих элементов равного диаметра, но с разным размером ячеек между проволочками сетки, можно комплектовать сита с требуемой отсеивающей способностью при использовании единого корпуса сита.